氣控式仿古音樂(lè)輪椅的開(kāi)發(fā)與設(shè)計(jì)探討

摘要：文章分析了一種氣控式仿古音樂(lè)輪椅的開(kāi)發(fā)與設(shè)計(jì)，從背景技術(shù)分析著手，明確了氣控式仿古音樂(lè)輪椅的主要結(jié)構(gòu)，并探討了其驅(qū)動(dòng)裝置和隱約發(fā)生裝置的開(kāi)發(fā)與設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，旨在為相關(guān)研究與實(shí)踐提供參考。

關(guān)鍵詞：氣控式；仿古形式；音樂(lè)輪椅；驅(qū)動(dòng)裝置；音樂(lè)發(fā)生裝置 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類(lèi)號(hào)：TH122 文章編號(hào)：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(fù)工具，也是殘疾人士的重要代步工具，能夠幫助殘疾人士進(jìn)行身體鍛煉或參加社會(huì)活動(dòng)。腿部殘障人士每天只能坐在輪椅上，面臨著眾多痛苦和無(wú)奈，如何調(diào)節(jié)他們的心理狀態(tài)，使其追尋生活的多彩和生命的意義是全社會(huì)需要關(guān)注的問(wèn)題。音樂(lè)是一門(mén)帶有“魔力”的藝術(shù)，其能夠陶冶人們的情操，有著心理治療功能，對(duì)人們心理健康有著積極的作用，一些意境深遠(yuǎn)的曲子能夠讓人們從惆悵和傷感中走出來(lái)，變得充滿(mǎn)自信和心情舒暢。無(wú)論是現(xiàn)代音樂(lè)還是古典音樂(lè)，只要在音樂(lè)的海洋中就能夠調(diào)節(jié)身心、安神靜心。而對(duì)于坐在輪椅上的殘障人士來(lái)說(shuō)，音樂(lè)的調(diào)節(jié)作用可謂是大有裨益的?；谶@個(gè)思路，本文提出了一種氣控式仿古音樂(lè)輪椅，將代步功能與音樂(lè)功能融合在一起，乘坐輪椅的使用者不僅能夠?qū)⑤喴萎?dāng)作代步工具，在代步的過(guò)程中還能夠享受到美妙的音樂(lè)。

1 背景技術(shù)分析

音樂(lè)是反映人類(lèi)現(xiàn)實(shí)生活情感的一種藝術(shù)，可以將其分為聲樂(lè)和器樂(lè)兩種類(lèi)型，相較于其他藝術(shù)而言，音樂(lè)藝術(shù)有著抽象性的特點(diǎn)，從地域上來(lái)看，東方以中國(guó)為首的中國(guó)古代理論基礎(chǔ)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(lè)能夠陶冶情操，為人們帶來(lái)良好的聽(tīng)覺(jué)感受。樂(lè)器指的是能夠發(fā)出樂(lè)音并能夠進(jìn)行音樂(lè)藝術(shù)再創(chuàng)造的器具，人們演奏樂(lè)器的過(guò)程實(shí)質(zhì)上也是表達(dá)和交流思想感情的過(guò)程。對(duì)于樂(lè)器的界定，音樂(lè)界和樂(lè)器界有著不同的觀(guān)點(diǎn)。音樂(lè)界認(rèn)為，樂(lè)器是用于音樂(lè)的發(fā)生器。而樂(lè)器界對(duì)樂(lè)器的定義范疇更為廣泛，將一些非音樂(lè)領(lǐng)域中的發(fā)生器也歸為了樂(lè)器的范疇，例如宗教中的祈禱誦經(jīng)、商販招攬販賣(mài)的信號(hào)旗、戰(zhàn)爭(zhēng)的鳴金擊鼓等都?xì)w為了樂(lè)器的范疇，甚至人們?nèi)粘Ｉ詈蜕a(chǎn)勞動(dòng)的器皿在演奏過(guò)程中也冠以樂(lè)名，例如樂(lè)弓、樂(lè)杵、樂(lè)杯等。而對(duì)于樂(lè)器生產(chǎn)界來(lái)說(shuō)，主要涉及到的是音樂(lè)領(lǐng)域中的樂(lè)器，即可以進(jìn)行音樂(lè)藝術(shù)再創(chuàng)造的樂(lè)器，除此之外，馬鈴、車(chē)船喇叭等也有生產(chǎn)。相較于一般工業(yè)生產(chǎn)來(lái)說(shuō)，樂(lè)器的生產(chǎn)有著一定的特殊性，其不僅對(duì)外觀(guān)造型有著較高的要求，同時(shí)要求樂(lè)器必須有著優(yōu)良的聲學(xué)品質(zhì)，例如良好的音色、能夠達(dá)到規(guī)定的音準(zhǔn)高度等，這就使得樂(lè)器生產(chǎn)在選材上異常嚴(yán)格。

