【正文】 輪椅在作為代步工具的同時(shí)又可以使用攜帶的機(jī)器手臂完成簡單的日常活動(dòng) .使他們重新獲得生活能力 ,找回自立、自尊的感覺 ,重新融入社會(huì) .因而 ,智能輪椅的研究得到越來越多的關(guān)注 本設(shè)計(jì)的研究目標(biāo)：在最經(jīng)濟(jì)的條件下，設(shè)計(jì)出一件最實(shí)用、最簡易操作的 電動(dòng) 輪椅，功能齊全、結(jié)構(gòu)簡單、適用于傷殘人士、且能達(dá)到消費(fèi)者需求水準(zhǔn)的一件市場(chǎng)普及化產(chǎn)品。例如，可以實(shí)現(xiàn)避碰功能和導(dǎo)航功能，甚至可以實(shí)現(xiàn)利用無線方式將使用者的位置和基本狀態(tài)傳送給醫(yī)護(hù)人員和家人實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控。在智能輪椅的研究中涉及到的關(guān)鍵技術(shù)有導(dǎo)航系統(tǒng)、控制和能源系統(tǒng)、人機(jī)接口，但由于整個(gè)輪椅系 統(tǒng)以人為中心，所以在研究中要解決的核心是輪椅的安全導(dǎo)航問題。 隨著社會(huì)的發(fā)展和人類文明程度的提高，人們特別是殘疾人愈來愈需要運(yùn)用現(xiàn)代高新技術(shù)來改善他們的生活質(zhì)量和生活自由度。因此，對(duì)用于幫助殘障人行走的機(jī)器人輪 椅的研究已逐漸成為熱點(diǎn)，如西班牙、意大利等國，中國科學(xué)院自動(dòng)化研究所也成功研制了一種具有視覺和口令導(dǎo)航功能并能與人進(jìn)行語音交互的智能輪椅 。近年來隨著人口老齡化到來及我國殘疾人康復(fù)事業(yè)的發(fā)展，這為輪椅生產(chǎn)企業(yè)提供了良好的空間和廣闊的市場(chǎng)前景。 3．同國外產(chǎn)品的綜合比較 技術(shù)水平方面：與國外相比 國內(nèi)已經(jīng)基本上沒有差距，在某些方面甚至還具有一定優(yōu)勢(shì)。研發(fā)和生產(chǎn)成本方面：與國外相比，國內(nèi)具有相當(dāng)大的優(yōu)勢(shì)。 4．國內(nèi)現(xiàn)有企業(yè)情況介紹 首先，國內(nèi)尚無具備智能輪椅生產(chǎn)的企業(yè)，現(xiàn)有的輪椅生產(chǎn)企業(yè)還主要定位在電動(dòng)輪椅的生產(chǎn)上。同時(shí)由于不得不采用價(jià)格昂貴的進(jìn)口控制器，國內(nèi)電動(dòng)輪椅產(chǎn)品的市場(chǎng)售價(jià)長期以來居高不下，難以為普通用戶接受，也直接影響了電動(dòng)輪椅市場(chǎng)的啟動(dòng)。 下圖是普通輪椅圖 6 圖 111 電動(dòng)輪椅運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)示意圖 下圖為設(shè)計(jì)的 電動(dòng) 輪椅產(chǎn)品圖 7 圖 112 電動(dòng)輪椅運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)示意圖 圖 113 電動(dòng)輪椅運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)示意圖 設(shè)計(jì)內(nèi)容 本設(shè)計(jì)的是為殘疾人士和老年人設(shè)計(jì)一款 電動(dòng) 輪椅。輪椅優(yōu)良的驅(qū)動(dòng)性能8 和嚴(yán)格的安全性保障是首要的技術(shù)要求。輪椅在起 /制動(dòng)時(shí)必須 平滑穩(wěn)定和安全。輪椅必須能夠至少爬行 5176。 控制器應(yīng)能自動(dòng)進(jìn)行故障診斷、定位和報(bào)警 ,并對(duì)一些常見故障進(jìn)行顯示。當(dāng)輪椅靜止時(shí)出現(xiàn)故障 , 系統(tǒng)應(yīng)能夠立即鎖定輪椅 設(shè)計(jì)思路 本品設(shè)計(jì)的路線是在普通輪椅上增加電路和電動(dòng)機(jī)，用電能來取代手動(dòng)，從而使傷殘人士和老 年人更方便使用輪椅。用單片機(jī)輸出、輸入信號(hào)，連接到輪椅扶手上的控制器，當(dāng)控制器給出命令的時(shí)候，單片機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，再通過電機(jī)帶動(dòng)鏈條，使整個(gè)輪椅能運(yùn)動(dòng)起來。 二、系統(tǒng)方案 9 機(jī)械 系統(tǒng)方案 圖 211 電動(dòng) 輪椅運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)示意圖 上圖 1為輪椅運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)組成。操縱桿輸出的信號(hào)經(jīng)過操縱桿信號(hào)處理部分后被合成為帶起 /制動(dòng) S曲線和死區(qū)的輪椅的速度和方向給定值。電機(jī)控制部分接收用戶的指令和反饋信號(hào)來合成電機(jī)驅(qū)動(dòng)信號(hào)和其他控制信號(hào)。電機(jī)檢測(cè)部分檢測(cè)電機(jī)和控制器的工作狀態(tài)。 操縱桿輸出信號(hào)速度給定合成由于操縱桿輸出是二維的隨著位置變化而成比例變化的電壓信號(hào) , 故非 常適合用來控制 電動(dòng) 輪椅。