輪式可爬樓梯輪椅車設(shè)計
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大 連 大 學 本科畢業(yè)論文 (設(shè)計 )開題報告 論 文 題 目: 輪式可爬樓梯輪椅車設(shè)計 學 院: 機械工程學院 專 業(yè) 、班 級: 機英 141 學 生 姓 名: 傅洪濤 指導教師(職稱): 張立(副教授) 2017 年 12 月 27 日填 畢業(yè)論文(設(shè)計)開題報告要求 開題報告既是規(guī)范本科生畢業(yè)論文工作的重要環(huán)節(jié),又是完成高質(zhì)量畢業(yè)論文 (設(shè)計)的有效保證。為 了使這項工作規(guī)范化和制度化,特制定本要求。 一、選題依據(jù) 1.論文(設(shè)計)題目及研究領(lǐng)域; 2.論文(設(shè)計)工作的理論意義和應用價值; 3.目前研究的概況和發(fā)展趨勢。 二、論文(設(shè)計)研究的內(nèi)容 1.重點解決的問題; 2.擬開展研究的幾個主要方面(論文寫作大綱或設(shè)計思路); 3.本論文(設(shè)計)預期取得的成果。 三、論文(設(shè)計)工作安排 1.擬采用的主要研究方法(技術(shù)路線或設(shè)計參數(shù)); 2.論文(設(shè)計)進度計劃。 四、文獻查閱及文獻綜述 學生應根據(jù)所在學院及指導教師的要求閱讀一定量的文獻資料,并在此基礎(chǔ)上通 過 分析、研究、綜合,形成文獻綜述。必要時應在調(diào)研、實驗或?qū)嵙暤幕A(chǔ)上遞交相 關(guān)的報告。綜述或報告作為開題報告的一部分附在后面,要求思路清晰,文理通順, 較全面地反映出本課題的研究背景或前期工作基礎(chǔ)。 五、其他要求 1.開題報告應在畢業(yè)論文(設(shè)計)工作開始后的前四周內(nèi)完成; 2.開題報告必須經(jīng)學院教學指導委員會審查通過; 3.開題報告不合格或沒有做開題報告的學生,須重做或補做合格后,方能繼續(xù)論 文(設(shè)計)工作,否則不允許參加答辯; 4.開題報告通過后,原則上不允許更換論文題目或指導教師; 5.開題報告的內(nèi)容,要求打印 并裝訂成冊(部分專業(yè)可根據(jù)需要手寫在統(tǒng)一紙張 上,但封面需按統(tǒng)一格式打?。?。 一、選題依據(jù) 1 論文(設(shè)計)題目 輪式可爬樓梯輪椅車設(shè)計 2 研究領(lǐng)域 機械設(shè)計 3 論文(設(shè)計)工作的理論意義和應用價值 理論意義:對于 年老體弱者以及下肢傷殘者 ,輪椅是其必不可少的行走輔助設(shè)備, 由于我國無障礙設(shè)施的滯后,這類人群的出行問題十分突出。鑒于目前的輪椅、電動 輪椅能在坡度小于 12度平坦的路面上行駛,但遇到樓梯臺階、溝槽、坎就無法跨越, 使輪椅具有爬樓梯能力是解決這類問題的關(guān)鍵。研究這類問題具有現(xiàn)實的理論意義。 應用價值: 從市場的角度看,輪椅是肢體殘疾人和老年人的重要的代步工具,隨 著人們生活水平的提高,輪椅被看作是一個潛力巨大的市場。從全球范圍來看爬樓梯 輪椅的研究已經(jīng)有近百年的歷史,提出了各種輪椅爬樓梯的解決方案。在這些方案中, 行星輪式爬樓梯輪椅可以兼顧平地行走和爬樓梯,是比較理想的爬樓梯解決方案。所 以,研究輪式可爬樓梯輪椅車無論從經(jīng)濟價值,可行性都具有很高的應用價值。 4 目前研究的概況和發(fā)展趨勢 在爬樓輪椅的研究范圍內(nèi),國外起步比較早, 1982 年美國科學家 Bray 發(fā)明了第 一個爬樓梯輪椅,此后各個國家紛紛推出了各自的產(chǎn) 品,取得了很多成果,很多已經(jīng) 上市,我國在這方面研究比較晚。