可上下樓梯的電動輪椅

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1、本科生畢業(yè)設計（論文）開題報告機械 設計（論文）題目可上下樓梯的電動輪椅設計（論文）題目來源 設計（論文）題目類型工程設計類起止時間一、 設計（論文）依據(jù)及研究意義：眾所周知，每個人渴都望自由，自由的思考，自由的生活和自由的行動，那么對于 那些雙腿有殘疾不能站起來走路的人來說，是多么痛苦的一件事啊。即使是借助輪椅來行動，是可以在一定程度解決行動的問題，但是對于上下樓來說，是相當困難的一件事，為了解決這一難題，世界各國都在研究這種可以自由的上下樓的輪椅。來解決這個關于自由的問題！二、 設計（論文）主要研究的內容、預期目標：（技術方案、路線）主要研究內容：輪椅的自動上下樓動作的完成預 期 目 標：

2、實現(xiàn)輪椅自動上下樓的自動控制，和上下樓時的平穩(wěn)性和安全性以及成本的大眾性三、設計（論文）的研究重點及難點：研究重點：自動控制的實施，機械傳動的完成。研究難點：如何才能使輪椅在自動上下樓個過程中，達到讓使用者安全舒適而且造價可以讓大眾所接受。四、 設計（論文）研究方法及步驟（進度安排）2.153.16日 網上查找資料3.16 4.6日 市場調查（網上和問卷）4.64.20日 制定方案（結合調查結果）4.214.30日 機械傳動的設計（參考專業(yè)手冊）5.1 5.20日 零件圖以及裝配圖（利用繪圖軟件）5.216.5日 成品6.6 6.13日 編寫說明書、整理資料，準備答辯 五、 進行設計（論文）所

3、需條件：結合市場調查，根據(jù)實際設計過程中說出現(xiàn)的一些問題和遇到的困難，有針對性的一一解決。充分利用所學知識，利用手中和圖書館中的資料，對設計進行理性化的認識。鞏固和扎實專業(yè)知識。理論和實際相結合，實事求是，寫好論文做好設計。六、 指導教師意見：簽名： 年 月 日目錄一 引言1二 分析2三 設計初衷6四 最初方案9五 方案二13六 方案三17七 數(shù)據(jù)計算18八 應用環(huán)境30九 電機型號30十 電池保養(yǎng)31十一 外文翻譯33十二 謝 辭52十三 參考文獻53引 言對于一個人來說，最幸福的事情就是能在自己的意向下自如的行走，就是有些時候并不如人意。車禍，疾病，意外，等等，讓那些不幸的人失去了雙腿。讓

4、他們不能自由的行走。更痛苦的事，讓他們的日常生活都造成了很大的不便。為了解決他們的行走問題，人類發(fā)明了輪椅。在一定程度上解決了他們的代步問題。但是一般的輪椅不能滿足人們的需要。在上下樓的時候，就是一個讓人頭痛的問題。于是各國就在設想能不能研究一種可以上下樓的輪椅，為他們解決這個問題。目前世界上大體有兩種形式的上下樓的輪椅。是在一定程度上解決這個問題，但是每種都不夠完善。我設計的這個輪椅，也是為了解決這個問題，也進一步完善了上下樓的問題。一分析目前自動上下樓的輪椅的兩種形式第一種 英國BARONMEAD產品 如圖1-1（左）所示 ： 圖1-1下面是它的一些簡單介紹：是英國BARONMEAD公司正

5、在國內經銷的助推式上下樓梯電動輪椅車，BARONMEAD上下樓梯電動輪椅車：自重34kg，最大載重量130kg，上下樓梯速度每分種1520個臺階，充足電后可連續(xù)上下樓梯1000級。臺階限高27cm。這種輪椅車可在平地自由運行，還可拆卸為兩部分，便于裝運。BARONMEAD在上下樓的問題上解決單純靠人力搬運的問題，但是車體較小，重心位置距離車的兩端較近，當傾斜角度變大或者是乘坐者晃動的時候，容易發(fā)生翻滾另外，由于車身小導致座位面積較小，乘坐者的腿彎曲程度較大，使用過程中，不很舒適。另外一種是德國PERFEKTA公司的產品（如圖1-1右圖所示） 下面是它的一些簡單介紹：PERFEKTA上下樓梯電動

