第30卷第10期機械設(shè)計Vol 30 No. 102013年10月JOURNAL OF MACHINE DESIGNOct.2013基于 ADAMS輪椅的動力學(xué)仿真戴加全,袁祖強,劉永青(南京工業(yè)大學(xué)機械與動力工程學(xué)院江蘇南京21816摘要:通過給輪椅添加一阻尼器,可以達(dá)到增加上肢力量鍛煉的目的。利用Po/E軟件建立了實體模型,將數(shù)據(jù)導(dǎo)入到 ADAMS軟件中,并對其建立約束、定義材料屬性和接觸、添加驅(qū)動力等完成模型的建立并進行仿真。仿真結(jié)果分析表明,該阻尼器對使用者的上肢鍛煉具有一定效果,輪椅運行的平穩(wěn)性也有所提高。關(guān)鍵詞:輪椅;阻尼器; ADAMS;虛擬仿真中圖分類號:TH2文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A文章編號:1001-2354(2013)10-0029-04輪椅是輔助康復(fù)和行走不便人群的重要工具,它有阻尼齒輪和有阻尼齒輪作用下,得出不同的力矩輸不僅是肢體傷殘者的代步工具,更重要的是使他們借出值,并對輪椅的行駛平穩(wěn)性做出了評價。助于輪椅進行身體鍛煉和參與社會活動。然而目前針對輪椅研究的內(nèi)容更多地強調(diào)了輪椅的智能化、自動化水平,部分忽略了輪椅機構(gòu)設(shè)計的實用性和人性化1輪椅的三維實體建模功能。例如有的患者提出:這些電動輪椅除了作為代步工具外,最好增加一些功能,如輔助身體健康鍛煉,Po/E軟件是美國參數(shù)技術(shù)公司( Parametric Tech增加輪椅的樂趣,達(dá)到自娛自樂的目的。為了滿足 nology Corporation,PC)的重要產(chǎn)品。在目前的三維使用者的愿望需求,文中增加輪椅對上肢輔助鍛煉功造型軟件領(lǐng)域中占有重要地位,并作為當(dāng)今世界機械能方面的研究達(dá)到使用者能夠借助該輪椅方便出行, CAD/CAE/CAM領(lǐng)域的新標(biāo)準(zhǔn)而得到業(yè)界的認(rèn)可和并能夠輔助進行康復(fù)鍛煉的目的,同時使患者心理上推廣。軟件包Pro/ Engineer是該系統(tǒng)的基本部分,其暗示自己并未完全失去運動能力,對增加患者恢復(fù)鍛主要功能包括參數(shù)化定義、實體零件及組裝造型,三維煉的信心起到一定的促進作用。上色實體或線框造型等。和利用Po/ Engineer中的“拉虛擬樣機技術(shù)又稱機械系統(tǒng)動態(tài)仿真技術(shù),是隨著伸”、“旋轉(zhuǎn)”、“掃描”、“鏡像”等操作,完成輪椅支架計算機技術(shù)的發(fā)展而迅速發(fā)展起來的一項新生的工程兩個后輪、兩個前輪及兩個前叉的建模,經(jīng)裝配后得到技術(shù)。工程師在計算機上建立樣機模型對模型進行各整個輪椅的實體模型,如圖1所示。圖2為齒輪阻尼種動態(tài)性能分析然后改進樣機設(shè)計方案用數(shù)字化形器的模型通過把該阻尼器裝在輪椅后輪軸上,與后輪式代替?zhèn)鹘y(tǒng)的物理樣機。同傳統(tǒng)的設(shè)計方法相比,利用虛擬樣機技術(shù)可以大大簡化機械產(chǎn)品的設(shè)計開發(fā)過程,軸組成齒輪副,當(dāng)轉(zhuǎn)動手輪圈時,通過齒輪傳動帶動阻在設(shè)計早期確定關(guān)鍵的設(shè)計參數(shù)更新產(chǎn)品開發(fā)過程、尼器的轉(zhuǎn)動齒輪阻尼器對后輪軸會有一個作用力,從大幅度縮短產(chǎn)品開發(fā)周期;大量減少產(chǎn)品開發(fā)費用和成而增加手臂對手輪圈的作用力。本;明顯提高產(chǎn)品質(zhì)量提高產(chǎn)品的系統(tǒng)級性能獲得最優(yōu)化和創(chuàng)新的設(shè)計產(chǎn)品。