自行走輪椅(全套含cad圖)
自行走輪椅(全套含cad圖),行走,輪椅,全套,cad
自動走輪椅
學(xué)生姓名:梁 超 班級:0681053
指導(dǎo)老師:袁 坤
摘要:為實(shí)現(xiàn)高性能和低成本的自行走輪椅, 開發(fā)了全數(shù)字自行走輪椅控制器; 采用先進(jìn)的無速度傳感器測速技術(shù), 設(shè)計(jì)了帶電流補(bǔ)償?shù)碾妷贺?fù)反饋加負(fù)載不平衡補(bǔ)償?shù)碾p電機(jī)協(xié)調(diào)控制方案。驅(qū)動部分采用有刷幅條電機(jī)的后輪驅(qū)動。幅條電機(jī)傳動具有轉(zhuǎn)矩大、噪音低、效率高、耗電少、壽命長、綠色環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，克服了鏈傳動噪聲大、沖擊大、傳動不平穩(wěn)等缺點(diǎn)，且外觀新穎，控制部分采用采用平等四邊形連桿機(jī)構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡單，并實(shí)現(xiàn)了大角度的轉(zhuǎn)向控制和兩輪同步運(yùn)動，同時增加輪椅在行進(jìn)中的穩(wěn)定性，而且起到防倒的功能，遇上下坡也能自主掌控，安全性高；制動部分采用特制的漲剎機(jī)構(gòu)，達(dá)到前后手柄都可以制動，安全性高。
給出了軟硬件結(jié)構(gòu)和單元電路的設(shè)計(jì)及參數(shù)選擇方法; 分析了操縱桿工作原理; 給出了輪椅速度和運(yùn)動方向信息合成計(jì)算公式和提高運(yùn)行舒適度的S曲線生成策略。
關(guān)鍵詞: 自行走輪椅; 控制器; 雙電機(jī); 協(xié)調(diào)控制; S曲線; 誤差檢測；幅條電機(jī)；連桿機(jī)構(gòu)；漲剎機(jī)構(gòu)；電動控制；輔助裝置
指導(dǎo)老師簽名:
Automatic walk a wheelchair
Student name :Liang Chao Class: 0681053
Supervisor: Yuan Kun
Abstract: To achieve high performance and low cost to walk the wheelchair, developed by digital controller; walk wheelchairs, Using advanced speed sensorless speed technology, design with the current compensation voltage feedback and compensation of unbalanced load motor coordination control scheme. Driving part adopts a brush painting of the rear wheel drive motor. The picture has great torque motor drive, low noise, high efficiency, energy saving.longlife, green environmental protection etc, and overcome the impact noise, large chain drive not smooth, novel appearance and defects, and control part adopts USES equal quadrilateral linkage mechanism, simple structure, and realize the large Angle of steering control and two wheels, adding wheelchairs synchronous movement in the stability and travel, prevent fall function, meets the downhill can independently control, high security, Braking part adopts special rose, and brake to handle all can apply the brake, high safety.
The hardware and software structure and given the unit circuit design and parameter selection method, The lever principle analysis, Given the speed and direction of movement wheelchair synthetic formulas and improve information generated the comfort of the S curve operation strategy.
