基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的電動爬梯輪椅運動仿真設(shè)計

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。