虛擬樣機技術(shù)廣泛應(yīng)用于動力學(xué)系統(tǒng)的仿真分析,如汽車制造業(yè)、工程機械、造船業(yè)、航空航天業(yè)、國防工業(yè)和通用機械制造業(yè)等各個領(lǐng)域,但是對于輪椅的研究資料還非常少(2。文中綜合利用Pro/E軟件和 ADAMS虛擬樣機軟件對所設(shè)計的輪椅進行仿真分析,通過 Postprocesser中國煤化工模塊測量出作用在輪子上的力矩,分別分析比較在沒CNMHG四4阻尼器*收稿日期:2012-07-20;修訂日期:2013-04-14作者簡介:戴加全(1987—),男,江蘇儀征人,碩士研究生,主要研究方向:助老助殘機器人的研究機械設(shè)計第30卷第10期(3)施加配重和定義接觸。2輪椅仿真模型的建立將模型導(dǎo)入 ADAMS后需要給所有零件定義材料屬性,系統(tǒng)會根據(jù)所選擇的材料自動計算部件的質(zhì)量2.1虛擬樣機模型和轉(zhuǎn)動慣量。另外,輪椅使用者自身質(zhì)量的施加也是仿在 ADAMS/View中輸入和輸出其他應(yīng)用程序的真模擬現(xiàn)實環(huán)境的必要條件,故將75kg的質(zhì)量簡化為CAD文件圖形需要 ADAMS// Exchange模塊的支持。一球施加在座椅上。部件的重力在建模初始完成設(shè)置,ADAMS/ Exchange模塊支持IGES,TEP,DXF/DWG和在全局坐標(biāo)系中設(shè)定重力加速度g=98065m/s,Parasolid等幾種格式圖形文件的輸入和輸出3)。文中方向沿Y軸負(fù)向虛擬樣機模型如圖3所示,當(dāng)車輪與通過 Parasolid的數(shù)據(jù)格式將Po/E建好的輪椅三維實地面接觸時,這兩個部件在接觸位置產(chǎn)生接觸力,體模型及裝配體導(dǎo)人到 Adams/view環(huán)境下,分別編 ADAMS中的接觸力( Contact force)可用來描述運動輯各組件的屬性和構(gòu)成組建元素的屬性包括名稱、顏物體接觸時的相互作用力 Contact force 3運用兩種不同色、材料屬性等信息。輪椅虛擬樣機主要由以下幾的方法計算法向力:個部分組成:車身、兩個后輪兩個前輪及兩個前叉。①基于回歸的接觸算法( Restitution-base2.2輪椅仿真計算工況的確定contact)。 ADAMS/ Solver用這種算法通過懲罰參數(shù)與(1)定義約束和驅(qū)動?；貧w系數(shù)計算接觸力。懲罰參數(shù)施加了單面約束,回歸個系統(tǒng)通常由多個構(gòu)件組成,各個構(gòu)件之間通系數(shù)決定了接觸時的能量損失常又存在一定的約束關(guān)系,通常稱為運動副或者鉸鏈。②基于碰撞函數(shù)的接觸算法( IMPACT-Function要模擬機械系統(tǒng)的真實運行狀況,就需要根據(jù)實際情 based contact) ADAMS/ Solver運用 ADAMS函數(shù)庫中況抽象出相應(yīng)的運動副,并在構(gòu)件間定義運動副。1mpac函數(shù)來計算接觸力。ADAMS/view提供了12種常用的運動副工具。通過文中采用沖擊函數(shù)法( Impact)來計算兩個構(gòu)件這些運動副使模型中各個獨立的部件聯(lián)系起來形成間的接觸力。點擊力庫的按鈕 Contact,彈出 Create有機的整體。文中輪椅的仿真模型主要用到的運動副Contact對話框,如圖4所示。Normal Force是旋轉(zhuǎn)副、固定副。將路面與大地之間定義為固定副(一個固定副可以從模型中去除6個自由度)。將車22架后軸與兩個后輪之間定義為旋轉(zhuǎn)副(一個旋轉(zhuǎn)副可以從模型中去除3個移動自由度和2個轉(zhuǎn)動自由度),將前叉與前輪之間定義為旋轉(zhuǎn)副,最后在后輪軸與后Coulomb Friction輪的旋轉(zhuǎn)副上添加旋轉(zhuǎn)力矩5。