王才東，胡 坤，王新杰，代榮霄

（鄭州輕工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，河南 鄭州 450002）

1 引言

隨著中國(guó)進(jìn)入老齡化社會(huì)，由于年齡、疾病導(dǎo)致的失能、半失能的老人越來越多，迫切需要解決失能老人和殘障人士在日?；顒?dòng)區(qū)域的室內(nèi)移動(dòng)問題。目前，國(guó)內(nèi)移動(dòng)輔助器具產(chǎn)品的自動(dòng)化程度相對(duì)較低，而且功能上也未充分考慮到不同人群的的特殊需求。而一些發(fā)達(dá)國(guó)家在移動(dòng)輔助器具領(lǐng)域具有較高水平，擁有先進(jìn)的技術(shù)、成熟的產(chǎn)品，保障了行動(dòng)障礙人士的生活質(zhì)量，甚至接近了正常人的水平[1]。近年來，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)殘障者移位機(jī)進(jìn)行了大量的研究。文獻(xiàn)[1]研發(fā)了一種醫(yī)療輔助移位機(jī)器人，該移位機(jī)器人不僅能實(shí)現(xiàn)殘障者的身體移位，還人性化地進(jìn)行姿態(tài)變換，防止行動(dòng)不便的患者因長(zhǎng)期臥床而產(chǎn)生褥瘡。文獻(xiàn)[2]從多功能護(hù)理機(jī)器人的功能出發(fā)，設(shè)計(jì)了一種基于ATmega128 控制器的控制系統(tǒng)，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了控制方案的可行性。文獻(xiàn)[3]研究了護(hù)理人員在使用地面式升降移位機(jī)和架空式升降移位機(jī)進(jìn)行殘障人士病床移位過程中的勞動(dòng)強(qiáng)度。架空式升降移位機(jī)可以減少護(hù)理者的工作負(fù)荷，降低背部受傷的風(fēng)險(xiǎn)。為了提高行動(dòng)障礙者室內(nèi)活動(dòng)的便捷性、安全性及舒適性，對(duì)輔助殘障者室內(nèi)自主移位機(jī)進(jìn)行研究。

提出一種具有結(jié)構(gòu)可變的殘障者移位機(jī)技術(shù)方案，對(duì)移位機(jī)進(jìn)行總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并對(duì)關(guān)鍵零部件進(jìn)行力學(xué)分析。采用D-H法建立移位機(jī)運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，并基于MATLAB Robotics 軟件進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)軌跡仿真，分析各關(guān)節(jié)變量隨時(shí)間變化曲線。

2 殘障者移位機(jī)總體方案設(shè)計(jì)

2.1 殘障者移位機(jī)總體結(jié)構(gòu)

殘障者移位機(jī)的設(shè)計(jì)目標(biāo)：實(shí)現(xiàn)行動(dòng)障礙者的提升、移位、位置姿態(tài)調(diào)整；具有折疊功能，在存放和搬運(yùn)時(shí)殘障者移位機(jī)的占地面積要盡量??；運(yùn)動(dòng)過程中要穩(wěn)定、可靠，且動(dòng)力設(shè)備具有自鎖性；殘障者移位機(jī)的支撐腿的間距能夠調(diào)整，以適應(yīng)不同環(huán)境空間。根據(jù)殘障者移位機(jī)的功能需求分析，設(shè)計(jì)移位機(jī)三維模型，如圖1 所示。移位機(jī)主要由提升機(jī)構(gòu)、位置姿態(tài)調(diào)整機(jī)構(gòu)和支撐腿開合調(diào)整機(jī)構(gòu)組成。殘障者移位機(jī)采用電動(dòng)推桿驅(qū)動(dòng)使懸臂完成俯仰運(yùn)動(dòng)，模仿人抱起行動(dòng)障礙者的動(dòng)作。

