一種新型多功能輪椅的研究與仿真

戴加全，袁祖強， 劉永青

(南京工業大學 機械與動力工程學院，江蘇 南京 210009)

一種新型多功能輪椅的研究與仿真

戴加全，袁祖強， 劉永青

(南京工業大學 機械與動力工程學院，江蘇 南京 210009)

針對目前市面上輪椅功能較為單一的情況，介紹了一種新型多功能輪椅，主要有三種模式，即普通模式、鍛練模式和電動模式，不同的模式下對應不同的應用。給出了系統的總體控制示意圖，利用Pro/E軟件建立了實體模型，利用ADAMS軟件做了仿真分析，并與理論計算結果做了對比。結果表明，各個模式下運行良好，對使用者的上肢鍛煉具有一定效果，同時輪椅的運行平穩性也有所提高。

多功能輪椅；單片機；設計；仿真

0 引言

隨著社會老齡化進程的加快以及由于各種疾病、工傷、交通事故等原因造成下肢損傷的人數的增加，為老年人和殘疾人提供性能優越的代步和康復工具已成為整個社會重點關注的問題之一。輪椅是輔助康復和行走不便人群的重要工具，它不僅是肢體傷殘者的代步工具，更重要的是使他們借助于輪椅進行身體鍛煉和參與社會活動。然而目前世面上的輪椅大多功能較為單一，不能滿足使用這多方面的需求。例如有的患者提出：這些電動輪椅除了作為代步工具外，最好增加一些功能，如輔助身體健康鍛練，增加輪椅的樂趣等。

為了更好地滿足使用者的需求，研究了一種新型多功能輪椅，集普通模式，鍛練模式繼和電動模式于一體，使用者可以根據自身需要在不同的運動模式之間切換，其中鍛練模式下能夠幫助使用者進行上肢輔助康復鍛練，同時使患者心理上暗示自己并未完全失去運動能力，對增加患者恢復的信心起到一定的促進作用。綜合利用Pro/E軟件和ADAMS虛擬樣機軟件對輪椅結構設計和動態仿真分析，并且與理論計算做了對比。

1 多功能輪椅的結構設計

根據輪椅靜態參數選取原則，在符合國家標準的基礎上參照我國人體測量數據，該輪椅各部分幾何尺寸的設計參數如表1所示。

表1 輪椅尺寸設計參數

利用Pro/Engineer中的[拉伸]、[旋轉]、[掃描]、[鏡像]等操作，根據上一節輪椅的設計參數，完成輪椅支架、座椅、扶手、兩個后輪、兩個前輪以及兩個前叉的建模，經裝配后得到整個輪椅的實體模型，如圖1(a) 所示，圖1(b)為其實物圖。

圖1 輪椅的Pro/E模型和實物圖

2 系統的總體結構與工作原理

該控制系統采用二級控制結構[1-2]，系統的總體控制結構示意圖和實物圖分別如圖2、圖3所示。

圖2 系統的總體控制結構示意圖

圖3 控制系統實物圖

上級采用STC89C52型單片機為主控制器，主要用來收集外部輸入設備的輸入數字信號量和輸入模擬量，按照一定的控制策略和應用協議將控制信息加工成指令通過RS-232串口發送給下級計算機。1602LCD用來顯示當前輪椅的運動的模式和電動機的運動狀態，其中運動狀態主要有三種，即普通模式、鍛練模式和電動模式，各個模式對應不同的應用。搖桿產生的模擬信號量控制電動機的速度大小和方向。

下級計算機采用Philips公司LPC2136芯片，驅動模塊采用電動機專用控制芯T MS320LF2407A和直流永磁電動機，實現兩電動機的協調運動，LPC2136根據接收到的指令的控制信息，控制直流永磁電動機的轉速、方向和電磁開關的開閉。監測模塊實時監測電動機的運行狀態和故障類型，LPC2136通過RS-232再將電動機狀態和故障類型傳至單片機通過LCD顯示。