按照爬樓輪椅的原理,大致可以分為 : ( 1) 行星輪式 行星輪式是交通運輸工具中應用廣泛的一種運動機構(gòu),在國外一些 爬樓機器人中也廣泛采用了輪式結(jié)構(gòu)。 ( 2) 履帶式 第二種是履帶式,履帶式原理比較簡單,和履帶式坦克裝甲車類似 。 ( 3) 腿足式 早期的爬樓輪椅一般都采用腿足式,其爬樓機構(gòu)由鉸鏈桿件機構(gòu)組成。 ( 4) 其他裝置 現(xiàn)有的輔助式機構(gòu)基本可以分為兩種。第一種是在已有的普通輪椅 的基礎(chǔ)上附加可以實現(xiàn)爬樓功能的輔助裝置來實現(xiàn)爬樓的目的。 第二種是軌道式 爬樓 梯裝置,通過在普通樓梯上安裝軌道實現(xiàn)普通輪椅實現(xiàn)上樓和下樓 。 未來的研究將向以下幾個方面發(fā)展。 ( 1) 質(zhì)量輕 作為代步工具,爬樓梯輪椅車的能源系統(tǒng)一般采用的是機載電源,所 以要求系統(tǒng)整體重量輕,以延長續(xù)航時間。同時,減輕重量也可相應提高上下樓梯時 的靈活性,降低控制的難度。 ( 2) 可靠性 高爬樓梯輪椅面向的對象是老年人以及肢體殘疾人士,爬樓梯輪椅的 設(shè)計應從細微處出發(fā),設(shè)計安全、舒適、性能穩(wěn)定的產(chǎn)品,爬樓梯過程中應保證重心 波動小,安全保證措施響應及時。 ( 3) 功能齊全 爬樓梯輪椅在功能設(shè)計上 應最大程度的滿足人性化要求,構(gòu)建良好 的人機交互界面,使產(chǎn)品真正意義上融入到使用者生活的各個方面。 ( 4) 價格低 爬樓梯輪椅投入市場被用戶接受的一個重要因素是價格因素,爬樓梯 輪椅要實現(xiàn)批量生產(chǎn),必須采用模塊化的設(shè)計思想,這樣用戶不僅可以自主選擇配置 合適的輪椅,同時,也可降低生產(chǎn)成本,縮短研發(fā)周期,提高性價比。 二、論文(設(shè)計)研究的內(nèi)容 1.重點解決的問題 ( 1) 行星輪機構(gòu)的設(shè)計 ( 2) 萬向輪機構(gòu)設(shè)計 ( 3) 座椅調(diào)節(jié)系統(tǒng)的設(shè)計,旋轉(zhuǎn)機構(gòu)和平移機構(gòu)。 ( 4) 利用 Solidworks軟件 繪制零件圖及裝配圖。 2.擬開展研究的幾個主要方面(論文寫作大綱或設(shè)計思路) ( 1)輪式可爬樓梯輪椅車總體結(jié)構(gòu)設(shè)計 ( 2)底盤系統(tǒng)設(shè)計計算 ( 3)行星輪機構(gòu)設(shè)計及計算 ( 4)萬向輪機構(gòu)設(shè)計 ( 5)座椅系統(tǒng)可調(diào)機構(gòu)設(shè)計計算機校核 3.本論文(設(shè)計)預期取得的成果 在初步準確完成所需要設(shè)計的項目并完善工程圖的情況下。使 輪式可爬樓梯輪椅 可以實現(xiàn)平地行走和越障爬樓的功能,對崎嶇的路面具有較好的適應能力,并且座椅 可具有可調(diào)姿態(tài)機構(gòu),使人坐起來更加舒適,推輪椅的人也更加省力。 同時 底盤小車 具有平地行走和爬樓梯和越障礙物的 功能,座椅系統(tǒng)主要 有 多自由度可調(diào)姿態(tài)功能。 最終使得產(chǎn)品能夠得到社會廣泛認可,能夠投入市場進行批量生產(chǎn)。 三、論文(設(shè)計)工作安排 1.擬采用的主要研究方法(技術(shù)路線或設(shè)計參數(shù)) 主要是搜集文獻,查閱相關(guān)設(shè)計手冊和書籍,進行市場調(diào)研并參觀現(xiàn)有研究成 果,在老師指導下開展設(shè)計研究工作,利用計算機輔助設(shè)計,力學計算,三維軟件 等進行仿真模擬。 