爬楼梯的自行轮椅车设计说明书[带图纸].doc

南昌航空大学学士学位论文1目录目录.11绪论.31.1课题研究原因和意义.31.1.1课题研究的原因.31.1.2课题研究的意义.31.2目前国内外研究状况.31.2.1轮组式.41.2.2履带式.51.2.3腿式.61.2.4复合式.61.3目前研究中所存在问题.72系统方案设计.92.1系统方案确定.92.2智能电动越障爬楼轮椅系统构成.102.2.1底盘系统.102.2.2座椅姿态调整系统.152.2.3驱动控制系统.163轮椅驱动模块设计.183.1电机的选择.183.2电机工作原理.203.3电源的选择.233.4控制核心C8051F020.错误!未定义书签。3.4.1C8051FO20概述.233.4.2主要性能参数.243.5电机转速控制.253.5.1电机转速控制原理.253.5.2电机转速控制方案.263.6电机驱动电路.274系统控制方案设计.304.1操纵杆设计.304.2双电机同步控制方案.324.2.1并行控制.324.2.2主从控制.335轮椅车控制算法设计.355.1速度检测电路.355.2PID控制方法.365.2.1PID控制方法介绍.365.2.2数字式增量PID控制算法.385.2.3标准PID算法的改进.395.2.4干扰的抑制.40南昌航空大学学士学位论文25.2.5PID调节器的参数整定.406轮椅车控制模块的数学模型.436.1系统运行方框图.436.2系统运行原理.446.3建立数学模型.447软件实现.507.1单片机片内的资源配置.507.1.1单片机内各功能模块配置.507.1.2单片机的端口配置.517.2程序模块介绍.517.2.1初始化模块.527.2.2测速子程序.547.2.3控制程序.567.2.3键盘扫描程序.587.3总程序.58总结.68参考文献.69致谢.70南昌航空大学学士学位论文31绪论1.1课题研究原因和意义1.1.1课题研究的原因现今，老龄化人群以和下肢残障者在占我国总人口总数的比重愈来愈大，他们丧失了部分行动能力，更需要有人来加以帮助和护理。目前，在其中的很大一部分年老体弱者和下肢伤残者会选择轮椅作为他们的外出行动工具，而且大都需要在家人或护理人员下使用轮椅来进行活动。随着现今社会的快速发展，城市化的不断加快，楼梯和跨越路障等不断增加。然而，对于普通轮椅而言是很难跨越这种障碍，从而限制了轮椅使用者的活动范围，影响其一系列的社交生活。尤其是国内城市楼房公寓，电梯并没有应用到所有的居民住宅，这给轮椅乘坐者造成诸多不便。马路沿、土坑等户外障碍同样对老年人、残障人士的出行带来了很多不便，影响了他们的正常生活。1.1.2课题研究的意义为了解决弱势群体人群增加而给社会经济、医疗护理各方面带来的巨大压力，更好的关怀老年人、残疾人的生活，改善他们的生活质量，除了加强改善房屋和各种公共建筑设施的无障碍设计，扩大轮椅的使用范围之外，改进现有的普通轮椅，使其兼备平地行驶以及爬越楼梯障碍两种功能，成为更行之有效、立竿见影的措施。值得注意的是，最近几年突发性自然灾害将导致肢体残障者的数量大幅上升。大量灾难幸存者急需轮椅等康复设备和辅助工具。因此，为了解决需求，给老年人和残疾人士提供性能优越的交通和辅助工具，解决楼梯或路障对他们生活造成的不便，同时在考虑使用者的经济所承受能力限制，研究一种价格适宜、轻便的爬楼梯轮椅具有重大的现实意义和实用价值。1.2目前国内外研究状况在爬楼梯装置的研究领域内，国外对爬楼梯装置的研究开始得相对较早，最早的专利是1892年美国的Bray发明的爬楼梯轮椅。此后，各国纷纷开始投入此项研究，其中美国、英国、德国和日本占主导地位，技术相对比较成熟，且有一些产品己经投入市场使用。南昌航空大学学士学位论文4国内的研究也在近一、二十年内取得了显著成果，近年来相关专利屡见不鲜，目前国内外现有的爬楼梯装置和专利种类众多，不同的爬楼梯装置适用于不同的环境和条件，各有利弊。按照爬楼梯装置爬楼执行机构的类型，主要可归结为轮组式、履带式、腿式三类。1.2.1轮组式轮组式的特点是每个轮组依照星形轮的方式进行运动：平地行驶时，各小轮绕各自轴线自转；爬楼梯时，各小轮一起绕中心轴公转。美国发明家DeanKamen发明的IBOT（专利号：US6,443,250BI）是一种能自动调节重心的两轮组式轮椅，是单轮组爬楼装置中最具代表性的爬楼装置之一。iBOT不仅采用了比普通轮椅复杂的驱动结构，而且安装了多个感知人轮椅重心位置的陀螺仪，控制器根据陀螺仪的信号调整重心的位置，使轮椅能够在不同路面和直立状态下保持平衡。iBOT3000己经获得FDA批准在欧美上市，售价相当于中高档轿车的价格。如下图所示:图1.1ibot实物图内蒙古民族大学物理与机电学院的苏和平等人借鉴了iBOT的爬楼方式，采用星形轮系作为爬楼梯机构，设计了一种双联星形机构电动爬楼梯轮椅。改轮椅爬楼时需要人南昌航空大学学士学位论文5工辅助或者楼梯扶手的辅助支撑，使其能调整重心的位置，安全爬楼。如下图1-2和1-3所示图1-2双联星形爬楼梯轮椅图图1-3双联星形爬楼梯轮椅改进图图1.4双联行星轮内部传递图1.2.2履带式履带式爬楼梯装置的原理类似于履带装甲运兵车或坦克，技术较成熟，操作简单，行走时重心波动很小，对楼梯的形状、尺寸适应性强。英国Baronmead公司开发的一种电动轮椅车，底部是履带式的传动结构，可爬楼梯的最大坡度为35度，上下楼梯速度为每分钟15-20个台阶。法国Topchalr公司生产的电动爬楼梯轮椅，它的底部有四个车轮供正常情况下平地运行使用，当遇到楼梯等特殊地形时，用户通过适当操作将两侧的橡胶履带缓缓放下至地面，然后把这四个车轮收起，依靠履带无需旁人辅助便能自动完成爬楼等功能。如图1-5所示