智能輪椅開題報告書

1、-. z.畢業(yè)設計開題報告課題名稱智能輪椅的設計機械局部院系機電與自動化學院專業(yè)班機電1201 姓名胡天華評分指導教師李奕武昌首義學院武昌首義學院本科生畢業(yè)設計開題報告學生*胡天華*專業(yè)班級機電1201院系機械與自動化學院指導教師李奕職稱副教授課題名稱智能輪椅的設計機械局部1.課題設計的目的和意義聯合國發(fā)表報告指出，全世界人口老齡化進程正在加快，今后50年內，60歲以的人口比例預計將會番一番，由于各種災難和疾病造成的殘障人士也逐年增加，他們存在不同程度的能力喪失，如行走、視力、動手及語言等12。為了給老年人和殘障人士提供性能優(yōu)越的代步工具，幫助他們提高行動自由度及重新融入社會，目前美國，德國，

2、日本，法國，加拿大，西班牙及中國等國家對智能輪椅進展了研究，使智能輪椅具有記憶地圖，避障，自動行走，與用戶交互等功能。智能輪椅是將智能機器人技術運用于電動輪椅，融合多種領域的研究，包括機器視覺，機器人導航和定位，模式識別，多傳感器融合及用戶接口等，設計機械，控制，傳感器，人工智能等技術，也稱智能輪椅式移動機器人34隨著社會的開展，特別是城市的快速擴*和建立，以及人口老齡化問題越來越嚴重和殘障者數量的不斷增加，對輔助步行工具的需求日益提高。而高樓大廈鱗次櫛比，越來越多的天橋，公園的臺階，小區(qū)上下樓等，卻越來越困擾著輪椅使用者。輪椅作為殘障者的唯一出行工具，受到了越來越多的制約，傳統(tǒng)輪椅已經不能滿

3、足多數人的需求。而隨著科技的開展及技術的進步，輪椅，應該被加以改進以適應現代社會的環(huán)境。近十幾年，國內外的許多大學.公司和研究機構都對爬樓梯的裝置進展了深入的研究，提出了各種各樣的產品或解決方案?？傮w而言，根據爬升構造的不同，通常采用三種構造原理5一種是采用行星輪機構，他們不僅繞自身的軸旋轉還饒一個所有輪的共同軸線旋轉；一種構造是履帶輪型爬梯輪椅；一種構造是步進支撐式?，F如今，我國的輪椅產業(yè)開展較緩慢，能爬樓梯的多功能輪椅在國內尚無成熟的產品。隨著社會生產力的開展，人們生活水平的不斷提高，考慮老年人及殘疾人對出行方便性的需求，研制具有爬樓梯功能的輪椅具有重大現實意義。通過本次設計應到達一下目的

4、在調查研究、消化資料的根底上，設計一臺具有爬樓梯能力的輪椅。要求在爬樓梯時輪椅被充分抬起，連續(xù)以一樣的幅度上升下降直到足以攀登上下第二級臺階，確保椅子的角度不變，確保坐輪椅的人不翻到。在沒有樓梯時，具有平地行走能力與轉彎能力，并且可以實現水平方向移動。輪椅應具有平安可靠、舒適輕便、價格低廉的特點?？偨Y和穩(wěn)固在校4年所學的知識，使之進一步深化和系統(tǒng)化；2.主要參考文獻綜述2.1 智能輪椅的開展趨勢爬樓輪椅研究屬于機器人研究*圍之內，因此應用型智能機器人技術是爬樓梯輪椅及其智能輪椅所當然是其開展趨勢。目前國內外研究了很多面向殘疾人及行動不方便人群的輔助行走機器人，這其中就包括智能輪椅，其功能多樣化

5、，根本上滿足行動不方便人群和殘疾人的要求。但是，大局部還停留在試驗簡短或者少數定做，并沒有產業(yè)化，市場化。所以，在研究上其開展空間很大，未來的研究將會朝以下幾個方向開展。2.1.1 智能化智能輪椅要走向實際應用，必須綜合應用智能技術，優(yōu)化控制算法，增強自動規(guī)劃和基于傳感智能，如實現自然語言控制，視覺平滑控制，以及在惡劣環(huán)境下自如行走等。也可以結合一些新科技如計算機通訊，網絡等技術開發(fā)適應遠程通訊的需要。2.1.2 人性化智能化輪椅系統(tǒng)的設計者應該充分考慮到行動不方便人士的要求，從實際情況著手考慮，設計穩(wěn)定性好，平安舒適，合理的智能輪椅。例如增強輪椅可以上升的功能，iBOT就具備這樣的功能，以便

