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目录目录11绪论311课题研究原因和意义3111课题研究的原因3112课题研究的意义312目前国内外研究状况3121轮组式4122履带式5123腿式6124复合式613目前研究中所存在问题72系统方案设计921系统方案确定922智能电动越障爬楼轮椅系统构成10221底盘系统10222座椅姿态调整系统15223驱动控制系统163轮椅驱动模块设计1831电机的选择1832电机工作原理2033电源的选择2334控制核心C8051F02023341C8051FO20概述23342主要性能参数2435电机转速控制25351电机转速控制原理25352电机转速控制方案2636电机驱动电路274系统控制方案设计3041操纵杆设计3042双电机同步控制方案32421并行控制32422主从控制33401绪论11课题研究原因和意义111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。112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。12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。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。121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11IBOT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12和13所示图12双联星形爬楼梯轮椅图图13双联星形爬楼梯轮椅改进图图14双联行星轮内部传递图122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1520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15所示图15履带式结构123腿式早期的爬楼梯装置一般都采用步行式，其爬楼梯执行机构由铰链杆件机构组成。上楼时先将负重抬高，再水平向前移动，如此重复这两个过程直至爬完一段楼梯。步行式爬楼梯装置模仿人类爬楼的动作，外观可视为足式轮椅，采用多条机械腿交替升降、支撑座椅爬楼的原理。如图16所示图16步行式爬楼轮椅124复合式现今，爬楼装置一个研究创新点是将上述的轮组、腿式、履带机构相互结合，吸取各自的优点。比较广泛的组合思路有以下两种一是轮履、腿履复合。比如中国科学技术大学精密机械与精密仪器系研制的一种小型全自主多种移动方式相融合的复合式越障轮椅。二是采用了轮一履复合如图17所示和轮腿一履带复合如图18所示等结构。设计主要是依靠腿式机构来完成越障，以及履带平稳性和轮组的灵活性来达到功能的完整。图17轮一履复合图图18轮腿一履复合图13目前研究中所存在问题履带式的缺点就是对楼梯边缘施加的强压力，不可避免的对楼梯沿有一定的损坏，不适合大绝大多数室内楼梯。自重较大，平地行走时阻力较大，相对于其他结构，履带式转弯需要更大的动力，使用过程中噪声很大。这些都限制了它在日常生活中的推广，被接受程度低。腿式爬楼装置有最好的地形适应力，但承载重量较小，具有较大危险性，且重心偏高。运动相对比较平稳，颠簸感轻微，但同时运行速度较缓。此外，该类型装置对控制的要求较高，操作比较复杂，在平地行走时运动幅度不大，动作缓慢。复合式爬楼装置各种机构的复合也给控制方面提出了更高的要求，而且爬楼过程中的稳定性、如何适应不同尺寸的楼梯、如何实现手动操作省力与省时的问题以及反向自锁等问题仍然存在。综上所述，国外在爬楼梯装置方面的研究己经有一百多年的历史，成果也较多，但是它们大多结构复杂、造价昂贵，远远超出了发展中国家人民的经济承受能力。国内的研究相对较晚，虽然也诞生了很多专利，但由于受到体积、重量、稳定性及安全性的限制，还没有产品真正投入使用。由此可见，为了解决移动轮椅使用受限的问题，同时考虑到我国使用者的经济承受能力，需要研究一种价格低廉、功能多样的爬楼梯装置。本装置作为面向老年人和残疾人的服务型机构，作者认为其设计思想必须从以下几个性能出发1）平地、楼梯两用；2）平地行驶效率高，操作方便简单；3）爬楼时重心波动缓和，稳定性好；4）不平坦地形下对系统的重心作适时调节，避免车体倾斜给使用者带来恐惧；5）上下楼时符合日常运动习惯，避免反向上楼给乘坐者带来不便；（6）轮椅结构尽量简单，造价低廉。