机场休息机(按摩机)的总体设计

哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）I摘要在机场或者火车站里，当旅客想有短时间休息却不想出去找旅店时，机场内如果有小型的可住宿设备便可以解决这个问题。本文设计的机场用睡眠休息机是供机场候机旅客临时休息的移动式综合车辆服务设备。本文首先介绍了休息机的历史背景，并论证休息机的实用性。由此并结合已学知识有针对的设计了休息机的几个主要模块。本文主要介绍休息机的两大装配体：床体和升降轮机构的设计。其中床体主要由按摩模块，俯仰模块组成。设计包括主要的尺寸机构的设计，还有必要的校核以及选型计算。除了必要的结构设计之外，在文章最后还对升降轮模块进行了单片机控制设计。本文不仅总结现有按摩椅原理，应用类比法设计了床体，而且完全自主创新了方便睡眠机移动和固定的升降轮模块。本设计也对今后休息机的设计提供了相关要求及有价值的参考。关键词：睡眠休息机,床体,按摩模块,俯仰模块,升降轮机构哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）IIAbstractAttheairportortrainstation,somevisitorswanttohaveashortrestbutdontwanttogooutandfindthehotel.Asmallaccommodationequipmentcansolvethisproblem.Inthispaper,sleepingmachineinairportisamobileintegratedserviceequipmentforthepassengerstohaveatemporaryrest.Atthebeginning,Thisthesisintroducesthehistoricalbackgroundofamachine,anddemonstratestheutilityoftherestmachine.Thenanalyzesseveralmainmodulesofsleepingmachine.Thethesisdesignstwoassemblyrestmachine:Designofbedbodyandaliftingwheelmechanism.Thebedbodyismainlycomposedofamassagemodule,pitchingmodule.Thedesignmainlyincludesthedimensionsofmechanism,andthenecessarycheckingandcalculation.Inadditiontothenecessarystructuraldesign,attheendofaliftingwheelmodulehasbeendesignedtocontrolbySCM.Thispapernotonlysummarizestheexistingmassagechairprinciple,applicationofanalogydesignofthebedbody,andcompletelyindependentinnovationconveniencesleepmachinemobileandfixedliftingwheelmodule.Thisdesignalsoprovidesrelevantdesignrequirementsforfuturebreakmachineandvaluablereference.Keywords:sleepingmachine,bed,Massagemodule,pitchingmodule,liftingwheelfunctionmodule哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）III目录摘要.IAbstract.II第1章绪论1.1课题背景及研究的目的和意义.11.1.1课题背景.11.1.2本研究的实用性论证.21.2国内外在该方向的研究现状及分析.21.2.1国外在该方向的研究现状及分析.21.2.2国内在该方向的研究现状及其分析.31.3研究内容及其方法.31.3.1研究内容.31.3.2研究方法.4第2章睡眠机的整体方案设计2.1引言.52.2睡眠机的功能分析.52.2.1睡眠机可以具有的功能概述.52.2.2本睡眠机功能的选择方案.62.2.3睡眠机的总体方案布局.62.3床体布局设计及主要尺寸.72.4床体角度调整机构设计.82.5角度调整模块中连杆机构及动力参数计算.92.6本章小结.14第3章床体部分按摩模块的设计及其计算哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