輪式可爬樓梯輪椅車設(shè)計(jì)含SW三維及7張CAD圖
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一、選題依據(jù)
1.論文(設(shè)計(jì))題目
輪式可爬樓梯輪椅車設(shè)計(jì)
2.研究領(lǐng)域機(jī)械設(shè)計(jì)
3.論文(設(shè)計(jì))工作的理論意義和應(yīng)用價(jià)值
理論意義:對于年老體弱者以及下肢傷殘者,輪椅是其必不可少的行走輔助設(shè)備, 由于我國無障礙設(shè)施的滯后,這類人群的出行問題十分突出。鑒于目前的輪椅、電動 輪椅能在坡度小于 12 度平坦的路面上行駛,但遇到樓梯臺階、溝槽、坎就無法跨越, 使輪椅具有爬樓梯能力是解決這類問題的關(guān)鍵。研究這類問題具有現(xiàn)實(shí)的理論意義。
應(yīng)用價(jià)值:從市場的角度看,輪椅是肢體殘疾人和老年人的重要的代步工具,隨 著人們生活水平的提高,輪椅被看作是一個(gè)潛力巨大的市場。從全球范圍來看爬樓梯 輪椅的研究已經(jīng)有近百年的歷史,提出了各種輪椅爬樓梯的解決方案。在這些方案中, 行星輪式爬樓梯輪椅可以兼顧平地行走和爬樓梯,是比較理想的爬樓梯解決方案。所 以,研究輪式可爬樓梯輪椅車無論從經(jīng)濟(jì)價(jià)值,可行性都具有很高的應(yīng)用價(jià)值。
4.目前研究的概況和發(fā)展趨勢
在爬樓輪椅的研究范圍內(nèi),國外起步比較早,1982 年美國科學(xué)家 Bray 發(fā)明了第一個(gè)爬樓梯輪椅,此后各個(gè)國家紛紛推出了各自的產(chǎn)品,取得了很多成果,很多已經(jīng) 上市,我國在這方面研究比較晚。按照爬樓輪椅的原理,大致可以分為:
(1)行星輪式 行星輪式是交通運(yùn)輸工具中應(yīng)用廣泛的一種運(yùn)動機(jī)構(gòu),在國外一些
爬樓機(jī)器人中也廣泛采用了輪式結(jié)構(gòu)。
(2)履帶式 第二種是履帶式,履帶式原理比較簡單,和履帶式坦克裝甲車類似。
(3)腿足式 早期的爬樓輪椅一般都采用腿足式,其爬樓機(jī)構(gòu)由鉸鏈桿件機(jī)構(gòu)組成。
(4)其他裝置 現(xiàn)有的輔助式機(jī)構(gòu)基本可以分為兩種。第一種是在已有的普通輪椅的基礎(chǔ)上附加可以實(shí)現(xiàn)爬樓功能的輔助裝置來實(shí)現(xiàn)爬樓的目的。第二種是軌道式爬樓 梯裝置,通過在普通樓梯上安裝軌道實(shí)現(xiàn)普通輪椅實(shí)現(xiàn)上樓和下樓。
未來的研究將向以下幾個(gè)方面發(fā)展。
( 1) 質(zhì)量輕 作為代步工具,爬樓梯輪椅車的能源系統(tǒng)一般采用的是機(jī)載電源,所以要求系統(tǒng)整體重量輕,以延長續(xù)航時(shí)間。同時(shí),減輕重量也可相應(yīng)提高上下樓梯時(shí) 的靈活性,降低控制的難度。
( 2) 可靠性 高爬樓梯輪椅面向的對象是老年人以及肢體殘疾人士,爬樓梯輪椅的設(shè)計(jì)應(yīng)從細(xì)微處出發(fā),設(shè)計(jì)安全、舒適、性能穩(wěn)定的產(chǎn)品,爬樓梯過程中應(yīng)保證重心 波動小,安全保證措施響應(yīng)及時(shí)。
( 3) 功能齊全 爬樓梯輪椅在功能設(shè)計(jì)上應(yīng)最大程度的滿足人性化要求,構(gòu)建良好的人機(jī)交互界面,使產(chǎn)品真正意義上融入到使用者生活的各個(gè)方面。
( 4) 價(jià)格低 爬樓梯輪椅投入市場被用戶接受的一個(gè)重要因素是價(jià)格因素,爬樓梯輪椅要實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn),必須采用模塊化的設(shè)計(jì)思想,這樣用戶不僅可以自主選擇配置 合適的輪椅,同時(shí),也可降低生產(chǎn)成本,縮短研發(fā)周期,提高性價(jià)比。
二、論文(設(shè)計(jì))研究的內(nèi)容
1.重點(diǎn)解決的問題
(1)行星輪機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)
(2)萬向輪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)