圖1 移位機(jī)整體結(jié)構(gòu)Fig.1 Overall Structure of the Shifting Machine

為適應(yīng)在不同空間移動(dòng)需求，設(shè)計(jì)了移位機(jī)支撐腿間距調(diào)整機(jī)構(gòu)，用來調(diào)整移位機(jī)的橫向尺寸。支撐腿開合調(diào)整機(jī)構(gòu)包括機(jī)座、支撐腿、踏板、剎車腳輪、腳輪、彈簧、連桿操作桿、連桿和限位塊。支撐腿與機(jī)座通過轉(zhuǎn)動(dòng)副連接，普通腳輪、剎車腳輪分別安裝在支撐腿前方和后方。支撐腿調(diào)整機(jī)構(gòu)安裝在機(jī)座上。踏板底部安裝有彈簧，通過踩動(dòng)踏板實(shí)現(xiàn)支撐腿的開合。剎車腳輪具有自鎖功能。

提升機(jī)構(gòu)主要包括主支撐桿、電動(dòng)推桿、控制盒、扶手和懸臂?？刂坪泻头鍪止潭ㄔ谥髦螚U上，懸臂鉸接在主支撐桿上。通過電動(dòng)推桿實(shí)現(xiàn)懸臂的俯仰轉(zhuǎn)動(dòng)，完成對(duì)殘障者的提升功能。位置姿態(tài)調(diào)整機(jī)構(gòu)由力矩電機(jī)、吊架和筆式電動(dòng)推桿組成，主要完成殘障者的姿態(tài)調(diào)整，方便殘障者在不同環(huán)境下（病床、輪椅、餐桌、衛(wèi)生間等）位置移動(dòng)需求。

2.2 殘障者移位機(jī)工作原理分析

殘障者移位機(jī)機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖，如圖2 所示。圖中：AB—主支撐桿；EF—電動(dòng)推桿；BCDH—懸臂；HM—筆式電動(dòng)推桿；LK—吊架桿；NP—支撐腿；OA—機(jī)座臂。提升機(jī)構(gòu)是由電動(dòng)推桿伸縮，從而促使懸臂繞著鉸鏈B 俯仰運(yùn)動(dòng)；姿態(tài)調(diào)整是通過力矩電機(jī)控制整個(gè)吊架的轉(zhuǎn)動(dòng)，電動(dòng)推桿HM 伸縮促使吊架臂繞著鉸鏈J旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)殘障者的位置姿態(tài)調(diào)整；A 部位為移位機(jī)折疊機(jī)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)移位機(jī)折疊，方便與存放和搬運(yùn)。

圖2 移位機(jī)機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.2 Schematic Diagram of the Shifting Machine

設(shè)計(jì)的支撐腿開合調(diào)整機(jī)構(gòu)，如圖3 所示。采用空間杠桿聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)對(duì)支撐腿的張開角度進(jìn)行調(diào)整。普通輪椅的寬度一般為650mm 左右[4]，移位機(jī)支撐腿張開的間距應(yīng)比輪椅寬；兩支撐腿之間的寬度設(shè)計(jì)為680mm，經(jīng)分析計(jì)算，支撐腿的張開角度為24°。

支撐腿張開角度的調(diào)整是通過踏板調(diào)整機(jī)構(gòu)控制兩支撐腿的角度變化，設(shè)計(jì)的踏板調(diào)整機(jī)構(gòu)，如圖3 所示。為保證支撐腿調(diào)整位置的準(zhǔn)確性，設(shè)計(jì)了操縱桿限位機(jī)構(gòu)，采用限位塊方式進(jìn)行定位。在踏板的底部加工限位槽，在操縱桿上安裝限位塊。通過踩動(dòng)踏板壓縮彈簧使連桿向下移動(dòng)，帶動(dòng)操縱桿向下移動(dòng)，使限位塊與限位槽分離。同時(shí)操縱桿轉(zhuǎn)到另一側(cè)的限位槽下方，腳釋放踏板，在彈簧力作用下連桿向上移動(dòng)，帶動(dòng)操縱桿向上移動(dòng)，限位塊與限位槽配合，達(dá)到限位的目的。