隨著中國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和城鎮(zhèn)化進(jìn)程的加快，國(guó)家對(duì)文體產(chǎn)業(yè)的發(fā)展日益重視，出臺(tái)了各種政策措施來(lái)支持文體產(chǎn)業(yè)發(fā)展，在這樣的背景下，作為文體產(chǎn)業(yè)中的朝陽(yáng)產(chǎn)業(yè)，樂(lè)器制造業(yè)也獲得了良好的發(fā)展機(jī)遇。就目前來(lái)看，中國(guó)樂(lè)器制造業(yè)的工業(yè)生產(chǎn)體系逐步趨于完善，基本上能夠加工世界上所有的大類(lèi)樂(lè)器，品種眾多、門(mén)類(lèi)齊全。

2 實(shí)施方式

將座椅設(shè)置在空氣壓縮箱上，空氣壓縮箱兩側(cè)鉸接行錦綸，在空氣壓縮箱前端，通過(guò)阻尼鉸鏈鉸接腳踏板，在腳踏板兩側(cè)各自設(shè)有前輔輪，前輔輪通過(guò)旗桿鉸接前懸臂于行進(jìn)輪上，在空氣壓縮箱后端各鉸接有后輔輪，通過(guò)減震板來(lái)實(shí)現(xiàn)后懸臂的支撐。

在調(diào)音發(fā)生器上設(shè)有小號(hào)，在小號(hào)的一端設(shè)有進(jìn)氣閥，將回音管設(shè)置在進(jìn)氣閥之內(nèi)，活塞桿設(shè)置在回音管之間，活塞桿與回音管匹配位置設(shè)置三連控舵機(jī)，將歧支音管設(shè)置在小號(hào)的尾端。由控制器控制啟動(dòng)馬達(dá)，控制器由左進(jìn)氣管內(nèi)設(shè)有的閥芯抵觸氣塞一側(cè)和右進(jìn)氣管內(nèi)設(shè)有的閥芯抵觸氣塞另一側(cè)，在左右進(jìn)氣管分別設(shè)有左右儲(chǔ)氣罐，轉(zhuǎn)把設(shè)置在氣塞之上。

由單片機(jī)控制三連控舵機(jī)，MP3播放器一端與2.4G信號(hào)接收器連接，另一端通過(guò)脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換器接入單片機(jī)上?？諝鈮嚎s箱上設(shè)有充氣口，通過(guò)氣管將歧支音管接入喇叭，保證2.4G信號(hào)接收器與遙控器的匹配性，將氣壓表設(shè)置在控制器之上。