設(shè)計參數(shù): ( 1)要求自行輪椅的運動平順性,平地行走速度不大于 15km/h。 ( 2)要求可靠的上下樓梯能力,機械結(jié)構(gòu)合理,傳動效率高。 ( 3)臺階髙度為 180 mm 5 mm,最小樓梯坡度為 35 ,容許誤差為 1。所有樓梯 的梯級突邊都在由兩個相距 10 mm、傾斜角度與樓梯坡度相同的平行平面所形成的 區(qū)域內(nèi)。 2.論文(設(shè)計)進度計劃 第 1周:了解題目研究的主要內(nèi)容和理論意義及應用價值,查閱有關(guān)文獻。 第 2周:查閱文獻、閱讀文獻,了解研究的內(nèi)容及實現(xiàn)的技術(shù)路線 第 3周:撰寫文獻綜述并完成開題報告 第 4周:修改開題報告及文獻綜述準備開題答辯。 第 5周:輪式可爬樓梯輪椅車總體結(jié)構(gòu)設(shè)計,繪制設(shè)計草圖 第 6周:底盤系統(tǒng)設(shè)計計算,行星輪機構(gòu)設(shè)計及計算,繪制草圖 第 7周:萬向輪機 構(gòu)設(shè)計,繪制草圖。 第 8周:底盤系統(tǒng)的三維工程圖建模及裝配。 第 9周:座椅系統(tǒng)可調(diào)機構(gòu)設(shè)計計算機校核 第 10周:繪制可調(diào)節(jié)系統(tǒng)三維工作圖 第 11周:繪制旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)三維工程圖 第 12周:修改并完成總體裝配圖并生成 avi爆炸視圖的視頻文件 第 13周:撰寫設(shè)計說明書 第 14周:提交論文、圖紙、查重報告,準備答辯 四、需要閱讀的參考文獻 1 房立新等 .行星輪式爬樓梯電動輪椅 P.中國專利號: CN102125488A, 2011年 7 月 . 2 趙樹明 .爬樓梯智能輪椅 P.中國專利號: CN201564701U, 2010. 3 鄭曉瑛 中國殘疾人口現(xiàn)狀與未來發(fā)展趨勢 J 北京大學校報, 2008 4 劉靜 自動爬樓梯輪椅的虛擬設(shè)計與運動仿真 J 機械研究與應用, 2012 ( 6) : 133 5 隋春平,吳鎮(zhèn)偉 一種基于差動機構(gòu)的履腿復合式移動機器人 :CN, 201010563 622 7 P 2010 11 29 6 傅曉錦,朱世奇 雙履帶輪越障輪椅 : CN, 201210205979 7 P . 7 Axel lankenau, Thomas rofer A versatile and safe mobility assistant J IEEE Robotics and Automation, 2001( 8) : 29 37 8 Lawn M J Study of Stairs Climbing Assistive Mechanisms for the Disabled D Nagasaki: University of Nagasaki, 2002 9 蘇和平,王人成爬樓梯輪椅的研究進展 J中國康 復醫(yī)學雜志, 2005, 20( 5) : 366 368 10 何清華,黃素平,黃志雄 智能輪椅的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢 J機器人技 術(shù)與應用, 2002( 2):12 16 11 王占禮 ,郭化超 ,陳延偉 . 爬樓梯輪椅發(fā)展及關(guān)鍵技術(shù)的研究 J .長春工業(yè)大 學 ,2013 12 蘇和平,王人成 爬樓梯輪椅的研究進展 J中國康復醫(yī)學雜志, 2005, 20( 5) : 366 368 13 吳昌林,金強,趙青 .