电动轮椅
电动轮椅 篇1
随着国民生活水平的提高, 老年人的健康机械逐步由简易初级向人性化, 机电一体化方向发展。电动轮椅就是这样一个产物。它在传统手动轮椅的基础上, 增加动力驱动装置、操控装置、电池等部件组成。电动轮椅非常适合行动不便的老年人和残疾人, 电动轮椅因其操作简单方便正在逐步被广泛使用。
由于操控杆式控制方法非常符合使用者的主观感觉, 大部分电动轮椅采用操控杆进行控制[1,2]。然而, 作为一个利用手臂进行操控的控制方式, 对于手臂不够灵活的使用者, 或者利用手臂实现其他操作的场合, 操控杆就显得并不实用。这就需要其他方式来代替操控杆, 实现电动轮椅的控制。目前较为常见的方式有声控、面部方向识别、脑电波以及身体动作方式[3]。声控方式[4,5,6]需要用语言来控制设备, 对发音的精准度有很高要求, 操控系统需要熟悉使用者的发音习惯, 对语言的精确识别和及时控制目前还有一定的困难。面部识别方式[7,8]是以面部的方位进行识别, 为配合传感器, 使用者需要保持某种面部方向, 对使用者形成心理负担。脑电波方式[9,10]是未来控制领域的先进发展方向。但是, 由于技术尚处于起步阶段, 很多内在规律的研究尚不完善, 达到常规应用还需要较长的时间。
身体动作进行控制的方式[11,12,13]是, 利用使用者身体的某种动作, 针对轮椅进行移动方向和速度的控制。该方式针对行动不便, 手臂的控制能力不足, 身体的整体尚可以进行重心移动的患者, 或者身体健康, 但是不方便使用手臂的用户实现短距离移动。
1 实验验证
身体动作方式具有类似于操控杆操作的直观感, 比较容易实现对轮椅的速度和方向的控制。在本研究中, 将身体动作实现电动轮椅的控制与传统的操控杆方式控制进行比较, 证实本操控方式的有效性。
1.1 实验条件
本实验在室内5 m×5 m的环境中进行测试。实验区域和L型空间如图1所示。参与者年龄在20至30岁之间, 人数为20人。身体动作操控方式实验时假想手臂不方便的情况, 将手臂放置于身前的姿势, 以身体的倾斜来控制轮椅, 完成实验。实验中采用“高速”, “低速”两种速度模式。
1.2 实验内容
参与者使用身体动作方式以低速模式在试验区域进行自主自由行走, 无速度, 方向限制, 时间为2分钟;以低速模式, 在指定的L型空间完成折返操作;以高速模式在试验区域进行自主自由行走, 无速度, 方向限制, 时间为2分钟;以高速模式, 在指定的L型空间完成折返操作。
参与者使用操控杆按照相同步骤完成操控杆控制方式实验。
1.3 问卷调查
选择了11对感性评价词汇, 用7段法进行了分析。由于关注对象是操控性能和乘坐性能, 将其作为分析项。操控性能中增加了直行性能、转弯性能、敏感度、疲劳感。乘坐性能中增加了速度、安全感、平稳度、舒适度以及和谐度。7段法评价, 最优评价时为7, 最差评价时为1。
2 实验结果与讨论
2.1 问卷调查结果及讨论
图2所示为低速情况下, 使用本系统的身体动作控制方式原设备中使用操控杆的方式所获得的平均评价值。黑色区间为标准偏差。
在低速的情况下, 身体动作控制方式与操控杆控制方式相比, 操控杆的方式略好于身体动作方式。“直行性能”, “敏感度”, “速度”三项出现了5%的有意差。
这表明, 低速时在“直行性能”上, 操控杆方式优于身体动作方式。同时, 操控杆方式由于更容易控制速度的增减, 所以对“敏感度”, “速度”的评价值也高于身体动作方式。当然, 由于问卷调查的设置中, 将“速度”一项中评价为7分的选项设置为“非常快”, 1为“非常慢”, 而“敏感度”一项中评价为7分的选项设置为“非常敏感感”, 1为“非常迟钝”, 所以严格意义来讲, 并不能认为“敏感度”, “速度”评价值高的操作方法就是评价高的一方。而其它选项的评价均为相同等级的评价。
图3所示为高速情况下, 使用本系统的身体动作控制方式原设备中使用操控杆的方式所获得的平均评价值。
在高速状态下, 身体动作操控方式与操控杆方式没有明显区别, 各个评价值之间均未出现5%的有意差。这一结果表明, 在高速状态下, 两种操控方式在操控感和乘坐舒适度方面没有明显差别。
综上所述, 本操控方法在诸多与操控感和乘坐舒适度方面与操控杆方式没有差别, 从而证明本操作方法具有实际应用价值。
2.2 L形空间行走比较试验结果及讨论
L型空间的折返实验
身体动作方式与操控杆方式的低速和高速完成折返实验数据如表1所示。折返实验结果表明, 实验参与者在很短的时间内, 基本掌握了操作方法, 在合理的时间内完成了要求的操作。
L形空间的行走时间如表2所示。
单位 (s)
