殘疾人電動(dòng)輪椅設(shè)計(jì)【輪腿式】【說(shuō)明書(shū)+CAD】
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湘潭大學(xué)興湘學(xué)院
畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）任務(wù)書(shū)
論文（設(shè)計(jì)）題目： 殘疾人輪椅設(shè)計(jì)
學(xué)號(hào)： 2010962916 姓名： 李凡 專(zhuān)業(yè)： 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化
指導(dǎo)教師： 張高峰 系主任： 劉伯希
一、主要內(nèi)容及基本要求
1.電動(dòng)輪椅的行走速度最大10公里每小時(shí)
2.速度可調(diào)節(jié)（0-10kmPS）
3.具有轉(zhuǎn)向功能
二、重點(diǎn)研究的問(wèn)題
本設(shè)計(jì)的是為殘疾人士和老年人設(shè)計(jì)一款電動(dòng)輪椅。
電動(dòng)輪椅作為老年人和殘疾人的代步工具,有著嚴(yán)格的技術(shù)要求。輪椅優(yōu)良的驅(qū)動(dòng)性能和嚴(yán)格的安全性保障是首要的技術(shù)要求。
三、進(jìn)度安排
序號(hào)
各階段完成的內(nèi)容
完成時(shí)間
1
1、收集有關(guān)資料，寫(xiě)出開(kāi)題報(bào)告；
1周
2
2、系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)；
2周
3
3、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及主要功能部件設(shè)計(jì)；
3周
4
4、繪制零件圖；
2周
5
5、撰寫(xiě)論文；
1周
6
7
四、應(yīng)收集的資料及主要參考文獻(xiàn)
［1］許洪基.雷光.現(xiàn)代機(jī)械傳動(dòng)手冊(cè)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2002年3月
［2］王中發(fā).實(shí)用機(jī)械設(shè)計(jì)[M].北京：北京理工大學(xué)出版社，1998年2月
［3］姚永明.非標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備設(shè)計(jì)手冊(cè).上海交通大學(xué)出版社,1999.12,第一版
［4］楊景蕙.機(jī)械設(shè)計(jì)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1996年7月
［5］林明等.運(yùn)動(dòng)控制集成電路手冊(cè).電子工業(yè)出版社，2003年6月
湘潭大學(xué)興湘學(xué)院
畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)
題 目： 殘疾人輪椅設(shè)計(jì)
專(zhuān) 業(yè)： 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其制動(dòng)化
學(xué) 號(hào)： 2010962916
姓 名： 李凡
指導(dǎo)教師： 張高峰
完成日期： 2014年5月28日
目 錄
摘要 ...................................................................................................................... 1
1 引言 ................................................................................................. 2
1.1 國(guó)內(nèi)外發(fā)展情況 ............................................................................................. 4
1.2 設(shè)計(jì)內(nèi)容 .....................................................................................................5
1.3 設(shè)計(jì)思路 ....................................................................................................5
2 系統(tǒng)方案 ....................................................................................................8
2.1 機(jī)械系統(tǒng)方案 ............................................................................................8
2.2 控制方案 ............................................................................................10
2.3 總體方案 .....................................................................................11
3 機(jī)械結(jié)構(gòu)計(jì) .........................................................................................12
3.1 鏈條的傳動(dòng)設(shè)計(jì) ..................................................................................12
