多功能老年人购物车的研究与设计

罗汉杰，吴小杰，王 婧，毛 玮，沈泽超

（杭州师范大学钱江学院，浙江 杭州 310018）

老年人购物会面临许多困难，比如，力量有限，很难拖拽较重的物品；爬楼梯难，对于没有电梯的老旧小区，老年人买菜上楼都比较费力；行动能力有限，不能长时间走路等等。多功能老年人购物车集成了电动载物，自动爬楼功能，改变了传统的老年人购物车结构，功能更加全面实用，操作安全便捷，有效提升了老年人购物体验，提高了生活质量。

1 常见购物车类型

目前，市场上的常见购物车可大致分为两类：传统购物车和新型购物车。传统购物车功能单一，体积笨重，推动费力，拾取不便，不能满足老年人购物时的需求（研究设计一是助行方面需求；二是方便拾取货物；三是购物过程中可以及时休息；四是在休息或遇到危险情况时可以及时刹车；五是闲置时可以折叠收纳；六是拉杆可伸缩，保护老年人腰背）。图1（a）中的购物车可助行可折叠，外观高档大气，搭车方便，中途可休息。缺点：价格较贵，不方便装蔬菜，容积小，笨重。图1（b）中的购物车可助行可休息，自带刹车，可折叠，容积大。缺点：坐垫容易打湿，自重大且笨重，不方便上楼梯，价格较贵。图1（c）和图1（d）中的购物车空间容积大，操作性好，方便老人移动。缺点：不灵活，小物件容易掉，古板，不方便搭车。图1（e）中的购物车拆卸方便，轻便可折叠，结构简单，价格便宜。缺点：易打湿，寿命短，不结实，功能单一，爬楼不方便，外观差。

图1 市场上多类购物车类型

2 多功能购物车的设计方案

2.1 设计思路

通过调研发现市场上的购物车存在的问题如由于购物车自身结构单一、功能少，满足不了老年人的功能需求，适用范围也存在很大的局限性，根据这些情况，研发一款采用分功能模块购物车，然后进行合成是很有必要的。可根据用户需求进行组装，主要设计由轮组单元传动设计、主体助行器传动机构、丝杆升降机构、分拣装置和折叠座椅装置等。

产品基于KeiluVision开发平台完成对购物车执行结构控制系统的设计，同时结合Arduino操作系统，制作集爬楼、分拣、升降放置于一身的升降一体老年人购物车。购物车的总体结构（图2）由行星轮机构、主体助行传动机构、丝杆升降机构、分拣装置和折叠座椅装置等组成。

图2 多功能购物车的总体结构示意图

2.2 功能实现

2.2.1 购物车功能实现

该多功能购物车由行星轮机构和主体助行机构一统实现电动行走与其爬楼功能，行走助步可实现手动模式和自动行走模式两种模式。此装置最初状态为手动模式，当重物重量轻，可维持手动模式；当重物过重可通过开关触发电机转动通过行星轮机构到达助行和爬楼的效果。丝杆升降机构和分拣装置一同可实现升降与分拣作用，通过开关给出信号，丝杆升降装置实现上升下降运动，触发到行程开关后停止运动。折叠座椅装置，同时配有刹车，可实现在长时间购物行走劳累时提供休息。

2.2.2 助行功能

轮组采用行星轮式结构，见图3（a），由传动轴驱动齿轮、过渡齿轮、执行齿轮、车轮、过渡齿轮连接轴、执行齿轮连接轴、轴承、圆锥销、垫圈2mm等构成。传动轴一端与中心齿轮配合，通过轴承空套在主架上，一端与中心齿轮配合，并通过轴承空套在主车架上，过渡齿轮，执行齿轮各自通过轴承空各自连接轴上；小车轮通过执行齿轮连接轴与执行齿轮固连并且通过销加以固定，四个小车轮的中心轴线呈等角分布。

图3 传动结构示意图

车体重量通过轴承间接承载在两个轮组上，轮组中的所有齿轮都绕小轴转动，当电机动力传到传动轴一时，一传动轴带动驱动齿轮转动，驱动齿轮带动过渡齿轮转动，再传给执行齿轮，由于小车轮与执行齿轮固连，小车前进。当车轮组机构运行在平直的路面上时，受两个车轮同时着地的约束限制，不能转动只能随车沿路面平动，此时驱动轮系为定轴轮系，实现机构在平直面上的快速行驶;当前进的车轮碰上高障碍（如楼梯）而停止不动时，驱动轮系就演变成行星轮系，转臂带着另外两个车轮绕中心齿轮的轴线回转，实现翻越障碍（即爬楼梯）的目的。主体助步传动机构如图3（b），该机构可实现购物手拉车行驶达到助步效果。该机构包括万向刹车轮、刹车架、底板、直流减速电机、输出轴、两组锥齿、电机垫块、轴承座、轴承等等。

2.2.3 升降一体式功能

丝杠升降机构，见图4（a），该机构作为本装置的枢纽，是提升重物的装置，防止弯腰时造成不必要的伤害，丝杆升降机构包括升降板、滑动轴、连接件、滑动轴固定座、Tr16梯形丝杆、支撑架、螺母、螺母座、联轴器、57步进电机、滑块等孔与孔之间用螺栓连接。在有重物需要升降时按下按钮，57步进电机开始工作，通过联轴器驱动丝杆进行旋转运动转化为螺母，螺母座升降运动，使得升降板上下运动，同时两侧的滑块升降机构与丝杆同步上下运动，运动过程中支撑架支撑着重物防止升降板下陷，保证安全可靠。

分拣装置如图4（b），该机构包括升降板、分拣隔板、购物框架（由2块400×400mm和400×500mm亚格力板搭建）、双孔连接件、底板、支撑架等等。分拣装置以分拣板为主体为一固定板，主要功能将货物分为两类起到分拣的作用，当按下升降开关，步进电机工作，升降板运动，从开始到结束始终起到分拣作用。

图4 升降结构示意图

2.2.4 休息功能

折叠座椅结构如图5，该机构包括拉杆架、连接杆、连接件、座椅底架、座椅座架等等。

图5 折叠座椅结构示意图

折叠座椅装置工作原理：折叠座椅采用四杆机构，连接杆、座椅底架、座椅座架、拉架杆构成双摇杆机构，利用极限位置达到折叠效果。

3 动力及控制系统

选择DM542c驱动器进行控制。该驱动器采用差分式接口电路可适用差分信号，单端共阴及共阳等接口，内置高速光电耦合器，允许接收长线驱动器，集电极开路和PNP输出电路的信号。在环境恶劣的场合，我们推荐用长线驱动器电路，抗干扰能力强。DM542c与电机连接DM542c可以用来驱动4、6、8线的两相、四相混合式步进电机，步距角为1.8度和0.9度决定。扭矩大小主要由电机尺寸决定。尺寸大的电机扭矩较大；而电流大小主要与电感有关，小电感电机高速性能好，但电流较大。

4 结束语

本文针对老年人群体设计一款多功能老年人购物车，以解决人力拖拉困难、老小区上楼困难和长时间购物行走劳累等问题。该研究从机械结构设计对设计对象进行初期建模和对控制系统各控制元件的选取到算法编程实现基本功能。但仍需改进创新，对于购物车来说，在控制及软件上，进一步的提升对老年人而言会有更好的用户体验，例如自主跟随功能、实时定位功能等等。