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自行走轮椅设计【2张CAD图纸和说明书】

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行走 轮椅 设计 cad 图纸 以及 说明书 仿单
资源描述:

 

目  录
1  绪论    ............................................................................................................................ 2

1.1 国内外发展情况  ............................................................................................................. 4
1.2 设计内容   ........................................................................................................................5
1.3 设计思路   ........................................................................................................................5

2  系统方案   .......................................................................................................................7
 
2.1 机械系统方案 ....................................................................................................................7
2.2 控制方案   ........................................................................................................................9
2.3 总体方案   .......................................................................................................................10
 
3  机械结构计 .................................................................................................................11
3.1 链条的传动设计  ............................................................................................................11
3.2 电动机的选用   ..............................................................................................................11
3.3 驱动电路设计  ................................................................................................................12

4 控制系统设计  ...............................................................................................................13

4.1 控制系统软件设计 ...........................................................................................................14

5 总 结    ..........................................................................................................................14
5.1 设计总结  ....................................................................................................................... 14
5.2 展望    ........................................................................................................................... 14

参考文献   ........................................................................................................................... 15

附录    ...................................................................................................................................18

致谢   ..................................................................................................................................... 19


 

一、绪  论


1.1 自行走轮椅国内外发展情况
随着社会的发展和人类文明程度的提高,人们特别是残疾人愈来愈需要运用现代高新技术来改善他们的生活质量和生活自由度。因为各种交通事故、天灾人祸和种种疾病,每年均有成千上万的人丧失一种或多种能力(如行走、动手能力等)。
随着人口的增长和医疗技术的进步,社会老龄化问题已成为很多国家不得不认真对待的重要问题之一。智能轮椅能够帮助老年人和残障人士独立的生活,节省家庭护理费用,减轻社会负担。许多国家投入较多资金研究智能轮椅,涌现出许多成果,但由于价格和实用性的原因使它们暂时只能作为实验产品。
智能轮椅作为移动机器人的一种,主要用来辅助老年人和残疾人的日常生活和工作,是对他们弱化的机体功能的一种补偿.智能轮椅在作为代步工具的同时又可以使用携带的机器手臂完成简单的日常活动.使他们重新获得生活能力,找回自立、自尊的感觉,重新融入社会.因而,智能轮椅的研究得到越来越多的关注
    本设计的研究目标:在最经济的条件下,设计出一件最实用、最简易操作的自行走轮椅,功能齐全、结构简单、适用于伤残人士、且能达到消费者需求水准的一件市场普及化产品。
    主要特色:功能齐全、结构简便、使用方便、价格适当、安全系数强


    电动轮椅技术及其产业化 
1.产品特点
电动轮椅作为一种安装有传感器,具有良好的智能控制功能的电动轮椅,不但具有普通的当前市面上电动轮椅所具有的所有功能,而且可以实现更加友好的人机接口和良好的操作性能。例如,可以实现避碰功能和导航功能,甚至可以实现利用无线方式将使用者的位置和基本状态传送给医护人员和家人实现实时监控。
    国内外研究现状及发展趋势(含文献综述):
    自动轮椅作为医疗护理领域的服务机器人,其应用大量使用了移动机器人技术在自动轮椅的研究中涉及到的关键技术有导航系统、控制和能源系统、人机接口
??????? 但由于整个轮椅系统以人为中心,所以在研究中要解决的核心是轮椅的安全导航问题所谓导航即是指移动机器人按照预先给定的任务命令,根据已知的地图信息作出全局路径规划,并在行进过程中,不断感知周围的局部环境信息,自主地作出各种决策,并随时调整自身位姿,引导自身安全行驶到达目标位置
    智能轮椅作为医疗护理领域的服务机器人,其应用大量使用了移动机器人技术。在智能轮椅的研究中涉及到的关键技术有导航系统、控制和能源系统、人机接口,但由于整个轮椅系统以人为中心,所以在研究中要解决的核心是轮椅的安全导航问题。所谓导航即是指移动机器人按照预先给定的任务命令,根据已知的地图信息作出全局路径规划,并在行进过程中,不断感知周围的局部环境信息,自主地作出各种决策,并随时调整自身位姿,引导自身安全行驶到达目标位置。
  随着社会的发展和人类文明程度的提高,人们特别是残疾人愈来愈需要运用现代高新技术来改善他们的生活质量和生活自由度。因为各种交通事故、天灾人祸和种种疾病,每年均有成千上万的人丧失一种或多种能力(如行走、动手能力等)。因此,对用于帮助残障人行走的机器人轮椅的研究已逐渐成为热点,如西班牙、意大利等国,中国科学院自动化研究所也成功研制了一种具有视觉和口令导航功能并能与人进行语音交互的智能轮椅。
???????近几年来我国轮椅车的生产近几年有了较大的发展,据中商情报网监测数据显示,目前全国规模以上轮椅生产企业约有30多家企业,主要集中在东部及沿海发达地区,外商投资轮椅生产企业在中国轮椅行业占绝对领导地位。近年来随着人口老龄化到来及我国残疾人康复事业的发展,这为轮椅生产企业提供了良好的空间和广阔的市场前景。

3.同国外产品的综合比较
技术水平方面:与国外相比国内已经基本上没有差距,在某些方面甚至还具有一定优势。
生产工艺方面:虽然与国外相比还有一定差距,但通过分析解剖国外产品特点,利用自身优势可以在较短时间内缩小这种差距。研发和生产成本方面:与国外相比,国内具有相当大的优势。市场潜力方面:国内电动轮椅市场刚刚启动,尚没有强有力的竞争对手,市场潜力非常大。
    4.国内现有企业情况介绍
  首先,国内尚无具备智能轮椅生产的企业,现有的轮椅生产企业还主要定位在电动轮椅的生产上。且由于国内目前上不具备研制开发高性能电动轮椅控制器的能力,国内的生产企业的电动轮椅产品基本上都采用了国外的电动轮椅控制器,甚至部分企业的电动驱动总成也采用了外购方式,因此国内现有企业的产品成本居高不下,影响了市场购买能力的形成。同时由于不得不采用价格昂贵的进口控制器,国内电动轮椅产品的市场售价长期以来居高不下,难以为普通用户接受,也直接影响了电动轮椅市场的启动。
    5.国家产业支持
国家科技发展部门已经看到智能轮椅产业的发展契机,已经从国家的产业发展角度来对其未来的发展进行支持。

下图是普通轮椅图


下图为设计的自行走轮椅产品图


1.2 设计内容

   本设计的是为残疾人士和老年人设计一款自行走轮椅。
   自行走轮椅作为老年人和残疾人的代步工具,有着严格的技术要求。轮椅优良的驱动性能和严格的安全性保障是首要的技术要求。

技术要求主要如下

1. 基本驱动功能
    轮椅的模拟给定是由操纵杆发出的, 由速度档位设置按键来设定轮椅最高和最低运行速度。轮椅在起/制动时必须平滑稳定和安全。自行走轮椅对电机的起/制动快速性没有特殊要求, 但对机械特性有相对较高的要求。轮椅必须能够至少爬行5°的坡, 能够在草地等比较糟糕的路况下运行, 能够在左/右驱动轮处于不同路面时正常运行。

