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      基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的電動爬梯輪椅運動仿真設(shè)計

      2021-10-20 00:59:02劉競一姚山鴿劉金偉
      科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新 2021年28期
      關(guān)鍵詞:爬梯蝸桿履帶

      劉競一* 許 偉 姚山鴿 劉金偉

      (重慶電子工程職業(yè)學(xué)院 智能制造與汽車學(xué)院,重慶 401331)

      隨著電動輪椅在控制和安全方面的技術(shù)進(jìn)步, 電動輪椅已普遍成為老年人或殘障人士的代步工具。通常,一般的電動輪椅只具備在平地上運動的能力,而不具備越障、爬梯等功能?;诖?,設(shè)計了一種新型輪-履復(fù)合電動爬梯輪椅,利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)驗證其爬梯的運動過程及安全性能。虛擬現(xiàn)實技術(shù)簡稱VR 技術(shù),將VR 技術(shù)應(yīng)用于機械設(shè)計,使用VR 軟件構(gòu)建虛擬現(xiàn)實的環(huán)境,采用三維的、動態(tài)的形式模擬產(chǎn)品的各構(gòu)件,分析其運動模式,使觀看者可以更加深入和全面地了解并體驗產(chǎn)品。

      1 爬梯輪椅模型設(shè)計

      文章使用CATIA 軟件對爬梯輪椅進(jìn)行三維實體建模,對各個機構(gòu)進(jìn)行裝配。

      1.1 輪椅爬梯運動軌跡分析

      履帶式電動爬樓梯輪椅為曲線的運動軌跡,且由不同斜度的直線、不同方向的圓弧互相擬合而成的軌跡。對輪椅的軌跡規(guī)劃方法做出如下假設(shè),以簡化運動過程的分析。

      1.1.1 根據(jù)我國《建筑樓梯模數(shù)協(xié)調(diào)標(biāo)準(zhǔn)》標(biāo)準(zhǔn),設(shè)置樓梯模型高度為150mm,寬度為320mm。

      1.1.2 將輪椅上、下梯過程看成在二維平面上運動。由于輪椅基本上是一個左右對稱的結(jié)構(gòu),因此輪椅上、下梯時不會出現(xiàn)側(cè)向滑動,假設(shè)輪椅不轉(zhuǎn)向爬梯,而只沿樓梯坡度方向運動。

      1.1.3 在假設(shè)輪胎、樓梯、地面為剛體的前提下,履帶與樓梯接觸時,處于純滑動狀態(tài)。驅(qū)動輪與地面接觸時,沒有滑移,僅發(fā)生滾動。

      1.1.4 履帶三角形模型的建立。三角形履帶上有三個旋轉(zhuǎn)輪,其中前部頂端的旋轉(zhuǎn)輪是主驅(qū)動輪。因此,對此驅(qū)動輪進(jìn)行運動分析。但輪椅的升降機構(gòu)以及調(diào)平機構(gòu)、履帶等對其重心有所影響,因此,將驅(qū)動輪的位置假設(shè)在輪椅重心處進(jìn)行運動學(xué)分析。同時,由于是履帶接觸,驅(qū)動輪通過履帶與樓梯接觸,因此,在運動過程中,將運動狀態(tài)定義為滑動狀態(tài)進(jìn)行受力分析。

      1.2 輪椅結(jié)構(gòu)設(shè)計

      1.2.1 座椅調(diào)平機構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計。調(diào)平機構(gòu)是我們設(shè)計的旋轉(zhuǎn)滾動蝸桿裝置。旋轉(zhuǎn)滾動蝸桿裝置與座椅通過三角定位銷連接,可以根據(jù)用戶需要進(jìn)行拆卸。蝸桿被固定在基座上,蝸桿繞著蝸輪軸線旋轉(zhuǎn)并同時在蝸輪上滾動,蝸桿旋轉(zhuǎn)帶著基座一起旋轉(zhuǎn),基座與座椅相連,從而調(diào)整座椅保持水平。

      1.2.2 升降機構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計。升降機構(gòu)采用了電動千斤頂。電動千斤頂在需要工作時,電機啟動經(jīng)過減速齒輪的減速增扭帶動軸承旋轉(zhuǎn),軸承旋轉(zhuǎn)來使千斤頂升高或降低。千斤頂還有過頂保護(hù)裝置,達(dá)到限制高度就會自動停止,保護(hù)千斤頂超出軸承范圍。