行星輪式爬樓輪椅的越障能力分析 J,機械設(shè) 計 ,2010,27(1):48-49. 14 金強,吳昌林,劉香香 .行星輪式爬樓輪椅的應用研究 J,中國康復醫(yī)學雜 志 ,2011,26(1):65-68. 15 焦夢錦 .爬樓輪椅專利技術(shù)綜述 J.國家知識產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作天津 中心 .2017.7 16 范星光 .爬樓輪椅的總體設(shè)計及關(guān)鍵問題研究 D.貴州大學 .2016.6 17 Li Xiaoman, Wang Zhengxing, Zhang Shuai, et al. The design of multi-function nursing wheelchair J. Computer Aided Drafting, Design and Manufacturing, 2013, 23(1):68-70. 18 Zhang Li,Wu Bo,Jin Ai-min,et al.A Star-Wheel Stair-Climbing Wheelchair J.Computer Aided Drafting, Design and Manufacturing, 2014.9 附:文獻綜述或報告 1 引言 在經(jīng)濟飛速發(fā)展、人口密度越來越大的現(xiàn)代社會里, 樓梯的誕生緩解了建筑用地 日益緊張的壓力,提高了人們對空間的利用率。但是大部分人住在公寓式樓房內(nèi),而 一般的 7 層以下的樓房都沒有安裝電梯,這給老年人或者腿部殘疾人士帶來了很多的 不便。在這種情況下,樓梯對于他們往往意味著一個巨大的障礙需要去克服,給他們 的出行帶來了很多不便,影響他們與外界的溝通交流。 另外這一問題隨著老年人和殘疾人數(shù)量的增多 3日益突出。 2002 年,全世界 80 歲以上老年人口達到 6.06 億,而且正在以比總?cè)丝诳斓乃俣冗f增,據(jù)聯(lián)合國估計, 2020 年將達到 10 億 這些人群在出行的時候多數(shù)是 需要輪椅的,老年人和殘疾人比 例的顯著增加給醫(yī)療,護理,社會服務方面的需求帶來了嚴峻的挑戰(zhàn),加重了社會和 個人的家庭的負擔,而且也影響到了他們的正常生活。 輪椅對于年老體弱者及肢體傷殘者而言是他們必不可少的代步工具,其應用需求 越來越大。但是,它們一般僅適合在平地上使用,很少具備爬樓梯和翻越路障的能力, 這給輪椅使用者帶來諸多不便。由于傷殘者對回歸社會和獨立生活的渴望,促使輪椅 的性能和質(zhì)量不斷完善和提高 4。為此,目前也有很多人致力于爬樓梯輪椅的研究。 我國的輪椅產(chǎn)業(yè)發(fā)展較緩慢,能爬樓梯的多功能輪椅在國內(nèi)尚無成 熟的產(chǎn)品。隨著社 會生產(chǎn)力的發(fā)展,人們生活水平的不斷提高,考慮老年人及殘疾人對出行的方便性的 需求,研制具有爬樓梯功能的輪椅具有重大的現(xiàn)實意義。 2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 在爬樓輪椅的研究范圍內(nèi),國外起步比較早, 1982 年美國科學家 Bray 發(fā)明了第 一個爬樓梯輪椅 16,此后各個國家紛紛推出了各自的產(chǎn)品,取得了很多成果,很多已 經(jīng)上市。我國在這方面研究比較晚,針對電動爬樓梯輪椅的研究已經(jīng)取得了一定的成 效,但主要還停留在實驗室或是少數(shù)量產(chǎn),并沒有真正產(chǎn)業(yè)化,在研究上仍有很多空 間。 