《智能輪椅的結(jié)構(gòu)計(jì)算及控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)》10000字（論文）

智能輪椅的結(jié)構(gòu)計(jì)算及控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)目錄摘要 21緒論 61.1研究背景及意義 61.2智能輪椅研究現(xiàn)狀 71.2.1智能輪椅國(guó)外研究現(xiàn)狀 71.2.2智能輪椅國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀 91.3本文研究主要內(nèi)容 102輪椅結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 112.1總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與原理分析 112.1.1驅(qū)動(dòng)模塊 112.1.2輔助轉(zhuǎn)移模塊 112.1.3升降模塊 122.1.4調(diào)角模塊 132.2輔助轉(zhuǎn)移結(jié)構(gòu)具體分析 132.3附加結(jié)構(gòu) 132.4本章小結(jié) 143結(jié)構(gòu)計(jì)算設(shè)計(jì)與選型 153.1基于人機(jī)工程學(xué)的尺寸設(shè)計(jì) 153.1.1人體基本尺寸數(shù)據(jù) 153.1.2輪椅尺寸參數(shù)的確定 153.2剪叉結(jié)構(gòu)承載能力分析 163.3電動(dòng)推桿計(jì)算選型 173.3.1底部電動(dòng)推桿設(shè)計(jì) 173.3.2上部電動(dòng)推桿設(shè)計(jì) 183.4電機(jī)的計(jì)算和選型 194控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 214.1各單元模塊介紹 214.2控制系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì) 225結(jié)論 23參考文獻(xiàn) 24PAGE19PAGE201緒論1.1研究背景及意義在21世紀(jì)，隨著經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，人們追求的是越來越高的質(zhì)量和幸福的生活，但是一些特殊的人群由于自身的問題不能保證他們的正常生活需要。人口老齡化[1]是經(jīng)濟(jì)發(fā)展的負(fù)面產(chǎn)物。世界各國(guó)都有不同程度的老齡化問題，我國(guó)人口老齡化的發(fā)展趨勢(shì)是相同的。自從80年代我國(guó)開始執(zhí)行計(jì)劃生育政策以來，進(jìn)入21世紀(jì)后，年輕人的數(shù)量急劇下降。2000年，我國(guó)人口老齡化問題開始惡化。當(dāng)時(shí)，老年人的比例為6.8％，人口的程度越來越低?？梢怨烙?jì)，我國(guó)的老年人口在21世紀(jì)中葉達(dá)到了最高水平，總數(shù)將接近4億。大量的老年人口將不可避免地導(dǎo)致許多老年人得不到良好的照料和醫(yī)療保護(hù)，老年人也無法獨(dú)自生活。不僅如此，我國(guó)當(dāng)前面臨的另一個(gè)社會(huì)問題是殘疾人人數(shù)的增加[2]。造成殘疾的兩個(gè)主要原因是事故和疾病，造成殘疾的人數(shù)也在增加。在殘疾人群中，大多數(shù)是肢體殘疾，尤其是下肢殘疾的殘疾人。與老年人不同，殘疾人不受年齡的限制，年輕的殘疾人也不是少數(shù)。殘疾人不僅受到工作的限制，特別是最大程度地降低了其自由活動(dòng)的基本能力。由于無法正常生活，殘疾人在身心上受到壓力，當(dāng)這種情況繼續(xù)下去時(shí)，他們甚至面臨著危害自身或社會(huì)的問題。由于生理問題的局限性，老年人和殘疾人等特殊群體在職業(yè)和生活上無法與普通人相提并論，由此產(chǎn)生的問題是這些特殊群體的生活質(zhì)量無法得到保證。只有加入社會(huì)，融入社會(huì)并增強(qiáng)獨(dú)立性，才能保證這些特殊人群的生活質(zhì)量和心理健康。因此，這些特殊群體需要一種工具來幫助他們進(jìn)入日常生活。電動(dòng)輪椅是協(xié)助這些特殊人群的有效工具[3]，為使用者及其家人帶來了極大的舒適感。