      1.2.3 履帶機構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計。履帶是設(shè)計的三角履帶。履帶前部高于一節(jié)樓梯,方便履帶爬樓梯。履帶的環(huán)形鏈環(huán)采用橡膠材質(zhì),上下樓梯是避免了對樓梯造成損壞,也使履帶具有一定的緩沖作用。履帶機構(gòu)拆卸后還可以裝上儲物箱用來搬運物品。

      1.2.4 電動爬樓梯輪椅的整體裝配結(jié)構(gòu)。采用CATIA 軟件進(jìn)行三維模型設(shè)計。多功能電動爬梯輪椅分為兩部分。輪椅部分,可以在地面自由行駛。含有調(diào)平機構(gòu)、升降機構(gòu)和履帶機構(gòu)的功能結(jié)構(gòu)部分。兩部分可以根據(jù)用戶需要進(jìn)行拆卸。多功能電動爬梯輪椅的三維模型如圖1 所示。

      圖1 多功能電動輪椅的整體結(jié)構(gòu)三維模型

      2 工作原理

      2.1 平地行走

      當(dāng)輪椅在平地行走時,履帶收起,等同于普通的電動輪椅地面上行駛。

      2.2 輪椅爬梯

      輪椅采用前向爬梯方式,升降機構(gòu)將座椅整體稍微上頂,履帶前部三角邊接觸梯棱,爬梯開始;陀螺儀傳感器檢測座椅俯仰角的變化,并將數(shù)據(jù)發(fā)給主控板,控制板控制電機進(jìn)行角度補償,此時旋轉(zhuǎn)滾動蝸桿調(diào)平機構(gòu)逐步調(diào)節(jié)座椅角度,使座椅保持水平使輪椅實現(xiàn)平穩(wěn)安全上樓。爬梯過程中履帶正向旋轉(zhuǎn),克服重力。

      2.3 輪椅下梯

      輪椅下梯時,采用前向下梯方式,千斤頂將座椅整體稍微上頂,使后輪離地即可;陀螺儀傳感器檢測座椅俯仰角的變化,并將數(shù)據(jù)發(fā)給主控板,控制板控制電機進(jìn)行角度補償,電動旋轉(zhuǎn)滾動蝸桿機構(gòu)使人體保持水平。下梯過程中履帶逆向旋轉(zhuǎn),克服部分重力產(chǎn)生的下滑力,輪椅緩慢下梯。

      2.4 輔助起身或坐下

      升降機構(gòu)會將輪椅抬升高度,調(diào)平機構(gòu)會使座椅向前傾斜。讓用戶的雙腳直接站立在地面上,用戶不用再像做傳統(tǒng)輪椅那樣,起身的時候還需要腿部用力來使自己站立起來。更加方便省力,由電動升降機構(gòu)(千斤頂)與電動旋轉(zhuǎn)滾動蝸桿機構(gòu)(如20 所示)共同實現(xiàn);升降范圍:120~420cm;座椅角度調(diào)節(jié)范圍:- 60°~60°;輔助老人起身或坐下時身體前傾。

      2.5 輪椅折疊

      “履帶+千斤頂+旋轉(zhuǎn)滾動蝸桿”可整體便捷拆卸,從輪椅后部拉出,輪椅可折疊。

      3 基于VR 技術(shù)的電動爬梯輪椅運動仿真分析

      根據(jù)電動爬梯輪椅的功能設(shè)計和結(jié)構(gòu)特點。主要分為四個運動過程分析其穩(wěn)定性:一是履帶脫離地面前,二是輪椅整體脫離地面的這一過程,三是輪椅沿階梯斜向上運動的過程,四是輪椅由階梯斜面向頂部平臺的一個過渡過程。在上、下樓時,電動爬樓梯輪椅的速度是保持恒定的,且相對較低,沒有考慮慣性力的影響。將CATIA 建立的輪椅模型分解為零部件,導(dǎo)入VR 軟件EVRC 對其運動過程及穩(wěn)定性做出仿真和分析。輪椅爬梯的場景模型在3DMAX 中建立并進(jìn)行了渲染。

