智能輪椅開題報(bào)告

1、畢業(yè)設(shè)計(jì)開題報(bào)告課 題名稱 智能輪椅的設(shè)計(jì)（機(jī)械部分）院系機(jī)電與自動化學(xué)院專 業(yè) 班機(jī)電1201姓名胡天華評分指導(dǎo)教師 李奕武昌首義學(xué)院武昌首義學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)開題報(bào)告學(xué)生姓名胡天華學(xué)號20121100016專業(yè)班級機(jī)電1201院（系）機(jī)械與自動化學(xué)院指導(dǎo)教師李奕職稱副教授課題名稱智能輪椅的設(shè)計(jì)（機(jī)械部分）1課題設(shè)計(jì)的目的和意義聯(lián)合國發(fā)表報(bào)告指出，全世界人口老齡化進(jìn)程正在加快，今后 50年內(nèi)，60歲以 的人口比例預(yù)計(jì)將會番一番，由于各種災(zāi)難和疾病造成的殘障人士也逐年增加，他們 存在不同程度的能力喪失，如行走、視力、動手及語言等 120為了給老年人和殘障人 士提供性能優(yōu)越的代步工具，幫助他們提

2、高行動自由度及重新融入社會，目前美國， 德國，日本，法國，加拿大，西班牙及中國等國家對智能輪椅進(jìn)行了研究，使智能輪 椅具有記憶地圖，避障，自動行走，與用戶交互等功能。智能輪椅是將智能機(jī)器人技 術(shù)運(yùn)用于電動輪椅，融合多種領(lǐng)域的研究，包括機(jī)器視覺，機(jī)器人導(dǎo)航和定位，模式 識別，多傳感器融合及用戶接口等，設(shè)計(jì)機(jī)械，控制，傳感器，人工智能等技術(shù)，也 稱智能輪椅式移動機(jī)器人34隨著社會的發(fā)展，特別是城市的快速擴(kuò)張和建設(shè)，以及人口老齡化問題越來越嚴(yán) 重和殘障者數(shù)量的不斷增加，對輔助步行工具的需求日益提高。 而高樓大廈鱗次櫛比， 越來越多的天橋，公園的臺階，小區(qū)上下樓等，卻越來越困擾著輪椅使用者。輪椅作 為

3、殘障者的唯一出行工具，受到了越來越多的制約，傳統(tǒng)輪椅已經(jīng)不能滿足多數(shù)人的 需求。而隨著科技的發(fā)展及技術(shù)的進(jìn)步，輪椅，應(yīng)該被加以改進(jìn)以適應(yīng)現(xiàn)代社會的環(huán) 境。近十幾年，國內(nèi)外的許多大學(xué).公司和研究機(jī)構(gòu)都對爬樓梯的裝置進(jìn)行了深入的研 究，提出了各種各樣的產(chǎn)品或解決方案。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)原理一種是采用行星輪機(jī)構(gòu)，他們不僅繞自身的軸旋轉(zhuǎn)還饒一個(gè)所有輪的共 同軸線旋轉(zhuǎn)；一種結(jié)構(gòu)是履帶輪型爬梯輪椅；一種結(jié)構(gòu)是步進(jìn)支撐式?，F(xiàn)如今，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方便性的

4、需求， 研制具有爬樓梯功能的輪椅具有重大現(xiàn)實(shí)意義。通過本次設(shè)計(jì)應(yīng)達(dá)到一下目的在調(diào)查研究、消化資料的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)一臺具有爬樓梯能力的輪椅。要求在爬樓梯 時(shí)輪椅被充分抬起，連續(xù)以相同的幅度上升（下降）直到足以攀登上（下）第二級臺 階，確保椅子的角度不變，確保坐輪椅的人不翻到。在沒有樓梯時(shí)，具有平地行走能力與轉(zhuǎn)彎能力，并且可以實(shí)現(xiàn)水平方向移動。輪椅應(yīng)具有安全可靠、舒適輕便、價(jià)格低廉的特點(diǎn)?？偨Y(jié)和鞏固在校4年所學(xué)的知識，使之進(jìn)一步深化和系統(tǒng)化；2 .主要參考文獻(xiàn)綜述2.1 智能輪椅的發(fā)展趨勢爬樓輪椅研究屬于機(jī)器人研究范圍之內(nèi)，因此應(yīng)用型智能機(jī)器人技術(shù)是爬樓梯輪 椅及其智能輪椅所當(dāng)然是其發(fā)展趨勢。目前國

