一种关于新型坐蹲立式代步车的设计研究*

陈 彬，陶建华，陈文涛（广州大学机械与电气工程学院，广东广州 510006）

一种关于新型坐蹲立式代步车的设计研究*

陈 彬，陶建华，陈文涛
（广州大学机械与电气工程学院，广东广州 510006）

通过调查与研究现有代步工具的缺点与不足，研究设计出一种具有创新功能的新型坐蹲立代步车。先简要图文介绍代步车、普通轮椅和可站立电动轮椅这三种常见代步工具，并总结它们的优缺点。接着提出改善这些代步工具缺陷的3种创新功能：（1）车座自动伸缩功能，使操作者简便上下车；（2）具有“坐、蹲、立”三种使用模式且切换简易；（3）具有健身功能，可帮助操作者锻炼身体。然后采用模块化设计方法针对这3个功能对代步车进行座椅移动模块、座椅升降模块、健身康复模块和驱动控制模块设计，并最终运用CAD进行机构设计，利用ANSYS对模型进行力学分析，进行优化设计，从而得到最优产品设计方案。

代步工具；座椅移动模块；座椅升降模块；健身模块；驱动控制模块

0 引言

2006年第二次全国残疾人抽样调查结果显示：与1987年相比，2006年我国残疾人总数明显增多，从5 146万增加到8 296万，增加了3 132万；残疾人总数占全国人口比例有所上升，从1987年的4.90%上升到2006年的6.34%，提高了1.44个百分点。综合考虑人口结构的变动及社会经济因素的影响，我国人口的残疾现患率将在未来40多年中持续增长，根据预测结果显示，至2050年我国人口的残疾现患率将达到11.31%。估计到2050年全国残疾人总量将会达到1.65亿，将是目前的二倍[1]。

全国老龄委办公室公布数据显示，截至2011年底，中国60岁及以上老年人口已达1.85亿人，占总人口的13.7%。预计到2013年底，中国老年人口总数将超过2亿，到2025年，老年人口总数将超过3亿，2033年超过4亿，平均每年增加1 000万老年人口[2]。

随着下肢残疾和行动不便的老年人人口的增多，代步工具的需求越来越大，随着人们生活质量的提高，对代步工具的要求也越来越高，但是，目前现有的代步工具存在着严重的不足，比如普通轮椅需要手动驱动，效率低，操作模式单一，上下车不方便[3-4]；站立式电动轮椅操作步骤繁琐，下半身瘫痪的病者无法完成，且使用者前方无防护装置，安全性较低，上下轮椅也很不方便。面对现有代步工具存在的以上问题，对新型坐蹲立式代步车提出以下设计要求。

（1）具有“坐”、“蹲”、“立”三种使用模式，且切换方便，不需人为调整身姿，适用下半身瘫痪病者。操作者能避免保持长期的坐姿带来的肌肉损害[5]，又能像正常人一样直立地行动与他人交流对话，不会“低人一等”，增强自信，还能自由方便地拿取摆放在不同高度的物品。

（2）具有车座自动伸缩功能，该功能简化上下车程序，可使使用者自主便捷地从车上转移到椅子、沙发或马桶上，方便使用者上下车和上厕所，很大程度地提高残疾者或老者自主生活能力，减少对他人的依赖和自卑心理。

（3）具有健身复健功能。下肢无力患者可使用该功能锻炼下肢力量和屈伸关节，提高四肢协调能力，助于早日康复。

1 新型代步车设计思路

新型代步车主要包含座椅移动模块、座椅升降模块、健身复健模块和驱动控制模块等四部分构成（如图1所示）。整车将模块化设计思想贯彻始终，利用现有的CAD平台搭建模型，进行模型的装配与尺寸的校核。

图1 新型代步车结构示意图

2 模块化设计方案介绍

2.1 座椅移动模块

如图3所示，该模块采用丝杆传动。导轨滑台约束梯形丝杆的轴向运动，进而电机的转动变为螺母的轴向运动，即车座随着进行伸缩运动，而电机停止运转时，梯形丝杆的自锁性保证了车座的静止。

