座面可调电动轮椅的机构运动仿真

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研究表明，具备座椅和靠背倾斜功能的轮椅通过调整角度可以缓解使用者的疲劳，置于特定角度有助于减杏触压力 ，从而避免皮肤溃烂 。除了满足压力缓解外 ，角度可调的轮椅车可以提升使用舒适度 。同时，为了实现高空取物及与其它康复设备的安全顺利对接，轮椅需具备多种姿态可调功能。

以多体系统动力学理论为核心，使用成熟的计算机技术和稳定的数值算法，为工程设计及分析带来了切实的革新。机械系统运动学分析的正解(Forward Kinematics)指从已知的主动件位姿求从动件位姿，或者是将主动位姿映射为从动件位姿。因此当已知机构的各杆件长度尺寸时，便可进行运动学分析，以对设计的机构进行干涉分析、跟踪零件的运动轨迹 ，从而指导修改零件的结构设计(加如长或缩短构件的力臂长度)。

设计了可以进行多位姿转换的电动轮椅，其座面、靠背及脚踏板可以联动。为对其进行机构设计及合理陛分析，建立了运动学模型并进行了仿真分析。运动学研究对象包括位置、速度、加速度以及与时间有关系的特征，设计的轮椅在位姿变化时整个系统可保持重心平衡。

2机构数学模型根据机械系统的功能需求，智能轮椅 要辅助使用者完成坐姿与站立、坐姿与平躺等基本姿态间转变。为实现这些转换，要求座椅、靠背、脚踏板可以完成多角度的调整变化。设计的轮椅机构(图 1)包括：原动件(电动推杆 1和 12)、从动件(座面2、3、4、5，椅背 10、11，脚踏板 6、7，小轮机构 8、9)、机架(连接架等)。

座面、靠背等构件分别与电动推杆相连，并通过铰链与机架相连。当由坐姿变为站姿时，与座面相连的电动推杆1伸长，使得构件3绕机架的C点进行转动，从而实现座面倾斜直至与水平面垂直；与此同时，杆6随座面的倾斜而逐渐实现脚踏板在胸背方向的收回，紧跟着小轮撑地，保证整个轮椅机械系统的重心稳定。当电动推杆 12收缩时，可完成由坐姿到平躺的转换。轮椅的基本技术参数根据国家标准和设计需求而定 。基于人机工程及人体测量学l1ol，依据我国成年人人体尺寸标准 GB10000-88I中给来稿日期：2012-10-04基金项目：十-五国家科技支撑计划资助项 目(2009BAI71B01)作者简介：王 芳，(1982-)，女，河北涉县人，讲师，博士，主要研究方向：现代设计理论、生物力学第8期 王 芳等：座面可调电动轮椅的机构运动仿真 183出的相关坐姿、水平位的人体尺寸 ，结合 GB/T 18029.5《轮椅车：第五部分：外形尺寸、质量和转向空间的测定》，对杆件进行设计尺寸的初步确定。采用矢量方程解析 寸整体机构进行尺寸设计闸，各杆运动尺寸，如表 1所示。

表 1各杆尺寸Tab.1 Design Dimension of Links轩件 CB BD DE EG GF GI Hl iJ K KL3轮椅运动学模型由于轮椅所需姿态变化中，站立姿势主要依赖座面及脚踏部分的联动实现，运动仿真主要对参与这两部分运动的构件进行分析。在 MATLAB/Simulink的SimMechanics拈中，参考坐标系选取为： 轴、y轴分别通过A点，C点和 H点，从而确定原点 O，如图 1所示。

图 1轮椅机构运动简图Fig.1 Schematic Diagram of Mechanisms模型的建立主要包括三个拈 ：创建各连杆的刚体模型(Bodies)，建立运动(Joint)，设定运动驱动(Joint sensor)。

刚体创建时要定义质量特性参数(inertial properties)、自由度(degreesoffreedom)、约束(constraints)。当进行运动分析时，根据运动学方程，质量参数不影响位置、速度、加速度的计算。运动学分析阶段杆的长度尺寸是重要参数。运动驱动是施加在运动副上的控制运动的参数，将电动推杆 1的移动副定义为恒定驱动，初速度 lOmm/s，加速度 0mm/s，将此运动驱动进行相应转换并施加在运动副 B上。

Derivativel Scope7图 2站立机构的多体系统模型Fig.2 Simulation Model of Linkage for Tilt-in-Space完成的模型，如图2所示。包括 7个活动构件，3个固定铰链，7个转动副。

4运动学仿真结果轮椅坐姿与站立间转变的运动学仿真结果，如图3所示。其中，o和b分别为初始位置(坐姿)和终止位置(站立)时轮椅的位姿。通过运动学仿真可以初步看出，所设计的机构可以完成预计的姿态变化，且在运动过程中系统不存在干涉问题。

～jl -，X-displacement(a)初始位置l/fJr 霉klJ r r l1舅 II. - -l j - x-displacement(b)终止位置图3站立机构运动仿真Fig.3 Model in Simulation通过提取关键铰接点的运动学参数(位置、速度、加速度 )，可以检验各点的轨迹时间历程，进-步对设计进行校验和修正。

在整个机构中，铰接点 D是座面和靠背的接触点，完成座面与靠背的相对转动，它的运动轨忌以反映座面的位姿变化。整个机构在由坐姿变化到站立的过程中，脚踏板通过连杆 GI与座面联动，当座面垂直时，脚踏板(铰接点 .，)也收回到合理位置；小脚轮(铰接点 )由悬空到支撑地面，从而对整个系统的重心平衡起到关键作用÷接点D、K、j点的位移、速度、曲线，如图4、图5所示。

铰接点D的角位移曲线表明在轮椅由坐姿到站姿过程中，座面角度变化为(0-8o)0，满足设计要求。从铰接点 的线位移变化，可看出信轮从悬空到与地面接触 ，起到了预计的保持重心平衡作用÷接点 I的位移曲线说明脚踏板随时间变化慢慢收回。从速度和加速度曲线可以看出，各个铰接点的位姿变化过程184 机械设计与制造NO.8Aug.201 3是均匀的，不存在抖动点，这符合轮椅姿态变化的平稳性及舒适性要求。

矗-600.0 2.5 5.0 7.5 10.0 12.5 15.0Time(s)(a)角位移～ 0.0 2.5 5.0 7.5 10.0 12.5 15.0Time(s)(b)线速度图4座面铰接点D处运动参数Fig.4 Location Parameter for Pivot Point D～ l000.0 2.5 5.0 7 5 10.0 12.5 15.0Time(s)(a)角位移0.0 2.5 50 7.5 10.0 12.5 15.0Time(s)(b)线位移20O- 20- 40- 60吕、苫宝董昌- 80- 100o.o 2.5 5.o 7.5 10.o 12.5 15.oTime(s)(c)线速度·x-direcIi0l·-Y-directi0- - - - . - - - - - - - - - - - - - 0.U 2.5 5.0 7.5 lUU l2.5 l5.UTime(s(d)线加速度图5信轮上铰接点K处运动参数Fig.5 Location Parameter for Pivot Point K经过运动学分析后，最终确定了各杆件的长度尺寸，使得整个机构不存在互相干涉现象，同时关心的铰接点的轨迹符合功能需求，因此设计是合理的。

5讨论通过运动学仿真，以图形方式显示系统在真实条件下位移、速度、加速度等特性 ，并对模型进行不断的修改直到获得最优化的轮椅机构设计方案。系统的运动学分析为系统动力学分析奠定了基矗运用运动学仿真，可以提高机械系统开发效率，使其程式化、降低开发成本。