智能輪椅越障能力的計(jì)算及Adams仿真分析及試驗(yàn)研究*

王寶玉

(1.浙江萬(wàn)豐科技開(kāi)發(fā)股份有限公司，浙江 紹興 312000; 2.浙江理工大學(xué)，浙江 杭州 310018)

0 引 言

《中國(guó)老齡產(chǎn)業(yè)發(fā)展報(bào)告(2014)》預(yù)測(cè)，2050年中國(guó)老年人口將達(dá)到4.8億，約占全球老年人口的1/4。隨著社會(huì)老齡化進(jìn)程的加快，為老年人提供性能優(yōu)越的代步工具，已成為整個(gè)社會(huì)的重點(diǎn)關(guān)注問(wèn)題之一。智能輪椅機(jī)器人可以增大老年人的活動(dòng)范圍，使他們重新融入社會(huì)成為可能。垂直障礙越障能力是智能輪椅機(jī)器人地形通過(guò)性的重要指標(biāo)，智能輪椅機(jī)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(dòng)便利性。

筆者首先從理論分析入手，對(duì)影響智能輪椅最大越障能力的因素進(jìn)行分析；其次，在Adams中建立智能輪椅動(dòng)力學(xué)仿真模型，在不同附著系數(shù)條件下，對(duì)智能輪椅最大越障能力進(jìn)行分析并與理論分析進(jìn)行對(duì)比；最后，實(shí)際測(cè)試智能輪椅的最大越障高度，并與理論分析和仿真分析進(jìn)行對(duì)比。

1 智能輪椅越障能力理論分析

根據(jù)GB/T 18029.10-2009《電動(dòng)輪椅車(chē)越障能力的測(cè)定》的要求，在無(wú)啟動(dòng)距離的前提下，需要驅(qū)動(dòng)智能輪椅向前和向后以測(cè)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(guò)障礙物時(shí)受力分析

在無(wú)啟動(dòng)距離的前提下，智能輪椅前輪碰到垂直障礙物時(shí)，可用解靜力學(xué)平衡方程來(lái)求得智能輪椅參數(shù)與障礙物高度的關(guān)系，其受力分析示意圖如圖1所示。

圖1 前輪向前越過(guò)障礙物時(shí)受力分析示意圖

根據(jù)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(dòng)輪)的反作用力；F2為后輪(驅(qū)動(dòng)輪)負(fù)荷；φ為附著系數(shù)；f為滾動(dòng)阻力系數(shù)。

將方程組中的G、F1、F2消去后得到：

根據(jù)輪椅前輪越臺(tái)階示意圖幾何關(guān)系可知：

另假設(shè)硬路面上滾動(dòng)阻力系數(shù)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(chē)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(guò)垂直障礙物的能力。

1.2 后輪向后越過(guò)障礙物時(shí)受力分析

在無(wú)啟動(dòng)距離的前提下，智能輪椅后輪碰到垂直障礙物時(shí)，可用解靜力學(xué)平衡方程來(lái)求得智能輪椅參數(shù)與障礙物高度的關(guān)系，其受力分析示意圖如圖2所示。

根據(jù)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(dòng)輪)的反作用力；F2為后輪(驅(qū)動(dòng)輪)負(fù)荷；φ為附著系數(shù)；f為滾動(dòng)阻力系數(shù)。

圖2 后輪向后遇到障礙物時(shí)受力分析示意圖

根據(jù)輪椅后輪越臺(tái)階示意圖幾何關(guān)系可知：

另假設(shè)硬路面上滾動(dòng)阻力系數(shù)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(qū)動(dòng)輪單位車(chē)輪直徑可克服的垂直障礙物高度，它表示了智能輪椅后驅(qū)動(dòng)輪越過(guò)垂直障礙物的能力。

1.3 討 論

前輪向前越過(guò)障礙物時(shí)，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(guò)較高的垂直障礙物。

后輪向后越障障礙物時(shí)，由式(4)可知，后驅(qū)動(dòng)輪越過(guò)臺(tái)階的能力與輪椅參數(shù)無(wú)關(guān)。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(guò)臺(tái)階的因素，因此智能輪椅設(shè)計(jì)時(shí)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(jié)合智能輪椅實(shí)際情況，利用Creo建立了智能輪椅樣機(jī)模型，再導(dǎo)入到Adams-View中，并在水平路面上建立了《GB/T 18029.10輪椅車(chē)第10部分：電動(dòng)輪椅車(chē)越障能力的測(cè)定》中所要求的障礙物模型，對(duì)智能輪椅越障能力進(jìn)行仿真分析。

2.1 虛擬樣機(jī)模型的建立

對(duì)Creo中的智能輪椅模型進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，去除外觀設(shè)計(jì)，只保留主體結(jié)構(gòu)。將輪椅簡(jiǎn)化為車(chē)身、驅(qū)動(dòng)輪和全向輪組成，車(chē)身、驅(qū)動(dòng)輪和全向輪假設(shè)為剛體。其中，全向輪由輪轂和滾輪組成，6個(gè)大滾輪和6個(gè)小滾輪交替設(shè)置包絡(luò)成一個(gè)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?zé)o障礙通過(guò)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(jī)模型

