殘疾人電動輪椅設(shè)計【輪腿式】【說明書+CAD】

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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 電動輪椅國內(nèi)外發(fā)展情況 隨著社會的發(fā)展和人類文明程度的提高，人們特別是殘疾人愈來愈需要運(yùn)用現(xiàn)代高新技術(shù)來改善他們的生活質(zhì)量和生活自由度。因為各種交通事故、天災(zāi)人禍和種種疾病，每年均有成千上萬的人喪失一種或多種能力（如行走、動手能力等）。 隨著人口的增長和醫(yī)療技術(shù)的進(jìn)步，社會老齡化問題已成為很多國家不得不認(rèn)真對待的重要問題之一。智能輪椅能夠幫助老年人和殘障人士獨立的生活，節(jié)省家庭護(hù)理費用，減輕社會負(fù)擔(dān)。許多國家投入較多資金研究智能輪椅，涌現(xiàn)出許多成果，但由于價格和實用性的原因使它們暫時只能作為實驗產(chǎn)品。 智能輪椅作為移動機(jī)器人的一種,主要用來輔助老年人和殘疾人的日常生活和工作,是對他們?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又可以使用攜帶的機(jī)器手臂完成簡單的日?；顒?使他們重新獲得生活能力,找回自立、自尊的感覺,重新融入社會.因而,智能輪椅的研究得到越來越多的關(guān)注 本設(shè)計的研究目標(biāo)：在最經(jīng)濟(jì)的條件下，設(shè)計出一件最實用、最簡易操作的電動輪椅，功能齊全、結(jié)構(gòu)簡單、適用于傷殘人士、且能達(dá)到消費者需求水準(zhǔn)的一件市場普及化產(chǎn)品。 主要特色：功能齊全、結(jié)構(gòu)簡便、使用方便、價格適當(dāng)、安全系數(shù)強(qiáng) 電動輪椅技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)化 1．產(chǎn)品特點 電動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輪椅，不但具有普通的當(dāng)前市面上電動輪椅所具有的所有功能，而且可以實現(xiàn)更加友好的人機(jī)接口和良好的操作性能。例如，可以實現(xiàn)避碰功能和導(dǎo)航功能，甚至可以實現(xiàn)利用無線方式將使用者的位置和基本狀態(tài)傳送給醫(yī)護(hù)人員和家人實現(xiàn)實時監(jiān)控。 2．國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢（含文獻(xiàn)綜述）： 自動輪椅作為醫(yī)療護(hù)理領(lǐng)域的服務(wù)機(jī)器人，其應(yīng)用大量使用了移動機(jī)器人技術(shù)在自動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)航問題所謂導(dǎo)航即是指移動機(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)過程中，不斷感知周圍的局部環(huán)境信息，自主地作出各種決策，并隨時調(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)航問題。所謂導(dǎo)航即是指移動機(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)過程中，不斷感知周圍的局部環(huán)境信息，自主地作出各種決策，并隨時調(diào)整自身位姿，引導(dǎo)自身安全行駛到達(dá)目標(biāo)位置。 　　隨著社會的發(fā)展和人類文明程度的提高，人們特別是殘疾人愈來愈需要運(yùn)用現(xiàn)代高新技術(shù)來改善他們的生活質(zhì)量和生活自由度。因為各種交通事故、天災(zāi)人禍和種種疾病，每年均有成千上萬的人喪失一種或多種能力（如行走、動手能力等）。因此，對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，如西班牙、意大利等國，中國科學(xué)院自動化研究所也成功研制了一種具有視覺和口令導(dǎo)航功能并能與人進(jìn)行語音交互的智能輪椅。 ???????近幾年來我國輪椅車的生產(chǎn)近幾年有了較大的發(fā)展，據(jù)中商情報網(wǎng)監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，目前全國規(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)在中國輪椅行業(yè)占絕對領(lǐng)導(dǎo)地位。近年來隨著人口老齡化到來及我國殘疾人康復(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前景。 