爬樓梯的自行輪椅車設(shè)計說明書[帶圖紙].doc

南昌航空大學學士學位論文1目錄目錄.11緒論.31.1課題研究原因和意義.31.1.1課題研究的原因.31.1.2課題研究的意義.31.2目前國內(nèi)外研究狀況.31.2.1輪組式.41.2.2履帶式.51.2.3腿式.61.2.4復合式.61.3目前研究中所存在問題.72系統(tǒng)方案設(shè)計.92.1系統(tǒng)方案確定.92.2智能電動越障爬樓輪椅系統(tǒng)構(gòu)成.102.2.1底盤系統(tǒng).102.2.2座椅姿態(tài)調(diào)整系統(tǒng).152.2.3驅(qū)動控制系統(tǒng).163輪椅驅(qū)動模塊設(shè)計.183.1電機的選擇.183.2電機工作原理.203.3電源的選擇.233.4控制核心C8051F020.錯誤!未定義書簽。3.4.1C8051FO20概述.233.4.2主要性能參數(shù).243.5電機轉(zhuǎn)速控制.253.5.1電機轉(zhuǎn)速控制原理.253.5.2電機轉(zhuǎn)速控制方案.263.6電機驅(qū)動電路.274系統(tǒng)控制方案設(shè)計.304.1操縱桿設(shè)計.304.2雙電機同步控制方案.324.2.1并行控制.324.2.2主從控制.335輪椅車控制算法設(shè)計.355.1速度檢測電路.355.2PID控制方法.365.2.1PID控制方法介紹.365.2.2數(shù)字式增量PID控制算法.385.2.3標準PID算法的改進.395.2.4干擾的抑制.40南昌航空大學學士學位論文25.2.5PID調(diào)節(jié)器的參數(shù)整定.406輪椅車控制模塊的數(shù)學模型.436.1系統(tǒng)運行方框圖.436.2系統(tǒng)運行原理.446.3建立數(shù)學模型.447軟件實現(xiàn).507.1單片機片內(nèi)的資源配置.507.1.1單片機內(nèi)各功能模塊配置.507.1.2單片機的端口配置.517.2程序模塊介紹.517.2.1初始化模塊.527.2.2測速子程序.547.2.3控制程序.567.2.3鍵盤掃描程序.587.3總程序.58總結(jié).68參考文獻.69致謝.70南昌航空大學學士學位論文31緒論1.1課題研究原因和意義1.1.1課題研究的原因現(xiàn)今，老齡化人群以和下肢殘障者在占我國總?cè)丝诳倲?shù)的比重愈來愈大，他們喪失了部分行動能力，更需要有人來加以幫助和護理。目前，在其中的很大一部分年老體弱者和下肢傷殘者會選擇輪椅作為他們的外出行動工具，而且大都需要在家人或護理人員下使用輪椅來進行活動。隨著現(xiàn)今社會的快速發(fā)展，城市化的不斷加快，樓梯和跨越路障等不斷增加。然而，對于普通輪椅而言是很難跨越這種障礙，從而限制了輪椅使用者的活動范圍，影響其一系列的社交生活。尤其是國內(nèi)城市樓房公寓，電梯并沒有應用到所有的居民住宅，這給輪椅乘坐者造成諸多不便。馬路沿、土坑等戶外障礙同樣對老年人、殘障人士的出行帶來了很多不便，影響了他們的正常生活。1.1.2課題研究的意義為了解決弱勢群體人群增加而給社會經(jīng)濟、醫(yī)療護理各方面帶來的巨大壓力，更好的關(guān)懷老年人、殘疾人的生活，改善他們的生活質(zhì)量，除了加強改善房屋和各種公共建筑設(shè)施的無障礙設(shè)計，擴大輪椅的使用范圍之外，改進現(xiàn)有的普通輪椅，使其兼?zhèn)淦降匦旭傄约芭涝綐翘菡系K兩種功能，成為更行之有效、立竿見影的措施。值得注意的是，最近幾年突發(fā)性自然災害將導致肢體殘障者的數(shù)量大幅上升。大量災難幸存者急需輪椅等康復設(shè)備和輔助工具。因此，為了解決需求，給老年人和殘疾人士提供性能優(yōu)越的交通和輔助工具，解決樓梯或路障對他們生活造成的不便，同時在考慮使用者的經(jīng)濟所承受能力限制，研究一種價格適宜、輕便的爬樓梯輪椅具有重大的現(xiàn)實意義和實用價值。1.2目前國內(nèi)外研究狀況在爬樓梯裝置的研究領(lǐng)域內(nèi)，國外對爬樓梯裝置的研究開始得相對較早，最早的專利是1892年美國的Bray發(fā)明的爬樓梯輪椅。此后，各國紛紛開始投入此項研究，其中美國、英國、德國和日本占主導地位，技術(shù)相對比較成熟，且有一些產(chǎn)品己經(jīng)投入市場使用。南昌航空大學學士學位論文4國內(nèi)的研究也在近一、二十年內(nèi)取得了顯著成果，近年來相關(guān)專利屢見不鮮，目前國內(nèi)外現(xiàn)有的爬樓梯裝置和專利種類眾多，不同的爬樓梯裝置適用于不同的環(huán)境和條件，各有利弊。按照爬樓梯裝置爬樓執(zhí)行機構(gòu)的類型，主要可歸結(jié)為輪組式、履帶式、腿式三類。1.2.1輪組式輪組式的特點是每個輪組依照星形輪的方式進行運動：平地行駛時，各小輪繞各自軸線自轉(zhuǎn)；爬樓梯時，各小輪一起繞中心軸公轉(zhuǎn)。美國發(fā)明家DeanKamen發(fā)明的IBOT（專利號：US6,443,250BI）是一種能自動調(diào)節(jié)重心的兩輪組式輪椅，是單輪組爬樓裝置中最具代表性的爬樓裝置之一。iBOT不僅采用了比普通輪椅復雜的驅(qū)動結(jié)構(gòu)，而且安裝了多個感知人輪椅重心位置的陀螺儀，控制器根據(jù)陀螺儀的信號調(diào)整重心的位置，使輪椅能夠在不同路面和直立狀態(tài)下保持平衡。iBOT3000己經(jīng)獲得FDA批準在歐美上市，售價相當于中高檔轎車的價格。如下圖所示:圖1.1ibot實物圖內(nèi)蒙古民族大學物理與機電學院的蘇和平等人借鑒了iBOT的爬樓方式，采用星形輪系作為爬樓梯機構(gòu)，設(shè)計了一種雙聯(lián)星形機構(gòu)電動爬樓梯輪椅。改輪椅爬樓時需要人南昌航空大學學士學位論文5工輔助或者樓梯扶手的輔助支撐，使其能調(diào)整重心的位置，安全爬樓。如下圖1-2和1-3所示圖1-2雙聯(lián)星形爬樓梯輪椅圖圖1-3雙聯(lián)星形爬樓梯輪椅改進圖圖1.4雙聯(lián)行星輪內(nèi)部傳遞圖1.2.2履帶式履帶式爬樓梯裝置的原理類似于履帶裝甲運兵車或坦克，技術(shù)較成熟，操作簡單，行走時重心波動很小，對樓梯的形狀、尺寸適應性強。英國Baronmead公司開發(fā)的一種電動輪椅車，底部是履帶式的傳動結(jié)構(gòu)，可爬樓梯的最大坡度為35度，上下樓梯速度為每分鐘15-20個臺階。法