）IV3.1引言.153.2机械按摩原理及其特点.153.3现有按摩椅按摩方式与结构分析.163.3.1市场上按摩椅的范例分析.163.3.2现有按摩椅的按摩机构运动方式分析.173.4床体的按摩功能模块的结构设计.183.5按摩结构中丝杠及其电机选型.193.6其他零部件的选型计算.213.6.1V型带及其所连接升降电机的型号选择.213.6.2旋转圆盘所连电机的选型.213.7本章小结.21第4章升降轮模块的设计计算4.1引言.224.2升降轮模块方案设计及工作原理.234.2.1升降轮模块方案设计.234.2.2升降轮模块的工作原理.234.3升降轮模块中力分析及螺旋传动参数计算.244.3.1螺旋传动受力分析.244.3.2螺旋传动参数选择计算.264.3.3电动机型号的选择.264.4其他尺寸参数.274.5本章小结.27第5章升降轮单片机控制设计5.1运动控制策略选择.275.2电机的驱动控制设计.285.2.1直流电机调速原理及方案的选择.285.2.2PWM实现方法.30哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）V5.3电机运动控制的硬件设计.315.3.1硬件介绍.315.3.2系统整体硬件连接图.315.3.3复位电路及时钟电路.325.4系统软件设计.335.4.1PWM脉冲程序.345.4.2调试与仿真.345.5本章小结.35结论.35参考文献.37致谢.39附录升降轮控制c语言程序.40附录系统整体硬件连接图.43附录单片机控制电机仿真结果图.44哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）1第1章绪论1.1课题背景及研究的目的和意义1.1.1课题背景通过此毕业设计，使学生深刻理解专业机械设备的设计方法，使学生能够充分利用所学过的知识，理论联系实际，独立开展设计工作，从而掌握从事机械设计及自动化相关工作的实际能力。你是否遇到过飞机误点，一等就是三四个小时的情况？在机场长凳上疲惫不堪时，你是否会盼望有张床可以休息？这次本文设计的“机场用睡眠休息机”，可以帮旅客解决这一问题。它能提供片刻安静的睡眠和休息，无需浪费时间寻找宾馆。机场用睡眠休息机（如图1-1）是供机场候机旅客临时休息的移动式综合车辆服务设备1。要求具有可调性舒适的平躺、半躺和坐式功能。采用舱式结构（能自动开舱和闭舱），能与外界隔开。具有立体音乐功能（导眠音乐或话语播放），清新空气功能（流动净化空气），插电或可充电式（有蓄电池）支持背部按摩功能（或头部、眼部、身体、手臂、腿、足），配有电动驱动装置方便睡眠机移动及固定。配有空调机，并有良好的隔音功能。哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）2图1-1睡眠箱图1-2睡眠箱内部1.1.2本研究的实用性论证新时代的人群很注重舒适感，睡眠箱主要优点是能够安置在机场候机大厅，为必须长时间等候延误航班或转机的乘客提供便利，让人们体会到舒适与方便。当人们在机场需要休息又不想出去找宾馆时在机场内有个休息的场所就非常好了。而由于条件受限，只能在机场内放置小型的这种场所。休息场所必须有床,（如图1-2）。结合旅途中旅客都是很疲劳，经常出现一等就是好几个小时的情况，这让人们难以承受，渴望更舒服的放松方式，因此这种场所或设备内最好放一张可以按摩而且可以调整角度的床，这样既可以提供普通休息又可以为旅客按摩以缓解旅客的疲劳，如果旅客哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）3不想进行按摩又可以将按摩模块盖住，使其变成一张普通的床，因此，一张功能多的智能床面对广大机场旅客还是很实用的。如果想方便移动此设备，必须使这个设备有轮子，但如果不放大轮子的话，不能长时间用小轮子来承受睡眠机体以及旅客的重量，因此如果此轮子能够在使用的时候伸出机体外，而不使用的时候缩回机体内从而睡眠机体着地，便显得很实用了。另外此设计是对普通睡眠箱的补充，针对有按摩需求的候机旅客使用。1.2国内外在该方向的研究现状及分析1.2.1国外在该方向的研究现状及分析机场用睡眠休息机的前身是睡眠箱sleepbox（如图1-1）是俄罗斯建筑企业阿契集团最早的一款产品2。它的规格是2m1.4m2.3m。它内部最主要的元素就是一张2m0.6m米的床，并且内部属于自动化系统，可以随时的更换出新的床单，聚合物泡沫制作的软床，让人们睡的更加舒适。“睡觉箱”内部配备了通风系统，音响和警报系统，并在内置了液晶电视，为笔记本和手机设计的电脑插座，里面的无线网络，带给你一种家的感觉。