2.故障检测及保护
控制器应能自动进行故障诊断、定位和报警,并对一些常见故障进行显示。当轮椅运行时如果检测出故障, 系统能够使轮椅安全停止并锁定;当轮椅静止时出现故障, 系统应能够立即锁定轮椅


1.3 设计思路
   本品设计的路线是在普通轮椅上增加电路和电动机,用电能来取代手动,从而使伤残人士和老年人更方便使用轮椅。电机选择的是Y160M1,连接电路来带动链条连接机构。用单片机输出、输入信号,连接到轮椅扶手上的控制器,当控制器给出命令的时候,单片机驱动电路,再通过电机带动链条,使整个轮椅能运动起来。
    本款自行走轮椅最快速度为10km/h,具备转向、加速、减速、刹车功能。

内容简介:
自动走轮椅 学生姓名 :梁 超 班级 :0681053 指导老师 :袁 坤 摘要 :为实现高性能和低成本的自行走轮椅 , 开发了全数字自行走轮椅控制器 ; 采用先进的无速度传感器测速技术 , 设计了带电流补偿的电压负反馈加负载不平衡补偿的双电机协调控制方案。 驱动部分采用有刷幅条电机的后轮驱动。幅条电机传动具有转矩大、噪音低、效率高、耗电少、寿命长、绿色环保等优点,克服了链传动噪声大、冲击大、传动不平稳等缺点,且外观新颖,控制部分采用采用平等四边形连杆机构,结构简单,并实现了大角度的转向控制和两轮同步运动,同时增加轮椅在行进中的稳定性,而且起到防倒的功能,遇上下坡也能自主掌控,安全性高;制动部分采用特制的涨刹机构,达到前后手柄都可以制动,安全性高。 给出了软硬件结构和单元电路的设计及参数选择方法 ; 分析了操纵杆工作原理 ; 给出了轮椅速度和运动方向信息合成计算公式和提高运行舒适度的 关键词 : 自行走轮椅 ; 控制器 ; 双电机 ; 协调控制 ; S 曲线 ; 误差检测; 幅条电机;连杆机构;涨刹机构;电动控制;辅助装置 指导老师签名 : a 0681053 To to by of a of of in to of of S 毕业设计(论文)任务书 I、毕业设计 (论文 )题目 : 自行走轮椅 业设计 (论文 )使用的原始资料 (数据 )及设计技术要求: 自行走轮椅的行走速度最大 10 公里 /小时 速度可调节 (0 具有转向功能 (转向操作用手动按钮 ) 业设计 (论文 )工作内容及完成时间: 1、收集有关资料,写出开题报告; 2 周 (2、 系统方案设计 ; 2 周 (3、 系统结构及主要功能部件设计; 4 周 (4、绘制零件图; 4 周 (5、撰写论文; 1 周 ( 、主 要参考资料: 1 许洪基 现代机械传动手册 M械工业出版社, 2002 年 3 月 2王中发 M京理工大学出版社, 1998 年 2 月 3 姚永明 上海交通大学出版社 ,一版 4杨景蕙 M械工业出版社, 1996 年 7 月 5 林明等 电子工业出版社, 2003 年 6 月 科技 学院 机械制造及其自动化 专业类 0681053 班 学生(签名): 梁超 日期: 自 2010 年 3 月 1 日至 2010 年 7 月 2 日 指导教师(签名): 助理指导教师 (并指出所负责的部分 ): 机械制造工程 系(室)主任(签名): 毕业设计(论文) 题 目: 自行走 轮椅 系 别 : _航空工程系 _ 专 业名称 : _机械设计制造及其自动化 _ 班级学号 : _068105318_ 学生姓名 : 梁 超 _ 指导教师 : _袁 坤 _ 二 O 一 O 年 六 月 毕业设计(论文)开题报告 题目 自行走轮椅 专 业 名 称 机械设计制造及其自动化 班 级 学 号 068105318 学 生 姓 名 梁 超 指 导 教 师 袁 坤 填 表 日 期 2010 年 3 月 1 日 南昌航空大学科技学院学士学位论文 1 目 录 1 绪论 . 2 内外发展情况 . 4 计内容 .计思路 . 系统方案 .械系统方案 .制方案 .体方案 . 机械结构计 .条的传动设计 .动机的选用 .动电路设计 . 控制系统设计 .制系统软件设计 . 总 结 .计总结 . 14 望 . 14 参考文献 . 15 附录 .谢 . 19 南昌航空大学科技学院学士学位论文 2 一、绪 论 行走轮椅国内外发展情况 随着社会的发展和人类文明程度的提高,人们特别是残疾人愈来愈需要运用现代高新技术来改善他们的生活质量和生活自由度。因为各种交通事故、天灾人祸和种种疾病,每年均有成千上万的人丧失一种或多种能力(如行走、动手能力等)。 随着人口的增长和医疗技术的进步,社会老龄化问题已成为很多国家不得不认真对 待的重要问题之一。智能轮椅能够帮助老年人和残障人士独立的生活,节省家庭护理费用,减轻社会负担。许多国家投入较多资金研究智能轮椅,涌现出许多成果,但由于价格和实用性的原因使它们暂时只能作为实验产品。 智能轮椅作为移动机器人的一种 ,主要用来辅助老年人和残疾人的日常生活和工作 ,是对他们弱化的机体功能的一种补偿 使他们重新获得生活能力 ,找回自立、自尊的感觉 ,重新融入社会 智能轮椅的研究得到越来越多的关注 本设计的研究目标:在最经济 的条件下,设计出一件最实用、最简易操作的自行走轮椅,功能齐全、结构简单、适用于伤残人士、且能达到消费者需求水准的一件市场普及化产品。 主要特色:功能齐全、结构简便、使用方便、价格适当、安全系数强 电动轮椅技术及其产业化 1产品特点 电动轮椅作为一种安装有传感器,具有良好的智能控制功能的电动轮椅,不但具有普通的当前市面上电动轮椅所具有的所有功能,而且可以实现更加友好的人机接口和良好的操作性能。例如,可以实现避碰功能和导航功能,甚至可以实现利用无线方式将使用者的位置和基本状态传送给医护 人员和家人实现实时监控。 国内外研究现状及发展趋势(含文献综述) : 自动轮椅作为医疗护理领域的服务机器人,其应用大量使用了移动机器人技术 在自动轮椅的研究中涉及到的关键技术有导航系统、控制和能源系统、人机接口 但由于整个轮椅系统以人为中心,所以在研究中要解决的核心是轮椅的安全导航问题所谓导航即是指移动机器人按照预先给定的任务命令,根据已知的地图信息作出全局路径规划,并在行进过程中,不断感知周围的局部环境信息,自主地作出各种决策,并随时调整自身位姿,引导自身安全行驶到达目标 位置 智能轮椅作为医疗护理领域的服务机器人,其应用大量使用了移动机器人技术。在智能轮椅的研究中涉及到的关键技术有导航系统、控制和能源系统、人机接口,但由于整个轮椅系统以人为中心,所以在研究中要解决的核心是轮椅的安全导航问题。