一种具有全方向运动功能的电动轮椅的设计

目前,电动轮椅大多采用前被动轮加后驱动轮的形式,这种类型轮椅的一个很大缺陷是回转半径太大,这对行走不便的人来说,在狭小的空间内是不可能实现的.而在现实生活中,步行能力弱的高龄者不只是需要外出,更为重要的是在室内的活动.因此开发一种既能在开阔的地方自由运行,又能适应于室内或者其它狭小空间的全方向电动轮椅将有很好的前景[1].本文从轮椅的结构、运动和控制方案出发提出了一种具有全方向运动功能的电动轮椅的设计方案.

1　轮椅的结构

这里提出的内外两用的具有全方向运动能力的电动轮椅基本结构如下:

轮椅采用六轮结构,其中电动轮椅的底部四个角上分别安装了四个被驱动轮,而底部的中心配置了具有回转轴的两个驱动轮.回转轴可以由一个电磁离合器来控制其状态,即打开或关闭.这样通过回转轴将轮椅分成了可控的两部分,这种结构为轮椅无回转半径下实现全方向运动提供可能.其结构如图1,两驱动轮分别由两直流伺服电机通过减速装置带动,全方向运动依靠两电机转速的差动来实现.

2　结构的运动学分析

如图2所示Q点是轮体中心,ωr和ωl是左右驱动轮的角速度,r是驱动轮半径,2L是两驱动轮之间的距离,θ是两驱动轮的运动方向与X轴的夹角,v是轮体中心的速度,以坐标原点为参考点,则轮体的速度v与角速度ω由下式可得

由上式可见,轮椅的转角可通过两驱动轮的转角之差求得.

3　轮椅的控制过程

3·1　直线运动过程

因为轮椅是分别由两电机独立驱动,所以当两轮的驱动装置内部参数及外界路况不等同时,即使两电机的输入一样,也不能保证两驱动轮的速度相同,特别是在低速且路况不好时.这里需引进一个补偿系统,来消除两轮的速度差.对于电机的速度控制系统,其控制原理图如图3所示.图3中,Kl和Kr为速度增益,速度调节器可采用比例积分调节器,功率放大器可采用PWM晶体管,电机系统考虑外界力矩影响[2].

3·2　轮椅的全方向运动过程及实现

3·2·1　离合器打开时的全方向运动

此种状况适应于狭小空间的运动.开始运动时通过控制器打开离合器使驱动轮与轮椅体分离,当输入手柄输入转角值时,通过一定算法分配两轮的速度使其产生差动,转动的角度值可通过伺服电机上的角度检测装置由式(3)求得,让其作为反馈量来保证驱动轮转角与输入值保持一致.当转动角度与输入值满足精度要求时,闭合离合器,此时驱动轮又与轮体保持一致.最后重新分配一个等同的新初速度轮椅切换到所述的直线运动中.此种运动的一个显著特点是轮椅运动时,人体的姿势保持不变.这将使轮椅能够保持全方向运动且回转半径很小,轮椅在小范围内的调整位置很方便.但不足的是在大空间内移动时人体与运动方向不一致,这与人的运动习惯不符.其具体的原理图如图4所示.