圖 1 國內(nèi)外專利申請量的分布對比 圖 爬樓輪椅專利申請的時間分布及分析 15。國外在爬樓輪椅方面的專利文獻出現(xiàn)較 早,最早的有關(guān)爬樓輪椅的專利出現(xiàn)在 1912年。國內(nèi)關(guān)于這一主題的申請最早出現(xiàn) 在 1991 年,比發(fā)達國家晚了近 80 年,在進入 21 世紀以后才逐漸發(fā)展起來。圖 1 是 1960 年至 2016 年國內(nèi)外專利申請量的分布對比圖??梢钥闯?, 2008 年后該主題的 專利申請量明顯上漲,反映出隨著我國經(jīng)濟社會的發(fā)展,人們對老齡群體和殘疾人士 的關(guān)注度大大提高。 總體而言,根據(jù)爬升結(jié)構(gòu)的不同,通常采用三種結(jié)構(gòu)原理 5,一種結(jié)構(gòu)是采用行 星輪機構(gòu) ; 一 種結(jié)構(gòu)是履帶輪型爬樓梯輪椅 ; 一種結(jié)構(gòu)是腿足式結(jié)構(gòu)。另外還有很多 種的輔助裝置。 (1)行星輪式 行星輪式是交通運輸工具中應用廣泛的一種運動機構(gòu),在國外一些爬樓機器人中 也廣泛采用了輪式結(jié)構(gòu)。輪椅應用方面,普通輪椅以及電動輪椅都是采用的這種輪式 結(jié)構(gòu),其體積小,結(jié)構(gòu)簡單,控制簡便,能夠?qū)崿F(xiàn)平衡快速地移動,能量利用效率高, 采用差動傳動時轉(zhuǎn)向半徑小,轉(zhuǎn)向靈活 6-9。對于行星輪型爬樓輪椅,結(jié)構(gòu)簡單,并利 用自鎖機構(gòu)保證上下樓梯時不傾倒。但該爬樓輪椅對樓梯的適應性較差,不能滿足使 用者對舒適性和可靠性的需求。 (2)履帶式 第二種是履帶式,履帶式原理比較簡單,和履帶式坦克裝甲車類似,技術(shù)也比較 成熟,它的行走方式比行星輪式爬樓輪椅更為連續(xù),具有很高的傳動效率,在上下樓 梯的時候,輪椅的重心始終和樓梯臺階沿的連線保持平行,輪椅的重心波動很小,比 較平穩(wěn)。履帶式機構(gòu)支撐面積大,通過性能好,下陷度小,具有較強的地形適應能力, 爬坡,越溝等性能相對于輪式機構(gòu)有明顯的優(yōu)勢。在上下樓梯時采用履帶輪的方式, 保證了上下樓梯過程的連續(xù)性 8-9。但是,所述履帶輪型爬樓輪椅無法實現(xiàn)從斜面到平 面的姿態(tài)平穩(wěn)轉(zhuǎn)換,且結(jié)構(gòu)笨重,對樓梯邊沿的損害程度很 大,運動過程的阻力矩較 大,換向過程實現(xiàn)困難,能源利用效率低,這些問題在很大程度上限制了該型輪椅在 上下樓梯中的使用。 ( 3)腿足式 對于腿足式結(jié)構(gòu)爬樓梯輪椅,該結(jié)構(gòu)模仿人上下樓梯的動作,采用一組或幾組腿 交替升降、支撐爬樓的原理,對樓梯的適應性很強,上樓時,先將整個輪椅升高,再 水平向前移動,如此重復這兩個過程就直至爬完一段樓梯。腿足式爬樓梯裝置模仿了 人類爬樓的動作,外觀其實可以視為機器人,采用多條機械臂交替升降,支撐輪椅爬 樓的原理 8-9。但是,其承載重心偏高,傾翻危險性大,對穩(wěn)定性要求極高,控制難度 很大,機 構(gòu)結(jié)構(gòu)復雜,還有諸多問題需要解決。 ( 4)其他裝置 現(xiàn)有的輔助式機構(gòu)基本可以分為兩種 16。 第一種是在已有的普通輪椅的基礎(chǔ)上附加可以實現(xiàn)爬樓功能的輔助裝置來實現(xiàn) 爬樓的目的,它們是獨立的裝置,可以輔助普通的輪椅實現(xiàn)爬樓梯的功能。 第二種是軌道式爬樓梯裝置,通過在普通樓梯上安裝軌道實現(xiàn)普通輪椅或者 其他交通裝置實現(xiàn)上樓和下樓 。 