所谓导航即是南昌航空大学科技学院学士学位论文 3 指移动机器人按照预先给定的任务命令,根据已知的地图信息作出全局路径规划,并在行进过程中,不断感知周围的局部环境信息,自主地作出各种决策,并随时调整自身位姿,引导自身安全行驶到达目标位置。 随着社会的发展和人类文明程度的提高,人们特别是残疾人愈来愈需要运用现代高新 技术来改善他们的生活质量和生活自由度。因为各种交通事故、天灾人祸和种种疾病,每年均有成千上万的人丧失一种或多种能力(如行走、动手能力等)。因此,对用于帮助残障人行走的机器人轮椅的研究已逐渐成为热点,如西班牙、意大利等国,中国科学院自动化研究所也成功研制了一种具有视觉和口令导航功能并能与人进行语音交互的智能轮椅 。 近几年来我国轮椅车的生产近几年有了较大的发展,据中商情报网监测数据显示,目前全国规模以上轮椅生产企业约有 30多家企业,主要集中在东部及沿海发达地区,外商投资轮椅生产企业在中国轮椅行业 占绝对领导地位。近年来随着人口老龄化到来及我国残疾人康复事业的发展,这为轮椅生产企业提供了良好的空间和广阔的市场前景。 。 3同国外产品的综合比较 技术水平方面:与国外相比国内已经基本上没有差距,在某些方面甚至还具有一定优势。 生产工艺方面:虽然与国外相比还有一定差距,但通过分析解剖国外产品特点,利用自身优势可以在较短时间内缩小这种差距。研发和生产成本方面:与国外相比,国内具有相当大的优势。市场潜力方面:国内电动轮椅市场刚刚启动,尚没有强有力的竞争对手,市场潜力非常大。 4国内现有企业情况介绍 首先,国内尚无具备智能轮椅生产的企业,现有的轮椅生产企业还主要定位在电动轮椅的生产上。且由于国内目前上不具备研制开发高性能电动轮椅控制器的能力,国内的生产企业的电动轮椅产品基本上都采用了国外的电动轮椅控制器,甚至部分企业的电动驱动总成也采用了外购方式,因此国内现有企业的产品成本居高不下,影响了市场购买能力的形成。同时由于不得不采用价格昂贵的进口控制器,国内电动轮椅产品的市场售价长期以来居高不下,难以为普通用户接受,也直接影响了电动轮椅市场的启动。 5国家产业支持 国家科技发展部门已经看到智能轮 椅产业的发展契机,已经从国家的产业发展角度来对其未来的发展进行支持。 南昌航空大学科技学院学士学位论文 4 下图是普通轮椅图 下图为设计的自行走轮椅产品图 南昌航空大学科技学院学士学位论文 5 南昌航空大学科技学院学士学位论文 6 计内容 本设计的是为残疾人士和老年人设计一款自行走轮椅。 自行走轮椅作为老年人和残疾人的代步工具 ,有着严格的技术要求。轮椅优良的驱动性能和严格的安全性保障是首要的技术要求。 技术要求主要如下 1. 基本驱动功能 轮椅的模拟给定是由操纵杆发出的 , 由速度档位设置按键来设定轮椅最高和最低运行速度 。轮椅在起 /制动时必须平滑稳定和安全。自行走轮椅对电机的起 /制动快速性没有特殊要求 , 但对机械特性有相对较高的要求。轮椅必须能够至少爬行 5的坡 , 能够在草地等比较糟糕的路况下运行 , 能够在左 /右驱动轮处于不同路面时正常运行。 控制器应能自动进行故障诊断、定位和报警 ,并对一些常见故障进行显示。当轮椅运行时如果检测出故障 , 系统能够使轮椅安全停止并锁定 ;当轮椅静止时出现故障 , 系统应能够立即锁定轮椅 计思路 本品设计的路线是在普通轮椅上增加电路和电动机,用电能来取代 手动,从而使伤残人士和老年人更方便使用轮椅。电机选择的是 接电路来带动链条连接机构。用单片机输出、输入信号,连接到轮椅扶手上的控制器,当控制器给出命令的时候,单片机驱动电路,再通过电机带动链条,使整个轮椅能运动起来。 本款自行走轮椅最快速度为 10km/h,具备转向、加速、减速、刹车功能。 南昌航空大学科技学院学士学位论文 7 二、系统方案 械 系统方案 图 1 自行走轮椅运动控制系统示意图 上图 1为轮椅运动控制 系统组成。可见 , 自行走轮椅运动控制系统主要由操纵杆信号处理部分、电机控制部分和轮椅状态检测分组成。操纵杆输出的信号经过操纵杆信号处理部分后被合成为带起 /制动 个给定值就是用户给控制器的控制指令。电机控制部分接收用户的指令和反馈信号来合成电机驱动信号和其他控制信号。这部分是轮椅运动控制系统的核心部分。电机检测部分检测电机和控制器的工作状态。这些检测信号被用作电机的控制信号和其它部分的控制信号。 纵杆输出信号速度给定合成由于操纵杆输出是二维的随着位置变化而成比 例变化的电压信号 , 故非常适合用来控制自行走轮椅。用户前后推动操纵杆可以控制轮椅的运行速度 , 左 /右推动可以控制轮椅的转向方向和转向速度的大小。下面介绍怎样把一个二维的操纵杆 输出信号转换为速度和转向控制指令。如果把操纵杆的信号看作是二维输出信号 ,分别在二维坐标系中用 轴表示 1 。 图 2 操纵杆输出信号矢量合成示意图 可以将 而 8 后向速度给定信号。因此 , 如果用户想要转向和前进 ,则可将轮椅的运动方向看作是 的矢量合成 ,如图 2中所示 F。而左 /右电机的速度给定 2 : x +y ) - x +y ) 其中 , 设 而 代表轮椅在前向和反向的速度特性。如果以上公式的计算结果 大于了轮椅最大转向速度 , 则用最大转向速度代替计算结果。 图 3表示以不同角度旋转操纵杆时 , 轮椅的左 /右轮速度给定曲线。如果 值都是正的 , 则轮椅向前前进转向 , 否则是后退转向。当轮椅向左转时 , 右轮正向转动 , 左轮反向转动或保持不变 ; 相反 , 当轮椅向右转时 , 左轮正向转动 , 右轮反向转动或保持不变。当一个轮保持不转动而另外一个轮转动时 , 轮椅做原地 360转弯。 图 3 以不同角度旋转操纵杆时轮椅的左 /右轮的速度曲线 度给定的 (1) 设计思路。 其合成和编程都非常复杂。 虚线所示。在轮椅起动时应该是一个抛物线形状 , 然后是轮椅的加速过程 , 直至轮椅最大速度后 , 加速度为零 , 轮椅以恒定最大给定速度运行 ; 制动时 ,轮椅先以直线的斜率减速 , 最后在抛物线段舒缓地停止。本文用图 4中的一个折线近似地代替 用三段折线用来模拟抛物线。这使得编程非常简单 ,实践证明 , 控制效果非常理想。 南昌航空大学科技学院学士学位论文 9 图 4 轮椅速度给定的 (2) 实现方法。利用中断时间和人体对加速度变化率的敏感特性来实现。根据人体对加速度和加速度变化率的敏感特性知 , 当加速度或减速度最大值不大于 1.5 m / 均加减速度不低于 0.5 m / 速度变化率小于 1.5 m / , 人体的舒适感比较好。