2.1 輪椅驅(qū)動(dòng)裝置

本文提出的氣動(dòng)式仿古音樂(lè)輪椅驅(qū)動(dòng)裝置示意圖如圖1所示，在圖1中25代表轉(zhuǎn)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(jìn)氣管、28b代表右進(jìn)氣管、29代表閥芯。整個(gè)氣動(dòng)式馬達(dá)由控制器控制，左進(jìn)氣管中設(shè)有閥芯抵觸氣塞的一側(cè)，右進(jìn)氣管中也設(shè)有閥芯抵觸氣塞的另一側(cè)，從而構(gòu)成控制器，左進(jìn)氣管的一側(cè)設(shè)有左出氣管，右進(jìn)氣管的一側(cè)設(shè)有右出氣管，轉(zhuǎn)把設(shè)置在氣塞上。在輪椅驅(qū)動(dòng)裝置中，為了提升使用者的穩(wěn)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(shè)有緩沖裝置，行進(jìn)輪是整個(gè)氣動(dòng)式音樂(lè)輪椅的動(dòng)力輪，為了實(shí)現(xiàn)與地面的緩沖，將氣桿設(shè)置在動(dòng)力輪與箱體的鉸接處。

圖1 氣動(dòng)馬達(dá)驅(qū)動(dòng)控制結(jié)構(gòu)示意圖

本文提出的氣動(dòng)式仿古音樂(lè)輪椅的驅(qū)動(dòng)控制核心是氣動(dòng)式馬達(dá)，下文對(duì)氣動(dòng)式馬達(dá)進(jìn)行著重分析。

氣動(dòng)馬達(dá)是將壓縮空氣壓力轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)機(jī)械能的裝置，也稱(chēng)為是風(fēng)動(dòng)馬達(dá)，氣動(dòng)馬達(dá)分為葉片式和柱塞式兩種類(lèi)型，本文提出的氣動(dòng)仿古音樂(lè)輪椅驅(qū)動(dòng)裝置主要采用柱塞式氣動(dòng)馬達(dá)。相較于葉片式氣動(dòng)馬達(dá)來(lái)說(shuō)，柱塞式氣動(dòng)馬達(dá)的低速啟動(dòng)性能及制動(dòng)性能及速度控制性能更加優(yōu)良，在低速的時(shí)候耗氣量較低，適用于輪椅驅(qū)動(dòng)裝置要求。柱塞式氣動(dòng)馬達(dá)的功率隨著入口壓力、活塞面積、沖程、數(shù)量級(jí)速度等參數(shù)的增加而增加，極限轉(zhuǎn)速則取決于運(yùn)動(dòng)部件的慣量，徑向柱塞式氣動(dòng)馬達(dá)屬于一種低速裝置，其空載速度最高能夠達(dá)到3800r/min，在全速情況下，其能夠承受重載，適用于啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩較大且低速運(yùn)行的設(shè)備，如輪椅就是。在徑向柱塞式氣動(dòng)馬達(dá)中設(shè)有噴油器，如果將噴油器安裝在垂直位置，則會(huì)導(dǎo)致潤(rùn)滑困難的問(wèn)題出現(xiàn)，且維修昂貴，因此將其與曲軸安裝于水平位置。

氣動(dòng)馬達(dá)功率特性類(lèi)似于串聯(lián)繞組直流電機(jī)，入口氣壓不變的情況下，轉(zhuǎn)速為零的時(shí)候功率為零，功率隨著轉(zhuǎn)速的增加而增加，當(dāng)達(dá)到空載速度50%左右的時(shí)候，功率達(dá)到峰值，之后隨著轉(zhuǎn)速的增加而下降，達(dá)到空載速度時(shí)降低到零。

柱塞式氣動(dòng)馬達(dá)由空氣對(duì)活塞的作用力來(lái)驅(qū)動(dòng)，壓縮空氣膨脹也會(huì)給予氣動(dòng)馬達(dá)一定的動(dòng)力，但此部分動(dòng)力不是氣動(dòng)式馬達(dá)主要的動(dòng)力來(lái)源。對(duì)氣動(dòng)馬達(dá)供給氣壓的控制是調(diào)控其工作性能的最有效方式，壓縮機(jī)輸出的氣壓要大于氣動(dòng)式馬達(dá)設(shè)定的額定氣壓，以此來(lái)保證馬達(dá)發(fā)出的額定功率即轉(zhuǎn)矩。

