王宝玉

(1.浙江万丰科技开发股份有限公司，浙江 绍兴 312000; 2.浙江理工大学，浙江 杭州 310018)

0 引 言

《中国老龄产业发展报告(2014)》预测，2050年中国老年人口将达到4.8亿，约占全球老年人口的1/4。随着社会老龄化进程的加快，为老年人提供性能优越的代步工具，已成为整个社会的重点关注问题之一。智能轮椅机器人可以增大老年人的活动范围，使他们重新融入社会成为可能。垂直障碍越障能力是智能轮椅机器人地形通过性的重要指标，智能轮椅机器人具有更好的垂直障碍越障能力，可以为老年人提供更好的活动便利性。

笔者首先从理论分析入手，对影响智能轮椅最大越障能力的因素进行分析；其次，在Adams中建立智能轮椅动力学仿真模型，在不同附着系数条件下，对智能轮椅最大越障能力进行分析并与理论分析进行对比；最后，实际测试智能轮椅的最大越障高度，并与理论分析和仿真分析进行对比。

1 智能轮椅越障能力理论分析

根据GB/T 18029.10-2009《电动轮椅车越障能力的测定》的要求，在无启动距离的前提下，需要驱动智能轮椅向前和向后以测量智能轮椅能攀越垂直障碍物的最大高度。

1.1 前轮向前越过障碍物时受力分析

在无启动距离的前提下，智能轮椅前轮碰到垂直障碍物时，可用解静力学平衡方程来求得智能轮椅参数与障碍物高度的关系，其受力分析示意图如图1所示。

图1 前轮向前越过障碍物时受力分析示意图

根据受力分析示意图可得下列平衡方程式：

(1)

式中：G为智能轮椅总重力；F1为障碍物作用于前轮(从动轮)的反作用力；F2为后轮(驱动轮)负荷；φ为附着系数；f为滚动阻力系数。

将方程组中的G、F1、F2消去后得到：

根据轮椅前轮越台阶示意图几何关系可知：

另假设硬路面上滚动阻力系数f≈0，则前轮单位直径可克服的障碍高度为：

(2)

式中：hw/Dw为前轮单位车轮直径可克服的垂直障碍物高度，它表示了智能轮椅前轮越过垂直障碍物的能力。

1.2 后轮向后越过障碍物时受力分析

在无启动距离的前提下，智能轮椅后轮碰到垂直障碍物时，可用解静力学平衡方程来求得智能轮椅参数与障碍物高度的关系，其受力分析示意图如图2所示。

根据受力分析示意图可得下列平衡方程式：

(3)

式中：G为智能轮椅总重力；F1为障碍物作用于前轮(从动轮)的反作用力；F2为后轮(驱动轮)负荷；φ为附着系数；f为滚动阻力系数。

图2 后轮向后遇到障碍物时受力分析示意图

根据轮椅后轮越台阶示意图几何关系可知：

另假设硬路面上滚动阻力系数f≈0，则后轮单位直径可克服的障碍高度为：

(4)

式中：hw/Dq为后驱动轮单位车轮直径可克服的垂直障碍物高度，它表示了智能轮椅后驱动轮越过垂直障碍物的能力。

1.3 讨 论

前轮向前越过障碍物时，由式(2)可知，L/Dw越小，a/L越大，hw/Dw就越大，即智能轮椅的前轮也越容易越过较高的垂直障碍物。

后轮向后越障障碍物时，由式(4)可知，后驱动轮越过台阶的能力与轮椅参数无关。另外，由于通常a>b，比较式(2)、(4)可知，若Dw=Dq，后轮是限制轮椅越过台阶的因素，因此智能轮椅设计时使后轮直径Dq大于前轮直径Dw。

2 智能轮椅越障能力Adams仿真分析

结合智能轮椅实际情况，利用Creo建立了智能轮椅样机模型，再导入到Adams-View中，并在水平路面上建立了《GB/T 18029.10轮椅车第10部分：电动轮椅车越障能力的测定》中所要求的障碍物模型，对智能轮椅越障能力进行仿真分析。

