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爬楼梯轮椅的稳定性控制与性能评估
© 2013年。出版社:Elsevier B.V.由美国应用科学研究所负责选择和/或同行评审可在www.sciencedirect.com在线获取ScienceDirectAASRI Procedia 4(2013)18 - 252013年AASRI智能系统与控制爬楼梯轮椅N.M.A Ghani*,A.N.K Nasir,M.A.H Hassan,M.O Tokhi英国谢菲尔德自动控制与系统工程系摘要本文主要研究一种小型轮椅爬楼梯的控制策略,以维持轮椅在狭窄空间内爬楼梯时的稳定与平衡。Visual Nastran4D用于开发仿真模型,并与Matlab平台连接,用于控制和可视化评估目的。挑战在于控制前后电机以及倾斜角度,以确保系统稳定性并保持攀爬过程的平稳性。PD模糊控制的开发,测试和相关的性能进行评估,通过密集的视觉方法。© 2013作者。由Elsevier B. V.在CC BY-NC-ND许可下开放获取。由美国应用科学研究所负责选择和/或同行评审关键词:爬楼梯;爬楼轮椅;模糊逻辑;稳定性控制1. 介绍根据大不列颠2010/2011年残疾流行率估计数据,共有1 120万残疾人,其中80万为儿童,520万为工作成年人,520万超过领取养老金年龄(残疾概况介绍,2011年)[1]。这导致了对某种形式的运输机制的高需求,因此轮椅继续发挥着至关重要的作用。本文介绍了常见的移动辅助技术和最新进展,在路边和爬楼梯的设备。一个高台阶的建议-* N.M.A.加尼。联系电话:+44(0)114 222 5250;传真:+44(0)114 222 5683。电子邮件地址:niha. sheffield.ac.uk2212-6716 © 2013作者由Elsevier B. V.在CC BY-NC-ND许可下开放获取。美国应用科学研究所负责的选择和/或同行评审doi:10.1016/j.aasri.2013.10.004美国医学会Ghani等人/ AASRI Procedia 4(2013)19提出了一种基于轮椅的受限空间和室内使用的攀爬机构,并论证了其可行性。有几种类型的爬楼梯轮椅和机械设计在这三个不同的类别是彼此不同的。它可以分为三种类型:履带式[2-6],轮式[7-9]和腿式[10]。履带式采用的方法是基于单节和双节履带机构的防滑橡胶履带。采用的控制策略是模糊逻辑控制作为最优估计算法,以估计影响轨道张力的各种因素的比例。然而,由于其庞大的结构,很难在狭窄和狭小的过道中转弯,并且每个楼梯边缘施加的高压可能会导致楼梯损坏。轮式车辆的稳定性控制还没有考虑到广泛的层次,有的只是基于运动学逆解进行运动规划。Nakajima在2011年引入了一种腿式机制,并进行了仿真和实验验证[11]。它使用支撑多边形来保持轮椅身体在至少三个点上的水平,同时执行爬楼梯。然而,这种机制似乎并不实用的地方,它有两个以上的步骤和高楼梯坡度使用。iBOT 3000 Transporter使用铰接式轮组来克服爬楼梯任务[12]。东京大学的日本研究人员随后复制了iBOT系统,他们最近推出了类似的爬楼梯轮椅(NOBOROT 2012)[13]。作者报告的另一项最新进展是2012年使用MSC Visual Nastran 4D(VN)环境进行的设计[14],其中考虑了人体的实际重量和轮椅的整体稳定性。该机构非常简单,因此可以用于室内目的,而无需用户一直握住护栏或需要助手。然而,攀爬结构是基于连杆1和连杆2的预定角度,以便分别登上第一级和另一级楼梯以执行楼梯上升任务。在这项工作中提出的紧凑型轮椅设计在几个方面进行了改进,但保持了与[14]相同的行为。2. 轮椅模型由于系统的非线性,爬楼梯轮椅的运动方程非常复杂,难以推导。在建立系统数学模型时,采用简化方法可能会遗漏所有重要变量。