行星輪在爬樓梯輪椅上的應用

對于行動較差的人來說，發(fā)動機是他們行走的輔助設(shè)備。由于中國無障礙設(shè)施的建設(shè)滯后，出現(xiàn)了這些人的運動問題。鑒于樓梯、臺階是常見的障礙,使輪椅具有爬樓梯能力是解決這類問題的關(guān)鍵。世界上爬樓梯輪椅的研究已經(jīng)有近百年的歷史,提出了各種輪椅爬樓梯的解決方案。按照輪椅爬樓梯時運動的連續(xù)與否,有連續(xù)型爬樓梯方案,如履帶式;間歇式爬樓梯解決方案,如交替式。在這些方案中,行星輪式爬樓梯輪椅可以兼顧平地行走和爬樓梯,是比較理想的爬樓梯解決方案。不過目前常用的可以攀爬樓梯的行星輪驅(qū)動力無法有效轉(zhuǎn)化為攀爬力,或者行星輪在翻轉(zhuǎn)時輪胎會和樓梯發(fā)生嚴重的摩擦,導致這些行星輪無法達到實用的程度。本文就行星輪在輪椅上的應用做出系統(tǒng)的分析,特別分析了星輪行星輪轉(zhuǎn)換式登樓輪由于機構(gòu)本身特點,導致行星輪在樓梯上翻轉(zhuǎn)時和樓梯嚴重摩擦的問題,并就該問題提出一種優(yōu)化的行星輪結(jié)構(gòu)。通過樣機實地測試,驗證了方案的可行性,很好的實現(xiàn)了輪椅的爬樓梯功能。1“半控”星盤法對于輪椅爬樓梯,決定性的兩個因素是驅(qū)動力是否足夠并高效地轉(zhuǎn)化為輪椅攀爬樓梯所需要的力,和輪椅在爬樓梯時的安全性問題。目前已有的用于爬樓梯的各種行星輪解決方案中(這里指所有的行星輪爬樓梯方法,不局限于能否使用在輪椅上的行星輪爬樓梯方法),主要有如下兩種:(1)“半控”行星輪:半控行星輪系的一個自由度是沒有受控的,而是根據(jù)路況而調(diào)整的,即行星輪的兩個自由度只有一半的自由度受控。(2)星輪行星輪轉(zhuǎn)換式:其主要實現(xiàn)過程是,在輪椅平地行走時,驅(qū)動輪和上述普通行星輪運動方式相同,不同的是,在遇到高于行星輪可以爬過的障礙或者樓梯時,不是如“半控”行星輪所述的靠地面的摩擦力將接觸到障礙的行星輪鎖死,而是用一個離合器,主動將行星輪的中心齒輪和轉(zhuǎn)臂鎖死,使其成為一個整體,此時的行星輪轉(zhuǎn)換成星輪狀態(tài),通過驅(qū)動這個星輪來實現(xiàn)越障和攀爬樓梯。2“全控”星輪的提出和分析2.1星輪轉(zhuǎn)子的影響較之“半控”行星輪,星輪行星輪可轉(zhuǎn)換式登樓輪越障時不是靠地面的障礙物將接觸到障礙的行星輪鎖死,來翻轉(zhuǎn)越障,而是用一個離合器主動將行星輪的中心齒輪和轉(zhuǎn)臂鎖死,使其成為一個整體,此時的行星輪轉(zhuǎn)換成星輪狀態(tài),通過驅(qū)動這個星輪來實現(xiàn)攀爬樓梯,因此和“半控”行星輪翻轉(zhuǎn)越障相比,具有更高的可靠性和更好的越障能力,較好地實現(xiàn)了輪椅載人登樓的功能。不過仔細分析發(fā)現(xiàn),星輪行星輪可轉(zhuǎn)換式登樓輪在翻轉(zhuǎn)越障或者爬樓梯時,行星輪被離合器鎖死在轉(zhuǎn)臂上而無法自轉(zhuǎn),因此,當轉(zhuǎn)換后的星輪轉(zhuǎn)動時,星輪與地面的接觸點隨著星輪的轉(zhuǎn)動而不斷變化(如同輪胎在地面上滾動時,輪胎和地面的接觸點也會隨著變化一樣),使星輪有可能和障礙垂直壁接觸而產(chǎn)生摩擦力(在向前翻轉(zhuǎn)越障時,接觸點向障礙物方向移動,從而使行星輪車輪和障礙接觸,如果星輪繼續(xù)轉(zhuǎn)動,摩擦就會產(chǎn)生)。