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摘 要：设计了一款自动爬楼梯轮椅，使用Pro/E建立三维虚拟样机模型，并将模型导入到Adams-View，进行爬楼过程的动力学仿真分析，着重介绍了较为复杂的机械系统的传感器及仿真脚本的创建方法，最终得到运行过程中座椅重心的运动轨迹及各电机的输出功率，为相似系统的设计与仿真分析提供参考。
关键词：爬楼轮椅；Pro/E；ADAMS；脚本仿真
中图分类号：TK403
随着21世纪到来，我国已进入人口老龄化社会，加之近年来灾难频发，老年人及残疾人上下楼不便的问题日益凸显，自动爬楼梯轮椅正是这是这个问题的解决方案[1]，对提高老年人及残疾人士的生活质量有重要意义。
爬楼轮椅是一个较为复杂的机械系统，以传统设计方法设计时存在运算量大，设计实验复杂，修改设计量带来的设计周期过长等诸多问题。近年来，随着计算机水平的提高，虚拟样机技术以其成本低，周期短等优势得到迅速而广泛的发展。Pro/E是美国PTC公司旗下的CAD/CAM/CAE一体化的三维软件，有着强大的三维建模功能。ADAMS是美国MDI公司开发的虚拟样机仿真软件，具有强大的多刚体机械系统仿真功能，但其建模功能有限。通过两者间的接口可将Pro/E中建立的模型导入到ADAMS中，用这种方式开发复杂系统中的虚拟样机是国内研究团体的首选方案[2]。本文以爬楼梯轮椅为例，介绍了复杂系统中驱动函数传感器仿真脚本的建立方法，为类似系统的设计与仿真提供参考。
1 总体设计
如图1是Pro/E建立的虚拟样机模型
图1 轮椅的Pro/E模型
左右后轮架可以在电机1的驱动下绕车架转动，又可以在电机3的驱动下沿其长度方向移动，极限位置是后轮轴分别与一侧两轮的轮心重合，前轮是一个三星轮，没有驱动，起到随动的爬楼作用，爬楼时面朝楼梯下方，以后退的方式上楼，电机1驱动后轮架绕后轮轴转动当轮胎接触到下一级楼梯边缘时，电机2带动轮胎反转，防止轮胎相对地面滑动，当后轮架与车架方向平行时，电机2，1停转，电机3通过丝杠，滑块带动车架向上移动，直至运行到极限位置，在此过程中轮椅向上移动了一级。随后电机1带动后轮架继续转动，将后轮架搭放到下一级楼梯，电机3带动轮椅向上移动，爬过两级后轮椅回到初始状态，完成一个运动周期，重复此运动，完成上楼过程。
2 模型的传递及参数设置
在较高版本的Pro/E与ADAMS之间模型可以直接进行传递而不会发生某些特征丢失等错误。将模型以parasolid格式从Pro/E中导出，并在ADAMS中选择【import】导入模型。
首先对导入后的模型进行简化与完善，去除对系统影响不大的零件，如链条，轮盘等零件，提高ADAMS的运算效率，新建一个楼梯模型并将其位置与尺寸参数化，便于观察轮椅在各个楼梯尺寸下的爬楼效果。
然后给模型的各个零件添加材料属性。在各个零件的接触处添加Joint（约束），在个电机位置添加Motion（驱动），其中将电机3与丝杠滑块简化为直线驱动，将4个后轮处的Revolute（旋转副）通过Coupler（耦合副）连接，并将Scale（传递比例关系）系数设定为1，这样只需添加一个Motion就可以实现四个后轮的同步转动，简化了模型。
最后添加力，在座椅上方添加一个乘坐者重心处的重力，大小为800N，定义各个轮胎与楼梯面之间的接触，轮胎与障碍物接触中的力可以用 IMPACT函数[3]来计算。创建好的虚拟样机如图所示
图2 轮椅的虚拟样机
3 建立复杂系统的仿真
3.1 定义驱动函数并进行交互式方真。交互式仿真为用户提供对话框进行仿真控制，用户可以设置仿真终止时间、仿真步长、仿真类型，但仿真过程中系统的参数无法更改。
采用交互式仿真需要定义驱动函数。在建立好的Motion上选择【Modify】，在弹出的对话框中点击进入函数编辑器，使用ADAMS自带的函数对电机定义，可以对电机定义，使电机控制零件依次运动或停止的函数[5]有STEP，STEP5，IF，DIM。