5、內(nèi)外研究了很多面向殘疾人及行動不方 便人群的輔助行走機(jī)器人，這其中就包括智能輪椅，其功能多樣化，基本上滿足行動 不方便人群和殘疾人的要求。但是，大部分還停留在試驗(yàn)簡短或者少數(shù)定做，并沒有 產(chǎn)業(yè)化，市場化。所以，在研究上其發(fā)展空間很大，未來的研究將會朝以下幾個(gè)方向 發(fā)展。2.1.1 智能化智能輪椅要走向?qū)嶋H應(yīng)用，必須綜合應(yīng)用智能技術(shù)，優(yōu)化控制算法，增強(qiáng)自動規(guī) 劃和基于傳感智能，如實(shí)現(xiàn)自然語言控制，視覺平滑控制，以及在惡劣環(huán)境下自如行 走等。也可以結(jié)合一些新科技如計(jì)算機(jī)通訊，網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)開發(fā)適應(yīng)遠(yuǎn)程通訊的需要。2.1.2 人性化智能化輪椅系統(tǒng)的設(shè)計(jì)者應(yīng)該充分考慮到行動不方便人士的要求，從實(shí)際情況著

6、手考慮，設(shè)計(jì)穩(wěn)定性好，安全舒適，合理的智能輪椅。例如增強(qiáng)輪椅可以上升的功能， iBOT就具備這樣的功能，以便使用者和正常人對話，以及進(jìn)行簡單的力所能及的活動 選擇透氣性好舒適的坐墊，安裝報(bào)警裝置，還可以安裝剎車系統(tǒng)，使輪椅操作方式盡 可能簡單化。2.1.3 模塊化智能輪椅要實(shí)現(xiàn)大批量生產(chǎn)及市場化，就必須實(shí)現(xiàn)模塊化。整個(gè)系統(tǒng)應(yīng)有基本模 塊和各個(gè)功能模塊組成，每個(gè)功能模塊控制一種功能，以便于可以根據(jù)需求選擇，配置最適合自己的輪椅，于此同時(shí)模塊化也可以降低生產(chǎn)成本，提高了智能輪椅的性價(jià) 比。隨著人工智能，模式識別，圖像處理，計(jì)算機(jī)技術(shù)和傳感器技術(shù)的發(fā)展，智能輪 椅的功能將更為完善豐富，也將真正進(jìn)入老

7、年人和殘疾人的生活。綜上所述，國外在爬樓梯裝置方面的研究已經(jīng)有一百多年的歷史了，研究出來的 種類多，有一些已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)市場化，取得了很大的成果。但是，他們研究出來的產(chǎn) 品大多是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價(jià)格昂貴，有許多產(chǎn)品價(jià)格在十幾萬以上，這對于中國的普通老 百姓來說可望而不可及。國內(nèi)的研究相對來說比較晚，雖然也誕生了很多專利，但由 于受到體積，重量，穩(wěn)定性及安全性的限制，還沒有產(chǎn)品真正的投入使用。從國內(nèi)外 爬樓梯裝置的特點(diǎn)可以看出，爬樓梯輪椅裝置發(fā)展至今除了軌道式爬樓梯裝之外，大 多數(shù)爬樓梯輪椅裝置的自主性都不高，仍然需要在旁人的協(xié)助下實(shí)現(xiàn)上下樓運(yùn)動。而 且存在許多問題值得深入研究。由此可見，為了解決輪椅使