總結(jié)國內(nèi)外各類爬樓梯輪椅的特點可以看出,發(fā)展至今大多數(shù)爬樓梯裝置的自主 性不高,仍需在旁人協(xié)助的條件下實現(xiàn)上下樓梯,而且在穩(wěn)定性和安全性等可靠性方 面存在的很多問題也值得深入研究。如何在 保障爬樓梯輪椅整體體積小、重量輕的前 提下,結(jié)合先進的傳感手段和控制技術(shù)實現(xiàn)其可靠、平穩(wěn)的上下樓梯將是今后“老人 /殘障者上下樓梯助行系統(tǒng)”研究領(lǐng)域的發(fā)展方向。 3 爬樓梯輪椅系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù) 爬樓梯輪椅系統(tǒng)研究內(nèi)容主要由機械結(jié)構(gòu)設(shè)計、控制系統(tǒng)設(shè)計兩大部分組成 10。 其中機械機構(gòu)設(shè)計主要完成爬升機構(gòu)設(shè)計、輔助支撐機構(gòu)設(shè)計兩方面內(nèi)容 ; 控制系統(tǒng) 設(shè)計包括控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計和控制系統(tǒng)算法兩部分,爬樓梯輪椅系統(tǒng)的基本控制結(jié)構(gòu) 如圖 2所示。這兩部分內(nèi)容緊密聯(lián)系、相輔相成共同作用實現(xiàn)理想的運動路徑和運動 狀態(tài)。 圖 2 爬樓梯輪椅 系統(tǒng)基本控制結(jié)構(gòu) 3 1 機械結(jié)構(gòu)設(shè)計 機械結(jié)構(gòu)設(shè)計的目的應滿足爬樓梯助行系統(tǒng)機械結(jié)構(gòu)緊湊、整體重量小,具有合 理的路徑規(guī)劃能實現(xiàn)連貫爬升運動。機械結(jié)構(gòu)設(shè)計的優(yōu)劣程度很大范圍內(nèi)決定了系統(tǒng) 的適應能力及控制過程的難易程度,是系統(tǒng)設(shè)計的核心所在。 3 1 1 爬升機構(gòu)設(shè)計 爬樓梯輪椅系統(tǒng)機械結(jié)構(gòu)設(shè)計的核心是爬升機構(gòu),能夠?qū)崿F(xiàn)爬越樓梯這種越障運 動的主要有星輪式、履帶式、腿足式 3 種。在這 3 種爬升機構(gòu)的基礎(chǔ)上,吸取各自 的優(yōu)點,發(fā)展組合式的爬樓梯裝置將是今后研究的創(chuàng)新方向。 結(jié)合爬樓梯運動路徑的特點,采用可將獨立 運動分解為兩個有差異運動,或?qū)?個有差異的運動合成為一個運動的差動機構(gòu)、組合型機構(gòu)、新型變形機構(gòu),可實現(xiàn)輪 椅從平地運動 爬升運動 平地運動過程的姿態(tài)平穩(wěn)轉(zhuǎn)化。綜合考慮輪、腿、履帶機 構(gòu)的優(yōu)勢,把三者復合起來使用,可有效克服各自的不足,保障爬樓梯輪椅能夠安全、 可靠、高效地實現(xiàn)上下樓梯的過程。 3 1 2 輔助支撐機構(gòu)設(shè)計 電動爬樓梯輪椅的使用群體是老年人以及殘障者,因此對輪椅的使用安全性要求 極高。同時,在上下樓梯運行過程中,質(zhì)心位置、支撐條件的不斷變化對系統(tǒng)安全、 可靠的實現(xiàn)合理的運動軌跡提出了很高的要求。 為保證爬升過程的安全性,爬升裝置和輪椅以及使用者的總重心必須始終位于支 撐裝置與樓梯臺階支撐點之間。系統(tǒng)由平地狀態(tài)突然啟動時,由于自身的慣性作用會 發(fā)生后傾的現(xiàn)象,為了解決這一問題通常在系統(tǒng)的后部增加了一個防止后傾的裝置 ; 為了避免爬升過程前傾的危險,考慮擴大支撐邊界,來增加前傾穩(wěn)定裕量是有效的解 決辦法 ; 為保證上下樓梯操作的安全性,需有相應的鎖定裝置,一旦輪椅傾斜角度超 出傾翻穩(wěn)定性要求范圍之外,鎖定裝置鎖定,支撐裝置支撐在樓梯臺階上。 