也一樣為社會(huì)壓力，更好地創(chuàng)建和諧健康的社會(huì)。電動(dòng)輪椅的主要?jiǎng)恿碜噪妱?dòng)機(jī)，能量來自電池，可以在很大程度上釋放使用者的雙手。用戶只能通過電動(dòng)輪椅上的人機(jī)交互操縱器來控制輪椅的前進(jìn)，后退，轉(zhuǎn)彎和其他運(yùn)動(dòng)。智能輪椅將電動(dòng)輪椅與高科技相結(jié)合，其創(chuàng)新和進(jìn)步引起了廣泛的關(guān)注和研究。當(dāng)前，許多科學(xué)實(shí)驗(yàn)室和公司專注于不同的研究重點(diǎn)，并已開發(fā)出具有自己優(yōu)點(diǎn)的智能輪椅。但是，這些配備了先進(jìn)技術(shù)的智能輪椅僅在測(cè)試中，尚不能使用。而且，這些高性能智能輪椅要么受到成本高，通用性差的限制，要么受到技術(shù)水平的限制，因此難以批量生產(chǎn)和銷售。目前，市場(chǎng)上出售的大多數(shù)電動(dòng)輪椅都是基于手動(dòng)輪椅，再加上電源單元，電源單元和控制單元。這些功能相對(duì)簡(jiǎn)單，并且在可靠性，功能性和安全性方面都無法滿足這些特殊群體的需求。智能輪椅的關(guān)鍵部分是控制器。控制器的質(zhì)量是輪椅能否安全使用的關(guān)鍵問題。目前，國(guó)內(nèi)外各機(jī)構(gòu)對(duì)智能輪椅的研究才剛剛開始，可能無法滿足智能輪椅的新需求。1.2智能輪椅研究現(xiàn)狀1.2.1智能輪椅國(guó)外研究現(xiàn)狀國(guó)外對(duì)智能輪椅的研究始于1980年代。1986年，英國(guó)將傳感器測(cè)量和控制技術(shù)應(yīng)用于標(biāo)準(zhǔn)的電動(dòng)輪椅，使其成為世界上第一個(gè)被視為智能輪椅的輪椅。從那時(shí)起，世界各國(guó)開始研究智能輪椅，并開發(fā)了多種具有不同功能的智能輪椅[4]。智能輪椅的發(fā)展得益于傳感器技術(shù)的發(fā)展，擴(kuò)大的傳感器似乎已成為輪椅，例如“眼睛”和“耳朵”等感覺器官，可以觀察并響應(yīng)周圍的環(huán)境。法國(guó)，西班牙，美國(guó)，韓國(guó)和日本等國(guó)家相繼開發(fā)了具有不同特征的智能輪椅。這些輪椅豐富了智能輪椅的功能，并不斷采用先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)來發(fā)展智能輪椅，使智能輪椅與時(shí)俱進(jìn)。法國(guó)于1989年設(shè)計(jì)了VAHM輪椅，如圖1-1所示。VAHM智能輪椅[5]提供多種控制模式，不僅包括傳統(tǒng)的手動(dòng)操作模式，還包括半自動(dòng)或全自動(dòng)控制計(jì)算機(jī)。VAHM輪椅的手動(dòng)操作與普通電動(dòng)輪椅相同，并且可以依靠手部位置的操縱器完成輪椅的控制。在半自動(dòng)控制下，用戶控制和輪椅的自動(dòng)控制是相輔相成的，但是用戶控制級(jí)別高于輪椅的自動(dòng)控制級(jí)別，這意味著用戶可以在輪椅運(yùn)動(dòng)時(shí)干預(yù)輪椅的運(yùn)動(dòng)。輪椅是自動(dòng)控制的。在全自動(dòng)模式下，用戶只需輸入目標(biāo)位置或命令，輪椅就可以完全自主地控制其運(yùn)動(dòng)，用戶無需采取任何動(dòng)作，并且雙手完全可以自由活動(dòng)。VAHM智能輪椅由車身結(jié)構(gòu)，控制器，傳感器模塊，電源和人機(jī)交互系統(tǒng)組成。在第一代的基礎(chǔ)上，研究人員開發(fā)了第二代VAHM輪椅，這使輪椅更加智能。它可以執(zhí)行諸如目標(biāo)跟蹤和避障運(yùn)動(dòng)之類的智能功能，也只能沿著墻走，從而更好地滿足不同用戶的需求。圖1-1VAHM輪椅圖1-2SIAMO輪椅1996年，西班牙開發(fā)了SIAMO智能輪椅，如圖1-2所示。SIAMO智能輪椅[6]使用模塊化設(shè)計(jì)，并增加了多種人機(jī)交互方法。除了機(jī)械結(jié)構(gòu)外，SIAMO輪椅還包含其他三個(gè)部分，即傳感器部分，運(yùn)動(dòng)控制部分和人機(jī)交互部分。傳感器部分可以準(zhǔn)確地識(shí)別當(dāng)前時(shí)刻輪椅周圍的環(huán)境狀況，并為進(jìn)行高級(jí)控制做好準(zhǔn)備。