楊 冰,劉新妹,殷俊齡,李 帆

(1.中北大學(xué) 信息與通信工程學(xué)院,山西 太原 030051；2.中北大學(xué) 儀器科學(xué)與動態(tài)測試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山西 太原 030051；3.中北大學(xué) 電氣與控制工程學(xué)院,山西 太原 030051)

0 引 言

隨著智能化技術(shù)的飛速發(fā)展及全球老齡化進(jìn)程的加快,對電動輪椅的需求日趨增加,電動輪椅的發(fā)展迎來良好的契機(jī),研發(fā)更加智能舒適可靠的自動調(diào)平輪椅對滿足醫(yī)療、輔助健康需求也具有重要的現(xiàn)實(shí)意義[1]。目前,我國的輪椅行業(yè)結(jié)構(gòu)化單一,性能較差,市場上大多數(shù)電動輪椅經(jīng)不起道路的顛簸,在坡度較大的斜坡上行駛也會帶來極大危險(xiǎn)與不便。為此,世界各國專業(yè)生產(chǎn)公司和科研機(jī)構(gòu)相繼研究解決這一問題,主要有手控調(diào)節(jié)和電控調(diào)節(jié)兩種方式,但是存在調(diào)平角度限制和操作復(fù)雜等問題[2,3]。尤其是那些復(fù)雜的機(jī)械調(diào)控系統(tǒng),其昂貴的價(jià)格導(dǎo)致大眾消費(fèi)者無法接受。

為了使輪椅適應(yīng)復(fù)雜路況的同時(shí)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)調(diào)平,避免在上下坡時(shí)因重心不穩(wěn)而發(fā)生事故,本文設(shè)計(jì)一種基于機(jī)電四點(diǎn)式菱形調(diào)平系統(tǒng)的自動調(diào)平裝置,解決電動輪椅的自動平衡及調(diào)節(jié)角度的限制,預(yù)使輪椅座位在0°～30°的傾角范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)自動平穩(wěn)快速調(diào)平,同時(shí)降低操作難度。

1 總體結(jié)構(gòu)

本文設(shè)計(jì)的電動輪椅自動調(diào)平裝置主要由驅(qū)動機(jī)構(gòu)和自動調(diào)平機(jī)構(gòu)兩大部分構(gòu)成,系統(tǒng)組成框圖如圖1。其中,驅(qū)動機(jī)構(gòu)由4個(gè)直流推桿電機(jī)和2個(gè)驅(qū)動模塊構(gòu)成；自動調(diào)平機(jī)構(gòu)由單片機(jī),微機(jī)電系統(tǒng)(micro-electro-mechanical systems,MEMS)傾角傳感器及液晶顯示(liqued crystal display,LCD)屏構(gòu)成。工作過程:通過安裝在座椅中間位置的高精度雙軸傳感器檢測橫向與縱向的水平傾角；單片機(jī)通過SPI與MEMS傾角傳感器進(jìn)行通信,并對傳感器采集到的X軸與Y軸的傾角信息進(jìn)行高速處理；單片機(jī)通過處理這些數(shù)據(jù),發(fā)送對應(yīng)的PWM波,控制推桿的升降進(jìn)行調(diào)平工作。

圖1 系統(tǒng)硬件組成框圖

2 驅(qū)動機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

驅(qū)動機(jī)構(gòu)可使用液壓調(diào)平和機(jī)電調(diào)平,由于機(jī)電調(diào)平易操作、易加工、易維護(hù)、性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn),本調(diào)平裝置選用機(jī)電調(diào)平[4]。所用電動推桿結(jié)構(gòu)圖如圖2。

圖2 電動推桿結(jié)構(gòu)圖

工作原理是通過控制電動機(jī)的起停和轉(zhuǎn)向輸出動力和轉(zhuǎn)矩,電機(jī)減速由錐齒輪傳遞進(jìn)行,帶動絲桿螺母,把電機(jī)的螺旋運(yùn)動轉(zhuǎn)為推桿的直線運(yùn)動來調(diào)平支腿[4],本文就是通過絲杠運(yùn)動實(shí)現(xiàn)四條支腿的聯(lián)動,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)座椅的自動調(diào)平。

2.1 電動推桿的設(shè)計(jì)

直流電動推桿因其良好的啟動特性和范圍廣而平滑的調(diào)速特性、較強(qiáng)的過載能力、較大的轉(zhuǎn)矩、價(jià)格合理的維護(hù)費(fèi)用,被本文選用。并根據(jù)運(yùn)動分析中的反解確定電動推桿的選取,反解就是已知動平臺在空間坐標(biāo)系中擺角求解各推桿的伸縮長度[5]。