3 鍛練模塊的設計

使用輪椅的人大多是下肢患有殘疾而上肢健全，無論是什么原因引起的肢體殘疾而造成的行動不便都會對使用者的心理造成巨大的負擔，甚至從此一蹶不振。根據相關研究表明，讓輪椅使用者自食其力是降低心理壓力的最有效方法。通過自主移動輪椅并且在移動輪椅的過程中能夠增加上肢力量的鍛練，可以有效的幫助他們從心里上暗示自己并未完全喪失運動能力，可以像正常人一樣生活、鍛練，能夠激起他們內心的能量，以增加他們實現夢想、施展才華的勇氣和信心，可以有效的激發患者的創造力和潛能[3]。

基于上述觀點，給輪椅增加了鍛練模式，該模式下，通過在輪椅后輪軸處配合一阻尼器，通過阻尼器的作用增加使用者推動輪椅的力量，從而達到上述目的。阻尼器與后輪軸的配合是通過齒輪嚙合實現的，阻尼器固定在輪椅后輪軸上方支架處，在后輪軸上安裝有一可移動齒輪，只要按下操作面板上的控制模式按鍵就可以移動該齒輪的位置實現與阻尼器的離合，其示意圖如圖4所示。

圖4 阻尼器的離合示意圖

4 計算與仿真

4.1 輪椅推力的計算

輪椅受到自重和人體質量以及地面對其支撐反力，其中自重p1=20kg，人身質量p2=75kg，以輪椅為研究對象，Fa，Fb，Fc，Fd分別是來自地面對車輪的支撐反力，6個力相互平行，組成空間力系，如圖5。取坐標系xyz，列出平衡方程如下：

代入數據得：

其中：Fa=Fb，Fc=Fd，解得：

Fa=Fb=141.7N，Fc=Fd=333.3N

按照摩擦系數μ=0.3計算，則輪子與地面的摩擦力：

f=μFc=0.3×333.3=99.9N

即輪椅使用者至少需要99.9N的力才可以將輪椅推動。

圖5 輪椅的空間力系示意圖

4.2 仿真模型的建立

4.2.1 虛擬樣機模型

在ADAMS/View中輸入和輸出其他應用程序的CAD文件圖形，需要ADAMS/Exchange模塊的支持。ADAMS/Exchange模塊支持IGES，STEP，DXF/DWG和Parasolid等幾種格式圖形文件的輸入和輸出[4]。通過Parasolid的數據格式將Pro/E建好的輪椅三維實體模型及裝配體導入到Adams/View環境下，分別編輯各組件的屬性和構成組建元素的屬性，包括名稱、顏色、材料屬性等信息[5]。輪椅虛擬樣機主要由以下幾個部分組成：車身、兩個后輪、兩個前輪及兩個前叉。

4.2.2 仿真計算工況的確定

1) 定義約束和驅動

ADAMS/ View提供了12種常用的運動副工具。通過這些運動副，使模型中各個獨立的部件聯系起來形成有機的整體。文中輪椅的仿真模型主要用到的運動副有旋轉副、固定副。將運動地面與大地之間定義為固定副，將車架后軸與兩個后輪之間定義為旋轉副，將前叉與前輪之間定義為旋轉副，最后在后輪軸與后輪的旋轉副上添加驅動力矩[6]。

2) 自由度的計算

機械系統的自由度表示系統中各構件相對于地面機架所具有的獨立運動數量。自由度與系統的構件數量、運動副的類型和數量、原動機的類型和數量、其他約束條件有關[7]。ADAMS中自由度(DOF)的計算公式為:

其中，n表示系統的總活動構件數，pi，m表示第i個運動副的約束條件數(運動副總數) ，qj，X表示第j個原動機的驅動約束條件數，其他約束條件數用Rk表示。本例中共有6個活動構件，4個轉動副，一個固定副。故自由度

DOF=6×6-5×4-6=10

3) 施加配重和定義接觸

將模型導入ADAMS后需要給所有零件定義材料屬性，系統會根據所選擇的材料自動計算部件的質量和轉動慣量。另外，輪椅使用者自身質量的施加也是仿真模擬現實環境的必要條件，故將75kg的質量簡化為一球施加在座椅上。部件的重力在建模初始完成設置，在全局坐標系中設定重力加速度G=9.80665，方向沿y軸負向為件間的接觸力。

