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一种新型多功能轮椅的研究与仿真.pdf

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    信息技术?
    戴加全,等?一种新型多功能轮椅的研究与仿真
    种新型多功能轮椅的研究与仿真
    戴加全,袁祖强,刘永青
    (南京工业大学机械与动力工程学院,江苏南京21000
    摘要:针对目前市面上轮椅功能較为单一的情况,介绍了一种新型多功能轮椅,主要有三种
    模式,即普通模式、锻练模式和电动模式,不同的模式下对应不同的应用。给出了系统的总体
    控制示意图,利用Pro/E软件建立了实体模型,利用 ADAMS软件做了仿真分析,并与理论计算
    结果做了对比。结果表明,各个模式下运行良好,对使用者的上肢锻炼具有一定效果,同时轮
    椅的运行平稳性也有所提高。
    关键词:多功能轮椅;单片机;设计;仿真
    中图分类号:TH12,TP391.9文献标志码:B文章编号:1671-5276(2014)02-0099-03
    Research and Simulation of New Type of Multifunctional Wheelchair
    DAI Jia-quan, YUAN Zu-qiang, ITU Yong-qing
    ( School of Mechanical and Power Engineering, Nanjing University of Technology, Nanjing 210009, China
    Abstract: A new ype of mu noal e r i n e n w f is n uion on the present market There are thre
    main models, such as common moe, exerise moe and electric me. Different mode s used for different application. The overall
    control plan of the system is designed. The solid mode is esta ished by Pro/E its simulation analysis is done by ADAMS and the re
    sult is compared with the theoretica one. It indicates that the damper has obvious effect on user s arm and its stability is also im-
    proved
    Keywords multifunctional wheelchair; single-chip; design; simulation
    上参照我国人体测量数据,该轮椅各部分几何尺寸的设计
    0引言
    参数如表1所示。
    表1轮椅尺寸设计参数
    随着社会老岭化进程的加快以及由于各种疾病、工
    伤、交通事故等原因造成下肢损伤的人数的增加,为老年
    参数名称
    参数数值/mm
    人和残疾人提供性能优越的代步和康复工具已成为整个
    座宽
    社会重点关注的问题之一。轮椅是辅助康复和行走不便
    座深
    人群的重要工具,它不仅是肢体伤残者的代步工具,更重
    座高
    要的是使他们偕助于轮椅进行身体锻炼和参与社会活动。
    扶手高度
    然而目前世面上的轮椅大多功能较为单一,不能满足使用
    这多方面的需求。例如有的患者提出:这些电动轮椅除了
    大轮直径
    作为代步工具外,最好增加一些功能,如辅助身体健康锻
    小轮直径
    150
    练,増加轮椅的乐趣等。
    手轮圈直径
    510
    为了更好地满足使用者的需求,研究了…种新型多功
    总长
    能轮椅,集普通模式,锻练模式继和电动模式于一体,使用
    总宽
    者可以根据自身需要在不同的运动模式之间切换,其中锻
    总高
    800
    练模式下能够帮助使用者进行上肢辅助康复锻练,同时使
    患者心理上暗示自己并未完全失去运动能力,对增加患者
    利用Pro/ Engineer中的「拉伸]、[旋转]、[扫描]、[镜
    恢复的信心起到一定的促进作用。综合利用Po/E软件像]等操作根据上一节轮椅的设计参数,完成轮椅支架、
    和 ADAMIS虚拟样机软件对轮椅结构设计和动态仿真分
    座椅、扶手、两个后轮、两个前轮以及炳个前叉的建模,经
    析,并且与理论计算做了对比。
    装配后得到整个轮椅的实体模型,如图1(a)所示,图
    1多功能轮椅的结构设计
    (b)为其实物图。
    根据轮椅静态参数选取原则,在符合国家标准的基础
    作者简介:戴加全(1987~),男,硕土研究生,主要研究方向为助老助残机器人的研究。
    Machine Building &Automation, Apr 2014, 43(2): 99-101, 112
    信息技术
    戴加全,等?一种新型多功能轮椅的研究与仿真
    图3控制系统实物图
    上级采用STC89C52型单片机为主控制器,主要用来
    收集外部输入设备的输入数字信号量和输入模拟量,按照
    定的控制策略和应用协议将控制信息加工成指令通过
    RS-232串口发送给下级计算机。1602LCD用来显示当前
    轮椅的运动的模式和电动机的运动状态,其中运动状态主
    要有三种,即普通模式、锻练模式和电动模式,各个模式对
    应不同的应用。摇杆产生的模拟信号量控制电动机的速
    度大小和方向。
    下级计算机采用 Philips公司ILPC2136芯片,驱动模
    块采用电动机专用控制芯TMS320LF2407A和直流永磁
    电动机,实现两电动机的协调运动,LPC2136根据接收到
    的指令的控制信息,控制直流永磁电动机的转速、方向和
    电磁开关的开闭。监测模块实时监测电动机的运行状态
    和故障类型,LPC2136通过RS-232再将电动机状态和故
    (b)
    障类型传至单片机通过LCD显示。
    图1轮椅的Pro/E模型和实物图
    3锻练模块的设计
    使用轮椅的人大多是下肢患有残疾而上肢健全,无论
    2系统的总体结构与工作原理
    是什么原因引起的肢体残疾而造成的行动不便都会对使
    用者的心理造成巨大的负担,甚至从此一蹶不振。根据相
    该控制系统采用二级控制结构,系统的总体控制关研究表明,让轮椅使用者自食其力是降低心理压力的最
    结构示意图和实物图分别如图2、图3所示。
    有效方法。通过自主移动轮椅并且在移动轮椅的过程中
    能够増加上肢力量的锻练,可以有效的帮助他们从心里上
    暗示自己并未完全丧失运动能力,可以像正常人一样生
    1602液晶显示
    加相
    活、锻练,能够激起他们内心的能量,以增加他们实现梦
    想、施展才华的勇气和信心,可以有效的激发患者的创造
    STC89C52型单片机
    健盘
    力和潜能。
    基于上述观点,给轮椅增加了锻练模式,该模式下,通
    IRS-2327
    过在轮椅后轮轴处配合一阻尼器,通过阻尼器的作用增加
    PWM.驱动
    模块
    电动机
    使用者推动轮椅的力量,从而达到上述目的。阻尼器与后
    PWM
    ARM
    驱动
    轮轴的配合是通过齿轮啮合实现的,阻尼器固定在轮椅后
    电动机
    LPC2136
    轮轴上方支架处,在后轮轴上安装有一可移动齿轮,只要
    监测模块
    按下操作面板上的控制模式按键就可以移动该齿轮的位
    置实现
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