從乘坐著舒適性角度出發(fā),輪椅椅面要始終保持水平,如果輪椅椅面前傾乘坐者 就會 有種向前栽的感覺,假如輪椅椅面后傾,乘坐者的后背就會緊緊的依靠在輪椅架 上從而輪椅有后傾的趨勢。為了使輪椅椅面保持水平,通常采用三點高副球鉸接機構(gòu) 的椅面平衡調(diào)節(jié)機構(gòu),其中,一點高副球鉸接固定,兩點高副球鉸接可調(diào),用于調(diào)節(jié) 椅面的平衡。 3 2 控制系統(tǒng)設(shè)計 為保證爬樓梯輪椅能夠安全、可靠、高效地實現(xiàn)上下樓梯的過程,并可同時作為 電動輪椅使用,爬樓梯輪椅的控制器必須具有很強的功能 ; 除根據(jù)電動輪椅控制器所 具有的速度調(diào)節(jié)、運動控制、故障檢測等功能之外,還必須具有可以實時檢測使用者 的坐姿和位置、爬樓梯輪椅與樓梯的相對 位置、爬樓梯輪椅的運動狀態(tài)等功能,并可 以根據(jù)傳感器信息對爬樓梯輪椅的驅(qū)動系統(tǒng)進行正確的控制或給出報警信號。 3 2 1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計 爬樓梯輪椅系統(tǒng)除了完成普通輪椅功能要求之外還需運行在電動輪椅和上下樓 梯輪椅兩種模式下,其控制功能應分別由兩套相互獨立的開環(huán)控制系統(tǒng)來完成,以實 現(xiàn)平地行走、攀爬不同角度的斜坡以及上下不同高度寬度的樓梯功能要求,這也就導 致電動爬樓梯輪椅的運動形式十分復雜,應針對不同環(huán)境下輪椅需要實現(xiàn)的動作設(shè)計 爬樓梯的控制系統(tǒng)。 隨著機器人技術(shù)的發(fā)展,移動機器人控制技術(shù)大量應用于爬樓梯輪椅的控制 系統(tǒng) 中,使得爬樓梯輪椅具有更好的交互性,適應性和自主性。采用嵌入式控制系統(tǒng)可有 效解決信息集中處理使得上位機信心處理量大,負擔重,實時性差無法滿足實際使用 的缺點,為爬樓梯輪椅控制系統(tǒng)的研究提供了新的方向。中科院自動化所研制的嵌入 式多功能輪椅系統(tǒng)在該方面進行了嘗試,采用 ARM + DSP + FPGA 的方式來構(gòu)建多功 能輪椅的中央控制系統(tǒng)、傳感器系統(tǒng)、視覺系統(tǒng)和運動控制系統(tǒng),整個控制系統(tǒng)系統(tǒng) 運行穩(wěn)定,具有實時性高、功耗低,續(xù)航時間長的特點,為爬樓梯輪椅向產(chǎn)業(yè)化方向 發(fā)展邁進了一大步。 3 2 2 控制系統(tǒng)算法 在未知和不確定的環(huán)境下,爬樓梯輪椅需要通過多種傳感器收集數(shù)據(jù),用以界定 周圍環(huán)境及自身狀態(tài)信息,需要用一定算法對數(shù)據(jù)進行分析、融合,比較完整地反映 環(huán)境特征和自身狀態(tài),為系統(tǒng)運動控制提供精確的數(shù)據(jù)信息。爬樓梯輪椅在行駛時必 須不斷地感知周圍環(huán)境及自身狀態(tài)信息,所以要求控制系統(tǒng)算法能夠?qū)崟r提供的各 種信息進行快速有效處理,并能保證信息的完整性。 常規(guī)的 PID 控制雖然具有算法簡單、精度高、可靠性強的優(yōu)點,但是僅對于可建 立精確數(shù)學模型的控制系統(tǒng)具有很好的控制作用。對于爬樓梯輪椅電機調(diào)速系統(tǒng)而 言,被控對象復雜,具有 非線性、強耦合以及時變性的特點,很難達到控制系統(tǒng)的精 確魯棒性和抗干擾性能。