氣控式仿古音樂輪椅的開發與設計探討

摘要：文章分析了一種氣控式仿古音樂輪椅的開發與設計，從背景技術分析著手，明確了氣控式仿古音樂輪椅的主要結構，并探討了其驅動裝置和隱約發生裝置的開發與設計實現，旨在為相關研究與實踐提供參考。

關鍵詞：氣控式；仿古形式；音樂輪椅；驅動裝置；音樂發生裝置 文獻標識碼：A

中圖分類號：TH122 文章編號：1009-2374（2017）02-0009-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2017.02.005

輪椅不僅是重要的康復工具，也是殘疾人士的重要代步工具，能夠幫助殘疾人士進行身體鍛煉或參加社會活動。腿部殘障人士每天只能坐在輪椅上，面臨著眾多痛苦和無奈，如何調節他們的心理狀態，使其追尋生活的多彩和生命的意義是全社會需要關注的問題。音樂是一門帶有“魔力”的藝術，其能夠陶冶人們的情操，有著心理治療功能，對人們心理健康有著積極的作用，一些意境深遠的曲子能夠讓人們從惆悵和傷感中走出來，變得充滿自信和心情舒暢。無論是現代音樂還是古典音樂，只要在音樂的海洋中就能夠調節身心、安神靜心。而對于坐在輪椅上的殘障人士來說，音樂的調節作用可謂是大有裨益的。基于這個思路，本文提出了一種氣控式仿古音樂輪椅，將代步功能與音樂功能融合在一起，乘坐輪椅的使用者不僅能夠將輪椅當作代步工具，在代步的過程中還能夠享受到美妙的音樂。

1 背景技術分析

音樂是反映人類現實生活情感的一種藝術，可以將其分為聲樂和器樂兩種類型，相較于其他藝術而言，音樂藝術有著抽象性的特點，從地域上來看，東方以中國為首的中國古代理論基礎是五聲音階，即宮、商、角、徵、羽，而西方則是以七聲音階為主，即1、2、3、4、5、6、7。音樂能夠陶冶情操，為人們帶來良好的聽覺感受。樂器指的是能夠發出樂音并能夠進行音樂藝術再創造的器具，人們演奏樂器的過程實質上也是表達和交流思想感情的過程。對于樂器的界定，音樂界和樂器界有著不同的觀點。音樂界認為，樂器是用于音樂的發生器。而樂器界對樂器的定義范疇更為廣泛，將一些非音樂領域中的發生器也歸為了樂器的范疇，例如宗教中的祈禱誦經、商販招攬販賣的信號旗、戰爭的鳴金擊鼓等都歸為了樂器的范疇，甚至人們日常生活和生產勞動的器皿在演奏過程中也冠以樂名，例如樂弓、樂杵、樂杯等。而對于樂器生產界來說，主要涉及到的是音樂領域中的樂器，即可以進行音樂藝術再創造的樂器，除此之外，馬鈴、車船喇叭等也有生產。相較于一般工業生產來說，樂器的生產有著一定的特殊性，其不僅對外觀造型有著較高的要求，同時要求樂器必須有著優良的聲學品質，例如良好的音色、能夠達到規定的音準高度等，這就使得樂器生產在選材上異常嚴格。

隨著中國國民經濟的發展和城鎮化進程的加快，國家對文體產業的發展日益重視，出臺了各種政策措施來支持文體產業發展，在這樣的背景下，作為文體產業中的朝陽產業，樂器制造業也獲得了良好的發展機遇。就目前來看，中國樂器制造業的工業生產體系逐步趨于完善，基本上能夠加工世界上所有的大類樂器，品種眾多、門類齊全。

2 實施方式

將座椅設置在空氣壓縮箱上，空氣壓縮箱兩側鉸接行錦綸，在空氣壓縮箱前端，通過阻尼鉸鏈鉸接腳踏板，在腳踏板兩側各自設有前輔輪，前輔輪通過旗桿鉸接前懸臂于行進輪上，在空氣壓縮箱后端各鉸接有后輔輪，通過減震板來實現后懸臂的支撐。

在調音發生器上設有小號，在小號的一端設有進氣閥，將回音管設置在進氣閥之內，活塞桿設置在回音管之間，活塞桿與回音管匹配位置設置三連控舵機，將歧支音管設置在小號的尾端。由控制器控制啟動馬達，控制器由左進氣管內設有的閥芯抵觸氣塞一側和右進氣管內設有的閥芯抵觸氣塞另一側，在左右進氣管分別設有左右儲氣罐，轉把設置在氣塞之上。

由單片機控制三連控舵機，MP3播放器一端與2.4G信號接收器連接，另一端通過脈沖信號轉換器接入單片機上。空氣壓縮箱上設有充氣口，通過氣管將歧支音管接入喇叭，保證2.4G信號接收器與遙控器的匹配性，將氣壓表設置在控制器之上。