当你需要的进入的时候，通过刷卡或者投放钱币的形式来使用它，你可以根据自己的需要来选择时间3。1.2.2国内在该方向的研究现状及其分析2012年7月10日，国内首个“迷你睡眠仓”西安咸阳国际机场试运营。当旅客面临飞机延误或需要中转时，坐在椅子上苦等的滋味几乎让人抓狂。“迷你睡眠仓”正是应这种需求而设4。座落在西安咸阳国际机场的T3航站楼的这种“迷你睡眠仓”，它的外观看上去特别的迷你小巧，里面的设计也是装修简约、绿色环保，从外面看就像一座“小木屋”。“迷你睡眠仓”内部空间分布合理，每个面积约3平方米，高2.7米。虽然说这只是一个临时休息场所，但“迷你睡眠仓”哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）4里可谓是“麻雀虽小五脏俱全”，设有单人床、液晶电视、电脑桌、充电插座、LED阅读灯、无线网络，但遗憾的是没有卫生间。旅客需到机场卫生间。“迷你睡眠仓”的设计理念来源于2009年的欧洲，原来叫做“蜂巢睡眠盒子”概念设计，它就像一个临时的私人休息“盒子”或一种迷你酒店客房。是给过往旅客提供临时休息的设备。主要服务于机场、高铁车站，如飞机延误、机场接送等人员均可使用。西安咸阳国际机场运营部工作人员介绍说，设置这种“迷你睡眠仓”是借鉴莫斯科机场的做法，国内其他机场从来没有出现过，这次共在机场设置了20个.综合来说，现在国内外有关的均为蜂窝式睡眠箱，而且此种设备的研究才刚刚起步几年时间，此次我的设计旨在升级这种木制箱式结构为移动式综合车辆服务设备，更加机械化，智能化，而且移动起来更为方便5。1.3研究内容及其方法1.3.1研究内容(1)类比市场上已有的类似产品设计本结构大致尺寸。(2)研究按摩背部装置的特点并设计出合理机构模块。(3)设计方便睡眠休息机移动和固定的升降轮模块。(4)对其中的四个电机进行了选型，以及两处的螺旋传动、带传动、链传动、丝杠传动等结构或零部件进行参数计算与选型。(5)用三维制图软件Solidworks以及二维制图软件Autocad进行建模设计。(6)用三维制图软件Solidworks对睡眠机的床体按摩模块，俯仰模块，以及升降轮模块进行工作过程仿真。(7)根据升降轮模块运动控制需求，详细设计运动控制方案，完成基于单片机AT89c51和驱动芯片L298的直流电机伺服控制系统的软、硬件设哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）5计。(8)用Proteus，Keil软件对控制电路进行联合仿真。1.3.2研究方法(1)文献研究法。根据研究目的，通过调查文献来获得资料，从而全面地、正确地了解掌握所要研究问题。作用有能了解有关问题的历史和现状，帮助确定研究课题。能形成关于研究对象的一般印象，有助于观察和访问。能得到现实资料的比较资料。有助于了解事物的全貌。(2)类比法。通过类比相似产品的大小尺寸以及零件选型来对睡眠机内功能模块进行部分大小尺寸以及零件选型。(3)通过对市场已有产品剪式千斤顶的设计的分析类推设计升降轮机构。(4)市场调研法。通过去商场切身体会按摩椅等设备来分析设计自己的课题6。第2章睡眠机的整体方案设计2.1引言睡眠机的全称是机场用睡眠休息机，当旅客面临飞机延误或需要中转时，坐在椅子上苦等的滋味几乎让人抓狂。“迷你睡眠仓”正是应这种需求而设。而现在正设计的机场用睡眠休息机则无疑是这种“迷你睡眠仓”哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）6的升级版，不仅要求机械化，自动化，更要求智能化人性化。2.2睡眠机的功能分析2.2.1睡眠机可以具有的功能概述机场用睡眠休息机的功能是提供休息，则床是最主要的部分。机场用睡眠休息机是供机场候机旅客临时休息的移动式综合车辆服务设备，要求具有可调性舒适的平躺、半躺和坐式功能。采用舱式结构（能自动开舱和闭舱），能与外界隔开。具有立体音乐功能（导眠音乐或话语播放），清新空气功能（流动净化空气），插电或可充电式（有蓄电池）支持背部按摩功能（或头部、眼部、身体、手臂、腿、足），配有电动驱动装置方便睡眠机移动及固定。配有空调机，并有良好的隔音功能。可调性舒适的平躺和半躺和坐式功能；支持平躺和侧躺（甚至是趴着）；空调功能；喷香功能（可释放镇静催眠功效的精油）；背部按摩功能（或头部、眼部、身体、手臂、腿、足）；定时功能；唤醒功能（渐大的声音、渐大的震动）；舱式（能自动开舱和闭舱），能与外界隔开；里面可以看到外面，也可以不看到外面，外面看不到里面；遥控无线内部监控功能（管理员可以通过无线监控内部人员的情况）；立体音乐功能（导眠音乐或话语播放），清新空气功能（流动净化空气），良好的隔音功能，内部光线可调性变暗功能（或自动渐暗功能），有储存随身行李或衣物的功能，有小的更衣空间，内部环境清洁消毒功能，颜色光变换功能，插电或可充电式（有蓄电池）；方便移动及固定；外观现代、流线、美观；投币或纸币购买功能（自动服务）；红外线理疗功；磁疗功能；水床功能；动态水（热或冷）等7。