2.1 虚拟样机模型的建立

对Creo中的智能轮椅模型进行简化处理，去除外观设计，只保留主体结构。将轮椅简化为车身、驱动轮和全向轮组成，车身、驱动轮和全向轮假设为刚体。其中，全向轮由轮毂和滚轮组成，6个大滚轮和6个小滚轮交替设置包络成一个以轮毂中心为圆心的圆，全向轮可以帮助轮椅使用者更好地无障碍通过不平坦的路面，轻松跨越障碍和坡道。

图3 智能轮椅Creo中模型和Adams-View中样机模型

将简化处理后的模型导入到Adams-View中，并在Adams-View中建立地面和障碍物模型。车身与驱动轮、全向轮通过Revolute Joint进行连接，大滚轮、小滚轮与全向轮支撑架通过Revolute Joint进行连接，并为全向轮所属大滚轮、小滚轮和驱动轮与地面(包括障碍物)之间添加Contact约束。

简化处理后，智能轮椅质量和转动惯量与实际轮椅相同。模型中所用到的是全局坐标系：坐标原点在两后轮与地面接触点连线中点，轮椅前进方向为Z轴负方向，垂直于水平面向上为Y轴正方向，X轴正方向由右手定则确定。

图4 全向轮结构示意图 图5 添加Contact约束

根据智能轮椅设计情况，模型的基本参数见表1。

表1 智能轮椅模型基本参数

2.2 仿真分析

本文设计智能轮椅采用后轮双轮驱动，两个电机分别控制两个后轮。为后轮添加motion运动：前轮向前越过障碍物工况下Function(time)栏填写30.0d*time；后轮向后越障工况下Function(time)栏填写-30.0d*time。设置仿真时间为观察轮椅在不同工况下越过障碍物的情况。

不同附着系数下，前轮向前越障高度分析和后轮向后越障高度分析见表2、3和图6所示。

表2 不同附着系数下轮椅越障高度

表3 不同附着系数下轮椅后轮向后越障高度

图6 不同附着系数下轮椅越障高度

由理论结论和仿真结果对比可以看出，虚拟样机模型越障高度略大于理论越障高度，主要是由于理论计算是通过解静力学平衡方程求得障碍物与轮椅参数间的关系。

3 智能轮椅越障能力试验验证

为了验证理论计算和仿真计算的正确性，本文进行了智能轮椅在满载情况下前轮向前越障和后轮向后越障能力试验。试验道路附着系数约为φ=0.9；环境气温25 ℃；试验中制作了不同高度的路障，其规格为：hw=40 mm、45 mm、50 mm、55 mm、60mm；试验车辆状况良好；电机选用硕阳电机股份有限公司生产的轮椅用电机，限流50 A时最大输出扭矩为24.61 kg·cm，减速机减速比为43，动力传动系统机械效率ηT=0.7。试验结果见表4。

表4 不同附着系数下后轮向后越障高度 /mm

后轮越障试验结果与计算结果相比：

(1) 前轮越障试验结果明显小于前面理论计算和仿真计算结果，主要是由于理论计算和仿真计算未考虑轮椅驱动力矩。考虑驱动力矩影响后，理论计算前轮越障高度56 mm，与试验结果相比，数据误差<10%。

(2) 后轮越障试验结果与理论计算和仿真计算结果相比，数据误差<10%。

综上所述，通过实物试验验证，理论分析和仿真分析结果可靠。

4 结 语

首先对影响智能轮椅最大越障能力的因素进行理论分析，通过分析可知，前轮向前越过障碍物时，轮椅越障能力与轮椅参数有关；后轮向后越过障碍物时，轮椅越障能力与轮椅参数无关；且后轮是限制轮椅越过障碍物的因素。其次，运用虚拟样机动力学仿真软件Adams构建智能轮椅动力学模型和障碍物平台，研究不同附着系数条件下轮椅越障能力。最后，进行轮椅越障能力试验，验证了理论分析和Adams仿真分析的可靠性。