为了满足上述要求，本文给出了一种结构紧凑、爬楼重心波动较小、正面上楼的平地、楼梯两用助行装置，并对其控制部分进行了详细的论述。2系统方案设计21系统方案确定通过综合分析，各机构特点如下表所示表21爬楼机构特点总结本设计确定采用爬楼梯优势较强的轮式机构。本论文采用的行星轮式爬楼梯轮椅的整体结构,行星轮结构在前进过程中通过中心轴驱动中心轮带动行星轮从而带动轮椅前迸,通过翻转电机带动行星架实现爬楼梯动作。该种结构的优点有1平顺的行驶能力。轮椅小车在平地行驶时，由于其结构上的特点，任意时刻都有两个小车轮接地，利用轮组的定轴轮系传递动力，使小车轮快速的前进，其效率与普通轮式驱动车辆相同。当遇到可跨越的障碍时，轮组通过形星轮系翻滚前进。2可靠的上下楼梯能力。轮椅小车上下楼梯时，小车轮驱动电机停止，形星轮减速器及蜗轮蜗杆式大减速比装置形成自锁功能，使轮辐电机驱动轮组翻滚时，轮组中心齿轮不转动。这使得在上下楼梯过程中，小车轮不会发生滚动，使得运动方位的控制得到精确的保证。这一优点对小车下楼梯控制尤其重要。3控制方式容易实现。任意时刻轮椅车体左边车轮组着地小车轮和右边轮组着地小轮分别具有相同的转速，这样就能准确控制移动轮椅的行走状态。4由电动机调速控制器来实现轮椅的转弯、直线前进、爬楼前进三个基本运动单元，所需的转弯半径即为车身宽度。移动机构方式轮式履带式腿式移动速度快较快慢越障能力差一般好机构复杂程度简单一般复杂能耗量小较小大机构控制难易程度易一般复杂22智能电动越障爬楼轮椅系统构成智能电动越障爬楼轮椅从整体上可以分为电气与机械两个部分，机械部分主要由底盘系统与座椅调节系统构成，电气部分主要由底盘驱动控制系统与座椅姿态检测调整系统构成。该系统结构如图21所示图21智能电动越障爬楼轮椅系统结构图221底盘系统爬楼底盘系统釆用了创星的行星轮机构作前轮驱动行走，万向轮、引导轮作为后轮辅助行走。该系统可实现平地行走和越障爬楼的功能，对崎岖的路面具有较好的适应能力。根据GBT18029232008,可知一般楼梯每阶髙度为180MM5MM,最小楼梯坡度为35,容许误差为见下图。所有楼梯的梯级突边都在由两个相距10MM、倾斜角度与楼梯坡度相同的平行平面所形成的区域内。图22标准楼梯结构图可画出爬楼底盘运动效果如图23所示图23爬楼底盘运动效果下图为行星轮系结构图图24行星轮系结构图行星轮结构由2KH周转轮系的演化结构来实现。下图25是2KH周转轮系的结构简图。图25KH周转轮系的结构简图万向轮由于受到轮胎直径的影响，在水平作用力推动的情况下只能翻爬小于轮胎半径的台阶或楼梯。在翻越楼梯及障碍的过程中采用中纯的万向轮结构不仅会产生阻力，而且在翻爬楼梯时会产生较大的冲击。在使用创新的引导轮结构与万向轮相配合后，轮椅在翻越的过程中，障碍物或楼梯的台阶将首先与引导轮相接触，由引导轮引导障碍物或楼梯的台阶与万向轮和接触。这样不仅有利于提高万向轮的翻越能力，而且可以减少阻力与冲击。图26创新的引导轮结构222座椅姿态调整系统座椅姿态检测采用双轴倾角传感器，实吋检测座椅与水平面的姿态以保证乘坐者的安全。翻转时轮椅与地面的支撑点，增加了乘坐齐的安全性与舒适性，同时又使得行星轮在翻转的过程中所需要的力矩减少，翻转更加容易。图27座椅姿态调整机构示意图223驱动控制系统驱动控制系统主要由微处理器系统、控制手柄及按键系统、主驱动电机及其驱动电路、电池组组成。驱动控制系统的目的在于配合机械结构完成相应的执行动作，保证轮椅的正常运行。电力驱动控制系统的效果图如下图28电力驱动控制系统的效果图3轮椅驱动模块设计31电机的选择考虑到轮椅车的户外使用条件,我们需要选择永励直流电机。永励直流电机根据有无机械换向装置又分为有刷直流电机和无刷直流电机。无刷直流电机有如下优点A电子换向来代替传统的机械换向，性能可靠、永无磨损、故障率低B属静态电机，空载电流小；C效率高；D体积小。固目前电动车大部分都采用无刷直流电机作为动力部分,且有很多相应的控制器。但其还有如下缺点A低速起动时有轻微振动；B价格高，相应的控制器要求高，成本也高；C易形成共振；而有刷电机的如下特性是无刷电机所不可比拟的A变速平稳，几乎感觉不到振动；B温升低，可靠性好；C价格低基于有刷直流电机的平稳可靠及低成本，本方案采用有刷直流电机。如果注意碳刷的保养，以及及时更换其使用性还是非常好的。通过查找相关资料，我选择北京康键宜医疗器械有限公司的轮椅车专用电机DGM4。