智能輪椅越障能力的計算及Adams仿真分析及試驗研究*

王寶玉

(1.浙江萬豐科技開發股份有限公司，浙江 紹興 312000; 2.浙江理工大學，浙江 杭州 310018)

0 引 言

《中國老齡產業發展報告(2014)》預測，2050年中國老年人口將達到4.8億，約占全球老年人口的1/4。隨著社會老齡化進程的加快，為老年人提供性能優越的代步工具，已成為整個社會的重點關注問題之一。智能輪椅機器人可以增大老年人的活動范圍，使他們重新融入社會成為可能。垂直障礙越障能力是智能輪椅機器人地形通過性的重要指標，智能輪椅機器人具有更好的垂直障礙越障能力，可以為老年人提供更好的活動便利性。

筆者首先從理論分析入手，對影響智能輪椅最大越障能力的因素進行分析；其次，在Adams中建立智能輪椅動力學仿真模型，在不同附著系數條件下，對智能輪椅最大越障能力進行分析并與理論分析進行對比；最后，實際測試智能輪椅的最大越障高度，并與理論分析和仿真分析進行對比。

1 智能輪椅越障能力理論分析

根據GB/T 18029.10-2009《電動輪椅車越障能力的測定》的要求，在無啟動距離的前提下，需要驅動智能輪椅向前和向后以測量智能輪椅能攀越垂直障礙物的最大高度。

1.1 前輪向前越過障礙物時受力分析

在無啟動距離的前提下，智能輪椅前輪碰到垂直障礙物時，可用解靜力學平衡方程來求得智能輪椅參數與障礙物高度的關系，其受力分析示意圖如圖1所示。

圖1 前輪向前越過障礙物時受力分析示意圖

根據受力分析示意圖可得下列平衡方程式：

(1)

式中：G為智能輪椅總重力；F1為障礙物作用于前輪(從動輪)的反作用力；F2為后輪(驅動輪)負荷；φ為附著系數；f為滾動阻力系數。

將方程組中的G、F1、F2消去后得到：

根據輪椅前輪越臺階示意圖幾何關系可知：

另假設硬路面上滾動阻力系數f≈0，則前輪單位直徑可克服的障礙高度為：

(2)

式中：hw/Dw為前輪單位車輪直徑可克服的垂直障礙物高度，它表示了智能輪椅前輪越過垂直障礙物的能力。

1.2 后輪向后越過障礙物時受力分析

在無啟動距離的前提下，智能輪椅后輪碰到垂直障礙物時，可用解靜力學平衡方程來求得智能輪椅參數與障礙物高度的關系，其受力分析示意圖如圖2所示。

根據受力分析示意圖可得下列平衡方程式：

(3)

式中：G為智能輪椅總重力；F1為障礙物作用于前輪(從動輪)的反作用力；F2為后輪(驅動輪)負荷；φ為附著系數；f為滾動阻力系數。

圖2 后輪向后遇到障礙物時受力分析示意圖

根據輪椅后輪越臺階示意圖幾何關系可知：

另假設硬路面上滾動阻力系數f≈0，則后輪單位直徑可克服的障礙高度為：

(4)

式中：hw/Dq為后驅動輪單位車輪直徑可克服的垂直障礙物高度，它表示了智能輪椅后驅動輪越過垂直障礙物的能力。

1.3 討 論

前輪向前越過障礙物時，由式(2)可知，L/Dw越小，a/L越大，hw/Dw就越大，即智能輪椅的前輪也越容易越過較高的垂直障礙物。

后輪向后越障障礙物時，由式(4)可知，后驅動輪越過臺階的能力與輪椅參數無關。另外，由于通常a>b，比較式(2)、(4)可知，若Dw=Dq，后輪是限制輪椅越過臺階的因素，因此智能輪椅設計時使后輪直徑Dq大于前輪直徑Dw。

2 智能輪椅越障能力Adams仿真分析

結合智能輪椅實際情況，利用Creo建立了智能輪椅樣機模型，再導入到Adams-View中，并在水平路面上建立了《GB/T 18029.10輪椅車第10部分：電動輪椅車越障能力的測定》中所要求的障礙物模型，對智能輪椅越障能力進行仿真分析。