圖3 踏板調(diào)整機(jī)構(gòu)Fig.3 Pedal Adjustment Mechanism

提升機(jī)構(gòu)工作原理分析：豎直提升通過控制筆式電動(dòng)推桿的伸縮調(diào)整吊架的角度，實(shí)現(xiàn)殘障者的位置調(diào)整。電動(dòng)推桿伸縮促使懸臂繞鉸鏈B 旋轉(zhuǎn)。依據(jù)人的身高等參數(shù)，并結(jié)合移位機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)，通過分析計(jì)算，確定提升機(jī)構(gòu)鉸鏈B 的旋轉(zhuǎn)范圍為（40～143）°。姿態(tài)調(diào)整機(jī)構(gòu)工作原理分析：IJ 為連接移位機(jī)懸臂的支撐桿。姿態(tài)調(diào)整是通過力矩電機(jī)控制吊架轉(zhuǎn)動(dòng)，電動(dòng)推桿伸縮驅(qū)動(dòng)吊架臂繞著鉸鏈J 旋轉(zhuǎn)。姿態(tài)調(diào)整范圍為（0～60）°。

3 殘障者移位機(jī)關(guān)鍵部件力學(xué)分析

3.1 提升機(jī)構(gòu)力學(xué)分析

提升機(jī)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)需考慮人體參數(shù)、床和輪椅的尺寸等參數(shù)[5-6]。根據(jù)移位實(shí)際要求對(duì)提升機(jī)構(gòu)各構(gòu)件尺寸、主支撐桿AB與懸臂桿BD 和豎直方向的夾角，懸臂桿BD 與DH 的夾角等參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)。提升機(jī)構(gòu)受力分析，如圖4 所示。行動(dòng)障礙者的重力作用在懸臂末端H 點(diǎn)，相對(duì)于鉸接點(diǎn)C 的力臂為L(zhǎng)1，電動(dòng)推桿的推力相對(duì)于鉸接點(diǎn)C 的力臂為L(zhǎng)2。設(shè)計(jì)的殘障者移位機(jī)的額定承載能力為120kg。通過對(duì)提升機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析，電動(dòng)推桿對(duì)鉸接點(diǎn)B 的力臂隨懸臂的轉(zhuǎn)動(dòng)而變化。當(dāng)電動(dòng)推桿行程達(dá)到豎直位置時(shí)，承受的作用力最大。此時(shí)，電動(dòng)推桿的輸出位移最大，所能承受的臨界壓力最小。

圖4 受力分析圖Fig.4 Diagram of Stress Analysis

依據(jù)上述受力分析，根據(jù)力矩平衡，計(jì)算電動(dòng)推桿承受的最大力：

在殘障者移位機(jī)實(shí)際工作中，工作最大載重為120kg（吊架重量與人體重量之和），安全系數(shù)選為1.5，則電動(dòng)推桿的額定載荷應(yīng)為：Cr=5157.25×1.5=7735.875N

根據(jù)電動(dòng)推桿的最大載荷、工作行程400mm，選擇LIANK公司生產(chǎn)的LA40 系列電動(dòng)推桿。

3.2 吊架受力分析

吊架機(jī)構(gòu)的尺寸設(shè)計(jì)需要考慮人體坐立參數(shù)、電動(dòng)推桿行程和實(shí)際使用要求。根據(jù)人體坐立參數(shù)，選取吊架臂長(zhǎng)為505mm，吊架力臂為182mm；綜合考慮姿態(tài)調(diào)整角度、吊架臂長(zhǎng)度和電動(dòng)推桿行程系列等因素，選擇行程為150mm 的電動(dòng)推桿。

吊架工作受力分析，如圖5 所示。根據(jù)人的體重參數(shù)，確定吊架最大承載能力為110kg。電動(dòng)推桿行程變化過程中，重力相對(duì)與鉸接點(diǎn)J 的力臂是變化的。當(dāng)電動(dòng)推桿行程達(dá)到最大時(shí)，電動(dòng)推桿位于豎直位置，所承受的作用力最大。

