機(jī)械設(shè)計(jì)自行走輪椅設(shè)計(jì)

1、目錄1緒論. 2國內(nèi)外發(fā)展情況41.11.21.3設(shè)計(jì)內(nèi)容設(shè)計(jì)思路.5.52系統(tǒng)方案.72.12.22.3機(jī)械系統(tǒng)方案7.9.10控制方案總體方案33.13.23.3機(jī)械結(jié)構(gòu)計(jì)11鏈條的傳動設(shè)計(jì)11電的選用.11.12驅(qū)動電路設(shè)計(jì)4 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì).134.1 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)145 總結(jié).14. 14. 14設(shè)計(jì)總結(jié)展望參考文獻(xiàn). 15附錄.18致謝. 19一、緒論1.1 自行走輪椅國內(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)量和生活度。因?yàn)楦鞣N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(shù)的進(jìn)步，社會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獨(dú)立的生活，節(jié)省家庭護(hù)理費(fèi)用，減輕社會負(fù)擔(dān)。許多國家投入較多研究智能輪椅，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(shí)又可以使用攜帶的機(jī)器完成簡單的日常活動.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(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、最簡易操作的自行走輪椅，功能

3、齊全、結(jié)構(gòu)簡單、適用于傷殘產(chǎn)品。、且能達(dá)到消費(fèi)者需求水準(zhǔn)的一件市場主要特色：功能齊全、結(jié)構(gòu)簡便、使用方便、價(jià)格適當(dāng)、安全系數(shù)強(qiáng)位置和基本狀態(tài)傳送給醫(yī)護(hù)和家人實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)。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)用大量使用了移器人技術(shù) 在自動輪椅的研究中涉及到的有導(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是輪椅的安全導(dǎo)航問題所謂導(dǎo)航即是指移器人按照預(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，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

4、作為醫(yī)療護(hù)理領(lǐng)域的服務(wù)機(jī)器人，其應(yīng)用大量使用了移器人技術(shù)。在智能輪椅的研究中涉及到的有導(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是輪椅的安全導(dǎo)航問題。所謂導(dǎo)航即是電動輪椅技術(shù)及其1產(chǎn)品特點(diǎn)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(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)利用無線方式將使用者的指移器人按照預(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，地作出各種決策，并隨時(shí)調(diào)整

5、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)量和生活度。因?yàn)楦鞣N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(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，中國自動化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)監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，目前規(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，外商投資輪椅生產(chǎn)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(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。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(diǎn)，利用自身優(yōu)勢可以在較短時(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。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)

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(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，國內(nèi)電動輪椅產(chǎn)品的市場售價(jià)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。下圖為設(shè)計(jì)的自行走輪椅產(chǎn)品圖下圖是普通輪椅圖1.2 設(shè)計(jì)內(nèi)容本設(shè)計(jì)的是為殘疾和老年人設(shè)計(jì)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(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)

8、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(shí)必須平滑穩(wěn)定和安全。自行走輪椅對電機(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(shí)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、定位和,并對一些常見故障進(jìn)行顯示。當(dāng)輪椅運(yùn)行時(shí)如果檢測出故障, 系統(tǒng)能夠使輪椅安全停止并鎖定;當(dāng)輪椅能夠立即鎖定輪椅時(shí)出現(xiàn)故障, 系統(tǒng)應(yīng)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，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(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(shí)候，單片機(jī)驅(qū)動電路，再通過電機(jī)帶動鏈條，使整個(gè)輪椅能運(yùn)動起來。本款自行走輪椅最快速度為10km/h,具備轉(zhuǎn)向、加速、剎車功能。二、系統(tǒng)方案2.1 機(jī)械系統(tǒng)方案圖1 自行走輪椅運(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?？梢? 自行走輪椅運(yùn)動控制系統(tǒng)主要由桿信號處理部分、電機(jī)控制部分和輪椅狀態(tài)檢測分組成。桿輸出的信號經(jīng)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(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