氣動(dòng)式馬達(dá)工作特性有著準(zhǔn)確性、可以旋轉(zhuǎn)及快速性的特點(diǎn)，十分適合于輪椅驅(qū)動(dòng)裝置，全過(guò)程能夠?qū)崿F(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速，能夠十分方便、可靠的進(jìn)行速度控制。在反向旋轉(zhuǎn)的過(guò)程中，氣動(dòng)馬達(dá)能夠很快達(dá)到全速狀態(tài)，柱塞式馬達(dá)幾乎在千分之一秒內(nèi)就可以達(dá)到全速。

本文提到的氣動(dòng)式仿古音樂(lè)輪椅驅(qū)動(dòng)裝置采用控制器對(duì)氣動(dòng)馬達(dá)進(jìn)行控制，通過(guò)氣動(dòng)馬達(dá)帶動(dòng)行進(jìn)輪運(yùn)動(dòng)，從而驅(qū)動(dòng)整個(gè)輪椅運(yùn)動(dòng)。氣動(dòng)馬達(dá)優(yōu)點(diǎn)總結(jié)如下：（1）無(wú)級(jí)調(diào)速：只需要通過(guò)控制器對(duì)進(jìn)氣閥或排氣閥開(kāi)度進(jìn)行控制就可以對(duì)壓縮空氣流量進(jìn)行控制，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)氣動(dòng)馬達(dá)輸出功率和轉(zhuǎn)速的控制，從而提升了輪椅驅(qū)動(dòng)控制的便利性和舒適性；（2）安全性?xún)?yōu)良：氣動(dòng)馬達(dá)不會(huì)受到高溫、電磁及振動(dòng)等不良工作環(huán)境影響，且有著過(guò)載保護(hù)功能，過(guò)載時(shí)馬達(dá)轉(zhuǎn)速降低或停止，過(guò)載解除后方可正常運(yùn)轉(zhuǎn)，在整個(gè)過(guò)程中不會(huì)損壞相關(guān)部件，有效保證了輪椅行進(jìn)的安全性和可靠性；（3）維修方便：氣動(dòng)馬達(dá)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、重量較輕但馬力較大，在輪椅上的應(yīng)用不僅方便了人員操作，且十分方便進(jìn)行維修工作；（4）無(wú)污染、氣體供應(yīng)方便：氣動(dòng)馬達(dá)以空氣為介質(zhì)，使用過(guò)后排出的空氣不會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染，不會(huì)影響人員健康，且可以實(shí)現(xiàn)集中供應(yīng)氣體；（5）啟動(dòng)力矩較高：氣動(dòng)馬達(dá)有著啟動(dòng)力矩較大的特點(diǎn)，能夠直接帶荷載啟動(dòng)，且反應(yīng)迅速，控制方便，適用于輪椅驅(qū)動(dòng)

裝置。

2.2 氣動(dòng)式音樂(lè)發(fā)生裝置

音樂(lè)播放控制流程如圖2所示。在音樂(lè)播放的過(guò)程中，首先通過(guò)壓縮氣體罐來(lái)釋放氣體，之后利用泄壓閥進(jìn)行減壓，氣體從進(jìn)氣閥中進(jìn)入小號(hào)，從功能上來(lái)看，小號(hào)與普通人工演奏樂(lè)器結(jié)構(gòu)功能基本一致，其核心控制是利用三聯(lián)控舵機(jī)芯軸的收縮來(lái)演奏樂(lè)器，有遙控器、單片機(jī)、脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換器、MP3播放器及信號(hào)接收器功能控制三聯(lián)控舵機(jī)。

圖2 氣動(dòng)式音樂(lè)發(fā)生裝置控制

本文提出的氣動(dòng)式仿古音樂(lè)輪椅的音樂(lè)發(fā)生裝置核心是三連控舵機(jī)，下面對(duì)三連控舵機(jī)及其控制原理進(jìn)行分析。

