機械設計自行走輪椅設計

1、目錄1緒論. 2國內外發(fā)展情況41.11.21.3設計內容設計思路.5.52系統(tǒng)方案.72.12.22.3機械系統(tǒng)方案7.9.10控制方案總體方案33.13.23.3機械結構計11鏈條的傳動設計11電的選用.11.12驅動電路設計4 控制系統(tǒng)設計.134.1 控制系統(tǒng)設計145 總結.14. 14. 14設計總結展望參考文獻. 15附錄.18致謝. 19一、緒論1.1 自行走輪椅國內外發(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用現代高新技術來改善他們的生活質量和生活度。因為各種交通事故、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

2、的增長和醫(yī)療技術的進步，社會化問題已成為很多國家不得不認真對待的重要問題之一。智能輪椅能夠幫助老年人和殘障獨立的生活，節(jié)省家庭護理費用，減輕社會負擔。許多國家投入較多研究智能輪椅，涌現出許多成果，但由于價格和實用性的原因使它們暫時只能作為實驗產品。智能輪椅作為移器人的一種,主要用來輔助老年人和殘疾人的日常生活和工作,是對他們弱化的機體功能的一種補償.智能輪椅在作為代步工具的同時又可以使用攜帶的機器完成簡單的日?；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注本設計的研究目標：在最經濟的條件下，設計出一件最實用、最簡易操作的自行走輪椅，功能

3、齊全、結構簡單、適用于傷殘產品。、且能達到消費者需求水準的一件市場主要特色：功能齊全、結構簡便、使用方便、價格適當、安全系數強位置和基本狀態(tài)傳送給醫(yī)護和家人實現實時。國內外研究現狀及發(fā)展趨勢（含文獻綜述）：自動輪椅作為醫(yī)療護理領域的服務機器人，其應用大量使用了移器人技術 在自動輪椅的研究中涉及到的有導航系統(tǒng)、控制和能源系統(tǒng)、人機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是輪椅的安全導航問題所謂導航即是指移器人按照預先給定的任務命令，根據已知的地圖信息作出全局路徑規(guī)劃，并在行進過程中，不斷感知周圍的局部環(huán)境信息，地作出各種決策，并隨時調整自身位姿，引導自身安全行駛到達目標位置智能輪椅

4、作為醫(yī)療護理領域的服務機器人，其應用大量使用了移器人技術。在智能輪椅的研究中涉及到的有導航系統(tǒng)、控制和能源系統(tǒng)、人機接口，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是輪椅的安全導航問題。所謂導航即是電動輪椅技術及其1產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，不但具有普通的當前市面上電動輪椅所具有的所有功能，而且可以實現更加友好的人機接口和良好的操作性能。例如，可以實現避碰功能和導航功能，甚至可以實現利用無線方式將使用者的指移器人按照預先給定的任務命令，根據已知的地圖信息作出全局路徑規(guī)劃，并在行進過程中，不斷感知周圍的局部環(huán)境信息，地作出各種決策，并隨時調整

5、自身位姿，引導自身安全行駛到達目標位置。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用現代高新技術來改善他們的生活質量和生活度。因為各種交通事故、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，中國自動化也成功研制了一種具有視覺和口令導航功能并能與人進行語音交互的智能輪椅。近幾年來我國輪椅車的生產近幾年有了較大的發(fā)展，據監(jiān)測數據顯示，目前規(guī)模以上輪椅生產企業(yè)約有 30 多家企業(yè)，主要集中在東部及沿海，外商投資輪椅生產企業(yè)輪椅行業(yè)占絕對地位。近年來隨著化到來及我國殘疾人

6、康復事業(yè)的發(fā)展，這為輪椅生產企業(yè)提供了良好的空間和廣闊的市場前景。同國外產品的綜合比較技術水平方面：與國外相比國內已經基本上沒有差距，在某些方面甚至還具有一定優(yōu)勢。生產工藝方面：雖然與國外相比還有一定差距，但通過分析解剖國外產品特點，利用自身優(yōu)勢可以在較短時間內縮小這種差距。研發(fā)和生產成本方面：與國外相比，國內具有相當大的優(yōu)勢。市場潛力方面：國內電動輪椅市場剛剛啟動，尚沒有強有力的競爭對手，市場潛力非常大。國內現有企業(yè)情況介紹首先，國內尚無具備智能輪椅生產的企業(yè)，現有的輪椅生產企業(yè)還主要定位在電動輪椅的生產上。且由于國內目前上不具備研制開發(fā)高性能電動輪椅控制器的能力，國內的生產企業(yè)的電動輪椅產