運(yùn)動(dòng)控制單元包括低級(jí)和高級(jí)控制模式，在低級(jí)控制下，僅操縱桿可用于手動(dòng)控制，而高級(jí)控制模式則取決于傳感器確定的環(huán)境信息，從而由輪椅自動(dòng)控制。人機(jī)交互系統(tǒng)設(shè)計(jì)有多種交互方法，包括頭部控制，呼吸控制等。SIAMO輪椅大大增強(qiáng)了智能輪椅的功能，并為今后的研究指明了方向。1997年，麻省理工學(xué)院開發(fā)了Wheelesley輪椅[7]，如圖1-3所示。該輪椅是半自動(dòng)控制的。用戶可以通過在計(jì)算機(jī)上單擊交互式界面來控制輪椅。Wheelesley輪椅使用紅外傳感器，超聲波傳感器和其他傳感器來準(zhǔn)確識(shí)別環(huán)境信息并確定輪椅的位置。用戶具有最高的控制權(quán)限，并且可以通過人機(jī)交互界面或操縱桿來控制輪椅的一般運(yùn)動(dòng)和避障運(yùn)動(dòng)。另外，通過人機(jī)交互界面，輪椅還可以看到人眼球的運(yùn)動(dòng)以做出適當(dāng)?shù)倪\(yùn)動(dòng)，這就是眾所周知的鷹眼系統(tǒng)。輪椅的控制力很低，但可以進(jìn)行自主運(yùn)動(dòng)，包括自動(dòng)避開障礙物。圖1-3Wheelesley輪椅圖1-4MAID輪椅德國(guó)烏爾姆大學(xué)開發(fā)了一種MAD智能輪椅，可以準(zhǔn)確識(shí)別環(huán)境信息[8]，如圖1-4所示。輪椅可以準(zhǔn)確地檢測(cè)出靜態(tài)或動(dòng)態(tài)障礙物，然后主動(dòng)規(guī)劃出避免與障礙物碰撞的方法。智能輪椅可以在擁擠的環(huán)境中行駛，并在36小時(shí)內(nèi)保持無碰撞的記錄?？梢哉f它具有出色的避障能力。如果MAD智能輪椅處于導(dǎo)航和避障的工作狀態(tài)，它將首先確定其前進(jìn)過程中可行空間的大小。根據(jù)前向空間的大小做出一些運(yùn)動(dòng)反饋，以避開障礙物。1.2.2智能輪椅國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀由于我國(guó)在這一領(lǐng)域的研究較晚，因此在智能輪椅的機(jī)械結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)方面無法與國(guó)外的研究水平相提并論。但是，我國(guó)也有許多科研機(jī)構(gòu)對(duì)輪椅進(jìn)行了智能設(shè)計(jì)，性能優(yōu)異。在中國(guó)“863計(jì)劃”的支持下，中國(guó)科學(xué)院自動(dòng)化研究所開發(fā)了一種具有視覺識(shí)別功能的智能輪椅，如圖1-5所示。中國(guó)科學(xué)院輪椅研究所是我國(guó)第一款互動(dòng)方式更多的智能輪椅，能夠與用戶進(jìn)行語音交互，并根據(jù)用戶密碼進(jìn)行訓(xùn)練。在智能輪椅的研究過程中，中國(guó)科學(xué)院重點(diǎn)研究人機(jī)交互，使中國(guó)科學(xué)院輪椅能夠識(shí)別表情，手勢(shì)和聲音。在視覺識(shí)別技術(shù)方面，通過圖像處理和識(shí)別技術(shù)，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了室內(nèi)定位和導(dǎo)航。一旦進(jìn)入展覽館里擁擠的人群，行人就安全通過了。借助語音識(shí)別技術(shù)，輪椅可以“聽到”用戶的密碼，并且用戶可以立即與其進(jìn)行語音對(duì)話。中國(guó)科學(xué)院研制的輪椅已經(jīng)在世界范圍內(nèi)普及。上海交通大學(xué)開發(fā)的“交龍智能輪椅”如圖1-6所示。交龍不僅具有語音交互功能，還具有在多工作環(huán)境中進(jìn)行路線規(guī)劃的功能。交龍輪椅[9]通過照相機(jī)和激光傳感器識(shí)別其前面的環(huán)境信息，當(dāng)遇到動(dòng)態(tài)障礙物時(shí)可以停下來，并改行避開該動(dòng)態(tài)障礙物。礁龍智能輪椅還為用戶提供了多功能機(jī)械臂，用戶可以通過它輕松地把手。通過麥克風(fēng)，交龍智能輪椅還可以執(zhí)行“用戶命令”。圖1-5中科院輪椅圖1-6交龍輪椅重慶郵電大學(xué)開發(fā)的智能輪椅可以檢測(cè)用戶的腦電波信號(hào)。情緒傳感器收集來自用戶的EEG信號(hào)并去除信號(hào)中的噪聲，以便區(qū)分EEG，最后將控制信號(hào)傳遞到輪椅驅(qū)動(dòng)單元。