本文对电动轮椅的结构和控制技术及其发展进行了简要的介绍，详细设计了人性化轮椅的液压升降系统。本文简述了单片机的发展状况，介绍了本系统采用的新款AVR单片机ATmega16的功能特性；结合其控制特点设计了本系统的整体结构，并对各环节的控制策略进行了详细的分析与探讨。概述了系统硬件的组成，将几个关键控制电路的设计思想做了详细介绍，还对硬件的可靠性设计进行了讨论。结合AVR单片机的编程特性对系统的软件设计思想进行了分析，详细介绍了主程序及几个主要的功能模块的实现方法;并就本文实际应用介绍了软件可靠性设计的重要性。

人性化轮椅是以人体工程学为基础而设计的新型电动轮椅。它的功能、结构以及控制，处处体现它的人性化。

关键词：人性化；轮椅；控制；单片机；Atmega16В настоящее время, вместе с развитием нашего общества страны, предварительное время которое потребности look after и увеличения количества инвалидности тела постепенно, принесли некоторому отрицательному влиянию для развития общества. Для того чтобы причинить их на аспекте и так на предметах первой необходимости жизни поддержать насколько возможно, эта статья конструировала раздел электрически эксплуатируемая кресло-коляска.

Эта статья носила на кратко введение к электрически эксплуатируемой структуре кресло-коляскы и технология управления и сво развитие, конструировала гидравлическое давление кресло-коляскы поднимая систему домкратом. Эта статья суммировала монолитовое введенное состояние развития интегрированной цепи, этой характеристике функции интегрированной цепи ATmega16 avr нового типа польз системы монолитовой; Унифицировал свое управление характерное для того чтобы конструировать эту конструкцию системы общую, и носит на подробный анализ и обсуждение к различной стратегии управлением соединений. Конспектирует состав оборудования системы, делает несколько ключей конструкция цепи управления, котор думала детальное введение, но также носит на обсуждение к конструкции надежности оборудования. Унифицировал цепь avr монолитовую интегрированную программируя характеристика для того чтобы продолжить анализ к in detail введенной мысли конструкции средства программирования системы, мастерскому метод осуществления режиму и нескольким модулей функций основы;И введено важности конструкции надежности средства программирования на этом практическом применении статьи.

Человеческая природа кресло-коляска будет взятием инженерство человеческого тела по мере того как новая электрически эксплуатируемая кресло-коляска учредительство но конструирует.Своя функция, структура также,как управление, везде обнародует своему

Key words: Человеческая природа; Кресло-коляска; Управление; Монолитовая интегрированная цепь; Atmega16