6、輪椅車：履帶式傳動，采用12V15Ah的蓄電池、12V/170W的直流電機，自重42kg,，可爬樓梯的最大坡度為35度。這種輪椅車除了可以單獨使用外，還可以作為普通輪椅的搬運工具，直接把輪椅放在上面上下樓梯，因此作為車站、機場等處移動輪椅乘客的專用工具比較方便。而且，熟練操縱者能夠自行乘坐輪椅上下樓梯。在平地能自由移動，也可折迭存放。這種輪椅的形式，采用的是履帶式，是利用履帶的附著力好，容易爬坡的優(yōu)點設計的。但是，由于履帶與樓梯的接觸時，只是與樓梯的前棱接觸，又由于人們對美學的要求好多樓梯的前棱作成了弧形，即使是傳統(tǒng)的樓梯，如果經過多年的磨損，前棱也會被磨禿，這樣一來，對于這種輪椅就很容易打滑

7、，而且極不安全。為了解決樓梯打滑的問題。美國又發(fā)明了一種新型輪椅IBoT3000獨立機動系統(tǒng)如圖2所示圖2 下面是它的一些簡單介紹：這種輪椅的全稱是“iBOT3000獨立機動系統(tǒng)”（以下簡稱iBOT），它是由美國著名發(fā)明家迪恩卡門發(fā)明的。10年前，卡門洗澡時差點兒在浴室跌倒，站穩(wěn)后他突發(fā)靈感，為什么不能設計一種可以防止傾倒顛覆的由電腦控制的輪椅呢？經過幾年的不懈努力，他終于設計出iBOT。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)來保持平衡，當輪椅上分布的傳感器感受到重心變化時，它們馬

8、上把這些信息傳輸?shù)轿挥谧蜗旅娴目刂坪兄??？刂坪欣镉袔讉€“奔騰III”處理器和預先設計好的程序，這些程序會“命令”輪椅的機械系統(tǒng)進行自我調整，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、沙土地或斜坡，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，很像中國武術中的“金雞獨立”，iBOT可以保持這種站立姿勢，也能“直立行走”。第三種是爬梯模式，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1524公里，它在平地上的最大速度為

9、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“馬路牙子”。此外，它還可以在沙灘、斜坡和崎嶇的路面上前進，并能爬上不那么陡的小山坡。 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的高度，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。 “iBOT”售價為29000美元 二設計初衷2900美元，對于中國絕大多數(shù)消費者來說無非是一個天文數(shù)字。由于不能行走，失去了勞動能力，

10、本來就很拮據(jù)的生活怎么能承受起如此高額的價格。于是我便想設計出一款適合中國消費水平，經濟又適用的輪椅車來滿足國內的需求。首先在網上搜索一些關于自動上下樓輪椅的材料，但此類材料少而又少。但是當我看到一種攜帶貨物上下樓的手拉車的時候，給了我啟示。圖3，圖4 就是這種手拉車的圖片。圖3圖 4小車的后輪采用的是一個可以旋轉的星狀輪盤和四個可以旋轉的小輪組成，這樣方便的結構，是在拉動他上下樓的時候，不回因為樓梯而卡住不動。當小輪被卡住的時候，星狀的輪盤會旋轉，從而克服問題。我設想能否將此種結構應用在輪椅上，于是就有了最初的設計方案。四最初方案：如圖5 所示 : 圖5次方案采用的是利用前面十字形的爬升腳作

11、為上下樓時的主要驅動裝置，當上樓或下樓的時候，爬升腳可以根據(jù)實際情況的不同，伸長或縮短。而后面的星盤結構不加任何驅動力，完全是一種叢動裝置。中間的驅動輪是用來在平路時行走或者是轉彎時使用，起到一個轉向和驅動的作用。爬升腳（圖中綠色部分）轉向輪（圖中黑色部分）星盤及小輪（圖中紅色和灰色部分）動力裝置包括電機電瓶（圖中金色部分）在座位的設計上采用的是一種可以升降的連接，在上下樓的時候，可以根絕樓梯的傾角不同而調整座位的角度，使使用者始終保持一種很舒服的姿態(tài)。為了防止后面輪盤上的小輪在上樓過程成中倒轉，而是整個車身滑下樓梯，采取了一種自鎖裝置，如圖所示：圖6抬升圓臺（圖中綠色部分）枝干( 圖中紅色部