3.2 建立传感器编写仿真脚本进行脚本仿真。除了交互式仿真外，ADAMS还允许用户编写仿真控制命令进行脚本仿真，脚本仿真分为3种：Simple Run、ADAMS/view Commands、ADAMS/Solver Commands，在ADAMS/Solver Commands仿真脚本控制下，可以修改模型中的参数，并且在仿真中立即生效，因此在这种情况下可以完成常规仿真所不能完成的一些计算[6]。
与仿真控制密切相关的元素就是传感器，ADAMS中的传感器可以感知系统运行到某一状态的时间。在本系统中需要感知的时间有5个，故建立五个传感器。建立ADAMS/Solver Commands下的仿真脚本，选择【Simulation】后进入到创建仿真脚本的对话框，创建仿真语句的方式有两种，通过下拉菜单选取控制命令，并在弹出的对话框中填写操作对象，系统就会自动生成相应的仿真语句，这种方式可以方便的创建ACTIVE、DEACTIVE等语句，另一种方式是直接输入面向操作对象的控制语句，如定义Motion的运行的语句及各参数意义如下：
MOTION/（被定义驱动的ID号），VELOCITY，FUN=（转速表达式）
在脚本仿真控制的驱动方程优先级高于直接定义的驱动函数，采用脚本仿真控制的Motion速度函数按默认既可。当仿真脚本运行到该语句时，电机从当前位置开始按转速表达式给定的转速运行，并自动忽略掉之前语句给定的驱动转速。
对爬楼过程的一个周期创建控制脚本，并将一个周期的脚本复制，得到整个爬楼过程的仿真脚本，执行完这些脚本，轮椅向上移动两级，将仿真脚本复制成待爬楼级数的一半便可一实现整个爬楼过程的控制。编写完仿脚本后进行脚本仿真，观察到轮椅在一个爬楼周期运动过程如下： 图3 轮椅爬楼的不同状态
4 仿真结果及后处理
选择【PostProcessor】进入后处理模块观察仿真结果，运动过程中轮椅质心的运动轨迹
图4 轮椅爬楼过程中重心的运动轨迹
图中显示在轮椅刚翻越楼梯的前两级时重心基本上在水平移动，随后轮椅重心以两段弧线组成的一个周期向上移动，相比传统的星轮式轮椅波动较小，具有良好的乘坐舒适性。
各驱动的转速，功率随时间变化的规律
电机1功率
图中显示上楼过程中电机1需要的驱动转矩较大，最大处达到269w，并且承受较大的负转矩，因此选用300w的直流涡轮蜗杆减速电机。涡轮蜗杆减速箱有自锁功能，可以承受负向转矩，对电机有一定的保护功能。
电机2功率
上图显示电机2在上楼过程中基本上不承担力矩，只需与随电机3运行保证后轮不与楼梯打滑既可，考虑到平地行驶时只是由电机2提供动力，在这里选用100w的直流蜗轮蜗杆减速电机。
电机3功率
电机3在爬楼过程中最大功率不超过40w，考虑到左右后轮架运行时的同步问题，在此选用86步进电机。
5 结论
虚拟样机的仿真分析技术可以作为爬楼机轮椅设计和分析的工具。参数化建模软件Pro/E与动力学仿真软件ADAMS的共同使用为爬楼机轮椅研究提供了较理想的平台，可提高工作效率、降低开发成本[6]。在较为复杂的机械系统中应用传感器与仿真脚本进行仿真可以做到高效的仿真控制。作者就轮椅爬楼梯的动作，仿真个驱动电机的功率变化，为系统设计提供了理论依据。
参考文献：
[1]刘静.自动爬楼梯轮椅的虚拟设计与运动仿真[J].机械研究与应用，2012（6）：133-137.
[2]杜中华，狄长春，王兴贵.Pro/E与ADAMS建立的虚拟样机结构尺寸优化[J].机电工程术，2012，31（4）：21-22.
[3]Using ADMS-view. Meehnaieal DnymaiesIne，1998.
[4]范成建，熊光明，周明飞.虚拟样机软件MSC.ADAM S应用与提高[M].北京：机械工业出版社，2006.
[5]郑建荣.ADAMS——虚拟样机技术入门与提高[M].北京：机械工业出版社，2002.
[6]刘祚时，童俊华，庄子宝，苏茶旺.基于ADAMS的爬楼梯机器人动力学仿真[J].机床与液压，2010（23）：114-116.