下面介紹怎樣把一個(gè)二維的操縱桿 輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換為速度和轉(zhuǎn)向控制指令。 圖 212 操縱桿輸出信號(hào)矢量合成示意圖 可以將 X軸信號(hào)看作是輪椅的轉(zhuǎn)向速度給定信號(hào) , 而 Y軸信號(hào)則可以看作 是輪椅的前向和后向速度給定信號(hào)。而左 /右電機(jī)的速度給定 Sl 和 Sr可從下式得出 [ 2 ] : Sl =Cx Fx +Cy Fy177。 Smax(2) 其中 , 設(shè) Smax為速度給定最大值 , Cx代表輪椅的轉(zhuǎn)向速度特性 , 而 Cy 則代表輪椅在前向和反向的速度特性。 圖 3表示以不同角度旋轉(zhuǎn)操縱桿時(shí) , 輪椅的左 /右輪速度給定曲線。當(dāng)輪椅向左轉(zhuǎn)時(shí) , 右輪正向轉(zhuǎn)動(dòng) , 左輪反向轉(zhuǎn)動(dòng)或保持不變 。當(dāng)一個(gè)輪保持不轉(zhuǎn)動(dòng)而另外一個(gè)輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí) , 輪椅做原地 360176。 圖 213 以不同角度旋轉(zhuǎn)操縱桿時(shí)輪椅的左 /右輪的速度曲線 速度給定的 S曲線設(shè)計(jì) (1) 設(shè)計(jì)思路。 S曲線的形狀如圖 4虛線所示。 制動(dòng)時(shí) ,輪椅先以直線的斜率減速 , 最后在拋物線段舒緩地停止。這使得編程非常簡單 ,實(shí)踐證明 , 控制效果非常理想。利用中斷時(shí)間和人體對(duì)加速度變化率的敏感特性來實(shí)現(xiàn)。設(shè)系統(tǒng)的中斷周期為 T, 直線的斜率為 K, 規(guī)定輪椅在 t時(shí)間內(nèi)加速到速度給定最大值 Smax , 則 : K =Smaxt/T=SmaxtT (3) 圖 4中 , 三段線段斜率比值為 : K1 ∶ K2 ∶ K3 = 1 ∶ ∶ 。在本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中 , K K K3 都被設(shè)置為可編程調(diào)節(jié)參數(shù) ,用戶可以根據(jù)自己的舒適性要求來進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整。但是 , 在本文的電動(dòng) 輪椅運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中要實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速負(fù)反饋是非常困難的 , 因?yàn)闊o法安裝轉(zhuǎn)速檢測(cè)裝置。如果忽略電樞壓降 , 則直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速近似與電樞兩端電壓成正比 , 所以電壓負(fù)反饋基本上能夠代替轉(zhuǎn)速負(fù)反饋的作用。它們同時(shí)被送入 DSP 的 AD采樣通道中 , 在軟件中對(duì) V +、 V 進(jìn)行差分得到電機(jī)兩端的電壓。 R R2 是采樣電阻 , 之所以有兩個(gè)采樣電阻 , 是因?yàn)槲闹兴懻摰碾妱?dòng)輪椅控制系統(tǒng)采用雙極性模式 , 可在四象限運(yùn)行。對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)控制方框圖如圖 6所示。從而實(shí)現(xiàn)這款 電動(dòng) 輪椅的運(yùn)行。 三、機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 鏈條傳動(dòng)設(shè)計(jì) 雙電機(jī)組合帶動(dòng)鏈條，以電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生動(dòng)力，電帶動(dòng)電動(dòng)機(jī)上的桿和錐齒輪，通過鏈條的連接機(jī)構(gòu)，而帶動(dòng)車輪連桿上的鏈輪，這樣形成一個(gè)整體機(jī)構(gòu)過程。 電動(dòng)機(jī)的選用 13 本設(shè)計(jì)用的是雙電機(jī)組合，所 以在選擇電動(dòng)機(jī)時(shí)，依照 電動(dòng) 輪椅運(yùn)行時(shí)最大速度10km/h，來選擇電動(dòng)機(jī)。該芯片的主要特點(diǎn)是：工作電壓高，最高工作電壓可達(dá) 46V；輸出電流大，瞬間峰值電流可達(dá) 3A，持續(xù)工作電流為 2A；內(nèi)含兩個(gè) H橋的高電壓大電流全橋式驅(qū)動(dòng)器，可以用來驅(qū)動(dòng)直流電動(dòng)機(jī)和步進(jìn)電動(dòng)機(jī)、繼電器、線圈等感 性負(fù)載；采用標(biāo)準(zhǔn)邏輯電平信號(hào)控制；具有兩個(gè)使能控制端，在不受輸入信號(hào)影響的情況下允許或禁止器件工作有一個(gè)邏輯電源輸入端，使內(nèi)部邏輯電14 路部分在低電壓下工作；可以外接檢測(cè)電阻，將變化量反饋給控制電路。 四、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 輪椅運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)總的流程如圖 7所示。系統(tǒng)軟件采用匯編語言編寫 , 代碼運(yùn)行效率高 。 