。 3．同國外產(chǎn)品的綜合比較 技術(shù)水平方面：與國外相比國內(nèi)已經(jīng)基本上沒有差距，在某些方面甚至還具有一定優(yōu)勢。 生產(chǎn)工藝方面：雖然與國外相比還有一定差距，但通過分析解剖國外產(chǎn)品特點，利用自身優(yōu)勢可以在較短時間內(nèi)縮小這種差距。研發(fā)和生產(chǎn)成本方面：與國外相比，國內(nèi)具有相當(dāng)大的優(yōu)勢。市場潛力方面：國內(nèi)電動輪椅市場剛剛啟動，尚沒有強(qiáng)有力的競爭對手，市場潛力非常大。 4．國內(nèi)現(xiàn)有企業(yè)情況介紹 　　首先，國內(nèi)尚無具備智能輪椅生產(chǎn)的企業(yè)，現(xiàn)有的輪椅生產(chǎn)企業(yè)還主要定位在電動輪椅的生產(chǎn)上。且由于國內(nèi)目前上不具備研制開發(fā)高性能電動輪椅控制器的能力，國內(nèi)的生產(chǎn)企業(yè)的電動輪椅產(chǎn)品基本上都采用了國外的電動輪椅控制器，甚至部分企業(yè)的電動驅(qū)動總成也采用了外購方式，因此國內(nèi)現(xiàn)有企業(yè)的產(chǎn)品成本居高不下，影響了市場購買能力的形成。同時由于不得不采用價格昂貴的進(jìn)口控制器，國內(nèi)電動輪椅產(chǎn)品的市場售價長期以來居高不下，難以為普通用戶接受，也直接影響了電動輪椅市場的啟動。 5．國家產(chǎn)業(yè)支持 國家科技發(fā)展部門已經(jīng)看到智能輪椅產(chǎn)業(yè)的發(fā)展契機(jī)，已經(jīng)從國家的產(chǎn)業(yè)發(fā)展角度來對其未來的發(fā)展進(jìn)行支持。 下圖是普通輪椅圖 圖1-1-1　電動輪椅運(yùn)動控制系統(tǒng)示意圖 下圖為設(shè)計的電動輪椅產(chǎn)品圖 圖1-1-2　電動輪椅運(yùn)動控制系統(tǒng)示意圖 圖1-1-3　電動輪椅運(yùn)動控制系統(tǒng)示意圖 1.2 設(shè)計內(nèi)容 本設(shè)計的是為殘疾人士和老年人設(shè)計一款電動輪椅。 電動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)置按鍵來設(shè)定輪椅最高和最低運(yùn)行速度。輪椅在起/制動時必須平滑穩(wěn)定和安全。電動輪椅對電機(jī)的起/制動快速性沒有特殊要求, 但對機(jī)械特性有相對較高的要求。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)動輪處于不同路面時正常運(yùn)行。 2.故障檢測及保護(hù) 控制器應(yīng)能自動進(jìn)行故障診斷、定位和報警,并對一些常見故障進(jìn)行顯示。當(dāng)輪椅運(yùn)行時如果檢測出故障, 系統(tǒng)能夠使輪椅安全停止并鎖定;當(dāng)輪椅靜止時出現(xiàn)故障, 系統(tǒng)應(yīng)能夠立即鎖定輪椅 1.3 設(shè)計思路 本品設(shè)計的路線是在普通輪椅上增加電路和電動機(jī)，用電能來取代手動，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，連接電路來帶動鏈條連接機(jī)構(gòu)。用單片機(jī)輸出、輸入信號，連接到輪椅扶手上的控制器，當(dāng)控制器給出命令的時候，單片機(jī)驅(qū)動電路，再通過電機(jī)帶動鏈條，使整個輪椅能運(yùn)動起來。 本款電動輪椅最快速度為10km/h,具備轉(zhuǎn)向、加速、減速、剎車功能。 二、系統(tǒng)方案 　2.1 機(jī)械系統(tǒng)方案 圖2-1-1　電動輪椅運(yùn)動控制系統(tǒng)示意圖 上圖1為輪椅運(yùn)動控制系統(tǒng)組成。可見, 電動輪椅運(yùn)動控制系統(tǒng)主要由操縱桿信號處理部分、電機(jī)控制部分和輪椅狀態(tài)檢測分組成。操縱桿輸出的信號經(jīng)過操縱桿信號處理部分后被合成為帶起/制動S曲線和死區(qū)的輪椅的速度和方向給定值。這個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來合成電機(jī)驅(qū)動信號和其他控制信號。這部分是輪椅運(yùn)動控制系統(tǒng)的核心部分。電機(jī)檢測部分檢測電機(jī)和控制器的工作狀態(tài)。這些檢測信號被用作電機(jī)的控制信號和其它部分的控制信號。 1.1　操縱桿輸出信號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, 故非常適合用來控制電動輪椅。用戶前后推動操縱桿可以控制輪椅的運(yùn)行速度, 左/右推動可以控制輪椅的轉(zhuǎn)向方向和轉(zhuǎn)向速度的大小。下面介紹怎樣把一個二維的操縱桿 輸出信號轉(zhuǎn)換為速度和轉(zhuǎn)向控制指令。