(2)自由度的計算。Friction Transtion Vel 10000機械系統(tǒng)的自由度表示系統(tǒng)中各構(gòu)件相對于地面圖3虛擬樣機模型圖4定義接觸機架所具有的獨立運動數(shù)量6。自由度與系統(tǒng)的構(gòu)件其中 Stiffiness指材料的剛度,其值越大模型越硬;數(shù)量、運動副的類型和數(shù)量原動機的類型和數(shù)量、其 Force Exponent是力變形特性指數(shù),取值范圍≥0;他約束條件有關(guān)。 ADAMS中自由度(DOF)的計算公 Damping指最大粘滯阻尼系數(shù)通常 Damping≥0,式為:般取剛度值的0.1%-1%; Penetration Depth指全阻DOF 6n-∑9-∑R尼時的穿透值,取值范圍≥0; Static Coefficient是靜摩式中:n—系統(tǒng)的總活動構(gòu)件數(shù);擦因數(shù),取值范圍≥0; Dynamic Coefficient是動摩第i個運動副的約束條件數(shù),運動副總數(shù);擦因數(shù),取值范圍0≤≤A; Stiction Transition Vel9,x—一第j個原動機的驅(qū)動約束條件數(shù)原動機總數(shù);指靜摩擦滑移油仙占遇動油中國煤逐漸減小時,摩擦R4—其他約束條件數(shù)。因數(shù)從AdCNMH于,時,摩擦因本例中共有5個活動構(gòu)件和4個轉(zhuǎn)動副。故自數(shù)為μ,, EIurrncuum ilansluun Vel是動摩擦滑由度:動系數(shù),接觸點滑動系數(shù)逐漸增大時,摩擦因數(shù)從μDOF=5×6-5×4=10到μ4逐漸變化,滑動速度等于t4時,摩擦因數(shù)為p,2013年10月戴加全,等:基于 ADAMS輪椅的動力學(xué)仿真v4≥5·Eror,Eror為積分誤差默認(rèn)值為10-3,取值3.2仿真結(jié)果分析范圍v4≥v,>0。分析圖5~圖8可以得出以下結(jié)論(1)由于靜摩擦力的存在,在沒有阻尼器作用下3仿真運行與分析前1.5s時間內(nèi),對輪椅的驅(qū)動力矩最大,之后會有漸漸減小的趨勢;在有阻尼器的作用下,前4s時間內(nèi),對3.1仿真運行輪椅的驅(qū)動力矩最大,之后會有減小的趨勢。完成樣機建模和輸出設(shè)置,在即將開始仿真之前,(2)有阻尼器作用于輪椅后,在同樣的情況下,輪需要對模型進行最后的驗證,排除建模過程中隱含的椅使用者對輪椅施加的力矩有所增加,即手臂的力量錯誤,以保證仿真分析順利進行。利用模型自檢工具,有所增加。檢查不恰當(dāng)?shù)倪B接和約束沒有約束的構(gòu)建、無質(zhì)量構(gòu)(3)當(dāng)阻尼器作用于輪椅后,輪椅的行駛位移減建、樣機的自由度等。另外在進行動力學(xué)分析之前,先小,行駛的速度也相應(yīng)地減小,這與實際情況相吻合。進行靜態(tài)分析,以排除系統(tǒng)在啟動狀態(tài)下的一些瞬態(tài)(4)有阻尼器作用于輪椅后,輪椅質(zhì)心的加速度響應(yīng)8相對于原先的有所降低,這對于提高輪椅行駛的平穩(wěn)在主工具箱選擇仿真工具圖標(biāo),在參數(shù)設(shè)置區(qū)設(shè)性具有一定作用。置仿真參數(shù),設(shè)置仿真時間( End Time)為5s,仿真步數(shù)(Seps)為50,開始仿真。仿真結(jié)束后,通過4結(jié)論ADAMS/ Postprocessor模塊輸出分析結(jié)果曲線,如圖5~圖8所示。首先對輪椅及阻尼器建立Po/E模型,然后將模型導(dǎo)人到 ADAMS中,對輪椅進行動力學(xué)仿真。仿真未加阻結(jié)果表明,在給輪椅施加阻尼器后,輪椅使用者推動輪加了阻椅的上肢力量明顯提高,這對使用者的上肢輔助鍛煉具有很好的作用。