6、使用者和正常人對話，以及進展簡單的力所能及的活動。選擇透氣性好舒適的坐墊，安裝報警裝置，還可以安裝剎車系統(tǒng)，使輪椅操作方式盡可能簡單化。2.1.3 模塊化智能輪椅要實現大批量生產及市場化，就必須實現模塊化。整個系統(tǒng)應有根本模塊和各個功能模塊組成，每個功能模塊控制一種功能，以便于可以根據需求選擇，配置最適合自己的輪椅，于此同時模塊化也可以降低生產本錢，提高了智能輪椅的性價比。隨著人工智能，模式識別，圖像處理，計算機技術和傳感器技術的開展，智能輪椅的功能將更為完善豐富，也將真正進入老年人和殘疾人的生活。綜上所述，國外在爬樓梯裝置方面的研究已經有一百多年的歷史了，研究出來的種類多，有一些已經可以實現

7、市場化，取得了很大的成果。但是，他們研究出來的產品大多是構造復雜，價格昂貴，有許多產品價格在十幾萬以上，這對于中國的普通老百姓來說可望而不可及。國內的研究相對來說比擬晚，雖然也誕生了很多專利，但由于受到體積，重量，穩(wěn)定性及平安性的限制，還沒有產品真正的投入使用。從國內外爬樓梯裝置的特點可以看出，爬樓梯輪椅裝置開展至今除了軌道式爬樓梯裝之外，大多數爬樓梯輪椅裝置的自主性都不高，仍然需要在旁人的協助下實現上下樓運動。而且存在許多問題值得深入研究。由此可見，為了解決輪椅使用受限的難題，同時還要考慮我國的國情，考慮到使用者的經濟承受能力，研究一種價格低廉，功能多樣的爬樓輪椅勢在必行。目前，市場上爬樓梯

8、輪椅多種多樣，種類繁多。但是比擬優(yōu)秀，實用，價格低廉的爬樓梯輪椅少之又少。目前，最為先進的爬樓輪椅為美國的iBOT。圖1美國 iBOT由美國著名創(chuàng)造家迪恩卡門創(chuàng)造的爬山輪椅iBOT3000獨立機動系統(tǒng)以下簡稱iBOT是目前為止世界上最為先進的具有上下樓梯功能的全自動輪椅。其外形如圖1.1所示。從外表看上去，iBOT與普通輪椅不大一樣；它有6個輪子，前面一對為直徑10厘米的實心腳輪，后面兩對為直徑30厘米的充氣輪胎。iBOT通過復雜的陀螺儀系統(tǒng)保持平衡，當輪椅上分布的傳感器感受到重心的變化時，它們馬上把這些信息傳輸到位于座椅下面的控制盒中?？刂坪杏袔讉€奔騰處理器和預先設計好的程序，這些程序會命令

9、輪椅的機械系統(tǒng)進展自我調整，保持平衡。 iBOT共有3種運動模式，一種是正常模式，像普通輪椅一樣在平地上前進，6只輪子同時著地；如果遇到崎嶇的路面，沙地或斜坡，它就進入四輪驅動狀態(tài)，靠4個后輪行走。第二種是直立模式，只靠一對后輪接觸地面，iBOT可以保持這種站立姿勢，也能直立行走。第3種是爬樓模式，兩對后輪交替爬到上一級或下一級臺階上。 iBOT的動力由兩個充電電池提供，充一次電需要4小時，充電后可以走15-24公里，它在平地上的最大速度為每小時9.6公里。作為世界上第一種會爬樓梯的輪椅，iBOT可以輕松地在高度為21厘米以下的樓梯上爬上爬下，還能跨過最高不超過15厘米的障礙。此外，它還可以在

10、沙灘、斜坡和崎嶇的路面上前進，并能爬上不則陡的小山坡。在殘障人士看來，iBOT最了不起的本領金雞獨立才是最讓他們感覺體貼的功能。它把他們升到正常人高度，使他們能夠完成諸如到書架上取書、靠在吧臺上喝酒等普通人能夠做的動作，更重要的是，它給患者一種平等的感覺，這對幫助患者建立自信來說太重要了。具備自我姿態(tài)平衡穩(wěn)定功能，使用智能手柄操作。最大爬坡能力30度，最大臺階高度21CM，售價30000美元。 iBOT配備了一套計算機傳感器和陀螺儀，具有很強的自動尋找平衡能力。它有4個同樣大小的輪子，上樓梯過程中，乘坐者背靠樓梯，手扶樓梯把手，當身體重量落在兩個后輪上時，前面兩個輪子就會抬起，從后輪上面翻轉過

