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（完稿）残疾人电动轮椅设计（CAD全套）

同时由于不得不采用价格昂贵的进口控制器，国内电动轮椅产品的市场售价长期以来居高不下，难以为普通用户接受，也直接影响了电动轮椅市场的启动。．国家产业支持国家科技发展部门已经看到智能轮椅产业的发展契机，已经从国家的产业发展角度来对其未来的发展进行支持。下图是普通轮椅图图电动轮椅运动控制系统示意图下图为设计的电动轮椅产品图图电动轮椅运动控制系统示意图图电动轮椅运动控制系统示意图.设计内容本设计的是为残疾人士和老年人设计款电动轮椅。电动轮椅作为老年人和残疾人的代步工具,有着严格的技术要求。轮椅优良的驱动性能和严格的安全性保障是首要的技术要求。技术要求主要如下.基本驱动功能轮椅的模拟给定是由操纵杆发出的,由速度档位设置按键来设定轮椅最高和最低运行速度。轮椅在起制动时必须平滑稳定和安全。电动轮椅对电机的起制动快速性没有特殊要求,但对机械特性有相对较高的要求。轮椅必须能够至少爬行的坡,能够在草地等比较糟糕的路况下运行,能够在左右驱动轮处于不同路面时正常运行。.故障检测及保护控制器应能自动进行故障诊断定位和报警,并对些常见故障进行显示。实现实时监控。．国内外研究现状及发展趋势含文献综述自动轮椅作为医疗护理领域的服务机器人，其应用大量使用了移动机器人技术在自动轮椅的研究中涉及到的关键技术有导航系统控制和能源系统人机接口但由于整个轮椅系统以人为中心，所以在研究中要解决的核心是轮椅的安全导航问题所谓导航即是指移动机器人按照预先给定的任务命令，根据已知的地图信息作出全局路径规划，并在行进过程中，不断感知周围的局部环境信息，自主地作出各种决策，并随时调整自身位姿，引导自身安全行驶到达目标位置智能轮椅作为医疗护理领域的服务机器人，其应用大量使用了移动机器人技术。在智能轮椅的研究中涉及到的关键技术有导航系统控制和能源系统人机接口，但由于整个轮椅系统以人为中心，所以在研究中要解决的核心是轮椅的安全导航问题。所谓导航即是指移动机器人按照预先给定的任务命令，根据已知的地图信息作出全局路径规划，并在行进过程中，不断感知周围的局部环境信息，自主地作出各种决策，并随时调整自身位姿，引导自身安全行驶到达目标位置。随着社会的发展和人类文明程度的提高，人们特别是残疾人愈来愈需要运用现代高新技术来改善他们的生活质量和生活自由度。因为各种交通事故天灾人祸和种种疾病，每年均有成千上万的人丧失种或多种能力如行走动手能力等。因此，对用于帮助残障人行走的机器人轮椅的研究已逐渐成为热点，如西班牙意大利等国，中国科学院自动化研究所也成功研制了种具有视觉和口令导航功能并能与人进行语音交互的智能轮椅。近几年来我国轮椅车的生产近几年有了较大的发展，据中商情报网监测数据显示，目前全国规模以上轮椅生产企业约有多家企业，主要集中在东部及沿海发达地区，外商投资轮椅生产企业在中国轮椅行业占绝对领导地位。近年来随着人口老龄化到来及我国残疾人康复事业的发展，这为轮椅生产企业提供了良好的空间和广阔的市场前景。。．同国外产品的综合比较技术水平方面与国外相比国内已经基本上没有差距，在些方面甚至还具有定优势。生产工艺方面虽然与国外相比还有定差距，但通过分析解剖国外产品特点，利用自身优势可以在较短时间内缩小这种差距。研发和生产成本方面与国外相比，国内具有相当大的优势。市场潜力方面国内电动轮椅市场刚刚启动，尚没有强有力的竞争对手，市场潜力非常大。．国内现有企业情况介绍首先，国内尚无具备智能轮椅生产的企业，现有的轮椅生产企业还主要定位在电动轮椅的生产上。且由于国内目前上不具备研制开发高性能电动轮椅控制器的能力，国内的生产企业的电动轮椅产品基本上都采用了国外的电动轮椅控制器，甚至部分企业的电动驱动总成也采用了外购方式，因此国内现有企业的产品成本居高不下，影响了市场购买能力的形成。同时由于不得不采用价格昂贵的进口控制器，国内电动轮椅产品的市场售价长期以来居高不下，难以为普通用户接受，也直接影响了电动轮椅市场的启动。．国家产业支持国家科技发展部门已经看到智能轮椅产业的发展契机，已经从国家的产业发展角度来对其未来的发展进行支持。下图是普通轮椅图图电动轮椅运动控制系统示意图下图为设计的电动轮椅产品图图电动轮椅运动控制系统示意图图电动轮椅运动控制系统示意图.设计内容本设计的是为残疾人士和老年人设计款电动轮椅。电动轮椅作为老年人和残疾人的代步工具,有着严格的技术要求。轮椅优良的驱动性能和严格的安全性保障是首要的技术要求。