通過使用照相機(jī)收集用戶的手部運(yùn)動(dòng)的圖像信息并過濾圖像，可以準(zhǔn)確地識(shí)別各種手勢(shì)命令，從而控制輪椅的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。1.3本文研究主要內(nèi)容在21世紀(jì)，隨著經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，人們追求的是越來越高的質(zhì)量和幸福的生活，但是一些特殊的人群由于自身的問題不能保證他們的正常生活需要。人口老齡化是經(jīng)濟(jì)發(fā)展的負(fù)面產(chǎn)物，世界各國(guó)都有不同程度的老齡化問題，我國(guó)人口的老齡化正在以同樣的速度發(fā)展。面對(duì)目前老齡化嚴(yán)重的現(xiàn)象，同時(shí)方便臥床病人進(jìn)行轉(zhuǎn)移，本文將要設(shè)計(jì)一款臥床病人自主轉(zhuǎn)移電動(dòng)輪椅的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，用來提高老年人的生活水平，同時(shí)減輕年輕人照顧老人們的工作負(fù)擔(dān)。裝置使用要求如下：1、無須他人幫助情況下，能實(shí)現(xiàn)將病人從床上自行轉(zhuǎn)移到設(shè)備上，及反向轉(zhuǎn)移；2、能可控移動(dòng)，進(jìn)出電梯，以及在戶外移動(dòng)。3、滿足病人可躺、可坐，姿勢(shì)可調(diào)；4、足夠的安全性：防翻、防摔、防磕碰、足夠剛度；防觸電、防誤操作；斜坡滑動(dòng)等；5、體積小；重量輕等。本文主要完成以下工作內(nèi)容：1、查閱國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)資料，了解臥床病人自主轉(zhuǎn)移電動(dòng)輪椅現(xiàn)狀;2、研究國(guó)內(nèi)臥床病人自主轉(zhuǎn)移電動(dòng)輪椅原理及機(jī)械結(jié)構(gòu);3、臥床病人自主轉(zhuǎn)移電動(dòng)輪椅總體方案確定、機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。4、主要零件設(shè)計(jì)、各種計(jì)算與校核。

2輪椅結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)2.1總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與原理分析臥床病人自主轉(zhuǎn)移電動(dòng)輪椅采用模塊化設(shè)計(jì)思想,由驅(qū)動(dòng)模塊、調(diào)角模塊、升降模塊、輔助轉(zhuǎn)移模塊、附加結(jié)構(gòu)部分組成,如圖2-1所示。圖2-1總體結(jié)構(gòu)圖2.1.1驅(qū)動(dòng)模塊輪椅驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)由電動(dòng)機(jī)，電源和減速裝置組成。它由12V電池供電，使用后輪驅(qū)動(dòng)，并使用電磁制動(dòng)器和傳感器來實(shí)現(xiàn)智能的遠(yuǎn)程控制和制動(dòng)功能。在車身變化（車身角度，高度變化和功能轉(zhuǎn)換）的情況下，轉(zhuǎn)向過程中的差速旋轉(zhuǎn)仍然可以具有靈活的運(yùn)動(dòng)性能。另外，在安裝在車輛地板下方的電池盒和車輛地板之間，輪架和發(fā)動(dòng)機(jī)支架均通過螺栓連接，便于拆卸和組裝。2.1.2輔助轉(zhuǎn)移模塊在輪椅的靠背板、坐板及腿板之上附有移動(dòng)搭板、移動(dòng)搭板、移動(dòng)搭板,在移動(dòng)搭板下方與坐板間采用鏈輪機(jī)構(gòu)連接,通過電機(jī)帶動(dòng)鏈輪，從而帶動(dòng)鏈條實(shí)現(xiàn)輪椅移動(dòng)搭板的橫向平移,如圖2-2所示。在擔(dān)架模式下,首先調(diào)節(jié)高度（升降模塊實(shí)現(xiàn)高度調(diào)節(jié)）使椅面升至與床面平齊，隨后控制移動(dòng)搭板橫向移出,移動(dòng)搭板移出一側(cè)的底面安裝有平臺(tái)滾珠,在移動(dòng)搭板縱邊與床面搭接后可順利滑動(dòng)，而后病患自主或需陪護(hù)人員輕微協(xié)助轉(zhuǎn)移至床上即可。