设系统的中断周期为 T, 直线的斜率为 K, 规定轮椅在 则 : K =3) 图 4中 , 三段线段斜率比值为 : 1 体程序实现见第四节。在本系统的设计中 , 被设置为可编程调节参数 ,用户可以根据自己的舒适性要求来进行相应调整。 制方案设计 对调速系统来说 , 用转速负反馈可以获得比较满意的静、动态性能。但是 , 在本文的自行走轮椅运动控制系统的设计中要实现转速负反馈是非常困难的 , 因为无法安装转速检测装置。故在设计中采用电压负反馈和电流补 偿的控制方法 3 。如果忽略电枢压降 , 则直流电动机的转速近似与电枢两端电压成正比 , 所以电压负反馈基本上能够代替转速负反馈的作用。采用电压负反馈和电流补偿控制的调速系统原理图如图 5所示 图 5 电压负反馈和电流补偿控制的调速系统原理图 南昌航空大学科技学院学士学位论文 10 其中 , V +、 V - 分别为电动机两端的电压。它们同时被送入 在软件中对 V +、 V - 进行差分得到电机两端的电压。这样可以消除由于电源电压波动等 因素引起的电机端电压的误差。 采样电阻 , 之所以有两个采样电阻 , 是因为文中所讨论的电动轮椅控制系统采用双极性模式 , 可在四象限运行。由如图 5所示的 1可分别检测电机的正反向电流。对应的系统控制方框图如图 6所示。 体方案 : 在多次观察了普通轮椅之后,发现在普通轮椅的座位底部安装双电动机,然后把链条安装在双电动机的连杆上,利用单片机来输出、输入信号,在单片机和双电动机的电路连接下,使整个设计机构有一个完整的回路。从而实现这款自行走轮椅的运行。 整个设计思路其实比较是 简单的,在安装了设计电路后,通过电动机做功来带动链条传动,来实现自行走轮椅行走、加速、减速、刹车的各项功能。 南昌航空大学科技学院学士学位论文 11 三、机械结构设计 条传动设计 双电机组合带动链条,以电动机产生动力,电带动电动机上的杆和锥齿轮,通过链条的连接机构,而带动车轮连杆上的链轮,这样形成一个整体机构过程。 开启电源后,当控制器发出运行命令时,信号通过单片机电路与电动机连接,电动机开始启动,通过链条的传动,带动车轮向前或者向后行驶。 动 机的选用 本设计用的是双电机组合,所以在选择电动机时,依照自行走轮椅运行时最大速度10km/h,来选择电动机。 70320 10)( = 7332 10202)2601 0 0 0 05( = 选择的电动机是 电动机转速 720 车轮的转速: m 则: 0 实际功率: 南昌航空大学科技学院学士学位论文 12 传动比: 动电路设计 在本设计系统中,选用的是 298N 电机专用驱动芯片。该芯片的主要特点是:工作电压高,最高工作电压可达 46V;输出电流大,瞬间峰值电流可达 3A,持续工作电流为 2A;内含两个 H 桥的高电压大电流全桥式 驱动器,可以用来驱动直流电动机和步进电动机、继电器、线圈等感性负载;采用标准逻辑电平信号控制;具有两个使能控制端,在不受输入信号影响的情况下允许或禁止器件工作有一个逻辑电源输入端,使内部逻辑电路部分在低电压下工作;可以外接检测电阻,将变化量反馈给控制电路。 图中电源和地之间接入了去耦电容,在电机线圈两端分别接入二极管进行过流保护。 南昌航空大学科技学院学士学位论文 13 四、控制系统设计 制系统软件设计 轮椅运动控制系统总的流程如图 7所示。本文设计的轮椅控制系统是纯数字化控制。系统软件采用汇编语言编写 , 代码运行效 率高 ; 采用模块化的程序设计方法 , 各功能模块之间除接口变量外互相独立。 图 7 轮椅运动控制系统总程序流程图 南昌航空大学科技学院学士学位论文 14 五、总 结 计总结 本文以自行走轮椅运动控制为背景 ,依据系统控制方案编制了相应的控制软件 , 软件模块化并考虑了参数修改和运行状态显示等功能。经调试和试运行 , 技术指标达到了预期要求。从考虑人的舒适性和可靠性出发 , 提出了基于电压检测的功率管故障及主电路故障判断、定位的实施方案 , 并给出了速度给定 行效果良好。操纵杆是轮椅运动速度方 向和大小的给定装置。 通过分析其原理导出了计算公式 , 并通过软件实现取得了良好效果。总之 , 本文完成了轮椅运动控制器设计、调试和试运行 , 各项指标均达到了预期目标 , 验证了硬、软件方案正确性及可行性。 本文的项目设计以国家高技术研究发展计划 (863计划 )先进制造技术 领域“服务机器人”重点项目 2006年度课题申请指南中课题 l 智能轮椅关 键技术、单元部件及目标产品的研发的主要考核指标为参考技术标准,目标是 构建一个为老年人和残疾人服务的自行走轮椅。 从自行走轮椅功能的角度对轮椅 的硬件系统进行模块化设计,将自行走轮 椅分为机械结构、驱动、控制三部分。重点介绍了自行走轮椅控制系统,最主要的是设计了 功接管了智能轮椅核心控制器。利用控制器,成功实现自行走控制系统。 在设计电路控制器的工作,让单片机开发板通过程序直接控制轮椅运动。 望 如前所述,本课题设计自行走轮椅控制系统,基本达到了实用性 的要求。但由于多方面的原因,该系统需要进一步的改进与完善,还存在着很 多不足。 在采用轮椅控制器控制电机时没有加入测速环节构成闭环反馈控制系 统。由于每个用户的 体重不同,且轮椅行驶的路面情况不同,根据直流电机负 载特性曲线可知,轮椅的实际电机转速将会与设定值不同,这在实际应用中是 不应该出现的,虽然在短时间内实现了低成本的控制,仍然无法达到最智能的效果。 缺乏机器视觉技术的应用。本项目中图像传感器仅应用于路径跟 踪,没有开发复杂的图像处理与识别算法,且此处仅适用于跟踪白色路面上的 黑色路标,使用场合有限。应用先进的机器视觉技术能够大大提高轮椅的自主 性和智能化。 61 南昌航空大学科技学院学士学位论文 15 参考文献 1 J. P. H. S. B. J et A J . 2001, 3 (6 ) : 1887 21890. 2 H. M. Sh J. P. S. B. et ro on J . n 2001 , 3 ( 6) : 155321556. 3 陈伯时 . 电力拖动自动控制系统 (第 2版 ) M . 