技术要求主要如下.基本驱动功能轮椅的模拟给定是由操纵杆发出的,由速度档位设置按键来设定轮椅最高和最低运行速度。轮椅在起制动时必须平滑稳定和安全。电动轮椅对电机的起制动快速性没有特殊要求,但对机械特性有相对较高的要求。轮椅必须能够至少爬行的坡,能够在草地等比较糟糕的路况下运行,能够在左右驱动轮处于不同路面时正常运行。.故障检测及保护控制器应能自动进行故障诊断定位和报警,并对些常见故障进行显示。当轮椅运行时如果检测出故障,系统能够使轮椅安全停止并锁定当轮椅静止时出现故障,系统应能够立即锁定轮椅.设计思路本品设计的路线是在普通轮椅上增加电路和电动机，用电能来取代手动，从而使伤残人士和老年人更方便使用轮椅。电机选择的是，连接电路来带动链条连接机构。用单片机输出输入信号，连接到轮椅扶手上的控制器，当控制器给出命令的时候，单片机驱动电路，再通过电机带动链条，使整个轮椅能运动起来。本款电动轮椅最快速度为,具备转向加速减速刹车功能。二系统方案.机械系统方案图电动轮椅运动控制系统示意图上图为轮椅运动控制系统组成。可见,电动轮椅运动控制系统主要由操纵杆信号处理部分电机控制部分和轮椅状态检测分组成。操纵杆输出的信号经过操纵杆信号处理部分后被合成为带起制动曲线和死区的轮椅的速度和方向给定值。这个给定值就是用户给控制器的控制指令。电机控制部分接收用户的指令和反馈信号来合成电机驱动信号和其他控制信号。这部分是轮椅运动控制系统的核心部分。电机检测部分检测电机和控制器的工作状态。这些检测信号被用作电机的控制信号和其它部分的控制信号。.操纵杆输出信号速度给定合成由于操纵杆输出是二维的随着位置变化而成比例变化的电压信号,故非常适合用来控制电动轮椅。用户前后推动操纵杆可以控制轮椅的运行速度,左右推动可以控制轮椅的转向方向和转向速度的大小。下面介绍怎样把个二维的操纵杆输出信号转换为速度和转向控制指令。如果把操纵杆的信号看作是二维输出信号,分别在二维坐标系中用轴和轴表示。图操纵杆输出信号矢量合成示意图可以将轴信号看作是轮椅的转向速度给定信号,而轴信号则可以看作是轮椅的前向和后向速度给定信号。因此,如果用户想要转向和前进,则可将轮椅的运动方向看作是和的矢量合成,如图中所示。而左右电机的速度给定和可从下式得出其中,设为速度给定最大值,代表轮椅的转向速度特性,而则代表轮椅在前向和反向的速度特性。如果以上公式的计算结果大于了轮椅最大转向速度,则用最大转向速度代替计算结果。图表示以不同角度旋转操纵杆时,轮椅的左右轮速度给定曲线。如果和的值都是正的,则轮椅向前前进转向,否则是后退转向。当轮椅向左转时,右轮正向转动,左轮反向转动或保持不变相反,当轮椅向右转时,左轮正向转动,右轮反向转动或保持不变。当个轮保持不转动而另外个轮转动时,轮椅做原地转弯。图以不同角度旋转操纵杆时轮椅的左右轮的速度曲线.速度给定的曲线设计设计思路。曲线本身是个非线性函数,其合成和编程都非常复杂。曲线的形状如图虚线所示。在轮椅起动时应该是个抛物线形状,然后是轮椅的加速过程,直至轮椅最大速度后,加速度为零,轮椅以恒定最大给定速度运行制动时,轮椅先以直线的斜率减速,最后在抛物线段舒缓地停止。本文用图中的个折线近似地代替曲线,用三段折线用来模拟抛物线。这使得编程非常简单,实践证明,控制效果非常理想。图轮椅速度给定的曲线示意图实现方法。利用中断时间和人体对加速度变化率的敏感特性来实现。根据人体对加速度和加速度变化率的敏感特性知,当加速度或减速度最大值不大于.平均加减速度不低于如果忽略电枢压降,则直流电动机的转速近似与电枢两端电压成正比,所以电压负反馈基本上能够代替转速负反馈的作用。采用电压负反馈和电流补偿控制的调速系统原理图如图所示图电压负反馈和电流补偿控制的调速系统原理图其中,分别为电动机两端的电压。它们同时被送入的采样通道中,在软件中对进行差分得到电机两端的电压。这样可以消除由于电源电压波动等因素引起的电机端电压的误差。是采样电阻,之所以有两个采样电阻,是因为文中所讨论的电动轮椅控制系统采用双极性模式,可在四象限运行。由如图所示的桥可知,可分别检测电机的正反向电流。对应的系统控制方框图如图所示。.总体方案在多次观察了普通轮椅之后，发现在普通轮椅的座位底部安装双电动机，然后把链条安装在双电动机的连杆上，利用单片机来输出输入信号，在单片机和双电动机的电路连接下，使整个设计机构有个完整的回路。从而实现这款电动轮椅的运行。整个设计思路其实比较是简单的，在安装了设计电路后，通过电动机做功来带动链条传动，来实现电动轮椅行走加速减速刹车的各项功能。