由于這個摩擦力為阻力,因此克服它需要消耗驅(qū)動系統(tǒng)提供的能量,導致驅(qū)動效率不高。摩擦也導致輪胎嚴重的不必要磨損,而且由于左右星輪有可能不同時接觸障礙垂直壁,使得阻力分布不對稱,從而導致輪椅底盤運動不穩(wěn)定,有側(cè)翻的危險。2.2新結(jié)構(gòu)帶來的新問題星輪行星輪轉(zhuǎn)換式結(jié)構(gòu)克服了“半控”行星輪翻轉(zhuǎn)依靠地面摩擦力的問題,不過新的結(jié)構(gòu)又帶來了新的問題。為了克服星輪行星輪可轉(zhuǎn)換式登樓輪在爬樓梯時和地面接觸點變化導致輪胎磨損和驅(qū)動效率不高的問題,下面提出一種新的結(jié)構(gòu)。2.2.1影響星系輪性能的參變量關(guān)系根據(jù)輪系在運轉(zhuǎn)過程中各齒輪幾何軸線在空間的相對位置關(guān)系是否變動,輪系可分為定軸輪系、周轉(zhuǎn)輪系和混合輪系。在周轉(zhuǎn)輪系中,根據(jù)輪系自由度的個數(shù),將自由度為一的周轉(zhuǎn)輪系稱行星輪系,自由度多于一個的稱為差動輪系。見圖1。根據(jù)反轉(zhuǎn)固定轉(zhuǎn)臂法,得出行星輪系中心輪,行星輪,轉(zhuǎn)臂的運動關(guān)系如下:式中iH13為中心輪1和行星輪3在轉(zhuǎn)化機構(gòu)的傳動比;W1,W2,W3為中心輪1,行星輪3,轉(zhuǎn)臂H對應的絕對角速度;W1H為中心輪1在轉(zhuǎn)化機構(gòu)中的角速度,W3H為行星輪3在轉(zhuǎn)化機構(gòu)中的角速度。Z3,Z1分別為行星輪3和中心齒輪1的齒數(shù)。設(shè)Z1/Z3=i,則上式可以化簡為:即得出影響行星輪性能的參變量關(guān)系式。其中W1,WH一般作為行星輪的輸入角速度,W3為輸出角速度,i是我們可以選取的變量(一般的行星輪,i取3—4)。2.2.2星輪中心輪、轉(zhuǎn)臂、和傳動比i之間的關(guān)系行星輪的自由度為2,要使其具有確定的運動,必須給行星輪輸入兩個確定的運動。由于“半控”行星輪中,轉(zhuǎn)臂的運動狀態(tài)完全由路面的條件控制,我們無法預知其將要怎么運動,導致行星輪在越障時運動具有不確定性,進而導致系統(tǒng)不可靠。如果希望消除這種運動的不確定性,必須給行星輪輸入兩個確定的運動。式(2)為行星輪中心輪、最外的行星輪、轉(zhuǎn)臂、和傳動比i之間關(guān)系,下面對其進行分析。要實現(xiàn)對行星輪和地面的接觸點的控制,即對行星輪和地面的接觸位置的控制,必須對三個行星車輪的運動進行控制,即控制式(2)中的ω3;要實現(xiàn)根據(jù)路面狀況控制轉(zhuǎn)臂的翻轉(zhuǎn),必須對轉(zhuǎn)臂的運動進行控制,即控制式(2)中的ωH。由于三個行星輪和轉(zhuǎn)臂在結(jié)構(gòu)上的相互關(guān)聯(lián),導致他們的運動不是獨立的,而是有式(2)中的關(guān)系,這為行星輪輸入運動的控制帶來麻煩,甚至不可能實現(xiàn)。如果我們可以通過控制中心輪來控制三個行星車輪的運動,并給轉(zhuǎn)臂一個動力輸入來控制轉(zhuǎn)臂的運動,就可以實現(xiàn)行星車輪的控制和地面的接觸點的位置及轉(zhuǎn)臂的適時翻轉(zhuǎn)翻越障礙。要實現(xiàn)“通過控制中心輪來控制三個行星車輪的運動”,理想的情況就是中心輪和三個行星車輪具有相同的運動關(guān)系,而且其運動情況不受轉(zhuǎn)臂運動的影響。