北京 : 机械 工业出版社 , 4许洪基 现代机械传动手册 M械工业出版社, 2002年 3月 5简 明机械传动手册 M海科学技术出版社, 2000年 8月 6实用机械设计 M京理工大学出版社, 1998年 2月 7机械设计 M械工业出版社, 1996年 7月 【 8】 Y j 1 99 1: 1 398 1404 9】张颖,吴成东,原宝龙机器人路径规划方法综述【 J】控制工程, 2006(12): 23-25 【 10】樊长虹,陈卫东,席裕庚未知环境下移动机器人安全路径规划的一种神经网络方法【 J】 自动化学报 2004。 30(6): 2 8 【 1 l】 A 1 995: 1 99 1 2】 , 2000 13】张颖,吴成东,原宝龙机器人路径规划方法综述控制工程 2003, 10(50): 12 【 14】李玲,邹大勇,谢维达基于自适应模糊人工势场法的自动引导小车路径规划长沙电力 学院学报 2005 20(3): 1 15】谢宏斌,刘国栋,李春光基于遗传算法的机器人动态路径规划的仿真武汉工业学院学 报 2003, 22(3): 1 16】刘成良,张凯,付庄神经网络在机器人路径规划中的应用研究机器人 2001,23(7): 1 4 【 1 7】李磊,叶涛,谭民移动机器人技术研究现状与未来机器人 2005, 24(5): 1-5 【 1 8】 昌航空大学科技学院学士学位论文 16 1 998, 1: 22 1-225 【 19】何友,王国宏,陆大淦,彭应宁传感器信息融合及其应用【 京:电子工业出版社, 2000 【 20】袁军,王敏,黄心汉,陈锦江智能系统多传感器信息融合研究进展控制理论与应用, 1994, ): 513 519 【 21】 1996, 8(3): 664 667 【 22】王琳多传感器信息融合技术及其应用 D】一匕京,华北电力大学 2002 【 23】崔健语音识别技术的研究及应用 D】沈阳,东北大学, 2006 【 24】蔡莲红,黄德智现代语音技术基础与应用北京:清华大学出版社, 2003 【 25】王炳锡,屈丹,彭煊实用语音识别基础北京:国防工业出版社, 2004 【 26】 (U S N 998, 2(3): 227 240 【 27】鲁涛,原魁,朱海兵智能轮椅研究现状及发展趋势【 J】机器人技术与应用 2008, 24(8): 991 02 【 28】王战雷基于超卢波的智能轮椅避障的研究【 D】河北,河北工业大学 【 29】张培 r,张志坚,高修峰十六位单片机微处理器原理及应用 (凌阳 北京: 清华大学出版社 2005 【 30】侯嫒彬,袁益民,崔汉平凌阳单片机原理及其毕业设计精选北京:科学出版社, 2006 【 3l】李守轩轮椅机器人语音识别控制系统的研究与实现【 D】南昌:南昌人学, 2007 【 32】李守轩,张华,刘继忠基 智能轮椅语音控制系统的设计【 J】计算机工程, 2008(14): 22 25 【 33】罗亚非凌阳 16位单片机应用基础北京:北京航空航天大学出版社, 2003 【 34】何湘智语音识别的研究与进展计算机与现代化, 2002(3): 3 【 35】荆嘉敏,刘加,刘润生基于 子技术应 用 2003(10): 12 36】赵力语音信号处理北京:机械工业出版社, 2003 【 37】王富中,黄文浩基于语音识别技术的智能控制系统设计自动化与仪器, 2006(4):8 10 【 38】孙骁苗,周东辉,栗欣等移动机器人的多传感器测距系统设计 2006, 25(2):502 【 39】吴银凤,刘光聪红外线接收电路 其应用无线屯 2004(499): 53 【 40】陈 宁智能体机器人动态路径规划研究 D】武汉,华中科技大学 【 4 1】 K 昌航空大学科技学院学士学位论文 17 11 1 989, 5(1): 6 1 42】杨武强,张华,刘继忠一种机器人超卢避障测距系统的研制电声技术, 2006(3) 【 43】黄素平智能轮椅导航与多传感器信息融合研究 【 D】湖南,中南大学 【 44】王一可基于滚动窗口的多机器人协调路径规划算法研究【 D】上海,上海交通人学 45】张纯刚机器人滚动路径规划的理论与方法研究上海交通大学博士学位论文 2002 【 46】 K w a 984 【 47】杜军君智能机器人路径规划算法及实验研究【 D】上海,上海交通大学 2006 【 48】胡盛斌,罗均,龚振邦用于移动机器人避障的超卢测距系统机电一体化, 2003年 (1): 36- 【 49】曾德怀,谢存禧,张铁,黄瑞华行走机器人的超声波测距系统的研究机械科学与技术, 23(5): 613-616 克华轮椅机器人导航系统研究 D】南昌,南昌大学 2005 【 51】吴东晖智能移动机器人的视觉导航技术【 D】浙江,浙江大学 2001 附录 南昌航空大学科技学院学士学位论文 18 要尺寸及结构参数 1 外形尺寸 :长、宽、高 ,2 轴距, 3 轮距, 4 离地间隙 ,l. 5 转弯半径 量 ,7 最大载荷, 后轮规格。 胎气压, 2 电气参数 动机 :型号 ; 额定电压 , V; 额定功率 , W 0 电池 :型号 ; 额定容量 ,A h ; 额定电压 , V; 装备数量 ,个 。 电器 :电源 ,V,输 出电 压 , V; 最 大 输 出 电 流 , A 0 速器 :最大输出电流, A; 连 续 工 作 电 流 ,A 0 度调节方式 :分级变速 ; 无 级 变 速 。 压指示, 3 主要技术性能参数 大速度, km/h 动性能, 坡能力, (。 )。 电量 , h/100 向稳定性, (。 )。 向稳定性, (0) 附录说明: 本标准由中华人民共和国民政部提出。 本标准由全国残疾人康复和专用设备标准化技术委员会归口。 本标准由民政部北京假肢科学研究所、上海轮椅车厂、河北省假肢厂和浙 江省 ( 南昌航空大学科技学院学士学位论文 19 致谢 通过了近两个月的时间,我们了解到了很多关于机构类设计的知识,本论文是在导师袁坤副教授的悉心指导下完成的。从论文的选题到每一个阶段性成果,再到毕业论文的最后形成无不凝聚着袁老师的悉心指导和亲切关怀。袁老师忘我的工作精神,严谨的治学态度,渊博的学识,给我留下了深刻的印象,使我终生受益。谨在论文完成之际,向袁老师表示衷心的感谢和崇高的敬意 ! 感谢本组的每一位同学,在毕业设计工作中的真诚协助与交流及生活上给予的诸多帮助。感谢机电分院的众位老师对我的辛 勤指导,是你们的悉心教诲让我在大学期间不仅学到很多理论上的知识,也让我懂得了很多的人生哲理。衷心感谢所有关心、支持和帮助过我的老师、同学和朋友们 ! 最后,谨向百忙之中抽出宝贵时间评审本论文的各位专家致以诚挚的谢意 ! 自行走轮椅设计目 录1 绪论 . 内外发展情况 . 