气控式仿古音乐轮椅的开发与设计探讨

摘要：文章分析了一种气控式仿古音乐轮椅的开发与设计，从背景技术分析着手，明确了气控式仿古音乐轮椅的主要结构，并探讨了其驱动装置和隐约发生装置的开发与设计实现，旨在为相关研究与实践提供参考。

关键词：气控式；仿古形式；音乐轮椅；驱动装置；音乐发生装置 文献标识码：A

中图分类号：TH122 文章编号：1009-2374（2017）02-0009-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2017.02.005

轮椅不仅是重要的康复工具，也是残疾人士的重要代步工具，能够帮助残疾人士进行身体锻炼或参加社会活动。腿部残障人士每天只能坐在轮椅上，面临着众多痛苦和无奈，如何调节他们的心理状态，使其追寻生活的多彩和生命的意义是全社会需要关注的问题。音乐是一门带有“魔力”的艺术，其能够陶冶人们的情操，有着心理治疗功能，对人们心理健康有着积极的作用，一些意境深远的曲子能够让人们从惆怅和伤感中走出来，变得充满自信和心情舒畅。无论是现代音乐还是古典音乐，只要在音乐的海洋中就能够调节身心、安神静心。而对于坐在轮椅上的残障人士来说，音乐的调节作用可谓是大有裨益的。基于这个思路，本文提出了一种气控式仿古音乐轮椅，将代步功能与音乐功能融合在一起，乘坐轮椅的使用者不仅能够将轮椅当作代步工具，在代步的过程中还能够享受到美妙的音乐。

1 背景技术分析

音乐是反映人类现实生活情感的一种艺术，可以将其分为声乐和器乐两种类型，相较于其他艺术而言，音乐艺术有着抽象性的特点，从地域上来看，东方以中国为首的中国古代理论基础是五声音阶，即宫、商、角、徵、羽，而西方则是以七声音阶为主，即1、2、3、4、5、6、7。音乐能够陶冶情操，为人们带来良好的听觉感受。乐器指的是能够发出乐音并能够进行音乐艺术再创造的器具，人们演奏乐器的过程实质上也是表达和交流思想感情的过程。对于乐器的界定，音乐界和乐器界有着不同的观点。音乐界认为，乐器是用于音乐的发生器。而乐器界对乐器的定义范畴更为广泛，将一些非音乐领域中的发生器也归为了乐器的范畴，例如宗教中的祈祷诵经、商贩招揽贩卖的信号旗、战争的鸣金击鼓等都归为了乐器的范畴，甚至人们日常生活和生产劳动的器皿在演奏过程中也冠以乐名，例如乐弓、乐杵、乐杯等。而对于乐器生产界来说，主要涉及到的是音乐领域中的乐器，即可以进行音乐艺术再创造的乐器，除此之外，马铃、车船喇叭等也有生产。相较于一般工业生产来说，乐器的生产有着一定的特殊性，其不仅对外观造型有著较高的要求，同时要求乐器必须有着优良的声学品质，例如良好的音色、能够达到规定的音准高度等，这就使得乐器生产在选材上异常严格。

随着中国国民经济的发展和城镇化进程的加快，国家对文体产业的发展日益重视，出台了各种政策措施来支持文体产业发展，在这样的背景下，作为文体产业中的朝阳产业，乐器制造业也获得了良好的发展机遇。就目前来看，中国乐器制造业的工业生产体系逐步趋于完善，基本上能够加工世界上所有的大类乐器，品种众多、门类齐全。

2 实施方式

将座椅设置在空气压缩箱上，空气压缩箱两侧铰接行锦纶，在空气压缩箱前端，通过阻尼铰链铰接脚踏板，在脚踏板两侧各自设有前辅轮，前辅轮通过旗杆铰接前悬臂于行进轮上，在空气压缩箱后端各铰接有后辅轮，通过减震板来实现后悬臂的支撑。

在调音发生器上设有小号，在小号的一端设有进气阀，将回音管设置在进气阀之内，活塞杆设置在回音管之间，活塞杆与回音管匹配位置设置三连控舵机，将歧支音管设置在小号的尾端。由控制器控制启动马达，控制器由左进气管内设有的阀芯抵触气塞一侧和右进气管内设有的阀芯抵触气塞另一侧，在左右进气管分别设有左右储气罐，转把设置在气塞之上。

由单片机控制三连控舵机，MP3播放器一端与2.4G信号接收器连接，另一端通过脉冲信号转换器接入单片机上。空气压缩箱上设有充气口，通过气管将歧支音管接入喇叭，保证2.4G信号接收器与遥控器的匹配性，将气压表设置在控制器之上。

2.1 轮椅驱动装置

本文提出的气动式仿古音乐轮椅驱动装置示意图如图1所示，在图1中25代表转把、26代表气塞、27a代表左出气管、27b代表右出气管、28a代表左进气管、28b代表右进气管、29代表阀芯。整个气动式马达由控制器控制，左进气管中设有阀芯抵触气塞的一侧，右进气管中也设有阀芯抵触气塞的另一侧，从而构成控制器，左进气管的一侧设有左出气管，右进气管的一侧设有右出气管，转把设置在气塞上。在轮椅驱动装置中，为了提升使用者的稳定性和舒适性，将前辅轮与后辅轮分别安置在空气压缩箱的前端与后端，且空气压缩箱与前、后辅轮之间的铰接设有缓冲装置，行进轮是整个气动式音乐轮椅的动力轮，为了实现与地面的缓冲，将气杆设置在动力轮与箱体的铰接处。