另外,對輪椅行駛平穩(wěn)性的提高也1.02.03.04.0起到較好的效果。圖5輪椅后輪輸出轉(zhuǎn)矩曲線參考文獻(xiàn)未加阻--加了阻尼[1]任怡.智能輪椅的結(jié)構(gòu)設(shè)計與研究[D].天津:天津科技大學(xué),20092.04.0[2]王國強虛擬樣機技術(shù)及其在 ADAMS上的實踐[M].西時間/s安:西北工業(yè)大學(xué)出版社,2002.圖6輪椅位移曲線[3]李增剛. ADAMS人門詳解與實例[M].北京:國防工業(yè)未加阻尼出版社,2007E趙加了阻尼[4] Lin T Y. Research and development of an auxiliary drivingunit with retract mechanism for wheelchairs[D].TainanSouthern Taiwan University, 2006: 61-621.03.0時間s[5]劉軍競速輪椅的結(jié)構(gòu)設(shè)計及虛擬仿真[J].蘭州交通大圖7輪椅速度曲線學(xué)學(xué)報,2011(3):56-57[6]邵堃,張祥,冷雷波車載式輪椅自動升降機的研制[J]200.0150.0機械設(shè)計,2007,24(8):63-65未加阻尼50.0了阻尼[7]鄭凱,中國煤化工機械設(shè)計高級應(yīng)用實例CNMHGO6: 98-99[8]郭衛(wèi)東.虛擬樣機技術(shù)與 ADAMS應(yīng)用實例教程[M]105.0時間/s北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2008:85圖8輪椅加速度曲線第30卷第10期機械設(shè)計Vol 30 No. 102013年10月JOURNAL OF MACHINE DESIGN0ct.2013旋轉(zhuǎn)編碼器自動找零安裝裝置設(shè)計丁仕燕12(1.江蘇省數(shù)字化電化學(xué)加工重點建設(shè)實驗室,江蘇常州213002;2.常州工學(xué)院機電工程學(xué)院江蘇常州213002)摘要:為了把旋轉(zhuǎn)編碼器安裝在零位,設(shè)計了找零位裝置,裝置包括:磁力表座組件、蝸桿、軸套、斜齒輪和步進電機。磁力表座組件依靠磁鐵吸力固定在自動化裝置上,磁力表座組件的彈性孔夾頭夾住軸套,蝸桿安裝在軸套中,旋轉(zhuǎn)編碼器的空心轉(zhuǎn)軸上安蓑一斜齒輪。計算機輸岀的脈沖信號接λ步進電機驅(qū)動器,步進電機驅(qū)動蝸桿轉(zhuǎn)動,蝸杄驅(qū)動斜齒輪,斜齒輪驅(qū)動旋轉(zhuǎn)編碼器空心轉(zhuǎn)柚。同時計算機讀取旋轉(zhuǎn)編碼器的零位信號以判斷其是否在零位,如在零位,計算杋則立刻停止輸出脈沖。實驗結(jié)果表明:利用該裝置可方便、快捷地使旋轉(zhuǎn)編碼器尋找并固定在零位。關(guān)鍵詞:旋轉(zhuǎn)編碼器;零位;安裝裝置;步進電機中圖分類號:TH2文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A文章編號:1001-2354(2013)10-0032-04有些自動化裝置在使用過程中需利用旋轉(zhuǎn)編碼器裝置相關(guān)報道2,為解決該問題設(shè)計并制造了一種旋檢測轉(zhuǎn)軸的角度,當(dāng)轉(zhuǎn)軸角度為特殊值時(通常為零轉(zhuǎn)編碼器自動找零安裝裝置。蝸桿斜齒輪傳動副已在位置)自動化裝置某一零件運動到某一特殊位置,即機械傳動中得到廣泛應(yīng)用3,旋轉(zhuǎn)編碼器找零安裝機構(gòu)運動到該位置時,與轉(zhuǎn)軸同軸旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)編碼器裝置亦采用蝸桿斜齒輪傳動副。