具有姿态及阻力模拟功能的轮椅训练测试平台的开发

论文摘要

轮椅是下肢残疾和下肢功能不全者日常生活中不可缺少的重要代步工具。随着电动轮椅的普及和路面车辆的增加,如不进行轮椅专业训练极其容易产生危险。本文根据该状况,开发了虚拟现实轮椅训练测试系统的物理平台。首先,本文分析轮椅在实际环境中的运行状态,得出轮椅训练测试的物理平台需要有坡度模拟装置、阻力模拟装置对轮椅的姿态和阻力进行模拟,同时还需要轮椅固定支撑装置以确保轮椅有效的固定在台面。根据现有姿态模拟装置和轮椅的姿态形式,在坡度模拟装置中提出十字关节的方案。根据现有阻力模拟装置和轮椅的阻力形式,在阻力模拟装置中提出了用伺服电机模拟阻力的方案。然后对平台整体结构进行详细设计,以确定各零件的实际尺寸和安装位置。并在SOLIDWORKS中建立平台实体模型。采用ADAMS对平台进行虚拟样机分析,得到了滑块位置与台面转角变化规律的曲线、连杆轴向力与台面的转角变化规律的曲线,并与理论值进行比较,以验证理论设计是否正确。同时通过ADAMS动态仿真,验证平台是否存在干涉。在ANSYS中对平台整体进行静力学分析和模态分析,得出平台的各部分的结构应力、变形位移、模态频率情况。本文在平台整体结构设计分析完成后,对平台的控制系统进行了设计,确定了坡度模拟装置和阻力模拟装置的控制流程。同时设计平台整体控制电路,并规划了平台整体的控制软件。最后,对阻力模拟装置进行实验。根据阻力模拟的要求,设计了阻力模拟实验的硬件系统和软件系统,根据实验结果验证阻力模拟装置的正确性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景及研究的目的和意义
• 1.2 国内外发展现状
• 1.2.1 轮椅训练仿真平台发展现状
• 1.2.2 研究现状分析
• 1.3 本文研究的主要内容
• 第2章 轮椅训练测试系统总体方案设计
• 2.1 轮椅训练测试系统的功能
• 2.1.1 虚拟场景仿真
• 2.1.2 物理仿真
• 2.2 轮椅训练测试平台的技术要求
• 2.3 轮椅训练测试平台系统构成
• 2.4 机械系统
• 2.5 控制系统
• 2.6 虚拟场景仿真系统
• 2.7 本章小结
• 第3章 轮椅训练测试平台机械系统设计
• 3.1 轮椅训练测试平台机械结构
• 3.2 坡度模拟装置设计
• 3.2.1 坡度模拟装置方案设计
• 3.2.2 坡度模拟装置工作原理
• 3.2.3 坡度模拟装置运动学分析
• 3.2.4 坡度模拟装置静力学分析
• 3.2.5 坡度模拟装置参数计算
• 3.3 阻力模拟装置设计
• 3.3.1 阻力模拟装置方案设计
• 3.3.2 阻力模拟装置模拟阻力分析
• 3.3.3 阻力模拟装置参数计算
• 3.4 固定支撑装置设计
• 3.5 本章小结
• 第4章 轮椅训练测试平台结构分析
• 4.1 机械系统虚拟样机分析
• 4.2 轮椅训练测试平台的有限元分析
• 4.2.1 模型的简化和修整
• 4.2.2 平台的有限元静力学分析
• 4.2.3 平台的有限元模态分析
• 4.3 本章小结
• 第5章 轮椅训练测试平台控制系统设计
• 5.1 平台控制系统设计
• 5.1.1 坡度模拟装置控制
• 5.1.2 阻力模拟装置控制
• 5.2 控制系统硬件设计
• 5.3 控制软件规划
• 5.4 平台硬件电路设计
• 5.5 本章小结
• 第6章 轮椅训练测试平台阻力模拟试验
• 6.1 实验系统结构
• 6.2 试验系统硬件设置
• 6.2.1 伺服驱动器设置
• 6.2.2 PCL-728模拟量输出卡设置
• 6.3 实验系统控制电路
• 6.4 实验系统控制软件
• 6.5 试验系统的标定
• 6.6 实验结果分析
• 6.7 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果
• 致谢