(3)座椅調(diào)節(jié)系統(tǒng)的設(shè)計(jì),旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和平移機(jī)構(gòu)。
(4)利用 Solidworks 軟件繪制零件圖及裝配圖。
2.擬開展研究的幾個(gè)主要方面(論文寫作大綱或設(shè)計(jì)思路)
(1)輪式可爬樓梯輪椅車總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
(2)底盤系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算
(3)行星輪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及計(jì)算
(4)萬向輪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)
(5)座椅系統(tǒng)可調(diào)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)校核
3.本論文(設(shè)計(jì))預(yù)期取得的成果
在初步準(zhǔn)確完成所需要設(shè)計(jì)的項(xiàng)目并完善工程圖的情況下。使輪式可爬樓梯輪椅 可以實(shí)現(xiàn)平地行走和越障爬樓的功能,對崎嶇的路面具有較好的適應(yīng)能力,并且座椅 可具有可調(diào)姿態(tài)機(jī)構(gòu),使人坐起來更加舒適,推輪椅的人也更加省力。同時(shí)底盤小車 具有平地行走和爬樓梯和越障礙物的功能,座椅系統(tǒng)主要有多自由度可調(diào)姿態(tài)功能。 最終使得產(chǎn)品能夠得到社會廣泛認(rèn)可,能夠投入市場進(jìn)行批量生產(chǎn)。
三、論文(設(shè)計(jì))工作安排
1.擬采用的主要研究方法(技術(shù)路線或設(shè)計(jì)參數(shù))
主要是搜集文獻(xiàn),查閱相關(guān)設(shè)計(jì)手冊和書籍,進(jìn)行市場調(diào)研并參觀現(xiàn)有研究成 果,在老師指導(dǎo)下開展設(shè)計(jì)研究工作,利用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì),力學(xué)計(jì)算,三維軟件 等進(jìn)行仿真模擬。
設(shè)計(jì)參數(shù):
(1)要求自行輪椅的運(yùn)動平順性,平地行走速度不大于 15km/h。
(2)要求可靠的上下樓梯能力,機(jī)械結(jié)構(gòu)合理,傳動效率高。
(3)臺階髙度為 180 mm±5 mm,最小樓梯坡度為 35°,容許誤差為 1°。所有樓梯的梯級突邊都在由兩個(gè)相距 10 mm、傾斜角度與樓梯坡度相同的平行平面所形成的區(qū)域內(nèi)。
2.論文(設(shè)計(jì))進(jìn)度計(jì)劃
第 1 周:了解題目研究的主要內(nèi)容和理論意義及應(yīng)用價(jià)值,查閱有關(guān)文獻(xiàn)。
第 2 周:查閱文獻(xiàn)、閱讀文獻(xiàn),了解研究的內(nèi)容及實(shí)現(xiàn)的技術(shù)路線
第 3 周:撰寫文獻(xiàn)綜述并完成開題報(bào)告
第 4 周:修改開題報(bào)告及文獻(xiàn)綜述準(zhǔn)備開題答辯。
第 5 周:輪式可爬樓梯輪椅車總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),繪制設(shè)計(jì)草圖
第 6 周:底盤系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算,行星輪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及計(jì)算,繪制草圖
第 7 周:萬向輪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì),繪制草圖。
第 8 周:底盤系統(tǒng)的三維工程圖建模及裝配。
第 9 周:座椅系統(tǒng)可調(diào)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)校核
第 10 周:繪制可調(diào)節(jié)系統(tǒng)三維工作圖