圖5 吊架受力分析圖Fig.5 Analysis Diagram of Hanger Force

對(duì) C′受力分析，如圖 5（a）所示。

ΣFx=0，F(xiàn)1×sinα-F2×sinβ＝0

ΣFy=0，F(xiàn)1×cosα+F2×cosβ＝G

G=1100N，α=30°，β=13°

得：F1=450.4N，F(xiàn)2=1000.9N

F桿的力臂為 L桿，F(xiàn)1的力臂為 L1，F(xiàn)2的力臂為 L2，如圖 5（b）所示。根據(jù)力矩平衡，計(jì)算電動(dòng)推桿承受的最大力：

由結(jié)構(gòu)參數(shù)和上述分析計(jì)算可知，L2=99mm，G=1100N450.4N=1000.9N，L1=215mm。

因此可得，F(xiàn)桿=25.3N

選取安全系數(shù)為1.5，則電動(dòng)推桿的額定載荷應(yīng)為：

Cr=25.3×1.5=37.95N

根據(jù)電動(dòng)推桿技術(shù)資料，選擇LIANK 公司生產(chǎn)的LA22 系列電動(dòng)推桿作為移位機(jī)吊架的電動(dòng)推桿。

4 殘障者移位機(jī)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

繪制移位機(jī)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖，對(duì)移位機(jī)的運(yùn)動(dòng)學(xué)進(jìn)行分析，分析吊架在三維空間的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。采用D-H 方法建立移位機(jī)連桿坐標(biāo)系，建立正運(yùn)動(dòng)學(xué)方程，并基于Matlab Robotics toolbox 軟件對(duì)正運(yùn)動(dòng)學(xué)進(jìn)行仿真分析。

根據(jù)D-H 參數(shù)法[7]。建立移位機(jī)坐標(biāo)系，定義參考坐標(biāo)系｛0｝，固定在機(jī)座上。建立移位機(jī)器人的連桿坐標(biāo)系，如圖6 所示。由于移位機(jī)為剛體，且各臂桿間只存在相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，各關(guān)節(jié)變量分別為 θ1，θ2，θ3。

圖6 移位機(jī)坐標(biāo)系Fig.6 Coordinate System of Shifting Machine

基于D-H 方法，列出移位機(jī)的D-H 參數(shù)，如表1 所示。

表1 移位機(jī)的D-H 參數(shù)表Tab.1 D-H Parameters of the Shifting Machine

各連桿的齊次變換矩陣依次為：

根據(jù)移位機(jī)的四個(gè)變換矩陣可以建立正運(yùn)動(dòng)學(xué)方程為：

式中：sθ1=sin（θ1）；cθ1=cos（θ1）；sθ12=sin（θ1+θ2）；cθ12=cos（θ1+θ2）；sθ123=sin（θ1+θ2+θ3）；cθ123=cos（θ1+θ2+θ3）。

5 移位機(jī)運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真

在Matlab 環(huán)境下，利用Matlab Robotics toolbox 建立移位機(jī)仿真模型[8]，表1 中的各個(gè)連桿參數(shù)值分別為：l1=1600mm，l2=900mm，l3=600mm，l1=400mm。根據(jù)初始狀態(tài)參數(shù)設(shè)置，得到移位機(jī)的初始位姿，如圖7 所示。

圖7 初始位姿Fig.7 Initial Pose

移位機(jī)各關(guān)節(jié)的初始角度設(shè)為［π/3，2·π/3，-π/2］，目標(biāo)角度設(shè)為［2·π/3，π/3，-π3］，把初始與目標(biāo)關(guān)節(jié)參數(shù)代入式（5）可得：初始位姿（x1，y1）=（1450，1179.423），目標(biāo)位姿（x2，y2）=（350，1125.833）。