圖2-2轉(zhuǎn)移模塊2.1.3升降模塊在輪椅車底板上表面以及坐板下表面兩側(cè)分別安置縱向滑軌，車底板和坐板之間由剪叉式升降-滑軌結(jié)構(gòu)相連,剪式支撐桿前方兩支點(diǎn)鉸接于支撐桿固定端耳片上,后方兩支點(diǎn)銨接于滑塊上,通過調(diào)節(jié)埋置于車底板下方的電動(dòng)推桿的長(zhǎng)度來改變剪式支撐桿鉸接角度的變化,驅(qū)動(dòng)剪叉機(jī)構(gòu)升降支撐，如圖2-3所示。通過調(diào)角部分調(diào)節(jié)座椅各板面間夾角為零并調(diào)節(jié)坐板高度為最低即可實(shí)現(xiàn)車體的完全折疊。圖2-3升降模塊2.1.4調(diào)角模塊在輪椅的靠背，座椅和腿板之間使用電動(dòng)角度調(diào)節(jié)器，以調(diào)節(jié)和鎖定三者之間的夾角，如圖2-4所示。角度調(diào)節(jié)器由角度調(diào)節(jié)器，角度調(diào)節(jié)器電動(dòng)機(jī)和角度調(diào)節(jié)器組成。角度調(diào)節(jié)器連桿是與角度調(diào)節(jié)器電動(dòng)機(jī)和角度調(diào)節(jié)器配合的主軸連桿。調(diào)角電機(jī)帶動(dòng)調(diào)角連桿旋轉(zhuǎn)，再由調(diào)角器帶動(dòng)固定在背板外側(cè)，實(shí)現(xiàn)背板和調(diào)角器的位置變化。腳板和座板之間的角度調(diào)節(jié)相同。由于上述兩個(gè)角度調(diào)節(jié)器相互配合，輪椅可以實(shí)現(xiàn)普通輪椅，擔(dān)架轉(zhuǎn)移床和折疊的不同姿勢(shì)。圖2-4調(diào)角模塊2.2輔助轉(zhuǎn)移結(jié)構(gòu)具體分析擔(dān)架模式主要是為自動(dòng)轉(zhuǎn)移功能服務(wù)，在擔(dān)架模式下，病患可以電動(dòng)喚醒轉(zhuǎn)移功能﹐輪椅移動(dòng)搭板將與輪椅平面發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng),將病患平移至床或者沙發(fā)上,或者從床到輪椅,全程無需家屬參與,安全可靠。首先需要輪椅的椅面變成平面的擔(dān)架模式，然后通過上下部分的電動(dòng)推桿完成輪椅面的提升，提升至相應(yīng)的高度，然后通過滑軌轉(zhuǎn)移實(shí)現(xiàn)床面的轉(zhuǎn)移，然后通過滾珠減小摩擦更加方便轉(zhuǎn)移。2.3附加結(jié)構(gòu)（1）扶手扶手和座椅之間有兩個(gè)關(guān)節(jié)。在正常使用中，扶手的前端通過銷釘固定在椅子表面的兩側(cè)，扶手的后端通過扶手邊界塊固定在一個(gè)角度上。扶手可以抬起杜松子酒。在不阻止活動(dòng)板彈出的情況下，將其旋轉(zhuǎn)180°至車身底部。（2）靠背和枕頭靠背配有可伸縮的可調(diào)節(jié)板。伸縮板的下邊緣與兩個(gè)活動(dòng)桿連接。同時(shí)，座椅的后緣由兩個(gè)固定角度的固定桿固定（固定桿可以分開），活動(dòng)桿和固定桿分別相互連接。連桿裝置可使伸縮式背板延伸并隨著靠背角度的改變而收縮，當(dāng)水平放置靠背時(shí)，伸縮式背板延伸到最長(zhǎng)。另外，在折疊輪椅背板之前，必須事先拆除固定夾鉗的固定端。（3）腿板和踏板矩形的腳凳固定在輪椅腿板的下端，不用時(shí)可以將腳凳向上轉(zhuǎn)動(dòng)。2.4本章小結(jié)由于車身的適應(yīng)和變形功能不同，它可以在不同的環(huán)境范圍內(nèi)適應(yīng)不同用戶的需求，并提高工作范圍和可操縱性。（1）作為輪椅。如果將背板和座板之間的角度調(diào)整為90°或更接近90°，并且座板和腿板之間的角度為適當(dāng)?shù)慕嵌?，則可以用作遠(yuǎn)足時(shí)的普通輪椅設(shè)備。（2）作為擔(dān)架。寬度模式主要用于自動(dòng)傳送功能。在擔(dān)架模式下，患者可以電喚醒傳遞功能。輪椅移動(dòng)板將相對(duì)于輪椅移動(dòng)，患者將被轉(zhuǎn)移到床或沙發(fā)上，或從床轉(zhuǎn)移到輪椅上。無需家人安全，可靠地參與整個(gè)過程。同時(shí)，它可以是擔(dān)架模式。病人提供午休的功能，急救功能可以執(zhí)行通常寬度的搶救功能。（3）作為休閑椅。使用者可以根據(jù)自己的喜好調(diào)節(jié)腿板與座板，靠背與座板之間的角度，以感到舒適，而躺椅的狀態(tài)還可以適應(yīng)患者的多種生活需求。閱讀，午餐和晚餐。其中最主要的功能就是在擔(dān)架模式下的病人轉(zhuǎn)移，通過升降模塊和轉(zhuǎn)移模塊同時(shí)工作實(shí)現(xiàn)床面無差別的伸縮至病人下方，進(jìn)而完成轉(zhuǎn)移工作。