8、用受限的難題，同時(shí)還要 考慮我國的國情，考慮到使用者的經(jīng)濟(jì)承受能力，研究一種價(jià)格低廉，功能多樣的爬 樓輪椅勢在必行。目前，市場上爬樓梯輪椅多種多樣，種類繁多。但是比較優(yōu)秀，實(shí)用，價(jià)格低廉 的 爬樓梯輪椅少之又少。目前，最為先進(jìn)的爬樓輪椅為美國的 iBOTo由美國著名發(fā)明家 迪恩卡門發(fā)明的爬山輪椅iBOT3000獨(dú)立機(jī)動系統(tǒng)（以下簡稱iBOT）是目前為止世圖1美國iBOT界上最為先進(jìn)的具有上下樓梯功能的全自動輪椅。其外形如圖1.1所示。從外表看上去，iBOT與普通輪椅不大一樣；它有 6個(gè)輪子，前面一對為直徑10厘 米的實(shí)心腳輪，后面兩對為直徑 30厘米的充氣輪胎。iBOT通過復(fù)雜的陀螺儀系統(tǒng)保

9、持平衡，當(dāng)輪椅上分布的傳感器感受到重心的變化時(shí)，它們馬上把這些信息傳輸?shù)轿?于座椅下面的控制盒中?？刂坪杏袔讉€(gè)“奔騰田 ”處理器和預(yù)先設(shè)計(jì)好的程序，這些 程序會“命令”輪椅的機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行自我調(diào)整，保持平衡。iBOT共有3種運(yùn)動模式，一種是正常模式，像普通輪椅一樣在平地上前進(jìn)，6只輪子同時(shí)著地；如果遇到崎嶇的路面，沙地或斜坡，它就進(jìn)入四輪驅(qū)動狀態(tài)，靠 4個(gè)后 輪行走。第二種是直立模式，只靠一對后輪接觸地面，iBOT可以保持這種站立姿勢，也能“直立行走”。第3種是爬樓模式，兩對后輪交替“爬”到上一級（或下一級） 臺階上。iBOT的動力由兩個(gè)充電電池提供，充一次電需要4小時(shí)，充電后可以走15-24公

10、里， 它在平地上的最大速度為每小時(shí) 9.6公里。作為世界上第一種會爬樓梯的輪椅，iBOT 可以輕松地在高度為21厘米以下的樓梯上爬上爬下，還能跨過最高不超過15厘米的障礙。此外，它還可以在沙灘、斜坡和崎嶇的路面上前進(jìn)，并能爬上不那么陡的小山 坡。在殘障人士看來，iBOT最了不起的本領(lǐng)“金雞獨(dú)立”才是最讓他們感覺體貼的功能。 它把他們升到正常人高度，使他們能夠完成諸如到書架上取書、靠在吧臺上喝酒等普 通人能夠做的動作，更重要的是，它給患者一種平等的感覺，這對幫助患者建立自信 來說太重要了。具備自我姿態(tài)平衡穩(wěn)定功能，使用智能手柄操作。最大爬坡能力30度，最大臺階高度21CM,售價(jià)30000美元。i

11、BOT配備了一套計(jì)算機(jī)傳感器和陀螺儀， 具有很強(qiáng)的自動尋找平衡能力。它有4個(gè) 同樣大小的輪子，上樓梯過程中，乘坐者背靠樓梯，手扶樓梯把手，當(dāng)身體重量落在 兩個(gè)后輪上時(shí)，前面兩個(gè)輪子就會抬起，從后輪上面翻轉(zhuǎn)過去，落至更高一級的樓梯 上。乘坐者通過這種調(diào)整重心的辦法，可以操作輪椅兩對輪子不斷翻轉(zhuǎn)，沿樓梯一級 一級向上移動。下樓時(shí)原理類似，乘坐者仍面向樓下， 通過身體前傾來控制輪椅的運(yùn)動。據(jù)介紹， 由于其獨(dú)特的平衡能力，輪椅在上下樓梯的過程中始終能保持穩(wěn)定，座位也一直處于 水平。不過，在沒有他人輔助的情況下，乘坐者想要獨(dú)立的上下樓，至少必須一只手 具有活動能力。iBOT采用輪式機(jī)構(gòu)，具有多種運(yùn)行模式

