一種新型便攜式智能拐杖的設計

吳代坤，余均杰，廖文凱，徐利強，馮琦，余霖坤，達志偉

一種新型便攜式智能拐杖的設計

吳代坤1，余均杰1，廖文凱1，徐利強1，馮琦1，余霖坤1，達志偉2

（1.中鐵通軌道運營有限公司，浙江 溫州 325000；2.西安萬威機械制造股份有限公司，陜西 西安 710065）

分析拐杖使用人群的特點和各種影響因素，設計了一種新型拐杖。該拐杖首先從傳統單調的機械式拐杖結構入手，在使用時采用三輪底座結構，保證了整體的穩定性；其次，在不使用時可以將輪轂收起來；再次，通過控制系統設計，使用者的使用可以更加便捷。本設計加入了電驅動和座椅功能，主要包括拐杖的座椅、行走功能、轉向機構的設計，以及主要零部件的選型和控制系統的設計，并進行了可靠性分析，最終得到一種新型便攜式智能拐杖輔助行走工具。

拐杖；電驅動；轉向機構；便攜式

隨著社會的日益發展，人口老齡化問題愈加嚴重。跌倒是造成65歲以上老年人受到意外傷害的主要原因。調查研究表明，在65歲以上老年人中，每年都有30%～40%的人至少跌倒一次；在跌倒的病人中有20%～30%的患者發生了嚴重的并發癥，例如骨折或外傷等，病人的康復特別困難[1]。所以對輔助老人行走的便攜式工具進行設計與研究很有必要。

1 總體結構

便攜式智能拐杖主桿由上部、中部、下部組成。上部是沿用傳統拐杖把手，主要用于手扶及控制開關等；中部是放置蓄電池的地方，提供拐杖的主要電源；下部是最重要的轉向結構，轉向結構和拐杖主桿利用聯軸器連接。

當使用者疲勞時，可以利用本工具載著自己走，不再需要自己行走，本工具提供一個舒適的座椅，以更好地保證老齡人的安全。

如圖1所示，便攜式智能拐杖的結構包括手柄，手柄上連接有支撐柱，支撐柱的一端通過轉向結構連接支撐座，支撐柱的一側鉸接座椅，座椅能在豎直平面內轉動。座椅的底面設置有支撐桿，支撐桿一端和座椅鉸接，支撐桿的另一端設置有滾輪，滾輪上設置有驅動滾輪運動的驅動機構。支撐桿和支撐柱之間設置有伸縮結構，伸縮結構的一端和支撐柱鉸接，另一端和支撐桿鉸接。支撐座的周向開設有槽縫，槽縫內穿設有與兩個端部相鄰且鉸接的軸，軸背離鉸接端的端部上設置有滾輪，支撐座上設置有輔助滾輪抬起的懸掛結構。支撐柱上設置有驅動懸掛結構、輔助滾輪抬起的驅動結構。

2 座椅機構

座椅的支撐柱上部設置有空腔，空腔內設置有驅動座椅轉動的驅動結構，如圖2所示。

座椅機構主要組成如下：

（1）電動推桿部分：由驅動電機、推桿、滑座、彈簧、減速齒輪、螺桿、螺母導桿、外殼及渦輪、微動開關等組成，具有節能環保、性能可靠、動作靈敏、運行平穩、推拉力相同、環境適應性較好等特點，且體積小、自鎖性能好、完全同步、精度高、電機直接驅動，不需要管道的氣源、油路。主要工作原理為，經齒輪減速后，帶動一對絲杠螺母，利用電機的正反轉完成推桿動作，把電機的旋轉運動變成直線運動，實現座椅的放下和收起。

（2）座椅部分：由旋轉軸座、座椅椅面、卡扣、旋轉軸套等組成。座椅以旋轉軸座為旋轉中心實現收放功能，卡扣主要是當拐杖收起時卡住后輪、不讓其隨意擺動，后驅動輪主要通過旋轉軸套支撐在座椅上，并可以旋轉。整體結構是利用三角形支撐，所以主要支撐受力都在座椅上，這是選擇后驅動輪式的主要原因，其具有良好的平穩性。

（3）連接部分：電動推桿和座椅主要是通過一個C型導軌連接在一起，電動推桿末端有一個圓柱形結構在座椅的C型導軌中運動，將直線運動轉換成圓周運動來實現所需功能。

1.手柄；2.支撐柱；3.座椅；4.支撐桿；5.伸縮桿；6.驅動滾輪；7.支撐座；8.腳踏；9.輔助滾輪。

1.支撐柱；2.電動推桿；3.卡扣。

3 轉向機構

轉向主要是靠使用者用腳踩在踏板上輔助手來控制轉向。踏板設計舒適的、傾斜旋轉可調的角度，以方便使用者實現轉向。主要使用蒙特卡羅穩健設計方法、復合形法、遺傳算法人工蜂群（Artifical Bee Colony，ABC）[2-6]等方式對前兩輪轉向機構進行優化設計，以改善機構的轉向性能。利用螺紋桿對前兩輪進行收起放下，這個部分使用穩定的三角形構架結構。傳統轉向機構都是前面一個輪或輪距較大，本結構輪距小、轉向簡單，如圖3所示。