      3.1 脫離地面之前

      在電動爬樓梯輪椅沒有離開地面之前有三個階段:在第一個階段時,輪椅的履帶機構(gòu)爬上了第一階,如圖2(a)所示。第二階段,輪椅繼續(xù)行駛,從第一階爬向第二階,如圖2(b)所示,這一過程中爬樓梯輪椅不易發(fā)生翻倒問題,因為此時輪椅的翻轉(zhuǎn)中心相對位置是固定不變的,在履帶的上前部。第三階段,輪椅躍上了第二階,開始逐漸傾斜,其穩(wěn)定性漸漸降低,如圖2(c)所示。

      圖2 電動爬梯輪椅脫離地面前VR 運動仿真

      3.2 脫離地面過程

      當(dāng)爬樓梯輪椅即將脫離地面時,其翻轉(zhuǎn)中心發(fā)生了轉(zhuǎn)移,從履帶的驅(qū)動輪轉(zhuǎn)移到了第一階與履帶的交點上,如圖3 所示。突變的翻轉(zhuǎn)中心將使得梯輪椅向前發(fā)生翻倒的危險性增加,輪椅爬梯過程的安全性和穩(wěn)定性降低。

      根據(jù)分析,圖3 為輪椅穩(wěn)定性最差的階段。這時,輪椅的翻轉(zhuǎn)中心處于第一級臺階與履帶的交點處,此時由于翻轉(zhuǎn)中心發(fā)生突變,輪椅最容易向后發(fā)生翻倒。要提升此刻輪椅行駛的安全性,需要增加履帶運動的速度,即增加動力,以克服翻轉(zhuǎn)中心的突然移動而帶來的危險,此刻需要的動力應(yīng)為最大。

      圖3 電動爬梯輪椅脫離地面過程VR 運動仿真

      3.3 沿樓梯斜面向上運動。

      此時,輪椅已經(jīng)完全脫離了地面,沿著階梯斜面向上運動。輪椅的翻轉(zhuǎn)中心在此過程中相對保持穩(wěn)定,一直處于履帶與較低支撐臺階的交點處。圖3 是一個臨界點,之前輪椅還由地面支撐,之后輪椅完全脫離地面斜向上行駛。

      接下來是一個較為穩(wěn)定的爬梯過程。但此時輪椅的機械機構(gòu)設(shè)計十分關(guān)鍵。履帶機構(gòu)接地部分的長度須兩倍于階梯斜面的長度,且設(shè)計有支撐桿,其座椅調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)——千斤頂和旋轉(zhuǎn)蝸桿機構(gòu)可微調(diào)節(jié)座椅位置,盡可能使輪椅的重心較為后置,以保證輪椅在上、下梯過程中翻轉(zhuǎn)中心位于重心之前,盡可能避免發(fā)生翻倒的問題。

      3.4 由樓梯斜面向頂部平臺過渡。

      當(dāng)履帶機構(gòu)的驅(qū)動輪越過最后一級臺階后,輪椅的翻轉(zhuǎn)中心又發(fā)生了突變,轉(zhuǎn)移到了最后一階與履帶的交點處,如圖4(a)所示。此時,輪椅的穩(wěn)定性又有所下降。這也是一個臨界階段。

      此時,輪椅已經(jīng)運動到階梯斜面頂端,開始向最后一級階梯的平臺過渡,輪椅的重心已經(jīng)移動至平臺上。輪椅在輔助支撐桿的作用下,平穩(wěn)降落到頂部平臺,如圖4(b)所示。在這一個階段,輪椅的安全性和穩(wěn)定性逐步增強,直至平地運動狀態(tài)。

      圖4 輪椅由樓梯斜面向頂部平臺過渡VR 運動仿真

      3.5 下梯過程

      在下樓梯過程中,履帶機構(gòu)較易出現(xiàn)向前翻倒的問題。由于輪椅前部具有輔助支撐桿,實現(xiàn)了輪椅由頂部平臺向階梯斜面的平穩(wěn)過渡。輪椅在離開頂部平臺沿階梯斜面向下運動回至地面的這一過程,翻轉(zhuǎn)中心和穩(wěn)定性變化與上梯過程類似。

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