12、，既能在平坦路面上快速行走，也能爬樓梯穿斜坡，這些都是我們需要借鑒的地方，但為了能夠保持始終平衡、自動調(diào)整重心，iBOT使用了多個(gè)傳感器和陀螺儀系統(tǒng)，這當(dāng)然會提高輪椅的自動行走能力， 但無疑很 大程度上加大復(fù)雜程度和成本、價(jià)格，對推廣來說造成很大困難。本次設(shè)計(jì)要避免一 味追求全自動化的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)理念，改用電機(jī)驅(qū)動 +手工輔助的方式，由輔助人員來完 成上下樓梯過程中的重心調(diào)整難題，避免復(fù)雜的平衡系統(tǒng)，必將大大降低成本。3 .課題設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容首先，通過分析比較國內(nèi)外三種主流的爬樓機(jī)構(gòu)， 結(jié)合實(shí)際情況，選擇星輪式作為爬 樓輪椅爬樓裝置。裝置需要采用一個(gè)或多個(gè)電機(jī)控制其平地運(yùn)動和爬樓運(yùn)動。其次，為了提

13、高使用安全性，需要對由人和裝置組成的系統(tǒng)的重心作適時(shí)調(diào)節(jié)，應(yīng)盡量降低重心使其運(yùn)行平穩(wěn)。由于樓梯具有一定的傾角，前后著地之間水平方向的距離減 小了，在下樓時(shí)系統(tǒng)容易前傾，重心靠近前支點(diǎn)；相反，上樓時(shí)系統(tǒng)易后仰，重心靠近 后支點(diǎn)，這都使整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性降低。隨著樓梯傾角的增加，這種問題更加明顯，因 此必須采用一定的措施適時(shí)的調(diào)節(jié)系統(tǒng)的重心。人的重量在整個(gè)系統(tǒng)中占有很大的比 例，因此通過調(diào)節(jié)座椅相對于裝置的位置便能改變系統(tǒng)的重心；同時(shí)通過調(diào)整機(jī)構(gòu)自動調(diào)節(jié)座椅的傾角，使之大體保持水平。止匕外，處于安全性考慮，為智能輪椅安裝保險(xiǎn)剎車裝置，在有需要的時(shí)候使輪子鎖死， 防止意外的危險(xiǎn)發(fā)生。對于如何實(shí)現(xiàn)平地模

14、式與爬樓模式之間的平滑切換也是重要的問 題，通過減速器控制，使使用者能控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，達(dá)到切換模式的目的。4 .設(shè)計(jì)方案1,1星輪式星輪式爬樓輪椅的爬樓機(jī)構(gòu)由均勻分布在“ 丫”型、“五星”或“ +”字形系桿上的 若干個(gè)小輪構(gòu)成。各個(gè)小輪既可以繞各自的軸線自轉(zhuǎn)，又可以隨著系桿一起繞中心軸 公轉(zhuǎn)。在平地行走時(shí)，各小輪自轉(zhuǎn)，而爬樓梯時(shí)，各小輪一起公轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)爬樓梯 的功能。目前星型輪機(jī)構(gòu)爬樓輪椅不論是 丫型、十字型還是五星型，由于其星輪輪距 和深度固定，而樓梯臺階的高、寬尺寸不一，在爬行中容易出現(xiàn)錯位打滑現(xiàn)象，存在 的安全隱患。國內(nèi)星型輪爬樓機(jī)由于沒有防滑制動功能，在上下樓時(shí)需要人力牽引以 防止其往

