VRML技術結合全方位運動輪椅的應用實踐探索①

周衛(wèi)華,張德發(fā)

(臺州職業(yè)技術學院,臺州 318000)

隨著世界人口老齡化的加快以及各種事故疾病等原因導致的殘疾人數(shù)量的增加,老年人和殘疾人對于性能優(yōu)越輪椅的需求變得越來越大[1].國內外對于輪椅的研究較多,包括康復輪椅、爬樓輪椅、多功能智能輪椅等[2].輪椅的使用范圍,一般都是在戶內比較狹小的空間內進行的,因此設計出一款行走靈活、使用方便的輪椅變得十分必要.

本文所設計實現(xiàn)的全方位輪椅,能很好的滿足這種要求.使用四個全向輪組合而成的輪椅不僅能實現(xiàn)前后移動,還能實現(xiàn)橫移、原地打轉以及斜線移動[3].由于使用者的性格愛好以及自身條件的差異,使得他們對全方位輪椅的使用要求也不盡相同.

VRML 是基于Internet 的三維虛擬場景描繪標準,強調多用戶之間的相互感知,在情景創(chuàng)投、協(xié)同工作、交互性方面具有明顯的優(yōu)勢[4,5].因此,將虛擬現(xiàn)實建模語言(VRML)應用進來,不但實現(xiàn)了客戶對輪椅實時定制的需求,還可以使異地的設計者,通過網絡實現(xiàn)異地協(xié)作,并可以進行在線仿真.

1 全方位輪椅的運動分析

全向輪有多種形式,根據輥子軸線與輪子軸線所成的角度分為Mecanum 輪、連續(xù)切換輪和錐滾輪[6].Mecanum 輪又稱瑞典輪,是一種相對比較成熟的全方位輪,由輪輻和固定在外周的許多小輥子構成,輪子和輥子之間的夾角通常為45°.連續(xù)切換輪和錐滾輪本質上來說是Mecanum 輪的一種特殊情況,即輪子軸線與輥子軸線夾角為90°的情況,但是為了保證輪子與地面接觸的連續(xù)性,連續(xù)切換輪有采用大小輥子交替裝配的形式,錐滾輪采用相同圓弧錐輥的形式,如圖1所示.

文中先分析單個輪子的運動在一般情況下對全方位輪椅運動的影響,然后再根據兩種輪子的自身特點和組合方式,對全方位輪椅進行運動分析.

如圖2所示：設o點是輪椅的質心,并在此點出建立車體坐標系xoy,o’點是輪子的中心,并在此點處建立輪心坐標系x’o’y’.設輥子的滑動速度與輪子端面的夾角為β.輪心坐標系x’與車體坐標系x軸的夾角為α、v1和v2是輪椅在x軸和y軸的速度分量.輪心到輪椅質心o的距離分別為s1和s2.輪椅的轉動角速度為φ’.則根據速度的分解與合成公式可得：

其中：

將式(2)帶入式(1)求出解：

以及：

圖1 全向輪三維圖

圖2 輪椅與萬向輪的坐標系

平面運動有三個自由度,前后、左右以及原地旋轉,輪椅要實現(xiàn)全方位運動,必須要有三個獨立驅動的全向輪.三輪機構穩(wěn)定性差,五輪、六輪及以上機構冗余[7],綜上所示,采用四輪的輪椅機構,如圖3所示.

圖3 輪椅在Mecanum 輪的排布形式

對于輪1 由圖可知α =0°,β =45°,帶入式(3)可得：

同理可得其他3 個輪子的角速度的取值,寫成矩陣形式為：

由式(6)可知,通過協(xié)調輪椅四個Mecanum 輪的轉動速度,輪椅整體便能按照預期的線路進行運動.

當輪椅使用連續(xù)切換輪及錐滾輪時,四個輪子的排布方式如圖4所示,對于輪1 由圖可知：α=-45°,β=90°,帶入式(3)可得：

同理可得其他3 個輪子的角速度,寫成矩陣形式如下：

由式(8)可知,通過協(xié)調輪椅四個連續(xù)切換輪的轉動速度,輪椅整體便能按照預期的線路進行運動.