12、分)小齒輪（圖中黃色部分）從圖中我們可以觀察到，在星盤四角的小輪上各有一個齒輪，星盤的中心有一個個圓臺，通過四根支桿與四個小輪上的齒輪連接。當輪椅車上樓時，中心的圓臺會在一根軸的拖動下抬升，從而帶動四個支桿向齒輪靠近，在四個支桿的頂端都有兩個輪齒，當枝干上的輪齒和小輪上的齒輪嚙合時，就完成了自鎖。中心的圓臺是根據(jù)千分尺的設計原理設計，當千分尺先前加緊的時候，擰動后面的螺栓，當它接觸到被測物件時，會發(fā)生打滑，是其不再進給。但當反方向旋轉螺栓時，測頭會向后移動，并不打滑。這里利益的是同樣的原理，當上樓時，電機帶動軸正向旋轉，是圓臺抬起，并使四個枝干向齒輪靠近，當枝干與齒輪嚙合后，圓臺不在抬升，并打

13、滑。當上樓運動完成后，電機反向旋轉，是圓臺下降，促使枝干縮回，接觸與齒輪的嚙合，自鎖接觸。輪椅車又可以在平路上移動。但是經過后來的研究和結合實際情況，發(fā)現(xiàn)這種方案存在著很大問題，而且不方便使用1 由于上樓時，由于車身的主要重量（電機和電瓶）集中在車的后端，在下加上使用者的重量，是車的中心在上樓的時候集中在車的后端，而上樓時車的主要驅動力都是由前端的爬升腳提供，由于動力不足，所以使上樓運動很難完成。2 車在平路時，是以前端轉向輪著地，而轉向輪只有一個，這種三輪結構比四輪結構的穩(wěn)定性差。使使用者的安全系數(shù)降低 。3 在上樓的時候，由于轉向輪無法收回，很有可能卡在樓梯處，使上樓運動無法完成。五 方案

14、二：為了避免上面的問題，于是我又制定了第二套方案:如圖： 在第二套方案中，將驅動裝置放在后輪位置，前后均采取十字輪盤的形勢，只是前端輪盤不做為驅動，內部可設置為空心，而后輪由于要作為驅動，設置有驅動的鏈輪和鏈條去掉了中間部分的轉向輪，采用車身轉向，將整個車身分為兩部分，在兩部分連接處，設有方向盤，靠方向盤的轉動控制車頭的轉動。座位也進行了改進，在作為下面采用四個減震器，即可以在品路中起到減震作用，同時還能在上下樓的時候，調整位置與水平的位置關系。具體傳動機構如圖所示：第二套方案中采用了鏈傳動，采用兩個電機分別控制上樓和平路的運動，在圖中圓柱形電機（電機1）控制上樓運動，方體形電機（電機2）控制

15、平路運動，后面的軸采用軸中軸的形式。外軸與輪盤相連，內軸與輪盤內的鏈輪相連。當車體上樓時，電機1工作，電機2停止，通過鏈條傳動給外軸，從而帶動整個輪盤轉動。當上樓結束或是在平路前進時，電機1停止，電機2 開始工作，帶動外軸內的內軸轉動，內軸與星盤內的兩個鏈輪連接，通過鏈條帶動兩個小輪轉動，從而實現(xiàn)在平路上的行走?，F(xiàn)在展示一下后輪盤的結構：從圖中可以看到，輪盤內采用的是一種鏈傳動。我們把四個小輪分別編號為1，2，3，4。在輪盤中心有兩個大的鏈輪，并排放置，間距為小輪的厚度，在2，4 （對稱位置）下輪的不同面分別有兩個小鏈輪，通過鏈條與大鏈輪連接。這樣的機構可以使不管是小輪2或是小輪4著地時，都能

16、推動輪椅車前進。第二套方案的不足: 由于沒有合適的減速電機作為電機1使用，使上樓時扭矩過小，所以必須采取減速措施。對電機1的傳動方式進行改進。在此基礎上，生成方案三，改進了此不足之處。六方案三：在第二套方案的基礎上，經過改進，制定出第三套方案，也就是下面所看到的最終方案如圖：在電機傳動中，采用了一級減速，通過查表得知，一級減速的限額傳動比是小于等于7.1，而本設計所需的傳動比僅為6.41，完全符合規(guī)格。除此之外，方案三的其他設計均與方案二相同。七主要數(shù)據(jù)計算 (一)由前面已知上樓梯時，要使后輪轉動而爬上樓梯所需要的扭矩為170 功率 P=1.1km .而所選電機額定轉速 =230 額定轉矩為5

