【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 ，即轉(zhuǎn)向時(shí)左右兩驅(qū)動(dòng)輪的速度差必須滿足一定關(guān)系。平地樓梯兩用輪椅動(dòng)，輪椅左右兩滾輪間距為W,假設(shè)輪椅轉(zhuǎn)向時(shí)的線速度、角速度分別為V和Q，轉(zhuǎn)向半徑為R,內(nèi)側(cè)滾輪線速度、角速度分別為r?,和6,?，外側(cè)滾輪線速度、角速度分別為和6^，轉(zhuǎn)向平臺(tái)寬度為L(zhǎng)。tcz, —一 — ^^ I —J,z39。 i 丄，VI w VB丨 DI ^丨Q,一j—39。0 ‘13 一種可獨(dú)立操縱的平地樓梯兩用輪椅控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)^1 + ^2 = 9039。 ()Ya = L\ + R , Yb = r + Llx sin(/?a) + LA ()sin(^l) = Jhzh ()Z3聯(lián)立以上各式可得：Z7xsin|l80176。arcsin(今)or +r Rm = aicsin ^ \/2xL6xcosal ()L3\ J^2 = 90^1 ()由式（)和式（)可知，爬樓梯機(jī)構(gòu)中第一、第二連桿的旋轉(zhuǎn)角度與樓梯臺(tái)階的高度直接相關(guān)，因此在攀爬每一級(jí)臺(tái)階之前都必須預(yù)先獲知傳感器精確測(cè)得的樓梯臺(tái)階高度尺寸。為確保輪椅爬樓梯行駛時(shí)的安全性，針對(duì)平地樓梯兩用輪椅中傳感器的主要作用是在啟動(dòng)爬樓梯機(jī)構(gòu)前獲知精準(zhǔn)的樓梯臺(tái)階高度尺寸，需要合理的設(shè)計(jì)傳感器安放位置、選擇合適的傳感器類型。由于在啟動(dòng)平地樓梯兩用輪椅爬樓梯機(jī)構(gòu)前，傳感器就必須測(cè)量到樓梯臺(tái)階的高度尺寸，因此傳感器應(yīng)安放于左右兩個(gè)前平地滾輪正切面前方一定距離的位置。綜合考慮平地樓梯兩用輪椅的外觀及尺寸。i^, C) gSrair Kdgc SensorI為了求取樓梯臺(tái)階高度尺寸，至少需要兩組傳感器，外界環(huán)境感知系統(tǒng)工作原理如17 碩士論文3外界環(huán)境感知系統(tǒng)設(shè)計(jì)受到未知和不確定環(huán)境因素的影響，平地樓梯兩用輪椅需要利用傳感器收集外界環(huán)境相關(guān)數(shù)據(jù)，然后通過一定的控制算法對(duì)其進(jìn)行融合、分析，最后以此作為控制系統(tǒng)正確決策的依據(jù)。為了確保平地樓梯兩用輪椅在爬樓梯過程中的安全性，爬樓梯機(jī)構(gòu)在每次執(zhí)行攀爬動(dòng)作之前，輪椅的控制器都必須預(yù)先獲知傳感器測(cè)量到的精確的樓梯臺(tái)階高度尺寸。樓梯臺(tái)階的高度不僅限制了平地樓梯兩用輪椅的攀爬能力，還與爬樓梯機(jī)構(gòu)中第一、第二連桿驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的選型密切相關(guān)。輪椅下樓過程是上樓過程的逆運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)學(xué)分析類似，明。圖中U~L7為輪椅爬樓梯機(jī)構(gòu)中各連桿的幾何示意；第一小輪剛觸及第一級(jí)臺(tái)階面時(shí)，小輪連桿的旋轉(zhuǎn)角度為/?。小輪初始位置角度為a。第一小輪連桿與水平軸間的銳角為x2。第二小輪連桿與水平軸間的銳角為xl。 XI、x2對(duì)應(yīng)的直角邊分別為HI、H2。爬樓梯機(jī)構(gòu)第一連桿與水平軸間的銳角為仍；第一連桿與垂直軸間的銳角為沒2。Y個(gè) hO X，第二小輪旋轉(zhuǎn)觸地后，兩個(gè)小輪繼續(xù)旋轉(zhuǎn)直至第一小輪觸及第一級(jí)臺(tái)階面，此過程中前平地滾輪逐漸被抬升，后平地滾輪始終保持在地面上滾動(dòng)前進(jìn)。根據(jù)圖中幾何關(guān)系有：x\ = P a , x2 = \20176。 