3.2 電動(dòng)機(jī)的選用 ............................................................................12
3.3 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì) ......................................................................................13
4 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) ...........................................................................................14
4.1 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) ..............................................................................14
5 總 結(jié) ............................................................................................15
5.1 設(shè)計(jì)總結(jié) .................................................................................... 15
參考文獻(xiàn) ............................................................................................... 16
致謝 ................................................................................................................... 17
湘潭大學(xué)興湘學(xué)院
畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）評(píng)閱表
學(xué)號(hào) 2010962916 姓名 李凡 專(zhuān)業(yè) 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化
畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）題目： 殘疾人輪椅設(shè)計(jì)
評(píng)價(jià)項(xiàng)目
評(píng) 價(jià) 內(nèi) 容
選題
1.符合培養(yǎng)目標(biāo)，體現(xiàn)學(xué)科、專(zhuān)業(yè)特點(diǎn)和教學(xué)計(jì)劃的基本要求，達(dá)到綜合訓(xùn)練的目的；
2.難度、份量適當(dāng)；
3.與生產(chǎn)、科研、社會(huì)等實(shí)際相結(jié)合。
能力
1.有查閱文獻(xiàn)、綜合歸納資料的能力；
2.有綜合運(yùn)用知識(shí)的能力；
3.具備研究方案的設(shè)計(jì)能力、研究方法和手段的運(yùn)用能力；
4.具備一定的外文與計(jì)算機(jī)應(yīng)用能力；
5.工科有經(jīng)濟(jì)分析能力。
論文
（設(shè)計(jì)）質(zhì)量
1.立論正確，論述充分，結(jié)構(gòu)嚴(yán)謹(jǐn)合理；實(shí)驗(yàn)正確，設(shè)計(jì)、計(jì)算、分析處理科學(xué)；技術(shù)用語(yǔ)準(zhǔn)確，符號(hào)統(tǒng)一，圖表圖紙完備、整潔、正確，引文規(guī)范；
2.文字通順，有無(wú)觀點(diǎn)提煉，綜合概括能力如何；
3.有無(wú)理論價(jià)值或?qū)嶋H應(yīng)用價(jià)值，有無(wú)創(chuàng)新之處。
綜
合
評(píng)
價(jià)
本設(shè)計(jì)選題綜合性較強(qiáng)，符合機(jī)械專(zhuān)業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)和要求；題目難度適中，與工業(yè)生產(chǎn)實(shí)際結(jié)合緊密。該生具有較強(qiáng)的查閱文獻(xiàn)和綜合歸納資料的能力，綜合應(yīng)用本科所學(xué)知識(shí)能力較強(qiáng)；計(jì)算機(jī)應(yīng)用能力較好，英文水平及應(yīng)用不錯(cuò)。就論文立論正確，論述比較充分，整體結(jié)構(gòu)尚可；設(shè)計(jì)與計(jì)算科學(xué)，技術(shù)用語(yǔ)準(zhǔn)確，圖紙完備，引文規(guī)范。論文文字通順，該設(shè)計(jì)具有一定的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。同意參加答辯。
評(píng)閱人：
2014年5月30日
摘 要
輪椅是年老體弱者以及下肢傷殘者必不可少的代步工具，但障礙物卻使輪椅受到很大限制。現(xiàn)代由于采用了傳統(tǒng)的輪式結(jié)構(gòu)，只能夠在平地上行走，面對(duì)臺(tái)階、樓梯這樣比較復(fù)雜的地形卻顯得無(wú)能為力。電動(dòng)性輪椅設(shè)計(jì)是采用輪腿式機(jī)器人結(jié)構(gòu)，正常行駛時(shí)輪式工作，采用四輪驅(qū)動(dòng)；遇到障礙時(shí)腿式工作，從而適應(yīng)大多數(shù)地形；車(chē)身則采用自動(dòng)導(dǎo)軌式調(diào)平結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，調(diào)節(jié)方便。本次設(shè)計(jì)的主要工作包括：確定輪椅的工作方式以及工作結(jié)構(gòu)形式、主體尺寸，并確定各主要零、部件的結(jié)構(gòu)尺寸及其選型。