2.2.2本睡眠机功能的选择方案(1)舱体设计：根据市场上现有相似成熟产品确定大致尺寸。(2)休息放松功能：有按摩功能和角度调整功能的智能床设计(3)随时移动和固定功能：升降轮设计哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）7(4)统一电源为24v的蓄电池带动各部分执行件执行各部分功能。(5)用单片机与伺服电机联合控制升降轮模块的运动，实现自动化。2.2.3睡眠机的总体方案布局综合以上原则，机场用睡眠休息机的主要结构为舱体，有按摩功能和角度调整功能的智能化床体，可升降的轮子，以及储物柜。其总体装配图如图2-1和透视图2-2：主要结构如下：(1)睡眠机外壳：由已有的睡眠箱而来总体尺寸为270015002410（单位：mm）(2)智能床体：有按摩功能和角度调整功能(3)升降轮：参考千斤顶而来，剪式结构，上面接睡眠机，下面接万向轮。(4)储物柜：这里为次要模块，不详细设计，尺寸为600350300（单位：mm）(5)自动门：这里主要示意图，控制部分不详细设计(6)窗子：安装有色玻璃，里面能看见外面，外面看不见里面。哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）8图2-1睡眠休息机装配图图2-2睡眠休息机透视图2.3床体布局设计及主要尺寸床体整体布局应该考虑舒适性，以及方便安装，方便制造等因素。最后参考人机工程学以及家居行业的已有统计数据以及要求确定的床体的大体布局8如图2-1所示：图2-3床体装配图哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）9其中主要零部件为按摩模块，连接块，电动推杆（其型号在后面详细选择），床柱，螺钉等。按摩模块与角度调整模块合在一起，并通过连接块实现角度调整。螺钉为M10,用螺钉将床柱与床架连接起来9。床架的大体尺寸如图2-4，其大致机构如三维示意图2-5，其中各刚条的尺寸既要协调人体的各部分尺寸，又要兼顾按摩模块的大体尺寸10。图2-4床架尺寸图2-5床架三维示意图2.4床体角度调整机构设计角度调整机构尅可以选齿轮传动，螺杆传动，带传动，连杆传动等等，这里选择连杆传动11。其参数本章后面详细计算。角度调整机构原理示意图如图2-6和图2-7。图2-6角度调整模块主视图图2-7角度调整模块后视图角度调整机构的工作原理为：电动推杆为动力原件，其提供直线运动哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）10通过连杆转化为按摩模块的旋转运动。连杆末端是滑轮，在滑道中滑动从而顶起按摩机构，实现角度调整。伺服电动缸是将伺服电机与丝杠一体化设计的模块化产品，将伺服电机的旋转运动转换成直线运动，同时将伺服电机最佳优点精确转速控制，精确转数控制，精确扭矩控制转变成精确速度控制，精确位置控制，精确推力控制，将伺服电机的旋转运动转换成直线运动，同时将伺服电机最佳优点-精确转速控制，精确转数控制，精确扭矩控制转变成-精确速度控制，精确位置控制，精确推力控制；实现高精度直线运动系列的全新革命性产品，大部分有绝对动载自锁功能，增加设备运行的安全性，而且好多按摩椅中都用了电动缸作为动力元件，因此可用电动缸直接承重12。2.5角度调整模块中连杆机构及动力参数计算2.5.1连杆机构参数计算如图3-6简图代表连杆机构,AB为电动推杆,连杆是BCD,按摩装置D等各尺寸设为如图2-8和2-9。图2-8连杆机构简图哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）112.5.2角度调整模块动力参数计算2.6本章小结本章主要对休息机进行了功能分析、总体设计方案布局以及床体角度调整机构的设计及其计算，并由市场上已有睡眠箱尺寸大致设计了休息机的外形尺寸和床体的主要尺寸以及主要动力元件电动缸进行了设计与4lEKBFBGD哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）12选型，并利用机械原理的知识结合数学分析算的了连杆的大致尺寸。并对床体的角度调整装置进行了设计以及原理分析。哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）13第3章床体部分按摩模块的设计及其计算3.1引言本章主要进行机场用睡眠休息机中智能床体的按摩模块进行设计及计算。