多驅動多功能健身助行車

吳煥陽　周祉寧

項目總體思路

我們都知道，傳統輪椅一般都需要病人利用上肢力量驅動輪椅前進，但是很多殘疾人或老年人，他們恰恰是上肢無力或殘疾，自由行動就變成很麻煩的事情。因此我認為設計一款能夠通過多種驅動方式自助行進、安全性能高的助行車顯得十分必要。助行車外觀見圖1。

設計過程

機械結構的組成和制作

助行車主要由三合板、自制驅動輪、中軸、軸承、2個32cm的車輪、2個萬向輪，以及各種固定件和螺絲等組成。

利用Solidworks軟件對車子的整體設計進行3D制圖和仿真，將各部分木板的形狀和尺寸通過CorelDraw軟件規劃好，包括外部尺寸、螺絲位和軸承孔等，最后利用工作室的CNC雕刻機生產出需要的部件。中軸材料是直徑20mm鋁棒，經SC2小型車床加工而成。

運動部分 助行車有4個車輪，分別為2個動力輪和2個前萬向輪。動力輪直徑32cm，輪子上帶有7級變速驅動輪，兩輪間距為45cm，3根中軸利用鋁合金長螺絲棒制成，利用木板進行固定。動力輪與驅動輪固定在一起，通過鏈條帶動動力輪的運動。前輪的2個萬向輪帶有剎車裝置，更加安全。

多種驅動模式

多驅動多功能健身助行車包括車架、椅座、前輪、后輪及帶動車架運動的驅動機構。自制多級驅動輪（見圖2）是采用4個鏈輪通過焊接組裝到一起的，具有單向傳動的特點。利用此特點，4個自制驅動輪形成內部同軸、外軸相對獨立的模式。其中，第2級驅動輪是跟另外3級驅動輪轉動方向相反，當其他3級自制驅動輪被雙手（或電機或上身搖動）通過鏈條帶動往前進時，第2級自制驅動輪便帶動后輪前進。如此一來，不僅不同的驅動方式可以同時驅動車子，而且還可以互不干擾。

自身重心驅動座椅的下端用1根自制中軸與底盤固定，利用中軸兩端的軸承帶動座椅的搖擺，通過鏈條傳動，靠身體重心小角度的左右搖擺帶動驅動輪轉動，完成車子的行進。當人的重心向右傾斜時，左側的彈簧處于拉伸狀態，會帶動左側驅動輪轉動；同理，當人向左扭動腰部時，重心左傾，帶動右側驅動輪轉動，如此一左一右的扭動腰部便可驅動車子前進，這樣的傳動方式就很好地解決了四肢均不健全，但是卻能坐立的殘疾人的行進困難問題。我們還為此機構設計了一個插銷，當人們不用此方式驅動車子運動時，可以穩定固定好座椅，更加安全。

手機語音控制驅動當老年人身體感到十分疲勞時，只要對手機說向前、向后、向左、向右、停止等指令，手機接收指令后就可以把指令通過藍牙傳輸給助行車，車子上的電機便按照指令開始轉動，驅動車子行走。助行車還帶有自助報警功能，當助行車傾倒后，使用者只要對手機呼救，就能馬上將使用者的信息和位置傳遞出去，為用戶的安全出行提供保障。

電機驅動電機驅動使用了日本TAKANAWA7字型555金屬齒輪的直流減速電機。助行車靠鏈條與鏈輪之間的嚙合傳遞電機輸出軸與動力輪轉動軸之間的運動。鏈輪傳動沒有彈性滑動或者打滑現象，傳動效率較高，軸壓力較小，能有效保護電機輸出軸。能在低速重載下較好工作，抗過載能力強。

腳踏驅動 腳踏方式驅動時，腳踏的力傳動給腳蹬部件，然后帶動曲柄、牙盤、中軸、鏈條和自制驅動輪，使輪子轉動起來，帶動助行車前進。我們選取的踏板帶有粗糙表面，具有防滑性能，更加安全可靠。

