王 慧，王 晨，王 琢

（東北林業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040）

1 引言

由于年齡增長(zhǎng)、意外事故等諸多因素造成的肢體殘疾人的數(shù)量在持續(xù)增長(zhǎng)，輪椅作為腿腳不便者的代步工具，在日常生活中扮演著越來(lái)越重要的角色。

為方便使用和控制輪椅，人們提出了很多輪椅控制的方案。該類研究大部分著眼于輪椅平臺(tái)上的附件，過(guò)于追求智能化，而缺少了輪椅本身駕駛的操控性和舒適性的研究[1]。

不同于其他的控制方式，姿態(tài)控制輪椅適用于上身運(yùn)動(dòng)機(jī)能健全的群體，通過(guò)使用者在輪椅上身體姿態(tài)的變化來(lái)控制輪椅的行駛狀態(tài)。軀干的直接控制，可以提高使用者的參與感[2]，不易發(fā)生誤操作[3]。

使用者坐在姿態(tài)控制輪椅上，由姿態(tài)的變化改變重心的位置，并將重心的偏移信號(hào)有效傳遞至控制系統(tǒng)中來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)輪椅行駛的控制。為了實(shí)現(xiàn)這一功能，設(shè)計(jì)出了一種結(jié)構(gòu)。

該結(jié)構(gòu)在實(shí)現(xiàn)使用功能的基礎(chǔ)上，可以通過(guò)調(diào)節(jié)座椅位置，實(shí)現(xiàn)輪椅行駛的穩(wěn)定性[4]。并針對(duì)輪椅行駛過(guò)程中所產(chǎn)生的振動(dòng)，設(shè)計(jì)了減震機(jī)構(gòu)，為驗(yàn)證其減震效果，對(duì)座椅進(jìn)行了振動(dòng)分析。

姿態(tài)控制輪椅作為一種輪椅的控制方式，可以與輪椅上的其他智能化設(shè)計(jì)相結(jié)合，使輪椅能夠滿足更多的功能需求。

2 整體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 工作原理

在操縱輪椅時(shí)，使用者坐在座椅上，通過(guò)身體姿態(tài)的變化改變重心位置，從而可實(shí)現(xiàn)座椅水平面上受力分布的變化。在座椅平面上對(duì)稱布置四個(gè)點(diǎn)A，B，C，D，并在其下端安裝傳感器，如圖1所示。

圖1 傳感器的位置Fig.1 Location of Sensors

由座椅下的傳遞機(jī)構(gòu)將駕駛座上A，B，C，D四個(gè)點(diǎn)所受到的力傳遞到對(duì)應(yīng)的應(yīng)變式力傳感器上，傳感器將其轉(zhuǎn)化成電信號(hào)輸入到輪椅上的控制系統(tǒng)上，控制系統(tǒng)根據(jù)輸入信號(hào)對(duì)輪椅的行駛狀態(tài)進(jìn)行控制，從而實(shí)現(xiàn)了通過(guò)改變身體姿態(tài)控制輪椅的目的。

2.2 傳遞機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在座椅平面A，B，C，D四個(gè)位置的下方分別設(shè)置一組傳遞機(jī)構(gòu)。座椅下鉸鏈與座椅固定，并與上端導(dǎo)軌鉸鏈相鉸接。上端導(dǎo)軌鉸鏈與上端導(dǎo)軌滑塊固定，該兩部件可實(shí)現(xiàn)在上端導(dǎo)軌的單向滑動(dòng)。下端導(dǎo)軌滑塊與下端導(dǎo)軌鉸鏈固定，可實(shí)現(xiàn)在下端導(dǎo)軌的單向滑動(dòng)。上端導(dǎo)軌滑塊與下端導(dǎo)軌滑塊的滑動(dòng)方向相互垂直，且上端導(dǎo)軌與下端導(dǎo)軌分別固定于導(dǎo)軌座的上下兩面。傳力桿上端與下端導(dǎo)軌鉸鏈相鉸接，傳力桿下端固定在應(yīng)變式力傳感器上。在輪椅踏板與傳遞機(jī)構(gòu)間加減震結(jié)構(gòu)。整體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖，如圖2、圖3所示。

