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南昌航空大学科技学院学士学位论文目 录1 绪论 . 21.1 国内外发展情况 . 41.2 设计内容 .51.3 设计思路 .52 系统方案 .7 2.1 机械系统方案 .72.2 控制方案 .92.3 总体方案 .10 3 机械结构计 .113.1 链条的传动设计 .113.2 电动机的选用 .113.3 驱动电路设计 .124 控制系统设计 .134.1 控制系统软件设计 .145 总结 .145.1 设计总结 . 145.2 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。二、系统方案2.1 机械系统方案 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S曲线和死区的轮椅的速度和方向给定值。这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。1.1操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X轴和Y轴表示 1 。 图2操纵杆输出信号矢量合成示意图可以将X轴信号看作是轮椅的转向速度给定信号, 而Y轴信号则可以看作是轮椅的前向和后向速度给定信号。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X和Y的矢量合成,如图2中所示F。而左/右电机的速度给定Sl 和Sr可从下式得出 2 : Sl =Cx Fx +Cy FySmax(1) Sr =- Cx Fx +Cy FySmax(2)其中, 设Smax为速度给定最大值, Cx代表轮椅的转向速度特性, 而Cy 则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Sl 和Sr 的值都是正的, 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1.2速度给定的S曲线设计(1) 设计思路。S曲线本身是一个非线性函数,其合成和编程都非常复杂。S曲线的形状如图4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S曲线,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。 图4轮椅速度给定的S曲线示意图(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 / s2、平均加减速度不低于0.5 m / s2、加速度变化率小于1.5 m / s3 时, 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t时间内加速到速度给定最大值Smax , 则: K =Smaxt/T=SmaxtT (3)图4中, 三段线段斜率比值为: K1 K2 K3 = 1 1.92 2.6。具体程序实现见第四节。在本系统的设计中, K1、K2、K3 都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。2.2 控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其中, V +、V - 分别为电动机两端的电压。它们同时被送入DSP 的AD采样通道中, 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。R1、R2 是采样电阻, 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H桥可知, R2、R1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。2.3 总体方案：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。三、机械结构设计3.1 链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。3.2 电动机的选用 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。 = =选择的电动机是Y160M1 电动机转速720车轮的转速：则： 实际功率：传动比： 3.3 驱动电路设计 在本设计系统中，选用的是ST公司的L298N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。四、控制系统设计4.1 控制系统软件设计 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五、总结5.1 设计总结 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S曲线计算公式和软件编程算法。运行效果良好。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DA转换平台，成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。5.2 展望 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。61参考文献1J. 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