舵機(jī)是一種位置（角度）伺服的驅(qū)動(dòng)器，在需要不斷變換角度的控制系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛。舵機(jī)主要由外殼、電路板、無(wú)核心馬達(dá)、齒輪及位置（角度）檢測(cè)器構(gòu)成，單片機(jī)發(fā)送信號(hào)給舵機(jī)，舵機(jī)內(nèi)部有一個(gè)基準(zhǔn)電路，其會(huì)產(chǎn)生周期為20ms、寬度為1.5ms的基準(zhǔn)信號(hào)，獲得直流偏置電壓之后，將直流偏置電壓與電位器電壓進(jìn)行比較，獲得電壓差之后進(jìn)行輸出。電路板上的IC對(duì)舵機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向進(jìn)行判斷，之后驅(qū)動(dòng)無(wú)核心馬達(dá)轉(zhuǎn)動(dòng)，減速齒輪將無(wú)核心馬達(dá)產(chǎn)生的動(dòng)力傳遞給擺臂，位置檢測(cè)器送回信號(hào)，以此來(lái)判斷舵機(jī)的擺臂是否達(dá)到指定位置，電機(jī)轉(zhuǎn)速一定的情況下，以級(jí)聯(lián)減速齒輪來(lái)帶動(dòng)電位器進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，電壓差為0的時(shí)候電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，一般來(lái)說(shuō)，舵機(jī)的旋轉(zhuǎn)角度范圍是0°～180°。

三聯(lián)控舵機(jī)外接三根線(xiàn)，三根線(xiàn)顏色不同，分別是棕色、紅色和橙色，棕色線(xiàn)為接地線(xiàn)，紅色線(xiàn)為電源正極線(xiàn)，橙色線(xiàn)為信號(hào)線(xiàn)。通過(guò)對(duì)脈沖寬度調(diào)制信號(hào)占空比的調(diào)節(jié)來(lái)對(duì)三連控舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角度或位置進(jìn)行控制，從理論上來(lái)講，脈寬分布在1～2ms之間，但實(shí)際上，脈寬與三聯(lián)控舵機(jī)旋轉(zhuǎn)角度0°～180°對(duì)應(yīng)，其實(shí)際脈寬范圍為0.5～2.5ms。在三聯(lián)控舵機(jī)控制的過(guò)程中，需要一個(gè)20ms左右的時(shí)基脈沖，時(shí)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(duì)應(yīng)控制關(guān)系如表1所示：

表1 三聯(lián)控舵機(jī)對(duì)應(yīng)控制關(guān)系

時(shí)基脈沖 對(duì)應(yīng)控制角度

0.5ms 0°

1.0ms 45°

1.5ms 90°

2.0ms 135°

2.5ms 180°

假設(shè)三聯(lián)控舵機(jī)穩(wěn)定于A(yíng)點(diǎn)，此時(shí)單片機(jī)發(fā)出一個(gè)脈沖寬度調(diào)制信號(hào)，在整個(gè)過(guò)程中，需要一定時(shí)間舵機(jī)才能夠從A點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到B點(diǎn)，需要的時(shí)間設(shè)為△t，假設(shè)舵機(jī)保持運(yùn)動(dòng)時(shí)間為t，如果t≥△t，則代表舵機(jī)能夠到達(dá)B點(diǎn)，且有著剩余時(shí)間，當(dāng)t≤△t的時(shí)候，則代表舵機(jī)不能夠達(dá)到B點(diǎn)，從理論上來(lái)講，當(dāng)t=△t的時(shí)候，此時(shí)系統(tǒng)最為連貫，舵機(jī)的運(yùn)動(dòng)速度最快，但在實(shí)際過(guò)程中，舵機(jī)的轉(zhuǎn)速不盡相同，因此很難計(jì)算出來(lái)連貫運(yùn)動(dòng)時(shí)的極限△t。假設(shè)舵機(jī)1DIV=8us，此時(shí)脈沖寬度調(diào)制信號(hào)以最小變化量即1DIV=8us依此變化，則舵機(jī)的分辨率最高，但此時(shí)舵機(jī)的轉(zhuǎn)速減慢。

