基于A(yíng)DAMS輪椅的動(dòng)力學(xué)仿真

第30卷第10期機械設計Vol 30 No. 102013年10月JOURNAL OF MACHINE DESIGNOct.2013基于 ADAMS輪椅的動(dòng)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(dòng)力工程學(xué)院江蘇南京21816摘要:通過(guò)給輪椅添加一阻尼器,可以達到增加上肢力量鍛煉的目的。利用Po/E軟件建立了實(shí)體模型,將數據導入到 ADAMS軟件中,并對其建立約束、定義材料屬性和接觸、添加驅動(dòng)力等完成模型的建立并進(jìn)行仿真。仿真結果分析表明,該阻尼器對使用者的上肢鍛煉具有一定效果,輪椅運行的平穩性也有所提高。關(guān)鍵詞:輪椅;阻尼器; ADAMS;虛擬仿真中圖分類(lèi)號:TH2文獻標識碼:A文章編號:1001-2354(2013)10-0029-04輪椅是輔助康復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性做出了評價(jià)。助于輪椅進(jìn)行身體鍛煉和參與社會(huì )活動(dòng)。然而目前針對輪椅研究的內容更多地強調了輪椅的智能化、自動(dòng)化水平,部分忽略了輪椅機構設計的實(shí)用性和人性化1輪椅的三維實(shí)體建模功能。例如有的患者提出:這些電動(dòng)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軟件是美國參數技術(shù)公司( Parametric Tech增加輪椅的樂(lè )趣,達到自?shī)首詷?lè )的目的。為了滿(mǎn)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,并作為當今世界機械能方面的研究達到使用者能夠借助該輪椅方便出行, CAD/CAE/CAM領(lǐng)域的新標準而得到業(yè)界的認可和并能夠輔助進(jìn)行康復鍛煉的目的,同時(shí)使患者心理上推廣。軟件包Pro/ Engineer是該系統的基本部分,其暗示自己并未完全失去運動(dòng)能力,對增加患者恢復鍛主要功能包括參數化定義、實(shí)體零件及組裝造型,三維煉的信心起到一定的促進(jìn)作用。上色實(shí)體或線(xiàn)框造型等。和利用Po/ Engineer中的“拉虛擬樣機技術(shù)又稱(chēng)機械系統動(dòng)態(tài)仿真技術(shù),是隨著(zhù)伸”、“旋轉”、“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(lái)的一項新生的工程兩個(gè)后輪、兩個(gè)前輪及兩個(gè)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(jìn)行各整個(gè)輪椅的實(shí)體模型,如圖1所示。圖2為齒輪阻尼種動(dòng)態(tài)性能分析然后改進(jìn)樣機設計方案用數字化形器的模型通過(guò)把該阻尼器裝在輪椅后輪軸上,與后輪式代替傳統的物理樣機。同傳統的設計方法相比,利用虛擬樣機技術(shù)可以大大簡(jiǎn)化機械產(chǎn)品的設計開(kāi)發(fā)過(guò)程,軸組成齒輪副,當轉動(dòng)手輪圈時(shí),通過(guò)齒輪傳動(dòng)帶動(dòng)阻在設計早期確定關(guān)鍵的設計參數更新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程、尼器的轉動(dòng)齒輪阻尼器對后輪軸會(huì )有一個(gè)作用力,從大幅度縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期;大量減少產(chǎn)品開(kāi)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)品的系統級性能獲得最優(yōu)化和創(chuàng )新的設計產(chǎn)品。虛擬樣機技術(shù)廣泛應用于動(dòng)力學(xué)系統的仿真分析,如汽車(chē)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(gè)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計的輪椅進(jìn)行仿真分析,通過(guò) 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(méi)CNMHG四4阻尼器*收稿日期:2012-07-20;修訂日期:2013-04-14作者簡(jiǎn)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入 ADAMS后需要給所有零件定義材料屬性,系統會(huì )根據所選擇的材料自動(dòng)計算部件的質(zhì)量2.1虛擬樣機模型和轉動(dòng)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用程序的真模擬現實(shí)環(huán)境的必要條件,故將75kg的質(zhì)量簡(jiǎn)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置,ADAMS/ Exchange模塊支持IGES,TEP,DXF/DWG和在全局坐標系中設定重力加速度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軸負向虛擬樣機模型如圖3所示,當車(chē)輪與通過(guò) Parasolid的數據格式將Po/E建好的輪椅三維實(shí)地面接觸時(shí),這兩個(gè)部件在接觸位置產(chǎn)生接觸力,體模型及裝配體導人到 Adams/view環(huán)境下,分別編 ADAMS中的接觸力( Contact force)可用來(lái)描述運動(dòng)輯各組件的屬性和構成組建元素的屬性包括名稱(chēng)、顏物體接觸時(shí)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(gè)部分組成:車(chē)身、兩個(gè)后輪兩個(gè)前輪及兩個(gè)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(guò)懲罰參數與(1)定義約束和驅動(dòng)?