L形空间的行走结果表明, 无论是低速还是高速, 身体动作控制的操控方式均慢于操控杆的方式。这表明, 由于实验体验者对操控杆的方式更为熟悉, 从而能够更加从容地对设备进行速度与方向的控制。而身体动作的方式, 由于需要全身的倾斜来完成, 相对于操控杆的方式, 其操作难度必然要高一些。同时也必须考虑, 操控杆方式十分普遍, 大部分体验者之前就已经比较熟悉此类方式。而身体动作控制的方式仅仅经过几分钟的练习, 就能够比较熟练地控制设备, 完成行走的时间不到操控杆形式的2倍。可以预见, 如果进行进一步的练习, 提高熟练程度, 其操控性能的评价将进一步提高。
单位 (s)
3 总结
(1) 通过身体动作操控电动轮椅技术的实验研究, 证实了利用倾斜传感器操控电动轮椅的可行性, 该操控系统非常符合使用者对电动轮椅移动需求的直观感受, 并且在很短的时间内能够较熟练地掌握其操作要领。
(2) 实验结果表明, 虽然身体动作操控的方式相对于操控杆方式用时较多, 但是操控感及乘坐性能没有明显差距。
一种电动轮椅运动学建模分析 篇2
关键词：电动轮椅,运动学分析,建模
0 引言
轮椅是老年人或肢体伤残者不可缺少的康复和代步工具, 借助轮椅老年人和肢体伤残者可以进行身体锻炼和参与社会活动。电动轮椅的控制灵活性以及转弯侵占半径是影响电动轮椅的主要因素, 为解决以上问题需要建立和研究其运动学模型。
1 轮椅模型简化
电动轮椅运动轨迹从宏观上看是曲线运动, 但是从微观上它可以看成是由很多直线与圆弧、不同方向的直线、不同方向圆弧之间的拟合[1]。所以轨迹控制的关键在于任意方向的直线运动以及任意方向圆的运动控制。在建模过程中为了便于分析, 对一些情况做出了如下假设为:轮椅, 车轮与地面均为刚体;车轮的厚度忽略不计;车体长度L为两个轮轴之间的距离;每个轮子只发生纯滚动, 即轮子与地面接触点的相对速度等于零。分析爬楼梯电动轮椅的特性可知:轮椅两后轮为驱动轮且不可变向转弯, 两前轮为万向轮可以转弯但没有动力。综合分析得出整个小车的运动速度瞬心应该在两后轮轴线上。选择固定在车体中心的坐标系XOY, 如图1所示。
2 轮椅运动学分析
电动轮椅采用轮毂电机驱动方式, 左右两轮毂电机运动速度一致时, 电动轮椅做直线运动, 当左右两轮毂电机运动速度不一致时, 电动轮椅可实现转弯。所以, 电动轮椅位姿描述可定义为载体后轮轴线中心o点的位姿描述, 即基于载体载体后轮轴线中心o点进行运动学建模。假定轮毂电机相对于地面不发生摩擦滑动, 即轮毂电机上与地面接触部分的瞬时速度为零, 则爬楼梯电动轮椅轮轴中心o相对于地面的速度就等于驱动轮边缘的线速度。因此有如下行驶及转弯公式成立。左右轮毂电机的线速度为:
由之前条件可知车体的直行速度与转弯角速度由左右两轮毂电机速度合成, 其关系式为:
式中r为轮毂电机外圆半径;vl和vr为爬楼梯电动轮椅左侧和右侧轮毂电机的线速度;ωl和ωr为爬楼梯电动轮椅左侧和右侧轮毂电机的角速度;d为左右轮毂电机中心线之间的距离;v和ω分别为爬楼梯电动轮椅轮轴中心o线速度、角速度。将关系式 (1) 代入关系式 (2) 中得:
在平地行驶时, 转弯半径是其中一个重要参数。该参数对于做电动轮椅控制系统有至关重要的作用, 所以建立出转弯半径的数学模型是一项重要的工作。在计算最小转弯半径的过程中, 假设最小转弯半径为R、车体宽为d、车长为l, 其中以向左转弯为例进行计算。向右转弯的形式与向左计算方法相同。由以上分析可知, 只有当vl≠vr时轮椅发生转弯。如图2所示, 当vl和vr均为正或负时, 根据速度三角形原理有公式:
将关系式 (1) 代入关系式 (4) 中得
如图2所示, 当vl为负vr为正时。在的情况下速度三角形如图2 (b) 所示, 可以得出:
经分析可得出
将关系式 (1) 、 (6) 代入关系式 (7) 中并整理可以得出:
在的情况下速度三角形如图2 (c) 所示, 可以得出:
经分析可得出
将关系式 (1) 、 (9) 代入关系式 (10) 中并整理可以得出:
在的情况下爬楼梯电动轮椅为原地转弯模式其转弯半径R=l。
3 结论
对电动轮椅运动学分析可以得出:在轮椅尺寸参数确定的前提下, 其行驶路径和左右两轮毂电机的角速度直接相关。当两轮毂电机角速度相同时, 轮椅就会直线行驶, 且行驶速度和角速度是一固定比例关系。当两轮毂电机角速度不相同时轮椅就会发生转弯行驶, 其转弯半径与两轮毂电机角速度承如上函数关系。这样, 通过控制两轮毂电机的角速度变化就可以精确控制轮椅的运动轨迹。因此, 精确匹配电动轮椅两轮毂电机的角速度至关重要。
参考文献
[1]范明聪, 吴月华, 杨杰.高机动性越障机器人运动学分析与轨迹控制研究[J].光学精密工程, 2004, 12: (3) :194-197.