基于ADAMS轮椅的动力学仿真

第30卷第10期机械设计Vol 30 No. 102013年10月JOURNAL OF MACHINE DESIGNOct.2013基于 ADAMS轮椅的动力学仿真戴加全,袁祖强,刘永青(南京工业大学机械与动力工程学院江苏南京21816摘要:通过给轮椅添加一阻尼器,可以达到增加上肢力量锻炼的目的。利用Po/E软件建立了实体模型,将数据导入到 ADAMS软件中,并对其建立约束、定义材料属性和接触、添加驱动力等完成模型的建立并进行仿真。仿真结果分析表明,该阻尼器对使用者的上肢锻炼具有一定效果,轮椅运行的平稳性也有所提高。关键词:轮椅;阻尼器; ADAMS;虚拟仿真中图分类号:TH2文献标识码:A文章编号:1001-2354(2013)10-0029-04轮椅是辅助康复和行走不便人群的重要工具,它有阻尼齿轮和有阻尼齿轮作用下,得出不同的力矩输不仅是肢体伤残者的代步工具,更重要的是使他们借出值,并对轮椅的行驶平稳性做出了评价。助于轮椅进行身体锻炼和参与社会活动。然而目前针对轮椅研究的内容更多地强调了轮椅的智能化、自动化水平,部分忽略了轮椅机构设计的实用性和人性化1轮椅的三维实体建模功能。例如有的患者提出:这些电动轮椅除了作为代步工具外,最好增加一些功能,如辅助身体健康锻炼,Po/E软件是美国参数技术公司( Parametric Tech增加轮椅的乐趣,达到自娱自乐的目的。为了满足 nology Corporation,PC)的重要产品。在目前的三维使用者的愿望需求,文中增加轮椅对上肢辅助锻炼功造型软件领域中占有重要地位,并作为当今世界机械能方面的研究达到使用者能够借助该轮椅方便出行, CAD/CAE/CAM领域的新标准而得到业界的认可和并能够辅助进行康复锻炼的目的,同时使患者心理上推广。软件包Pro/ Engineer是该系统的基本部分,其暗示自己并未完全失去运动能力,对增加患者恢复锻主要功能包括参数化定义、实体零件及组装造型,三维炼的信心起到一定的促进作用。上色实体或线框造型等。和利用Po/ Engineer中的“拉虚拟样机技术又称机械系统动态仿真技术,是随着伸”、“旋转”、“扫描”、“镜像”等操作,完成轮椅支架计算机技术的发展而迅速发展起来的一项新生的工程两个后轮、两个前轮及两个前叉的建模,经装配后得到技术。工程师在计算机上建立样机模型对模型进行各整个轮椅的实体模型,如图1所示。图2为齿轮阻尼种动态性能分析然后改进样机设计方案用数字化形器的模型通过把该阻尼器装在轮椅后轮轴上,与后轮式代替传统的物理样机。同传统的设计方法相比,利用虚拟样机技术可以大大简化机械产品的设计开发过程,轴组成齿轮副,当转动手轮圈时,通过齿轮传动带动阻在设计早期确定关键的设计参数更新产品开发过程、尼器的转动齿轮阻尼器对后轮轴会有一个作用力,从大幅度缩短产品开发周期;大量减少产品开发费用和成而增加手臂对手轮圈的作用力。本;明显提高产品质量提高产品的系统级性能获得最优化和创新的设计产品。虚拟样机技术广泛应用于动力学系统的仿真分析,如汽车制造业、工程机械、造船业、航空航天业、国防工业和通用机械制造业等各个领域,但是对于轮椅的研究资料还非常少(2。文中综合利用Pro/E软件和 ADAMS虚拟样机软件对所设计的轮椅进行仿真分析,通过 Postprocesser中国煤化工模块测量出作用在轮子上的力矩,分别分析比较在没CNMHG四4阻尼器*收稿日期:2012-07-20;修订日期:2013-04-14作者简介:戴加全(1987—),男,江苏仪征人,硕士研究生,主要研究方向:助老助残机器人的研究机械设计第30卷第10期(3)施加配重和定义接触。2轮椅仿真模型的建立将模型导入 ADAMS后需要给所有零件定义材料属性,系统会根据所选择的材料自动计算部件的质量2.1虚拟样机模型和转动惯量。另外,轮椅使用者自身质量的施加也是仿在 ADAMS/View中输入和输出其他应用程序的真模拟现实环境的必要条件,故将75kg的质量简化为CAD文件图形需要 ADAMS// Exchange模块的支持。一球施加在座椅上。部件的重力在建模初始完成设置,ADAMS/ Exchange模块支持IGES,TEP,DXF/DWG和在全局坐标系中设定重力加速度g=98065m/s,Parasolid等几种格式图形文件的输入和输出3)。文中方向沿Y轴负向虚拟样机模型如图3所示,当车轮与通过 Parasolid的数据格式将Po/E建好的轮椅三维实地面接触时,这两个部件在接触位置产生接触力,体模型及装配体导人到 Adams/view环境下,分别编 ADAMS中的接触力( Contact force)可用来描述运动辑各组件的属性和构成组建元素的属性包括名称、颜物体接触时的相互作用力 Contact force 3运用两种不同色、材料属性等信息。轮椅虚拟样机主要由以下几的方法计算法向力:个部分组成:车身、两个后轮两个前轮及两个前叉。①基于回归的接触算法( Restitution-base2.2轮椅仿真计算工况的确定contact)。 ADAMS/ Solver用这种算法通过惩罚参数与(1)定义约束和驱动。回归系数计算接触力。惩罚参数施加了单面约束,回归个系统通常由多个构件组成,各个构件之间通系数决定了接触时的能量损失常又存在一定的约束关系,通常称为运动副或者铰链。