第 11 周:繪制旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)三維工程圖
第 12 周:修改并完成總體裝配圖并生成 avi 爆炸視圖的視頻文件第 13 周:撰寫設(shè)計(jì)說明書
第 14 周:提交論文、圖紙、查重報(bào)告,準(zhǔn)備答辯
四、需要閱讀的參考文獻(xiàn)
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附:文獻(xiàn)綜述或報(bào)告
1 引言
在經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展、人口密度越來越大的現(xiàn)代社會里,樓梯的誕生緩解了建筑用地 日益緊張的壓力,提高了人們對空間的利用率。但是大部分人住在公寓式樓房內(nèi),而 一般的 7 層以下的樓房都沒有安裝電梯,這給老年人或者腿部殘疾人士帶來了很多的不便。在這種情況下,樓梯對于他們往往意味著一個(gè)巨大的障礙需要去克服,給他們 的出行帶來了很多不便,影響他們與外界的溝通交流。
另外這一問題隨著老年人和殘疾人數(shù)量的增多[3]日益突出。2002 年,全世界 80
歲以上老年人口達(dá)到 6.06 億,而且正在以比總?cè)丝诳斓乃俣冗f增,據(jù)聯(lián)合國估計(jì),
2020 年將達(dá)到 10 億 這些人群在出行的時(shí)候多數(shù)是需要輪椅的,老年人和殘疾人比例的顯著增加給醫(yī)療,護(hù)理,社會服務(wù)方面的需求帶來了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn),加重了社會和 個(gè)人的家庭的負(fù)擔(dān),而且也影響到了他們的正常生活。
輪椅對于年老體弱者及肢體傷殘者而言是他們必不可少的代步工具,其應(yīng)用需求 越來越大。但是,它們一般僅適合在平地上使用,很少具備爬樓梯和翻越路障的能力, 這給輪椅使用者帶來諸多不便。由于傷殘者對回歸社會和獨(dú)立生活的渴望,促使輪椅 的性能和質(zhì)量不斷完善和提高[4]。為此,目前也有很多人致力于爬樓梯輪椅的研究。 我國的輪椅產(chǎn)業(yè)發(fā)展較緩慢,能爬樓梯的多功能輪椅在國內(nèi)尚無成熟的產(chǎn)品。隨著社 會生產(chǎn)力的發(fā)展,人們生活水平的不斷提高,考慮老年人及殘疾人對出行的方便性的 需求,研制具有爬樓梯功能的輪椅具有重大的現(xiàn)實(shí)意義。
2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀
在爬樓輪椅的研究范圍內(nèi),國外起步比較早,1982 年美國科學(xué)家 Bray 發(fā)明了第一個(gè)爬樓梯輪椅[16],此后各個(gè)國家紛紛推出了各自的產(chǎn)品,取得了很多成果,很多已 經(jīng)上市。我國在這方面研究比較晚,針對電動爬樓梯輪椅的研究已經(jīng)取得了一定的成 效,但主要還停留在實(shí)驗(yàn)室或是少數(shù)量產(chǎn),并沒有真正產(chǎn)業(yè)化,在研究上仍有很多空 間。
圖 1 國內(nèi)外專利申請量的分布對比圖
爬樓輪椅專利申請的時(shí)間分布及分析[15]。國外在爬樓輪椅方面的專利文獻(xiàn)出現(xiàn)較 早,最早的有關(guān)爬樓輪椅的專利出現(xiàn)在 1912 年。國內(nèi)關(guān)于這一主題的申請最早出現(xiàn)
在 1991 年,比發(fā)達(dá)國家晚了近 80 年,在進(jìn)入 21 世紀(jì)以后才逐漸發(fā)展起來。圖 1 是
1960 年至 2016 年國內(nèi)外專利申請量的分布對比圖??梢钥闯?,2008 年后該主題的專利申請量明顯上漲,反映出隨著我國經(jīng)濟(jì)社會的發(fā)展,人們對老齡群體和殘疾人士 的關(guān)注度大大提高。
總體而言,根據(jù)爬升結(jié)構(gòu)的不同,通常采用三種結(jié)構(gòu)原理[5],一種結(jié)構(gòu)是采用行 星輪機(jī)構(gòu); 一種結(jié)構(gòu)是履帶輪型爬樓梯輪椅; 一種結(jié)構(gòu)是腿足式結(jié)構(gòu)。另外還有很多種的輔助裝置。
(1)行星輪式