17、已知外輪系的大徑為500mm后輪由電機通過一級齒輪傳動和一級鏈輪傳動而進行上樓梯動作。 由 m=9549 可知 軸轉速=61.8由于鏈輪3.4.5.6之間為等傳動比傳動，現(xiàn)假定四個鏈輪d=200mm 則軸的轉速由電機額定轉速1.2齒輪之間的傳動比估算1.2齒輪的模數(shù)和齒數(shù)1）初選小齒輪齒數(shù) 則大齒輪齒數(shù) 取2）按齒面接觸強度設計試選載荷系數(shù)計算小齒輪傳遞的轉矩查表可知齒寬系數(shù) （小齒輪作懸臂布置）查手冊可知材料的彈性影響系數(shù)按齒面硬度查得小齒輪的接觸疲勞強度極限 ；大齒輪的接觸疲勞強度極限由齒輪的工作力循環(huán)次數(shù)N的計算式可算出兩齒輪的應力循環(huán)次數(shù)則可查得接觸疲勞壽命系數(shù) 計算接觸疲勞許用應力取

18、失效概率為 1% 安全系數(shù)S=13）計算 試算小齒輪分度圓直徑 ，代入 中較小的值 計算圓周速度v計算齒寬b計算齒寬與齒高之比b/h模數(shù) 齒高 計算載荷系數(shù)根據(jù), 7級精度，查得動載系數(shù)直齒輪，假設 查得齒間載荷分配系數(shù)查手冊得使用系數(shù)而對于7級精度的小齒輪相對支撐懸臂布置時齒向載荷分布系數(shù)查得 由 , 查手冊得 故載荷系數(shù) 按實際的載荷系數(shù)校正所得的分度圓直徑 計算模數(shù)m 4 )按齒根彎曲強度設計 彎曲強度的設計公式為 確定公式內的各計算數(shù)值（1） 查手冊得小齒輪的彎曲疲勞強度極限 ，大齒輪的彎曲疲勞強度極限（2） 查得彎曲疲勞壽命系數(shù)，（3） 計算彎曲疲勞許用應力， 取彎曲疲勞強度安全系數(shù)

19、s=1.35 則 （4） 計算載荷系數(shù)k 由 ， 查得齒形系數(shù)及應力校正系數(shù)，（5） 計算大小齒輪的 并加以比較 大齒輪的數(shù)值大對比計算結果，由齒面接觸疲勞強度計算的模數(shù)m大于由齒根彎曲疲勞強度計算的模數(shù)，由于齒輪模數(shù)m的大小要取決于彎曲強度所決定的承載能力，僅與齒輪直徑（即模數(shù)與齒數(shù)的乘積）有關，可取由彎曲強度算得的模數(shù)0.957并就近圓整為標準1.25mm，按接觸強度算得的分度圓直徑 算出小齒輪齒數(shù) 取大齒輪齒數(shù) 5 ) 幾何尺寸計算 計算分度圓直徑 中心距 齒輪寬度 取 6） 驗算 合適 齒輪 1.2 （二） 水平運動時，后輪鏈傳動的計算 已知電機功率 轉速 小滾輪直徑 水平運動時，由電

20、機驅動所能使輪椅行走的最大速度 則小輪所在軸的轉速 已知電機額定轉速 則鏈傳動之間的傳動比 采用滾子鏈傳動，設計計算步驟如下：1， 選擇鏈輪齒數(shù) 初選 （由于鏈節(jié)數(shù)常是偶數(shù)，為考慮磨損均勻，鏈輪齒數(shù)一般應取與鏈節(jié)數(shù)互為質數(shù)的奇數(shù) ）則 取 2，修正功率 查機械設計手冊第2卷可得 平穩(wěn)運轉狀態(tài)下的工作情況系數(shù) 則 3，確定鏈條節(jié)數(shù) 初定中心距 ，則鏈節(jié)數(shù)為 取 4，確定鏈條的節(jié)距 P 按小鏈輪的轉速估計，查手冊可得小鏈輪齒輪系數(shù) 選取單排鏈，又查得多排鏈系數(shù) 故得小鏈輪所需傳送的功率為 根據(jù)小鏈輪轉速 及功率 查手冊可選取鏈號為 單排鏈 則其鏈節(jié)距 5，確定鏈長及中心距 a 中心距減小量 實際中