在明確三聯(lián)控舵機(jī)的控制原理之后，對(duì)氣動(dòng)式仿古音樂(lè)輪椅的音樂(lè)發(fā)生裝置控制過(guò)程進(jìn)行分析。如圖2所示，遙控器發(fā)出控制信號(hào)，2.4G信號(hào)接收器接收到遙控器發(fā)出的信號(hào)，之后控制MP3播放器進(jìn)行音樂(lè)播放，產(chǎn)生脈沖信號(hào)，脈沖信號(hào)經(jīng)過(guò)脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，單片機(jī)接收到電信號(hào)之后會(huì)向三聯(lián)控舵機(jī)發(fā)送控制信號(hào)，控制信號(hào)通過(guò)三聯(lián)控舵機(jī)接收機(jī)通道進(jìn)入信號(hào)調(diào)制芯片，從而獲得直流偏置電壓，其內(nèi)部存在一個(gè)基準(zhǔn)電路，基準(zhǔn)電路會(huì)產(chǎn)生基準(zhǔn)信號(hào)，將直流偏置電壓與電位器電壓進(jìn)行比較，以此來(lái)獲取電壓輸出，電壓差的正負(fù)輸出到電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片，以此來(lái)決定電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向（正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)），壓縮氣體罐來(lái)釋放氣體，之后利用泄壓閥進(jìn)行減壓，氣體從進(jìn)氣閥中進(jìn)入小號(hào)，從功能上來(lái)看，小號(hào)與普通人工演奏樂(lè)器結(jié)構(gòu)功能基本一致，通過(guò)上述對(duì)三聯(lián)控舵機(jī)的控制能夠控制小號(hào)播放音樂(lè)。

2.3 氣動(dòng)式仿古音樂(lè)輪椅優(yōu)點(diǎn)

本文提出的氣動(dòng)式仿古音樂(lè)輪椅采用仿古式輪椅模式，并與現(xiàn)代化科學(xué)技術(shù)融合，融入了無(wú)線(xiàn)控制技術(shù)、氣動(dòng)馬達(dá)驅(qū)動(dòng)技術(shù)等科技手段，乘坐輪椅的使用者不僅能夠?qū)⑤喴萎?dāng)作代步工具，在代步的過(guò)程中還能夠享受到美妙的音樂(lè)。整個(gè)音樂(lè)輪椅的驅(qū)動(dòng)裝置及音樂(lè)發(fā)生裝置都采用氣動(dòng)化形式，在驅(qū)動(dòng)行進(jìn)及音樂(lè)吹奏的過(guò)程中，不會(huì)產(chǎn)生雜音干擾，有著無(wú)聲化的優(yōu)點(diǎn)，使得輪椅上的使用者能夠有著幽靜的環(huán)境來(lái)享受美妙的音樂(lè)。此外，以氣動(dòng)馬達(dá)為動(dòng)力來(lái)源的驅(qū)動(dòng)裝置安全性較高、可操作性?xún)?yōu)良，能夠保證音樂(lè)輪椅行進(jìn)的安全性和可靠性。

3 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，本文提出了一種氣控式仿古音樂(lè)輪椅，其驅(qū)動(dòng)裝置以氣動(dòng)馬達(dá)為核心，其音樂(lè)發(fā)生裝置以三聯(lián)控舵機(jī)為核心，融入了現(xiàn)代化科學(xué)技術(shù)和無(wú)線(xiàn)控制技術(shù)，在代步的同時(shí)能夠讓使用者享受到美妙的音樂(lè)。

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作者簡(jiǎn)介：曾韻（1990-），男，安徽宣城人，上海財(cái)經(jīng)大學(xué)在讀研究生，研究方向：金融學(xué)。

（責(zé)任編輯：黃銀芳）