楊 冰,劉新妹,殷俊齡,李 帆
(1.中北大學(xué) 信息與通信工程學(xué)院,山西 太原 030051;2.中北大學(xué) 儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測(cè)試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山西 太原 030051;3.中北大學(xué) 電氣與控制工程學(xué)院,山西 太原 030051)
隨著智能化技術(shù)的飛速發(fā)展及全球老齡化進(jìn)程的加快,對(duì)電動(dòng)輪椅的需求日趨增加,電動(dòng)輪椅的發(fā)展迎來(lái)良好的契機(jī),研發(fā)更加智能舒適可靠的自動(dòng)調(diào)平輪椅對(duì)滿足醫(yī)療、輔助健康需求也具有重要的現(xiàn)實(shí)意義[1]。目前,我國(guó)的輪椅行業(yè)結(jié)構(gòu)化單一,性能較差,市場(chǎng)上大多數(shù)電動(dòng)輪椅經(jīng)不起道路的顛簸,在坡度較大的斜坡上行駛也會(huì)帶來(lái)極大危險(xiǎn)與不便。為此,世界各國(guó)專業(yè)生產(chǎn)公司和科研機(jī)構(gòu)相繼研究解決這一問(wèn)題,主要有手控調(diào)節(jié)和電控調(diào)節(jié)兩種方式,但是存在調(diào)平角度限制和操作復(fù)雜等問(wèn)題[2,3]。尤其是那些復(fù)雜的機(jī)械調(diào)控系統(tǒng),其昂貴的價(jià)格導(dǎo)致大眾消費(fèi)者無(wú)法接受。
為了使輪椅適應(yīng)復(fù)雜路況的同時(shí)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)調(diào)平,避免在上下坡時(shí)因重心不穩(wěn)而發(fā)生事故,本文設(shè)計(jì)一種基于機(jī)電四點(diǎn)式菱形調(diào)平系統(tǒng)的自動(dòng)調(diào)平裝置,解決電動(dòng)輪椅的自動(dòng)平衡及調(diào)節(jié)角度的限制,預(yù)使輪椅座位在0°~30°的傾角范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)平穩(wěn)快速調(diào)平,同時(shí)降低操作難度。
本文設(shè)計(jì)的電動(dòng)輪椅自動(dòng)調(diào)平裝置主要由驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和自動(dòng)調(diào)平機(jī)構(gòu)兩大部分構(gòu)成,系統(tǒng)組成框圖如圖1。其中,驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)由4個(gè)直流推桿電機(jī)和2個(gè)驅(qū)動(dòng)模塊構(gòu)成;自動(dòng)調(diào)平機(jī)構(gòu)由單片機(jī),微機(jī)電系統(tǒng)(micro-electro-mechanical systems,MEMS)傾角傳感器及液晶顯示(liqued crystal display,LCD)屏構(gòu)成。工作過(guò)程:通過(guò)安裝在座椅中間位置的高精度雙軸傳感器檢測(cè)橫向與縱向的水平傾角;單片機(jī)通過(guò)SPI與MEMS傾角傳感器進(jìn)行通信,并對(duì)傳感器采集到的X軸與Y軸的傾角信息進(jìn)行高速處理;單片機(jī)通過(guò)處理這些數(shù)據(jù),發(fā)送對(duì)應(yīng)的PWM波,控制推桿的升降進(jìn)行調(diào)平工作。
圖1 系統(tǒng)硬件組成框圖
驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)可使用液壓調(diào)平和機(jī)電調(diào)平,由于機(jī)電調(diào)平易操作、易加工、易維護(hù)、性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn),本調(diào)平裝置選用機(jī)電調(diào)平[4]。所用電動(dòng)推桿結(jié)構(gòu)圖如圖2。
圖2 電動(dòng)推桿結(jié)構(gòu)圖
工作原理是通過(guò)控制電動(dòng)機(jī)的起停和轉(zhuǎn)向輸出動(dòng)力和轉(zhuǎn)矩,電機(jī)減速由錐齒輪傳遞進(jìn)行,帶動(dòng)絲桿螺母,把電機(jī)的螺旋運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)為推桿的直線運(yùn)動(dòng)來(lái)調(diào)平支腿[4],本文就是通過(guò)絲杠運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)四條支腿的聯(lián)動(dòng),進(jìn)而實(shí)現(xiàn)座椅的自動(dòng)調(diào)平。
直流電動(dòng)推桿因其良好的啟動(dòng)特性和范圍廣而平滑的調(diào)速特性、較強(qiáng)的過(guò)載能力、較大的轉(zhuǎn)矩、價(jià)格合理的維護(hù)費(fèi)用,被本文選用。并根據(jù)運(yùn)動(dòng)分析中的反解確定電動(dòng)推桿的選取,反解就是已知?jiǎng)悠脚_(tái)在空間坐標(biāo)系中擺角求解各推桿的伸縮長(zhǎng)度[5]。