一个简化的运动方程不足以表示复杂的爬楼梯机构的变化的重心,重心的人体质量。因此,该系统被设计成与标准轮椅一样接近,并在名为Visual Nastran(VN)的4D软件中进行转换,以便保持所有的非线性特征。VN软件环境可以提供可视化,包括通过每个楼梯的运动、整个轮椅机构的稳定性以及其他功能特征。它允许设计和仿真刚体动力学,确定碰撞响应,选择材料类型和识别控制信号的输入/输出,以实现与Matlab/Simulink环境集成时的控制目的。重力也被考虑在内,从而近似真实系统。很少有研究将VN软件作为部署实际系统之前的第一阶段[15]。使用VN软件设计了一个修改和简化版本的轮椅模型,使用车轮旋转代替簇机构[14]。图1显示了轮椅模型中所需电机的示意图和具体位置。所有尺寸均取自标准轮椅尺寸,但由于其众所周知的商业爬楼梯轮椅机制,采用iBOT系统的车轮除外。主电机即前电机F、后电机R和座椅电机S如图所示。三个不同的传感器;一个在垂直缸杆用于倾斜角度控制,距离传感器在每个车轮测量车轮和楼梯之间的距离和角度传感器在每个链接用于控制测量。的20美国医学会Ghani等人/ AASRI Procedia 4(2013)座椅倾FL, FR链路S施加到轮椅模型的输入信号是右和左前和后电动机转矩,FL/FR和RL/RR以提升连杆同时扭转座椅,就是控制倾斜角度测量的输出是角度用于攀爬台阶的链接位置(度)以及倾斜角度(度)。FL,FR前轮后轮图1. 轮椅示意图使用人体测量数据的人形模型被近似和设计[16]。在这项工作中,人形模型被开发为一个刚体,身高1.5米,体重约71公斤。有许多类型的楼梯已被使用,因为它们本身是危险的,设计必须遵循标准的尺寸和结构,以允许安全的产品机动性和可行性(加拿大职业安全与健康中心,2010年)[17]。在这项工作中,测试了坡度为50°的直楼梯,其高度为8英寸,踏板为12.6英寸,宽度为30英寸。3. 控制器结构该轮椅系统采用模糊逻辑控制(FLC),并考虑了多输入单输出的Mamdani型模糊规则(MISO)结构,误差和误差变化作为输入,如图所示。2. 两个链接(链接1和链接2)的角位置独立控制与PD模糊逻辑结构,具有相同的规则基础。因此,存在两个独立的FLC(FLC 1和FLC 2),每个FLC一个一个输入端和一个输出端的链接,每个FLC(R,L),而另一个FLC3用于倾斜角,S.两个FLC都使用角位置误差e1和链路1的角位置误差的变化,e1. 为了为保证攀爬任务的平滑过渡和响应,采用了高斯隶属函数。对于误差和误差变化,使用的五个成员级别是正大(PB)、正小(PS)、零(Z)、负小(NS)和负大(NB)。图3(a)示出了实现的25个模糊规则。注意,对于这种模糊控制结构,相同的设计用于所有的FLC,因此只需要一个模糊逻辑控制器的设计和实施的所有情况。规则通常被触发为:‘If.....e1是NB,则扭矩是PBS美国医学会Ghani等人/ AASRI Procedia 4(2013)21前轮位置设定点-+FR设定点+-PD-Fuzzy控制S倾斜角设定点+v C簇角-+设定点-MATLAB/Simulink视觉Nastran后轮位置图2:MISO系统PD-Fuzzy Logic在Matlab中实现,并与VN集成,控制结构如图3(b)所示。模糊逻辑和PD增益的比例因子被精确地调整。控制目标是为前后电机产生足够的扭矩,以便使用称为“连杆”机构的组件将后轮提升到前轮和其他车轮上,同时保持座椅上的人体水平。这些任务需要确保在平稳地执行爬楼梯操作的同时,整个轮椅机构不会悬浮或显著移位。图3:控制系统结构4. 模拟图4示出了当上升台阶1和台阶2时轮椅性能的可视化。最初,轮椅在地面上保持四轮配置,如图4(a)所示,然后前电机扭矩F提升连杆1,用于将后轮定位在上台阶上,如图4(b)所示。该机构是一个两轮结构,在此过程中,系统的稳定性如图4(c)所示。然后,后电机扭矩R将提升连杆2,以便将整个轮椅转移到第二步,如图4(d-f)所示。