Key Words: EPW; Controller; Two2motor; Coordinated control; S curve; Fault detection；electromotive wheelchair；hand control；electric control；auxiliary unit
Signature of Supervisor:
畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）
開題報告
題 目 自行走輪椅設(shè)計(jì)
專 業(yè)
班 級
學(xué) 生
指導(dǎo)教師
自動走輪椅
摘要:為實(shí)現(xiàn)高性能和低成本的自行走輪椅, 開發(fā)了全數(shù)字自行走輪椅控制器; 采用先進(jìn)的無速度傳感器測速技術(shù), 設(shè)計(jì)了帶電流補(bǔ)償?shù)碾妷贺?fù)反饋加負(fù)載不平衡補(bǔ)償?shù)碾p電機(jī)協(xié)調(diào)控制方案。驅(qū)動部分采用有刷幅條電機(jī)的后輪驅(qū)動。幅條電機(jī)傳動具有轉(zhuǎn)矩大、噪音低、效率高、耗電少、壽命長、綠色環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，克服了鏈傳動噪聲大、沖擊大、傳動不平穩(wěn)等缺點(diǎn)，且外觀新穎，控制部分采用采用平等四邊形連桿機(jī)構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡單，并實(shí)現(xiàn)了大角度的轉(zhuǎn)向控制和兩輪同步運(yùn)動，同時增加輪椅在行進(jìn)中的穩(wěn)定性，而且起到防倒的功能，遇上下坡也能自主掌控，安全性高；制動部分采用特制的漲剎機(jī)構(gòu)，達(dá)到前后手柄都可以制動，安全性高。
給出了軟硬件結(jié)構(gòu)和單元電路的設(shè)計(jì)及參數(shù)選擇方法; 分析了操縱桿工作原理; 給出了輪椅速度和運(yùn)動方向信息合成計(jì)算公式和提高運(yùn)行舒適度的S曲線生成策略。
關(guān)鍵詞: 自行走輪椅; 控制器; 雙電機(jī); 協(xié)調(diào)控制; S曲線; 誤差檢測；幅條電機(jī)；連桿機(jī)構(gòu)；漲剎機(jī)構(gòu)；電動控制；輔助裝置
指導(dǎo)老師簽名:
Automatic walk a wheelchair
Abstract: To achieve high performance and low cost to walk the wheelchair, developed by digital controller; walk wheelchairs, Using advanced speed sensorless speed technology, design with the current compensation voltage feedback and compensation of unbalanced load motor coordination control scheme. Driving part adopts a brush painting of the rear wheel drive motor. The picture has great torque motor drive, low noise, high efficiency, energy saving.longlife, green environmental protection etc, and overcome the impact noise, large chain drive not smooth, novel appearance and defects, and control part adopts USES equal quadrilateral linkage mechanism, simple structure, and realize the large Angle of steering control and two wheels, adding wheelchairs synchronous movement in the stability and travel, prevent fall function, meets the downhill can independently control, high security, Braking part adopts special rose, and brake to handle all can apply the brake, high safety.
The hardware and software structure and given the unit circuit design and parameter selection method, The lever principle analysis, Given the speed and direction of movement wheelchair synthetic formulas and improve information generated the comfort of the S curve operation strategy.
Key Words: EPW; Controller; Two2motor; Coordinated control; S curve; Fault detection；electromotive wheelchair；hand control；electric control；auxiliary unit
Signature of Supervisor:
目 錄
1 緒論 ............................................................................................................................ 2
1.1 國內(nèi)外發(fā)展情況 ............................................................................................................. 4
1.2 設(shè)計(jì)內(nèi)容 ........................................................................................................................5
1.3 設(shè)計(jì)思路 ........................................................................................................................5
2 系統(tǒng)方案 .......................................................................................................................7
2.1 機(jī)械系統(tǒng)方案 ....................................................................................................................7
2.2 控制方案 ........................................................................................................................9