本文的動(dòng)平臺(tái)即座椅是由X軸與Y軸的轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)調(diào)平,具有兩個(gè)自由度,圖3為兩自由度調(diào)平平臺(tái)示意圖。在實(shí)驗(yàn)臺(tái)的上下平臺(tái)分別建立坐標(biāo)系,以菱形的中心點(diǎn)O建立動(dòng)平臺(tái)坐標(biāo)系OXYZ,X軸平行于P1P3,Y軸平行于P2P4,以中心點(diǎn)O′建立靜坐標(biāo)系O1X1Y1Z1,X1軸平行于Q1Q3,Y軸平行于Q2Q4,Z軸方向按照右手定則,垂直于X軸、Y軸,下平臺(tái)同理。
圖3 兩自由度調(diào)平平臺(tái)示意圖
本文通過(guò)傾斜傳感器可知X軸傾角α和Y軸傾角β,需得到4個(gè)桿的伸縮長(zhǎng)度,因此利用位置反解進(jìn)行理論計(jì)算。動(dòng)平臺(tái)繞X軸和Y軸的變換矩陣分別為
(1)
故,動(dòng)平臺(tái)在空間中繞X軸和Y軸旋轉(zhuǎn)后得到
(2)
假設(shè)兩平臺(tái)的長(zhǎng)均為a,寬均為b,從圖3中的數(shù)學(xué)模型可看出,動(dòng)平臺(tái)坐標(biāo)系中的支撐點(diǎn)P1,P2,P3,P4坐標(biāo)和底座坐標(biāo)系中的支撐點(diǎn)Q1,Q2,Q3,Q4坐標(biāo)可分別表示為
(3)
動(dòng)平臺(tái)經(jīng)過(guò)旋轉(zhuǎn)矩陣R后,與底座平臺(tái)坐標(biāo)差為
(4)
則推桿長(zhǎng)度L1,L2,L3,L4為
(5)
式中α,β分別為X,Y軸的轉(zhuǎn)動(dòng)角度;a和b分別為座椅長(zhǎng)度和座椅寬度;h為裝置的高度。
在國(guó)標(biāo)GB/T 12996——2012[6],GB/T 18029[7]中對(duì)電動(dòng)輪椅車穩(wěn)定性能要求和座椅長(zhǎng)寬度要求見(jiàn)表1。
表1 電動(dòng)輪椅穩(wěn)定性性能和長(zhǎng)寬要求
設(shè)定調(diào)平裝置h=210 mm,角度范圍-30°<α<30°,-30°<β<30°。當(dāng)座位長(zhǎng)度為amax;座位寬度為bmax,傾角α=30°,β=30°時(shí),由式(5)計(jì)算得到電動(dòng)推桿的最大伸長(zhǎng)為L(zhǎng)=110 mm 。
電動(dòng)推桿的選用參考文獻(xiàn)[8],因此,本設(shè)計(jì)選用特姆優(yōu)醫(yī)療電動(dòng)推桿U5,額定功率76.8 W,電壓12 V直流驅(qū)動(dòng),負(fù)載速度最大時(shí)推力可達(dá)1 000 N,行程選用110 mm。
驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的反應(yīng)速度可決定調(diào)平系統(tǒng)的速度。采用L298N雙H橋直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊驅(qū)動(dòng)4個(gè)電動(dòng)推桿,1個(gè)驅(qū)動(dòng)模塊可以實(shí)現(xiàn)對(duì)2個(gè)直流電動(dòng)推桿的正反轉(zhuǎn)和速度控制??刂?個(gè)推桿電路圖如圖4(a),(b)。
圖4 L298N控制推桿的電路圖
調(diào)平機(jī)構(gòu)由SCA100T—D02傾角傳感器、單片機(jī)STM32F103、電機(jī)等部分組成。傾角傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)當(dāng)前物體的傾角,得到座位的4個(gè)維度后,將數(shù)據(jù)信息通過(guò)串口反饋給單片機(jī)STM32F103,單片機(jī)對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后控制電動(dòng)機(jī),并采用中心點(diǎn)不動(dòng)的調(diào)平方式,控制4個(gè)推桿上下往復(fù)運(yùn)動(dòng),使座位始終與地面保持水平,達(dá)到自動(dòng)調(diào)平的效果。
MEMS傾角傳感器是通過(guò)加速度計(jì)實(shí)時(shí)測(cè)量出物體的加速度,已知重力加速度與加速度傳感器輸出軸的關(guān)系,經(jīng)坐標(biāo)變換,算出加速度輸出軸與重力加速度的夾角,可知物體傾斜角[9],圖5為傳感器的輸出分量和傾角關(guān)系。
圖5 加速度傳感器輸出分量與傾角關(guān)系
其中,x,y,z表示加速度傳感器敏感軸輸出方向,ρ,φ,θ分別為敏感軸輸出與重力加速度的夾角。傾角測(cè)量滿足式(6)
(6)
式中Ax,Ay,Az為傳感器三軸輸出響應(yīng),當(dāng)重力加速度gn和Ax,Ay,Az已知時(shí),便可算出傾角。
選用芬蘭VTI公司的MEMS高精度雙軸傾角傳感器SCA100T-D02,有效測(cè)量范圍±90°,XY雙軸高分辨率雙向測(cè)量[10],數(shù)字量輸出分辨率0.01°,輸出靈敏度2 V/gn,AD轉(zhuǎn)換時(shí)間150 μs,穩(wěn)定性高,噪聲低,工作溫度范圍寬(-40~+125 ℃),可抵抗超過(guò)20 000gn的機(jī)械沖擊[11,12],有利于加快自動(dòng)調(diào)平的速度和穩(wěn)定性,傾角獲取電路見(jiàn)圖6。
