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
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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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