輪式可爬樓梯輪椅車設(shè)計

輪式可爬樓梯輪椅車設(shè)計,輪式可爬樓梯輪椅車設(shè)計,輪式,樓梯,輪椅車,設(shè)計 大 連 大 學(xué) 本科畢業(yè)論文 (設(shè)計 )開題報告 論 文 題 目： 輪式可爬樓梯輪椅車設(shè)計 學(xué) 院： 機械工程學(xué)院 專 業(yè) 、班 級： 機英 141 學(xué) 生 姓 名： 傅洪濤 指導(dǎo)教師（職稱）： 張立（副教授） 2017 年 12 月 27 日填 畢業(yè)論文（設(shè)計）開題報告要求 開題報告既是規(guī)范本科生畢業(yè)論文工作的重要環(huán)節(jié)，又是完成高質(zhì)量畢業(yè)論文 （設(shè)計）的有效保證。為 了使這項工作規(guī)范化和制度化，特制定本要求。 一、選題依據(jù) 1.論文（設(shè)計）題目及研究領(lǐng)域； 2.論文（設(shè)計）工作的理論意義和應(yīng)用價值； 3.目前研究的概況和發(fā)展趨勢。 二、論文（設(shè)計）研究的內(nèi)容 1.重點解決的問題； 2.擬開展研究的幾個主要方面（論文寫作大綱或設(shè)計思路）； 3.本論文（設(shè)計）預(yù)期取得的成果。 三、論文（設(shè)計）工作安排 1.擬采用的主要研究方法（技術(shù)路線或設(shè)計參數(shù)）； 2.論文（設(shè)計）進度計劃。 四、文獻查閱及文獻綜述 學(xué)生應(yīng)根據(jù)所在學(xué)院及指導(dǎo)教師的要求閱讀一定量的文獻資料，并在此基礎(chǔ)上通 過 分析、研究、綜合，形成文獻綜述。必要時應(yīng)在調(diào)研、實驗或?qū)嵙?xí)的基礎(chǔ)上遞交相 關(guān)的報告。綜述或報告作為開題報告的一部分附在后面，要求思路清晰，文理通順， 較全面地反映出本課題的研究背景或前期工作基礎(chǔ)。 五、其他要求 1.開題報告應(yīng)在畢業(yè)論文（設(shè)計）工作開始后的前四周內(nèi)完成； 2.開題報告必須經(jīng)學(xué)院教學(xué)指導(dǎo)委員會審查通過； 3.開題報告不合格或沒有做開題報告的學(xué)生，須重做或補做合格后，方能繼續(xù)論 文（設(shè)計）工作，否則不允許參加答辯； 4.開題報告通過后，原則上不允許更換論文題目或指導(dǎo)教師； 5.開題報告的內(nèi)容，要求打印 并裝訂成冊（部分專業(yè)可根據(jù)需要手寫在統(tǒng)一紙張 上，但封面需按統(tǒng)一格式打?。?。 一、選題依據(jù) 1 論文（設(shè)計）題目 輪式可爬樓梯輪椅車設(shè)計 2 研究領(lǐng)域 機械設(shè)計 3 論文（設(shè)計）工作的理論意義和應(yīng)用價值 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)實的理論意義。 應(yīng)用價值： 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)濟價值，可行性都具有很高的應(yīng)用價值。 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 一個爬樓梯輪椅，此后各個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 行星輪式是交通運輸工具中應(yīng)用廣泛的一種運動機構(gòu)，在國外一些 爬樓機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，其爬樓機構(gòu)由鉸鏈桿件機構(gòu)組成。 （ 4） 其他裝置 現(xiàn)有的輔助式機構(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)上附加可以實現(xiàn)爬樓功能的輔助裝置來實現(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現(xiàn)普通輪椅實現(xiàn)上樓和下樓 。 未來的研究將向以下幾個方面發(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)一般采用的是機載電源，所 以要求系統(tǒng)整體重量輕，以延長續(xù)航時間。同時，減輕重量也可相應(yīng)提高上下樓梯時 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)計應(yīng)從細微處出發(fā)，設(shè)計安全、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。 ( 3) 功能齊全 爬樓梯輪椅在功能設(shè)計上 應(yīng)最大程度的滿足人性化要求，構(gòu)建良好 的人機交互界面，使產(chǎn)品真正意義上融入到使用者生活的各個方面。 ( 4) 價格低 爬樓梯輪椅投入市場被用戶接受的一個重要因素是價格因素，爬樓梯 輪椅要實現(xiàn)批量生產(chǎn)，必須采用模塊化的設(shè)計思想，這樣用戶不僅可以自主選擇配置 合適的輪椅，同時，也可降低生產(chǎn)成本，縮短研發(fā)周期，提高性價比。 二、論文（設(shè)計）研究的內(nèi)容 1.重點解決的問題 （ 1） 行星輪機構(gòu)的設(shè)計 （ 2） 萬向輪機構(gòu)設(shè)計 （ 3） 座椅調(diào)節(jié)系統(tǒng)的設(shè)計，旋轉(zhuǎn)機構(gòu)和平移機構(gòu)。 （ 4） 利用 Solidworks軟件 繪制零件圖及裝配圖。 2.擬開展研究的幾個主要方面（論文寫作大綱或設(shè)計思路） （ 1）輪式可爬樓梯輪椅車總體結(jié)構(gòu)設(shè)計 （ 2）底盤系統(tǒng)設(shè)計計算 （ 3）行星輪機構(gòu)設(shè)計及計算 （ 4）萬向輪機構(gòu)設(shè)計 （ 5）座椅系統(tǒng)可調(diào)機構(gòu)設(shè)計計算機校核 3.本論文（設(shè)計）預(yù)期取得的成果 在初步準(zhǔn)確完成所需要設(shè)計的項目并完善工程圖的情況下。使 輪式可爬樓梯輪椅 可以實現(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)機構(gòu)，使人坐起來更加舒適，推輪椅的人也更加省力。 同時 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可，能夠投入市場進行批量生產(chǎn)。 三、論文（設(shè)計）工作安排 1.擬采用的主要研究方法（技術(shù)路線或設(shè)計參數(shù)） 主要是搜集文獻，查閱相關(guān)設(shè)計手冊和書籍，進行市場調(diào)研并參觀現(xiàn)有研究成 果，在老師指導(dǎo)下開展設(shè)計研究工作，利用計算機輔助設(shè)計，力學(xué)計算，三維軟件 等進行仿真模擬。 設(shè)計參數(shù)： （ 1）要求自行輪椅的運動平順性，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）進度計劃 第 1周：了解題目研究的主要內(nèi)容和理論意義及應(yīng)用價值，查閱有關(guān)文獻。 第 2周：查閱文獻、閱讀文獻，了解研究的內(nèi)容及實現(xiàn)的技術(shù)路線 第 3周：撰寫文獻綜述并完成開題報告 第 4周：修改開題報告及文獻綜述準(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，繪制設(shè)計草圖 第 6周：底盤系統(tǒng)設(shè)計計算，行星輪機構(gòu)設(shè)計及計算，繪制草圖 第 7周：萬向輪機 構(gòu)設(shè)計，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)機構(gòu)設(shè)計計算機校核 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)計說明書 第 14周：提交論文、圖紙、查重報告，準(zhǔn)備答辯 四、需要閱讀的參考文獻 1 房立新等 .行星輪式爬樓梯電動輪椅 P.中國專利號： CN102125488A， 2011年 7 月 . 2 趙樹明 .爬樓梯智能輪椅 P.中國專利號： CN201564701U， 2010. 3 鄭曉瑛 中國殘疾人口現(xiàn)狀與未來發(fā)展趨勢 J 北京大學(xué)校報， 2008 4 劉靜 自動爬樓梯輪椅的虛擬設(shè)計與運動仿真 J 機械研究與應(yīng)用， 2012 ( 6) : 133 5 隋春平，吳鎮(zhèn)偉 一種基于差動機構(gòu)的履腿復(fù)合式移動機器人 :CN， 201010563 622 7 P 2010 11 29 6 傅曉錦，朱世奇 雙履帶輪越障輪椅 : CN， 201210205979 7 P . 7 Axel lankenau， Thomas rofer A versatile and safe mobility assistant J IEEE Robotics and Automation， 2001( 8) : 29 37 8 Lawn M J Study of Stairs Climbing Assistive Mechanisms for the Disabled D Nagasaki: University of Nagasaki， 2002 9 蘇和平，王人成爬樓梯輪椅的研究進展 J中國康 復(fù)醫(yī)學(xué)雜志， 2005， 20( 5) : 366 368 10 何清華，黃素平，黃志雄 智能輪椅的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢 J機器人技 術(shù)與應(yīng)用， 2002( 2):12 16 11 王占禮 ,郭化超 ,陳延偉 . 爬樓梯輪椅發(fā)展及關(guān)鍵技術(shù)的研究 J 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Computer Aided Drafting, Design and Manufacturing, 2013, 23(1):68-70. 18 Zhang Li,Wu Bo,Jin Ai-min,et al.A Star-Wheel Stair-Climbing Wheelchair J.Computer Aided Drafting, Design and Manufacturing， 2014.9 附：文獻綜述或報告 1 引言 在經(jīng)濟飛速發(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， 2020 年將達到 10 億 這些人群在出行的時候多數(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 個人的家庭的負擔(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 一個爬樓梯輪椅 16，此后各個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，但主要還停留在實驗室或是少數(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間分布及分析 15。