计内容 . 设计思路 .系统方案 . 机械系统方案. 控制方案 . 总体方案 .机械结构计. 链条的传动设计 . 电动机的选用 . 驱动电路设计 .制系统设计 . 控制系统软件设计.结 . 设计总结 . 望 . 14参考文献 . 15 附录 . 19一、绪 行走轮椅国内外发展情况随着社会的发展和人类文明程度的提高,人们特别是残疾人愈来愈需要运用现代高新技术来改善他们的生活质量和生活自由度。因为各种交通事故、天灾人祸和种种疾病,每年均有成千上万的人丧失一种或多种能力(如行走、动手能力等)。随着人口的增 和 技术的 ,社会 成为 多国 的 要 一。 能轮椅能 年人和残 人 的生活, 用,社会。多国 多轮椅,多成,由 和用的因”们能 为 。能轮椅 为动机人的一种,要用来 年人和残疾人的生活和 ,是 他们 的机体能的一种 . 能轮椅 为代 的 用 的机手 成 的活动.他们 新 生活能力, 自 、自 的 , 新 能轮椅的 来 多的 设计的的条件,设计 一件用、 的自行走轮椅,能 、结构、 用残人 、 能 需 的一件 。要特 能 、结构 、用方 、 、安 系数强电动轮椅技术 其 业 1 特点电动轮椅 为一种安装有传 ,有良好的 能控制能的电动轮椅, 有通的 前面上电动轮椅所有的所有能, 现更加友好的人机接口和良好的 能。例如, 现避碰能和导航能,甚至 现利用无线方式将用的位置和基 状态传送给 人员和 人现监控。国内外展趋势(含文献综述) 自动轮椅 为 领域的服务机人,其应用大量用了动机人技术 自动轮椅的的键技术有导航系统、控制和能源系统、人机接口 由整个轮椅系统 人为中心,所 航 所谓导航即是指动机人按照预先给定的任务命令,根据 知的地图信息 局路径规划,并行 过程中, 断 知周围的局部环境信息,自地 各种决策,并随调整自身位姿,引导自身安 行驶 目 位置 能轮椅 为 领域的服务机人,其应用大量用了动机人技术。 能轮椅的的键技术有导航系统、控制和能源系统、人机接口,由整个轮椅系统 人为中心,所 航 。所谓导航即南昌航空大学科技学院学士学位论文 1 1 课题意义 联合国发表报告指出:当二十一世纪上半叶到来时,全球人口将增加 0 6倍, 而老年人口将增加 2 3倍,老年人【 1】口占总人口的比例将上升到 20。也就是说, 全世界人口老龄化进程正在加快,今后 50年内, 60岁以上的人口比例预计将会 翻一番。而我国是人口最多的国家,老龄化和残疾是我们不得不面对的重大问 题,据老龄委统计结果显示,目前我国 60岁以上的老年人已达到 1 43亿,超过 总人口的 10。而我国有残疾人 6000多万,平均每 5个家庭就有一个残疾人 12J。 另一项调查显示, 2000年,我国 60岁以 上老年人中有腿脚不便情况的人已接近 2800万。此外,根据中残联统计数据,目前我国肢体残疾人接近 900万,其下 肢残疾人为 200万左右。 随着老年人和残疾人的日益增多,服务需求将会日益增加。助老助残服务 机器人系列产品的研发有助于形成未来老年人和残疾人生活的新模式和新概 念,并解决人口老龄化带来的重大社会服务问题,以及 2015年实现我国“人人享 有康复服务”的国家战略目标和社会协调发展提供技术支撑。智能轮椅是助老 助残服务机器人系列产品中的一个重要研究领域。轮椅作为广大老弱病残人员 使用的辅助运动工具, 随着人工智能和机器人技术的发展,智能轮椅【 3必将成为一种趋势。研究并开发实用的智能轮椅具有非常重要的现实意义。 1 1多模态智能轮椅 江西省焊接与自动化机器人重点实验室研究的多模态智能轮椅包括手柄控 制,语音控制中可避障控制,自主避障控制三种模态。各模态之间即可相互独 立,又可根据实际应用场合进行多模态融合。 (1)手动控制 常规模态,智能轮椅相当于普通的电动轮椅。此模态有两种控制方式,手 柄控制和键盘控制。使用者即可通过手柄,也可通过小键盘操作输出四路模拟 电压,轮椅本身配有电机控制器,四路模 拟电压通过电机控制器产生直流电机 信号来控制直流电机,通过对直流电机的开环控制控制轮椅的前进、后退、加 第 1章绪论 南昌航空大学科技学院学士学位论文 2 速、减速、左转、右转、停止等运动控制。 (2)自主避障控制 本课题智能轮椅是基于超声波传感器技术基础上的避障控制。由分布在轮 椅各个方向上的七组超声波传感器获得障碍物信息,由单片机根据获得的障碍 物信息做出相应的避障决策,使智能轮椅灵活避障。 (3)语音控制模态可避障系统 智能轮椅语音控制系统是属于一个拥有数个或十余个词的小词汇量的语音 识别控制系统,使用者先进行自身的语音训练,训练好的语音模 型保存在存储 器中,当用户选择语音控制模态后,语音命令与存储器中的语音模型进行相似 度对比,从而实现语音识别。进而实现语音控制。如果语音控制过程中出现障 碍物,播放“前方有障碍物,重新识别 。同时可以输入其它语音控制命令。 二 国内外智能轮椅研究现状 外智能轮椅研究现状 自 1986年英国开始研制第一辆智能轮椅来,许多国家投入大量资金研究智 能轮椅,如美国麻省理工学院 国 国乌尔姆 大学 班牙 拿大 盟 989年法国开始研究 一阶段的智能轮椅由轮椅、 声波传感器、人机界面和一个可匹配用户身体能力转换的图形屏幕组成,设置为手动、自动、半自动三种模式,手动时轮椅执行用户具体指令和行动任务:自动状态时用户只需选定目标,轮椅控制整个系统,此模式需要高度的可靠性:半自动模式下用户与轮椅分享控制。为了更好适应用户需求,研究者在康复中心进行了一系列调查,得出结论:系统必须是多功能的,不仅应适应残障人士的生理和认知能力,也应适应环境的结构和形态。在此基础上,经改进研制出第二代产品,相对于第一代产品,其功能更丰富,面向用户范围更广,性价比更好,改良了大量控制。德国乌尔姆大学在一个商业轮椅基础上研制了轮椅机器人 乌尔姆市中心车站的客流高峰期及 1998年汉诺威工业商品博览会的展览大厅环境中进行了实地现场表演。该轮椅机器人在公共场所有大量乘客的拥挤环境中,通过了超过 36小时的考验,能够自动口 !别和判断出行驶的前方是否有行人挡路,或是否可能出现行驶不通的情况,自动采取绕行动作,它甚至还能够提醒挡路的行人让开道路。根据航行的环境不同,机器运行模式分为: 窄区域航行 )和 区域 航行 ),大大增加了航行准确率。此项目得到德国科学技术部的财政支持,南昌航空大学科技学院学士学位论文 3 据计划,这种智能轮椅将于两年后 格会比普通电动轮椅高出约 50。