2.1 輪椅驅動裝置

本文提出的氣動式仿古音樂輪椅驅動裝置示意圖如圖1所示，在圖1中25代表轉把、26代表氣塞、27a代表左出氣管、27b代表右出氣管、28a代表左進氣管、28b代表右進氣管、29代表閥芯。整個氣動式馬達由控制器控制，左進氣管中設有閥芯抵觸氣塞的一側，右進氣管中也設有閥芯抵觸氣塞的另一側，從而構成控制器，左進氣管的一側設有左出氣管，右進氣管的一側設有右出氣管，轉把設置在氣塞上。在輪椅驅動裝置中，為了提升使用者的穩定性和舒適性，將前輔輪與后輔輪分別安置在空氣壓縮箱的前端與后端，且空氣壓縮箱與前、后輔輪之間的鉸接設有緩沖裝置，行進輪是整個氣動式音樂輪椅的動力輪，為了實現與地面的緩沖，將氣桿設置在動力輪與箱體的鉸接處。

圖1 氣動馬達驅動控制結構示意圖

本文提出的氣動式仿古音樂輪椅的驅動控制核心是氣動式馬達，下文對氣動式馬達進行著重分析。

氣動馬達是將壓縮空氣壓力轉換為旋轉機械能的裝置，也稱為是風動馬達，氣動馬達分為葉片式和柱塞式兩種類型，本文提出的氣動仿古音樂輪椅驅動裝置主要采用柱塞式氣動馬達。相較于葉片式氣動馬達來說，柱塞式氣動馬達的低速啟動性能及制動性能及速度控制性能更加優良，在低速的時候耗氣量較低，適用于輪椅驅動裝置要求。柱塞式氣動馬達的功率隨著入口壓力、活塞面積、沖程、數量級速度等參數的增加而增加，極限轉速則取決于運動部件的慣量，徑向柱塞式氣動馬達屬于一種低速裝置，其空載速度最高能夠達到3800r/min，在全速情況下，其能夠承受重載，適用于啟動轉矩較大且低速運行的設備，如輪椅就是。在徑向柱塞式氣動馬達中設有噴油器，如果將噴油器安裝在垂直位置，則會導致潤滑困難的問題出現，且維修昂貴，因此將其與曲軸安裝于水平位置。

氣動馬達功率特性類似于串聯繞組直流電機，入口氣壓不變的情況下，轉速為零的時候功率為零，功率隨著轉速的增加而增加，當達到空載速度50%左右的時候，功率達到峰值，之后隨著轉速的增加而下降，達到空載速度時降低到零。

柱塞式氣動馬達由空氣對活塞的作用力來驅動，壓縮空氣膨脹也會給予氣動馬達一定的動力，但此部分動力不是氣動式馬達主要的動力來源。對氣動馬達供給氣壓的控制是調控其工作性能的最有效方式，壓縮機輸出的氣壓要大于氣動式馬達設定的額定氣壓，以此來保證馬達發出的額定功率即轉矩。

氣動式馬達工作特性有著準確性、可以旋轉及快速性的特點，十分適合于輪椅驅動裝置，全過程能夠實現無級調速，能夠十分方便、可靠的進行速度控制。在反向旋轉的過程中，氣動馬達能夠很快達到全速狀態，柱塞式馬達幾乎在千分之一秒內就可以達到全速。

本文提到的氣動式仿古音樂輪椅驅動裝置采用控制器對氣動馬達進行控制，通過氣動馬達帶動行進輪運動，從而驅動整個輪椅運動。氣動馬達優點總結如下：（1）無級調速：只需要通過控制器對進氣閥或排氣閥開度進行控制就可以對壓縮空氣流量進行控制，從而實現對氣動馬達輸出功率和轉速的控制，從而提升了輪椅驅動控制的便利性和舒適性；（2）安全性優良：氣動馬達不會受到高溫、電磁及振動等不良工作環境影響，且有著過載保護功能，過載時馬達轉速降低或停止，過載解除后方可正常運轉，在整個過程中不會損壞相關部件，有效保證了輪椅行進的安全性和可靠性；（3）維修方便：氣動馬達結構簡單、重量較輕但馬力較大，在輪椅上的應用不僅方便了人員操作，且十分方便進行維修工作；（4）無污染、氣體供應方便：氣動馬達以空氣為介質，使用過后排出的空氣不會對環境造成污染，不會影響人員健康，且可以實現集中供應氣體；（5）啟動力矩較高：氣動馬達有著啟動力矩較大的特點，能夠直接帶荷載啟動，且反應迅速，控制方便，適用于輪椅驅動

裝置。

2.2 氣動式音樂發生裝置

音樂播放控制流程如圖2所示。在音樂播放的過程中，首先通過壓縮氣體罐來釋放氣體，之后利用泄壓閥進行減壓，氣體從進氣閥中進入小號，從功能上來看，小號與普通人工演奏樂器結構功能基本一致，其核心控制是利用三聯控舵機芯軸的收縮來演奏樂器，有遙控器、單片機、脈沖信號轉換器、MP3播放器及信號接收器功能控制三聯控舵機。