要想在床上设计按摩装置，因为主要是针对背部按摩，这可参考现在市场上出现的种类繁多的按摩椅的背部按摩机构及其原理。因此在本章开头需要对机械按摩的原理及特点进行分析。分析完机械按摩的特点需要再对市场上的按摩椅产品的背部按摩原理进行举例分析，从而推得本设计的基本机构及按摩方式。3.2机械按摩原理及其特点传统人工按摩通过专业医师/按摩师，根据按摩对象的实际病症或生理特点，对其身体不同穴位或区域，采用诸如“推”、“揉”、“压”等一系列不同的手法进行按摩。按摩椅所采用的机械按摩方式相对于人工按摩来说，既有相似之处，又有其自身的特点。首先，从实现的方式上看，以背部按摩为例，机械按摩采用特殊设计的按摩头，或者充气气垫，通过丝杆、气泵等机械机构带动多组电机运转，以实现敲击、揉捏、拍打等多种按摩动作，其控制的精度主要取决于机械部件本身，相对来讲，机械按摩只能在最大程度上模拟人工按摩，机构的复杂程度决定了其“仿真”的程度。3.3现有按摩椅按摩方式与结构分析3.3.1市场上按摩椅的范例分析常见的按摩机构（按摩头）有滚轮式、固定式（又分单头式、双头式和多头式），由于按摩椅机构设计属机械工程学科范畴，其设计不仅涉及按哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）14摩头本身，而且涉及整个传动系统，十分复杂，在此不再过多深入阐述。图3-1为一种滚轮式按摩椅按摩机构的内部示意，该按摩椅便是通过滚轮按摩机构，由电机带动进行多种方式的按摩，并可沿着丝杆上下移动，实现连续按摩15。图3-1市场上的按摩产品机构图如图3-2为另一按摩椅的大体支架图，其中背部按摩为两种运动的合成：延背部的直线运动，按摩球的旋转运动，即一个转动一个直线运动。图3-3为内部结构图，主要是由电机带动蜗杆为主动运动，在通过蜗杆、涡轮的配合以及圆柱齿轮间的运动转换使按摩球旋转的同时再延后背直线运动从而实现整个背部的按摩。此设计思路是：设计成模块形式，不受支架限制，可自由装配16。图3-2按摩椅支架图图3-3按摩椅内部结构图哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）153.3.2现有按摩椅的按摩机构运动方式分析机械按摩依靠按摩机构带动按摩触头作一定规律的机械运动。按按摩机构动作轨迹的不同，可将按摩模式分为定点按摩和连续按摩两种。定点按摩针对人体背部不同部位，采取不同的按摩方式对其实施特定“点”或“区域”按摩，其特点是能够对特定点或区域进行针对性的按摩，但其对按摩强度和按摩时间的控制有较高要求。按摩机构依靠丝杠（导轨）沿着人体背部曲线上下或左右滑动，这种按摩模式称作连续按摩，可一次性按摩背部大部分区域。连续按摩除了需要对按摩强度等控制参量进行控制外，其对按摩进给速度、行程控制、按摩宽度（横向按摩）、按摩机构贴合人体背部曲线的程度等也有一定要求，因而其功能的实现相比定点按摩来讲更加复杂。从背部穴位的分布，以及按摩区域的划分上看，不管是定点按摩，还是连续按摩，在空间上都应该能够作横向和纵向两个方向的按摩运动，这样才能按摩到背部大部分的穴位。1.丝杠支座2.马达3.按摩小车组件4.丝杠5.壳体6.轨道7.按摩小球图3-4按摩模块结构示意图哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）163.4床体的按摩功能模块的结构设计综合已有按摩机构的案例分析，主要按摩运动为三个运动，也很容易实现，主要是按摩球的旋转运动，按摩球的挤压运动，以及按摩球延后背的直线运动。本设计也主要从此三个运动展开。但中间实现形式进行了创新，总体按摩装置的结构如图3-4所示。此按摩装置主要实现三个运动：其中直线运动的实现主要靠丝杠电机带动丝杠进行旋转从而按摩小车随着丝杠座做直线运动，按摩小车上的轮子在轨道中运动，电机反向转动从而使按摩小车组件反向运动，以实现按摩功能延后背的直线运动；按摩小车中的圆盘随旋转电机转动，从而带动按摩球做圆周运动；升降电机带动皮带，从而皮带带动皮带轮旋转，皮带轮与按摩组件式螺旋配合，从而实现圆周运动与直线运动的转换，此为按摩小球的挤压运动。如图3-5，按摩小车中升降电机旋转带动大带轮圆周运动，从而使按摩球上下运动，即按摩球的挤压运动。此挤压运动也是通过升降电机的正反转实现，其选型在本章的后面介绍。图3-5按摩小车组件哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）17旋转电机带动按摩球实现圆周运动，挡销作用是实现旋转电机的运动同时不发生旋转。按摩球里有弹簧可以减震（如图3-7）。