通過觀察式(2),發(fā)現(xiàn)當i=1,則ω3=ω1,從而可以簡單的實現(xiàn)“通過控制中心齒輪來控制三個行星車輪的運動”,而且中心齒輪和行星車輪的運動關(guān)系不受轉(zhuǎn)臂運動的影響。2.3各構(gòu)件間的運動關(guān)系在“全控”行星輪的提出過程中,傳動比i對“全控”行星輪各構(gòu)件之間的運動關(guān)系有決定性的影響。下面通過ADAMS驗證i等于1和不等于1兩種情況下,中心齒輪和各行星車輪之間的運動關(guān)系。2.3.1轉(zhuǎn)臂角速度曲線圖將模型導入ADAMS,設(shè)置構(gòu)件屬性,定義各構(gòu)件之間約束關(guān)系。將中心齒輪的運動輸入函數(shù)設(shè)為:30.0d×time不變,其角速度曲線如圖2所示,改變轉(zhuǎn)臂的運動輸入函數(shù),觀察在i=1的情況下,轉(zhuǎn)臂運動的改變是否影響中心齒輪和行星車輪之間的運動關(guān)系。將轉(zhuǎn)臂的運動輸入函數(shù)設(shè)為:0d×time,轉(zhuǎn)臂角速度曲線圖如圖3中第一幅圖所示,此時行星車輪的角速度曲線如圖3中第二幅圖所示。將轉(zhuǎn)臂的運動輸入函數(shù)設(shè)為:step(time,0,0,2,5)+step(time,3,0,5,-5)+step(time,6,0,10,5),轉(zhuǎn)臂角速度曲線圖如圖3中第三幅圖所示,此時的行星車輪的角速度曲線如圖3中第四幅圖所示。對比仿真結(jié)果圖3中第二幅和第四幅圖可以發(fā)現(xiàn):在i=1時,改變轉(zhuǎn)臂的運動輸入函數(shù),如果中心齒輪的運動輸入函數(shù)關(guān)系不變,那么行星車輪的角速度也不會發(fā)生變化,即在i=1時,轉(zhuǎn)臂的運動不會影響中心齒輪和行星車輪之間的運動關(guān)系,二者是獨立的。2.3.2轉(zhuǎn)臂運動分析將中心齒輪的運動輸入函數(shù)仍設(shè)為:30.0d×time不變,其角速度曲線如圖2所示,改變轉(zhuǎn)臂的運動輸入函數(shù),觀察在i≠1的情況下,轉(zhuǎn)臂運動的改變是否影響中心齒輪和行星車輪之間的運動關(guān)系。將轉(zhuǎn)臂的運動輸入函數(shù)設(shè)為:0d×time,轉(zhuǎn)臂角速度曲線圖如圖4第一幅圖所示,此時行星車輪的角速度曲線如圖4中第二幅圖所示。將轉(zhuǎn)臂的運動輸入函數(shù)設(shè)為:step(time,0,0,2,5)+step(time,3,0,5,-5)+step(time,6,0,10,5),轉(zhuǎn)臂角速度曲線圖如圖4第三幅圖所示,此時的行星車輪的角速度曲線如圖4第四幅圖所示。對比仿真結(jié)果圖4中的第二和第四幅圖可以發(fā)現(xiàn):在i≠1時,改變轉(zhuǎn)臂的運動輸入函數(shù),雖然中心齒輪的運動輸入函數(shù)關(guān)系不變,但是行星車輪的角速度會隨著轉(zhuǎn)臂運動特點的改變而發(fā)生變化,在轉(zhuǎn)臂不動時,中心齒輪和行星車輪有3倍的運動關(guān)系。改變轉(zhuǎn)臂的運動規(guī)律為:step(time,0,0,2,5)+step(time,3,0,5,-5)+step(time,6,0,10,5),中心齒輪和行星車輪之間關(guān)系隨即發(fā)生改變。簡而言之,在i≠1時,轉(zhuǎn)臂的運動會影響中心齒輪和行星車輪之間的運動關(guān)系,二者不是獨立的。