圖2 氣動式音樂發生裝置控制

本文提出的氣動式仿古音樂輪椅的音樂發生裝置核心是三連控舵機，下面對三連控舵機及其控制原理進行分析。

舵機是一種位置（角度）伺服的驅動器，在需要不斷變換角度的控制系統中應用廣泛。舵機主要由外殼、電路板、無核心馬達、齒輪及位置（角度）檢測器構成，單片機發送信號給舵機，舵機內部有一個基準電路，其會產生周期為20ms、寬度為1.5ms的基準信號，獲得直流偏置電壓之后，將直流偏置電壓與電位器電壓進行比較，獲得電壓差之后進行輸出。電路板上的IC對舵機的轉動方向進行判斷，之后驅動無核心馬達轉動，減速齒輪將無核心馬達產生的動力傳遞給擺臂，位置檢測器送回信號，以此來判斷舵機的擺臂是否達到指定位置，電機轉速一定的情況下，以級聯減速齒輪來帶動電位器進行旋轉，電壓差為0的時候電機停止轉動，一般來說，舵機的旋轉角度范圍是0°～180°。

三聯控舵機外接三根線，三根線顏色不同，分別是棕色、紅色和橙色，棕色線為接地線，紅色線為電源正極線，橙色線為信號線。通過對脈沖寬度調制信號占空比的調節來對三連控舵機轉動角度或位置進行控制，從理論上來講，脈寬分布在1～2ms之間，但實際上，脈寬與三聯控舵機旋轉角度0°～180°對應，其實際脈寬范圍為0.5～2.5ms。在三聯控舵機控制的過程中，需要一個20ms左右的時基脈沖，時基脈沖高電平部分為0.5～2.5ms的角度控制脈沖部分，其總間隔為2ms，具體的對應控制關系如表1所示：

表1 三聯控舵機對應控制關系

時基脈沖 對應控制角度

0.5ms 0°

1.0ms 45°

1.5ms 90°

2.0ms 135°

2.5ms 180°

假設三聯控舵機穩定于A點，此時單片機發出一個脈沖寬度調制信號，在整個過程中，需要一定時間舵機才能夠從A點運動到B點，需要的時間設為△t，假設舵機保持運動時間為t，如果t≥△t，則代表舵機能夠到達B點，且有著剩余時間，當t≤△t的時候，則代表舵機不能夠達到B點，從理論上來講，當t=△t的時候，此時系統最為連貫，舵機的運動速度最快，但在實際過程中，舵機的轉速不盡相同，因此很難計算出來連貫運動時的極限△t。假設舵機1DIV=8us，此時脈沖寬度調制信號以最小變化量即1DIV=8us依此變化，則舵機的分辨率最高，但此時舵機的轉速減慢。

在明確三聯控舵機的控制原理之后，對氣動式仿古音樂輪椅的音樂發生裝置控制過程進行分析。如圖2所示，遙控器發出控制信號，2.4G信號接收器接收到遙控器發出的信號，之后控制MP3播放器進行音樂播放，產生脈沖信號，脈沖信號經過脈沖信號轉換器轉換為電信號，單片機接收到電信號之后會向三聯控舵機發送控制信號，控制信號通過三聯控舵機接收機通道進入信號調制芯片，從而獲得直流偏置電壓，其內部存在一個基準電路，基準電路會產生基準信號，將直流偏置電壓與電位器電壓進行比較，以此來獲取電壓輸出，電壓差的正負輸出到電機驅動芯片，以此來決定電機的轉動方向（正轉或反轉），壓縮氣體罐來釋放氣體，之后利用泄壓閥進行減壓，氣體從進氣閥中進入小號，從功能上來看，小號與普通人工演奏樂器結構功能基本一致，通過上述對三聯控舵機的控制能夠控制小號播放音樂。

2.3 氣動式仿古音樂輪椅優點

本文提出的氣動式仿古音樂輪椅采用仿古式輪椅模式，并與現代化科學技術融合，融入了無線控制技術、氣動馬達驅動技術等科技手段，乘坐輪椅的使用者不僅能夠將輪椅當作代步工具，在代步的過程中還能夠享受到美妙的音樂。整個音樂輪椅的驅動裝置及音樂發生裝置都采用氣動化形式，在驅動行進及音樂吹奏的過程中，不會產生雜音干擾，有著無聲化的優點，使得輪椅上的使用者能夠有著幽靜的環境來享受美妙的音樂。此外，以氣動馬達為動力來源的驅動裝置安全性較高、可操作性優良，能夠保證音樂輪椅行進的安全性和可靠性。

3 結語

綜上所述，本文提出了一種氣控式仿古音樂輪椅，其驅動裝置以氣動馬達為核心，其音樂發生裝置以三聯控舵機為核心，融入了現代化科學技術和無線控制技術，在代步的同時能夠讓使用者享受到美妙的音樂。

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作者簡介：曾韻（1990-），男，安徽宣城人，上海財經大學在讀研究生，研究方向：金融學。

（責任編輯：黃銀芳）