多驱动多功能健身助行车

吴焕阳　周祉宁

项目总体思路

我们都知道，传统轮椅一般都需要病人利用上肢力量驱动轮椅前进，但是很多残疾人或老年人，他们恰恰是上肢无力或残疾，自由行动就变成很麻烦的事情。因此我认为设计一款能够通过多种驱动方式自助行进、安全性能高的助行车显得十分必要。助行车外观见图1。

设计过程

机械结构的组成和制作

助行车主要由三合板、自制驱动轮、中轴、轴承、2个32cm的车轮、2个万向轮，以及各种固定件和螺丝等组成。

利用Solidworks软件对车子的整体设计进行3D制图和仿真，将各部分木板的形状和尺寸通过CorelDraw软件规划好，包括外部尺寸、螺丝位和轴承孔等，最后利用工作室的CNC雕刻机生产出需要的部件。中轴材料是直径20mm铝棒，经SC2小型车床加工而成。

运动部分 助行车有4个车轮，分别为2个动力轮和2个前万向轮。动力轮直径32cm，轮子上带有7级变速驱动轮，两轮间距为45cm，3根中轴利用铝合金长螺丝棒制成，利用木板进行固定。动力轮与驱动轮固定在一起，通过链条带动动力轮的运动。前轮的2个万向轮带有刹车装置，更加安全。

多种驱动模式

多驱动多功能健身助行车包括车架、椅座、前轮、后轮及带动车架运动的驱动机构。自制多级驱动轮（见图2）是采用4个链轮通过焊接组装到一起的，具有单向传动的特点。利用此特点，4个自制驱动轮形成内部同轴、外轴相对独立的模式。其中，第2级驱动轮是跟另外3级驱动轮转动方向相反，当其他3级自制驱动轮被双手（或电机或上身摇动）通过链条带动往前进时，第2级自制驱动轮便带动后轮前进。如此一来，不仅不同的驱动方式可以同时驱动车子，而且还可以互不干扰。

自身重心驱动座椅的下端用1根自制中轴与底盘固定，利用中轴两端的轴承带动座椅的摇摆，通过链条传动，靠身体重心小角度的左右摇摆带动驱动轮转动，完成车子的行进。当人的重心向右倾斜时，左侧的弹簧处于拉伸状态，会带动左侧驱动轮转动；同理，当人向左扭动腰部时，重心左倾，带动右侧驱动轮转动，如此一左一右的扭动腰部便可驱动车子前进，这样的传动方式就很好地解决了四肢均不健全，但是却能坐立的残疾人的行进困难问题。我们还为此机构设计了一个插销，当人们不用此方式驱动车子运动时，可以稳定固定好座椅，更加安全。

手机语音控制驱动当老年人身体感到十分疲劳时，只要对手机说向前、向后、向左、向右、停止等指令，手机接收指令后就可以把指令通过蓝牙传输给助行车，车子上的电机便按照指令开始转动，驱动车子行走。助行车还带有自助报警功能，当助行车倾倒后，使用者只要对手机呼救，就能马上将使用者的信息和位置传递出去，为用户的安全出行提供保障。

电机驱动电机驱动使用了日本TAKANAWA7字型555金属齿轮的直流减速电机。助行车靠链条与链轮之间的啮合传递电机输出轴与动力轮转动轴之间的运动。链轮传动没有弹性滑动或者打滑现象，传动效率较高，轴压力较小，能有效保护电机输出轴。能在低速重载下较好工作，抗过载能力强。

脚踏驱动 脚踏方式驱动时，脚踏的力传动给脚蹬部件，然后带动曲柄、牙盘、中轴、链条和自制驱动轮，使轮子转动起来，带动助行车前进。我们选取的踏板带有粗糙表面，具有防滑性能，更加安全可靠。

手柄驱动 手柄驱动方式适用于下肢截肢者、截瘫患者及老年人使用。当手柄往前推动时，会带动链条往前转动，链条带动自制驱动轮转，而松手后，弹簧会将链条拉回原来位置，如此便带动了自制驱动轮一直往前运动。

电路设计

中央控制器

系统选择STM32F103ZET6作为控制芯片，该芯片主要完成接受上位机的指令，并分析指令类型，从而执行相应的动作。

电源设计

系统采用12V/10Ah动力锂电池供电，具有4A以上的输出电流。电源负责全系统的供电，各个模块需要的电压不尽相同，利用7805稳压为5V电压为单片机和传感器供电，12V电源直接为电机供电。

电机驱动助行车共有4个轮子，2个前轮不需要驱动，只需要驱动2个动力轮就可以实现对机器的运动控制。左右2个动力轮速度一致时，车子向前运动。采用差速驱动的方式控制机器左右转动，当左边轮子向前，右边轮子向后，机器向右边转动，反之，向左边转动。本项目采用日本TAKANAWA7字型555金属齿轮的直流减速电机，用10A双路电机驱动模块控制。

加速度传感器为了能让机身稳定，本项目增加了加速度传感器，系统实时采集数据并判断机身状态，它能在一定程度上保证机身不倾倒。加速度传感器采用ADXL345加速度模块。

陀螺仪为了能让机身更加稳定，本项目增加了陀螺仪传感器，系统实时采集数据并判断机身状态，它也能在一定程度上保证机身不倾倒。

GPS模块为了解决监护人不能时时陪伴在助行车使用者身边的问题，本项目加入了u-blox GPS模块，目的是实时获取使用者的位置，再结合前面的各种传感器，当倾倒或者临时事故等出现时，这些数据可通过物联网发送到监护人携带的客户端上。

软件设计

软件主要分为上位机与下位机2部分。上位机又分为2部分：一部分是助行车的遥控按钮控制电路，我们采用传统按键控制，制作了病人控制和看护人员控制2套控制系统，使操作者能更加方便地对动作进行控制；另外一部分是用手机作为控制器，通过蓝牙与下位机进行通信。我采用Eclipse工具开发出上位机。下位机主要采用C语言编写，主要负责蓝牙连接的接入、串口数据的接收与分析，并执行相应的动作。

结果

经过大量测试，最终结果基本满足最初的设计。助行车最主要的特点如下。

通过自制多级驱动轮实现多种驱动方式驱动助行车前进，包括传统的手摇、脚踏、电机驱动方式，还加入了扭动腰部驱动和语音驱动。

助行车能够通过扭动腰部的驱动方式使由于四肢瘫痪而无法自助行动的病人实现自助行动，更加入了智能语音控制模式，使全身瘫痪的病人可以实现自助行动，满足了不同病人的需求。

助行车不仅可以帮助不同类型的伤残人完成自助行动，还可以帮助伤残人士进行腰部、手部、腿部等活动，达到康复锻炼的效果，避免因长期坐在轮椅上造成的肌肉萎缩和血液循环受阻等问题。

助行车还加入了加速度计、陀螺仪、指南针等传感器，能有效地防止车辆的倾倒与保证稳定地运行。当助行车发生危险时，可以通过手机语音发出求救信号。

该项目获得第30届全国青少年科技创新大赛中学组工程学一等奖。

專家评语

该项目根据老年人的需求，采用双手、双脚、腰部扭动和电动等工作方式自主完成健身助行车的行走功能。系统设计完整，结构设计合理，适应性强，具有健身助行多重功能。建议进一步优化系统设计，进行推广应用。endprint