7、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)的電動驅動總成也采用了外購方式，因此國內現有企業(yè)的產品成本居高不下，影響了市場能力的形成。同時由于不得不采用價格昂貴的進口控制器，國內電動輪椅產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國家產業(yè)支持國家科技發(fā)展部門已經看到智能輪椅產業(yè)的發(fā)展契機，已經從國家的產業(yè)發(fā)展角度來對其未來的發(fā)展進行支持。下圖為設計的自行走輪椅產品圖下圖是普通輪椅圖1.2 設計內容本設計的是為殘疾和老年人設計一款自行走輪椅。自行走輪椅作為老年人和殘疾人的代步工具,有著嚴格的技術要求。輪椅優(yōu)良的驅動性能和嚴格的安全性保障是首要的技術

8、要求。技術要求主要如下1. 基本驅動功能輪椅的模擬給定是由桿發(fā)出的, 由速度檔位設置按鍵來設定輪椅最高和最低運行速度。輪椅在起/制動時必須平滑穩(wěn)定和安全。自行走輪椅對電機的起/制動快速性沒有特殊要求, 但對機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行, 能夠在左/右驅動輪處于不同路面時正常運行。2.故障檢測及保護控制器應能自動進行故障、定位和,并對一些常見故障進行顯示。當輪椅運行時如果檢測出故障, 系統(tǒng)能夠使輪椅安全停止并鎖定;當輪椅能夠立即鎖定輪椅時出現故障, 系統(tǒng)應1.3 設計思路本品設計的路線是在普通輪椅上增加電路和電，用電能來取代手動，從而使

9、傷殘和老年人更方便使用輪椅。電機選擇的是Y160M1，連接電路來帶動鏈條連接機構。用單片機輸出、輸入信號，連接到輪椅扶手上的控制器，當控制器給出命令的時候，單片機驅動電路，再通過電機帶動鏈條，使整個輪椅能運動起來。本款自行走輪椅最快速度為10km/h,具備轉向、加速、剎車功能。二、系統(tǒng)方案2.1 機械系統(tǒng)方案圖1 自行走輪椅運動控制系統(tǒng)示意圖上圖1為輪椅運動控制系統(tǒng)組成?？梢? 自行走輪椅運動控制系統(tǒng)主要由桿信號處理部分、電機控制部分和輪椅狀態(tài)檢測分組成。桿輸出的信號經過桿信號處理部分后被為帶起/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。電機控制部分接收用

10、戶的指令和反饋信號來電機驅動信號和其他控制信號。這部分是輪椅運動控制系統(tǒng)的部分。電機檢測部分檢測電機和控制器的工作狀態(tài)。這些檢測信號被用作電機的控制信號和其它部分的控制信號。1.1桿輸出信號速度給定由于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自行走輪椅。用戶前后推動桿可以控制輪椅的運行速度, 左/右推動可以控制輪椅的轉向方向和轉向速度的大小。下面介紹怎樣把一個二維的桿輸出信號轉換為速度和轉向控制指令。如果把桿的信號看作是二維輸出信號,分別在二維坐標系中用X軸和Y軸表示 1 。圖2桿輸出信號矢量示意圖可以將X軸信號看作是輪椅的轉向速度給定信號, 而Y軸信號則可以看作

11、是輪椅的前向和后向速度給定信號。因此, 如果用戶想要轉向和前進,則可將輪椅的運動方向看作是X和Y的矢量,如圖2中所示F。而左/右電機的速度給定Sl 和Sr可從下式得出 2 : Sl =Cx Fx +Cy FySmax(1)Sr =- Cx Fx +Cy FySmax(2)其中, 設Smax為速度給定最大值, Cx代表輪椅的轉向速度特性, 而Cy 則代表輪椅向和反向的速度特性。如果以上公式的計算結果大于了輪椅最大轉向速度, 則用最大轉向速度代替計算結果。圖3表示以不同角度旋轉桿時, 輪椅的左/右輪速度給定曲線。如果Sl 和Sr 的值都是正的, 則輪椅向前前進轉向, 否則是后退轉向。當輪椅向左轉時

12、, 右輪正向轉動, 左輪反向轉動或保持不變; 相反, 當輪椅向右轉時, 左輪正向轉動, 右輪反向轉動或保持不變。當一個輪保持不轉動而另外一個輪轉動時, 輪椅做原地360轉彎。圖3 以不同角度旋轉桿時輪椅的左/右輪的速度曲線速度給定的S曲線設計設計思路。S曲線本身是一個非線性函數,其和編程都非常復雜。S曲線的形狀如圖4虛線所示。在輪椅起動時應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行; 制動時,輪椅先以直線的斜率, 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

13、證明, 控制效果非常理想。圖4 輪椅速度給定的S曲線示意圖(2) 實現方法。利用中斷時間和對加速度變化率的敏感特性來實現。根據對加速度和加速度變化率的敏感特性知, 當加速度或度最大值不大于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,的舒適感比較好。設系統(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。具體程序實現見第四節(jié)。在本系統(tǒng)的設計中, K1、K2、K3 都被設置為可編程調