21、心距 取 6，驗算鏈速 與原假設相符 7，計算分度圓直徑 8，作用在軸上的后軸力 按水平布置取后軸力系數(shù) 故 同理： 可算出傳動比為1的四個鏈輪 選 10A （三） 計算各軸的強度1， 后軸空心軸的計算該空心軸的轉速 功率 1） 初步估算軸徑選擇軸的材料為45鋼，經調質處理，查手冊可得材料力學性能數(shù)據(jù)為根據(jù)公式 初步計算軸徑初選空心軸內外之比 則可查表得 則 考慮到軸需要加鍵，需將其軸徑增加4%5%故大錐直徑取 2， 軸的結構設計根據(jù)軸的受力，初選軸承6207已知軸傳遞的轉矩 兩外輪系圓周力 前面已知四個等傳動比的鏈輪參數(shù)分別為 有效圓周力 離心力引起的拉力 查表得則 鏈傳動的壓軸力 對于水平

22、傳動 則 求支反力 3， 軸的強度校核確定危險截面根據(jù)軸的結構尺寸及彎矩圖，轉矩圖，截面C處彎矩最大 安全系數(shù)校核計算彎曲應力幅為 由于是對稱循環(huán)彎曲應力，故平均應力 由 式 式中，-1 取 八電動輪椅車的適用環(huán)境：爬升角度：30 車身重量：40kg 負載重量：80kg 每分鐘爬升臺階數(shù)量：35九電機的型號：電機1參數(shù)36V 電 機 參 數(shù)型號額定功率（w）額定轉矩（nm）額定電流（A）額定轉速(rpm)額定效率(%)額定電壓(v)起始轉速(rpm)36BD01212054.22308036285電機2參數(shù)36V 電 機 參 數(shù)型號額定功率（w）額定轉矩（nm）額定電流（A）額定轉速(rpm)

23、額定效率(%)額定電壓(v)起始轉速(rpm)36BD01616065.22458036300十電池的選用和保養(yǎng)電池采用的是 上海華麗電子元件廠 的 24V和36V的電動車電瓶 安裝與車的前端電池的使用和養(yǎng)護： 鉛酸蓄電池是現(xiàn)在電動車主要采用的電池，蓄電池不是用壞的而是充壞的，決非危言聳聽，蓄電池充電性能好壞對蓄電池的使用壽命和使用性能起著舉足輕重的作用，必須重視。 1、蓄電池的放電深度對蓄電池循環(huán)使用壽命影響很大，這是因為放電深度越深，電極膨脹收縮量越大，正極的活性物質脫落越多，從而失去放電特性，性能下降，直至壽命終止。所以蓄電池使用時應盡量避免深度放電，做到淺放勤充，一般情況應做到：蓄電池

24、以放電深度為50%-70%時充一次電最佳。 2、蓄電池放電到終止電壓后，繼續(xù)放電（過放電）會嚴重損害蓄電池，這是因為此時極易形成不可逆硫酸鹽化，從而使充電恢復能力變差，甚至無法修復。所以蓄電池使用時應防止過放電，“欠壓保護”是有效的措施?！扒穳罕Ｗo”措施是由電動車控制器控制的，但因電動車儀表和指示燈等耗電電器不受控制器控制，所以電動車鎖一旦合上就開始用電，雖然電流小，但若長時間放電，蓄電池就會出現(xiàn)過放電。因此，不得長時間開鎖，不用時應立即關掉。 3、充電電流應小于或等于蓄電池可以接受的充電電流，否則，過充電產生的過剩電流會使電解水液過快地消耗掉，并產生嚴重的析氣現(xiàn)象，時間長了將使充電變得十分困

25、難，所以充電時因盡可能防止過充電。正規(guī)廠家生產的充電器可確保不對電池過充電。 4、鉛酸蓄電池尤其怕虧電放電，虧電電池放置3-7天，將有可能永久損壞，因此，蓄電池使用過后請盡快充電。對于長期不使用的電池，應每隔15天左右對電池充電一次，以補償電池存放時的自放電電量損失。 5、蓄電池在高溫季節(jié)運行，主要存在過充電的問題。因此，夏天應盡量降低蓄電池溫度，保證良好的散熱，防止在烈日暴曬后即充電，并應遠離熱源。在低溫情況下，充電主要存在充電接受能力差、充電不足造成電池虧電的問題。低溫時應采取保溫防凍措施，特別是充電時應放在溫暖的環(huán)境中，有利于保證充足電，防止不可逆硫酸鹽化的產生，延長蓄電池的使用壽命。