2.1 虛擬樣機模型的建立

對Creo中的智能輪椅模型進行簡化處理，去除外觀設計，只保留主體結構。將輪椅簡化為車身、驅動輪和全向輪組成，車身、驅動輪和全向輪假設為剛體。其中，全向輪由輪轂和滾輪組成，6個大滾輪和6個小滾輪交替設置包絡成一個以輪轂中心為圓心的圓，全向輪可以幫助輪椅使用者更好地無障礙通過不平坦的路面，輕松跨越障礙和坡道。

圖3 智能輪椅Creo中模型和Adams-View中樣機模型

將簡化處理后的模型導入到Adams-View中，并在Adams-View中建立地面和障礙物模型。車身與驅動輪、全向輪通過Revolute Joint進行連接，大滾輪、小滾輪與全向輪支撐架通過Revolute Joint進行連接，并為全向輪所屬大滾輪、小滾輪和驅動輪與地面(包括障礙物)之間添加Contact約束。

簡化處理后，智能輪椅質量和轉動慣量與實際輪椅相同。模型中所用到的是全局坐標系：坐標原點在兩后輪與地面接觸點連線中點，輪椅前進方向為Z軸負方向，垂直于水平面向上為Y軸正方向，X軸正方向由右手定則確定。

圖4 全向輪結構示意圖 圖5 添加Contact約束

根據智能輪椅設計情況，模型的基本參數見表1。

表1 智能輪椅模型基本參數

2.2 仿真分析

本文設計智能輪椅采用后輪雙輪驅動，兩個電機分別控制兩個后輪。為后輪添加motion運動：前輪向前越過障礙物工況下Function(time)欄填寫30.0d*time；后輪向后越障工況下Function(time)欄填寫-30.0d*time。設置仿真時間為觀察輪椅在不同工況下越過障礙物的情況。

不同附著系數下，前輪向前越障高度分析和后輪向后越障高度分析見表2、3和圖6所示。

表2 不同附著系數下輪椅越障高度

表3 不同附著系數下輪椅后輪向后越障高度

圖6 不同附著系數下輪椅越障高度

由理論結論和仿真結果對比可以看出，虛擬樣機模型越障高度略大于理論越障高度，主要是由于理論計算是通過解靜力學平衡方程求得障礙物與輪椅參數間的關系。

3 智能輪椅越障能力試驗驗證

為了驗證理論計算和仿真計算的正確性，本文進行了智能輪椅在滿載情況下前輪向前越障和后輪向后越障能力試驗。試驗道路附著系數約為φ=0.9；環境氣溫25 ℃；試驗中制作了不同高度的路障，其規格為：hw=40 mm、45 mm、50 mm、55 mm、60mm；試驗車輛狀況良好；電機選用碩陽電機股份有限公司生產的輪椅用電機，限流50 A時最大輸出扭矩為24.61 kg·cm，減速機減速比為43，動力傳動系統機械效率ηT=0.7。試驗結果見表4。

表4 不同附著系數下后輪向后越障高度 /mm

后輪越障試驗結果與計算結果相比：

(1) 前輪越障試驗結果明顯小于前面理論計算和仿真計算結果，主要是由于理論計算和仿真計算未考慮輪椅驅動力矩。考慮驅動力矩影響后，理論計算前輪越障高度56 mm，與試驗結果相比，數據誤差<10%。

(2) 后輪越障試驗結果與理論計算和仿真計算結果相比，數據誤差<10%。

綜上所述，通過實物試驗驗證，理論分析和仿真分析結果可靠。

4 結 語

首先對影響智能輪椅最大越障能力的因素進行理論分析，通過分析可知，前輪向前越過障礙物時，輪椅越障能力與輪椅參數有關；后輪向后越過障礙物時，輪椅越障能力與輪椅參數無關；且后輪是限制輪椅越過障礙物的因素。其次，運用虛擬樣機動力學仿真軟件Adams構建智能輪椅動力學模型和障礙物平臺，研究不同附著系數條件下輪椅越障能力。最后，進行輪椅越障能力試驗，驗證了理論分析和Adams仿真分析的可靠性。