通過ADAMS仿真分析,證明了式(2)中分析的i對中心齒輪,轉(zhuǎn)臂,行星車輪的影響,也驗證了如果將i取為1,可以消除轉(zhuǎn)臂運動對“通過中心齒輪控制行星車輪”的影響,為將“全控”行星輪用于輪椅爬樓梯等需要高越障性能的車輛奠定了理論基礎(chǔ)。2.4“全面控制”星輪的越障能力分析2.4.1半控”機構(gòu)的能力“全控”行星輪在平地行走和越障時,該結(jié)構(gòu)處于行星輪狀態(tài),因此其爬過障礙的能力和“半控”行星輪爬過障礙的能力類似。由于“全控”行星輪的傳動比i=1,無論如何改變行星車輪的結(jié)構(gòu)參數(shù)和行星車輪與地面之間的附著系數(shù),“全控”行星輪均無法翻轉(zhuǎn)越過障礙。因此“全控”行星輪爬過垂直障礙的能力為:其中φ為車輪和地面之間的附著系數(shù),D為車輪的直徑。2.4.2“半控”星盤輪的車輪使用“全控”行星輪當遇到其無法爬過的障礙后,需要給“全控”行星輪兩個運動輸入,其中一個運動輸入用于控制中心齒輪,另外一個運動輸入用于控制轉(zhuǎn)臂的翻轉(zhuǎn),在“全控”行星輪遇到較高的垂直障礙后,可以先將“全控”行星輪的中心齒輪和輪椅車體鎖死,由上面分析可知,此時行星車輪相對地面靜止,且i=1,轉(zhuǎn)臂的運動不影響中心齒輪對行星車輪的控制,那么如果給轉(zhuǎn)臂一個轉(zhuǎn)動運動,即可以實現(xiàn):行星車輪相對于地面靜止的情況下,控制“半控”行星輪轉(zhuǎn)臂的翻轉(zhuǎn),可以有效地越過障礙。在使用該結(jié)構(gòu)攀爬樓梯時,由于樓梯的水平面的尺寸可能會有較大的變化,為了適應這種工況,可以在攀爬樓梯時,控制中心齒輪的運動,從而控制“半控”行星車輪在樓梯水平面上的位置,因此“半控”行星輪還可以適應不同尺寸的樓梯。綜上所述,“全控”行星輪可以越過的最大障礙高度為:D為行星輪的直徑,R為行星輪轉(zhuǎn)臂的半徑,并能夠很好地攀爬樓梯。2.5凈化解決了性能提高的問題圖5為全控行星輪內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖,將“全控”行星輪用于輪椅后,做出的物理樣機,通過實地爬樓梯,越障測試,取得了理想的效果,特別是在樓梯上運動,由于可以完全控制行星輪在樓梯上的位置和行星輪轉(zhuǎn)臂的翻轉(zhuǎn)情況,可以很好的適應不同規(guī)格的樓梯,較好地解決了輪椅載人爬樓梯的問題。圖6為物理樣機進行越障爬樓的過程演示。3結(jié)構(gòu)體系的模糊性分析表1分析對比了“半控”行星輪,星輪行星輪轉(zhuǎn)換式登樓輪,“全控”行星輪三種結(jié)構(gòu)的越障能力、爬樓梯能力以及可控性。通過對比分析,得出:“全控”行星輪綜合了“半控”行星輪可以自適應調(diào)節(jié)和星輪行星輪轉(zhuǎn)換式結(jié)構(gòu)可以通過離合器操作來實現(xiàn)主動翻轉(zhuǎn)的優(yōu)點,而且該結(jié)構(gòu)具備準確地對行星輪和地面的接觸點進行控制和根據(jù)路面狀態(tài)控制行星輪轉(zhuǎn)臂運動姿態(tài)的能力,從而更加可靠(完全控制),柔性的(根據(jù)路況實時調(diào)整),精準的(良好的可控性)控制行星輪越障甚至攀爬樓梯。4“全控”機構(gòu)的創(chuàng)新結(jié)構(gòu)本文系統(tǒng)地分析了“半控”行星輪和星輪行星輪轉(zhuǎn)換式結(jié)構(gòu)的越過垂直障礙