图3-7按摩小球示意图3.5按摩结构中丝杠及其电机选型3.6其他零部件的选型计算3.6.1V型带及其所连接升降电机的型号选择3.6.2旋转圆盘所连电机的选型3.7本章小结本章主要对床体部分的按摩部分进行设计计算。通过市场上已有的按摩椅的工作原理进行分析，最后确定自己的按摩装置的原理以及结构。后来又分别对按摩装置中的丝杠、V型带、丝杠所连接电机、升降电机、挤压运动所用的螺旋传动，旋转运动的电机等等分别进行了参数计算以及型号选择。哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）18第4章升降轮模块的设计计算4.1引言为了方便睡眠休息机的移动和固定，设计一个可以升降的轮子。升降轮机构做起来并不容易，因为相关参考资料不多，而且此种装置难在当轮子接触地面时需要顶起很大的重量，而且顶起来的是一个平面，下面将解决这个问题，并且对升降轮模块进行设计计算。图4-1剪式千斤顶图4-2升降轮组件4.2升降轮模块方案设计及工作原理4.2.1升降轮模块方案设计哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）19图4-3升降轮模块4.2.2升降轮模块的工作原理4.3升降轮模块中力分析及螺旋传动参数计算4.3.1螺旋传动受力分析4.3.2螺旋传动参数选择计算4.3.3电动机型号的选择4.4其他尺寸参数链传动选择主动轮17个齿，从动轮38个齿，单排A型链，从麦迪工具集中直接调入装配。练好选择08A，节距12.7mm。4.5本章小结本章对睡眠休息机的升降轮模块进行了详细的设计，其中有一个电机的选型，螺旋传动的参数计算，链传动的计算等等计算。主要还是用类推法由剪式千斤顶而设计的升降轮模块机构设计。哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）20第5章升降轮单片机控制设计通过以上章节所述，为了方便睡眠机的移动本文对睡眠机设计了升降轮模块，本章我们对其运动控制系统做详细的分析和设计。5.1运动控制策略选择经调研我们发现，医疗机构正在使用的血型分析仪器经常会出现加样机械臂定位不准确和初始化失败的故障，究其原因主要是其运动控制部分采用步进开环控制，从而影响了加样系统的可靠性和稳定性。虽然升降臂负载不大，但是其对机械结构运动控制的精度要求还算比较高。鉴于其对安全性和运动控制精度的要求，我们对运动控制部分均采用基于位置反馈的半闭环控制，控制策略原理框图如图5-1所示。图5-1运动控制原理图5.2电机的驱动控制设计5.2.1直流电机调速原理及方案的选择根据励磁方式不同，直流电机分为自励和他励两种类型。不同励磁方式的直流电机机械特性曲线有所不同。对于直流电机来说，人为机械特性哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）21方程式为：(5-1)nTKRUnNteadNe2式中：UN,N额定电枢电压、额定磁通量；Ke,Kt电机有关的常数；Rad,Ra电枢外加电阻、电枢内电阻；分析上式可得当分别改变UN、N和Ra时，可以得到不同的转速n，从而实现对速度的调节。当改变励磁电流If时，可以改变磁通量的大小，从而达到变磁通调速的目的。但由于励磁线圈发热和电动机磁饱和的限制，电动机比与平均电压关系的励磁电流If,和磁通量只能在低于其额定值的范围内调节，故只能弱磁调速。而对于调节电枢外加电阻Rad时，会使机械特性变软，导致电机带负载能力减弱。对于他励直流电机来说，当改变电枢电压时UN，分析人为机械特性方程式，得到人为特性曲线。如图5-2所示。理想空载转速n随电枢电压升降而发生相应的升降变化。不同电枢电压的机械特性曲线相互平行，说明硬度不随电枢电压的变化而改变，电机带负载能力恒定。当我们平滑调节他励直流电机电枢两端电压时，可实现电机的无级调速。基于以上特性，改变电枢电压，实现对直流电机速度调节的方法被广泛采用。改变电枢电压可通过多种途径实现，如晶闸管供电速度控制系统、大功率晶体管速度控制系统、直流发电机供电速度控制系统及晶体管直流脉宽调速系统等。图5-2直流电动机机械特性曲线PWM是通过控制固定电压的直流电源开关频率，从而改变负载两端的电压，进而达到控制要求的一种电压调整方法。PWM可以应用在许多哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）22方面，如电机调速、温度控制、压力控制等。在PWM驱动控制的调整系统中，按一个固定的频率来接通和断开电源，并根据需要改变一个周期内“接通”和“断开”时间的长短。通过改变直流电机电枢上电压的“占空比”来改变平均电压的大小，从而控制电动机的转速。因此，PWM又被称为“开关驱动装置”。在脉冲作用下，当电机通电时，速度增加；电机断电时，速度逐渐减少。