手柄驅動 手柄驅動方式適用于下肢截肢者、截癱患者及老年人使用。當手柄往前推動時，會帶動鏈條往前轉動，鏈條帶動自制驅動輪轉，而松手后，彈簧會將鏈條拉回原來位置，如此便帶動了自制驅動輪一直往前運動。

電路設計

中央控制器

系統選擇STM32F103ZET6作為控制芯片，該芯片主要完成接受上位機的指令，并分析指令類型，從而執行相應的動作。

電源設計

系統采用12V/10Ah動力鋰電池供電，具有4A以上的輸出電流。電源負責全系統的供電，各個模塊需要的電壓不盡相同，利用7805穩壓為5V電壓為單片機和傳感器供電，12V電源直接為電機供電。

電機驅動助行車共有4個輪子，2個前輪不需要驅動，只需要驅動2個動力輪就可以實現對機器的運動控制。左右2個動力輪速度一致時，車子向前運動。采用差速驅動的方式控制機器左右轉動，當左邊輪子向前，右邊輪子向后，機器向右邊轉動，反之，向左邊轉動。本項目采用日本TAKANAWA7字型555金屬齒輪的直流減速電機，用10A雙路電機驅動模塊控制。

加速度傳感器為了能讓機身穩定，本項目增加了加速度傳感器，系統實時采集數據并判斷機身狀態，它能在一定程度上保證機身不傾倒。加速度傳感器采用ADXL345加速度模塊。

陀螺儀為了能讓機身更加穩定，本項目增加了陀螺儀傳感器，系統實時采集數據并判斷機身狀態，它也能在一定程度上保證機身不傾倒。

GPS模塊為了解決監護人不能時時陪伴在助行車使用者身邊的問題，本項目加入了u-blox GPS模塊，目的是實時獲取使用者的位置，再結合前面的各種傳感器，當傾倒或者臨時事故等出現時，這些數據可通過物聯網發送到監護人攜帶的客戶端上。

軟件設計

軟件主要分為上位機與下位機2部分。上位機又分為2部分：一部分是助行車的遙控按鈕控制電路，我們采用傳統按鍵控制，制作了病人控制和看護人員控制2套控制系統，使操作者能更加方便地對動作進行控制；另外一部分是用手機作為控制器，通過藍牙與下位機進行通信。我采用Eclipse工具開發出上位機。下位機主要采用C語言編寫，主要負責藍牙連接的接入、串口數據的接收與分析，并執行相應的動作。

結果

經過大量測試，最終結果基本滿足最初的設計。助行車最主要的特點如下。

通過自制多級驅動輪實現多種驅動方式驅動助行車前進，包括傳統的手搖、腳踏、電機驅動方式，還加入了扭動腰部驅動和語音驅動。

助行車能夠通過扭動腰部的驅動方式使由于四肢癱瘓而無法自助行動的病人實現自助行動，更加入了智能語音控制模式，使全身癱瘓的病人可以實現自助行動，滿足了不同病人的需求。

助行車不僅可以幫助不同類型的傷殘人完成自助行動，還可以幫助傷殘人士進行腰部、手部、腿部等活動，達到康復鍛煉的效果，避免因長期坐在輪椅上造成的肌肉萎縮和血液循環受阻等問題。

助行車還加入了加速度計、陀螺儀、指南針等傳感器，能有效地防止車輛的傾倒與保證穩定地運行。當助行車發生危險時，可以通過手機語音發出求救信號。

該項目獲得第30屆全國青少年科技創新大賽中學組工程學一等獎。

專家評語

該項目根據老年人的需求，采用雙手、雙腳、腰部扭動和電動等工作方式自主完成健身助行車的行走功能。系統設計完整，結構設計合理，適應性強，具有健身助行多重功能。建議進一步優化系統設計，進行推廣應用。endprint