图1 气动马达驱动控制结构示意图

本文提出的气动式仿古音乐轮椅的驱动控制核心是气动式马达，下文对气动式马达进行着重分析。

气动马达是将压缩空气压力转换为旋转机械能的装置，也称为是风动马达，气动马达分为叶片式和柱塞式两种类型，本文提出的气动仿古音乐轮椅驱动装置主要采用柱塞式气动马达。相较于叶片式气动马达来说，柱塞式气动马达的低速启动性能及制动性能及速度控制性能更加优良，在低速的时候耗气量较低，适用于轮椅驱动装置要求。柱塞式气动马达的功率随着入口压力、活塞面积、冲程、数量级速度等参数的增加而增加，极限转速则取决于运动部件的惯量，径向柱塞式气动马达属于一种低速装置，其空载速度最高能够达到3800r/min，在全速情况下，其能够承受重载，适用于启动转矩较大且低速运行的设备，如轮椅就是。在径向柱塞式气动马达中设有喷油器，如果将喷油器安装在垂直位置，则会导致润滑困难的问题出现，且维修昂贵，因此将其与曲轴安装于水平位置。

气动马达功率特性类似于串联绕组直流电机，入口气压不变的情况下，转速为零的时候功率为零，功率随着转速的增加而增加，当达到空载速度50%左右的时候，功率达到峰值，之后随着转速的增加而下降，达到空载速度时降低到零。

柱塞式气动马达由空气对活塞的作用力来驱动，压缩空气膨胀也会给予气动马达一定的动力，但此部分动力不是气动式马达主要的动力来源。对气动马达供给气压的控制是调控其工作性能的最有效方式，压缩机输出的气压要大于气动式马达设定的额定气压，以此来保证马达发出的额定功率即转矩。

气动式马达工作特性有着准确性、可以旋转及快速性的特点，十分适合于轮椅驱动装置，全过程能够实现无级调速，能够十分方便、可靠的进行速度控制。在反向旋转的过程中，气动马达能够很快达到全速状态，柱塞式马达几乎在千分之一秒内就可以达到全速。

本文提到的气动式仿古音乐轮椅驱动装置采用控制器对气动马达进行控制，通过气动马达带动行进轮运动，从而驱动整个轮椅运动。气动马达优点总结如下：（1）无级调速：只需要通过控制器对进气阀或排气阀开度进行控制就可以对压缩空气流量进行控制，从而实现对气动马达输出功率和转速的控制，从而提升了轮椅驱动控制的便利性和舒适性；（2）安全性优良：气动马达不会受到高温、电磁及振动等不良工作环境影响，且有着过载保护功能，过载时马达转速降低或停止，过载解除后方可正常运转，在整个过程中不会损坏相关部件，有效保证了轮椅行进的安全性和可靠性；（3）维修方便：气动马达结构简单、重量较轻但马力较大，在轮椅上的应用不仅方便了人员操作，且十分方便进行维修工作；（4）无污染、气体供应方便：气动马达以空气为介质，使用过后排出的空气不会对环境造成污染，不会影响人员健康，且可以实现集中供应气体；（5）启动力矩较高：气动马达有着启动力矩较大的特点，能够直接带荷载启动，且反应迅速，控制方便，适用于轮椅驱动

装置。

2.2 气动式音乐发生装置

音乐播放控制流程如图2所示。在音乐播放的过程中，首先通过压缩气体罐来释放气体，之后利用泄压阀进行减压，气体从进气阀中进入小号，从功能上来看，小号与普通人工演奏乐器结构功能基本一致，其核心控制是利用三联控舵机芯轴的收缩来演奏乐器，有遥控器、单片机、脉冲信号转换器、MP3播放器及信号接收器功能控制三联控舵机。

图2 气动式音乐发生装置控制

本文提出的气动式仿古音乐轮椅的音乐发生装置核心是三连控舵机，下面对三连控舵机及其控制原理进行分析。

舵机是一种位置（角度）伺服的驱动器，在需要不断变换角度的控制系统中应用广泛。舵机主要由外壳、电路板、无核心马达、齿轮及位置（角度）检测器构成，单片机发送信号给舵机，舵机内部有一个基准电路，其会产生周期为20ms、宽度为1.5ms的基准信号，获得直流偏置电压之后，将直流偏置电压与电位器电压进行比较，获得电压差之后进行输出。电路板上的IC对舵机的转动方向进行判断，之后驱动无核心马达转动，减速齿轮将无核心马达产生的动力传递给摆臂，位置检测器送回信号，以此来判断舵机的摆臂是否达到指定位置，电机转速一定的情况下，以级联减速齿轮来带动电位器进行旋转，电压差为0的时候电机停止转动，一般来说，舵机的旋转角度范围是0°～180°。