1.聯軸器；2.腳踏板；3.支撐座；4.輔助滾輪；5.電機；6.螺桿；7.螺母；8.彈簧；9.套筒；10.環扣；11.連桿。

4 輔助滾輪升降機構

通過驅動機構帶動螺桿旋轉，從而使螺桿上的螺母上下移動，進一步的，桿體上的凸臺會在螺母周向的兩個卡臺之間形成的導向槽的推動下發生轉動，從而使卡扣翹起的一端變成壓下去的一端，形成對環套的限位。

當載人行走時，前面的兩個輔助滾輪必須放下，通過電機帶動螺桿使輔助滾輪實現上下移動，即卡扣結構繞中間的螺桿轉。當電機正轉帶動螺桿旋轉、螺母下移，把卡扣結構下端頂開，使用者可以用腳輔助加上自重放下前輪，頂開的卡扣剛好卡住環扣，致使前輪不能上移，達到卡扣卡住前輪的作用。當電機反轉帶動螺桿反轉，螺母上移，下面的彈簧帶動環扣和前輪上移，向上螺母頂開卡扣的上端，卡扣抬起前輪并卡住。

如圖4所示，設計了一種卡扣結構。螺桿和驅動結構輸出軸連接，螺桿上設置有螺母，螺母的周向沿軸向均布設置有多個卡臺，螺母外部套裝有套筒。套筒開設有多個與卡臺匹配的凹槽，凹槽內底面沿凹槽開設方向開設有槽縫，槽縫內設置有卡扣，卡扣包括桿體，桿體一側的兩端設置有弧形的凸起，桿體的中部和槽縫的側壁鉸接。套筒上依次套裝有環套和彈簧，套筒底部固定在支撐座頂部開設的凹槽內，彈簧和凹槽內底面固定，環套上鉸接有兩個連接桿，連接桿背離環套的一端和軸鉸接。

1.套筒；2.卡臺；3.螺桿；4.螺母；5.桿體；6.卡臺。

5 電源的選擇

常用電源主要有蓄電池和燃料電池兩種。蓄電池主要包括二次鋰電池、空氣電池、鎳基電池、鉛酸蓄電池等；燃料電池主要包括熔融碳酸鹽燃料電池（Molten Carbonate Fuel Cell，MCFC）、堿性燃料電池（Alkaline Fuel Cell，AFC）、質子交換膜燃料電池（Proton Exchange Membrane Fuel Cell，PEMFC）、直接甲醇燃料電池（Direct Methanol Fuel Cell，DMFC）、磷酸燃料電池（Phosphoric Acid Fuel Cell，PAFC）、固體氧化物燃料電池（Solid Oxide Fuel Cell，SOFC）等。

常用動力型電池主要參數對比如表1所示，其中鋰離子電池技術具有以下優點：①高容量，即有一定的續行里程；②高功率，使啟動快、能大電流放電、爬坡能力強；③單體電池電壓高，可減少串聯數量，防止電池一致性差產生的電池組故障；④容量衰減小、循環壽命長，有利于降低成本；⑤體積小、重量輕，有利于整體的輕量化和小型化；⑥能快速充電、免維護，使用方便；⑦不爆炸、無泄漏，使用安全；⑧生產過程無污染、廢棄電池無公害，對環境有益；⑨價廉，有利于降低整車成本。

綜合考慮最后選擇鋰離子電池作為電源。

表1 常見電池主要參數對比

6 驅動電機

常用電機主要有交流異步電機、有刷直流電機、無刷直流電機等，在伺服控制系統中，為了實現快速起、停、加速、減速等，要求電機必須具備兩個特點：①起動和最大轉矩大；②轉子轉動慣量小。無刷電機和有刷電機相比，由于轉子上沒有繞組，就沒有電的損耗。因為主磁場是恒定的，所以鐵損也極小，增加了工作的可靠性。

本設計采用輪轂電機作為驅動結構，具有單獨車輪就能實現驅動的特點，無論是前驅還是后驅都可以輕松完成，在任何環境下都可以實現原地轉向，在這種便攜式輔助行走工具中具有很大的實用價值。

（1）電機功率

在行駛過程中，本身的驅動力和受到的多種阻力互相平衡，因此阻力功率和電機功率相等。根據能量守恒列出平衡方程為[7]：

則有：

（2）電機轉速

拐杖主要服務老年人，為了安全，其使用時不需要太快的速度。常用的低速電機轉速一般在1000～1500 r/min，高速電機轉速一般約10000 r/min。

根據文獻[8]，有：

得到：

輪轂電機驅動，不存在變速器，采用直接驅動的方式不存在減速驅動，所以式（5）中，

（3）電機轉矩

當電機功率和額定轉速確定之后，計算電機的額定轉矩[8]：

式中：M為電機額定轉矩，N·m。

（4）驅動電機的主要參數

本便攜式智能拐杖最大質量為100 kg（包括拐杖自身重量），正常時速3 km/h，最高時速4 km/h，采用一個后輪的后驅方式，即在后輪安裝一個輪轂電機。

計算得：額定功率為0.2 kW，最高轉速為4 km/h，最大扭矩不低于2 N·m。

7 控制系統

整體控制系統采用單片機，其中控制芯片為STM32F051C，它擁有廣泛的外圍增強設備、快速的數據處理能力、工作穩定性好，提高了系統的簡易程度[10]。硬件電路整體框架如圖5所示，包括電源、信號輸入、信號處理、驅動控制、智能控制等部分。其中，A相驅動主要是控制驅動輪，控制整體的速度、啟動和暫停；B相驅動主要是控制電動推桿，對座椅進行放下和收起；C相驅動主要是控制前輪及轉向機構的收起和放下。