15、下滑行，對于自重近 50公斤的輪椅加人體重量，一旦出現(xiàn)打滑將難以控制。 因此，星型輪機(jī)構(gòu)爬樓機(jī)的安全性還有待提高，但由于其結(jié)構(gòu)簡單和造價(jià)低廉，在經(jīng) 濟(jì)不寬裕的家庭仍有一定的市場。國內(nèi)外發(fā)明了多種星型輪式爬樓輪椅，大多數(shù)都采用兩組由3個(gè)、4個(gè)或者5個(gè)小輪組成的星型輪，星輪式爬樓輪椅由于安全性不高以及體積較大，且難以在所有住宅樓 梯上使用（對臺階寬高尺寸有限制），因此難以普及。這也是星型輪式爬樓梯輪椅盡 管發(fā)明專利很多，真正實(shí)施和推廣的卻很少的主要原因。圖2典型行星輪輪椅爬梯機(jī) 構(gòu)1.2 履帶式帶型機(jī)構(gòu)的爬樓梯輪椅采用比星型輪機(jī)構(gòu)更為連續(xù)的行走方式，當(dāng)履帶每離開上一臺 階或行進(jìn)到下一臺階時(shí)會出現(xiàn)因

16、重心偏離而前后傾側(cè)。履帶式爬樓輪椅不適合在樓梯 階沿太光滑及斜度大于30- 35度的環(huán)境使用。且履帶磨損較大以至后期維修成本高 采用進(jìn)口高質(zhì)量履帶盡管耐磨損性能會得到改善，但會對樓梯階沿造成損傷。履帶式 爬樓輪椅平地行走時(shí)阻力較大，轉(zhuǎn)角處拐彎不靈活。對此，國內(nèi)外提出過各種各樣的 改進(jìn)機(jī)構(gòu)，但目前仍不是很理想。圖3履帶式爬梯輪椅機(jī)構(gòu)為克服這一缺點(diǎn)，國內(nèi)外提出過各種各樣的改進(jìn)機(jī)構(gòu)，圖1.4就是一種改進(jìn)的輪-履帶混合機(jī)構(gòu)的爬樓梯輪椅，它在平地行走時(shí)利用輪式機(jī)構(gòu)，爬樓梯時(shí)放下履帶機(jī)構(gòu)進(jìn)行 工作。圖4改良輪-履帶混合機(jī)構(gòu)爬梯輪椅1.3 步進(jìn)支撐式步進(jìn)支撐式爬樓輪椅在國外已有近百年歷史，經(jīng)不斷演變和改良，

17、現(xiàn)已是所有形式 爬樓輪椅中安全性較高也是傳動機(jī)構(gòu)比較復(fù)雜的一種。其原理是模仿人體爬樓動作， 由兩套支承裝置交替支承，以實(shí)現(xiàn)上下樓梯的功能。由于步進(jìn)支撐式爬樓輪椅的安全 性相比其它類型的要高，在國外發(fā)達(dá)國家已被廣泛使用。但因其傳動機(jī)構(gòu)復(fù)雜，我國 目前還不掌握這種技術(shù)。如圖 1.5就是一種典型的間歇式的爬梯輪椅爬行機(jī)構(gòu)原理, 這種輪椅的四個(gè)輪子由蝸桿和車身相連。平地行駛的時(shí)候也，四跟蝸桿伸出的長度相思次力盡> >< <0 od &中51.典蝴藤燮的鵬慚細(xì)同，保證車輛平穩(wěn)行走，當(dāng)輪椅需要上下臺階的時(shí)候，首先通過蝸桿2的上升，抬起其所連的輪子，前移至臺階上，再將蝸桿 2