圖2 姿態(tài)控制輪椅右視圖Fig.2 The Right View of Posture Control Wheelchair

圖3 姿態(tài)控制輪椅后視圖Fig.3 The Rear View of Posture Control Wheelchair

2.3 穩(wěn)定性分析

通過(guò)鉸鏈和導(dǎo)軌等部件，傳遞機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了較小位移的補(bǔ)償。在沒(méi)有位移補(bǔ)償?shù)那闆r下，由于A，B，C，D四個(gè)位置下方的應(yīng)變式力傳感器垂直方向承受載荷的不同，其應(yīng)變所產(chǎn)生的微小的高度差，會(huì)造成整個(gè)座椅的結(jié)構(gòu)變形。如圖4所示，a和b為兩側(cè)傳力桿，兩桿均垂直于地面，a和b兩桿水平間距為d。E點(diǎn)和F點(diǎn)為座椅下鉸鏈固定于座椅平面的位置，EF長(zhǎng)度為d。當(dāng)a傳力桿因承受載荷較大而產(chǎn)生一垂直于地面方向的位移x時(shí)，通過(guò)導(dǎo)軌滑塊G和H在水平方向相對(duì)于導(dǎo)軌的位置調(diào)整，有效避免了傳力桿等隨工況的不斷變化而產(chǎn)生變形。

圖4 避免結(jié)構(gòu)變形示意圖Fig.4 Schematic Diagram of Avoiding Structural Deformation

當(dāng)輪椅行駛于不平路面時(shí)，輪椅結(jié)構(gòu)整體產(chǎn)生一傾角θ。OO’為垂直于地面的法線，a和b兩傳力桿處于傾斜位置，座椅平面PR也處于側(cè)傾狀態(tài)，此時(shí)以O(shè)點(diǎn)為中心形成轉(zhuǎn)矩，如圖5所示。通過(guò)S和T兩導(dǎo)軌滑塊在導(dǎo)軌上的滑動(dòng)，可以實(shí)現(xiàn)座椅平面PR到P’R’的位置變化的可能，通過(guò)減小轉(zhuǎn)矩的力臂h的大小，提高使用者者乘坐的穩(wěn)定性。

圖5 傾斜情況示意圖Fig.5 Schematic of Tilting

3 傳遞機(jī)構(gòu)的減震設(shè)計(jì)

在輪椅行駛過(guò)程中所產(chǎn)生的振動(dòng)通過(guò)傳遞機(jī)構(gòu)中的傳力桿，傳力桿上鉸鏈，導(dǎo)軌，導(dǎo)軌座，座椅下鉸鏈等部件傳遞至座椅，影響了使用者的乘坐舒適度[5]。為減小振動(dòng)所帶來(lái)的影響，在應(yīng)變式力傳感器下端設(shè)計(jì)減震結(jié)構(gòu)。

減震結(jié)構(gòu)，如圖6所示。

圖6 減震結(jié)構(gòu)圖Fig.6 Structural Diagram of Shock Absorption

傳力桿將垂直方向載荷向下傳遞到應(yīng)變式力傳感器上，應(yīng)變式力傳感器固定在傳感器下支撐座上，輪椅踏板上固定座固定于輪椅踏板上，在傳感器下支撐座與輪椅踏板上固定座之間加裝彈性元件。碟形彈簧變形小承載能力高，節(jié)約空間，且碟形彈簧較螺旋彈簧的吸震性能強(qiáng)，故采用碟形彈簧作為傳感器下支撐座與輪椅踏板之間連接的彈性元件。該減震結(jié)構(gòu)通過(guò)碟簧與碟簧之間摩擦產(chǎn)生的阻尼，可有效吸收振動(dòng)能量[6]，且組合碟簧的剛度在考慮徑向約束影響后比無(wú)徑向約束時(shí)明顯偏大[7]。根據(jù)負(fù)荷和變形量的要求，確定碟簧的組合方式為兩片碟簧疊合為一組，兩組碟簧對(duì)合的復(fù)合組合。