15 圖 411 輪椅運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)總程序流程圖 五、總 結(jié) 設(shè)計(jì)總結(jié) 本文以 電動(dòng) 輪椅運(yùn)動(dòng)控制為背景 ,依據(jù)系統(tǒng)控制方案編制了相應(yīng)的控制軟件 , 軟件模塊化并考慮了參數(shù)修改和運(yùn)行狀態(tài)顯示等功能。從考慮人的舒適性和可靠性出發(fā) , 提出了基于電壓檢測(cè)的功率管故障及主電路故障 判斷、定位的實(shí)施方案 , 并給出了速度給定 S曲線計(jì)算公式和軟件編程算法。操縱桿是輪椅運(yùn)動(dòng)速度方向和大小的給定裝置?？傊?, 本文完成了輪椅運(yùn)動(dòng)控制器設(shè)計(jì)、調(diào)試和試運(yùn)行 , 各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到了預(yù)期目標(biāo) , 驗(yàn)證了硬、軟件方16 案正確性及可行性。 從 電動(dòng) 輪椅功能的角度對(duì)輪椅的硬件系統(tǒng)進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)，將 電動(dòng) 輪 椅分為機(jī)械結(jié)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)、控制三部分。利用控制器，成功實(shí)現(xiàn) 電動(dòng) 控制系統(tǒng)。 展望 如前所述，本課題設(shè)計(jì) 電動(dòng) 輪椅控制系統(tǒng)，基本達(dá)到了實(shí)用性 的要求。 在采用輪椅控制器控制電機(jī)時(shí)沒有加入測(cè)速環(huán)節(jié)構(gòu)成閉環(huán)反饋控制系 統(tǒng)。 缺乏機(jī)器視覺技術(shù)的應(yīng)用。應(yīng)用先進(jìn)的機(jī)器視覺技術(shù)能夠大大提高輪椅的自主 性和智能化。25 [10].樊長虹，陳衛(wèi)東，席裕庚．未知環(huán)境下移動(dòng)機(jī)器人安全路徑規(guī)劃的一種神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法 自動(dòng)化學(xué)報(bào)． 20xx。 [15].謝宏斌，劉國棟，李春光．基于遺傳算法的機(jī)器人動(dòng)態(tài)路徑規(guī)劃的仿真．武漢工業(yè)學(xué)院學(xué) 報(bào)． 20xx， 22(3)： 13 [16].劉成良，張凱，付莊．神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在機(jī)器人路徑規(guī)劃中的應(yīng)用研究．機(jī)器人． 20xx，23(7)： 1～ 4 外文翻譯 GEAR AND SHAFT INTRODUCTION Si Tuzhong Abstract: The important position of the wheel gear and shaft can falter in traditional machine and modern wheel gear and shafts mainly install the direction that delivers the dint at the principal axis passing to process to make them can is divided into many model 18 numbers, useding for many situations we must be the multilayers to the understanding of the wheel gear and shaft in many ways . Key words: Wheel gear。 in helical gears, the line is diagonal across the face of the tooth. It is this gradual of the teeth and the smooth transfer of load from one tooth to another, which give helical gears the ability to transmit heavy loads at high speeds. Helical gears subject the shaft bearings to both radial and thrust loads. When the thrust loads bee high or are objectionable for other reasons, it may be desirable to use double helical gears. A double helical gear (herringbone) is equivalent to two helical gears of opposite hand, mounted side by side on the same shaft. They develop opposite thrust reactions and thus cancel out the thrust load. When two or more single helical gears are mounted on the same shaft, the hand of the gears should be selected so as to produce the minimum thrust , or spiral