18、抬起，移至臺階上，整個(gè)動作都模仿人上 樓梯的動作，運(yùn)動相對比較平穩(wěn)，但是對控制的要求比較高，操作比較復(fù)雜。尤其是 步進(jìn)支撐式爬樓輪椅的智能化安全報(bào)警和階沿防滑制動技術(shù)還不被國內(nèi)相關(guān)生產(chǎn)廠商 所掌握。由于步進(jìn)支撐式爬樓輪椅的傳動機(jī)構(gòu)復(fù)雜而又高度集成的模塊化結(jié)構(gòu)，加之 大量高硬度輕質(zhì)材料的使用導(dǎo)致造價(jià)高昂。盡管如此，政府和殘疾人家屬出于對殘疾 人和老年人上下樓安全的絕對保障需要，還是會優(yōu)先考慮更加安全的而非更廉價(jià)的爬 樓輪椅。相信隨著步進(jìn)支撐式爬樓輪椅高度的可靠性和安全性體現(xiàn)，將會逐漸成為未 來主流的爬樓輪椅服務(wù)于更多的殘疾人和老年人群體。4.1上下樓梯輪椅機(jī)構(gòu)的確定通過對比以上各種機(jī)構(gòu)及現(xiàn)有的上

19、下樓梯輪椅，分析其各自的優(yōu)勢和不足之處， 主要考慮到運(yùn)動的靈活性，控制的難易度，能量的利用率，使用的安全性等，最終選 用輪式機(jī)構(gòu)，為了能實(shí)現(xiàn)上下樓梯的功能，借鑒國內(nèi)外爬梯輪椅的功能，采用行星輪 機(jī)構(gòu)。價(jià)格安全性傳動效率操作性復(fù)雜程度履帶式中高低中中步行式高中高高星輪式低中低低低1 .輪式機(jī)構(gòu)在平地行走時(shí)有明顯的優(yōu)勢，這是其他機(jī)構(gòu)所不能比的；而在輪椅車載 絕大數(shù)時(shí)間內(nèi)還是在平地上運(yùn)行。為了保證輪椅車在絕大數(shù)時(shí)間里的考慮，輪式機(jī)構(gòu) 是第一選擇。2 .為了使輪式機(jī)構(gòu)具有跨越障礙的能力，通過綜合比較，決定選用行星輪系。行星 輪系通過行星輪繞回轉(zhuǎn)中心的公轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)攀爬樓梯的功能。而且這樣選擇使平地行走 和

20、攀爬樓梯可以使用同一個(gè)機(jī)構(gòu)，降低設(shè)計(jì)的難度。3通過分析輪式尤其是星輪式爬樓裝置的優(yōu)越性設(shè)計(jì)了一款星輪式爬樓梯電動梯輪椅，在此過程中進(jìn)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，傳動裝置以及整體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，并進(jìn)行相關(guān)設(shè)計(jì)計(jì)算，爬升裝置是爬樓梯輪椅的關(guān)鍵，在深入研究爬樓梯輪椅工作機(jī)理基礎(chǔ)上，充分考慮爬樓輪椅爬升裝置的結(jié)構(gòu)和尺寸以及爬升功率、安全性等要求。設(shè)計(jì)成型一款星輪式爬樓梯電動輪椅，此輪椅既可以越障爬樓，又具有電動輪椅功能1作為爬樓梯輪椅時(shí)，具 有對不同尺寸樓梯適應(yīng)能力強(qiáng)，安全性好，整體重量輕巧，結(jié)構(gòu)緊湊等特點(diǎn)，作為電 動輪椅使用時(shí)，可滿足國家標(biāo)準(zhǔn)對動輪椅的要求5.實(shí)施計(jì)劃1周:開題報(bào)告答辯2-7周：根據(jù)擬定的課題實(shí)施方案，進(jìn)行深入研究。對所設(shè)計(jì)的行星輪使用原理進(jìn) 行分析計(jì)算，根據(jù)任務(wù)書所提供的資料計(jì)算行星輪尺寸。根據(jù)重量估算及選擇電機(jī)。根據(jù)基本尺寸繪制主要零部件草圖和總體裝配圖。8-10周:檢查所有計(jì)算結(jié)果，確保計(jì)算的正確性。編寫設(shè)計(jì)說明書，撰寫并提交畢 業(yè)設(shè)計(jì)論文初稿，給指導(dǎo)教師批改論文，聽取