本文的動平臺即座椅是由X軸與Y軸的轉(zhuǎn)動實(shí)現(xiàn)調(diào)平,具有兩個(gè)自由度,圖3為兩自由度調(diào)平平臺示意圖。在實(shí)驗(yàn)臺的上下平臺分別建立坐標(biāo)系,以菱形的中心點(diǎn)O建立動平臺坐標(biāo)系OXYZ,X軸平行于P1P3,Y軸平行于P2P4,以中心點(diǎn)O′建立靜坐標(biāo)系O1X1Y1Z1,X1軸平行于Q1Q3,Y軸平行于Q2Q4,Z軸方向按照右手定則,垂直于X軸、Y軸,下平臺同理。

圖3 兩自由度調(diào)平平臺示意圖

本文通過傾斜傳感器可知X軸傾角α和Y軸傾角β,需得到4個(gè)桿的伸縮長度,因此利用位置反解進(jìn)行理論計(jì)算。動平臺繞X軸和Y軸的變換矩陣分別為

(1)

故,動平臺在空間中繞X軸和Y軸旋轉(zhuǎn)后得到

(2)

假設(shè)兩平臺的長均為a,寬均為b,從圖3中的數(shù)學(xué)模型可看出,動平臺坐標(biāo)系中的支撐點(diǎn)P1,P2,P3,P4坐標(biāo)和底座坐標(biāo)系中的支撐點(diǎn)Q1,Q2,Q3,Q4坐標(biāo)可分別表示為

(3)

動平臺經(jīng)過旋轉(zhuǎn)矩陣R后,與底座平臺坐標(biāo)差為

(4)

則推桿長度L1,L2,L3,L4為

(5)

式中α,β分別為X,Y軸的轉(zhuǎn)動角度；a和b分別為座椅長度和座椅寬度；h為裝置的高度。

在國標(biāo)GB/T 12996——2012[6],GB/T 18029[7]中對電動輪椅車穩(wěn)定性能要求和座椅長寬度要求見表1。

表1 電動輪椅穩(wěn)定性性能和長寬要求

設(shè)定調(diào)平裝置h=210 mm,角度范圍-30°<α<30°,-30°<β<30°。當(dāng)座位長度為amax；座位寬度為bmax,傾角α=30°,β=30°時(shí),由式(5)計(jì)算得到電動推桿的最大伸長為L=110 mm 。

電動推桿的選用參考文獻(xiàn)[8],因此,本設(shè)計(jì)選用特姆優(yōu)醫(yī)療電動推桿U5,額定功率76.8 W,電壓12 V直流驅(qū)動,負(fù)載速度最大時(shí)推力可達(dá)1 000 N,行程選用110 mm。

2.2 驅(qū)動模塊

驅(qū)動系統(tǒng)的反應(yīng)速度可決定調(diào)平系統(tǒng)的速度。采用L298N雙H橋直流電機(jī)驅(qū)動模塊驅(qū)動4個(gè)電動推桿,1個(gè)驅(qū)動模塊可以實(shí)現(xiàn)對2個(gè)直流電動推桿的正反轉(zhuǎn)和速度控制?？刂?個(gè)推桿電路圖如圖4(a),(b)。

圖4 L298N控制推桿的電路圖

3 自動調(diào)平機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

調(diào)平機(jī)構(gòu)由SCA100T—D02傾角傳感器、單片機(jī)STM32F103、電機(jī)等部分組成。傾角傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測當(dāng)前物體的傾角,得到座位的4個(gè)維度后,將數(shù)據(jù)信息通過串口反饋給單片機(jī)STM32F103,單片機(jī)對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后控制電動機(jī),并采用中心點(diǎn)不動的調(diào)平方式,控制4個(gè)推桿上下往復(fù)運(yùn)動,使座位始終與地面保持水平,達(dá)到自動調(diào)平的效果。

3.1 傾斜角度獲取

MEMS傾角傳感器是通過加速度計(jì)實(shí)時(shí)測量出物體的加速度,已知重力加速度與加速度傳感器輸出軸的關(guān)系,經(jīng)坐標(biāo)變換,算出加速度輸出軸與重力加速度的夾角,可知物體傾斜角[9],圖5為傳感器的輸出分量和傾角關(guān)系。

圖5 加速度傳感器輸出分量與傾角關(guān)系

其中,x,y,z表示加速度傳感器敏感軸輸出方向,ρ,φ,θ分別為敏感軸輸出與重力加速度的夾角。傾角測量滿足式(6)

(6)