2.3 總體方案 .......................................................................................................................10
3 機(jī)械結(jié)構(gòu)計(jì) .................................................................................................................11
3.1 鏈條的傳動設(shè)計(jì) ............................................................................................................11
3.2 電動機(jī)的選用 ..............................................................................................................11
3.3 驅(qū)動電路設(shè)計(jì) ................................................................................................................12
4 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) ...............................................................................................................13
4.1 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) ...........................................................................................................14
5 總 結(jié) ..........................................................................................................................14
5.1 設(shè)計(jì)總結(jié) ....................................................................................................................... 14
5.2 展望 ........................................................................................................................... 14
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)量和生活自由度。因?yàn)楦鞣N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(dú)立的生活，節(jié)省家庭護(hù)理費(fèi)用，減輕社會負(fù)擔(dān)。許多國家投入較多資金研究智能輪椅，涌現(xiàn)出許多成果，但由于價格和實(shí)用性的原因使它們暫時只能作為實(shí)驗(yàn)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(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，功能齊全、結(jié)構(gòu)簡單、適用于傷殘人士、且能達(dá)到消費(fèi)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(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位置和基本狀態(tài)傳送給醫(yī)護(hù)人員和家人實(shí)現(xiàn)實(shí)時監(jiān)控。
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?yàn)楦鞣N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(diǎn)，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(diǎn)，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
下圖為設(shè)計(jì)的自行走輪椅產(chǎn)品圖
1.2 設(shè)計(jì)內(nèi)容
本設(shè)計(jì)的是為殘疾人士和老年人設(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)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。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(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。
本款自行走輪椅最快速度為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自行走輪椅。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 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(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)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(jì)
(1) 設(shè)計(jì)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(shí)踐證明, 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。利用中斷時間和人體對加速度變化率的敏感特性來實(shí)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(jì)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(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)反饋是非常困難的, 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?yàn)槲闹兴懻摰碾妱虞喴慰刂葡到y(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(jì)機(jī)構(gòu)有一個完整的回路。從而實(shí)現(xiàn)這款自行走輪椅的運(yùn)行。