只要按一定规律，改变通、断电的时间，即可让电机转速得到控制。设电机始终接通电源时，电机转速最大为Vmax,设占空比为D=t1/T，则电机的平均速度为:Vd=VmaxD(5-2)式中：Vd电机的平均速度;V为电机全通电时的速度(最大);由上式见，当我们改变占空比时D=t1/T，就可以得到不同的电机平均速度，从而达到调速的目的。严格地讲，平均速度Vd与占空比D=t1/T并不是严格的线性关系，在一般的应用中，可以将其近似地看成线性关系。5.2.2PWM实现方法PWM信号的产生通常有两种方法：一种是软件的方法；另一种是硬件的方法。硬件方法的实现已有很多文章介绍，这里不做赘述。本文主要介绍利用单片机对PWM信号的软件实现方法。MCS51系列典型产品AT89C51具有两个定时器T0和T1。通过控制定时器初值T0和T1，从而可以实现从C51的任意输出口输出不同占空比的脉冲波形。由于PWM信号软件实现的核心是单片机内部的定时器，而不同单片机的定时器具有不同的特点，即使是同一台单片机由于选用的晶振不同，选择的定时器工作方式不同，其定时器的定时初值与定时时间的关系也不同。因此，首先必须明确定时器的定时初值与定时时间的关系。如果单片机的晶振频率为f,则定时器初值X与定时时间t的关系为：t=(2N-X)12/f(5-3)哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）23式5-3中N为定时器工作方式，方式0时N=13，方式1时N=16，方式2时N=8。通过改变定时器初值从而改变占空比D=t1/T，进而达到控制电机转速的目的22。5.3电机运动控制的硬件设计5.3.1硬件介绍随着集成电路技术的飞速发展,微控制器在伺服控制系统普遍应用,这种数字伺服系统的性能可以大大超过模拟伺服系统。数字伺服系统可以实现高精度的位置控制、速度跟踪,可以随意地改变控制方式。单片机和DSP在伺服电机控制中得到了广泛地应用,用单片机作为控制器的数字伺服控制系统,有体积小、可靠性高、经济性好等明显优点。本文采用89c51单片机实现对直流伺服电机的控制。L298N为SGS-THOMSONMicroelectronics所出产的双全桥步进电机专用驱动芯片(DualFull-BridgeDriver)，内部包含4信道逻辑驱动电路，是一种二相和四相步进电机的专用驱动器，可同时驱动2个二相或1个四相步进电机，内含二个H-Bridge的高电压、大电流双全桥式驱动器，接收标准TTL逻辑准位信号，可驱动46V、2A以下的步进电机23。5.3.2系统整体硬件连接图整体的硬件系统包括：AT89c51单片机，步进电机驱动芯片L298，复位电路，时钟电路，驱动电路，步进电机等等，其连接图见附录。5.3.3复位电路及时钟电路复位电路和时钟电路是维持单片机最小系统运行的基本模块。复位电路通常分为两种：上电复位和手动复位，如图5-3和图5-4。哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）24图5-3上电复位图5-4手动复位有时系统在运行过程中出现程序跑飞的情况，在程序开发过程中，经常需要手动复位。所以本次设计选用手动复位。高频率的时钟有利于程序更快的运行，也有可以实现更高的信号采样率，从而实现更多的功能。但是告诉对系统要求较高，而且功耗大，运行环境苛刻。考虑到单片机本身用在控制，并非高速信号采样处理，所以选取合适的频率即可。合适频率的晶振对于选频信号强度准确度都有好处，本次设计选取12.000MHz无源晶振接入XTAL1和XTAL2引脚，并联2个30pF陶瓷电容帮助起振24（如图5-5）。本次设计采用的L298与电机连接的原理图如图5-6。图5-5最小系统图5-6驱动电路哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）255.4系统软件设计升降轮模块方便休息机的移动和固定，其动作流程图如图5-7。图5-7升降轮动作流程图5.4.1PWM脉冲程序voidtimer0()interrupt1using1TH0=0x1c;/*定时器初值重装载*/TL0=0x18;time+;if(time=high)/*高电平持续时间结束，变低*/a=0;elseif(time=period)/*周期时间到，变高*/time=0;a=1;初始化按钮SB1按下轮子下降碰到限位开关1下降停止按钮SB1按下轮子上升碰到限位开关2上升停止哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）265.4.2调试与仿真用keil软件写程序，再用keil与proteus联合仿真，即对KeilC下工程进行编译链接，在Proteus下进行操作和观察。其结果见附录。