如果把操縱桿的信號看作是二維輸出信號,分別在二維坐標(biāo)系中用X軸和Y軸表示[ 1 ]。 圖2-1-2　操縱桿輸出信號矢量合成示意圖 可以將X軸信號看作是輪椅的轉(zhuǎn)向速度給定信號, 而Y軸信號則可以看作是輪椅的前向和后向速度給定信號。因此, 如果用戶想要轉(zhuǎn)向和前進(jìn),則可將輪椅的運(yùn)動方向看作是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)向速度代替計算結(jié)果。 圖3表示以不同角度旋轉(zhuǎn)操縱桿時, 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, 右輪正向轉(zhuǎn)動, 左輪反向轉(zhuǎn)動或保持不變; 相反, 當(dāng)輪椅向右轉(zhuǎn)時, 左輪正向轉(zhuǎn)動, 右輪反向轉(zhuǎn)動或保持不變。當(dāng)一個輪保持不轉(zhuǎn)動而另外一個輪轉(zhuǎn)動時, 輪椅做原地360°轉(zhuǎn)彎。 圖2-1-3　以不同角度旋轉(zhuǎn)操縱桿時輪椅的左/右輪的速度曲線 1.2　速度給定的S曲線設(shè)計 (1) 設(shè)計思路。S曲線本身是一個非線性函數(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。在輪椅起動時應(yīng)該是一個拋物線形狀, 然后是輪椅的加速過程, 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; 制動時,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中的一個折線近似地代替S曲線,用三段折線用來模擬拋物線。這使得編程非常簡單,實踐證明, 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) 實現(xiàn)方法。利用中斷時間和人體對加速度變化率的敏感特性來實現(xiàn)。根據(jù)人體對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, 人體的舒適感比較好。設(shè)系統(tǒng)的中斷周期為T, 直線的斜率為K, 規(guī)定輪椅在t時間內(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)見第四節(jié)。在本系統(tǒng)的設(shè)計中, 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進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整。 　2.2 控制方案設(shè)計 對調(diào)速系統(tǒng)來說, 用轉(zhuǎn)速負(fù)反饋可以獲得比較滿意的靜、動態(tài)性能。但是, 在本文的電動輪椅運(yùn)動控制系統(tǒng)的設(shè)計中要實現(xiàn)轉(zhuǎn)速負(fù)反饋是非常困難的, 因為無法安裝轉(zhuǎn)速檢測裝置。故在設(shè)計中采用電壓負(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 - 分別為電動機(jī)兩端的電壓。它們同時被送入DSP 的AD采樣通道中, 在軟件中對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, 之所以有兩個采樣電阻, 是因為文中所討論的電動輪椅控制系統(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可分別檢測電機(jī)的正反向電流。對應(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機(jī)，然后把鏈條安裝在雙電動機(jī)的連桿上，利用單片機(jī)來輸出、輸入信號，在單片機(jī)和雙電動機(jī)的電路連接下，使整個設(shè)計機(jī)構(gòu)有一個完整的回路。從而實現(xiàn)這款電動輪椅的運(yùn)行。 整個設(shè)計思路其實比較是簡單的，在安裝了設(shè)計電路后，通過電動機(jī)做功來帶動鏈條傳動，來實現(xiàn)電動輪椅行走、加速、減速、剎車的各項功能。 三、機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計 3.1 鏈條傳動設(shè)計 雙電機(jī)組合帶動鏈條，以電動機(jī)產(chǎn)生動力，電帶動電動機(jī)上的桿和錐齒輪，通過鏈條的連接機(jī)構(gòu)，而帶動車輪連桿上的鏈輪，這樣形成一個整體機(jī)構(gòu)過程。 開啟電源后，當(dāng)控制器發(fā)出運(yùn)行命令時，信號通過單片機(jī)電路與電動機(jī)連接，電動機(jī)開始啟動，通過鏈條的傳動，帶動車輪向前或者向后行駛。 