國外在爬樓輪椅方面的專利文獻出現(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)達國家晚了近 80 年，在進入 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。可以看出， 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 行星輪式是交通運輸工具中應(yīng)用廣泛的一種運動機構(gòu)，在國外一些爬樓機器人中 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 用自鎖機構(gòu)保證上下樓梯時不傾倒。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)。履帶式機構(gòu)支撐面積大，通過性能好，下陷度小，具有較強的地形適應(yīng)能力， 爬坡，越溝等性能相對于輪式機構(gòu)有明顯的優(yōu)勢。在上下樓梯時采用履帶輪的方式， 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，運動過程的阻力矩較 大，換向過程實現(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，上樓時，先將整個輪椅升高，再 水平向前移動，如此重復(fù)這兩個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，外觀其實可以視為機器人，采用多條機械臂交替升降，支撐輪椅爬 樓的原理 8-9。但是，其承載重心偏高，傾翻危險性大，對穩(wěn)定性要求極高，控制難度 很大，機 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)上附加可以實現(xiàn)爬樓功能的輔助裝置來實現(xiàn) 爬樓的目的，它們是獨立的裝置，可以輔助普通的輪椅實現(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現(xiàn)普通輪椅或者 其他交通裝置實現(xiàn)上樓和下樓 。 總結(jié)國內(nèi)外各類爬樓梯輪椅的特點可以看出，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)合先進的傳感手段和控制技術(shù)實現(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)容主要由機械結(jié)構(gòu)設(shè)計、控制系統(tǒng)設(shè)計兩大部分組成 10。 其中機械機構(gòu)設(shè)計主要完成爬升機構(gòu)設(shè)計、輔助支撐機構(gòu)設(shè)計兩方面內(nèi)容 ; 控制系統(tǒng) 設(shè)計包括控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計和控制系統(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現(xiàn)理想的運動路徑和運動 狀態(tài)。 圖 2 爬樓梯輪椅 系統(tǒng)基本控制結(jié)構(gòu) 3 1 機械結(jié)構(gòu)設(shè)計 機械結(jié)構(gòu)設(shè)計的目的應(yīng)滿足爬樓梯助行系統(tǒng)機械結(jié)構(gòu)緊湊、整體重量小，具有合 理的路徑規(guī)劃能實現(xiàn)連貫爬升運動。機械結(jié)構(gòu)設(shè)計的優(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)計的核心所在。 3 1 1 爬升機構(gòu)設(shè)計 爬樓梯輪椅系統(tǒng)機械結(jié)構(gòu)設(shè)計的核心是爬升機構(gòu)，能夠?qū)崿F(xiàn)爬越樓梯這種越障運 動的主要有星輪式、履帶式、腿足式 3 種。在這 3 種爬升機構(gòu)的基礎(chǔ)上，吸取各自 的優(yōu)點，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)合爬樓梯運動路徑的特點，采用可將獨立 運動分解為兩個有差異運動，或?qū)?個有差異的運動合成為一個運動的差動機構(gòu)、組合型機構(gòu)、新型變形機構(gòu)，可實現(xiàn)輪 椅從平地運動 爬升運動 平地運動過程的姿態(tài)平穩(wěn)轉(zhuǎn)化。綜合考慮輪、腿、履帶機 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、高效地實現(xiàn)上下樓梯的過程。 