模糊控制具有魯棒性強的優(yōu)點,能較好的適應輪椅運行過程 中路況突變等干擾條件,但單純的模糊控制不能很好的消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差 11。使用 復合算法可以使控制器有較強的魯棒性和較小的靜態(tài)誤差,但復雜的算法本身就是控 制器實現(xiàn)的障礙。模糊 PID 控制器結(jié)合了模糊控制和 PID 控制器兩者的優(yōu)點,可根 據(jù)不同的偏差和偏差變化率選擇不同的比例、微分、積分參數(shù),從而即具有模糊控制 靈活、適應性強的優(yōu)點,又具有 PID 控制器精度高的特點,對爬樓梯輪椅運動控制系 統(tǒng)具有良好的控制效果。模糊控制系統(tǒng)的工作原理如圖 3 所示。 圖 3 模糊控制系統(tǒng)工作原理 4 發(fā)展趨勢與展望 綜上所述,針對電動爬樓梯輪椅的研究已經(jīng)取得了一定的成效,但也要看到目前 階段主要還停留在實驗室或是少數(shù)定做,并沒有真正產(chǎn)業(yè)化,在研究上仍有很多空間。 未來的研究將向以下幾個方面發(fā)展 11。 ( 1) 質(zhì)量輕 爬樓梯輪椅要走向?qū)嶋H應用,必須考慮其應用的情況。作為代步工具, 爬樓梯輪椅車的能源系統(tǒng)一般采用的是機載電源,所以要求系統(tǒng)整體重量輕,以延長 續(xù)航時間。同時,減輕重量也可相應提高上下樓梯時的靈活性, 降低控制的難度。 ( 2) 可靠性高 爬樓梯輪椅面向的對象是老年人以及肢體殘疾人士,爬樓梯輪椅的 設(shè)計應從細微處出發(fā),設(shè)計安全、舒適、性能穩(wěn)定的產(chǎn)品,爬樓梯過程中應保證重心 波動小,安全保證措施響應及時。 3) 功能齊全 爬樓梯輪椅作為使用者生活中重要的部分,在功能設(shè)計上應最大程度 的滿足人性化要求,構(gòu)建良好的人機交互界面,使產(chǎn)品真正意義上融入到使用者生活 的各個方面。 ( 4) 價格低 爬樓梯輪椅投入市場被用戶接受的一個重要因素是價格因素,爬樓梯 輪椅要實現(xiàn)批量生產(chǎn),必須采用模塊化的設(shè)計思想,這樣用戶不 僅可以自主選擇配置 合適的輪椅,同時,也可降低生產(chǎn)成本,縮短研發(fā)周期,提高性價比。 隨著人工智能技術(shù)、計算機技術(shù)、多傳感器信息融合技術(shù)等技術(shù)的不斷發(fā)展,爬 樓梯輪椅的研究也呈現(xiàn)出全新的局面,朝著人機一體化的方向不斷發(fā)展。相信在不久 的將來,電動爬樓梯輪椅將真正融入到老年人和殘障人士的生活中,大大改善他們的 生活質(zhì)量,使他們的出行更為方便,樓梯和路障將不再是他們出行的障礙,幫助他們 重新融入到社會中去。 5 結(jié)語 本次闡述了爬樓輪椅研究的背景,研究目的和意義,分析了爬樓輪椅的幾種常見 爬樓方案,總結(jié)出了各種不同方案的 優(yōu)缺點,分析了國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀,闡述了爬樓輪 椅未來的發(fā)展趨勢,由此確定了本設(shè)計方案的研究內(nèi)容和安排,敘述了爬樓梯輪椅的 關(guān)鍵技術(shù),為后續(xù)研究工作的展開奠定了基礎(chǔ)。
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輪式可爬樓梯輪椅車設(shè)計
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