2 VRML 定制與仿真系統(tǒng)的整體設計

VRML 自身具有三維造型功能,但是造型能力較差,只能創(chuàng)建比較簡單的模型,對于像全方位輪椅這樣復雜的模型需要專用的三維建模軟件如Pro/E 等進行建模.將全方位輪椅的裝配體在Pro/E 里保存為wrl 格式文件導出便可以得到初級VRML 文件.為了后面的定制以及運動仿真編程的方便,需要對初級VRML 文件進行一定的優(yōu)化處理,這些優(yōu)化處理包括：實例重用即DEF 定義和USE 引用；刪除格式轉化過程中的不必要的面片、節(jié)點、視點等；文件的整體化以及節(jié)點的重命名[8].經過這些處理后的VRML 文件體積將會大大減小.在編輯器VRMLpad 里使用各種傳感器節(jié)點再結合編程語言javascript,完成交互定制系統(tǒng)和運動仿真系統(tǒng)的編程.為了滿足客戶的網絡瀏覽要求,可以用網頁制作軟件Dreamweaver 等將VRML 文件和網頁進行整合后上傳至網絡服務器[9].系統(tǒng)的整體實現(xiàn)過程如圖5所示.

圖4 輪椅在切換輪及錐滾輪的排布方式

3 定制交互的實現(xiàn)

本系統(tǒng)中的實時定制主要通過點擊相應的按鈕實現(xiàn)座椅顏色外觀的改變以及輪椅的輪子形式的實時替換.場景中的節(jié)點由域和事件組成,其中域的取值決定了節(jié)點所創(chuàng)建的造型或場景環(huán)境的當前狀態(tài),事件則為節(jié)點提供了接收外界信息或向外界發(fā)送信息的能力.節(jié)點通過事件入口(eventIn)接受來自其他節(jié)點的信息改變自己的原有域值,通過事件出口(eventOut)發(fā)送自己的信息以改變其他節(jié)點的域值.只用VRML 自帶的節(jié)點還不能順利完成實時定制的要求,必須將JavaScript語言應用進去,利用JavaScript 編寫一定的函數(shù),然后通過路由將VRML 自帶的各種傳感器節(jié)點中的出事件、入事件等將函數(shù)與傳感器節(jié)點聯(lián)系起來[10].以輪子形式的實時替換為例,用到的VRML 傳感器節(jié)點有Touchsensor 節(jié)點、Timesensor 節(jié)點以及switch 節(jié)點等.在建模過程中,分別建立了mecanum 輪、連續(xù)切換輪和錐滾輪三種形式的全向輪,把三種形式輪子分別設定為Switch 節(jié)點的場景造型子節(jié)點列表,通過改變which Choice 域的域值可以切換三個場景子節(jié)點的顯示[11].使用javascript 編寫函數(shù)通過Touchsensor 的出事件作為輸入,改變whichChoice 的值從而來改變模型中顯示的輪子形式.三種不同參數(shù)下的輪椅外觀如圖6所示.

圖5 系統(tǒng)實現(xiàn)過程

4 運動仿真的實現(xiàn)

在系統(tǒng)中可以對輪椅進行直走、橫走、斜走、原地打轉等四種運動形式的仿真.客戶只需要點擊相應的仿真按鈕就可以實時觀看到輪椅運動的效果.這里用到的傳感器節(jié)點有Touchsencor 節(jié)點、Timesensor節(jié)點、PositionInterpolator 節(jié)點、以及Collision 節(jié)點等.由于全方位輪子的特殊性,在仿真過程中不但要分別設置輪子與輥子的轉動,還要考慮二者的協(xié)調性.因為只有與地面接觸的輥子才是轉動的,而每個輥子何時與地面接觸又與輪子的轉動相關聯(lián).因此用碰撞節(jié)點實時檢測輪子上的各個輥子與地面的接觸情況,當檢測到輥子地面接觸時,此輥子轉動,否則不轉動[12].具體的控制流程圖如圖7所示.

圖6 實時定制效果圖

圖7 仿真控制流程圖

圖8 輪椅運動仿真

5 結論

本文介紹了基于VRML 的全方位輪椅實時定時與運動仿真系統(tǒng),詳細介紹了整個系統(tǒng)的實現(xiàn)過程,從三維模型的建立到最后完成實時定制及運動仿真功能的實現(xiàn).VRML 技術結合運動輪椅的應用,對于教學研究或者是定制性應用開發(fā)都有實際意義和技術參考價值.同時,該系統(tǒng)在定制的實時性、實用性等方面的性能還需進一步的驗證及優(yōu)化.