11、去，落至更高一級的樓梯上。乘坐者通過這種調整重心的方法，可以操作輪椅兩對輪子不斷翻轉，沿樓梯一級一級向上移動。下樓時原理類似，乘坐者仍面向樓下，通過身體前傾來控制輪椅的運動。據介紹，由于其獨特的平衡能力，輪椅在上下樓梯的過程中始終能保持穩(wěn)定，座位也一直處于水平。不過，在沒有他人輔助的情況下，乘坐者想要獨立的上下樓，至少必須一只手具有活動能力。 iBOT采用輪式機構，具有多種運行模式，既能在平坦路面上快速行走，也能爬樓梯穿斜坡，這些都是我們需要借鑒的地方，但為了能夠保持始終平衡、自動調整重心，iBOT使用了多個傳感器和陀螺儀系統(tǒng)，這當然會提高輪椅的自動行走能力，但無疑很大程度上加大復雜程度和本錢

12、、價格，對推廣來說造成很大困難。本次設計要防止一味追求全自動化的傳統(tǒng)設計理念，改用電機驅動+手工輔助的方式，由輔助人員來完成上下樓梯過程中的重心調整難題，防止復雜的平衡系統(tǒng)，必將大大降低本錢。3. 課題設計的主要內容首先，通過分析比擬國內外三種主流的爬樓機構，結合實際情況，選擇星輪式作為爬樓輪椅爬樓裝置。裝置需要采用一個或多個電機控制其平地運動和爬樓運動。其次，為了提高使用平安性，需要對由人和裝置組成的系統(tǒng)的重心作適時調節(jié)，應盡量降低重心使其運行平穩(wěn)。由于樓梯具有一定的傾角，前后著地之間水平方向的距離減小了，在下樓時系統(tǒng)容易前傾，重心靠近前支點；相反，上樓時系統(tǒng)易后仰，重心靠近后支點，這都使整

13、個系統(tǒng)的穩(wěn)定性降低。隨著樓梯傾角的增加，這種問題更加明顯，因此必須采用一定的措施適時的調節(jié)系統(tǒng)的重心。人的重量在整個系統(tǒng)中占有很大的比例，因此通過調節(jié)座椅相對于裝置的位置便能改變系統(tǒng)的重心；同時通過調整機構自動調節(jié)座椅的傾角，使之大體保持水平。此外，處于平安性考慮，為智能輪椅安裝保險剎車裝置，在有需要的時候使輪子鎖死，防止意外的危險發(fā)生。對于如何實現平地模式與爬樓模式之間的平滑切換也是重要的問題，通過減速器控制，使使用者能控制電機轉速，到達切換模式的目的。4.設計方案1.1星輪式星輪式爬樓輪椅的爬樓機構由均勻分布在Y型、五星或+字形系桿上的假設干個小輪構成。各個小輪既可以繞各自的軸線自轉，又可

14、以隨著系桿一起繞中心軸公轉。在平地行走時，各小輪自轉，而爬樓梯時，各小輪一起公轉，從而實現爬樓梯的功能。目前星型輪機構爬樓輪椅不管是Y型、十字型還是五星型，由于其星輪輪距和深度固定，而樓梯臺階的高、寬尺寸不一，在爬行中容易出現錯位打滑現象，存在的平安隱患。國內星型輪爬樓機由于沒有防滑制動功能，在上下樓時需要人力牽引以防止其往下滑行，對于自重近50公斤的輪椅加人體重量，一旦出現打滑將難以控制。因此，星型輪機構爬樓機的平安性還有待提高，但由于其構造簡單和造價低廉，在經濟不寬裕的家庭仍有一定的市場。國內外創(chuàng)造了多種星型輪式爬樓輪椅，大多數都采用兩組由3個、4個或者5個小輪組成的星型輪，星輪式爬樓輪椅

15、由于平安性不高以及體積較大，且難以在所有住宅樓梯上使用對臺階寬高尺寸有限制，因此難以普及。這也是星型輪式爬樓梯輪椅盡管創(chuàng)造專利很多，真正實施和推廣的卻很少的主要原因。圖2 典型行星輪輪椅爬梯機構1.2履帶式圖3 履帶式爬梯輪椅機構帶型機構的爬樓梯輪椅采用比星型輪機構更為連續(xù)的行走方式，當履帶每離開上一臺階或行進到下一臺階時會出現因重心偏離而前后傾側。履帶式爬樓輪椅不適合在樓梯階沿太光滑及斜度大于3035度的環(huán)境使用。且履帶磨損較大以至后期維修本錢高。采用進口高質量履帶盡管耐磨損性能會得到改善，但會對樓梯階沿造成損傷。履帶式爬樓輪椅平地行走時阻力較大，轉角處拐彎不靈活。對此，國內外提出過各種各樣