3結(jié)構(gòu)計(jì)算設(shè)計(jì)與選型3.1基于人機(jī)工程學(xué)的尺寸設(shè)計(jì)3.1.1人體基本尺寸數(shù)據(jù)在智能輪椅的最大設(shè)計(jì)中，應(yīng)該考慮輪椅的公差空間，即輪椅應(yīng)該能夠適合大多數(shù)用戶。設(shè)計(jì)尺寸時(shí)，該標(biāo)準(zhǔn)為中國(guó)成人人體尺寸標(biāo)準(zhǔn)GB10000-88，其中，輪椅設(shè)計(jì)的參考尺寸為人體座椅尺寸和水平尺寸。主要尺寸如圖3-1和圖3-2所示。圖3-1人體坐姿尺寸圖圖3-2人體水平尺寸圖3.1.2輪椅尺寸參數(shù)的確定智能輪椅的尺寸設(shè)計(jì)應(yīng)考慮人體和坐姿的不同尺寸數(shù)據(jù)，以使輪椅的尺寸可以與人體相對(duì)應(yīng)。結(jié)合人體工程學(xué)理論，使輪椅上的人體強(qiáng)度適應(yīng)人體的生理結(jié)構(gòu)，并提高舒適度。根據(jù)對(duì)人體姿勢(shì)的生理結(jié)構(gòu)特征的分析，在舒適的坐姿下，人的大腿應(yīng)與地板平行，而兩只腳應(yīng)自然而輕松地踩在踏板上。當(dāng)將手臂放在扶手上時(shí)，它們可以承受身體的重量而不會(huì)施加力，并且可以靈活地改變姿勢(shì)。本文從以下主要部分確定了輪椅尺寸參數(shù)的選擇。（1）座椅高度：考慮到永久支撐輪的設(shè)計(jì)和安裝尺寸，為了盡可能適合大多數(shù)人，最新開發(fā)的座椅高度為566mm。（2）座椅深度：考慮到座椅支架的尺寸，為了適合大多數(shù)人群，最新開發(fā)的座椅深度為430mm。（3）座椅寬度：為了滿足大多數(shù)人的需求，考慮到人類座椅位置的兩個(gè)肘部寬度，座椅的寬度太大，以至于兩側(cè)的肘部都難以支撐。座椅寬度為420mm。（4）扶手高度：如果設(shè)計(jì)扶手高度，如果扶手高度設(shè)計(jì)得太低，則會(huì)失去支撐；如果設(shè)計(jì)太大，則會(huì)增加手臂的疲勞度，因此最終設(shè)計(jì)尺寸為250mm。（5）靠背的高度和寬度：由于靠背和座椅表面之間有一定距離，所以靠背的最終設(shè)計(jì)尺寸為5501mm。背部的寬度與肩寬和最大肩寬有關(guān)。如果考慮到輪椅的總寬度和座椅的寬度，則椅背的最后寬度為440毫米。（6）其他尺寸：此外，必須考慮輪椅的整體尺寸。根據(jù)電動(dòng)輪椅國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GBT12996-2012的外形尺寸要求，室外電動(dòng)輪椅的總長(zhǎng)度≤1200mm，總寬度≤700mm，總高度≤1090mm。最新開發(fā)的輪椅尺寸（和座椅位置）的總長(zhǎng)度為922mm，總寬度為570mm，總高度為1050mm，符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的要求。（7）移動(dòng)范圍：靠背的可移動(dòng)角度為0?0.5π，以鉸鏈的形式連接至座椅夾。為了防止人體在穩(wěn)定狀態(tài)下向前傾斜，座椅移動(dòng)角度為0?0.47π，該角度以折疊的方式連接到框架。3.2剪叉結(jié)構(gòu)承載能力分析數(shù)字設(shè)計(jì)參數(shù)設(shè)計(jì)是選擇系統(tǒng)中所有參數(shù)（包括原材料，零件，組件等）的最佳水平組合，然后最小化外部，內(nèi)部和產(chǎn)品方面的干擾影響，設(shè)計(jì)產(chǎn)品的質(zhì)量穩(wěn)定。較小的波動(dòng)。因此，在設(shè)計(jì)工藝參數(shù)中，選擇滿足環(huán)境條件的質(zhì)量等級(jí)最低，加工密度高，性價(jià)比高的組件進(jìn)行設(shè)計(jì)，可以理解地提高了產(chǎn)品質(zhì)量和成本。如果參數(shù)設(shè)計(jì)基于復(fù)合剪切機(jī)械手的基本結(jié)構(gòu)，則必須根據(jù)工程比例和幾何關(guān)系來提出設(shè)計(jì)要求。