自动爬楼梯轮椅的虚拟设计与运动仿真.pdf

机械 研究与应用 2 0 1 2 年 第6 期 总 第1 2 2 期 设计与制造 自动爬楼梯轮椅的虚拟设计与运动仿真 刘 静 江西理工大学 机电工程学院 江西 赣州 I 3 4 1 0 0 0 摘要 由于各种灾难和疾病造成的残障人士逐年增加 对轮椅的需求量居高不下 但普通轮椅不能上下楼梯 为解 决残疾人士上下楼梯的困扰 设计了一款 自动爬楼梯轮椅 在 P r o E环境 中实现 了轮椅的虚拟设计 并进行 虚拟装 配及 运动仿真 分析 了上 下楼 梯装置的设计 原理 以及机 构运动过程 中的位 移 速度和加 速度情况 为 自动爬楼梯轮椅的开发设计提供参考 关键词 爬楼梯轮椅 P r o E 虚拟装配 运动仿真 中图分类号 T H1 2 2 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 7 4 4 1 4 2 0 1 2 0 6 0 1 3 3 0 2 Vir t ua l de s ig n an d mo v ing s imu l a t io n f o r a u t o s t a ir cl im bi ng whe e l cha ir L iu J in g F a cu l t y o f m e ch a n i ca l a n d e l e ct r i ca l e n g i n e e r in g J ia n g x i u n i v e r s it y of s ci e n ce a nd t e ch n o l o g y G a n z h o u J i a n g x i 3 4 1 0 0 0 C h i n a Ab s t r a ct T h e d e ma n d f o r wh e e l ch a ir in cr e a s e s y e a r l y a n d k e e p s in a h ig h l e v e l for t h e n u mb e r o f d is a b l e s ca u s e d b y d is a s t e r s a n d d is e a s e s I n o r d e r t o s o l v e t h e p r o b l e m t h a t g e n e r a l wh e e l ch a i r s co u l d n t mo v e u p o r d o wn s t a i r s a n d h e l p d is a b l e s mo v e e a s il y a n a u t o s t a ir cl imb in g w h e e l ch a ir is d e s ig n e d I n t h e e n v ir o n me n t o f P r o E t h e v ir t u a l d e s ig n v ir t u a l a s s e mb l y a n d mo v in g s imu l a t io n for w h e e l ch a ir a l e a ch ie v e d F u rt h e r mo r e t h e d e s ig n me t h o d o f mo v in g u p o r d o w n s t a ir s e q u ip me n t a n d t h e s it u a t io n o f d is p l a ce me n t s p e e d a n d a cce l e r a t io n d u r in g t h e a g e n cy mo v in g p r o ce s s a r e a l s o a n a l y z e d At t h e s a me t ime t h e r e f e r e n ce is p r o v i d e d for t h e d e v e l o p me n t a n d d e s i g n o f a u t o s t a i r cl i mb in g w h e e l ch a i r Ke y wo r d s s t a ir cl imb in g wh e e l ch a ir P r o E v irt u a l a s s e mb l y mo v in g s imu l a t io n 1 引 言 当今社会中因各种原因致残的人有很多 对轮椅 的需求量居高不下 由于伤残者对 回归社会 和独立 生活的渴望 促使轮椅的性能和质量不断完善和提 高 自动爬楼梯轮椅 的研究正是顺应了人们的需求 为残疾人士解决上下楼梯 的困扰 1 1 机械工程中的虚拟样机技术又称机械系统动态 仿真技术 设计师在计算机上建立样机模型 对模型 进行各种动态性能分析 然后改进样机设计方案 用 数字化形式代替传统的实物样机实验 在 自动爬楼 梯轮椅的开发设计阶段运用虚拟样机技术 可大大简 化产品的设计开发过程 大幅度缩短产品开发周期 减少产品开发费用和成本 显著提高产品质量 获得 最优化和创新 的设计产 品 笔者利用 P r o E软件进行爬 楼梯轮椅的虚拟设 计和运动仿真 分析了上 下楼梯装置的设计原理 