行星輪式是交通運(yùn)輸工具中應(yīng)用廣泛的一種運(yùn)動機(jī)構(gòu),在國外一些爬樓機(jī)器人中 也廣泛采用了輪式結(jié)構(gòu)。輪椅應(yīng)用方面,普通輪椅以及電動輪椅都是采用的這種輪式 結(jié)構(gòu),其體積小,結(jié)構(gòu)簡單,控制簡便,能夠?qū)崿F(xiàn)平衡快速地移動,能量利用效率高, 采用差動傳動時(shí)轉(zhuǎn)向半徑小,轉(zhuǎn)向靈活[6-9]。對于行星輪型爬樓輪椅,結(jié)構(gòu)簡單,并利 用自鎖機(jī)構(gòu)保證上下樓梯時(shí)不傾倒。但該爬樓輪椅對樓梯的適應(yīng)性較差,不能滿足使 用者對舒適性和可靠性的需求。
(2)履帶式
第二種是履帶式,履帶式原理比較簡單,和履帶式坦克裝甲車類似,技術(shù)也比較 成熟,它的行走方式比行星輪式爬樓輪椅更為連續(xù),具有很高的傳動效率,在上下樓 梯的時(shí)候,輪椅的重心始終和樓梯臺階沿的連線保持平行,輪椅的重心波動很小,比 較平穩(wěn)。履帶式機(jī)構(gòu)支撐面積大,通過性能好,下陷度小,具有較強(qiáng)的地形適應(yīng)能力, 爬坡,越溝等性能相對于輪式機(jī)構(gòu)有明顯的優(yōu)勢。在上下樓梯時(shí)采用履帶輪的方式, 保證了上下樓梯過程的連續(xù)性[8-9]。但是,所述履帶輪型爬樓輪椅無法實(shí)現(xiàn)從斜面到平 面的姿態(tài)平穩(wěn)轉(zhuǎn)換,且結(jié)構(gòu)笨重,對樓梯邊沿的損害程度很大,運(yùn)動過程的阻力矩較 大,換向過程實(shí)現(xiàn)困難,能源利用效率低,這些問題在很大程度上限制了該型輪椅在 上下樓梯中的使用。
(3)腿足式
對于腿足式結(jié)構(gòu)爬樓梯輪椅,該結(jié)構(gòu)模仿人上下樓梯的動作,采用一組或幾組腿 交替升降、支撐爬樓的原理,對樓梯的適應(yīng)性很強(qiáng),上樓時(shí),先將整個(gè)輪椅升高,再 水平向前移動,如此重復(fù)這兩個(gè)過程就直至爬完一段樓梯。腿足式爬樓梯裝置模仿了 人類爬樓的動作,外觀其實(shí)可以視為機(jī)器人,采用多條機(jī)械臂交替升降,支撐輪椅爬 樓的原理[8-9]。但是,其承載重心偏高,傾翻危險(xiǎn)性大,對穩(wěn)定性要求極高,控制難度 很大,機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)復(fù)雜,還有諸多問題需要解決。
(4)其他裝置
現(xiàn)有的輔助式機(jī)構(gòu)基本可以分為兩種[16]。
第一種是在已有的普通輪椅的基礎(chǔ)上附加可以實(shí)現(xiàn)爬樓功能的輔助裝置來實(shí)現(xiàn)
爬樓的目的,它們是獨(dú)立的裝置,可以輔助普通的輪椅實(shí)現(xiàn)爬樓梯的功能。
第二種是軌道式爬樓梯裝置,通過在普通樓梯上安裝軌道實(shí)現(xiàn)普通輪椅或者 其他交通裝置實(shí)現(xiàn)上樓和下樓。
總結(jié)國內(nèi)外各類爬樓梯輪椅的特點(diǎn)可以看出,發(fā)展至今大多數(shù)爬樓梯裝置的自主 性不高,仍需在旁人協(xié)助的條件下實(shí)現(xiàn)上下樓梯,而且在穩(wěn)定性和安全性等可靠性方 面存在的很多問題也值得深入研究。如何在保障爬樓梯輪椅整體體積小、重量輕的前 提下,結(jié)合先進(jìn)的傳感手段和控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)其可靠、平穩(wěn)的上下樓梯將是今后“老人
/殘障者上下樓梯助行系統(tǒng)”研究領(lǐng)域的發(fā)展方向。
3 爬樓梯輪椅系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)
爬樓梯輪椅系統(tǒng)研究內(nèi)容主要由機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)兩大部分組成[10]。 其中機(jī)械機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)主要完成爬升機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、輔助支撐機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)兩方面內(nèi)容; 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和控制系統(tǒng)算法兩部分,爬樓梯輪椅系統(tǒng)的基本控制結(jié)構(gòu) 如圖 2 所示。這兩部分內(nèi)容緊密聯(lián)系、相輔相成共同作用實(shí)現(xiàn)理想的運(yùn)動路徑和運(yùn)動狀態(tài)。