設(shè)各個(gè)關(guān)節(jié)在5s 內(nèi)完成運(yùn)動(dòng)軌跡，運(yùn)用MALTAB Robotics Toolbox 中的ctraj 函數(shù)、fkine 函數(shù)和jtraj 函數(shù)，在工作空間中規(guī)劃出移位機(jī)末端的運(yùn)動(dòng)軌跡，得到移位機(jī)的角位移、角速度及角加速度與時(shí)間的關(guān)系曲線。其中，T 為運(yùn)動(dòng)時(shí)間；q 表示在時(shí)間采樣點(diǎn)上的關(guān)節(jié)角度；v 和a 表示對(duì)應(yīng)關(guān)節(jié)的角速度與角加速度，初始和終止時(shí)刻的v 及a 為0。

通過對(duì)各個(gè)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)仿真分析，得到各關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)特性曲線。各個(gè)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)角度、角速度及角加速度曲線，如圖8～圖10 所示。移位機(jī)末端運(yùn)動(dòng)軌跡，如圖11 所示。由圖8 可知，各關(guān)節(jié)角度值呈五次多項(xiàng)式曲線；由圖9 可知，各關(guān)節(jié)角速度呈先增加后減小趨勢(shì)，關(guān)節(jié) 1、2、3 的最大速度分別為 0.393rad/s，0.0196rad/s，-0.393rad/s。由圖10 可知，各關(guān)節(jié)角加速度呈正弦曲線變化，關(guān)節(jié)1 和關(guān)節(jié)3 的加速度幅值為0.223rad/s2，關(guān)節(jié)2 的加速度幅值為0.112rad/s2。由圖11 可知，移位機(jī)末端運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，運(yùn)動(dòng)軌跡為直線，達(dá)到了運(yùn)動(dòng)規(guī)劃的目標(biāo)。查詢MATLAB 軌跡規(guī)劃仿真結(jié)果可得，初始位姿=（1450，-1179.423），目標(biāo)位姿=（350，-1125.833），與理論計(jì)算結(jié)果一致。由于用 D-H 法建立坐標(biāo)系的y 軸與編寫程序坐標(biāo)系的y 軸正方向相反，故仿真所得位姿的y 坐標(biāo)值與理論計(jì)算值互為相反數(shù)。

圖8 關(guān)節(jié)角度曲線Fig.8 Joint Angle

圖9 關(guān)節(jié)角速度曲線Fig.9 Angular Velocity of the Joint

圖10 關(guān)節(jié)角加速度曲線Fig.10 Angular Acceleration of Joints

圖11 末端軌跡圖Fig.11 Terminal Trajectory Diagram

仿真分析表明，運(yùn)動(dòng)仿真結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果一致，驗(yàn)證了仿真方法的正確性。仿真結(jié)果表明，各關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，無拐點(diǎn)、間斷、跳躍等現(xiàn)象，運(yùn)動(dòng)過程無沖擊，吊架運(yùn)動(dòng)平衡，滿足對(duì)殘障者移位運(yùn)動(dòng)的要求。

6 總結(jié)

對(duì)殘障者移位機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，建立了殘障者移位機(jī)的三維模型，分析了提升機(jī)構(gòu)和姿態(tài)調(diào)整機(jī)構(gòu)受力特性，對(duì)殘障者移位機(jī)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析與仿真。（1）設(shè)計(jì)了一種殘障者移位機(jī)技術(shù)方案，實(shí)現(xiàn)殘障者的提升、移位、位置姿態(tài)調(diào)整等功能。（2）設(shè)計(jì)了殘障者移位機(jī)的支撐腿開合機(jī)構(gòu)，能調(diào)整移位機(jī)外形尺寸，實(shí)現(xiàn)不同環(huán)境移位需求。（3）建立了移位機(jī)運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，基于MATLAB Robotics Toolbox 軟件進(jìn)行殘障者移位機(jī)的運(yùn)動(dòng)軌跡仿真，得到了各關(guān)節(jié)變量運(yùn)動(dòng)軌跡，為移位機(jī)的研發(fā)奠定了基礎(chǔ)。