10、戶的指令和反饋信號來電機(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(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(gè)二維的桿輸出信號轉(zhuǎn)換為速度和轉(zhuǎn)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(biāo)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(zhuǎn)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(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,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 FySmax(1)Sr =- Cx Fx +Cy FySmax(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)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)

12、, 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(shí), 左輪正向轉(zhuǎn)動, 右輪反向轉(zhuǎn)動或保持不變。當(dāng)一個(gè)輪保持不轉(zhuǎn)動而另外一個(gè)輪轉(zhuǎn)動時(shí), 輪椅做原地360轉(zhuǎn)彎。圖3 以不同角度旋轉(zhuǎn)桿時(shí)輪椅的左/右輪的速度曲線速度給定的S曲線設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)思路。S曲線本身是一個(gè)非線性函數(shù),其和編程都非常復(fù)雜。S曲線的形狀如圖4虛線所示。在輪椅起動時(shí)應(yīng)該是一個(gè)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(shí),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(gè)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(shí)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(shí)現(xiàn)方法。利用中斷時(shí)間和對加速度變化率的敏感特性來實(shí)現(xiàn)。根據(jù)對加速度和加速度變化率的敏感特性知, 當(dāng)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(shí),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(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)

14、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(jì)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, 在本文的自行走輪椅運(yùn)動控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中要實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速負(fù)反饋是非常 的, 因?yàn)闊o法安裝轉(zhuǎn)速檢測裝置。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5 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V +、V

15、 - 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碾妱虞喴慰刂葡到y(tǒng)采極性模式, 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，然后把鏈條安裝在雙電的連桿上，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)這款自行走輪椅的運(yùn)行。整個(gè)設(shè)計(jì)思路其實(shí)比較是簡單的，在安裝了設(shè)計(jì)電路后，通過電做功來帶動鏈條傳動，來實(shí)

16、現(xiàn)自行走輪椅行走、加速、剎車的各項(xiàng)功能。三、機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)3.1 鏈條傳動設(shè)計(jì)雙電機(jī)組合帶動鏈條，以電產(chǎn)生動力，電帶動電上的桿和錐齒輪，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(gè)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(shí)，信號通過單片機(jī)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(shè)計(jì)用的是雙電機(jī)組合，所以在選擇電時(shí)，依照自行走輪椅運(yùn)行時(shí)最大速度10km/h，來選擇電。四、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)4.1 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)輪椅運(yùn)動控制系統(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)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(jì)

17、方法,各功能模塊之間除接口變量外互相獨(dú)立。圖7 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(jì)總結(jié)本文以自行走輪椅運(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,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(shí)施方案, 并給出了速度給定S曲線計(jì)算公式和編程算法。運(yùn)行效果良好。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(jì)算公式, 并通過實(shí)現(xiàn)取得了良好效果。總之, 本文完成了輪椅運(yùn)動控制器設(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、案正確

18、性及可行性。本文的項(xiàng)目設(shè)計(jì)以國家高技術(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年度課題申請指南中課題l智能輪椅關(guān)方鍵技術(shù)、單元及目標(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(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)，將自行走輪椅分為機(jī)械結(jié)構(gòu)、驅(qū)動、控制三部分。重點(diǎn)介紹了自行走輪椅控制系統(tǒng)，最主要的是設(shè)計(jì)了DA轉(zhuǎn)換，成功接管了智能輪椅控制器。利用控制器，成功實(shí)現(xiàn)自行走控制系統(tǒng)。在設(shè)計(jì)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(jì)自行走輪椅控制系統(tǒng)，基本達(dá)到了實(shí)用性

19、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。在采用輪椅控制器控制電機(jī)時(shí)沒有加入測速環(huán)節(jié)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(xiàng)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性和智能化。61參考文獻(xiàn)1J. P. Hong, H. MSh im, S.

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