同本北海道工业设计学院的研究人员研制出一种不爿 椅。研究人员将 置在轮椅的控制机关内,在使用者 对着麦克风讲出要求后,感应系统便会依照要求启动运作,除了可向前后左右 和快慢行走外,椅背还可向后倾,方便使用者休息。 内智能轮椅研究现状 我国智能轮椅研究起步较晚,在机构的复杂性和灵活性上和国外相比有一定差距,但也根据自身 特色研制出技术指标接近国外先进水平的智能轮椅。研究单位有中科院自动化所、台湾中正大学电机系、上海交通大学和第三军医大学等。中国科学院自动化研究所承担了“ 863”智能机器人智能轮椅项目,研制了一种具有视觉和口令导航功能并能与人进行语音交互的机器人轮椅 中科院研制的智能轮椅曾在“ 863”。计划十五周年成就展展馆的人群中穿棱自如。此项研究成果于 2000年 11月通过“ 863”智能机器人主题专家组的鉴定,并研制出我囡第一台多模态交瓦式智能轮椅样机。此项研究高度重视了智能轮椅人机控制界面的设计,在轮椅的设计中 综合运用模式识别实验室有关图像处理、计算机视觉和语音识别等最新成果,使人能通过语音控制轮椅自出行走,轮椅可以实现简单的人机对话功能。上海交通大学开发成功一种声控轮椅主要是为四肢全部雀失功能的残疾者设计,使用者只需发出“开”、“前”、“后”、“左”、“右”、“快”、“慢”、“停”等指令,轮椅可在 1 2秒内按指令执行。上海交通大学研制的智能轮椅具有自辛避障,目标跟踪和防跌功能。同时还设计可抓取日常用品的机械手臂。台湾中正大学电机系以一台工业级 过马达控制卡驱动放大器,利用操作杆执行基本的电动轮 椅操作功能,采取平行化设计,配备了麦克风、 感器、无线网络通讯界面等,并搭配了自行开发的软件以达到系统配置最佳效果。天津大学研制的智能轮椅可用脑电信号控制智能轮椅,采用的控制器是计算机。 能轮椅关键技术研究 路径规划 41技术是移动机器人技术研究领域中的一个重要分支,是机器人智能化的重要标志。总的控制目标是使移动机器人运动到目标点,总的约束是在整个过程中,机器人不碰到任何一个障碍物。该问题根据对环境信息的掌握程度可以分为两类:一类是环境信息已知的全 局规划,另一类是环境信息未知的局部规南昌航空大学科技学院学士学位论文 4 划。全局规划方法依照己获取的环境信息,给机器人规划出一条路径【 5J,规划路径的精确程度取决于获取环境信息的准确程度。全局方法通常可以寻找最优解,但是需要预先知道环境的准确信息,并且计算量很大。局部规划方法侧重于考虑机器人当前的局部环境信息,让机器人具有良好的避碰能力。很多机器人规划方法通常是局部的方法,因为它的信息获取仅仅依靠传感器系统获取的信息,并且随着环境的变化实时地发生变化。和全局规划方法相比较,局部规划方法更具有实时性和实用性。缺陷是仅仅依靠局部信息,有时会产生局 部极点,无法保证机器人能顺利到达目的地。上述两种方法各有利弊,故将两种方法互相结合,取长补短的综合研究方法渐渐成为研究的趋势。 (1)环境信息的获得,即研究机器人获得周围工作环境信息的途径的问题,其中最普遍的方式就是通过自身的各类传感器来获取,除此之外还有示教等。这里面涉及到机器人的导航与定位的问题以及传感器信息融合等问题。 (2)环境信息的理解问题,也可以称之为将环境建模或建立地图模型,即运一些算法将所获得的环境信息变成机器人能够识别和运用的数据信息,以备下一进行可行路径的搜索,主要是一些算法理论的研究 。 (3)可行路径搜索问题,即研究如何将第二步所得的数据信息按照一定的标准或要求组织生成一条 (段 )可行的路径,主要是一些优化算法和理论的研究。按运动类型的不同,移动机器人的路径规划可分为三种:最优路径规划、局部路径规划和自适应路径规划。本课题着重研究局部路径规划。 部路径规划 局部路径规划 71是指在未知或者部分已知的环境中进行的路径规划,它根据有无最终目标位置可以分成两种情况:探索和漫游。后者仅要求移动机器人能避开障碍物,对运动的朝向没有约束。而对前者,则还有个最终目标位置作指引,机器人必须 努力向这个位置靠近,在机器人前进的过程中,由于缺乏先验的全局环境信息,有时一条明显的路径要花费很大努力才能找到,而且由于信息的不完整性,不存在全局意义上的最优指标,但它可以达到某种次优性。这种情况下,移动机器人一般配有能感知周围局部环境的距离传感器,其路径规划则常按照“ 思想来实现,顾名思义,它先假设一条从起点到终点的直线路径,行进过程中,发现正前方有障碍物时,一般采用沿着障碍物边缘行走的方法避障,直到它发现前方目标方向上不再有障碍物时,又转回到这条 直线路径上来:为了让工作在漫游状态下的移动机器人能避开南昌航空大学科技学院学士学位论文 5 动态障碍物,一类基于行为的路径规划方法被大量采用。它把路径规划问题分解成许多相对独立的小系统,在运行状态下通过竞争机制取得控制机器人运动的主导权,并在环境交互作用中最终达到目标。对室外移动机器人,它的移动范围大,由于环境是不可预知的,在它的行驶过程中,必须以局部环境信息和机器人自身状态信息为基础,规划出一段短行程内与障碍物无碰撞的理想路径。局部路径规划【 8】 91101算法包括: 工势场法、模糊逻辑算法遗传算法和神经网络法等、基于滚动窗口的路 径规划算法。 (1)由 978年提出的。目前的很多规划方法都是基于位姿空间的规划方法。其实质是根据运动物体的大小和姿态,把周围的障碍物向外扩展一定的距离,即相应的“膨胀 ,变成扩展障碍。与此同时,运动物体缩为一个点 (运动物体位姿的描述简化为位姿空问中的一个点 ),于是得到一个新的空间,称为位姿空间。这实际上构造了一个虚拟的空间:把运动物体、障碍物及其几何约束关系做了等效变换,将物体的规划问题转变为点的规划问题,将复杂问题简单化,同时又具有 实际意义,因此得到了广泛的运用。这种方法本质上属于环境建模的方法。 (2)人工势场法 人工势场法最初是由 场法的基本思想是在移动机器人的工作环境中构造一个人工势场,使得在该势场中移动的机器人受到其目标位置引力场和障碍物周围斥力场的共同作用。势场法的吸引力在于数学描述上简洁、美观。但它也有其内在的局限性,即当目标附近有障碍物时,移动机器人受到的斥力大于或者等于目标点产生的引力,将永远也到达不了目的地。如果目标和障碍物都离的很远,障碍物的斥力会随着机器人向目标的接近而变的越来越小 ,甚至可以忽略,机器人将只受到吸引力的作用而直达目标。