3.2 電動機(jī)的選用 本設(shè)計用的是雙電機(jī)組合，所以在選擇電動機(jī)時，依照電動輪椅運(yùn)行時最大速度10km/h，來選擇電動機(jī)。 = = 選擇的電動機(jī)是Y160M1 電動機(jī)轉(zhuǎn)速720 車輪的轉(zhuǎn)速： 則： 實際功率： 傳動比： 3.3 驅(qū)動電路設(shè)計 在本設(shè)計系統(tǒng)中，選用的是ST公司的L298N電機(jī)專用驅(qū)動芯片。該芯片的主要特點是：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H橋的高電壓大電流全橋式驅(qū)動器，可以用來驅(qū)動直流電動機(jī)和步進(jìn)電動機(jī)、繼電器、線圈等感性負(fù)載；采用標(biāo)準(zhǔn)邏輯電平信號控制；具有兩個使能控制端，在不受輸入信號影響的情況下允許或禁止器件工作有一個邏輯電源輸入端，使內(nèi)部邏輯電路部分在低電壓下工作；可以外接檢測電阻，將變化量反饋給控制電路。 圖3-3-1　電動輪椅運(yùn)動控制系統(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)行過流保護(hù)。 四、控制系統(tǒng)設(shè)計 4.1 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計 輪椅運(yùn)動控制系統(tǒng)總的流程如圖7所示。本文設(shè)計的輪椅控制系統(tǒng)是純數(shù)字化控制。系統(tǒng)軟件采用匯編語言編寫, 代碼運(yùn)行效率高; 采用模塊化的程序設(shè)計方法, 各功能模塊之間除接口變量外互相獨立。 圖4-1-1　輪椅運(yùn)動控制系統(tǒng)總程序流程圖 五、總　結(jié) 5.1 設(shè)計總結(jié) 本文以電動輪椅運(yùn)動控制為背景,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的功率管故障及主電路故障判斷、定位的實施方案, 并給出了速度給定S曲線計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)動速度方向和大小的給定裝置。 通過分析其原理導(dǎo)出了計算公式, 并通過軟件實現(xiàn)取得了良好效果?？傊? 本文完成了輪椅運(yùn)動控制器設(shè)計、調(diào)試和試運(yùn)行, 各項指標(biāo)均達(dá)到了預(yù)期目標(biāo), 驗證了硬、軟件方案正確性及可行性。 本文的項目設(shè)計以《國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃(863計劃)先進(jìn)制造技術(shù) 領(lǐng)域“服務(wù)機(jī)器人”重點項目2006年度課題申請指南》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)建一個為老年人和殘疾人服務(wù)的電動輪椅。 從電動輪椅功能的角度對輪椅的硬件系統(tǒng)進(jìn)行模塊化設(shè)計，將電動輪 椅分為機(jī)械結(jié)構(gòu)、驅(qū)動、控制三部分。重點介紹了電動輪椅控制系統(tǒng)，最主要的是設(shè)計了DA轉(zhuǎn)換平臺，成功接管了智能輪椅核心控制器。利用控制器，成功實現(xiàn)電動控制系統(tǒng)。 在設(shè)計電路控制器的工作，讓單片機(jī)開發(fā)板通過程序直接控制輪椅運(yùn)動。 5.2 展望 如前所述，本課題設(shè)計電動輪椅控制系統(tǒng)，基本達(dá)到了實用性 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)時沒有加入測速環(huán)節(jié)構(gòu)成閉環(huán)反饋控制系 統(tǒng)。由于每個用戶的體重不同，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，輪椅的實際電機(jī)轉(zhuǎn)速將會與設(shè)定值不同，這在實際應(yīng)用中是 不應(yīng)該出現(xiàn)的，雖然在短時間內(nèi)實現(xiàn)了低成本的控制，仍然無法達(dá)到最智能的效果。 缺乏機(jī)器視覺技術(shù)的應(yīng)用。本項目中圖像傳感器僅應(yīng)用于路徑跟 蹤，沒有開發(fā)復(fù)雜的圖像處理與識別算法，且此處僅適用于跟蹤白色路面上的 黑色路標(biāo)，使用場合有限。應(yīng)用先進(jìn)的機(jī)器視覺技術(shù)能夠大大提高輪椅的自主 性和智能化。 61 參考文獻(xiàn) [1]　J. 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