作者简介：常嘉航（1992-），男，汉族，河北人，现就读于西南大学工程技术学院，主要研究方向：车辆工程。
作者单位：西南大学 工程技术学院，重庆 400715；西南大学，重庆 400715
基金项目：国家级大学生创新创业训练计划资助（201210635122）。
关键词：爬楼轮椅；Pro/E；ADAMS；脚本仿真
中图分类号：TK403
随着21世纪到来，我国已进入人口老龄化社会，加之近年来灾难频发，老年人及残疾人上下楼不便的问题日益凸显，自动爬楼梯轮椅正是这是这个问题的解决方案[1]，对提高老年人及残疾人士的生活质量有重要意义。
爬楼轮椅是一个较为复杂的机械系统，以传统设计方法设计时存在运算量大，设计实验复杂，修改设计量带来的设计周期过长等诸多问题。近年来，随着计算机水平的提高，虚拟样机技术以其成本低，周期短等优势得到迅速而广泛的发展。Pro/E是美国PTC公司旗下的CAD/CAM/CAE一体化的三维软件，有着强大的三维建模功能。ADAMS是美国MDI公司开发的虚拟样机仿真软件，具有强大的多刚体机械系统仿真功能，但其建模功能有限。通过两者间的接口可将Pro/E中建立的模型导入到ADAMS中，用这种方式开发复杂系统中的虚拟样机是国内研究团体的首选方案[2]。本文以爬楼梯轮椅为例，介绍了复杂系统中驱动函数传感器仿真脚本的建立方法，为类似系统的设计与仿真提供参考。
1 总体设计
如图1是Pro/E建立的虚拟样机模型
图1 轮椅的Pro/E模型
左右后轮架可以在电机1的驱动下绕车架转动，又可以在电机3的驱动下沿其长度方向移动，极限位置是后轮轴分别与一侧两轮的轮心重合，前轮是一个三星轮，没有驱动，起到随动的爬楼作用，爬楼时面朝楼梯下方，以后退的方式上楼，电机1驱动后轮架绕后轮轴转动当轮胎接触到下一级楼梯边缘时，电机2带动轮胎反转，防止轮胎相对地面滑动，当后轮架与车架方向平行时，电机2，1停转，电机3通过丝杠，滑块带动车架向上移动，直至运行到极限位置，在此过程中轮椅向上移动了一级。随后电机1带动后轮架继续转动，将后轮架搭放到下一级楼梯，电机3带动轮椅向上移动，爬过两级后轮椅回到初始状态，完成一个运动周期，重复此运动，完成上楼过程。
2 模型的传递及参数设置
在较高版本的Pro/E与ADAMS之间模型可以直接进行传递而不会发生某些特征丢失等错误。将模型以parasolid格式从Pro/E中导出，并在ADAMS中选择【import】导入模型。
首先对导入后的模型进行简化与完善，去除对系统影响不大的零件，如链条，轮盘等零件，提高ADAMS的运算效率，新建一个楼梯模型并将其位置与尺寸参数化，便于观察轮椅在各个楼梯尺寸下的爬楼效果。
然后给模型的各个零件添加材料属性。在各个零件的接触处添加Joint（约束），在个电机位置添加Motion（驱动），其中将电机3与丝杠滑块简化为直线驱动，将4个后轮处的Revolute（旋转副）通过Coupler（耦合副）连接，并将Scale（传递比例关系）系数设定为1，这样只需添加一个Motion就可以实现四个后轮的同步转动，简化了模型。
最后添加力，在座椅上方添加一个乘坐者重心处的重力，大小为800N，定义各个轮胎与楼梯面之间的接触，轮胎与障碍物接触中的力可以用 IMPACT函数[3]来计算。创建好的虚拟样机如图所示
图2 轮椅的虚拟样机
3 建立复杂系统的仿真
3.1 定义驱动函数并进行交互式方真。交互式仿真为用户提供对话框进行仿真控制，用户可以设置仿真终止时间、仿真步长、仿真类型，但仿真过程中系统的参数无法更改。
采用交互式仿真需要定义驱动函数。在建立好的Motion上选择【Modify】，在弹出的对话框中点击进入函数编辑器，使用ADAMS自带的函数对电机定义，可以对电机定义，使电机控制零件依次运动或停止的函数[5]有STEP，STEP5，IF，DIM。
3.2 建立传感器编写仿真脚本进行脚本仿真。除了交互式仿真外，ADAMS还允许用户编写仿真控制命令进行脚本仿真，脚本仿真分为3种：Simple Run、ADAMS/view Commands、ADAMS/Solver Commands，在ADAMS/Solver Commands仿真脚本控制下，可以修改模型中的参数，并且在仿真中立即生效，因此在这种情况下可以完成常规仿真所不能完成的一些计算[6]。