虚 拟装配以及机构运动过程中的位移 速度和加速度情 况 为 自动爬楼梯轮椅的开发设计提供参考 2 自动爬楼梯轮椅的总体设计 自动爬楼梯轮椅包括上下楼梯装置 轮椅车身以 及控制部分 如图 l所示 上 下楼梯装 置采用腿式 结构 分为前腿和后腿 前后腿的底板均设计为 z 字形脚底板 单脚可以跨两级楼梯 前腿与轮椅车身 固联 后腿相对前腿可水平移动 后腿上设计有齿轮 机构和螺旋传动 能带动前腿和轮椅车身上下移动 前后腿之间通过直线电机实现水平相对移动 上楼 梯运动过程为 旋转电机 正转 螺杆下降 后腿底板 支撑地面 使座椅上升 直线 电机 2正转 通过齿条带 动座椅前移 前腿 z 形脚底板 与楼梯接触 卡住两 阶楼梯 旋转电机 1 反转 螺杆上升 使后腿上升一个 楼梯高度 直线电机2反转 后腿前移 完成上一阶楼 梯运动 并通过不断的循环使轮椅逐级上楼梯 下楼 梯运动过程与上楼梯运动相反 上楼梯 时人面对楼 梯 下楼梯时人背对楼梯 图 1 轮椅的工作原理图 图 2 轮椅的虚拟样机 3 自动爬楼梯轮椅的虚拟装配设计 虚拟装配根据产品设计的形状特性 真实地模拟 收稿 日期 2 0 1 2 1 1 1 3 作者简介 刘静 1 9 6 5 一 女 湖南益阳人 副教授 硕士 研究方向 虚拟设计与仿真 创新机械研发 1 33 设计与制造 2 0 1 2 年 第6 期 总 第1 2 2 期 机械 研究 与应用 产品三维装配过程 并允许用户以交互方式控制产 品 的三维模拟装配过程 以检验产 品的可装 配性 在 P r o E提供的 自下而上 的设计模式中 先在零件模块 中构造各个零件的三维模型 然后在装配模块中建立 零部件之间的连接关系 装配过程可与实际装配过程 相同 按照要求逐个装入零件 也可不 同于实际装配 过程 通常的做法是将各个部分装配成子组件 然后 将各个子组件装配起来 形成一个完整 的装配组件 这就是通常所说的分层装配技术 这样可简化装配关 系 便于修改且避免关系的冲突 在装配元件 时 若此元 件为机构中可移动的元 件 则要设置适当连接条件 使此元件与现有组件上 的元件连接在一起 不 同的连接条件提供不 同 自由 度及移动功能 使元件能在机构运动仿真时有正确的 运动方式 P r o E中对动态机构提供 了多种连接条 件 如刚性 销钉 滑动杆 圆柱连接等 J 该轮椅虚拟装配时 按其相对运动特点分成三部 分 前腿 中问 后腿 先将各部分进行虚拟装配 再 将各部分进行总装 前腿部分和中间部分是 通过导 轨连接 为了能运动 选择滑动杆连接装配 后腿部分 和中问部分则是通过丝杆与螺母 的啮合 以及导向杆 的配合来实现 在装配 时 使用圆柱连接来实现定位 约束 装配好的图形如图2 所示 当各部分和总体 装配完成后 可在分析选项中选择模型中的全局干涉 检测 结果显示各零件设计尺寸及总装不存在干涉 4自动爬楼梯轮椅的运动仿真 4 1 P r o E中运动仿真的实现方法 在 P r o E中 用户可 以通过对机构添加运动副 驱动器使其运动 以实现机构的运动仿真 而机构又 是 由构件组合而成的 其 中每个构件都是 以一定 的方 式至少与另一个构件相连接 这种连接不仅使2个构 件直接接触 又使 2个构件产生一定的相对运动 要 使组件运动 在装配时就不能对其完全约束 而只能 部分约束 即根据各组件之问的相对运动 通过 连 接 设定限制组件 的运动 自由度 连接 能够限制 主体的自由度 仅保留所需的自由度 以产生机构所 需的运动类型 在 P r o E中机构 的运动仿真总体上 可分成 四部分 创建机构 添加驱动器 进行机构仿真 及分析仿真结果 4 2 自动爬楼梯轮椅运动仿真具体过程 4 2 1 创建机构 为了进行运动仿真 需对已定义的装配运动添加 约束 轮椅的上升下降运动靠安装在后腿的齿轮传动 和螺旋传动实现 齿轮传动需添加齿轮副连接 销钉 连接 齿轮副连接可约束 3个连接轴 的速度 可直接 指定齿数 比而不必创建新的齿轮 螺旋传动需添加 1 3 4 槽连接 圆柱连接 平面连接 如图 3所示 图 3 添加约束 4 2 2 添加驱动器 首先单击 机构 工具栏 的 伺 服电动机 按钮 系统将弹出 伺服电动机定义 对话框 接受 从动 图元 的 运动轴 类型 选取小齿轮轴销联接作为联 接轴 然后切换到 轮廓 选项卡 选取 速度 规范 在 模 选项 中选取常数 在 A 文本框 中输人数值 6 0 即主动轴的转速为 3 0 d e g s 最后单击确定按钮 完成伺服电动机的定义 此时工作区中将显示 电动机 标志 4 2 3 进行机构运动仿真与分析 对机构进行干涉检查 完成检查 确保无 干涉之 后 单击 机构 工具栏 的 分析定义 按钮 在 类 型 下拉选项 中选择为 运动学 即为运动学分析 点击 运行 机构进行仿真运动 单击 动画 对话框 中的 捕获 按钮 就可将 轮椅 的上下运动仿真情况 制作成视频文件 J A l ra ty s i s D e fu fi fi o l l2 n m a s ta e 1 ra m s e e A n a ly s i s D e f a l ifi o n 2 me a s u r e 2 n n s e c 2 a 主动齿轮沿肪向速度曲线 b 主动齿轮沿肪 向加速度 曲线 图4 齿轮沿 方向速度和加速度曲线 利用 P r o E的运动分析可获得以下信息 几何图 元和连接的位置速度及加速度随时间变化的情况