電動智能腳踏車設計研究

劉奇 陳艷軍 姚鑫 盧雅倩

摘 要 老年人是一種弱勢群體，在生活中有諸多不便。在人性化設計思想的影響下，注重“以人為本”的設計理念，讓社會更為廣泛的關注到老年人這類弱勢群體，滿足他們的生理及心理需求，從而提高家居生活的質量。因此，逐步去探索，去了解他們在家中的生活狀況，同時為他們及其家庭成員設計一款全方位的智能運動設備整合設計的想法應運而生，以此去改善老年人的生活需求、生活品質，降低家庭生活的壓力。

關鍵詞 老年人 電動智能腳踏車 以人為本 設計計算

中圖分類號：U266.2 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0745（2021）02-0013-03

1 設計的目的和意義

現代社會中，隨著老年人的人口比重的增加，一些專門給老年人用來身體鍛煉的器材也越來越多，在公園里或者小區中隨處可見，有橢圓機、健騎機、空中漫步等。可這些鍛煉器材基本都是在露天環境中，如果遇到陰天下雨，就沒法再出去進行鍛煉，尤其入冬之后，會連續幾個月低溫或晝夜溫差大，這都不適合老年人的外出鍛煉。尤其隨著時間的推移，老年人身體機能下降，能堅持去室外鍛煉的機會越來越少，因此就需要一種專門用于老年人室內鍛煉的器材。本產品就是為了解決老年人室內鍛煉的問題而設計。

2 工作原理

本產品的工作原理就是用電機驅動腳踏車的腳輪，并通過鏈傳動帶動手輪同步旋轉，用來主動帶動老年人手腳同時運動，達到鍛煉身體的目的。在結構上看，本產品包括腳輪結構設計部分、座椅前后移動結構設計部分、靠椅傾斜角度調節部分和電氣控制部分[1]。

2.1 腳輪部分結構設計

腳輪部分是設備的主要做功部分，主要包括三部分傳動：

1.減速電機將動力傳給腳輪軸：該部分傳動采用的是兩個1：1的鏈輪傳動完成，腳輪軸獲得的轉速約為30r/min（設備剛啟動時，可由調速器將轉速調整到較低起步速度，待老年人關節運動靈活之后，在調整至適合運動的轉速）。

2.腳輪軸將動力傳給手輪：該部分傳動采用的是兩個1：1的鏈輪完成，保證腳輪和手輪的完全同步。安裝時還需要注意手輪和腳輪轉動的協調性。

3.腳輪將動力傳給兩側的兩個曲柄，由曲柄帶動踏板帶動腿部完成橢圓運動。此處為該作品的創新處之一，由類似橢圓機的踏板（曲柄搖桿機構）代替了傳統的腳蹬式結構[2]。現在市面上常見的腳蹬結構為了防止鍛煉時打滑需要將老年人的腳步綁在腳蹬上，這樣一旦設備出現故障，老人無法將腳步拿下，可能會造成意外的危險。而該踏板結構老人可以將腿部放在踏板的任何位置，都可以固定達到鍛煉身體的目的。結構簡圖如圖1所示。

該踏板結構在運動時任意一點的軌跡都是一個橢圓，運動時豎直方向運動幅度小，水平方向幅度大，符合人體結構的運動機理。傳統的腳蹬結構因為腳固定在腳蹬上，腳的軌跡是圓周運動，在豎直方向幅度過大，容易造成不舒適感。

除此之外，運動者可以將腳放在踏板的不同位置，踏板不同位置的幅度是不一樣的，越遠離曲柄幅度越小，鍛煉者可根據自身情況自己調節腳部所放位置，也就是運動的幅度。

2.2 座椅部分結構設計

座椅部分要實現的動作是可以調整與腳輪的相對距離，由于設備使用者的身材各異，高矮胖瘦都有可能，這就需要座椅和腳輪的距離可調。傳統的調整方法是使用手動調節，位置的固定全靠螺紋壓緊，操作方便性和運動可靠性較差。

本產品采取的設計方案是電缸推動平行四邊形結構帶動座椅移動的形式，動作原理如圖2所示，該結構有如下優點：

1.采用電動推桿推動平行四邊形結構，可以方便、自動、連續地調整。使用者不必走下設備松緊螺栓調整，只要按動控制箱上的按鈕，就可以使座椅向前或向后緩慢的移動。電缸的伸出速度為5mm/s，動作平穩，自身自鎖性能良好，可靠性更高。

2.座椅支架的平行四邊形結構使得座椅在向后移動的同時也會有些許的升高，相反，再向前移動的同時也會有些許的下降。這個同步的變化正好符合人體運動整體的需求。如需要將座椅后移，必然是因為使用者個子高，而座椅同時升高的動作也正好符合了使用者個子高的特點，在水平和數值方向上都符合了使用者的需求。

2.3 靠椅部分結構設計

靠椅傾斜角度可以調節的設計主要是考慮到使用者在同一個姿勢運動時可能會感到疲憊，因此可以將靠背自動的向后傾斜至45度左右，這樣可以使得運動時更加舒適。

傳統的調節靠椅角度的結構依然是靠手動調節，找好位置后用螺栓緊固。操作繁瑣，當螺栓結構有所松動時還會造成老年人摔倒的危險。本產品靠背向后傾斜的原理采用的是電缸推動杠桿結構來推動一個靠背，依然具備運動平穩、操作方便、可靠性高的優點。