4.2.3 仿真運行與分析

完成樣機建模和輸出設置，在即將開始仿真之前，需要對模型進行最后的驗證，排除建模過程中隱含的錯誤，以保證仿真分析順利進行。利用模型自檢工具，檢查不恰當的連接和約束、沒有約束的構建、無質量構建、樣機的自由度等。另外在進行動力學分析之前，先進行靜態分析，以排除系統在啟動狀態下的一些瞬態響應[8]。

在主工具箱選擇仿真工具圖標，在參數設置區設置仿真參數，設置仿真時間(End Time)為5s，仿真步數(Steps)為50，開始仿真。仿真結束后，通過ADAMS/Postprocessor模塊輸出分析結果曲線，如圖6所示。

圖6 后輪驅動力曲線和加速度曲線

從圖中可以看出仿真結果與計算結果基本吻合，即在平路需要100N左右的力才能將輪椅移動，而在鍛練模式下，由于增加了阻尼力，對使用者的上肢驅動力量要求有所增加，從而達到了輔助鍛煉上肢的目的，同時輪椅的運行平穩性也有所提高，增加了輪椅的舒適性。

5 結論

經過實驗和仿真，多功能輪椅能很好地完成各種應用模式下的動作：1) 在普通模式下就相當于一款手動輪椅，適合在室內等運動范圍較小的環境下或他人幫助情況

下使用；2) 鍛練模式用于輔助上肢力量的鍛練，以強身健體、增加患者的康復信心；3) 電動模式下，以蓄電池作為動力源，配合有液晶顯示、報警、鳴笛、故障檢測等預定功能，能夠輕松完成前進、后退、左轉、右轉、制動等動作，適合作為代步工具。其中，在鍛練模式下做了理論計算與仿真計算的對比，結果基本相吻合，符合預期設計要求，對使用者上肢力量鍛練有所幫助，輪椅運行的平穩性也有所提高，同時對增加患者的康復信心也有積極的作用。

[1] 王仁杰,曾慶軍. 基于DSP+單片機的主從式電動輪椅控制器設計[J].機械技術與工程,2009,9(9):20-23.

[2] Sun lin ing,Yao Yu feng.Research on the Open Manipulator controller for assisting the Elderly and the Disabled[C].International Technology and Innovation Conference,Shanghai,2006.

[3] 陳志剛. 基于殘疾人心理需求的手動輪椅設計與研究[D].西安:西安交通大學,2009:19-23.

[4] 李增剛.ADAMS入門詳解與實例[M].北京:國防工業出版社,2007:47-51.

[5] T.Y.Lin.Research and development of an auxiliary driving unit with retract mechanism for wheelchairs[Z],Tainan, Southern Taiwan University,2006. .

[6] 劉軍.競速輪椅的結構設計及虛擬仿真[J].蘭州交通大學學報,2011,6(2):55-58.

[7] 鄭凱,胡仁喜,陳鹿民.ADAMS 2005 機械設計高級應用實例[M].北京:機械工業出版社,2006:55-56.

[8] 郭衛東.虛擬樣機技術與ADAMS應用實例教程[M].北京:北京航空航天大學出版社,2008:33-34.

Research and Simulation of New Type of Multifunctional Wheelchair

DAI Jia-quan, YUAN Zu-qiang, LIU Yong-qing

(School of Mechanical and Power Engineering, Nanjing University of Technology, Nanjing 210009, China)

A new type of multifunctional wheelchair is introduced in view of its single function on the present market. There are three main models, such as common mode, exercise mode and electric mode. Different mode is used for different application. The overall control plan of the system is designed. The solid model is established by Pro/E its simulation analysis is done by ADAMS and the result is compared with the theoretical one. It indicates that the damper has obvious effect on user’s arm and its stability is also improved.

multifunctional wheelchair; single-chip; design; simulation

戴加全(1987-)，男，碩士研究生，主要研究方向為助老助殘機器人的研究。

TH12，TP391.9

B

1671-5276(2014)02-0099-03

2013-01-31