式中Ax,Ay,Az為傳感器三軸輸出響應(yīng),當(dāng)重力加速度gn和Ax,Ay,Az已知時(shí),便可算出傾角。

選用芬蘭VTI公司的MEMS高精度雙軸傾角傳感器SCA100T-D02,有效測量范圍±90°,XY雙軸高分辨率雙向測量[10],數(shù)字量輸出分辨率0.01°,輸出靈敏度2 V/gn,AD轉(zhuǎn)換時(shí)間150 μs,穩(wěn)定性高,噪聲低,工作溫度范圍寬(-40～+125 ℃),可抵抗超過20 000gn的機(jī)械沖擊[11,12],有利于加快自動調(diào)平的速度和穩(wěn)定性,傾角獲取電路見圖6。

圖6 傾角獲取電路

MOSI和MISO作為SCA100T數(shù)據(jù)輸入和輸出線,并由具有72 MHz CPU頻率的STM32F103ZET6單片機(jī)對實(shí)時(shí)接收到的X軸與Y軸傾角數(shù)據(jù)進(jìn)行高速處理。

3.2 調(diào)平方式及策略

調(diào)平系統(tǒng)水平調(diào)節(jié)多用三支撐、四支撐、六支撐等方式,通過對支撐結(jié)構(gòu)的調(diào)整使支撐面在外界干擾即顛簸路面、上下坡等情況保持水平狀態(tài)。三支撐調(diào)平易實(shí)現(xiàn),但抗傾覆能力較差；四支撐和六支撐雖然有較強(qiáng)的抗傾覆能力,但存在靜不定問題,易導(dǎo)致“虛腿”,靜不定次數(shù)越高,系統(tǒng)越復(fù)雜,支撐腿受力的不確定性和多解性也會導(dǎo)致調(diào)平算法復(fù)雜且難以實(shí)現(xiàn)[13～15]。本文采用四點(diǎn)式菱形支撐,即支撐點(diǎn)按菱形形狀安置,既有四點(diǎn)式的穩(wěn)定,也能承受成年人低于100 kg的重量,關(guān)鍵是可通過調(diào)平算法讓4個(gè)支撐點(diǎn)同時(shí)參與調(diào)平,避免了“假支撐”現(xiàn)象的發(fā)生。

在自動調(diào)平過程中,由于中心點(diǎn)不動調(diào)平法的四個(gè)推桿升降總和最短,即所用時(shí)間最短,因此本文采用中心點(diǎn)不動的調(diào)平策略[16,17]。確定調(diào)平策略后選擇位置式比例—積分—微分(proportional-integral-differential,PID)控制算法完成實(shí)際調(diào)平操作[18,19],即根據(jù)平臺實(shí)際傾斜情況,發(fā)送對應(yīng)的脈寬調(diào)制(pulse width modulation,PWM)波來控制電動推桿的上升、下降及移動速度等,PID算法示意圖如圖7。

圖7 PID控制系統(tǒng)原理圖

4 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

用自行設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)裝置對自動調(diào)平系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)與調(diào)試,工作流程如圖8；實(shí)際現(xiàn)場及調(diào)平裝置如圖9所示；進(jìn)行實(shí)驗(yàn)調(diào)試及調(diào)平具體數(shù)值見表2。

圖8 工作流程圖

圖9 傾斜5°，10°，20°，30 °實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場圖

表2 調(diào)平具體數(shù)值及實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場按每次增加5°傾角間隔進(jìn)行實(shí)驗(yàn),逐漸從左后方向到右前方向轉(zhuǎn)動反復(fù)進(jìn)行,且以最長伸縮桿用時(shí)作為最終調(diào)平時(shí)間,由表2中12組數(shù)據(jù)可看出:兩軸的復(fù)合角度越大,調(diào)平用時(shí)越長。

同時(shí),在調(diào)平實(shí)驗(yàn)中,對電動輪椅車整體的穩(wěn)定性性能也做了驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn),結(jié)果表明:4個(gè)推桿分別在11 cm上升范圍內(nèi),調(diào)平裝置均能通過調(diào)整支腿的長度完成0°～30°傾角間快速平穩(wěn)的調(diào)平；撤去傾斜角度,恢復(fù)平衡狀態(tài)。符合國家標(biāo)準(zhǔn)(GB/T 12996——2012)中電動輪椅車穩(wěn)定性性能要求,完全可滿足電動輪椅座位的實(shí)時(shí)自動調(diào)平工作。

5 結(jié) 論

本文是在對輪椅市場進(jìn)行調(diào)查分析的情況下,提出了一種可用于電動輪椅的機(jī)電四點(diǎn)式菱形調(diào)平系統(tǒng)的自動調(diào)平裝置,并進(jìn)行了理論推導(dǎo)和應(yīng)用實(shí)驗(yàn)裝置的實(shí)際測試,驗(yàn)證了本裝置可幫助輪椅在0°～30°的傾角之間實(shí)現(xiàn)高精度且平穩(wěn)快速的調(diào)平,且完全符合國家標(biāo)準(zhǔn)電動輪椅車穩(wěn)定性性能要求。