P a ()sin(xl) =互sin(x2)=()LI L6m + H2^r = H + r ()16 一種可獨(dú)立操縱的平地樓梯兩用輪椅控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)梯機(jī)構(gòu)工作；反之當(dāng)前平地滾輪離幵臺(tái)階在地面上滾動(dòng)，僅后平地滾輪仍在臺(tái)階上時(shí)，只有后爬樓梯機(jī)構(gòu)工作。因此前、后爬樓梯機(jī)構(gòu)不能共受同一臺(tái)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，應(yīng)分別受控于第三、第四電機(jī)。第五、第六電機(jī)分別控制組合連桿一和組合連桿二，兩組合連桿配合實(shí)現(xiàn)前平地滾輪的提升。輪椅車身底座下方的水平儀負(fù)責(zé)檢測(cè)車體是否水平，位于腳踏板底部的測(cè)距傳感器負(fù)責(zé)測(cè)量樓梯臺(tái)階高度，控制器根據(jù)接收到的水平儀信息或臺(tái)階高度尺寸，產(chǎn)生控制信號(hào)，驅(qū)動(dòng)組合連桿一和組合連桿二，調(diào)整其連接角度，保證輪椅車身水平或確保平地樓梯兩用輪椅以最佳狀態(tài)攀爬樓梯臺(tái)階。調(diào)速轉(zhuǎn)向手柄負(fù)責(zé)調(diào)整輪椅行駛速度和轉(zhuǎn)向。a—B功器 后。地濃輪1T ~第—屯機(jī)i i 儀~[=7| ：i丨39。39。39。 制“39。.…：； — 一i —‘丨 i I 器 .=z|)j ”?!—“~—j~1； .：—”“‘— ‘‘」_^￥7rmiF iw。組合連奸二]本章首先介紹了平地樓梯兩用輪椅的設(shè)計(jì)要求，然后根據(jù)輪椅爬樓梯機(jī)構(gòu)的工作機(jī)理，確定了爬樓梯機(jī)構(gòu)中小輪的初始位置角度、輪椅適用的樓梯臺(tái)階高度范圍及樓梯段轉(zhuǎn)向平臺(tái)行駛時(shí)內(nèi)外側(cè)滾輪角速度差的限制。最后簡(jiǎn)單介紹了平地樓梯兩用輪椅的驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)。15設(shè)計(jì) 碩士論文，有：y = ()^ = ()V W V +v及二上X ()Q 2 Ku, V,?，若想實(shí)現(xiàn)輪椅在樓梯段轉(zhuǎn)向平臺(tái)上的成功轉(zhuǎn)向，轉(zhuǎn)彎半徑與半個(gè)輪椅車身之和必須小于樓梯段轉(zhuǎn)向平臺(tái)寬度，即：WR + —L ()2聯(lián)立式（)和式（),可得：V J(逆~()艮 P: ^~— ()由式（)可知，輪椅若想在樓梯段轉(zhuǎn)向平臺(tái)上成功轉(zhuǎn)向，轉(zhuǎn)向外側(cè)驅(qū)動(dòng)滾輪的角速度與外側(cè)驅(qū)動(dòng)滾輪角速度和內(nèi)側(cè)驅(qū)動(dòng)滾輪角速度之差必須小于某個(gè)定值，該定值與樓梯段轉(zhuǎn)向平臺(tái)的寬度和輪椅總寬度有關(guān)。民用建筑設(shè)計(jì)通則中規(guī)定：梯段轉(zhuǎn)變方向時(shí)，扶手轉(zhuǎn)向端處的平臺(tái)最小寬度不應(yīng)小于梯段寬度，且不得小于取轉(zhuǎn)向平臺(tái)寬度為1200^7，平地樓梯兩用輪椅總寬度W為480/WW,式（)可轉(zhuǎn)化為：^~ ()^out 綜上所述，平地樓梯兩用輪椅若想在樓梯段轉(zhuǎn)向平臺(tái)上成功完成轉(zhuǎn)向任務(wù)，內(nèi)外滾輪的角速度必須滿足不等式（)。，由水平儀、測(cè)距傳感器、調(diào)速轉(zhuǎn)向手柄、控制器及執(zhí)行電機(jī)組成，位于輪椅車身座椅下方。平地樓梯兩用輪椅共需使用6臺(tái)電動(dòng)機(jī)。由于輪椅平地行駛時(shí)采用后輪驅(qū)動(dòng)、差速轉(zhuǎn)向，所以后左、后右平地滾輪分別由第一、第二電機(jī)控制，為了節(jié)省輪椅車身底座有限的空間，可采用輪轂電機(jī)。輪椅向上攀爬或向下翻越臺(tái)階的過程中，當(dāng)后平地滾輪仍在地面上滾動(dòng)時(shí)，只有前爬樓14 碩士論文。