三联控舵机外接三根线，三根线颜色不同，分别是棕色、红色和橙色，棕色线为接地线，红色线为电源正极线，橙色线为信号线。通过对脉冲宽度调制信号占空比的调节来对三连控舵机转动角度或位置进行控制，从理论上来讲，脉宽分布在1～2ms之间，但实际上，脉宽与三联控舵机旋转角度0°～180°对应，其实际脉宽范围为0.5～2.5ms。在三联控舵机控制的过程中，需要一个20ms左右的时基脉冲，时基脉冲高电平部分为0.5～2.5ms的角度控制脉冲部分，其总间隔为2ms，具体的对应控制关系如表1所示：

表1 三联控舵机对应控制关系

时基脉冲 对应控制角度

0.5ms 0°

1.0ms 45°

1.5ms 90°

2.0ms 135°

2.5ms 180°

假设三联控舵机稳定于A点，此时单片机发出一个脉冲宽度调制信号，在整个过程中，需要一定时间舵机才能够从A点运动到B点，需要的时间设为△t，假设舵机保持运动时间为t，如果t≥△t，则代表舵机能够到达B点，且有着剩余时间，当t≤△t的时候，则代表舵机不能够达到B点，从理论上来讲，当t=△t的时候，此时系统最为连贯，舵机的运动速度最快，但在实际过程中，舵机的转速不尽相同，因此很难计算出来连贯运动时的极限△t。假设舵机1DIV=8us，此时脉冲宽度调制信号以最小变化量即1DIV=8us依此變化，则舵机的分辨率最高，但此时舵机的转速减慢。

在明确三联控舵机的控制原理之后，对气动式仿古音乐轮椅的音乐发生装置控制过程进行分析。如图2所示，遥控器发出控制信号，2.4G信号接收器接收到遥控器发出的信号，之后控制MP3播放器进行音乐播放，产生脉冲信号，脉冲信号经过脉冲信号转换器转换为电信号，单片机接收到电信号之后会向三联控舵机发送控制信号，控制信号通过三联控舵机接收机通道进入信号调制芯片，从而获得直流偏置电压，其内部存在一个基准电路，基准电路会产生基准信号，将直流偏置电压与电位器电压进行比较，以此来获取电压输出，电压差的正负输出到电机驱动芯片，以此来决定电机的转动方向（正转或反转），压缩气体罐来释放气体，之后利用泄压阀进行减压，气体从进气阀中进入小号，从功能上来看，小号与普通人工演奏乐器结构功能基本一致，通过上述对三联控舵机的控制能够控制小号播放音乐。

2.3 气动式仿古音乐轮椅优点

本文提出的气动式仿古音乐轮椅采用仿古式轮椅模式，并与现代化科学技术融合，融入了无线控制技术、气动马达驱动技术等科技手段，乘坐轮椅的使用者不仅能够将轮椅当作代步工具，在代步的过程中还能够享受到美妙的音乐。整个音乐轮椅的驱动装置及音乐发生装置都采用气动化形式，在驱动行进及音乐吹奏的过程中，不会产生杂音干扰，有着无声化的优点，使得轮椅上的使用者能够有着幽静的环境来享受美妙的音乐。此外，以气动马达为动力来源的驱动装置安全性较高、可操作性优良，能够保证音乐轮椅行进的安全性和可靠性。

3 结语

综上所述，本文提出了一种气控式仿古音乐轮椅，其驱动装置以气动马达为核心，其音乐发生装置以三联控舵机为核心，融入了现代化科学技术和无线控制技术，在代步的同时能够让使用者享受到美妙的音乐。

参考文献

[1] 秦毅.新思维 新感知——从“2009上海音乐学院国际电子音乐周”看电子音乐发展的新趋势[J].人民音乐，2010，（2）.

[2] 陈明志.生态声音互动装置在校园景观设计中的应用——以上海音乐学院为例[J].演艺科技，2010，（8）.

[3] 舒红宇，许永亮，尹亮，廖达平.新型电动轮椅差速转向驱动控制器设计与试验[J].微计算机信息，2010，（28）.

[4] 杨松林，李小龙，张莉莎，曹朋贤.双层链条丝杠式音乐花瓣自动启闭装置的设计研究[J].河北科技大学学报，2014，（3）.

[5] 张勤，王帅，范长湘.轮椅带绳驱动机械臂结构设计[J].机械设计与制造，2014，（5）.

[6] 于苏洋，王挺，王志东，王越超，姚辰，李小凡.采用单节变形履带机构的新型轮椅机器人[J].机械工程学报，2013，（13）.

[7] 左辉，黄清世.轮椅驱动机构的分析研究[J].长江大学学报（自然科学版）：理工卷，2007，（2）.

[8] 魏子贺，刘鑫，郭锐强.电力驱动轮椅装置的研究

[J].商场现代化，2012，（21）.

作者简介：曾韵（1990-），男，安徽宣城人，上海财经大学在读研究生，研究方向：金融学。

（责任编辑：黄银芳）