5.5本章小结本章针对升降轮模块的运动控制需求，详细设计了运动控制方案，完成了基于单片机AT89c51和驱动芯片L298的直流电机伺服控制系统的软、硬件设计。并用Proteus，Keil软件对控制电路进行了联合仿真。哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）27结论本文以机场用睡眠休息机为设计对象，通过对国内外文献系统全面的查阅和分析后，根据人性化，机械化，类比法等知识对休息机的功能，尺寸进行了设计，经过认真的分析及其设计，得到了如下研究成果：(1)文章的开头分析了睡眠休息机的国内外现状并论证了休息机的实用性，还有本文用到的研究方法。(2)应用类比法对睡眠休息机体以及床体等进行了大体尺寸设计，实现了人性化的原则。结构、功能进行了设计，还对其中的四个电机进行了选型，以及两处的螺旋传动、带传动、链传动、丝杠传动等等进行了参数计算与选型。(3)运用市场考察，和案例分析的方法对市场上已有的按摩椅进行了结构和按摩方式的分析，并最后得出按摩装置主要的三个按摩运动，并创新的应用了丝杠传动，带传动以及三个电机一起实现三个按摩运动。(4)本文运用了类比的方法由电动剪式千斤顶构思而来设计的休息机的升降轮装置，即四个类似千斤顶的升降臂组件一同由统一的动力源提供动力，经过链传动实现轮子伸缩的功能，此部分是完全创新内容。(5)根据升降轮模块运动控制需求，详细设计了运动控制方案，完成了基于单片机AT89c51和驱动芯片L298的直流电机伺服控制系统的软、硬件设计。并用Proteus，Keil软件对控制电路进行了联合仿真。尽管本文结合了人机工程学、机械、控制等进行了详细的设计及计算，但仍由于时间的缺乏以及资金的不足，比未能造出样机。本设计仍然有很大的完善空间，正如本文最初提出的睡眠休息机的种种功能的设想，期望后续研究者可以从这一点入手，不断完善并优化睡眠休息机的设计。总的来说，本文所研究的机场用睡眠休息机，迎合了机械自动化的发展趋，有很大的发展空间，同时也为今后对此种设备的研究设计提供了有价值的参考。哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）28致谢四年的时光实在短暂，还清晰记得当初刚进校园的澎湃心情，现在却要面对毕业分离的伤感和迷茫。毕业论文的选题及研究过程中得到我导师的悉心指导，导师多次询问研究进程，为我指点迷津，帮助我开拓思路，热忱鼓励，老师严谨求实的态度，踏踏实实的精神，对我影响深刻，同时老师不仅在论文上认真指导我，还教导我走上社会后如何做人处事。非常感谢xx老师的指导，让我顺利地完成毕业论文。感谢大学四年里所有给过我谆谆教诲的老师们，因为你们，我的人生更加富有。感谢我所有的朋友，因为你们，我的大学生活更加愉快，有意义。更要感谢我的父母，给我那么好的生活条件和学习环境！哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）29参考文献1张海蓉.青少年科技博览.20102J.Echeverra.Science,technology,andvalues:towardsanaxiologicalanalysisoftechno-scientific.2008.63DougB.Smith.Ahumaninvention-Sleepbox.20134施建军.科技与创新的统计研究.厦门大学.20125王仁萍.小户型折叠式多功能睡床的设计研究D.东北林业大学硕士文.20096MikeYearworth;GordonEdwards;JohnDavis;KatharinaBurger.IntegratingProblemSolvingandResearchMethodsTeachingforSystemsPracticeinEngineering.20137王杰.关注家庭旅馆.中国旅游报.20028黄河,张福昌.卧具设计中的人类工程学J.家具.2005(04)9丁玉兰,郭刚,赵江洪.人机工程学(修订版)M.北京:北京理工大学出版社.1999.0110Gunther,R.A.,Clark,M.TheeffectofadynamicredistributingbedsupportsurfaceuponsystemiclymphflowandcompositionJ.Suppl.J.TissueViabil.200011MarcDesquesnes;MamadouLamineDia.MechanicaltransmissionofTrypanosomacongolenseincattlebytheAfricantabanidAtylotusagrestis.200312BertH.Jacobson,TiaJ.W