但在当在实际环境中至少有一个障碍物与目标点离的很近的情况下,当移动机器人逼近目标的同时,它也将向障碍物靠近,如果利用以前对引力场函数和斥力场函数的定义,斥力将比引力大的多,这样目标点将不是整个势场的全局最小点,因此移动机器人将不可能到达目标。总的来说这个方法存在着三个方面的问题:在相近的障碍物之间不能发现路径;在障碍物前可能会出现震荡;在狭窄通道中出现摆动现象。 (3)模糊逻辑算法 采用模糊逻辑算法进行局部路径规划,是基于机器人本身装备的传感器的实时南昌航空大学科技学院学士学位论文 6 测量 到的环境信息,通过查表得到规划的控制策略,此算法计算量不大,能满足实时性要求。模糊逻辑算法最大的特点是其控制规则是由人的经验总结出来的,能够克服势场法容易产生的局部极小问题,对处理环境未知下的规划问题具有了很大的优越性。对于解决当遇到用通常的定量的方法来说是很复杂的问题或当外界仅能够提供定性的、近似的、不确定的信息数据时模糊逻辑算法是非常有效的。 (4)遗传算法 遗传算法运用于轮椅机器人路径规划的研究进来取得了许多成果,其基本思想是:首先初始化种群内的所有个体,即将个体编码为路径中一系列中途点,然后进行遗传 操作,如选择、交叉、复制、变异。经过若干代进化以后,停止进化,输出当前最优个体。遗传算法主要依靠适应度函数来控制进化方向,因此,适应度的构造至关重要。遗传算法作为并行算法,不容易陷入局部最优,故更有可能搜索到全局最优解。但和人工势场法、模糊逻辑算法相比,遗传算法实时性交叉,且需要较大的存储空间和较多的运算时间。 (5)神经网络法 近年来,随着人工神经网络研究的深入,人们已将神经网络引入到智能机器人避障研究中,通过实例教学使网络收敛,学习完成后的网络,除了其固有的并行特性外,还具有一定的容错能力,并且对学习中 未遇到的情况,也能进行一定的处理。机器人系统是一个实时性要求很高的非线性系统,人工神经网络提供了解决这方面问题的可能性。由于神经网络是一个高度并行的分布式系统,所以可用来完成对视觉系统探测到的图像进行处理,它不仅处理速度高,还可以充分利用其非线性处理能力达到环境及目标辨识的目的,还可以完成机器人内部坐标和全局坐标的快速转换。另外,基于环境拓扑结构组织的网络,在给出目标后,还可以通过网络能量函数的收敛得到一条最优途径。神经网络在导航中的应用还在于对避障和路径规划方面。由于避障和路径规划工作没有明显的规则和难以 进行时间分类,可以让神经网络通过大量的实例学习来掌握。由于不需要迭代,采用前向网络学习算法来学习避障行为时,速度很快; 习从地图上不同位置到目标的行走路线,一旦学习完成后,机器人就能够实现自主避障。 (6)基于滚动窗口的路径规划算法 基于滚动窗口的机器人路径规划是一类典型的在不确定环境下进行路径规划的算法,它借鉴了预测控制滚动优化原理,把控制论中优化和反馈两种基本机制南昌航空大学科技学院学士学位论文 7 合理地融为一体,使得整个控制既基于模型与优化的,又是基于反馈的。基于滚动窗口的路径规划 算法的基本思路:首先进行场景预测,在滚动的每一步,机器人根据其探测到的局部窗口范围内的环境信息,用启发式方法生成局部子目标,并对动态障碍物的运动进行顶测,判断机器人行进是否可能与动态障碍物发生碰撞;其次,机器人根据窗口内的环境信息及预测结果,选择局部规划算法,确定向子目标行进的局部路径,并依所规划的局部路径行进一步,窗口相应向前滚动;然后,在新的滚动窗口产生后,根据传感器所获取的最新信息,对窗口内的环境及障碍物运动状况进行更新。基于滚动窗口的路径规划方法,主要用于全局未知的环境中,该方法放弃了对全局最优解的 要求,利用机器人实时测得的局部环境信息,以滚动方式进行在线规划,具有良好的避碰能力。滚动窗口的路径规划是一种基于 于滚动窗口获得的环境信息有限,就全局看来,按这种方法规划出的整条路径并非全局最优,这也是所有局部路径规划方法都不可避免的问题。 语音识别技术 一个典型的语音识别过程包括语音信号的预处理、特征提取、训练、识别、后处理五个基本单元。 (1)预处理 语音信号的预处理,包括预滤波、语音信号的数字化、预加重处理、分帧、噪声抑制和端点检测等。语音信号的预处理是语音识别过程的前期 预备工作,为以后各个环节的处理奠定了基础。 (2)特征提取 预处理后进行特征参数的提取,合理的选用语音特征是语音识别的一个根本问题,并且对系统的识别性能有着重要的影响。因此,针对系统的实际需求,选用合理的语音特征参数是非常关键的。 (3)模型训练 经过预处理及特征提取,进行模型训练,训练过程的目的是让系统从大量的真实语音中学习必要的模型参数形成语音参考模式库。 (4)模式匹配 根据一定的规则,利用上述模型参数对输入的语音进行模式匹配,并给出一个识别结果。 (5)后处理 南昌航空大学科技学院学士学位论文 8 后处理单元可能涉及语句分析、语句理解、 语义网络以及语言模型等。它往往不是一个孤立的单元,而是与匹配计算单元、参考模式库融合在一起,构成一个逻辑关系复杂的系统整体。目前后处理在小词汇量实用语音系统中还很难使用。 类 语音识别系统可以根据对输入语音的限制加以分类。如果从说话者与识别系统的相关性考虑,可以将识别系统分为 3类: (1)特定人语音识别系统:仅考虑对于专人的话音进行识别; (2)非特定人语音识别系统:识别的语音与人无关,通常要用大量不同人的语音数据库对识别系统进行学习; (3)多人的识别系统:通常能识别一组人的语音,或者成为特定组语 音识别系统,该系统仅要求对要识别的那组人的语音进行训练。 语音识别应用系统根据对说话方式的要求,可以将识别系统分为 3类: (1)孤立词语音识别系统:孤立词识别系统要求输入每个词后要停顿; (2)连接词语音识别系统:连接词输入系统要求对每个词都清楚发音,一些连音现象开始出现; (3)连续语音识别系统:连续语音输入是自然流利的连续语音输入,大量连音和变音会出现。如果从识别系统的词汇量大小考虑,也可以将识别系统分为 3类: (1)小词汇量语音识别系统:通常包括几十个词的语音识别系统。 (2)中等词汇量的语音识别系统:通常包括 几百个词到上千个词的识别系统。 (3)大词汇量语音识别系统:通常包括几千到几万个词的语音识别系统。随着计算机与数字信号处理器运算能力以及识别系统精度的提高,识别系统根据词汇量大小进行分类也不断进行变化。目前是中等词汇量的识别系统到将来可能就是小词汇量的语音识别系统。这些不同的限制也确定了语音识
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