26、6、一般情況下，放電深度較大的蓄電池使用壽命在1年左右，放電深度在50%-70%的蓄電池壽命在1年半左右。個別廠家生產的蓄電池可以達到2年以上。十一. 外文翻譯原文：Modern Control Approach for Robotic Wheelchair with Inverse Pendulum ControlYoshihiko Takahashi and Otsushiro TsubouchiDept. of System Design EngKanagawa Institute of Technology1030, Shimo-ogino, Atsugi, Kanagawa, 243

27、-0292, JAPANTel/Fax: +8 1-46-29 1-3 195E-mail: ytaka,sd.kanagawa-it.ac.ivKeywords: Wheelchair, robot, step climbing, inverse pendulum control, observer based optimal control,integral action.1. Introduction With the rapid increase of the aged population in Japan, independent living strategies for the

28、 aged are becoming a problem with high priority. The assist robot will be a candidate to support such an aged society e.g. ref. 1. A wheelchair bound person needs assistance since there are many steps or curbs in the roadwaysand walkways. Although a step may be small, it may be very difficult for su

29、ch a person to climb over the steps. Therefore, we are proposing a power assist robotic wheelchair by which a wheelchair bound person can climb over steps up to about 8cm in height without assistance from others. We hope that our proposed robotic wheelchair will enable users to enjoy outdoor life. A

30、 user can maintain inverse pendulum control of the robotic wheelchair after raising its front wheels. Then, a user can move forward to the step maintaining the inverse pendulum control, and can climb over the step being assisted by DC motor force of a rear wheel shaftMatsumoto et al. 2 and Koyanagi

31、3 had presented the inverse pendulum control of a smallrobot using internal sensors. MatsumotoKoyanagi 3 An inverse pendulum control scheme using an external sensor encounters disturbances from the roughness of the ground because an external sensor touches the ground. However, the control schemes pr

32、esented by Matsumoto or Koyanagi were not disturbed by theroughness of the ground. Therefore, the control scheme using the internal sensors is also utilized in this paper. In our experiments, we used an actual size typical wheelchair operated by a person seated in the wheelchair robot. Johnson & Joh

33、nson had presented an intelligent robotic wheelchair, which had many functions including step climbing e.g. ref.4 The robotic wheelchair we are developing has a limited function so that a small and simple mechanical system can be designed. Fig.1 shows the step climbing using the proposed robotic whe

34、elchair with inverse pendulumcontrol. We have presented the experimental results of the front wheel raising and the inverse pendulum control 5, the experimental results of the step climbing 6, and the analytical study of the control system 7. These experiments conducted a front wheel raising scheme

35、being assisted by human force.Front wheel raising schemes without the human assistance are also presented; a front wheel raising using back and forward moving scheme 8, and a riders seat movement scheme 9.PI control had been used in the papers presented previously to maintain the inverse pendulum co

36、ntrol. In this paper, an observer based optimal control lo is used in order to obtain better control performances in the inverse pendulum control. The simulation results are presented in this paper.2. Hardware of robotic wheelchai with inverse pendulum control Fig.2 shows the control system hardware

37、 of the inverse pendulum control system. A commercialwheelchair was reinforced and used as the main body of the experimental setup.The slide motion mechanism of the rear wheel shaft, and the rear wheel drive mechanism were fabricated. The rear wheel drive system was composed of a geared DC motor, a

38、chain, sprocket wheels, an optical encoder, and a housing block.The DC motor was 70 W, and the reduction ratio was 1/772 . The optical encoder detected the rotation of the rear wheel. The block of the rear wheel drive mechanism was guided by using two linear sliders, and actuated linearly by using a

39、 linear drive system with a DC motor and a ball screw. We set two positions of the rear wheel shaft, normal position and forward position. The normal position is used in the general four wheels run, and the forward position is used to raise the front wheels. Two mechanical limit switches are used to

40、 detect the preset two slide positions.A personal computer with a counter board, a D/A board, and an A/D board was used as a controller. A gyro sensor detected the inclination velocity of the wheelchair body, and the output of the gyro sensor was put in to the personal computer using an A/D board. T