關(guān)鍵詞：輪椅 電動(dòng)輪椅 輪腿式機(jī)器人
Abstract
Wheelchairs are frail elderly and the disabled limb indispensable means of transport, but the obstacles while filling the wheelchair is very restricted. As with a traditional modern wheeled structure, can only walk on flat ground, facing steps, stairs, but this is more complex terrain powerless. High-pass design is the use of a wheelchair wheel legged robot structure, normal driving wheel work, the use of four-wheel drive; encounter obstacles leg work to accommodate most of the terrain; body is leveling automatic slide-type structure, the structure is simple, easy to adjust. The design of the main tasks include: determining wheelchair work and the working structure, body size, and identify the major components and parts of the structure size and selection.
Keywords: wheelchair high adoption round legged robot
一、引 言
1.1 電動(dòng)輪椅國(guó)內(nèi)外發(fā)展情況
隨著社會(huì)的發(fā)展和人類(lèi)文明程度的提高，人們特別是殘疾人愈來(lái)愈需要運(yùn)用現(xiàn)代高新技術(shù)來(lái)改善他們的生活質(zhì)量和生活自由度。因?yàn)楦鞣N交通事故、天災(zāi)人禍和種種疾病，每年均有成千上萬(wàn)的人喪失一種或多種能力（如行走、動(dòng)手能力等）。
隨著人口的增長(zhǎng)和醫(yī)療技術(shù)的進(jìn)步，社會(huì)老齡化問(wèn)題已成為很多國(guó)家不得不認(rèn)真對(duì)待的重要問(wèn)題之一。智能輪椅能夠幫助老年人和殘障人士獨(dú)立的生活，節(jié)省家庭護(hù)理費(fèi)用，減輕社會(huì)負(fù)擔(dān)。許多國(guó)家投入較多資金研究智能輪椅，涌現(xiàn)出許多成果，但由于價(jià)格和實(shí)用性的原因使它們暫時(shí)只能作為實(shí)驗(yàn)產(chǎn)品。
智能輪椅作為移動(dòng)機(jī)器人的一種,主要用來(lái)輔助老年人和殘疾人的日常生活和工作,是對(duì)他們?nèi)趸臋C(jī)體功能的一種補(bǔ)償.智能輪椅在作為代步工具的同時(shí)又可以使用攜帶的機(jī)器手臂完成簡(jiǎn)單的日常活動(dòng).使他們重新獲得生活能力,找回自立、自尊的感覺(jué),重新融入社會(huì).因而,智能輪椅的研究得到越來(lái)越多的關(guān)注
本設(shè)計(jì)的研究目標(biāo)：在最經(jīng)濟(jì)的條件下，設(shè)計(jì)出一件最實(shí)用、最簡(jiǎn)易操作的電動(dòng)輪椅，功能齊全、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、適用于傷殘人士、且能達(dá)到消費(fèi)者需求水準(zhǔn)的一件市場(chǎng)普及化產(chǎn)品。
主要特色：功能齊全、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)便、使用方便、價(jià)格適當(dāng)、安全系數(shù)強(qiáng)
電動(dòng)輪椅技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)化
1．產(chǎn)品特點(diǎn)
電動(dòng)輪椅作為一種安裝有傳感器，具有良好的智能控制功能的電動(dòng)輪椅，不但具有普通的當(dāng)前市面上電動(dòng)輪椅所具有的所有功能，而且可以實(shí)現(xiàn)更加友好的人機(jī)接口和良好的操作性能。例如，可以實(shí)現(xiàn)避碰功能和導(dǎo)航功能，甚至可以實(shí)現(xiàn)利用無(wú)線方式將使用者的位置和基本狀態(tài)傳送給醫(yī)護(hù)人員和家人實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控。
2．國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)（含文獻(xiàn)綜述）：
自動(dòng)輪椅作為醫(yī)療護(hù)理領(lǐng)域的服務(wù)機(jī)器人，其應(yīng)用大量使用了移動(dòng)機(jī)器人技術(shù)在自動(dòng)輪椅的研究中涉及到的關(guān)鍵技術(shù)有導(dǎo)航系統(tǒng)、控制和能源系統(tǒng)、人機(jī)接口
??????? 但由于整個(gè)輪椅系統(tǒng)以人為中心，所以在研究中要解決的核心是輪椅的安全導(dǎo)航問(wèn)題所謂導(dǎo)航即是指移動(dòng)機(jī)器人按照預(yù)先給定的任務(wù)命令，根據(jù)已知的地圖信息作出全局路徑規(guī)劃，并在行進(jìn)過(guò)程中，不斷感知周?chē)木植凯h(huán)境信息，自主地作出各種決策，并隨時(shí)調(diào)整自身位姿，引導(dǎo)自身安全行駛到達(dá)目標(biāo)位置