在这个阶段,后电机满足整个机构的稳定性,并保持两个车轮在同一位置。挑战在于为相应的电机开发合适的控制扭矩,并防止整个系统包括人(高达100 kg)摔倒或滑倒。可以看出,座椅电机扭矩S在整个过程中始终将座椅稳定在直立位置。全过程隶属度22美国医学会Ghani等人/ AASRI Procedia 4(2013)然后重复用于爬上进一步的台阶。相关的模拟可以在图5中看到,其中图5(a-b)示出了控制输入信号的取向,分别用于两个台阶的链路1和链路2,其根据楼梯的规格被设置为期望的角度。系统总共花费了大约2.7秒来爬上第一个楼梯,然后继续爬上第二个楼梯长达6秒。图5(c-d)示出了在攀爬第一步和第二步时的前轮和后轮位置,而两个车轮仅在攀爬第一步期间执行前电机时受到影响,反之亦然。结果表明,在整个运行过程中,两个车轮保持稳定在同一位置,没有悬浮。此外,倾斜角在整个过程中保持水平,具有小的变化(-0.5o至0.5o),如图5(e)所示。图5(f)示出了在执行几次爬楼梯任务之后完成最后一步期间轮椅的模拟。如图4(g)所示,作用轮以绿色突出显示,由于轮旋转,其具有一定的行进距离以执行最终着陆过程。5. 结论一个爬楼梯轮椅已成功地开发在越南使用标准尺寸的轮椅。采用了一个重量约为71公斤的人形模型和标准尺寸的楼梯。一个模糊控制方法已实施执行爬楼梯任务的自动模式轮椅系统。结果表明,FLC在控制具有高度可互换性的前后电机系统执行爬楼梯任务时效果良好。已经证明,控制系统能够有效地执行,以确保用户的舒适性和操纵任务的平稳性。未来的工作将着眼于楼梯下降过程中,控制缩放参数和线性运动的优化。美国医学会Ghani等人/ AASRI Procedia 4(2013)23(一)(b)第(1)款(c)第(1)款(d)其他事项S(五)(f)第(1)款(g)D图4.上升楼梯完成最终步骤执行爬楼梯任务24美国医学会Ghani等人/ AASRI Procedia 4(2013)00.5Step10.500.5连杆2的角位置(度)1005020010000-50-100-1000 2 46时间(秒)-2000 2 4 6时间(秒)0.10-0.1-0.2-0.3-0.4-0.5(a) 连杆1的角位置(b)连杆2的角位置0.60.40.20-0.2-0.60 2 46时间(秒)-0.40 1 2 3 4 5 6时间(秒)(c) 前轮位置(d)右轮位置1第一步第二步--10 2 4 6时间(秒)(e) 攀登过程0.5--10 1 2 3 4 5时间(秒)(f) 完成最后一步时的矩形图5。轮椅完成登高任务Step2Step1左轮右轮左轮右轮Step2连杆1的角位置(度)前轮位置(m)Tiltanggle(degree)直角,(度)TAinlgtularnpogsliteio,no(fdtieltganrgelee(d)egree)后轮位置(m)美国医学会Ghani等人/ AASRI Procedia 4(2013)25引用[1]《 残 疾 概 况 介 绍 》 ( 2010 年 ) 。 残 疾 问 题 办 公 室 ( 2012 年 11 月 9 日 ) , [ 可从]http://odi.dwp.gov.uk/disability-statistics-and-research/disability-facts-and-figures.php[2]Sunwa Co.Ltd(2006).(2012年4月1日),[可从] http://www.sunwa-jp.co.jp/en/accessibility/。[3]Top Chair , ( 2003 ) . 第 一 个 爬 楼 梯 的 电 动 轮 椅 , ( 2012 年 4 月 1 日 ) , [ 可 从 ]www.example.com获得http://www.topchair.fr/。[4]草坪,M. 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