整個設(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，通過電動機(jī)做功來帶動鏈條傳動，來實(shí)現(xiàn)自行走輪椅行走、加速、減速、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(jì)用的是雙電機(jī)組合，所以在選擇電動機(jī)時，依照自行走輪椅運(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(shí)際功率：
傳動比：
3.3 驅(qū)動電路設(shè)計(jì)
在本設(shè)計(jì)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(diǎn)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(jì)
4.1 控制系統(tǒng)軟件設(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)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(jì)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(shí)施方案, 并給出了速度給定S曲線計(jì)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(jì)算公式, 并通過軟件實(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、軟件方案正確性及可行性。
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)
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)換平臺，成功接管了智能輪椅核心控制器。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
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(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. P. Hong, H. MSh im, S. B. J ung, et al. A SteeringA l2go rithm of TheMCU Based Controller For Two2Wheel Drive Vehi2cles. Industrial Electron ics, Proceedings [ J ]. IEEE Internation2al Symposium, 2001, 3 (6 ) : 1887 21890.
[2] H. M. Sh im, J. P. Hong, S. B. Chung, et al. PoweredWheelchair Cont ro ller Based onMaster2Slave Con tro lArchtecture.Industrial Electronics, Proceedings [ J ]. IEEE In ternationalSymposium, 2001 , 3 ( 6) : 155321556.
[3] 陳伯時. 電力拖動自動控制系統(tǒng)(第2版) [M ]. 北京: 機(jī)械
工業(yè)出版社,
[4]許洪基.雷光.現(xiàn)代機(jī)械傳動手冊[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2002年3月
[5].唐金松.簡明機(jī)械傳動手冊[M].上海：上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，2000年8月
[6].王中發(fā).實(shí)用機(jī)械設(shè)計(jì)[M].北京：北京理工大學(xué)出版社，1998年2月
[7].楊景蕙.機(jī)械設(shè)計(jì)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1996年7月
【8】Koren，Y and Broenstein，j．Potential Field Methods and their Limitations for mobile Robot
Navigation．IEEE Int．Conf．on Robotics and Automation．1 99 1：1 398～1404
[9】張穎，吳成東，原寶龍．機(jī)器人路徑規(guī)劃方法綜述【J】．控制工程，2006(12)：23"-'25
【10】樊長虹，陳衛(wèi)東，席裕庚．未知環(huán)境下移動機(jī)器人安全路徑規(guī)劃的一種神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法【J】．
自動化學(xué)報．2004。30(6)：2～8
【1 l】Gang Feng．A Compensating Scheme for Robot Tracking Based Oil Neural Networks．
Robotics and Autonomous Systems．1 995：1 99-206
【1 2】Yang Simon X，Meng Max．An Effcient Neural Network Method for Real-time Motion
Planning with Safety Consideration．Robot and Autonomous Systems．2000
[13】張穎，吳成東，原寶龍．機(jī)器人路徑規(guī)劃方法綜述．控制工程．2003，10(50)：1～2
【14】李玲，鄒大勇，謝維達(dá)．基于自適應(yīng)模糊人工勢場法的自動引導(dǎo)小車路徑規(guī)劃．長沙電力
學(xué)院學(xué)報．2005．20(3)：1"-3 。
[15】謝宏斌，劉國棟，李春光．基于遺傳算法的機(jī)器人動態(tài)路徑規(guī)劃的仿真．武漢工業(yè)學(xué)院學(xué)
報．2003，22(3)：1---3
【16】劉成良，張凱，付莊．神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在機(jī)器人路徑規(guī)劃中的應(yīng)用研究．機(jī)器人．2001，23(7)：1～4
【1 7】李磊，葉濤，譚民．移動機(jī)器人技術(shù)研究現(xiàn)狀與未來．機(jī)器人．2005，24(5)：1"-'5
【1 8】Levent Yenilmez,Hakan Temeltas．Real Time Multi-Sensor Fusion And Navigation For
Mobile Robots．Electroteehnical Conference，1 998，VOL．1：22 1"-'225
【19】何友，王國宏，陸大淦，彭應(yīng)寧．傳感器信息融合及其應(yīng)用【MJ．北京：電子工業(yè)出版社，
2000
【20】袁軍，王敏，黃心漢，陳錦江．智能系統(tǒng)多傳感器信息融合研究進(jìn)展．控制理論與應(yīng)用，
1994，ll(5)：513～519
【21】Chang and Song Ultrasonic Sensor Data integration[J]．Journal of Robotic System，1996，
8(3)：664～667
【22】王琳．多傳感器信息融合技術(shù)及其應(yīng)用[D】一匕京，華北電力大學(xué)．2002
【23】崔?。Z音識別技術(shù)的研究及應(yīng)用[D】．沈陽，東北大學(xué)，2006
【24】蔡蓮紅，黃德智．現(xiàn)代語音技術(shù)基礎(chǔ)與應(yīng)用．北京：清華大學(xué)出版社，2003
【25】王炳錫，屈丹，彭煊．實(shí)用語音識別基礎(chǔ)．北京：國防工業(yè)出版社，2004