A、B兩組傳感器均安放于輪椅腳踏板底面上，且二者之間相距一定距離以確保當(dāng)輪椅接近樓梯臺(tái)階邊沿時(shí)兩組傳感器的測(cè)量結(jié)果不同，兩組傳感器的測(cè)量結(jié)果分別為11和12。輪椅在平地上行駛時(shí)，112相等；輪椅快接近樓梯邊沿時(shí)，11將發(fā)生突變，此時(shí)112之差的絕對(duì)值即為所求樓梯臺(tái)階高度尺寸。若/1/2，則表明輪椅即將上樓；若/1/2,則表明輪椅即將下樓。1 ！ ^B_,IL 11 I病 病 “H ! H L_樓梯臺(tái)階高度計(jì)算公式如下：H = \n12\ ()市面上常見的輪椅腳踏板長(zhǎng)、寬一■般在189aw/w ~ 207/nw和135ww?159ww之間，文中默認(rèn)輪椅腳踏板尺寸為190?^7\140/7^7。為了盡可能擴(kuò)大傳感器測(cè)量范圍，確保當(dāng)輪椅接近樓梯臺(tái)階邊沿時(shí)，A、B兩組傳感器的測(cè)量距離不同，將傳感器以180m/?xl20wm矩形的形式均勻安置于腳踏板底面上。若每組僅一個(gè)傳感器，當(dāng)遇到傳感器失靈、損毀等不可逆因素影響時(shí)，外界環(huán)境感知系統(tǒng)將無法正常工作。因此為確保外界環(huán)境感知系統(tǒng)能夠時(shí)刻正常工作，應(yīng)使用多個(gè)傳感器對(duì)同一距離進(jìn)行測(cè)量。從降低平地樓梯兩用輪椅價(jià)格、提高輪椅外界環(huán)境感知能力出發(fā)，在傳感器安置矩形的長(zhǎng)邊共安放3個(gè)傳感器，每個(gè)相距60m/w。寬邊共安放2個(gè)傳感器，二者相距60mw。以輪椅前進(jìn)方向?qū)D中傳感器3劃分為A組，傳感器6劃分為B組。丨 190mm Ir ，,腳踏板底面I ^39?！?(?
A I 1 2 3| 廣 十,0 I 4 5 61 法 S18 一種可獨(dú)立操縱的平地樓梯兩用輪椅控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)因?yàn)槠降貥翘輧捎幂喴斡沙俗咦孕胁倏v，對(duì)輪椅導(dǎo)航、避障等功能的要求較低，傳感器僅需測(cè)量樓梯臺(tái)階高度尺寸，所以傳感器的選型應(yīng)從測(cè)量量程、精度和性價(jià)比三個(gè)方面進(jìn)行考慮。?傳感器測(cè)量量程由于傳感器安放于腳踏板底面，且只用于測(cè)量樓梯臺(tái)階高度尺寸，因此傳感器的測(cè)量量程至少要大于樓梯臺(tái)階高度值。尺寸范圍分析可知，留取適當(dāng)余量，則傳感器至少需要具備能夠測(cè)量20cm距離的能力。此外，平地樓梯兩用輪椅的腳踏板最多高出樓梯臺(tái)階面5crn，留取適當(dāng)余量要求傳感器的測(cè)量量程至少應(yīng)為3cm~20cm。?傳感器精度根據(jù)樓梯臺(tái)階國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中臺(tái)階高度的規(guī)定樓梯臺(tái)階，當(dāng)計(jì)量單位為米時(shí)臺(tái)階高度有效位數(shù)為小數(shù)點(diǎn)后2位，即Imm，因此綜合考慮傳感器測(cè)量精度至少應(yīng)為Imm。③傳感器性價(jià)比理論上一次性獲取信息量大且直觀的視覺類傳感器應(yīng)為最佳選擇，但是此類傳感器圖像處理運(yùn)算量較大、能耗較高、實(shí)時(shí)性較差，對(duì)光照條件有著較嚴(yán)格的要求[19]。而且平地樓梯兩用輪椅的外界環(huán)境感知系統(tǒng)僅需進(jìn)行簡(jiǎn)單的距離測(cè)量，所以選用非視覺類專用測(cè)距傳感器即可。常用的測(cè)距傳感器有激光測(cè)距傳感器、紅外測(cè)距傳感器和超聲波.測(cè)距傳感器三種。 表3.] 3種常用測(cè)距傳感器性價(jià)比
