多功能老年人購物車的研究與設計

羅漢杰，吳小杰，王 婧，毛 瑋，沈澤超

（杭州師范大學錢江學院，浙江 杭州 310018）

老年人購物會面臨許多困難，比如，力量有限，很難拖拽較重的物品；爬樓梯難，對于沒有電梯的老舊小區，老年人買菜上樓都比較費力；行動能力有限，不能長時間走路等等。多功能老年人購物車集成了電動載物，自動爬樓功能，改變了傳統的老年人購物車結構，功能更加全面實用，操作安全便捷，有效提升了老年人購物體驗，提高了生活質量。

1 常見購物車類型

目前，市場上的常見購物車可大致分為兩類：傳統購物車和新型購物車。傳統購物車功能單一，體積笨重，推動費力，拾取不便，不能滿足老年人購物時的需求（研究設計一是助行方面需求；二是方便拾取貨物；三是購物過程中可以及時休息；四是在休息或遇到危險情況時可以及時剎車；五是閑置時可以折疊收納；六是拉桿可伸縮，保護老年人腰背）。圖1（a）中的購物車可助行可折疊，外觀高檔大氣，搭車方便，中途可休息。缺點：價格較貴，不方便裝蔬菜，容積小，笨重。圖1（b）中的購物車可助行可休息，自帶剎車，可折疊，容積大。缺點：坐墊容易打濕，自重大且笨重，不方便上樓梯，價格較貴。圖1（c）和圖1（d）中的購物車空間容積大，操作性好，方便老人移動。缺點：不靈活，小物件容易掉，古板，不方便搭車。圖1（e）中的購物車拆卸方便，輕便可折疊，結構簡單，價格便宜。缺點：易打濕，壽命短，不結實，功能單一，爬樓不方便，外觀差。

圖1 市場上多類購物車類型

2 多功能購物車的設計方案

2.1 設計思路

通過調研發現市場上的購物車存在的問題如由于購物車自身結構單一、功能少，滿足不了老年人的功能需求，適用范圍也存在很大的局限性，根據這些情況，研發一款采用分功能模塊購物車，然后進行合成是很有必要的。可根據用戶需求進行組裝，主要設計由輪組單元傳動設計、主體助行器傳動機構、絲桿升降機構、分揀裝置和折疊座椅裝置等。

產品基于KeiluVision開發平臺完成對購物車執行結構控制系統的設計，同時結合Arduino操作系統，制作集爬樓、分揀、升降放置于一身的升降一體老年人購物車。購物車的總體結構（圖2）由行星輪機構、主體助行傳動機構、絲桿升降機構、分揀裝置和折疊座椅裝置等組成。

圖2 多功能購物車的總體結構示意圖

2.2 功能實現

2.2.1 購物車功能實現

該多功能購物車由行星輪機構和主體助行機構一統實現電動行走與其爬樓功能，行走助步可實現手動模式和自動行走模式兩種模式。此裝置最初狀態為手動模式，當重物重量輕，可維持手動模式；當重物過重可通過開關觸發電機轉動通過行星輪機構到達助行和爬樓的效果。絲桿升降機構和分揀裝置一同可實現升降與分揀作用，通過開關給出信號，絲桿升降裝置實現上升下降運動，觸發到行程開關后停止運動。折疊座椅裝置，同時配有剎車，可實現在長時間購物行走勞累時提供休息。

2.2.2 助行功能

輪組采用行星輪式結構，見圖3（a），由傳動軸驅動齒輪、過渡齒輪、執行齒輪、車輪、過渡齒輪連接軸、執行齒輪連接軸、軸承、圓錐銷、墊圈2mm等構成。傳動軸一端與中心齒輪配合，通過軸承空套在主架上，一端與中心齒輪配合，并通過軸承空套在主車架上，過渡齒輪，執行齒輪各自通過軸承空各自連接軸上；小車輪通過執行齒輪連接軸與執行齒輪固連并且通過銷加以固定，四個小車輪的中心軸線呈等角分布。

圖3 傳動結構示意圖

車體重量通過軸承間接承載在兩個輪組上，輪組中的所有齒輪都繞小軸轉動，當電機動力傳到傳動軸一時，一傳動軸帶動驅動齒輪轉動，驅動齒輪帶動過渡齒輪轉動，再傳給執行齒輪，由于小車輪與執行齒輪固連，小車前進。當車輪組機構運行在平直的路面上時，受兩個車輪同時著地的約束限制，不能轉動只能隨車沿路面平動，此時驅動輪系為定軸輪系，實現機構在平直面上的快速行駛;當前進的車輪碰上高障礙（如樓梯）而停止不動時，驅動輪系就演變成行星輪系，轉臂帶著另外兩個車輪繞中心齒輪的軸線回轉，實現翻越障礙（即爬樓梯）的目的。主體助步傳動機構如圖3（b），該機構可實現購物手拉車行駛達到助步效果。該機構包括萬向剎車輪、剎車架、底板、直流減速電機、輸出軸、兩組錐齒、電機墊塊、軸承座、軸承等等。

2.2.3 升降一體式功能

絲杠升降機構，見圖4（a），該機構作為本裝置的樞紐，是提升重物的裝置，防止彎腰時造成不必要的傷害，絲桿升降機構包括升降板、滑動軸、連接件、滑動軸固定座、Tr16梯形絲桿、支撐架、螺母、螺母座、聯軸器、57步進電機、滑塊等孔與孔之間用螺栓連接。在有重物需要升降時按下按鈕，57步進電機開始工作，通過聯軸器驅動絲桿進行旋轉運動轉化為螺母，螺母座升降運動，使得升降板上下運動，同時兩側的滑塊升降機構與絲桿同步上下運動，運動過程中支撐架支撐著重物防止升降板下陷，保證安全可靠。

分揀裝置如圖4（b），該機構包括升降板、分揀隔板、購物框架（由2塊400×400mm和400×500mm亞格力板搭建）、雙孔連接件、底板、支撐架等等。分揀裝置以分揀板為主體為一固定板，主要功能將貨物分為兩類起到分揀的作用，當按下升降開關，步進電機工作，升降板運動，從開始到結束始終起到分揀作用。

圖4 升降結構示意圖

2.2.4 休息功能

折疊座椅結構如圖5，該機構包括拉桿架、連接桿、連接件、座椅底架、座椅座架等等。

圖5 折疊座椅結構示意圖

折疊座椅裝置工作原理：折疊座椅采用四桿機構，連接桿、座椅底架、座椅座架、拉架桿構成雙搖桿機構，利用極限位置達到折疊效果。

3 動力及控制系統

選擇DM542c驅動器進行控制。該驅動器采用差分式接口電路可適用差分信號，單端共陰及共陽等接口，內置高速光電耦合器，允許接收長線驅動器，集電極開路和PNP輸出電路的信號。在環境惡劣的場合，我們推薦用長線驅動器電路，抗干擾能力強。DM542c與電機連接DM542c可以用來驅動4、6、8線的兩相、四相混合式步進電機，步距角為1.8度和0.9度決定。扭矩大小主要由電機尺寸決定。尺寸大的電機扭矩較大；而電流大小主要與電感有關，小電感電機高速性能好，但電流較大。

4 結束語

本文針對老年人群體設計一款多功能老年人購物車，以解決人力拖拉困難、老小區上樓困難和長時間購物行走勞累等問題。該研究從機械結構設計對設計對象進行初期建模和對控制系統各控制元件的選取到算法編程實現基本功能。但仍需改進創新，對于購物車來說，在控制及軟件上，進一步的提升對老年人而言會有更好的用戶體驗，例如自主跟隨功能、實時定位功能等等。