將簡(jiǎn)化處理后的模型導(dǎo)入到Adams-View中，并在Adams-View中建立地面和障礙物模型。車(chē)身與驅(qū)動(dòng)輪、全向輪通過(guò)Revolute Joint進(jìn)行連接，大滾輪、小滾輪與全向輪支撐架通過(guò)Revolute Joint進(jìn)行連接，并為全向輪所屬大滾輪、小滾輪和驅(qū)動(dòng)輪與地面(包括障礙物)之間添加Contact約束。

簡(jiǎn)化處理后，智能輪椅質(zhì)量和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量與實(shí)際輪椅相同。模型中所用到的是全局坐標(biāo)系：坐標(biāo)原點(diǎn)在兩后輪與地面接觸點(diǎn)連線中點(diǎn)，輪椅前進(jìn)方向?yàn)閆軸負(fù)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(jié)構(gòu)示意圖 圖5 添加Contact約束

根據(jù)智能輪椅設(shè)計(jì)情況，模型的基本參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 智能輪椅模型基本參數(shù)

2.2 仿真分析

本文設(shè)計(jì)智能輪椅采用后輪雙輪驅(qū)動(dòng)，兩個(gè)電機(jī)分別控制兩個(gè)后輪。為后輪添加motion運(yùn)動(dòng)：前輪向前越過(guò)障礙物工況下Function(time)欄填寫(xiě)30.0d*time；后輪向后越障工況下Function(time)欄填寫(xiě)-30.0d*time。設(shè)置仿真時(shí)間為觀察輪椅在不同工況下越過(guò)障礙物的情況。

不同附著系數(shù)下，前輪向前越障高度分析和后輪向后越障高度分析見(jiàn)表2、3和圖6所示。

表2 不同附著系數(shù)下輪椅越障高度

表3 不同附著系數(shù)下輪椅后輪向后越障高度

圖6 不同附著系數(shù)下輪椅越障高度

由理論結(jié)論和仿真結(jié)果對(duì)比可以看出，虛擬樣機(jī)模型越障高度略大于理論越障高度，主要是由于理論計(jì)算是通過(guò)解靜力學(xué)平衡方程求得障礙物與輪椅參數(shù)間的關(guān)系。

3 智能輪椅越障能力試驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證理論計(jì)算和仿真計(jì)算的正確性，本文進(jìn)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(yàn)。試驗(yàn)道路附著系數(shù)約為φ=0.9；環(huán)境氣溫25 ℃；試驗(yàn)中制作了不同高度的路障，其規(guī)格為：hw=40 mm、45 mm、50 mm、55 mm、60mm；試驗(yàn)車(chē)輛狀況良好；電機(jī)選用碩陽(yáng)電機(jī)股份有限公司生產(chǎn)的輪椅用電機(jī)，限流50 A時(shí)最大輸出扭矩為24.61 kg·cm，減速機(jī)減速比為43，動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)機(jī)械效率ηT=0.7。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 不同附著系數(shù)下后輪向后越障高度 /mm

后輪越障試驗(yàn)結(jié)果與計(jì)算結(jié)果相比：

(1) 前輪越障試驗(yàn)結(jié)果明顯小于前面理論計(jì)算和仿真計(jì)算結(jié)果，主要是由于理論計(jì)算和仿真計(jì)算未考慮輪椅驅(qū)動(dòng)力矩?？紤]驅(qū)動(dòng)力矩影響后，理論計(jì)算前輪越障高度56 mm，與試驗(yàn)結(jié)果相比，數(shù)據(jù)誤差<10%。

(2) 后輪越障試驗(yàn)結(jié)果與理論計(jì)算和仿真計(jì)算結(jié)果相比，數(shù)據(jù)誤差<10%。

綜上所述，通過(guò)實(shí)物試驗(yàn)驗(yàn)證，理論分析和仿真分析結(jié)果可靠。

4 結(jié) 語(yǔ)

首先對(duì)影響智能輪椅最大越障能力的因素進(jìn)行理論分析，通過(guò)分析可知，前輪向前越過(guò)障礙物時(shí)，輪椅越障能力與輪椅參數(shù)有關(guān)；后輪向后越過(guò)障礙物時(shí)，輪椅越障能力與輪椅參數(shù)無(wú)關(guān)；且后輪是限制輪椅越過(guò)障礙物的因素。其次，運(yùn)用虛擬樣機(jī)動(dòng)力學(xué)仿真軟件Adams構(gòu)建智能輪椅動(dòng)力學(xué)模型和障礙物平臺(tái)，研究不同附著系數(shù)條件下輪椅越障能力。最后，進(jìn)行輪椅越障能力試驗(yàn)，驗(yàn)證了理論分析和Adams仿真分析的可靠性。