41、he inclination of the wheelchair body was obtained by integrating the inclination velocity. An encoder detected the rear wheel rotation, and the output of the encoder was put in to the personal computer using the counter board. The control inputs calculated in the personal computer were put out to d

42、rive circuit from a D/A board. Fig.3 shows the control system of the inverse pendulum control system. The flow of the control signal is as follows. (1) The gyro sensor detects the inclination velocity of the wheelchair . (2)The detected inclination velocity is put in to the personal computer through

43、 an A/D board. (3) The inclination velocity is subtracted by a bias signal, which was measured previously, in the personal computer. (4) The inclination of the wheelchair is obtained by integrating the inclination velocity . (5)The inclination is subtracted by the desired value Xd , and the error si

44、gnal is calculated. (6)The error signal is put in to the PI action controller. (7) The error signal enhanced by the PI action gains is put in to a driver (Power AMP) through a D/A board. The inverse pendulum control system used for the wheelchair is a positive control system in which the controller

45、actuates the rear wheel shaft in the same direction as that of the wheelchair inclination. The control program was written by C, and the sampling period was about 5msec.3. Mathematical model of robotic wheelchair during inverse pendulum control Fig.4 shows the dynamical model of the robotic wheelcha

46、ir during the inverse pendulum control 7. The parameters used in the simulation study are also listed in Fig.4. Basically, the dynamical system is a two mass system. In order to maintain the inverse pendulum control (= 0 ), a rear wheel is rotated. Fig.5 shows the block D/Agram. The coefficient of S

47、F is the sensor coefficient.4. Control system of inverse pendulum control Fig.6 shows the control system block D/Agram used in the papers presented previously. A Gyro sensor detected the inclination velocity of the robotic wheelchair, and a DC motor actuated the rear wheel. The output of the Gyro se

48、nsor was integrated once in the computer system to obtain the chair body inclination. PI control was used as a control algorithm. An integral action is effective to maintain the inverse pendulum control. On the other hand, Fig.7 shows the control system block D/Agram used in this paper. Modem contro

49、l theory is used in order to obtain better control performances of the inverse pendulum control. H2 (LQG ) control theory was utilized as the control theory. Basically, H2 control is composed of an optimal controller and an observer.The optimal controller utilizes estimated state variables obtained

50、by the observer. Two Riccati equations are used to obtain controller gains and observer gains. The state equation of the controlled system used in H2 control becomes as follows:where x is the state vector, z is the evaluation vector, y is the measured vector, w is the external input vector, and u is

51、 the control input vector. The cost function of H2 control is as follows.Where t is time. The controller with an observer is as follows.Where is the control input vector using the estimated state variables , x and Y are the positive solutions of the following two Riccati equations.5. Simulation resu

52、lts of inverse pendulum control using PI control and H2 control with integral actionFigs.8 and 9 show the simulation results of PI control and Hz control with an integral action, respectively. The upper, middle, and lower figures in each figure indicate the chair body inclination, the rear wheel rot

53、ation, and the dnving current, respectively. The desired value of the chair body inclination is set to be 0 degrees where the initial inclination is -12 degrees. The inverse pendulum controls were successfully canied out in both cases of PI and Hz control with an integral action. The chair body incl

54、ination was converged to the desired value in both cases. Paying attention to the vibration phenomena, the response of Hz control with an integral action converged more quickly than the response of PI control. The maximum values of the input current to the DC motor were almost the same in both cases

55、. The validity of the proposed Hz control with an integral action was confirmed by the simulation results.6. ConclusionsThe robotic wheelchair with the inverse pendulum control was proposed to assist a wheelchair bound person to climb over steps in the roadways and walkways. The inverse pendulum con

56、trol system using H2 control with an integral action was designed, and investigated. It is confirmed that the designed H2 control with an integral action shows better control performances than P1 control. We would like to confirm the validity of the proposed Hz control with an integral action experi

57、mentally.Referencesl S.Hashino, Daily life support robot, J. of Robotics Society ofJapan, Vo1.14, No.5, p.614 (1996)2 O.Matsumoto, S.Kajita, and K.Tani, Estimation and control of the attitude of a dynamic mobile robotusing internal sensors, J. of Robotics Society of Japan, Vo1.8, No.5, p.541 (1 990)3 E.Koyanagi, Master Thesis, Tsukuba Univ. (1991)