14、節(jié)參數,用戶可以根據自己的舒適性要求來進行相應調整。2.2 控制方案設計對調速系統(tǒng)來說, 用轉速負反饋可以獲得比較滿意的靜、動態(tài)性能。但是, 在本文的自行走輪椅運動控制系統(tǒng)的設計中要實現轉速負反饋是非常 的, 因為無法安裝轉速檢測裝置。故在設計中采用電壓負反饋和電流補償的控制方法 3 。如果忽略電樞壓降,則直流電的轉速近似與電樞兩端電壓成正比, 所以電壓負反饋基本上能夠代替轉速負反饋的作用。采用電壓負反饋和電流補償控制的調速系統(tǒng)原理圖如圖5所示圖5 電壓負反饋和電流補償控制的調速系統(tǒng)原理圖其中, V +、V - 分別為電兩端的電壓。它們同時被送入DSP 的AD采樣通道中, 在軟件中對V +、V

15、 - 進行差分得到電機兩端的電壓。這樣可以消除由于電源電壓波動等引起的電機端電壓的誤差。R1、R2 是采樣電阻, 之所以有兩個采樣電阻, 是因為文中所的電動輪椅控制系統(tǒng)采極性模式, 可在四象限運行。由如圖5所示的H橋可知, R2、R1可分別檢測電機的正反向電流。對應的系統(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)現在普通輪椅的座位底部安裝雙電，然后把鏈條安裝在雙電的連桿上，利用單片機來輸出、輸入信號，在單片機和雙電的電路連接下，使整個設計機構有一個完整的回路。從而實現這款自行走輪椅的運行。整個設計思路其實比較是簡單的，在安裝了設計電路后，通過電做功來帶動鏈條傳動，來實

16、現自行走輪椅行走、加速、剎車的各項功能。三、機械結構設計3.1 鏈條傳動設計雙電機組合帶動鏈條，以電產生動力，電帶動電上的桿和錐齒輪，通過鏈條的連接機構，而帶動車輪連桿上的鏈輪，這樣形成一個整體機構過程。開啟電源后，當控制器發(fā)出運行命令時，信號通過單片機電路與電開始啟動，通過鏈條的傳動，帶動車輪向前或者向后行駛。連接，電3.2 電的選用本設計用的是雙電機組合，所以在選擇電時，依照自行走輪椅運行時最大速度10km/h，來選擇電。四、控制系統(tǒng)設計4.1 控制系統(tǒng)設計輪椅運動控制系統(tǒng)總的流程如圖7所示。本文設計的輪椅控制系統(tǒng)是純數字化控制。系統(tǒng)采用匯編語言編寫, 代碼運行效率高;采用模塊化的程序設計

17、方法,各功能模塊之間除接口變量外互相獨立。圖7 輪椅運動控制系統(tǒng)總程序流程圖五、總結5.1 設計總結本文以自行走輪椅運動控制為背景,依據系統(tǒng)控制方案編制了相應的控制,模塊化并考慮了參數修改和運行狀態(tài)顯示等功能。經調試和試運行, 技術指標達到了預期要求。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曲線計算公式和編程算法。運行效果良好。桿是輪椅運動速度方向和大小的給定裝置。通過分析其原理導出了計算公式, 并通過實現取得了良好效果?？傊? 本文完成了輪椅運動控制器設計、調試和試運行, 各項指標均達到了預期目標, 驗證了硬、案正確

18、性及可行性。本文的項目設計以國家高技術研究發(fā)展計劃(863計劃)先進制造技術領域“服務機器人”重點項目2006年度課題申請指南中課題l智能輪椅關方鍵技術、單元及目標產品的研發(fā)的主要考核指標為參考技術標準，目標是構建一個為老年人和殘疾人服務的自行走輪椅。從自行走輪椅功能的角度對輪椅的硬件系統(tǒng)進行模塊化設計，將自行走輪椅分為機械結構、驅動、控制三部分。重點介紹了自行走輪椅控制系統(tǒng)，最主要的是設計了DA轉換，成功接管了智能輪椅控制器。利用控制器，成功實現自行走控制系統(tǒng)。在設計電路控制器的工作，讓單片機開發(fā)板通過程序直接控制輪椅運動。5.2 展望如前所述，本課題設計自行走輪椅控制系統(tǒng)，基本達到了實用性

19、的要求。但由于多方面的原因，該系統(tǒng)需要進一步的改進與完善，還存在著很多。在采用輪椅控制器控制電機時沒有加入測速環(huán)節(jié)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，根據直流電機負載特性曲線可知，輪椅的實際電機轉速將會與設定值不同，這在實際應用中是不應該出現的，雖然在短時間內實現了低成本的控制，仍然無法達到最智能的效果。缺乏機器視覺技術的應用。本項目中圖像傳感器僅應用于路徑跟蹤，沒有開發(fā)復雜的圖像處理與識別算法，且此處僅適用于白色路面上的黑色路標，使用場合有限。應用先進的機器視覺技術能夠大大提高輪椅的性和智能化。61參考文獻1J. P. Hong, H. MSh im, S.

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