前言 ………………………………………………………………………………1

1人性化轮椅概述………………………………………………………………2

1.1电动轮椅的组成部分及其特点 ……………………………………………2

1.1.1电动轮椅的组成部分 ……………………………………………………2

1.1.2电动轮椅的特点 …………………………………………………………2

1.2电机及其控制技术的发展 …………………………………………………3

1.2.1电机的发展 ………………………………………………………………3

1.2.2电机控制技术的发展 ……………………………………………………4

1.3电池技术的发展 ……………………………………………………………4

1.4人性化轮椅的改进与创新 …………………………………………………5

2人性化轮椅的总体设计………………………………………………………6

2.1总体设计方案设计 …………………………………………………………6

2.2座椅总成设计 ………………………………………………………………6

2.2.1头枕设计 …………………………………………………………………6

2.2.2靠背设计 …………………………………………………………………6

2.2.3腿托设计…………………………………………………………………6

2.3支架设计 ……………………………………………………………………7

2.3.1支架的结构设计…………………………………………………………7

2.3.2液压升降系统设计 ………………………………………………………7

2.4扶手设计……………………………………………………………………12

2.5脚托设计……………………………………………………………………12

2.6人性化轮椅的动力及制动机构……………………………………………12

2.6.1动力机构的组成…………………………………………………………12

2.6.2制动机构的组成及结构…………………………………………………12

2.7电池及充电器………………………………………………………………12

2.7.1电池的选用………………………………………………………………12

2.7.2充电器的选用……………………………………………………………13

2.8其它附属设备………………………………………………………………13

2.9本章小节……………………………………………………………………13

3人性化轮椅控制系统设计 …………………………………………………14

3.1基于AVR单片机的系统控制策略研究……………………………………14

3.1.1控制系统的整体构成……………………………………………………14

3.1.2系统主要控制策略概述…………………………………………………15

3.1.3故障检测与系统保护……………………………………………………15

3.1.4核心控制器件的选择……………………………………………………16

3.2系统硬件设计与实现………………………………………………………18

3.2.1硬件系统概述……………………………………………………………18

3.2.2控制手柄设计……………………………………………………………18

3.2.3推手及其传感器设计……………………………………………………20

3.2.4无线遥控装置设计………………………………………………………22

3.2.5预留的其它设备控制接口………………………………………………22

3.2.6 ADC 接口电路 …………………………………………………………22

3.2.7 PWM输出电路设计 ……………………………………………………23

3.2.8电池电压检测单元………………………………………………………25

3.2.9速度检测单元……………………………………………………………25

3.2.10各辅助设备控制设计 …………………………………………………26

3.2.11系统硬件可靠性设计 …………………………………………………26

3.3系统软件设计………………………………………………………………28

3.3.1系统软件设计概述………………………………………………………28

3.3.2程序的设计………………………………………………………………28

3.3.3软件的可靠性设计………………………………………………………33

3.4本章小结……………………………………………………………………33

4系统调试与运行分析 ………………………………………………………34

4.1系统软、硬件调试…………………………………………………………34

4.1.1霍尔位置传感器位置信号的调试 ………………………………………34

4.1.2软件运行环境WINAVR……………………………………………………34

4.1.3模拟调试…………………………………………………………………34

4.2实验结论与建议……………………………………………………………35

4.3本章小结……………………………………………………………………36

5结论 …………………………………………………………………………37

致谢……………………………………………………………………………38

参考文献…………………………………………………………………………39

附录A……………………………………………………………………………40

附录B……………………………………………………………………………45

1　人性化轮椅概述

本章简述现有电动轮椅的基本结构及特点，电机及其控制技术，电池技术，介绍新型人性化轮椅的改进和创新，进一步说明本设计的意义。

1.1　电动轮椅的组成部分及其特点

1.1.1　电动轮椅的组成部分

普通轮椅的主要组成部分有: 轮椅架，轮，制动装置，座垫和靠背。

轮椅架：有固定式和折叠式两种。固定式结构简单，强度和刚度好；折叠式折起后体积小，便于携带。

轮椅两侧扶手有固定式和可拆卸式两种。可拆卸式方便使用者在轮椅与床、汽车等之间的转移。

轮椅架多为薄壁钢管制成，表面镀铬、烤漆或喷塑。高档轮椅架采用合金材料，以减轻轮椅重量。

轮：轮椅装有一对大轮和一对小轮，每个大轮都装有驱动轮圈，使用者双手驱动轮圈使轮椅前进、后退或转向。一对前小轮，可自由转动。其轮胎分为充气和实芯两种。

制动装置：轮椅的制动装置均采用手扳式刹车，起驻车作用。

座垫和靠背：采用人造革、尼龙牛津布等材料。

电动轮椅在普通轮椅的基础上，增加了动力部分、操纵制动部分、电气仪表部分。

动力部分通常由蓄电池和电机构成，是电动轮椅的动力来源。其性能的好坏，直接影响电动轮椅的动力性和经济性。

操纵制动部分的作用是直接控制行车方向、行驶速度、制动等，以确保电动轮椅行驶安全。它由操控手柄、控制器、制动装置等组成。

电气仪表装置是保证车辆安全行驶并反映车辆运动状态的主要装置，它使骑行者能正确、有效地对车辆行驶适时地进行控制。它由速度显示装置、充电器等组成。

1.1.2　电动轮椅的特点

做为轮椅的扩展产品，电动轮椅有以下几个特点：

无污染：电动轮椅是以蓄电池发出的电能作为驱动能源，运行过程中无废气排放，不会对大气造成污染；

低噪音、振动小：电动轮椅采用电动机驱动，与用内燃机的机动轮椅相比，运行中产生的噪音显著减小，通常要低10-15dB，且运行比较平稳；

效率高：燃油助动车的效率一般只有30%左右，而电动轮椅采用电机驱动系统，无空转损失，电池能量的80%以上转化为动力；

安全、易维护：电动轮椅的最高时速限制在20km/h以内，可以快速起停，安全可靠。蓄电池是免维护的，电机的故障率也较低；

易操作：只要有一支手能用，就可以控制电动轮椅的行驶，从而使那些需要照顾的人生活可以自理。

1.2　电机及其控制技术的发展

1.2.1　电机的发展

电机是电动轮椅的关键部件。为使电动轮椅有良好的使用性能，驱动电机应具有宽调速范围、高转速和足够大的起动转矩。此外，由于电动轮椅的驱动电机是车载形式运行的，这要求电机体积小、重量轻、效率高、且具有较好的能量回馈性能。永磁有刷直流电动机是发展历史最悠久的电机，它的制造水平早已达到了成熟阶段，且具有较高的运行可靠性、良好的调速性能、较大的过载能力和简单的控制方法，因而在早期被广泛采用。但是直流机的噪音较大，它采用电刷和换向器进行电流换相，会产生电火花，而且碳刷容易磨损、损坏，增大维护、维修难度、增加使用成本。