該裝置已申請發(fā)明專正好輸出零位信號。因此,旋轉(zhuǎn)編碼器在安裝前應(yīng)當(dāng)利(申請?zhí)?201103301.5,文中介紹該裝置結(jié)構(gòu)及把自動化裝置的轉(zhuǎn)軸停在上述特殊位置,且編碼器與其使用方法。自動化裝置的轉(zhuǎn)軸連接時正好在零位,并以此作為自動化裝置的工作起點。文獻(xiàn)[1]通過與旋轉(zhuǎn)編碼器軸連接一個檢測凸輪,并檢測到凸輪極徑最大點作為機1旋轉(zhuǎn)編碼器找零安裝裝置機械結(jié)構(gòu)械工作需要的零點位置。因此,文獻(xiàn)[1]中零點位置并不是旋轉(zhuǎn)編碼器零位,而是增量編碼器脈沖計數(shù)開1.1旋轉(zhuǎn)編碼器找零安裝裝置總體結(jié)構(gòu)始位置。旋轉(zhuǎn)編碼器找零安裝裝置總體結(jié)構(gòu)如圖1所示,旋轉(zhuǎn)編碼器的轉(zhuǎn)軸在安裝過程中可能停在圓周方總體結(jié)構(gòu)包括:步進電機、旋轉(zhuǎn)編碼器4、斜齒輪5、蝸向任意位置,且零位在一個精密點而擰緊緊定螺釘過桿6和磁力表座組件11;旋轉(zhuǎn)編碼器4的空心轉(zhuǎn)軸與程中該轉(zhuǎn)軸往往會產(chǎn)生微小轉(zhuǎn)動而離開零位,因此僅自動化裝置上某轉(zhuǎn)軸相連,斜齒輪5安裝在旋轉(zhuǎn)編碼僅憑空手很難把旋轉(zhuǎn)編碼器的轉(zhuǎn)軸快速準(zhǔn)確地找到器4的空心轉(zhuǎn)軸上。零位并固定在零位。至今未發(fā)現(xiàn)介紹編碼器找零安裝““+“+m“““+““+“+“+“+“+“+““-+Dynamic simulation of wheelchair based on ADAMStechnology. The completed model was created and simulated by es-DAI Jia-quan, YUAN Zu-qiang, LIU Yong-qingtablishing the constraints on the wheelchair, defining the contactSchool of Mechanical and Power Engineering, Nanjing Uni- and the material properties and adding driving force etcsimu-versity of Technology, Nanjing 211816, China)lation result indicates that the damper has obvious effect on usersAbstract a damper was added to the wheelchair and it can arm and the stability is also improvedimprove the users arm strength. The solid model was establishedKey words: wheelchair; damper; ADAMS; virtual simulationby Pro/E, then imported into ADAMS through the data interfaceFig 8 Tab0 Ref 8Jixie Sheji”2461中國煤化工CNMHG*收稿日期:2012-07-30;修訂日期:2013基金項目:江蘇省高校自然科學(xué)基金資助項目(07KJD0008);常州工學(xué)院自然科學(xué)研究基金資助項目(YNo02)作者簡介:丁仕燕(1975—),男,安徽滁州人副教授,工學(xué)博士,主要從事陶瓷超聲磨削、數(shù)控技術(shù)方面的研究,發(fā)表論文10余篇發(fā)明專利7