一种新型爬楼梯轮椅的动力学建模及稳定性分析.pdfVIP

第 19 卷 第 1 期 中 国 生 物 医 学 工 程 学 报 Vol. 19 No. 1 2000 年 3 月 CHIN ESE JOURNAL OF BIOMEDICAL EN GIN EERIN G March 2000 一种新型爬楼梯轮椅的动力学建模 及稳定性分析 1 武 　明　马希金 　项海筹 　金德闻　张济川 (清华大学精密仪器及机械学系康复工程研究中心 ,北京 100084) ( 1 　甘肃工业大学 ,兰州 730050) 　 本文介绍了一种新型爬楼梯轮椅在正常运动状态及翻转状态的动力学建模方法 ,基于此模 型 ,对爬楼梯轮椅的运动特性进行了计算机仿真 。为了进行爬楼梯轮椅的稳定性分析 ,文章中引 入了基于能量考虑的阻翻能量裕量的概念来表征爬楼梯轮椅的翻转特性 。其后 ,分析了爬楼梯轮 椅曲柄平均角速度的改变对其稳定性的影响 。仿真结果显示 ,阻翻能量裕量随着曲柄角位移的不 同而改变 , 曲柄平均角速度的改变对其稳定性具有明显的影响 。 关键词 : 　爬楼梯轮椅 ,动力学建模 ,稳定性 分类号 : 　R318. 01 ; O313 ; TU311. 2 0 　引言 对于年老体弱者和下肢伤残者来说 ,轮椅是他们必不可少的代步工具 。但是 , 由于普通轮 椅不具有爬楼梯的功能 ,从而大大地限制了其使用者的活动范围 ,使其参与社会的深度和广度 深受影响 。目前 , 国外已有许多种爬楼梯轮椅的发明专利问世 。然而 ,它们多数结构复杂 ,价 格昂贵 ,不完全适合于发展中国家使用者的经济承受能力 。为此 ,我们设计了一种利用平行四 杆机构来实现爬楼梯功能的爬楼梯轮椅 , 图 1 所示[1 ,2 ] 。与已有的其它专利相比,其结构更为 简单 、制造成本也更为低廉 ,而且 ,它可以很容易地从爬楼梯状态转换到平地行走状态 ,或者相 反 。所以,它对于轮椅使用者是非常适合的 ,特别对于发展中国家的使用者更是如此 。 众所周知 ,爬楼梯轮椅的安全性无论对于其使用者还是其设计者而言 ,都是非常重要的。 而轮椅在爬楼梯过程中的稳定性则是衡量其安全性的重要指标之一 。目前 , 国内外有关轮椅 稳定性的研究已有许多报道 。对于普通轮椅稳定性的研究主要集中于其静态稳定性的分析和 实验研究[9 ] ;对于电动轮椅和竞赛用轮椅稳定性的研究 , 由于其运动速度比较快 ,主要侧重其 动态稳定性的分析和研究 。Copper ,Rory A 等人针对竞赛用轮椅所建立的动力学模型中 ,考 虑了人的因素 ,轮椅结构设计参数 , 以及环境因素 ,诸如路面倾角 ,可见度等因素的影响[8 ] 。 但是 , 由于爬楼梯轮椅的特殊性 ,上面所用的研究方法并不适合于爬楼梯轮椅稳定性的研究 。 目前 , 国内外对于汽车车辆的稳定性进行了较为深入的研究 ,其中 ,Andrzej G , Nalecz 等人的 研究中所采用的基于能量考虑的阻翻能量裕量的概念和灵敏度分析方法曾被成功地应用于汽 车车辆的稳定性分析中。目前 ,虽然国内外已有许多爬楼梯轮椅的专利问世 ,但是 ,关于其稳 定性的研究还比较少 。在本文中 ,介绍了一种爬楼梯轮椅的动力学建模方法以及基于阻翻能 量裕量概念的爬楼梯轮椅稳定性的分析方法 。 1 　爬楼梯轮椅的工作原理 利用平行四杆机构来实现爬楼梯功能的爬楼梯轮椅 ,其爬楼梯过程如图 2 所示 。工作原 收稿 日期 修回 　第 1 期 武明等 :一种新型爬楼梯轮椅的动力学建模及稳定性分析 47 理如下 :随着曲柄 1 的转动 ,爬楼梯杆 2 与地面接触 ,轮椅由一级台阶移到另一级台阶 ,接着 , 轮椅的轮子与地面接触 ,爬楼梯杆由一级台阶移到另一级台阶 ,重复这一过程 ,直到爬完一段 楼梯为止 。当然 , 曲柄的转动可以利用人力或者电机动力来驱动 ,通过一个由齿轮和链轮构成 的传动系统