其外形及参数如下图31DGM4外形表31DG电机产品系列表32DGM4电机参数该电动机构由一个带电磁离合器（刹车）装置的永磁电动机和带一级直齿和一级蜗轮副传动的全封闭齿轮箱组成；手推轮椅时，可以通过简易操作手柄释放花键来实现离合。通过计算行走电机与翻转电机均可为DGM4。通过对花键的操作即可实现手动与自动的切换，而蜗轮蜗杆传动对于爬楼装置来说，可以实现自锁，这对爬楼这一动作提供了安全保障。32电机工作原理永磁直流电机是用永久磁体来建立电机所需的磁场，无需另用电源进行励磁。有刷电机的定子上安装有固定的主磁极和电刷，转子上安装有电枢绕组和换向器。直流电源的电能通过电刷和换向器进入电枢绕组，产生电枢电流，电枢电流产生的磁场与主磁场相互作用产生电磁转矩，使电机旋转带动负载。下图为电机的四个永磁体磁极，排列在同一圆周上。图31电机磁极排列钕铁硼是目前最好的永磁体材料，磁力非常强大、矫顽力很高，性能好的永磁电机多选用钕铁硼做磁极。磁极固定在机壳内，机壳同时为电机提供磁路。在下图中用蓝色的磁力线表示电机的磁路。图32电机的磁路永磁电机不需励磁电流发热较少，但机壳为防铁粉污染多为密封，一般通过机壳外周多个散热片进行散热；端盖板延伸到机壳外兼做机脚，整个构成电机的定子机座，通过机脚来安装固定电机。永磁直流电机的转子由转子铁芯，转子绕组、换向器、转轴构成。电流通过电刷连接转子绕组，四极电机一般有四组电刷，一同装在刷架上，共同构成电刷组件。下图显示了转子与电刷组件的相对位置。图33转子与电刷组件的相对位置下图为合上端盖的永磁直流电机剖面图图34永磁直流电机剖面图33电源的选择明显电动轮椅车的电源为可充电式电池，选择好电池也是轮椅车正常工作的先决条件之一。本次方案选择一般电动车上使用的铅蓄电池。铅蓄电池的优点是放电时电动势较稳定，电压平稳、使用温度及使用电流范围宽、能充放电数百个循环、贮存性能好（尤其适于干式荷电贮存）、造价较低，因而应用广泛。铅蓄电池原理如下把A、B两块铅板插入硫酸溶液中，铅与硫酸作用的结果，使A、B两块铅板上形成硫酸铅，溶液中也被硫酸铅饱和，这是还没有电势，给蓄电池充电时，在两极上发生的化学反应如下APBSO42H2O2EPBO2H2SO42HBPBSO42EPBSO42可以看出，充电后，A板上的PBO2成为正极，B板上PB成为负极。放电时，两极发生的反应如下正极PBO2H2SO42H2EPBSO42H2O2E负极PBSO42PBSO42E又电机的额定电压为24V,固选用24V的铅蓄电池组。其自带充电模块。34控制核心C8051F020341C8051FO20概述C8051FO20系列单片机是CYGNAL公司新推出的一种混合信号系统级单片机。该系列单片机片内含CIP51的CPU内核，它的指令系统与MCS51完全兼容。其中的C8051F020单片机含有64KB片内FLASH程序存储器，4352B的RAM、8个IO端口共64根IO口线、一个12位AD转换器和一个8位AD转换器以及一个双12位DA转换器、2个比较器、5个16位通用定时器、5个捕捉比较模块的可编程计数定时器阵列、看门狗定时器、VDD监视器和温度传感器等部分。C8051F020单片机支持双时钟，其工作电压范围为2736V端口IO，RST和JTAC引脚的耐压为5V。与以前的51系列单片机相比，C8051F020增添了许多功能，同时其可靠性和速度也有了很大提高。外形及引脚排列如图所示图35C8051FO20外形及引脚排列图36C8051FO20内部逻辑图342主要性能参数C8051F02X系列单片机是集成在一块芯片上的混合信号系统级单片机。芯片上有64位数字I/O口（C8051F020/2或32位数字I/O口（C8051F021/3）。C8051F020作为整个系统的控制部件，它具有以下特点10,14高速、流水线结构的8051兼容的CIP51内核（可达25MIPS）；全速、非侵入式的在系统调试接口（片内）；12位、100KSPS的8通道ADC，带PGA和模拟多路开关；8位、500KSPS的ADC，带PGA和8通道模拟多路开关；两个12位DAC，具有可编程数据更新方式；64KB可在系统编程的FLASH存储器；4352（4096256）B的片内RAM；可寻址64KB地址空间的外部数据存储器接口；硬件实现的SPI、SMBUS/IIC和两个UART串行接口；5个通用的16位定时器；具有5个捕捉/比较模块的可编程计数器/定时器阵列；片内看门狗定时器、VDD监视器和温度传感器；两种可软件编程的电源管理方式空闲方式（等待方式）和停机方式（掉电方式）；C8051F020工作电压27V36V，端口I/O、/RST和JTAG引脚都容许5V的输入信号电压；64个IO口，TQFP100封装；与其它8位单片机相比，有更高的程序安全性；35电机转速控制351电机转速控制原理根据直流电机转速方程（31）式中U电枢电压（V）；I电枢电流（A）；R电枢回路总电阻（）；EKIRN励磁磁通（WB）；由电机结构决定的电动势常数。