智能輪椅作為醫(yī)療護(hù)理領(lǐng)域的服務(wù)機(jī)器人，其應(yīng)用大量使用了移動(dòng)機(jī)器人技術(shù)。在智能輪椅的研究中涉及到的關(guān)鍵技術(shù)有導(dǎo)航系統(tǒng)、控制和能源系統(tǒng)、人機(jī)接口，但由于整個(gè)輪椅系統(tǒng)以人為中心，所以在研究中要解決的核心是輪椅的安全導(dǎo)航問(wèn)題。所謂導(dǎo)航即是指移動(dòng)機(jī)器人按照預(yù)先給定的任務(wù)命令，根據(jù)已知的地圖信息作出全局路徑規(guī)劃，并在行進(jìn)過(guò)程中，不斷感知周?chē)木植凯h(huán)境信息，自主地作出各種決策，并隨時(shí)調(diào)整自身位姿，引導(dǎo)自身安全行駛到達(dá)目標(biāo)位置。
隨著社會(huì)的發(fā)展和人類(lèi)文明程度的提高，人們特別是殘疾人愈來(lái)愈需要運(yùn)用現(xiàn)代高新技術(shù)來(lái)改善他們的生活質(zhì)量和生活自由度。因?yàn)楦鞣N交通事故、天災(zāi)人禍和種種疾病，每年均有成千上萬(wàn)的人喪失一種或多種能力（如行走、動(dòng)手能力等）。因此，對(duì)用于幫助殘障人行走的機(jī)器人輪椅的研究已逐漸成為熱點(diǎn)，如西班牙、意大利等國(guó)，中國(guó)科學(xué)院自動(dòng)化研究所也成功研制了一種具有視覺(jué)和口令導(dǎo)航功能并能與人進(jìn)行語(yǔ)音交互的智能輪椅。
???????近幾年來(lái)我國(guó)輪椅車(chē)的生產(chǎn)近幾年有了較大的發(fā)展，據(jù)中商情報(bào)網(wǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，目前全國(guó)規(guī)模以上輪椅生產(chǎn)企業(yè)約有30多家企業(yè)，主要集中在東部及沿海發(fā)達(dá)地區(qū)，外商投資輪椅生產(chǎn)企業(yè)在中國(guó)輪椅行業(yè)占絕對(duì)領(lǐng)導(dǎo)地位。近年來(lái)隨著人口老齡化到來(lái)及我國(guó)殘疾人康復(fù)事業(yè)的發(fā)展，這為輪椅生產(chǎn)企業(yè)提供了良好的空間和廣闊的市場(chǎng)前景。
。
3．同國(guó)外產(chǎn)品的綜合比較
技術(shù)水平方面：與國(guó)外相比國(guó)內(nèi)已經(jīng)基本上沒(méi)有差距，在某些方面甚至還具有一定優(yōu)勢(shì)。
生產(chǎn)工藝方面：雖然與國(guó)外相比還有一定差距，但通過(guò)分析解剖國(guó)外產(chǎn)品特點(diǎn)，利用自身優(yōu)勢(shì)可以在較短時(shí)間內(nèi)縮小這種差距。研發(fā)和生產(chǎn)成本方面：與國(guó)外相比，國(guó)內(nèi)具有相當(dāng)大的優(yōu)勢(shì)。市場(chǎng)潛力方面：國(guó)內(nèi)電動(dòng)輪椅市場(chǎng)剛剛啟動(dòng)，尚沒(méi)有強(qiáng)有力的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手，市場(chǎng)潛力非常大。
4．國(guó)內(nèi)現(xiàn)有企業(yè)情況介紹
首先，國(guó)內(nèi)尚無(wú)具備智能輪椅生產(chǎn)的企業(yè)，現(xiàn)有的輪椅生產(chǎn)企業(yè)還主要定位在電動(dòng)輪椅的生產(chǎn)上。且由于國(guó)內(nèi)目前上不具備研制開(kāi)發(fā)高性能電動(dòng)輪椅控制器的能力，國(guó)內(nèi)的生產(chǎn)企業(yè)的電動(dòng)輪椅產(chǎn)品基本上都采用了國(guó)外的電動(dòng)輪椅控制器，甚至部分企業(yè)的電動(dòng)驅(qū)動(dòng)總成也采用了外購(gòu)方式，因此國(guó)內(nèi)現(xiàn)有企業(yè)的產(chǎn)品成本居高不下，影響了市場(chǎng)購(gòu)買(mǎi)能力的形成。同時(shí)由于不得不采用價(jià)格昂貴的進(jìn)口控制器，國(guó)內(nèi)電動(dòng)輪椅產(chǎn)品的市場(chǎng)售價(jià)長(zhǎng)期以來(lái)居高不下，難以為普通用戶接受，也直接影響了電動(dòng)輪椅市場(chǎng)的啟動(dòng)。
5．國(guó)家產(chǎn)業(yè)支持
國(guó)家科技發(fā)展部門(mén)已經(jīng)看到智能輪椅產(chǎn)業(yè)的發(fā)展契機(jī)，已經(jīng)從國(guó)家的產(chǎn)業(yè)發(fā)展角度來(lái)對(duì)其未來(lái)的發(fā)展進(jìn)行支持。
下圖是普通輪椅圖
圖1-1-1 電動(dòng)輪椅運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)示意圖
下圖為設(shè)計(jì)的電動(dòng)輪椅產(chǎn)品圖
圖1-1-2 電動(dòng)輪椅運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)示意圖
圖1-1-3 電動(dòng)輪椅運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)示意圖
1.2 設(shè)計(jì)內(nèi)容
本設(shè)計(jì)的是為殘疾人士和老年人設(shè)計(jì)一款電動(dòng)輪椅。
電動(dòng)輪椅作為老年人和殘疾人的代步工具,有著嚴(yán)格的技術(shù)要求。輪椅優(yōu)良的驅(qū)動(dòng)性能和嚴(yán)格的安全性保障是首要的技術(shù)要求。
技術(shù)要求主要如下
1. 基本驅(qū)動(dòng)功能
輪椅的模擬給定是由操縱桿發(fā)出的, 由速度檔位設(shè)置按鍵來(lái)設(shè)定輪椅最高和最低運(yùn)行速度。輪椅在起/制動(dòng)時(shí)必須平滑穩(wěn)定和安全。電動(dòng)輪椅對(duì)電機(jī)的起/制動(dòng)快速性沒(méi)有特殊要求, 但對(duì)機(jī)械特性有相對(duì)較高的要求。輪椅必須能夠至少爬行5°的坡, 能夠在草地等比較糟糕的路況下運(yùn)行, 能夠在左/右驅(qū)動(dòng)輪處于不同路面時(shí)正常運(yùn)行。
2.故障檢測(cè)及保護(hù)