与仿真控制密切相关的元素就是传感器，ADAMS中的传感器可以感知系统运行到某一状态的时间。在本系统中需要感知的时间有5个，故建立五个传感器。建立ADAMS/Solver Commands下的仿真脚本，选择【Simulation】后进入到创建仿真脚本的对话框，创建仿真语句的方式有两种，通过下拉菜单选取控制命令，并在弹出的对话框中填写操作对象，系统就会自动生成相应的仿真语句，这种方式可以方便的创建ACTIVE、DEACTIVE等语句，另一种方式是直接输入面向操作对象的控制语句，如定义Motion的运行的语句及各参数意义如下：
MOTION/（被定义驱动的ID号），VELOCITY，FUN=（转速表达式）
在脚本仿真控制的驱动方程优先级高于直接定义的驱动函数，采用脚本仿真控制的Motion速度函数按默认既可。当仿真脚本运行到该语句时，电机从当前位置开始按转速表达式给定的转速运行，并自动忽略掉之前语句给定的驱动转速。
对爬楼过程的一个周期创建控制脚本，并将一个周期的脚本复制，得到整个爬楼过程的仿真脚本，执行完这些脚本，轮椅向上移动两级，将仿真脚本复制成待爬楼级数的一半便可一实现整个爬楼过程的控制。编写完仿脚本后进行脚本仿真，观察到轮椅在一个爬楼周期运动过程如下： 图3 轮椅爬楼的不同状态
4 仿真结果及后处理
选择【PostProcessor】进入后处理模块观察仿真结果，运动过程中轮椅质心的运动轨迹
图4 轮椅爬楼过程中重心的运动轨迹
图中显示在轮椅刚翻越楼梯的前两级时重心基本上在水平移动，随后轮椅重心以两段弧线组成的一个周期向上移动，相比传统的星轮式轮椅波动较小，具有良好的乘坐舒适性。
各驱动的转速，功率随时间变化的规律
电机1功率
图中显示上楼过程中电机1需要的驱动转矩较大，最大处达到269w，并且承受较大的负转矩，因此选用300w的直流涡轮蜗杆减速电机。涡轮蜗杆减速箱有自锁功能，可以承受负向转矩，对电机有一定的保护功能。
电机2功率
上图显示电机2在上楼过程中基本上不承担力矩，只需与随电机3运行保证后轮不与楼梯打滑既可，考虑到平地行驶时只是由电机2提供动力，在这里选用100w的直流蜗轮蜗杆减速电机。
电机3功率
电机3在爬楼过程中最大功率不超过40w，考虑到左右后轮架运行时的同步问题，在此选用86步进电机。
5 结论
虚拟样机的仿真分析技术可以作为爬楼机轮椅设计和分析的工具。参数化建模软件Pro/E与动力学仿真软件ADAMS的共同使用为爬楼机轮椅研究提供了较理想的平台，可提高工作效率、降低开发成本[6]。在较为复杂的机械系统中应用传感器与仿真脚本进行仿真可以做到高效的仿真控制。作者就轮椅爬楼梯的动作，仿真个驱动电机的功率变化，为系统设计提供了理论依据。
参考文献：
[1]刘静.自动爬楼梯轮椅的虚拟设计与运动仿真[J].机械研究与应用，2012（6）：133-137.
[2]杜中华，狄长春，王兴贵.Pro/E与ADAMS建立的虚拟样机结构尺寸优化[J].机电工程术，2012，31（4）：21-22.
[3]Using ADMS-view. Meehnaieal DnymaiesIne，1998.
[4]范成建，熊光明，周明飞.虚拟样机软件MSC.ADAM S应用与提高[M].北京：机械工业出版社，2006.
[5]郑建荣.ADAMS——虚拟样机技术入门与提高[M].北京：机械工业出版社，2002.
[6]刘祚时，童俊华，庄子宝，苏茶旺.基于ADAMS的爬楼梯机器人动力学仿真[J].机床与液压，2010（23）：114-116.
作者简介：常嘉航（1992-），男，汉族，河北人，现就读于西南大学工程技术学院，主要研究方向：车辆工程。
作者单位：西南大学 工程技术学院，重庆 400715；西南大学，重庆 400715
基金项目：国家级大学生创新创业训练计划资助（201210635122）。