吳煥陽　周祉寧

項目總體思路

我們都知道，傳統(tǒng)輪椅一般都需要病人利用上肢力量驅(qū)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(qū)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(jié)構(gòu)的組成和制作

助行車主要由三合板、自制驅(qū)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(guī)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(chǎn)出需要的部件。中軸材料是直徑20mm鋁棒，經(jīng)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(qū)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(qū)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(qū)動模式

多驅(qū)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(qū)動機構(gòu)。自制多級驅(qū)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(qū)動輪形成內(nèi)部同軸、外軸相對獨立的模式。其中，第2級驅(qū)動輪是跟另外3級驅(qū)動輪轉(zhuǎn)動方向相反，當其他3級自制驅(qū)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(qū)動輪便帶動后輪前進。如此一來，不僅不同的驅(qū)動方式可以同時驅(qū)動車子，而且還可以互不干擾。

自身重心驅(qū)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(qū)動輪轉(zhuǎn)動，完成車子的行進。當人的重心向右傾斜時，左側(cè)的彈簧處于拉伸狀態(tài)，會帶動左側(cè)驅(qū)動輪轉(zhuǎn)動；同理，當人向左扭動腰部時，重心左傾，帶動右側(cè)驅(qū)動輪轉(zhuǎn)動，如此一左一右的扭動腰部便可驅(qū)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(gòu)設計了一個插銷，當人們不用此方式驅(qū)動車子運動時，可以穩(wěn)定固定好座椅，更加安全。

手機語音控制驅(qū)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(zhuǎn)動，驅(qū)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(qū)動電機驅(qū)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(zhuǎn)動軸之間的運動。鏈輪傳動沒有彈性滑動或者打滑現(xiàn)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(qū)動 腳踏方式驅(qū)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(qū)動輪，使輪子轉(zhuǎn)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(qū)動 手柄驅(qū)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(zhuǎn)動，鏈條帶動自制驅(qū)動輪轉(zhuǎn)，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(qū)動輪一直往前運動。

電路設計

中央控制器

系統(tǒng)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(zhí)行相應的動作。

電源設計

系統(tǒng)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(tǒng)的供電，各個模塊需要的電壓不盡相同，利用7805穩(wěn)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(qū)動助行車共有4個輪子，2個前輪不需要驅(qū)動，只需要驅(qū)動2個動力輪就可以實現(xiàn)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(qū)動的方式控制機器左右轉(zhuǎn)動，當左邊輪子向前，右邊輪子向后，機器向右邊轉(zhuǎn)動，反之，向左邊轉(zhuǎn)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(qū)動模塊控制。

加速度傳感器為了能讓機身穩(wěn)定，本項目增加了加速度傳感器，系統(tǒng)實時采集數(shù)據(jù)并判斷機身狀態(tài)，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(wěn)定，本項目增加了陀螺儀傳感器，系統(tǒng)實時采集數(shù)據(jù)并判斷機身狀態(tài)，它也能在一定程度上保證機身不傾倒。

GPS模塊為了解決監(jiān)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(jié)合前面的各種傳感器，當傾倒或者臨時事故等出現(xiàn)時，這些數(shù)據(jù)可通過物聯(lián)網(wǎng)發(fā)送到監(jiān)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(tǒng)按鍵控制，制作了病人控制和看護人員控制2套控制系統(tǒng)，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(fā)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(shù)據(jù)的接收與分析，并執(zhí)行相應的動作。

結(jié)果

經(jīng)過大量測試，最終結(jié)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(qū)動輪實現(xiàn)多種驅(qū)動方式驅(qū)動助行車前進，包括傳統(tǒng)的手搖、腳踏、電機驅(qū)動方式，還加入了扭動腰部驅(qū)動和語音驅(qū)動。

助行車能夠通過扭動腰部的驅(qū)動方式使由于四肢癱瘓而無法自助行動的病人實現(xiàn)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(xiàn)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(huán)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(wěn)定地運行。當助行車發(fā)生危險時，可以通過手機語音發(fā)出求救信號。

該項目獲得第30屆全國青少年科技創(chuàng)新大賽中學組工程學一等獎。

專家評語

該項目根據(jù)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(tǒng)設計完整，結(jié)構(gòu)設計合理，適應性強，具有健身助行多重功能。建議進一步優(yōu)化系統(tǒng)設計，進行推廣應用。endprint