16、的改進機構，但目前仍不是很理想。為克制這一缺點，國內外提出過各種各樣的改進機構，圖1.4就是一種改進的輪-履帶混合機構的爬樓梯輪椅，它在平地行走時利用輪式機構，爬樓梯時放下履帶機構進展工作。圖4 改進輪-履帶混合機構爬梯輪椅1.3步進支撐式圖5 典型間歇式的爬梯輪椅圖1.5 典型間歇式的爬梯輪椅步進支撐式爬樓輪椅在國外已有近百年歷史，經不斷演變和改進，現已是所有形式爬樓輪椅中平安性較高也是傳動機構比擬復雜的一種。其原理是模仿人體爬樓動作，由兩套支承裝置交替支承，以實現上下樓梯的功能。由于步進支撐式爬樓輪椅的平安性相比其它類型的要高，在國外興旺國家已被廣泛使用。但因其傳動機構復雜，我國目前還不掌

17、握這種技術。如圖1.5就是一種典型的間歇式的爬梯輪椅爬行機構原理，這種輪椅的四個輪子由蝸桿和車身相連。平地行駛的時候也，四跟蝸桿伸出的長度相同，保證車輛平穩(wěn)行走，當輪椅需要上下臺階的時候，首先通過蝸桿2的上升，抬起其所連的輪子，前移至臺階上，再將蝸桿2抬起，移至臺階上，整個動作都模仿人上樓梯的動作，運動相比照擬平穩(wěn)，但是對控制的要求比擬高，操作比擬復雜。尤其是步進支撐式爬樓輪椅的智能化平安報警和階沿防滑制動技術還不被國內相關生產廠商所掌握。由于步進支撐式爬樓輪椅的傳動機構復雜而又高度集成的模塊化構造，加之大量高硬度輕質材料的使用導致造價高昂。盡管如此，政府和殘疾人家屬出于對殘疾人和老年人上下樓

18、平安的絕對保障需要，還是會優(yōu)先考慮更加平安的而非更廉價的爬樓輪椅。相信隨著步進支撐式爬樓輪椅高度的可靠性和平安性表達，將會逐漸成為未來主流的爬樓輪椅效勞于更多的殘疾人和老年人群體。4.1上下樓梯輪椅機構確實定通過比照以上各種機構及現有的上下樓梯輪椅，分析其各自的優(yōu)勢和缺乏之處，主要考慮到運動的靈活性，控制的難易度，能量的利用率，使用的平安性等，最終選用輪式機構，為了能實現上下樓梯的功能，借鑒國內外爬梯輪椅的功能，采用行星輪機構。價格平安性傳動效率操作性復雜程度履帶式中高低中中步行式高高中高高星輪式低中低低低1.輪式機構在平地行走時有明顯的優(yōu)勢，這是其他機構所不能比的；而在輪椅車載絕大數時間內還

19、是在平地上運行。為了保證輪椅車在絕大數時間里的考慮，輪式機構是第一選擇。2.為了使輪式機構具有跨越障礙的能力，通過綜合比擬，決定選用行星輪系。行星輪系通過行星輪繞回轉中心的公轉，實現攀爬樓梯的功能。而且這樣選擇使平地行走和攀爬樓梯可以使用同一個機構，降低設計的難度。3.通過分析輪式尤其是星輪式爬樓裝置的優(yōu)越性設計了一款星輪式爬樓梯電動梯輪椅，在此過程中進展機構設計，傳動裝置以及整體構造的設計，并進展相關設計計算，爬升裝置是爬樓梯輪椅的關鍵，在深入研究爬樓梯輪椅工作機理根底上，充分考慮爬樓輪椅爬升裝置的構造和尺寸以及爬升功率平安性等要求。設計成型一款星輪式爬樓梯電動輪椅，此輪椅既可以越障爬樓，又具有電動輪椅功能1作為爬樓梯輪椅時，具有對不同尺寸樓梯適應能力強，平安性好，整體重量輕巧，構造緊湊等特點，作為電動輪椅使用時，可滿足國家標準對動輪椅的要求圖6 行星輪椅模型爬梯過程圖7 行星輪爬梯步驟示意圖5.實施方案1周:開題報告辯論2-7周：根據擬定的課題實施方案，進展深入研究。對所設計的行星輪使用原理進展分析計算，根據任務書所提供的資料計算行星輪尺寸。根據重量估算及選擇電機。根據根本尺寸繪制主要零部件草圖和總體裝配圖。8-10周:檢查所有計算結果，確保計算的正確性。編寫