一種關于新型坐蹲立式代步車的設計研究*

陳 彬，陶建華，陳文濤（廣州大學機械與電氣工程學院，廣東廣州 510006）

一種關于新型坐蹲立式代步車的設計研究*

陳 彬，陶建華，陳文濤
（廣州大學機械與電氣工程學院，廣東廣州 510006）

通過調查與研究現有代步工具的缺點與不足，研究設計出一種具有創新功能的新型坐蹲立代步車。先簡要圖文介紹代步車、普通輪椅和可站立電動輪椅這三種常見代步工具，并總結它們的優缺點。接著提出改善這些代步工具缺陷的3種創新功能：（1）車座自動伸縮功能，使操作者簡便上下車；（2）具有“坐、蹲、立”三種使用模式且切換簡易；（3）具有健身功能，可幫助操作者鍛煉身體。然后采用模塊化設計方法針對這3個功能對代步車進行座椅移動模塊、座椅升降模塊、健身康復模塊和驅動控制模塊設計，并最終運用CAD進行機構設計，利用ANSYS對模型進行力學分析，進行優化設計，從而得到最優產品設計方案。

代步工具；座椅移動模塊；座椅升降模塊；健身模塊；驅動控制模塊

0 引言

2006年第二次全國殘疾人抽樣調查結果顯示：與1987年相比，2006年我國殘疾人總數明顯增多，從5 146萬增加到8 296萬，增加了3 132萬；殘疾人總數占全國人口比例有所上升，從1987年的4.90%上升到2006年的6.34%，提高了1.44個百分點。綜合考慮人口結構的變動及社會經濟因素的影響，我國人口的殘疾現患率將在未來40多年中持續增長，根據預測結果顯示，至2050年我國人口的殘疾現患率將達到11.31%。估計到2050年全國殘疾人總量將會達到1.65億，將是目前的二倍[1]。

全國老齡委辦公室公布數據顯示，截至2011年底，中國60歲及以上老年人口已達1.85億人，占總人口的13.7%。預計到2013年底，中國老年人口總數將超過2億，到2025年，老年人口總數將超過3億，2033年超過4億，平均每年增加1 000萬老年人口[2]。

隨著下肢殘疾和行動不便的老年人人口的增多，代步工具的需求越來越大，隨著人們生活質量的提高，對代步工具的要求也越來越高，但是，目前現有的代步工具存在著嚴重的不足，比如普通輪椅需要手動驅動，效率低，操作模式單一，上下車不方便[3-4]；站立式電動輪椅操作步驟繁瑣，下半身癱瘓的病者無法完成，且使用者前方無防護裝置，安全性較低，上下輪椅也很不方便。面對現有代步工具存在的以上問題，對新型坐蹲立式代步車提出以下設計要求。

（1）具有“坐”、“蹲”、“立”三種使用模式，且切換方便，不需人為調整身姿，適用下半身癱瘓病者。操作者能避免保持長期的坐姿帶來的肌肉損害[5]，又能像正常人一樣直立地行動與他人交流對話，不會“低人一等”，增強自信，還能自由方便地拿取擺放在不同高度的物品。

（2）具有車座自動伸縮功能，該功能簡化上下車程序，可使使用者自主便捷地從車上轉移到椅子、沙發或馬桶上，方便使用者上下車和上廁所，很大程度地提高殘疾者或老者自主生活能力，減少對他人的依賴和自卑心理。

（3）具有健身復健功能。下肢無力患者可使用該功能鍛煉下肢力量和屈伸關節，提高四肢協調能力，助于早日康復。

1 新型代步車設計思路

新型代步車主要包含座椅移動模塊、座椅升降模塊、健身復健模塊和驅動控制模塊等四部分構成（如圖1所示）。整車將模塊化設計思想貫徹始終，利用現有的CAD平臺搭建模型，進行模型的裝配與尺寸的校核。

圖1 新型代步車結構示意圖

2 模塊化設計方案介紹

2.1 座椅移動模塊

如圖3所示，該模塊采用絲桿傳動。導軌滑臺約束梯形絲桿的軸向運動，進而電機的轉動變為螺母的軸向運動，即車座隨著進行伸縮運動，而電機停止運轉時，梯形絲桿的自鎖性保證了車座的靜止。

圖2 新型代步車車座伸縮模塊

圖3 新型代步車車座抬升模塊

2.2 座椅升降模塊

如圖4所示，車座抬升模塊采用曲柄搖塊機構，電動推桿伸長或縮短時，滑臺繞著鉸鏈P31順時針或逆時針旋轉，車座便推動使用者旋轉，電動推桿停止伸縮時，其自鎖力維持使用者保持“坐蹲立”其中一種姿態。