4 座椅的振動(dòng)分析

座椅動(dòng)態(tài)舒適性與座椅和人體的振動(dòng)特性密切相關(guān)[8]。在（4～8）Hz這個(gè)頻率范圍內(nèi)，人的內(nèi)臟器官產(chǎn)生共振，人體會(huì)感覺(jué)很不舒適。為驗(yàn)證傳遞機(jī)構(gòu)的減震設(shè)計(jì)對(duì)輪椅乘坐舒適性的影響，將座椅結(jié)構(gòu)三維模型導(dǎo)入ADAMS仿真軟件中進(jìn)行振動(dòng)分析。以傳力桿下方的輪椅踏板作為激勵(lì)源，讓傳遞機(jī)構(gòu)和座椅處于垂直于地面的受迫振動(dòng)狀態(tài)下。

4.1 座椅的模態(tài)參與因子分析

在受迫振動(dòng)情況下，座椅在某些頻率處會(huì)出現(xiàn)響應(yīng)的峰值，這些峰值是由各個(gè)模態(tài)的響應(yīng)疊加而成。通過(guò)分析系統(tǒng)的模態(tài)，可以得出系統(tǒng)中各階模態(tài)的模態(tài)頻率，而各階模態(tài)頻率對(duì)系統(tǒng)受迫振動(dòng)的影響是不同的。各階模態(tài)對(duì)受迫振動(dòng)的影響程度取決于模態(tài)參與因子[9]，模態(tài)參與因子作為判斷響應(yīng)各個(gè)輸出模態(tài)貢獻(xiàn)度的相對(duì)大小的依據(jù)，可以通過(guò)模態(tài)參與因子分析來(lái)查找峰值頻率處的響應(yīng)是由哪些主要的模態(tài)響應(yīng)疊加而成，并通過(guò)模態(tài)參與因子在其峰值上的頻率和該模態(tài)的固有頻率的對(duì)比，分析各階模態(tài)對(duì)座椅的振動(dòng)的影響。

繪制傳力桿未加減震結(jié)構(gòu)情況下座椅上模態(tài)參與因子的變化曲線，如圖7所示。在（0.1～100）Hz范圍內(nèi)，第3階模態(tài)的模態(tài)參與因子較大，參與頻率響應(yīng)最多，且在（8.0～9.0）Hz之間存在模態(tài)參與因子的峰值，該峰值所對(duì)應(yīng)的頻率與第3 階固有頻率較為接近，座椅在此頻率下容易產(chǎn)生共振。第2 階模態(tài)在（0.1～100）Hz 之間也有一定的參與量，在（8.0～20.0）Hz 間出現(xiàn)兩個(gè)峰值。

圖7 未加減震結(jié)構(gòu)模態(tài)參與因子Fig.7 Model Participation Factor of Undamped Structure

繪制傳力桿加減震結(jié)構(gòu)后的座椅在（0.1～1000）Hz范圍內(nèi)模態(tài)參與因子的變化曲線，如圖8所示。在整個(gè)頻率范圍內(nèi)第2階模態(tài)的模態(tài)參與因子最大，參與頻率響應(yīng)最多，在10.0Hz附近存在模態(tài)參與因子的峰值，其所對(duì)應(yīng)的激勵(lì)頻率與第2階模態(tài)的固有頻率接近。第1階模態(tài)也有很大的參與量，在10.0Hz附近存在該階模態(tài)參與因子的峰值，其對(duì)應(yīng)的激勵(lì)頻率與第1階模態(tài)的固有頻率較為接近。