控制器應(yīng)能自動(dòng)進(jìn)行故障診斷、定位和報(bào)警,并對(duì)一些常見(jiàn)故障進(jìn)行顯示。當(dāng)輪椅運(yùn)行時(shí)如果檢測(cè)出故障, 系統(tǒng)能夠使輪椅安全停止并鎖定;當(dāng)輪椅靜止時(shí)出現(xiàn)故障, 系統(tǒng)應(yīng)能夠立即鎖定輪椅
1.3 設(shè)計(jì)思路
本品設(shè)計(jì)的路線是在普通輪椅上增加電路和電動(dòng)機(jī)，用電能來(lái)取代手動(dòng)，從而使傷殘人士和老年人更方便使用輪椅。電機(jī)選擇的是Y160M1，連接電路來(lái)帶動(dòng)鏈條連接機(jī)構(gòu)。用單片機(jī)輸出、輸入信號(hào)，連接到輪椅扶手上的控制器，當(dāng)控制器給出命令的時(shí)候，單片機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，再通過(guò)電機(jī)帶動(dòng)鏈條，使整個(gè)輪椅能運(yùn)動(dòng)起來(lái)。
本款電動(dòng)輪椅最快速度為10km/h,具備轉(zhuǎn)向、加速、減速、剎車(chē)功能。
二、系統(tǒng)方案
2.1 機(jī)械系統(tǒng)方案
圖2-1-1 電動(dòng)輪椅運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)示意圖
上圖1為輪椅運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)組成?？梢?jiàn), 電動(dòng)輪椅運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)主要由操縱桿信號(hào)處理部分、電機(jī)控制部分和輪椅狀態(tài)檢測(cè)分組成。操縱桿輸出的信號(hào)經(jīng)過(guò)操縱桿信號(hào)處理部分后被合成為帶起/制動(dòng)S曲線和死區(qū)的輪椅的速度和方向給定值。這個(gè)給定值就是用戶給控制器的控制指令。電機(jī)控制部分接收用戶的指令和反饋信號(hào)來(lái)合成電機(jī)驅(qū)動(dòng)信號(hào)和其他控制信號(hào)。這部分是輪椅運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的核心部分。電機(jī)檢測(cè)部分檢測(cè)電機(jī)和控制器的工作狀態(tài)。這些檢測(cè)信號(hào)被用作電機(jī)的控制信號(hào)和其它部分的控制信號(hào)。
1.1 操縱桿輸出信號(hào)速度給定合成由于操縱桿輸出是二維的隨著位置變化而成比例變化的電壓信號(hào), 故非常適合用來(lái)控制電動(dòng)輪椅。用戶前后推動(dòng)操縱桿可以控制輪椅的運(yùn)行速度, 左/右推動(dòng)可以控制輪椅的轉(zhuǎn)向方向和轉(zhuǎn)向速度的大小。下面介紹怎樣把一個(gè)二維的操縱桿
輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換為速度和轉(zhuǎn)向控制指令。如果把操縱桿的信號(hào)看作是二維輸出信號(hào),分別在二維坐標(biāo)系中用X軸和Y軸表示[ 1 ]。
圖2-1-2 操縱桿輸出信號(hào)矢量合成示意圖
可以將X軸信號(hào)看作是輪椅的轉(zhuǎn)向速度給定信號(hào), 而Y軸信號(hào)則可以看作是輪椅的前向和后向速度給定信號(hào)。因此, 如果用戶想要轉(zhuǎn)向和前進(jìn),則可將輪椅的運(yùn)動(dòng)方向看作是X和Y的矢量合成,如圖2中所示F。而左/右電機(jī)的速度給定Sl 和Sr可從下式得出[ 2 ] :
Sl =Cx Fx +Cy Fy±Smax(1)
Sr =- Cx Fx +Cy Fy±Smax(2)
其中, 設(shè)Smax為速度給定最大值, Cx代表輪椅的轉(zhuǎn)向速度特性, 而Cy 則代表輪椅在前向和反向的速度特性。如果以上公式的計(jì)算結(jié)果大于了輪椅最大轉(zhuǎn)向速度, 則用最大轉(zhuǎn)向速度代替計(jì)算結(jié)果。
圖3表示以不同角度旋轉(zhuǎn)操縱桿時(shí), 輪椅的左/右輪速度給定曲線。如果Sl 和Sr 的值都是正的, 則輪椅向前前進(jìn)轉(zhuǎn)向, 否則是后退轉(zhuǎn)向。當(dāng)輪椅向左轉(zhuǎn)時(shí), 右輪正向轉(zhuǎn)動(dòng), 左輪反向轉(zhuǎn)動(dòng)或保持不變; 相反, 當(dāng)輪椅向右轉(zhuǎn)時(shí), 左輪正向轉(zhuǎn)動(dòng), 右輪反向轉(zhuǎn)動(dòng)或保持不變。當(dāng)一個(gè)輪保持不轉(zhuǎn)動(dòng)而另外一個(gè)輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí), 輪椅做原地360°轉(zhuǎn)彎。
圖2-1-3 以不同角度旋轉(zhuǎn)操縱桿時(shí)輪椅的左/右輪的速度曲線
1.2 速度給定的S曲線設(shè)計(jì)
(1) 設(shè)計(jì)思路。S曲線本身是一個(gè)非線性函數(shù),其合成和編程都非常復(fù)雜。S曲線的形狀如圖4虛線所示。在輪椅起動(dòng)時(shí)應(yīng)該是一個(gè)拋物線形狀, 然后是輪椅的加速過(guò)程, 直至輪椅最大速度后, 加速度為零, 輪椅以恒定最大給定速度運(yùn)行; 制動(dòng)時(shí),輪椅先以直線的斜率減速, 最后在拋物線段舒緩地停止。本文用圖4中的一個(gè)折線近似地代替S曲線,用三段折線用來(lái)模擬拋物線。這使得編程非常簡(jiǎn)單,實(shí)踐證明, 控制效果非常理想。
圖2-1-4 輪椅速度給定的S曲線示意圖
(2) 實(shí)現(xiàn)方法。利用中斷時(shí)間和人體對(duì)加速度變化率的敏感特性來(lái)實(shí)現(xiàn)。根據(jù)人體對(duì)加速度和加速度變化率的敏感特性知, 當(dāng)加速度或減速度最大值不大于1.5 m / s2、平均加減速度不低于0.5 m / s2、加速度變化率小于1.5 m / s3 時(shí), 人體的舒適感比較好。設(shè)系統(tǒng)的中斷周期為T(mén), 直線的斜率為K, 規(guī)定輪椅在t時(shí)間內(nèi)加速到速度給定最大值Smax , 則:
K =Smaxt/T=SmaxtT (3)
圖4中, 三段線段斜率比值為: K1 ∶K2 ∶K3 = 1 ∶1.92 ∶2.6。具體程序?qū)崿F(xiàn)見(jiàn)第四節(jié)。在本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中, K1、K2、K3 都被設(shè)置為可編程調(diào)節(jié)參數(shù),用戶可以根據(jù)自己的舒適性要求來(lái)進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整。
2.2 控制方案設(shè)計(jì)
對(duì)調(diào)速系統(tǒng)來(lái)說(shuō), 用轉(zhuǎn)速負(fù)反饋可以獲得比較滿意的靜、動(dòng)態(tài)性能。但是, 在本文的電動(dòng)輪椅運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中要實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速負(fù)反饋是非常困難的, 因?yàn)闊o(wú)法安裝轉(zhuǎn)速檢測(cè)裝置。故在設(shè)計(jì)中采用電壓負(fù)反饋和電流補(bǔ)償?shù)目刂品椒╗ 3 ]。如果忽略電樞壓降, 則直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速近似與電樞兩端電壓成正比, 所以電壓負(fù)反饋基本上能夠代替轉(zhuǎn)速負(fù)反饋的作用。采用電壓負(fù)反饋和電流補(bǔ)償控制的調(diào)速系統(tǒng)原理圖如圖5所示
圖2-2-1 電壓負(fù)反饋和電流補(bǔ)償控制的調(diào)速系統(tǒng)原理圖
其中, V +、V - 分別為電動(dòng)機(jī)兩端的電壓。它們同時(shí)被送入DSP 的AD采樣通道中, 在軟件中對(duì)V +、V - 進(jìn)行差分得到電機(jī)兩端的電壓。這樣可以消除由于電源電壓波動(dòng)等因素引起的電機(jī)端電壓的誤差。R1、R2 是采樣電阻, 之所以有兩個(gè)采樣電阻, 是因?yàn)槲闹兴懻摰碾妱?dòng)輪椅控制系統(tǒng)采用雙極性模式, 可在四象限運(yùn)行。由如圖5所示的H橋可知, R2、R1可分別檢測(cè)電機(jī)的正反向電流。對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)控制方框圖如圖6所示。
2.3 總體方案：
在多次觀察了普通輪椅之后，發(fā)現(xiàn)在普通輪椅的座位底部安裝雙電動(dòng)機(jī)，然后把鏈條安裝在雙電動(dòng)機(jī)的連桿上，利用單片機(jī)來(lái)輸出、輸入信號(hào)，在單片機(jī)和雙電動(dòng)機(jī)的電路連接下，使整個(gè)設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)有一個(gè)完整的回路。從而實(shí)現(xiàn)這款電動(dòng)輪椅的運(yùn)行。
整個(gè)設(shè)計(jì)思路其實(shí)比較是簡(jiǎn)單的，在安裝了設(shè)計(jì)電路后，通過(guò)電動(dòng)機(jī)做功來(lái)帶動(dòng)鏈條傳動(dòng)，來(lái)實(shí)現(xiàn)電動(dòng)輪椅行走、加速、減速、剎車(chē)的各項(xiàng)功能。
三、機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
3.1 鏈條傳動(dòng)設(shè)計(jì)
雙電機(jī)組合帶動(dòng)鏈條，以電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生動(dòng)力，電帶動(dòng)電動(dòng)機(jī)上的桿和錐齒輪，通過(guò)鏈條的連接機(jī)構(gòu)，而帶動(dòng)車(chē)輪連桿上的鏈輪，這樣形成一個(gè)整體機(jī)構(gòu)過(guò)程。
開(kāi)啟電源后，當(dāng)控制器發(fā)出運(yùn)行命令時(shí)，信號(hào)通過(guò)單片機(jī)電路與電動(dòng)機(jī)連接，電動(dòng)機(jī)開(kāi)始啟動(dòng)，通過(guò)鏈條的傳動(dòng)，帶動(dòng)車(chē)輪向前或者向后行駛。
3.2 電動(dòng)機(jī)的選用
本設(shè)計(jì)用的是雙電機(jī)組合，所以在選擇電動(dòng)機(jī)時(shí)，依照電動(dòng)輪椅運(yùn)行時(shí)最大速度10km/h，來(lái)選擇電動(dòng)機(jī)。
=
=
選擇的電動(dòng)機(jī)是Y160M1 電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速720
車(chē)輪的轉(zhuǎn)速：
則：
實(shí)際功率：
傳動(dòng)比：
3.3 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)
在本設(shè)計(jì)系統(tǒng)中，選用的是ST公司的L298N電機(jī)專(zhuān)用驅(qū)動(dòng)芯片。該芯片的主要特點(diǎn)是：工作電壓高，最高工作電壓可達(dá)46V；輸出電流大，瞬間峰值電流可達(dá)3A，持續(xù)工作電流為2A；內(nèi)含兩個(gè)H橋的高電壓大電流全橋式驅(qū)動(dòng)器，可以用來(lái)驅(qū)動(dòng)直流電動(dòng)機(jī)和步進(jìn)電動(dòng)機(jī)、繼電器、線圈等感性負(fù)載；采用標(biāo)準(zhǔn)邏輯電平信號(hào)控制；具有兩個(gè)使能控制端，在不受輸入信號(hào)影響的情況下允許或禁止器件工作有一個(gè)邏輯電源輸入端，使內(nèi)部邏輯電路部分在低電壓下工作；可以外接檢測(cè)電阻，將變化量反饋給控制電路。