2.4 電氣控制部分設計

電氣控制部分除了給設備進點和斷電之外，還主要包括三個調節和一個保護作用，分別是座椅前后移動的調節、靠背傾斜角度的調節、腳輪轉速的調節以及電機的過載保護措施。

2.4.1 座椅前后移動和靠背的傾斜角度調節

二者都是通過兩個電動推桿來實現的，這個過程操作很方便，但需要連接一個電源轉換器，將220V交流電轉化為24V直流電。因為減速電機驅動腳輪轉動需要的是220V的交流電源，而兩個電動推桿執行元件需要的是24V直流電，這需要一個簡單的變換電路來實現[3]。

2.4.2 電機調速的控制

減速電機輸出轉速的選取是根據正常鍛煉所需的轉數所得，本設備所選取的電機輸出轉數約為30r/min。但還需要考慮一個實際問題，就是隨著老年人年齡的增大，身體機能不斷下降，并不像年輕人那樣手腳靈活，因此需要腳輪轉速在剛開機時慢速，待幾分鐘后，老年人身體逐漸適應之后再慢慢加速，這是一個必須具備的功能。該功能是通過減速電機和調速器配合使用來完成的。減速器可以連續的調節從0-30r/min的任意速度，使得設備得腳輪轉動由慢逐漸變快，以適應老年人身體需要慢速熱身的動作過程。

2.4.3 電機的過載保護功能

設備的安全措施主要是考慮到老年人身體協調性差，為防止在運動時腿部或手部打滑被腳輪或手輪打傷而設計。本產品在使用安全方面做了三重設計：

1.首先是將傳統的腳蹬結構設計成踏板結構，使用時不再將腳綁在腳蹬上，而是可以把腳放在踏板的任意位置，這樣運動起來既方便，又安全，還能實現運動幅度的調節。

2.急停按鈕，如果使用者發生腿部或手部打滑，可以迅速按下手輪中間控制箱上的紅色停止按鈕，按下這個按鈕，設備就會自動斷電，電機也就停止了轉動。

3.電機過載保護，過載保護器是根據電氣控制的實際需要設計的電路保護裝置，當接好線路，閉合開關QS1，按下啟動按鈕SB2，線圈KM得電，接觸器常開閉合形成自鎖，電動機執行元件工作，當電動機發生過載時FR常閉斷開，使電路斷電，電動機停止或者按下SB1電動機停止工作。兩個電動推桿控制通過將220V交流電轉化為24V直流電，通過閉合QS1，當閉合SB1電動推桿前進，當按下SB2電動推桿后退，來實現座椅的前后移動和靠椅的傾斜角度[4]。

過載保護器常用的是熱繼電器，它由雙金屬熱元件，動作機構，常閉觸頭，常開觸頭，復位按鈕及電流調節旋鈕構成。電機過載時電流變大，雙金屬熱元件長時間通過大電流變形，通過動作機構使觸頭動作，帶動開關跳閘，起到保護作用。過載保護器常用的是熱繼電器，它由雙金屬熱元件，動作機構，常閉觸頭，常開觸頭，復位按鈕及電流調節旋鈕構成。電機過載時電流變大，雙金屬熱元件長時間通過大電流變形，通過動作機構使觸頭動作，帶動開關跳閘，起到保護作用。可對電氣系統，繞線電機的過電流，短路，缺相，相失衡，錯相及啟動過程（避啟動過電流）等提供有效的保護[5]。

3 設計計算

本產品設計計算的部分主要有三處：腳輪驅動電機功率的計算、座椅電缸行程的計算以及靠背電缸行程的計算。

3.1 腳輪電機功率的計算

根據模型材料和形狀判斷，腳輪的轉矩大概需要5N·m，腳輪最高轉速為30r/min，機械效率取0.9，因此需要的驅動功率：

查閱減速電機相關樣本，選擇電機的驅動功率為25W。

3.2 座椅電動推桿的行程計算

電動推桿的行程計算問題可以近似認為是一個解三角形問題，假設初始位置時平行四邊形與地面的夾角為θ，當座椅向后移動S后轉過角度為α，且正好與地面垂直，則：

電缸原長度：

電缸最終長度：

因此電缸的行程：

與此同時，座椅上升的高度：

3.3 靠椅電動推桿的行程計算

靠椅電缸的計算也是一個解三角形的問題，假設座椅初始時與豎直方向夾角為θ，轉過的終點與豎直方向為45°，則：

電缸原長度：

電缸最終長度：

因此電缸的行程：

4 結語

為了不占用家里太大的空間，本產品還應具備折疊功能，甚至可以和電氣控制部分結合起來，實現自動折疊和打開，這樣就為使用和放置提供了更大的方便;本產品三個電機之間都是彼此獨立控制的，缺乏一個系統對它們統一控制，因此在電氣控制方面還可以加入一些程序，使三個動作彼此配合，能達到更好的使用體驗;本產品的安全防護措施中，缺乏最直接方便的語音識別功能;另外扭矩保護部分是由電流控制，而不是電機本身自帶的功能，缺乏足夠的可靠性，這方面也有待進一步優化。

參考文獻：

[1] 蒲良貴.機械設計第九版[M].北京：高等教育出版社，2013.5.

[2] 陳作模.機械原理第八版[M].北京：高等教育出版社，2014.12.

[3] 程憲平.機電傳動與控制第四版[M].武漢：華中科技大學出版社，2016.1.

[4] 成大先.機械設計手冊第五版[M].北京：化學工業出版社，2008.5.

[5] 王永華.機床電氣與PLC控制第四版[M].北京：北京航空航天大學出版社，2016.8.

（沈陽城市建設學院，遼寧 沈陽 110167）