3 1 2 輔助支撐機構(gòu)設(shè)計 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，在上下樓梯運行過程中，質(zhì)心位置、支撐條件的不斷變化對系統(tǒng)安全、 可靠的實現(xiàn)合理的運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之間。系統(tǒng)由平地狀態(tài)突然啟動時，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)的后部增加了一個防止后傾的裝置 ; 為了避免爬升過程前傾的危險，考慮擴大支撐邊界，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，通常采用三點高副球鉸接機構(gòu) 的椅面平衡調(diào)節(jié)機構(gòu)，其中，一點高副球鉸接固定，兩點高副球鉸接可調(diào)，用于調(diào)節(jié) 椅面的平衡。 3 2 控制系統(tǒng)設(shè)計 為保證爬樓梯輪椅能夠安全、可靠、高效地實現(xiàn)上下樓梯的過程，并可同時作為 電動輪椅使用，爬樓梯輪椅的控制器必須具有很強的功能 ; 除根據(jù)電動輪椅控制器所 具有的速度調(diào)節(jié)、運動控制、故障檢測等功能之外，還必須具有可以實時檢測使用者 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)進行正確的控制或給出報警信號。 3 2 1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計 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)分別由兩套相互獨立的開環(huán)控制系統(tǒng)來完成，以實 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動形式十分復(fù)雜，應(yīng)針對不同環(huán)境下輪椅需要實現(xiàn)的動作設(shè)計 爬樓梯的控制系統(tǒng)。 隨著機器人技術(shù)的發(fā)展，移動機器人控制技術(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信心處理量大，負擔(dān)重，實時性差無法滿足實際使用 的缺點，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)和運動控制系統(tǒng)，整個控制系統(tǒng)系統(tǒng) 運行穩(wěn)定，具有實時性高、功耗低，續(xù)航時間長的特點，為爬樓梯輪椅向產(chǎn)業(yè)化方向 發(fā)展邁進了一大步。 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)運動控制提供精確的數(shù)據(jù)信息。爬樓梯輪椅在行駛時必 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)崟r提供的各 種信息進行快速有效處理，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、可靠性強的優(yōu)點，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調(diào)速系統(tǒng)而 言，被控對象復(fù)雜，具有 非線性、強耦合以及時變性的特點，很難達到控制系統(tǒng)的精 確魯棒性和抗干擾性能。模糊控制具有魯棒性強的優(yōu)點，能較好的適應(yīng)輪椅運行過程 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，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)性強的優(yōu)點，又具有 PID 控制器精度高的特點，對爬樓梯輪椅運動控制系 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驗室或是少數(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)一般采用的是機載電源，所以要求系統(tǒng)整體重量輕，以延長 續(xù)航時間。同時，減輕重量也可相應(yīng)提高上下樓梯時的靈活性， 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)計應(yīng)從細微處出發(fā)，設(shè)計安全、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。 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)計上應(yīng)最大程度 的滿足人性化要求，構(gòu)建良好的人機交互界面，使產(chǎn)品真正意義上融入到使用者生活 的各個方面。 ( 4) 價格低 爬樓梯輪椅投入市場被用戶接受的一個重要因素是價格因素，爬樓梯 輪椅要實現(xiàn)批量生產(chǎn)，必須采用模塊化的設(shè)計思想，這樣用戶不 僅可以自主選擇配置 合適的輪椅，同時，也可降低生產(chǎn)成本，縮短研發(fā)周期，提高性價比。 隨著人工智能技術(shù)、計算機技術(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，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)。