圖8 加減震結(jié)構(gòu)模態(tài)參與因子Fig.8 Model Participation Factor of Damped Structure

將圖7和圖8對(duì)比分析可知，兩種情況下座椅在某階模態(tài)固有頻率附近均會(huì)出現(xiàn)該階模態(tài)的共振，但未加減震結(jié)構(gòu)的座椅的模態(tài)參與因子大于有減震結(jié)構(gòu)的座椅模態(tài)參與因子，因此在輪椅行駛條件下的某階模態(tài)固有頻率附近，加減震結(jié)構(gòu)的座椅振動(dòng)幅值要小于未加減震結(jié)構(gòu)的座椅。

4.2 座椅的頻率響應(yīng)分析

在傳力桿下端位置處的輪椅踏板分別對(duì)兩種結(jié)構(gòu)施加5組大小等值遞增的正弦激振力，以座椅的中心位置豎直方向作為輸出通道，繪制座椅的頻率響應(yīng)曲線，縱坐標(biāo)為頻率響應(yīng)的振幅，如圖9、圖10所示。

圖9 未加減震結(jié)構(gòu)頻率響應(yīng)曲線Fig.9 Frequency Response Curve of Undamped Structure

圖10 加減震結(jié)構(gòu)頻率響應(yīng)曲線Fig.10 Frequency Response Curve of Damped Structure

從圖9和圖10可以看出，隨著激振力的增加，頻率響應(yīng)的幅值也在相應(yīng)增大。未加減震結(jié)構(gòu)的頻率響應(yīng)在7Hz附近達(dá)到峰值，由模態(tài)分析結(jié)果可知，該峰值主要由第3階模態(tài)影響，且在該峰值頻率下，使用者會(huì)感到很不適。

在30Hz附近和200Hz附近存在較小的峰值，這兩個(gè)峰值主要由第3階模態(tài)和第2階模態(tài)影響。加減震結(jié)構(gòu)的頻率響應(yīng)在10Hz附近達(dá)到峰值，該峰值主要由第2階和第1階模態(tài)影響。加減震結(jié)構(gòu)的頻率響應(yīng)在（100～200）Hz之間存在一個(gè)較小的峰值，該峰值主要由第2階和第1階模態(tài)所影響。通過(guò)兩種情況下的對(duì)比可得，未加減震結(jié)構(gòu)的頻率響應(yīng)振幅總體大于加減震結(jié)構(gòu)頻率響應(yīng)振幅。因此，減震結(jié)構(gòu)可有效減小振動(dòng)對(duì)輪椅使用性和乘坐舒適性等造成的影響。

5 結(jié)語(yǔ)

目前在對(duì)電動(dòng)輪椅的控制研究中有很多不同的控制方式，但與姿態(tài)控制電動(dòng)輪椅相關(guān)的研究較少。與其它種類的輪椅控制方式不同，姿態(tài)控制電動(dòng)輪椅通過(guò)身體姿態(tài)的變化，實(shí)現(xiàn)了對(duì)輪椅行駛的控制。針對(duì)該姿態(tài)控制電動(dòng)輪椅設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了姿態(tài)控制的要求，且有一定的補(bǔ)償和調(diào)節(jié)功能，可以保證輪椅行駛的穩(wěn)定性。為減小行駛時(shí)振動(dòng)對(duì)座椅舒適度的影響，設(shè)計(jì)了減震結(jié)構(gòu)，并通過(guò)模態(tài)參與因子和頻率響應(yīng)曲線分析驗(yàn)證了其減震效果良好。姿態(tài)控制電動(dòng)輪椅作為一種電動(dòng)輪椅的控制方式，可以與輪椅上其他智能化設(shè)計(jì)相結(jié)合，為未來(lái)電動(dòng)輪椅控制等方面的研究提供了參考。