圖 2 爬樓梯輪椅系統(tǒng)基本控制結(jié)構(gòu)
3. 1 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的目的應(yīng)滿足爬樓梯助行系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)緊湊、整體重量小,具有合 理的路徑規(guī)劃能實(shí)現(xiàn)連貫爬升運(yùn)動。機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)劣程度很大范圍內(nèi)決定了系統(tǒng) 的適應(yīng)能力及控制過程的難易程度,是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心所在。
3. 1. 1 爬升機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)
爬樓梯輪椅系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的核心是爬升機(jī)構(gòu),能夠?qū)崿F(xiàn)爬越樓梯這種越障運(yùn) 動的主要有星輪式、履帶式、腿足式 3 種。在這 3 種爬升機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)上,吸取各自的優(yōu)點(diǎn),發(fā)展組合式的爬樓梯裝置將是今后研究的創(chuàng)新方向。
結(jié)合爬樓梯運(yùn)動路徑的特點(diǎn),采用可將獨(dú)立運(yùn)動分解為兩個(gè)有差異運(yùn)動,或?qū)? 個(gè)有差異的運(yùn)動合成為一個(gè)運(yùn)動的差動機(jī)構(gòu)、組合型機(jī)構(gòu)、新型變形機(jī)構(gòu),可實(shí)現(xiàn)輪 椅從平地運(yùn)動—爬升運(yùn)動—平地運(yùn)動過程的姿態(tài)平穩(wěn)轉(zhuǎn)化。綜合考慮輪、腿、履帶機(jī) 構(gòu)的優(yōu)勢,把三者復(fù)合起來使用,可有效克服各自的不足,保障爬樓梯輪椅能夠安全、 可靠、高效地實(shí)現(xiàn)上下樓梯的過程。
3. 1. 2 輔助支撐機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)
電動爬樓梯輪椅的使用群體是老年人以及殘障者,因此對輪椅的使用安全性要求 極高。同時(shí),在上下樓梯運(yùn)行過程中,質(zhì)心位置、支撐條件的不斷變化對系統(tǒng)安全、 可靠的實(shí)現(xiàn)合理的運(yùn)動軌跡提出了很高的要求。
為保證爬升過程的安全性,爬升裝置和輪椅以及使用者的總重心必須始終位于支 撐裝置與樓梯臺階支撐點(diǎn)之間。系統(tǒng)由平地狀態(tài)突然啟動時(shí),由于自身的慣性作用會 發(fā)生后傾的現(xiàn)象,為了解決這一問題通常在系統(tǒng)的后部增加了一個(gè)防止后傾的裝置; 為了避免爬升過程前傾的危險(xiǎn),考慮擴(kuò)大支撐邊界,來增加前傾穩(wěn)定裕量是有效的解 決辦法; 為保證上下樓梯操作的安全性,需有相應(yīng)的鎖定裝置,一旦輪椅傾斜角度超出傾翻穩(wěn)定性要求范圍之外,鎖定裝置鎖定,支撐裝置支撐在樓梯臺階上。
從乘坐著舒適性角度出發(fā),輪椅椅面要始終保持水平,如果輪椅椅面前傾乘坐者 就會有種向前栽的感覺,假如輪椅椅面后傾,乘坐者的后背就會緊緊的依靠在輪椅架 上從而輪椅有后傾的趨勢。為了使輪椅椅面保持水平,通常采用三點(diǎn)高副球鉸接機(jī)構(gòu) 的椅面平衡調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu),其中,一點(diǎn)高副球鉸接固定,兩點(diǎn)高副球鉸接可調(diào),用于調(diào)節(jié) 椅面的平衡。