EK可推出有三种方法调节电动机的转速（1）调节电枢供电电压U；（2）减弱励磁磁通；（3）改变电枢回路电阻R。对于要求在一定范围内无级平滑调速的系统来说，以调节电枢供电电压的方式为最好。改变电阻只能有级调速；减弱磁通虽然能够平滑调速，但调速范围不大，往往只是配合调压方案，在基速（即电机额定转速）以上作小范围的弱磁升速。因此，自动控制的直流调速系统往往以调压调速为主。352电机转速控制方案由上可得电机直流调速系统往往以调压调速为主,电压可采用模拟电路实现即通过改变电路中的电阻可得到可连续变化的可调电压也可通过数字电路实现,即通过PWM波来实现。模拟电路法功耗大，且对于精确控制来说非常困难。固一般均采用PWM驱动法。PWM驱动原理是就是直流斩波原理，利用大功率晶体管的开关特性来调制固定电压的直流电源。按一个固定的频率来接通和关断，并根据需要改变一个周期内“接通”和“断开”时间的长短，通过改变直流电动机电枢上的占空比来改变平均电压的大小，从而控制电机的转速。因此，这种装置又称为“开关驱动装置”。PWM输出波形如图13所示，周期为T，一个周期内的导通时间为T，则加在电机两端的平均电压为32/UVCTVC其中，T/T称为占空比，为电源电压。图37PWM原理图直流电机的转速与电机两端电压成正比，而电机两端的平均电压与控制波形的占空比成正比，占空比越大，电机转得越快，当占空比为1时，加在电机两端的平均电压最大，电机转速也就最大。36电机驱动电路单片机虽然可以输出PWM波，但其输出功率太小，无法满足电机工作的需求，固要有功率放大器，一般功率放大器都是有MOS管或IGBT来放大，而这些分立元件组合起来就是一个完整的功率放大器。现代电子技术是朝着高度集成化方向发展的，由于这些功率放大器在生产生活中引用广泛，尤其是电机的普遍应用，所以市场上有专门的针对电机的功率放大芯片。本文选择的是智能功率芯片BTS7960。其资料如下BTS7960是NOVALITHIC家族三个独立的芯片的一部分一是P型通道的高电位场效应晶体管，二是一个N型通道的低电位场效应晶体管，结合一个驱动晶片,形成一个完全整合的高电流半桥。所有三个芯片是安装在一个共同的引线框,利用芯片对芯片和芯片芯片技术。电源开关应用垂直场效应管技术来确保最佳的阻态。由于P型通道的高电位开关，需要一个电荷泵消除电磁干扰。通过驱动集成技术，逻辑电平输入、电流取样诊断、转换速率调整器，失效发生时间、防止欠电压、过电流、短路结构轻易地连接到一个微处理器上。BTS7960可结合其他的BTS7960形成全桥和三相驱动结构。图框如下图38BTS7960图框引脚的定义和功能表33BTS7960引脚的定义和功能以下是其驱动电机的应用实例图39BTS7960驱动电机电路综上所述，我们可得出系统硬件的系统框图为图310系统硬件框图4系统控制方案设计41操纵杆设计方案一速度的给定由用户通过操纵杆来实现。操纵杆输出两路相互垂直的模拟信号，来实现控制轮椅运动的方向和速度，如图所示图41操纵杆输出信号分解在上图（A）中，操纵杆搬动的方向和倾斜的程度分解为和两路互相垂直的XUY信号输出；在图（B）中，轮椅运动的方向V由X方向的速度分量和Y方向的速度V分量适量合成。设左，右轮的转速分别为，则易知为两轮的差模分量，YVLNR为两轮转速的共模分量。，按照下面的算法建立联系XYLR式中,为X和Y方向的控制灵敏系数，,值越大，对相应通道的操纵杆输XKYXKY出信号的检测就越灵敏。通过适当配置,就能获得满意的操纵性能。是由速VK度挡设定的系数，速度挡越高，越大转速给定也就越大。依据上两式即可将用户给V定的控制信号分别转化为左右两轮的给定速度。方案二我们直接对电机进行控制，翻转电机只需一个开关，即可实现翻转电机的爬楼动作；行使电机则需要两个开关，一个控制左行使电机，一个控制右行使电机，当两个开关同时按下则实现直线行走，只开一个时实现转向，转速则通过单片机调节PWM波的占空比来实现无极调速。方案一是目前市场上专用控制手柄采用的方案，其操纵简单，但成本相当高昂
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