圖6 傾角獲取電路
MOSI和MISO作為SCA100T數(shù)據(jù)輸入和輸出線,并由具有72 MHz CPU頻率的STM32F103ZET6單片機(jī)對(duì)實(shí)時(shí)接收到的X軸與Y軸傾角數(shù)據(jù)進(jìn)行高速處理。
調(diào)平系統(tǒng)水平調(diào)節(jié)多用三支撐、四支撐、六支撐等方式,通過(guò)對(duì)支撐結(jié)構(gòu)的調(diào)整使支撐面在外界干擾即顛簸路面、上下坡等情況保持水平狀態(tài)。三支撐調(diào)平易實(shí)現(xiàn),但抗傾覆能力較差;四支撐和六支撐雖然有較強(qiáng)的抗傾覆能力,但存在靜不定問(wèn)題,易導(dǎo)致“虛腿”,靜不定次數(shù)越高,系統(tǒng)越復(fù)雜,支撐腿受力的不確定性和多解性也會(huì)導(dǎo)致調(diào)平算法復(fù)雜且難以實(shí)現(xiàn)[13~15]。本文采用四點(diǎn)式菱形支撐,即支撐點(diǎn)按菱形形狀安置,既有四點(diǎn)式的穩(wěn)定,也能承受成年人低于100 kg的重量,關(guān)鍵是可通過(guò)調(diào)平算法讓4個(gè)支撐點(diǎn)同時(shí)參與調(diào)平,避免了“假支撐”現(xiàn)象的發(fā)生。
在自動(dòng)調(diào)平過(guò)程中,由于中心點(diǎn)不動(dòng)調(diào)平法的四個(gè)推桿升降總和最短,即所用時(shí)間最短,因此本文采用中心點(diǎn)不動(dòng)的調(diào)平策略[16,17]。確定調(diào)平策略后選擇位置式比例—積分—微分(proportional-integral-differential,PID)控制算法完成實(shí)際調(diào)平操作[18,19],即根據(jù)平臺(tái)實(shí)際傾斜情況,發(fā)送對(duì)應(yīng)的脈寬調(diào)制(pulse width modulation,PWM)波來(lái)控制電動(dòng)推桿的上升、下降及移動(dòng)速度等,PID算法示意圖如圖7。
圖7 PID控制系統(tǒng)原理圖
用自行設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)裝置對(duì)自動(dòng)調(diào)平系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)與調(diào)試,工作流程如圖8;實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)及調(diào)平裝置如圖9所示;進(jìn)行實(shí)驗(yàn)調(diào)試及調(diào)平具體數(shù)值見(jiàn)表2。
圖8 工作流程圖
圖9 傾斜5°,10°,20°,30 °實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)圖
表2 調(diào)平具體數(shù)值及實(shí)驗(yàn)結(jié)果
實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)按每次增加5°傾角間隔進(jìn)行實(shí)驗(yàn),逐漸從左后方向到右前方向轉(zhuǎn)動(dòng)反復(fù)進(jìn)行,且以最長(zhǎng)伸縮桿用時(shí)作為最終調(diào)平時(shí)間,由表2中12組數(shù)據(jù)可看出:兩軸的復(fù)合角度越大,調(diào)平用時(shí)越長(zhǎng)。
同時(shí),在調(diào)平實(shí)驗(yàn)中,對(duì)電動(dòng)輪椅車整體的穩(wěn)定性性能也做了驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn),結(jié)果表明:4個(gè)推桿分別在11 cm上升范圍內(nèi),調(diào)平裝置均能通過(guò)調(diào)整支腿的長(zhǎng)度完成0°~30°傾角間快速平穩(wěn)的調(diào)平;撤去傾斜角度,恢復(fù)平衡狀態(tài)。符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)(GB/T 12996——2012)中電動(dòng)輪椅車穩(wěn)定性性能要求,完全可滿足電動(dòng)輪椅座位的實(shí)時(shí)自動(dòng)調(diào)平工作。
本文是在對(duì)輪椅市場(chǎng)進(jìn)行調(diào)查分析的情況下,提出了一種可用于電動(dòng)輪椅的機(jī)電四點(diǎn)式菱形調(diào)平系統(tǒng)的自動(dòng)調(diào)平裝置,并進(jìn)行了理論推導(dǎo)和應(yīng)用實(shí)驗(yàn)裝置的實(shí)際測(cè)試,驗(yàn)證了本裝置可幫助輪椅在0°~30°的傾角之間實(shí)現(xiàn)高精度且平穩(wěn)快速的調(diào)平,且完全符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)電動(dòng)輪椅車穩(wěn)定性性能要求。