3. 2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
為保證爬樓梯輪椅能夠安全、可靠、高效地實(shí)現(xiàn)上下樓梯的過程,并可同時(shí)作為 電動輪椅使用,爬樓梯輪椅的控制器必須具有很強(qiáng)的功能; 除根據(jù)電動輪椅控制器所具有的速度調(diào)節(jié)、運(yùn)動控制、故障檢測等功能之外,還必須具有可以實(shí)時(shí)檢測使用者 的坐姿和位置、爬樓梯輪椅與樓梯的相對位置、爬樓梯輪椅的運(yùn)動狀態(tài)等功能,并可 以根據(jù)傳感器信息對爬樓梯輪椅的驅(qū)動系統(tǒng)進(jìn)行正確的控制或給出報(bào)警信號。
3. 2. 1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
爬樓梯輪椅系統(tǒng)除了完成普通輪椅功能要求之外還需運(yùn)行在電動輪椅和上下樓 梯輪椅兩種模式下,其控制功能應(yīng)分別由兩套相互獨(dú)立的開環(huán)控制系統(tǒng)來完成,以實(shí) 現(xiàn)平地行走、攀爬不同角度的斜坡以及上下不同高度寬度的樓梯功能要求,這也就導(dǎo) 致電動爬樓梯輪椅的運(yùn)動形式十分復(fù)雜,應(yīng)針對不同環(huán)境下輪椅需要實(shí)現(xiàn)的動作設(shè)計(jì) 爬樓梯的控制系統(tǒng)。
隨著機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展,移動機(jī)器人控制技術(shù)大量應(yīng)用于爬樓梯輪椅的控制系統(tǒng) 中,使得爬樓梯輪椅具有更好的交互性,適應(yīng)性和自主性。采用嵌入式控制系統(tǒng)可有 效解決信息集中處理使得上位機(jī)信心處理量大,負(fù)擔(dān)重,實(shí)時(shí)性差無法滿足實(shí)際使用 的缺點(diǎn),為爬樓梯輪椅控制系統(tǒng)的研究提供了新的方向。中科院自動化所研制的嵌入 式多功能輪椅系統(tǒng)在該方面進(jìn)行了嘗試,采用 ARM + DSP + FPGA 的方式來構(gòu)建多功能輪椅的中央控制系統(tǒng)、傳感器系統(tǒng)、視覺系統(tǒng)和運(yùn)動控制系統(tǒng),整個(gè)控制系統(tǒng)系統(tǒng) 運(yùn)行穩(wěn)定,具有實(shí)時(shí)性高、功耗低,續(xù)航時(shí)間長的特點(diǎn),為爬樓梯輪椅向產(chǎn)業(yè)化方向 發(fā)展邁進(jìn)了一大步。
3. 2. 2 控制系統(tǒng)算法
在未知和不確定的環(huán)境下,爬樓梯輪椅需要通過多種傳感器收集數(shù)據(jù),用以界定 周圍環(huán)境及自身狀態(tài)信息,需要用一定算法對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、融合,比較完整地反映 環(huán)境特征和自身狀態(tài),為系統(tǒng)運(yùn)動控制提供精確的數(shù)據(jù)信息。爬樓梯輪椅在行駛時(shí)必 須不斷地感知周圍環(huán)境及自身狀態(tài)信息,所以要求控制系統(tǒng)算法能夠?qū)?shí)時(shí)提供的各 種信息進(jìn)行快速有效處理,并能保證信息的完整性。
常規(guī)的 PID 控制雖然具有算法簡單、精度高、可靠性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn),但是僅對于可建立精確數(shù)學(xué)模型的控制系統(tǒng)具有很好的控制作用。對于爬樓梯輪椅電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)而 言,被控對象復(fù)雜,具有非線性、強(qiáng)耦合以及時(shí)變性的特點(diǎn),很難達(dá)到控制系統(tǒng)的精 確魯棒性和抗干擾性能。模糊控制具有魯棒性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn),能較好的適應(yīng)輪椅運(yùn)行過程 中路況突變等干擾條件,但單純的模糊控制不能很好的消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差[11]。