為了盡可能滿足設(shè)計(jì)要求，不僅必須考慮尺寸和工程參數(shù)的初始值，而且每次更改這些設(shè)計(jì)參數(shù)時(shí)都必須保持這些基本條件。其次，幾何元素之間連接的幾何信息應(yīng)為不變參數(shù)。參數(shù)化設(shè)計(jì)可以大大提高模型修改的速度。作為一種新型驅(qū)動(dòng)桿，所連接的剪力型提升機(jī)構(gòu)在設(shè)計(jì)參數(shù)時(shí)應(yīng)通過其基本結(jié)構(gòu)優(yōu)化所有參數(shù)的組合，以減少干擾的影響并提高輪椅椅面的適用性和穩(wěn)定性。圖4-4剪叉結(jié)構(gòu)剪叉結(jié)構(gòu)的材料是7075-T651鋁合金。該鋁合金的密度為2.81g/cm2。彈性模頭為72GPa，拉伸強(qiáng)度為570MPa。修整管芯為26.9GPa。3.3電動(dòng)推桿計(jì)算選型3.3.1底部電動(dòng)推桿設(shè)計(jì)底部電動(dòng)推桿如圖3-3所示。AB是坐墊電動(dòng)推桿，長(zhǎng)度為l3。OC是座橋，點(diǎn)0和A分別是座圈，框架和坐墊電動(dòng)推桿的樞軸點(diǎn)，點(diǎn)B是坐墊電動(dòng)推桿的主體與插頭之間的樞軸點(diǎn)。沿X0軸的實(shí)線是座椅支架的初始位置，OC是444mm，OA是180mm，OB是388mm，η是56°，并且δ是坐墊圖3-3電動(dòng)推桿簡(jiǎn)圖由相關(guān)文獻(xiàn)可得公式：l躺姿下，座椅支架水平即θ1=0，此時(shí)l3d對(duì)長(zhǎng)度公式求導(dǎo)可得va伸長(zhǎng)量d1、速度v1、速度a底部電動(dòng)推桿電動(dòng)推桿的力F1提供。圖3-4底部電動(dòng)推桿受力圖由平面幾何可知，F(xiàn)1的力臂為h由力矩公式可得F從公式可以看出，在改變握持位置的過程中，底部電動(dòng)推桿的最大推力約為2000N，最小推力約為494N，總體趨勢(shì)是連續(xù)下降而沒有突然變化。鍛煉開始時(shí)，坐墊電動(dòng)推桿的推力最大，最后則最小。3.3.2上部電動(dòng)推桿設(shè)計(jì)上部如圖3-5所示。CG為椅背支架,C點(diǎn)為座椅與椅背支架的鉸接點(diǎn)。EF為背部電動(dòng)推桿,長(zhǎng)度為l6圖3-5背部電動(dòng)推桿簡(jiǎn)圖由相關(guān)文獻(xiàn)可得公式：l坐姿下，椅背支架垂直座椅支架即θ1=0.5π，此時(shí)l6d對(duì)長(zhǎng)度公式求導(dǎo)可得速度和加速度公式。伸長(zhǎng)量d2、速度v2、速度對(duì)椅背支架進(jìn)行受力分析，如圖3-6所示。P點(diǎn)為其重心點(diǎn)，F(xiàn)x和Fy為鉸接點(diǎn)C處沿x和y軸方向的受力，h2為背部電動(dòng)推桿的力F2的力臂。F圖3-6椅背支架受力圖從公式可知，電動(dòng)推桿2的最大推力為1766N，并且變化趨勢(shì)同F(xiàn)1一致。由于腿部電動(dòng)推桿的受力較小，這里不過多計(jì)算，采用型號(hào)為L(zhǎng)AM3-S3-200-DC24V，額定推力為750N，行程為200mm的電動(dòng)推桿。3.4電機(jī)的計(jì)算和選型電動(dòng)輪椅的驅(qū)動(dòng)力來自驅(qū)動(dòng)后輪旋轉(zhuǎn)的電動(dòng)機(jī)。發(fā)動(dòng)機(jī)的選擇必須考慮諸如性能，成本，壽命周期和發(fā)動(dòng)機(jī)體積之類的因素。發(fā)動(dòng)機(jī)選擇的主要依據(jù)是功率和扭矩，它不僅必須滿足在平坦地面上的最大功率和最大扭矩的要求，而且還必須滿足支架下的最大功率和最大扭矩的要求。(1)平地行駛下的功率和轉(zhuǎn)矩根據(jù)GBT12996-2012對(duì)移動(dòng)輪椅的性能要求，戶外電動(dòng)輪椅的最大速度必須小于6km/h，即最大速度v1=1.67m/s。本文開發(fā)的后輪輪椅是一個(gè)12英寸的PU實(shí)心后輪，當(dāng)在平坦地面上行駛時(shí)，可以獲得后輪的最大速度n假設(shè)用戶的輪椅總重量為m=150kg，輪椅輪胎的材料為橡膠。通常，橡膠與混凝土板之間的滾動(dòng)摩擦系數(shù)為0.01?0.02。在此，滾動(dòng)效果效率為最大值μ＝0.02。