傳感器類型 指向性 測(cè)量量程 價(jià)格 備注激光測(cè)距傳感器 極好 范圍廣 昂貴 精密測(cè)量紅外測(cè)距傳感器 好 范圍小 一般 近距離測(cè)量超聲波傳感器 較好 范圍中等 低廉 性價(jià)比高激光測(cè)距傳感器雖然測(cè)量精度較高，但是價(jià)格較昂貴，且平地樓梯兩用輪椅外界環(huán)境感知系統(tǒng)中傳感器需要的探測(cè)距離較小，所以選擇性價(jià)比更高的超聲波傳感器、紅外測(cè)距傳感器更適宜。首先利用MATLAB仿真測(cè)試若僅采用超聲波傳感器或紅外測(cè)距傳感器，能否實(shí)現(xiàn)平地樓梯兩用輪椅外界環(huán)境感知系統(tǒng)功能。平地樓梯兩用輪椅行駛時(shí)安全性是所有問題的重中之重，而安全性的確保很大程度上依賴于傳感器測(cè)量到的樓梯臺(tái)階高度尺寸的精準(zhǔn)度。傳感器選型時(shí)，要求選用的傳感器測(cè)量精度至少為1mm,為了確保樓梯臺(tái)階測(cè)量值的準(zhǔn)確度，規(guī)定多傳感器測(cè)量數(shù)據(jù)信息融合結(jié)果的精度至少為1mm。為使多傳感器信息融合結(jié)果符合平地樓梯兩用輪19 碩士論文椅外界環(huán)境感知系統(tǒng)規(guī)定的要求，仿真選用融合精度較高的基于模糊推理原理的多傳感器信息融合算法。該算法原理如下：以傳感器測(cè)量數(shù)據(jù)為輸入變量，信息融合結(jié)果為輸出變量，在一定區(qū)間范圍內(nèi)，按照一定步長(zhǎng)移動(dòng)輸出變量的位置，得到多組輸出變量與各輸入變量的兼容度，對(duì)所有兼容度進(jìn)行AND或OR運(yùn)算，將得到輸出變量位置與總兼容度的關(guān)系曲線，總兼容度最大值對(duì)應(yīng)的輸出變量位置即為所求的多傳感器信息融合結(jié)果[2。]?？紤]到傳感器測(cè)量數(shù)據(jù)的隨機(jī)性和工程實(shí)現(xiàn)的簡(jiǎn)易性，選用三角形隸屬度函數(shù)為輸入變量的隸屬度函數(shù)。設(shè)三角形隸屬度函數(shù)以各傳感器的測(cè)量數(shù)值m,為中心，對(duì)稱寬度為2(7,，其中￠7,.為各傳感器的測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)方差。輸出變量模糊化同樣選用三角形隸屬度函數(shù)，三角形對(duì)稱點(diǎn)位置為待測(cè)參數(shù)，輸出隸屬度函數(shù)中心位置值應(yīng)大于輸入變量最小值且小于輸出變量最大值。為驗(yàn)證信息融合算法效果，以1為標(biāo)準(zhǔn)值，假定傳感器的6組測(cè)量數(shù)據(jù)與方差如表。 6組測(cè)量數(shù)據(jù)與方差
序號(hào) 1 2 3 4 5 6測(cè)量值 ^^ 方差 ^^^^^ 。輸出變量位S與總兼容度的關(guān)系 I 1 1 1 1 1 1
。06 j^ 0 5 / 1 I 丨\ _ 1 I I \ /\\ I \ Z /39。 V / \一」、.Q ZJ 1 I 1 I 1
0 0 4 0 8 1 1 4輸出變量位S。相比于最基本的算術(shù)平均值，基于模糊推理原理的多傳感器信息融合方法處理得到的結(jié)果更加精準(zhǔn)。此外仿真結(jié)果顯示，當(dāng)測(cè)量數(shù)據(jù)有效位數(shù)為小數(shù)點(diǎn)后兩位時(shí)，融合結(jié)果20^ 一種可獨(dú)立操縱的平地樓梯兩用輪椅控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)同樣為小數(shù)點(diǎn)后兩位。由此可推測(cè)，在傳感器測(cè)量精度符合要求的前提下，若釆用該方法進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，其融合結(jié)果的精度符合平地樓梯兩用輪椅外界環(huán)境感知系統(tǒng)的規(guī)定。因此理論上僅采用超聲波傳感器或紅外測(cè)距傳感器是可行的。但是實(shí)際工程應(yīng)用中，紅外測(cè)距傳感器的測(cè)量精度無法達(dá)到輪椅外界環(huán)境感知系統(tǒng)要求的測(cè)量精度1mm。而超聲波傳感器對(duì)溫度、濕度、環(huán)境噪聲等有著較嚴(yán)格的要求。為了確保平地樓梯兩用輪椅在多種環(huán)境下的安全行駛，最終選定超聲波傳感器和紅外測(cè)距傳感器組成的傳感器對(duì)作為距離測(cè)量的傳感器。