使用 復(fù)合算法可以使控制器有較強(qiáng)的魯棒性和較小的靜態(tài)誤差,但復(fù)雜的算法本身就是控 制器實(shí)現(xiàn)的障礙。模糊 PID 控制器結(jié)合了模糊控制和 PID 控制器兩者的優(yōu)點(diǎn),可根據(jù)不同的偏差和偏差變化率選擇不同的比例、微分、積分參數(shù),從而即具有模糊控制 靈活、適應(yīng)性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn),又具有 PID 控制器精度高的特點(diǎn),對爬樓梯輪椅運(yùn)動控制系統(tǒng)具有良好的控制效果。模糊控制系統(tǒng)的工作原理如圖 3 所示。
圖 3 模糊控制系統(tǒng)工作原理
4 發(fā)展趨勢與展望
綜上所述,針對電動爬樓梯輪椅的研究已經(jīng)取得了一定的成效,但也要看到目前 階段主要還停留在實(shí)驗(yàn)室或是少數(shù)定做,并沒有真正產(chǎn)業(yè)化,在研究上仍有很多空間。 未來的研究將向以下幾個(gè)方面發(fā)展[11]。
( 1) 質(zhì)量輕 爬樓梯輪椅要走向?qū)嶋H應(yīng)用,必須考慮其應(yīng)用的情況。作為代步工具, 爬樓梯輪椅車的能源系統(tǒng)一般采用的是機(jī)載電源,所以要求系統(tǒng)整體重量輕,以延長 續(xù)航時(shí)間。同時(shí),減輕重量也可相應(yīng)提高上下樓梯時(shí)的靈活性,降低控制的難度。
( 2) 可靠性高 爬樓梯輪椅面向的對象是老年人以及肢體殘疾人士,爬樓梯輪椅的
設(shè)計(jì)應(yīng)從細(xì)微處出發(fā),設(shè)計(jì)安全、舒適、性能穩(wěn)定的產(chǎn)品,爬樓梯過程中應(yīng)保證重心 波動小,安全保證措施響應(yīng)及時(shí)。
3) 功能齊全 爬樓梯輪椅作為使用者生活中重要的部分,在功能設(shè)計(jì)上應(yīng)最大程度的滿足人性化要求,構(gòu)建良好的人機(jī)交互界面,使產(chǎn)品真正意義上融入到使用者生活 的各個(gè)方面。
( 4) 價(jià)格低 爬樓梯輪椅投入市場被用戶接受的一個(gè)重要因素是價(jià)格因素,爬樓梯輪椅要實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn),必須采用模塊化的設(shè)計(jì)思想,這樣用戶不僅可以自主選擇配置 合適的輪椅,同時(shí),也可降低生產(chǎn)成本,縮短研發(fā)周期,提高性價(jià)比。
隨著人工智能技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、多傳感器信息融合技術(shù)等技術(shù)的不斷發(fā)展,爬 樓梯輪椅的研究也呈現(xiàn)出全新的局面,朝著人機(jī)一體化的方向不斷發(fā)展。相信在不久 的將來,電動爬樓梯輪椅將真正融入到老年人和殘障人士的生活中,大大改善他們的 生活質(zhì)量,使他們的出行更為方便,樓梯和路障將不再是他們出行的障礙,幫助他們 重新融入到社會中去。
5 結(jié)語
本次闡述了爬樓輪椅研究的背景,研究目的和意義,分析了爬樓輪椅的幾種常見 爬樓方案,總結(jié)出了各種不同方案的優(yōu)缺點(diǎn),分析了國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀,闡述了爬樓輪 椅未來的發(fā)展趨勢,由此確定了本設(shè)計(jì)方案的研究內(nèi)容和安排,敘述了爬樓梯輪椅的 關(guān)鍵技術(shù),為后續(xù)研究工作的展開奠定了基礎(chǔ)。
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輪式
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三維
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輪式可爬樓梯輪椅車設(shè)計(jì)含SW三維及7張CAD圖,輪式,樓梯,輪椅車,設(shè)計(jì),sw,三維,cad
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