；貧w系數計算接觸力。懲罰參數施加了單面約束,回歸個(gè)系統通常由多個(gè)構件組成,各個(gè)構件之間通系數決定了接觸時(shí)的能量損失常又存在一定的約束關(guān)系,通常稱(chēng)為運動(dòng)副或者鉸鏈。②基于碰撞函數的接觸算法( IMPACT-Function要模擬機械系統的真實(shí)運行狀況,就需要根據實(shí)際情 based contact) ADAMS/ Solver運用 ADAMS函數庫中況抽象出相應的運動(dòng)副,并在構件間定義運動(dòng)副。1mpac函數來(lái)計算接觸力。ADAMS/view提供了12種常用的運動(dòng)副工具。通過(guò)文中采用沖擊函數法( Impact)來(lái)計算兩個(gè)構件這些運動(dòng)副使模型中各個(gè)獨立的部件聯(lián)系起來(lái)形成間的接觸力。點(diǎn)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(dòng)副Contact對話(huà)框,如圖4所示。Normal Force是旋轉副、固定副。將路面與大地之間定義為固定副(一個(gè)固定副可以從模型中去除6個(gè)自由度)。將車(chē)22架后軸與兩個(gè)后輪之間定義為旋轉副(一個(gè)旋轉副可以從模型中去除3個(gè)移動(dòng)自由度和2個(gè)轉動(dòng)自由度),將前叉與前輪之間定義為旋轉副,最后在后輪軸與后Coulomb Friction輪的旋轉副上添加旋轉力矩5。(2)自由度的計算。Friction Transtion Vel 10000機械系統的自由度表示系統中各構件相對于地面圖3虛擬樣機模型圖4定義接觸機架所具有的獨立運動(dòng)數量6。自由度與系統的構件其中 Stiffiness指材料的剛度,其值越大模型越硬;數量、運動(dòng)副的類(lèi)型和數量原動(dòng)機的類(lèi)型和數量、其 Force Exponent是力變形特性指數,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(shí)的穿透值,取值范圍≥0; Static Coefficient是靜摩式中:n—系統的總活動(dòng)構件數;擦因數,取值范圍≥0; Dynamic Coefficient是動(dòng)摩第i個(gè)運動(dòng)副的約束條件數,運動(dòng)副總數;擦因數,取值范圍0≤≤A; Stiction Transition Vel9,x—一第j個(gè)原動(dòng)機的驅動(dòng)約束條件數原動(dòng)機總數;指靜摩擦滑移油仙占遇動(dòng)油中國煤逐漸減小時(shí),摩擦R4—其他約束條件數。因數從AdCNMH于,時(shí),摩擦因本例中共有5個(gè)活動(dòng)構件和4個(gè)轉動(dòng)副。故自數為μ,, EIurrncuum ilansluun Vel是動(dòng)摩擦滑由度:動(dòng)系數,接觸點(diǎn)滑動(dòng)系數逐漸增大時(shí),摩擦因數從μDOF=5×6-5×4=10到μ4逐漸變化,滑動(dòng)速度等于t4時(shí),摩擦因數為p,2013年10月戴加全,等:基于 ADAMS輪椅的動(dòng)力學(xué)仿真v4≥5·Eror,Eror為積分誤差默認值為10-3,取值3.2仿真結果分析范圍v4≥v,>0。分析圖5~圖8可以得出以下結論(1)由于靜摩擦力的存在,在沒(méi)有阻尼器作用下3仿真運行與分析前1.5s時(shí)間內,對輪椅的驅動(dòng)力矩最大,之后會(huì )有漸漸減小的趨勢;在有阻尼器的作用下,前4s時(shí)間內,對3.1仿真運行輪椅的驅動(dòng)力矩最大,之后會(huì )有減小的趨勢。完成樣機建模和輸出設置,在即將開(kāi)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(jìn)行最后的驗證,排除建模過(guò)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(jìn)行。利用模型自檢工具,有所增加。檢查不恰當的連接和約束沒(méi)有約束的構建、無(wú)質(zhì)量構(3)當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(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析之前,先小,行駛的速度也相應地減小,這與實(shí)際情況相吻合。進(jìn)行靜態(tài)分析,以排除系統在啟動(dòng)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8相對于原先的有所降低,這對于提高輪椅行駛的平穩在主工具箱選擇仿真工具圖標,在參數設置區設性具有一定作用。置仿真參數,設置仿真時(shí)間( End Time)為5s,仿真步數(Seps)為50,開(kāi)始仿真。仿真結束后,通過(guò)4結論ADAMS/ Postprocessor模塊輸出分析結果曲線(xiàn),如圖5~圖8所示。首先對輪椅及阻尼器建立Po/E模型,然后將模型導人到 ADAMS中,對輪椅進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真。仿真未加阻結果表明,在給輪椅施加阻尼器后,輪椅使用者推動(dòng)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輪椅后輪輸出轉矩曲線(xiàn)參考文獻未加阻--加了阻尼[1]任怡.智能輪椅的結構設計與研究[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(shí)踐[M].西時(shí)間/s安:西北工業(yè)大學(xué)出版社,2002.圖6輪椅位移曲線(xiàn)[3]李增剛. 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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(jiǎn)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、數控技術(shù)方面的研究,發(fā)表論文10余篇發(fā)明專(zhuān)利7