7.1 欠壓保護

鋰離子電池作為拐杖的電源，在使用過程中持續放電，蓄電池里的電壓會逐漸降低，如果電壓降低到了最大極限使用者還繼續使用，則會縮短鋰離子電池的使用壽命，所以必須有欠壓保護措施。欠壓保護電路如圖6所示。

圖5 硬件電路整體框架

RV1、RV2、RV3為電阻；C4為電容；Udm為截止，GND為接地。

本設計的電源正常電壓為24 V，當電壓低于18 V時，電路就會傳遞給單片機一個信號，經單片機處理給電機一個指令讓其停止工作，這樣就保護了電源免受損壞，增加了電源的使用壽命。

7.2 過流保護

電機在運行過程中難免會因自身發熱而損壞，安裝一些裝置就能避免此問題的產生，但會增加成本，也會增加結構的復雜程度。本設計提出的過流保護方案是利用康銅絲作為小阻值無感采樣電阻，這種方案操作簡單、節約成本，符合便攜式智能拐杖的性能要求。過流保護電路如圖7所示[11]。

1為輸出電路；2、3為輸入電路；Idm為最大漏極電流；MOS-S為三極管；Rs、R20、R21、R22為電阻；C3為電容。

過流保護電路中，將電路中的信號傳遞到運算放大器LM358D的反相輸入端，如果LM358D同相輸入端輸出電壓大于電路中傳遞的信號，則運行正常；如果電路中出現過流現象，則這兩種信號差值呈相反趨勢，此時電路輸出低電平，電機停止運行，起到保護驅動電機免于損壞的作用。

8 結語

本文提出的一種輔助老年人行走的便攜式智能拐杖，能夠對腿腳不便的老年人提供行走支撐，并具備短距離低速乘坐的功能。該拐杖攜帶方便，為老年人的正常出行提供便利。

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[3]張蕾，張文明，申焱華. 基于蒙特卡羅法的軌跡再現轉向機構穩健性設計[J]. 北京科技大學學報，2006，28（12）：1174-1177.

[4]姚明龍，王福林. 車輛轉向梯形機構優化設計及其求解方法的研究[J]. 機械設計與制造，2007，20（5）：24-26.

[5]Mir Mohammad Ettefagh，Morteza Saeide Javash. Optimal synthesis of four-bar steering mechanism using AIS and genetic algorithms[J]. Journal of Mechanical Science and Technology，2014，28（6）：2351-2362.

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[7]許媛. 淺析純電動汽車如何匹配驅動電機[J]. 汽車維修，2012（05）：15-17.

[8]孔垂毅，代穎，羅建. 電動汽車輪轂電機技術的發展現狀與發展趨勢[J]. 電機與控制應用，2019，46（2）：101-108，113.

[9]周璇. 減速驅動型輪轂電機的研究[D]. 唐山：河北聯合大學，2014.

[10]李占. 低速電動車無刷直流電機控制系統設計[D]. 石家莊：河北科技大學，2014.

[11]安旭松，丁頌，王江，等. 電動車存取停放控制系統設計[J]. 機械，2019，46（2）：68-71.

Design of A New Type of Portable Intelligent Crutch

WU Daikun1，YU Junjie1，LIAO Wenkai1，XU Liqiang1，FENG Qi1，YU Linkun1，DA Zhiwei2

(1.China Railcom Rail Operation Co., Ltd., Wenzhou325000, China;2.Xi'an Winwei Machinery Co., Ltd., Xi'an 710065, China )

A new type of crutch is designed based on the analysis of the characteristics of the users of the crutch and various influencing factors. Firstly, the design starts with the traditional monotonous mechanical crutch structure, and uses a three-wheeled base structure to ensure the overall stability. Secondly, the wheel hub can be folded when not in use. Thirdly, the user can use it more conveniently through the control system. This design adds electric drive and seat functions mainly including the design of the crutch seat, walking function, steering mechanism, as well as the selection of the main parts and the design of the control system, and the reliability analysis is carried out to finally develop a new type of portable intelligent crutch.

crutches；electric drives；steering mechanisms；portable

TH122

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2022.05.012

1006-0316 (2022) 05-0075-06

2021-07-23

吳代坤（1998－），男，陜西商洛人，助理工程師，主要研究方向為機械設計制造及理論，E-mail：w2017042600@163.com。