圖3-3-1 電動(dòng)輪椅運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)示意圖
圖中電源和地之間接入了去耦電容，在電機(jī)線圈兩端分別接入二極管進(jìn)行過(guò)流保護(hù)。
四、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
4.1 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
輪椅運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)總的流程如圖7所示。本文設(shè)計(jì)的輪椅控制系統(tǒng)是純數(shù)字化控制。系統(tǒng)軟件采用匯編語(yǔ)言編寫(xiě), 代碼運(yùn)行效率高; 采用模塊化的程序設(shè)計(jì)方法, 各功能模塊之間除接口變量外互相獨(dú)立。
圖4-1-1 輪椅運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)總程序流程圖
五、總 結(jié)
5.1 設(shè)計(jì)總結(jié)
本文以電動(dòng)輪椅運(yùn)動(dòng)控制為背景,依據(jù)系統(tǒng)控制方案編制了相應(yīng)的控制軟件, 軟件模塊化并考慮了參數(shù)修改和運(yùn)行狀態(tài)顯示等功能。經(jīng)調(diào)試和試運(yùn)行, 技術(shù)指標(biāo)達(dá)到了預(yù)期要求。從考慮人的舒適性和可靠性出發(fā), 提出了基于電壓檢測(cè)的功率管故障及主電路故障判斷、定位的實(shí)施方案, 并給出了速度給定S曲線計(jì)算公式和軟件編程算法。運(yùn)行效果良好。操縱桿是輪椅運(yùn)動(dòng)速度方向和大小的給定裝置。
通過(guò)分析其原理導(dǎo)出了計(jì)算公式, 并通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)取得了良好效果?？傊? 本文完成了輪椅運(yùn)動(dòng)控制器設(shè)計(jì)、調(diào)試和試運(yùn)行, 各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到了預(yù)期目標(biāo), 驗(yàn)證了硬、軟件方案正確性及可行性。
本文的項(xiàng)目設(shè)計(jì)以《國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863計(jì)劃)先進(jìn)制造技術(shù)
領(lǐng)域“服務(wù)機(jī)器人”重點(diǎn)項(xiàng)目2006年度課題申請(qǐng)指南》中課題l——智能輪椅關(guān)
鍵技術(shù)、單元部件及目標(biāo)產(chǎn)品的研發(fā)的主要考核指標(biāo)為參考技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，目標(biāo)是
構(gòu)建一個(gè)為老年人和殘疾人服務(wù)的電動(dòng)輪椅。
從電動(dòng)輪椅功能的角度對(duì)輪椅的硬件系統(tǒng)進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)，將電動(dòng)輪
椅分為機(jī)械結(jié)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)、控制三部分。重點(diǎn)介紹了電動(dòng)輪椅控制系統(tǒng)，最主要的是設(shè)計(jì)了DA轉(zhuǎn)換平臺(tái)，成功接管了智能輪椅核心控制器。利用控制器，成功實(shí)現(xiàn)電動(dòng)控制系統(tǒng)。
在設(shè)計(jì)電路控制器的工作，讓單片機(jī)開(kāi)發(fā)板通過(guò)程序直接控制輪椅運(yùn)動(dòng)。
5.2 展望
如前所述，本課題設(shè)計(jì)電動(dòng)輪椅控制系統(tǒng)，基本達(dá)到了實(shí)用性
的要求。但由于多方面的原因，該系統(tǒng)需要進(jìn)一步的改進(jìn)與完善，還存在著很
多不足。
在采用輪椅控制器控制電機(jī)時(shí)沒(méi)有加入測(cè)速環(huán)節(jié)構(gòu)成閉環(huán)反饋控制系
統(tǒng)。由于每個(gè)用戶的體重不同，且輪椅行駛的路面情況不同，根據(jù)直流電機(jī)負(fù)
載特性曲線可知，輪椅的實(shí)際電機(jī)轉(zhuǎn)速將會(huì)與設(shè)定值不同，這在實(shí)際應(yīng)用中是
不應(yīng)該出現(xiàn)的，雖然在短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)了低成本的控制，仍然無(wú)法達(dá)到最智能的效果。
缺乏機(jī)器視覺(jué)技術(shù)的應(yīng)用。本項(xiàng)目中圖像傳感器僅應(yīng)用于路徑跟
蹤，沒(méi)有開(kāi)發(fā)復(fù)雜的圖像處理與識(shí)別算法，且此處僅適用于跟蹤白色路面上的
黑色路標(biāo)，使用場(chǎng)合有限。應(yīng)用先進(jìn)的機(jī)器視覺(jué)技術(shù)能夠大大提高輪椅的自主
性和智能化。
61
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致謝
通過(guò)了近兩個(gè)月的時(shí)間，我們了解到了很多關(guān)于機(jī)構(gòu)類(lèi)設(shè)計(jì)的知識(shí)，本論文是在導(dǎo)師張高峰教授的悉心指導(dǎo)下完成的。從論文的選題到每一個(gè)階段性成果，再到畢業(yè)論文的最后形成無(wú)不凝聚著張老師的悉心指導(dǎo)和親切關(guān)懷。張老師忘我的工作精神，嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度，淵博的學(xué)識(shí)，給我留下了深刻的印象，使我終生受益。謹(jǐn)在論文完成之際，向張老師表示衷心的感謝和崇高的敬意!
