爬楼梯轮椅运动稳定性分析.docx

爬楼梯轮椅运动稳定性分析 0 汽车车辆稳定性的研究 对于年老体弱和下肢受伤的老年人来说，轮子是他们不可或缺的交通工具。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。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;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。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 上、下楼梯。在有效的基础上,有以下从高 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将其动力传递到曲柄轴上。 应当指出,无论在上或下楼梯过程中,爬楼梯轮椅均存在稳定性问题。但是,由于楼梯的倾斜,当轮椅处于上楼梯过程时,由于惯性力所引起的倾翻趋势是沿台阶向上的,它对于防止轮椅发生向下倾翻是有利的;而当轮椅处于下楼梯过程时,由于惯性力所引起的倾翻趋势是沿台阶向下的,它加重了轮椅发生向下倾翻的可能性。因此,轮椅在下楼梯过程中发生向下倾翻的可能性更甚于上楼梯过程,即其稳定性更差。所以,本文主要讨论下楼梯过程中爬楼梯轮椅的稳定性问题。 2 建立车轮正常运动状态和翻转状态 为了简化计算,轮椅的爬楼梯杆及曲柄的质量可忽略不计。由于其对称性,分析中只考虑轮椅的平面运动,而且假定,在爬楼梯过程中,爬楼梯杆与台阶表面不发生滑移,其简化模型如图3所示。为了进行轮椅的运动学及动力学分析,建立如图3所示坐标系。考虑爬楼梯轮椅的运动特性,我们可以将轮椅的运动分为两种状态,即正常运动状态和翻转状态。所谓正常运动状态,如图3所示,是指轮椅在爬楼梯过程中,随着曲柄的转动,爬楼梯杆前后支撑点始终与台阶表面接触的状态。此时,爬楼梯杆前支撑点与铰接点A的连线OA与X轴正向的夹角衡等于?0,图4中虚线所示。而翻转状态,如图4中实线所示,是指轮椅在爬楼梯过程中,当曲柄转过某一角度以后,由于轮椅惯性力的影响,使轮椅绕前支撑点O发生翻转,爬楼梯杆后支撑点与台阶表面脱离接触的状态。此时,爬楼梯杆前支撑点与铰接点A′的连线OA′与X轴正向的夹角为?0+?。其中,?为连线OA′与连线OA的夹角,也就是轮椅绕前支撑点O的翻转角。 2.1 +mglcos的能力模型 对于爬楼梯轮椅的正常运动状态,它是一个单自由度的动力学问题。利用Lagrange方程,可得其正常运动状态的动力学方程。 即有 Je..?4+mglcos(θ1+?4)=Μe(1) 其中:Je—等效转动惯量 ?4—曲柄的角位移 m-轮椅及人体的质量..?4—曲柄的角加速度 l-曲柄的长度θ1—爬楼梯杆与水平面的夹角 g-重力加速度Me—等效力矩 为了分析爬楼梯轮椅的翻转特性,可以考察其翻转力矩。为此,定义其翻转力矩为 Μgf=Fmah-mgh0 其中:Fma是质量m的惯性力;h0和h是距离。 如果Mgf≤0,轮椅正常运动; Mgf0,轮椅开始翻转。 2.2 系统的元素构成说明 当翻转力矩Mgf0时,则轮椅开始翻转,如图4所示。选择?和?4为广义坐标,利用Lagrange方程,可得爬楼梯轮椅