稀土永磁无刷直流电机是近20年发展起来的一类电机，由于电力电子技术，微电子技术，微机和稀土永磁材料的发展为无刷直流电机的研究奠定了基础.目前无刷直流电机的发展已经和大功率开关器件、专用集成电路、稀土永磁材料、微机、新型控制理论及电机理论的发展紧密结合，显示出广泛的应用前景和强大的生命力。与其它电机相比它具有几个明显优点:①永磁无刷直流电机没有电刷、而是利用电子换相，故克服了任何由电刷引起的问题。②永磁体安装在转子上、电枢绕组装在定子上，故导热性能好，产生的热量更容易散发出去；结构也变得简单，并且节省了空间使其磁场损失也得到了减少。它的效率与转速永远保持同步关系，不会发生失步、震荡等现象，在节约能量方面也有明显优势。从电动轮椅的性能要求看，无刷直流电机即具有直流电机动态特性好、调速性能优良的特点，又具有交流电机结构简单、运行可靠、维护方便等优点，且电磁转矩大、脉动小；从结构要求看，这类电机轴向尺寸短，铁心外径较大，结构上为扁平式，可方便的安装在轮椅的后轮轴上，在其工作时力矩直接加到后轮上，不工作时可像普通轮椅那样人工骑行，因此近几年无刷直流电机在电动轮椅中的应用处于上升趋势[1]。

1.2.2　电机控制技术的发展

近些年来，随着现代电力电子技术、控制技术和计算机技术的发展，电机的应用技术也得到了进一步发展，新产品、新技术层出不穷。由于应用了电力电子技术，电机的控制技术变得更加灵活，效率也更高了。己由过去简单的起停控制、提供动力为目的应用，上升到对其速度、位置、转矩等进行精确的控制，以及这些被控量的综合控制，使被控制的机械运动更符合预想要求。因此现代电机控制技术离不开功率器件和电机控制器的发展

电机控制器是无刷直流电动机正常运行并实现各种调速伺服功能的指挥中心，它主要完成以下功能:对各种信号进行逻辑综合，以给驱动电路提供各种控制信号；产生PWM调制信号，实现电机的调速；对电机进行速度环和电流环调节，使系统具有较好的动态和静态性能；实现短路、过流、欠压等故障保护功能[2]。的续行里程。目前，对蓄电池的研究，一方面是对传统铅酸蓄电池的改进和新型蓄电池的研制。近几年开发出的新型化学电池主要有:镍—铁电池、镍—锡电池、镍—金属氢化物电池、纳—硫电池、锂电池、锌电池等。与传统的铅酸电池相比，这些新型电池在性能上已经有了很大的提升，但在功率密度上还不能和燃油相媲美。另一方面，燃料电池和超级电容的出现与兴起给电动车辆用动力电池提供了新的发展方向.一般燃料电池比能量都高于铅酸电池，其应用的主要难点在于如何缩小反应装置和提高反应速度，同时安全性问题和制造价格问题还有待进一步完善。超级电容的额定电压虽然很低，但短时大功率输出特性良好，在电动车辆加速或是制动期间，可以提供很大的功率输出或能力吸收。它作为化学蓄电池的辅助能源，可以显著减小电动车辆对化学蓄电池的尖峰功率输出的要求，在电动车辆中的应用也越来越受到重视[4] [5]。

1.4　人性化轮椅的改进与创新

电动轮椅在功能上相对普通轮椅有很大的改进和提高，但它本身也有很多可以改进的地方。电动轮椅应该方便其使用者操作，在普通轮椅的基础上增加乘坐的舒适性。本设计主要针对电动轮椅的动力和操控设备进行改进，以满足使用者的需要。

普通电动轮椅的可操控性并不很好，其调速、转向，都不是十分灵活，这对于身体以缺陷的轮椅使用者来说，是十分不便的。本设计就是利用先进的操作、控制系统，方便使用者使用，并采用合理的配件和控制电路，提高电动轮椅的效率。

现在的电动轮椅，座椅和一些辅助设备并不能满足舒适性的要求，甚至，在一些情况下，会危及到使用者的健康和安全。本设计针对现有轮椅的座椅和一些辅助设备，如轮椅架、扶手、脚托等进行必要的改进，增强轮椅的舒适性。

人性化轮椅设计.gif

手柄.gif

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