感謝本組的每一位同學(xué)，在畢業(yè)設(shè)計(jì)工作中的真誠(chéng)協(xié)助與交流及生活上給予的諸多幫助。感謝眾位老師對(duì)我的辛勤指導(dǎo)，是你們的悉心教誨讓我在大學(xué)期間不僅學(xué)到很多理論上的知識(shí)，也讓我懂得了很多的人生哲理。衷心感謝所有關(guān)心、支持和幫助過(guò)我的老師、同學(xué)和朋友們!
最后，謹(jǐn)向百忙之中抽出寶貴時(shí)間評(píng)審本論文的各位專(zhuān)家致以誠(chéng)摯的謝意!
17
湘潭大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)
題目：殘疾人輪椅設(shè)計(jì)
院系：興湘學(xué)院
班級(jí)：10機(jī)設(shè)2班
指導(dǎo)老師：張高峰
姓名：李凡
學(xué)號(hào)：2010962916
完成日期：2014.05.30
湘潭大學(xué)興湘學(xué)院
畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）鑒定意見(jiàn)
學(xué)號(hào)： 2010962916 姓名： 李凡 專(zhuān)業(yè)： 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化
畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)） 27 頁(yè) 圖 表 8 張
論文（設(shè)計(jì)）題目： 殘疾人輪椅設(shè)計(jì)
內(nèi)容提要：隨著社會(huì)的發(fā)展和人類(lèi)文明程度的提高，人們特別是殘疾人愈來(lái)愈需要
運(yùn)用現(xiàn)代高新技術(shù)來(lái)改善他們的生活質(zhì)量和生活自由度。因?yàn)楦鞣N交通事故、天
災(zāi)人禍和種種疾病，每年均有成千上萬(wàn)的人喪失一種或多種能力（如行走、動(dòng)手
能力等）。因此，對(duì)用于幫助殘障人行走的機(jī)器人輪椅的研究已逐漸成為熱點(diǎn)，
如西班牙、意大利等國(guó)，中國(guó)科學(xué)院自動(dòng)化研究所也成功研制了一種具有視覺(jué)和
口令導(dǎo)航功能并能與人進(jìn)行語(yǔ)音交互的智能輪椅。
??????? 近幾年來(lái)我國(guó)輪椅車(chē)的生產(chǎn)近幾年有了較大的發(fā)展，據(jù)中商情報(bào)網(wǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，
目前全國(guó)規(guī)模以上輪椅生產(chǎn)企業(yè)約有30多家企業(yè)，主要集中在東部及沿海發(fā)達(dá)地區(qū)，
外商投資輪椅生產(chǎn)企業(yè)在中國(guó)輪椅行業(yè)占絕對(duì)領(lǐng)導(dǎo)地位。近年來(lái)隨著人口老齡化到來(lái)及
我國(guó)殘疾人康復(fù)事業(yè)的發(fā)展，這為輪椅生產(chǎn)企業(yè)提供了良好的空間和廣闊的市場(chǎng)前景。
指導(dǎo)教師評(píng)語(yǔ)
該同學(xué)能夠基本完成畢業(yè)設(shè)計(jì)任務(wù)，解決方案尚可，能夠基本達(dá)到預(yù)期目標(biāo)；
圖、表基本合格，文理尚通順；具有一定運(yùn)用已學(xué)知識(shí)分析、解決問(wèn)題的能力；
工作態(tài)度尚可。
同意其參加答辯,其成績(jī)?cè)u(píng)定為
指導(dǎo)教師：
年 月 日
答辯簡(jiǎn)要情況及評(píng)語(yǔ)
答辯陳述條理較清楚、重點(diǎn)較突出?；卮饐?wèn)題準(zhǔn)確程度較高。
根據(jù)答辯情況，答辯小組同意其成績(jī)?cè)u(píng)定為
答辯小組組長(zhǎng)：
年 月 日
答辯委員會(huì)意見(jiàn)
經(jīng)答辯委員會(huì)討論，同意該畢業(yè)論文設(shè)計(jì)成績(jī)?cè)u(píng)定為
答辯委員會(huì)主任：
年 月 日
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