【26】Kundu,A．(U．S．West Advanced Technologies)，Bayya,A．Speech recognition using hybrid
hidden Markov model and NN classifier．International Journal of Speech Technology，1998，
V01．2(3)：227～240
【27】魯濤，原魁，朱海兵．智能輪椅研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢【J】．機(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用．2008，
24(8)：99--。1 02
【28】王戰(zhàn)雷．基于超盧波的智能輪椅避障的研究【D】．河北，河北工業(yè)大學(xué)
【29】張培r，張志堅(jiān)，高修峰．十六位單片機(jī)微處理器原理及應(yīng)用(凌陽SPCE061A)．北京：
清華大學(xué)出版社．2005
【30】侯嬡彬，袁益民，崔漢平．凌陽單片機(jī)原理及其畢業(yè)設(shè)計(jì)精選．北京：科學(xué)出版社，
2006
【3l】李守軒．輪椅機(jī)器人語音識別控制系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)【D】．南昌：南昌人學(xué)，2007
【32】李守軒，張華，劉繼忠．基T-SPCE061A的智能輪椅語音控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)【J】．計(jì)算機(jī)工程，
2008(14)：22～25
【33】羅亞非．凌陽16位單片機(jī)應(yīng)用基礎(chǔ)．北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2003
【34】何湘智．語音識別的研究與進(jìn)展．計(jì)算機(jī)與現(xiàn)代化，2002(3)：3"--'6
【35】荊嘉敏，劉加，劉潤生．基于HMM的語音識別技術(shù)在嵌入式系統(tǒng)中的應(yīng)用．電子技術(shù)應(yīng)
用．2003(10)：12"--14
【36】趙力．語音信號處理．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2003
【37】王富中，黃文浩．基于語音識別技術(shù)的智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)．自動化與儀器，2006(4)：8～10
【38】孫驍苗，周東輝，栗欣等．移動機(jī)器人的多傳感器測距系統(tǒng)設(shè)計(jì)．2006，25(2)：50--一52．
【39】吳銀鳳，劉光聰．紅外線接收電路CX20106及其應(yīng)用．無線屯2004(499)：53
【40】陳寧．智能體機(jī)器人動態(tài)路徑規(guī)劃研究[D】．武漢，華中科技大學(xué)
【4 1】K．Fujimura,H．Samet A hierarchical strategy for path planning among moving obstacles．
IEEE Transactions 01"1 Robotics and Automation，1 989，5(1)：6 1--69
【42】楊武強(qiáng)，張華，劉繼忠．一種機(jī)器人超盧避障測距系統(tǒng)的研制．電聲技術(shù)，2006(3)
【43】黃素平．智能輪椅導(dǎo)航與多傳感器信息融合研究【D】．湖南，中南大學(xué)
【44】王一可．基于滾動窗口的多機(jī)器人協(xié)調(diào)路徑規(guī)劃算法研究【D】．上海，上海交通人學(xué)
[45】張純剛．機(jī)器人滾動路徑規(guī)劃的理論與方法研究．上海交通大學(xué)博士學(xué)位論文．2002
【46】K．Kant and S．w．Zuker,Trajectory Planning Problems：Determining Velocity Along a fixed
path，McGili University 1 984
【47】杜軍君．智能機(jī)器人路徑規(guī)劃算法及實(shí)驗(yàn)研究【D】．上海，上海交通大學(xué)．2006
【48】胡盛斌，羅均，龔振邦．用于移動機(jī)器人避障的超盧測距系統(tǒng)．機(jī)電一體化，2003年(1)：
36-'-40．
【49】曾德懷，謝存禧，張鐵，黃瑞華．行走機(jī)器人的超聲波測距系統(tǒng)的研究．機(jī)械科學(xué)與技術(shù)，
23(5)：613"-'616．
f50】朱克華．輪椅機(jī)器人導(dǎo)航系統(tǒng)研究[D】．南昌，南昌大學(xué)．2005
【51】吳東暉．智能移動機(jī)器人的視覺導(dǎo)航技術(shù)【D】．浙江，浙江大學(xué)．2001
附錄
Al 主要尺寸及結(jié)構(gòu)參數(shù)
A1. 1 外形尺寸:長、寬、高,mm,
Al. 2 軸距，mm.
A1. 3 輪距，mm,
Al. 4 離地間隙,mmo
Al. 5 轉(zhuǎn)彎半徑'Mm.
Al-6 重量,kg,
Al. 7 最大載荷，kg.
Al.8 前后輪規(guī)格。
Al-9 輪胎氣壓，kPa0
A2 電氣參數(shù)
A2.1 電動機(jī):型號;
額定電壓 ， V;
額定功率 ， W 0
A2.2 蓄電池:型號;
額定容量 ,A · h ;
額定電壓 ， V;
裝備數(shù)量 ，個 。
A2.3 充電器:電源,V,Hz;
輸 出電 壓 ， V;
最 大 輸 出 電 流 ，A 0
A2.4 調(diào)速器:最大輸出電流，A;
連 續(xù) 工 作 電 流 ,A 0
A2.5 速度調(diào)節(jié)方式:分級變速;
無 級 變 速 。
A2.6 電壓指示，V0
A3 主要技術(shù)性能參數(shù)
A3.1 最大速度，km/h
A3.2 制動性能，m0
A3.3 爬坡能力，(。)。
A3.4 耗電量,kW " h/100 km.
A3.5 縱向穩(wěn)定性，(。)。
A3.6 側(cè)向穩(wěn)定性，(0)
附錄說明：
本標(biāo)準(zhǔn)由中華人民共和國民政部提出。
本標(biāo)準(zhǔn)由全國殘疾人康復(fù)和專用設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會歸口。
本標(biāo)準(zhǔn)由民政部北京假肢科學(xué)研究所、上海輪椅車廠、河北省假肢廠和浙江省(IQ肢廠負(fù)責(zé)起草。
致謝
通過了近兩個月的時間，我們了解到了很多關(guān)于機(jī)構(gòu)類設(shè)計(jì)的知識，本論文是在導(dǎo)師袁坤副教授的悉心指導(dǎo)下完成的。從論文的選題到每一個階段性成果，再到畢業(yè)論文的最后形成無不凝聚著袁老師的悉心指導(dǎo)和親切關(guān)懷。袁老師忘我的工作精神，嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度，淵博的學(xué)識，給我留下了深刻的印象，使我終生受益。謹(jǐn)在論文完成之際，向袁老師表示衷心的感謝和崇高的敬意!
感謝本組的每一位同學(xué)，在畢業(yè)設(shè)計(jì)工作中的真誠協(xié)助與交流及生活上給予的諸多幫助。感謝機(jī)電分院的眾位老師對我的辛勤指導(dǎo)，是你們的悉心教誨讓我在大學(xué)期間不僅學(xué)到很多理論上的知識，也讓我懂得了很多的人生哲理。衷心感謝所有關(guān)心、支持和幫助過我的老師、同學(xué)和朋友們!
最后，謹(jǐn)向百忙之中抽出寶貴時間評審本論文的各位專家致以誠摯的謝意!
21
收藏