图2 新型代步车车座伸缩模块

图3 新型代步车车座抬升模块

2.2 座椅升降模块

如图4所示，车座抬升模块采用曲柄摇块机构，电动推杆伸长或缩短时，滑台绕着铰链P31顺时针或逆时针旋转，车座便推动使用者旋转，电动推杆停止伸缩时，其自锁力维持使用者保持“坐蹲立”其中一种姿态。

2.3 健身复健模块

基于骑马健身机的工作原理，代步车的安全防护模块和手握杆组成健身模块。使用者只需利用安全防护模块固定下肢，手握手握杆，就可结合自身重力和手的拉力拉动自己做蹲立运动，增强心肺功能，提高上肢、腰部、腹部、腿部、背部肌肉力量和四肢协调能力。对腕、肘、髋、膝关节屈伸功能性障碍，四肢及腰背酸痛等有康复作用。

2.4 驱动控制模块

代步车的驱动模块采用的是双电机直接控制前轮，后车轮随动的方法。采取直接控制电机转速的方式，来控制代步车前进与转弯，提高了控制的精度与灵敏度。

控制模块由具有AD转换功能的AVR单片机、十字摇杆和按钮开关组成。摇杆前后左右四个操作方向分别对应操纵代步车前进、后退、左转和右转，而且摇杆推动的角度越大，代步车进退速度越快或转弯半径越大。状态显示窗口主要是对代步车整体运行状态、电量与整车的具体运行模式进行显示并进行状态提醒。

系统结构图如图4所示。

3 模型的优化设计

模型的优化主要是利用ANSYS软件对主要零件进行分析，利用已有的CAD模型与ANSYS软件对接，对模型进行网格划分与加载，观察零件受力后的变形，对变形较大的部分重新设计，而后进行重新设计，在进行仿真分析，最终得到最优的设计方法。下面举出了一个主要零件的ANSYS分析与优化过程，如图5、6所示。

图5 网格参数设置与网格划分结果

图6 ANSYS分析结果与优化

通过有限元分析，观察零件各部分的位移与形变，对模型进行优化设计，得到能够满足使用要求的模型，这样就避免了样机生产后不能使用的情况，降低了研发的时间，提高了研发效率。

4 结束语

整车采用模块化设计方法，可以更明确各模块的主要功能，便于新功能的改进与加入，使整台车能够不断得到更新；其次，模块化设计便于问题故障的检修，这样就可以大大的节省维修时间；最后，模块化设计便于使用者根据自己自身的状况，对代步车的具体模块进行调整，已达到最佳的使用状态。同时，设计过程中还采用了优化设计，利用ANSYS软件对整车以及部分主要零件进行力学分析，从而降低了在设计加工过程中出现不必要的错误，大大节省了设计与加工的时间，缩短了整个研发周期。

［1］中国残疾人联合会网.《关于使用2010年末全国残疾人总数及各类、不同残疾等级人数的通知》.［OL］.［2011.03.12］.http：//www.cdpf.org.cn/.

［2］中国新闻网.《中国老龄事业发展“十二五”规划》.［OL］. ［2011.9.23］. http：//www.chinanews.com 2011/09-23/3349429.shtml.

［3］陆剑雄，张福昌，申利民.坐姿理论与座椅设计原则及其应用［J］.江南大学学报：自然科学版，2005，4（6）：600-625.

［4］陆剑雄，张福昌，申利民.坐姿与座椅设计的人机工程学探讨［J］.人类工效学，2005，ll（4）：44-49.

［5］任怡，张峻霞，张建国，等.立卧两用电动轮椅车的设计［J］.天津科技大学学报，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

陈 彬，男，1989年生，河北保定人，硕士研究生。研究领域：机械设计及理论数字化设计与制造。

(编辑：向 飞)

*国家级大学生创新训练项目（编号：201211078044）

2013－11－19