②基于碰撞函数的接触算法( IMPACT-Function要模拟机械系统的真实运行状况,就需要根据实际情 based contact) ADAMS/ Solver运用 ADAMS函数库中况抽象出相应的运动副,并在构件间定义运动副。1mpac函数来计算接触力。ADAMS/view提供了12种常用的运动副工具。通过文中采用冲击函数法( Impact)来计算两个构件这些运动副使模型中各个独立的部件联系起来形成间的接触力。点击力库的按钮 Contact,弹出 Create有机的整体。文中轮椅的仿真模型主要用到的运动副Contact对话框,如图4所示。Normal Force是旋转副、固定副。将路面与大地之间定义为固定副(一个固定副可以从模型中去除6个自由度)。将车22架后轴与两个后轮之间定义为旋转副(一个旋转副可以从模型中去除3个移动自由度和2个转动自由度),将前叉与前轮之间定义为旋转副,最后在后轮轴与后Coulomb Friction轮的旋转副上添加旋转力矩5。(2)自由度的计算。Friction Transtion Vel 10000机械系统的自由度表示系统中各构件相对于地面图3虚拟样机模型图4定义接触机架所具有的独立运动数量6。自由度与系统的构件其中 Stiffiness指材料的刚度,其值越大模型越硬;数量、运动副的类型和数量原动机的类型和数量、其 Force Exponent是力变形特性指数,取值范围≥0;他约束条件有关。 ADAMS中自由度(DOF)的计算公 Damping指最大粘滞阻尼系数通常 Damping≥0,式为:般取刚度值的0.1%-1%; Penetration Depth指全阻DOF 6n-∑9-∑R尼时的穿透值,取值范围≥0; Static Coefficient是静摩式中:n—系统的总活动构件数;擦因数,取值范围≥0; Dynamic Coefficient是动摩第i个运动副的约束条件数,运动副总数;擦因数,取值范围0≤≤A; Stiction Transition Vel9,x—一第j个原动机的驱动约束条件数原动机总数;指静摩擦滑移油仙占遇动油中国煤逐渐减小时,摩擦R4—其他约束条件数。因数从AdCNMH于,时,摩擦因本例中共有5个活动构件和4个转动副。故自数为μ,, EIurrncuum ilansluun Vel是动摩擦滑由度:动系数,接触点滑动系数逐渐增大时,摩擦因数从μDOF=5×6-5×4=10到μ4逐渐变化,滑动速度等于t4时,摩擦因数为p,2013年10月戴加全,等:基于 ADAMS轮椅的动力学仿真v4≥5·Eror,Eror为积分误差默认值为10-3,取值3.2仿真结果分析范围v4≥v,>0。分析图5~图8可以得出以下结论(1)由于静摩擦力的存在,在没有阻尼器作用下3仿真运行与分析前1.5s时间内,对轮椅的驱动力矩最大,之后会有渐渐减小的趋势;在有阻尼器的作用下,前4s时间内,对3.1仿真运行轮椅的驱动力矩最大,之后会有减小的趋势。完成样机建模和输出设置,在即将开始仿真之前,(2)有阻尼器作用于轮椅后,在同样的情况下,轮需要对模型进行最后的验证,排除建模过程中隐含的椅使用者对轮椅施加的力矩有所增加,即手臂的力量错误,以保证仿真分析顺利进行。利用模型自检工具,有所增加。检查不恰当的连接和约束没有约束的构建、无质量构(3)当阻尼器作用于轮椅后,轮椅的行驶位移减建、样机的自由度等。另外在进行动力学分析之前,先小,行驶的速度也相应地减小,这与实际情况相吻合。进行静态分析,以排除系统在启动状态下的一些瞬态(4)有阻尼器作用于轮椅后,轮椅质心的加速度响应8相对于原先的有所降低,这对于提高轮椅行驶的平稳在主工具箱选择仿真工具图标,在参数设置区设性具有一定作用。置仿真参数,设置仿真时间( End Time)为5s,仿真步数(Seps)为50,开始仿真。仿真结束后,通过4结论ADAMS/ Postprocessor模块输出分析结果曲线,如图5~图8所示。首先对轮椅及阻尼器建立Po/E模型,然后将模型导人到 ADAMS中,对轮椅进行动力学仿真。仿真未加阻结果表明,在给轮椅施加阻尼器后,轮椅使用者推动轮加了阻椅的上肢力量明显提高,这对使用者的上肢辅助锻炼具有很好的作用。另外,对轮椅行驶平稳性的提高也1.02.03.04.0起到较好的效果。图5轮椅后轮输出转矩曲线参考文献未加阻--加了阻尼[1]任怡.智能轮椅的结构设计与研究[D].天津:天津科技大学,20092.04.0[2]王国强虚拟样机技术及其在 ADAMS上的实践[M].西时间/s安:西北工业大学出版社,2002.图6轮椅位移曲线[3]李增刚. 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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中国煤化工CNMHG*收稿日期:2012-07-30;修订日期:2013基金项目:江苏省高校自然科学基金资助项目(07KJD0008);常州工学院自然科学研究基金资助项目(YNo02)作者简介:丁仕燕(1975—),男,安徽滁州人副教授,工学博士,主要从事陶瓷超声磨削、数控技术方面的研究,发表论文10余篇发明专利7