2.3 健身復健模塊

基于騎馬健身機的工作原理，代步車的安全防護模塊和手握桿組成健身模塊。使用者只需利用安全防護模塊固定下肢，手握手握桿，就可結合自身重力和手的拉力拉動自己做蹲立運動，增強心肺功能，提高上肢、腰部、腹部、腿部、背部肌肉力量和四肢協調能力。對腕、肘、髖、膝關節屈伸功能性障礙，四肢及腰背酸痛等有康復作用。

2.4 驅動控制模塊

代步車的驅動模塊采用的是雙電機直接控制前輪，后車輪隨動的方法。采取直接控制電機轉速的方式，來控制代步車前進與轉彎，提高了控制的精度與靈敏度。

控制模塊由具有AD轉換功能的AVR單片機、十字搖桿和按鈕開關組成。搖桿前后左右四個操作方向分別對應操縱代步車前進、后退、左轉和右轉，而且搖桿推動的角度越大，代步車進退速度越快或轉彎半徑越大。狀態顯示窗口主要是對代步車整體運行狀態、電量與整車的具體運行模式進行顯示并進行狀態提醒。

系統結構圖如圖4所示。

3 模型的優化設計

模型的優化主要是利用ANSYS軟件對主要零件進行分析，利用已有的CAD模型與ANSYS軟件對接，對模型進行網格劃分與加載，觀察零件受力后的變形，對變形較大的部分重新設計，而后進行重新設計，在進行仿真分析，最終得到最優的設計方法。下面舉出了一個主要零件的ANSYS分析與優化過程，如圖5、6所示。

圖5 網格參數設置與網格劃分結果

圖6 ANSYS分析結果與優化

通過有限元分析，觀察零件各部分的位移與形變，對模型進行優化設計，得到能夠滿足使用要求的模型，這樣就避免了樣機生產后不能使用的情況，降低了研發的時間，提高了研發效率。

4 結束語

整車采用模塊化設計方法，可以更明確各模塊的主要功能，便于新功能的改進與加入，使整臺車能夠不斷得到更新；其次，模塊化設計便于問題故障的檢修，這樣就可以大大的節省維修時間；最后，模塊化設計便于使用者根據自己自身的狀況，對代步車的具體模塊進行調整，已達到最佳的使用狀態。同時，設計過程中還采用了優化設計，利用ANSYS軟件對整車以及部分主要零件進行力學分析，從而降低了在設計加工過程中出現不必要的錯誤，大大節省了設計與加工的時間，縮短了整個研發周期。

［1］中國殘疾人聯合會網.《關于使用2010年末全國殘疾人總數及各類、不同殘疾等級人數的通知》.［OL］.［2011.03.12］.http：//www.cdpf.org.cn/.

［2］中國新聞網.《中國老齡事業發展“十二五”規劃》.［OL］. ［2011.9.23］. http：//www.chinanews.com 2011/09-23/3349429.shtml.

［3］陸劍雄，張福昌，申利民.坐姿理論與座椅設計原則及其應用［J］.江南大學學報：自然科學版，2005，4（6）：600-625.

［4］陸劍雄，張福昌，申利民.坐姿與座椅設計的人機工程學探討［J］.人類工效學，2005，ll（4）：44-49.

［5］任怡，張峻霞，張建國，等.立臥兩用電動輪椅車的設計［J］.天津科技大學學報，2009，24（1）：47-50.

Research and Design about a New Sit-Squat-Stand Mobility Scooter

CHEN Bin，TAO Jian-hua，CHEN Wen-tao
（Department of Mechanical and Electrical Engineering，Guangzhou University，Guangzhou510006，China）

This paper points out the advantages and disadvantages of three kinds of walking tools including Mobility Scooter，casual wheelchair and electric wheel chair.Then lists three advantages that a new sit-squat-stand Mobility Scooter design project should have：（1）With automatic removable seat；（2）Can help the user sit，squat and stand；（3）With fitness function;Then based on the advantages，designs the removable seat module，seat-lifting module，fitness module and controlled driver module for the new mobility scooter.At last，designs the mechanism with CAD；refine the project and analysis the mechanical with ANSYS to get the optimal project.

walking tool；removable seat module；seat-lifting module；fitness module；controlled driver module

TH122

A

1009－9492(2014)05－0070－03

10.3969/j.issn.1009-9492.2014.05.017

陳 彬，男，1989年生，河北保定人，碩士研究生。研究領域：機械設計及理論數字化設計與制造。

(編輯：向 飛)

*國家級大學生創新訓練項目（編號：201211078044）

2013－11－19