以發(fā)動(dòng)機(jī)為例，變速器的總傳動(dòng)效率為η=0.8，由此可以在平坦地面上以最大速度行駛所需的力為P根據(jù)公式T=9550PT(2)爬坡行駛下的功率和轉(zhuǎn)矩根據(jù)GBT12996-2012電動(dòng)輪椅性能要求，戶外電動(dòng)輪椅的爬坡能力應(yīng)至少為6°。當(dāng)您認(rèn)為斜率越大時(shí)，所需的電力就越大，重心的波動(dòng)就越大。v2=0.5m/s，最大速度為n2=0.5/3.14/0.4*60=23.9r/min，其他物理參數(shù)與在平坦地面上行駛時(shí)相同。發(fā)動(dòng)機(jī)爬升的力包括克服自身重力的力和克服摩擦力的力。據(jù)此，爬升所需的最大力可計(jì)算為p進(jìn)而可求得爬坡所需要的最大轉(zhuǎn)矩為T綜上所述，并且考慮到電動(dòng)輪椅的動(dòng)力源是蓄電池，采用直流伺服電機(jī)作為輪椅的行駛電機(jī)。結(jié)合電機(jī)的功率和轉(zhuǎn)矩的計(jì)算，電機(jī)轉(zhuǎn)矩的過載系數(shù)一般為2，選用86系列步進(jìn)電機(jī)。

4控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)4.1各單元模塊介紹(1)主控制模塊:轉(zhuǎn)移輪椅的主控制模塊從Delta選擇PLC控制器型號(hào)DVP32ES01T2。作為所有設(shè)備的“指揮官”，PLC控制器主要負(fù)責(zé)指揮和協(xié)調(diào)輪椅控制系統(tǒng)中每個(gè)單元模塊的工作。臺(tái)達(dá)DVP32ES01T2PLC控制器的物理映像如圖4-1所示。圖4-1PLC控制器(2)電源模塊:使用24V12AH三元鋰電池，該電池適用于電動(dòng)踏板車，電動(dòng)自行車，機(jī)器人，太陽能系統(tǒng)和其他需要高能量密度電池的設(shè)備。它具有內(nèi)置的電池保護(hù)系統(tǒng)（BPS），以保持電池運(yùn)行并保持更好的性能，并保護(hù)電池正常工作。(3)驅(qū)動(dòng)模塊：驅(qū)動(dòng)器接口分為邏輯部分和驅(qū)動(dòng)器部分：驅(qū)動(dòng)器部分的VDC接口和GND接口分別連接到電源的正極和負(fù)極，以提供電源的直接供電。引擎;邏輯部分的DIR和ENA接口分別連接到PLC的Y系列接口，通過該接口控制輸出的高電平和低電平，然后控制電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向和停止。時(shí)間，PLC的Y系列接口控制PWM輸出脈沖信號(hào)，然后控制電動(dòng)機(jī)的速度和步數(shù)。圖4-2驅(qū)動(dòng)模塊步進(jìn)電機(jī)接線圖4.2控制系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)電氣原理圖可以清楚地表達(dá)設(shè)備的工作原理以及每個(gè)控制元件和電氣設(shè)備的工作原理。它是電路安裝，調(diào)試和使用的重要理論基礎(chǔ)，也為線路維護(hù)提供了基礎(chǔ)。電氣原理圖來自主電路，控制電路，保護(hù)電路等。通過電路原理圖可以清楚地看到電子電路的具體結(jié)構(gòu)以及電路之間的關(guān)系。電動(dòng)輪椅控制系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)電路的接線圖如圖4-3所示。其中，主電路由電力系統(tǒng)的電源電路和步進(jìn)電動(dòng)機(jī)電源的主電路組成。圖4-3驅(qū)動(dòng)電路接線圖控制系統(tǒng)PLC的I/O端子分配表如表43所示，代表A、B、C、D四個(gè)位置處的壓力傳感器，其中壓力傳感器1、2、3、4分別.側(cè)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)器。驅(qū)動(dòng)器1和驅(qū)動(dòng)器2分別為輪椅左右兩后輪。表4-1控制系統(tǒng)PLC的I/O端子分配表

5結(jié)論在21世紀(jì)，隨著經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，人們追求的是越來越高的質(zhì)量和幸福的生活，但是一些特殊的人群由于自身的問題不能保證他們的正常生活需要。人口老齡化是經(jīng)濟(jì)發(fā)展的負(fù)面產(chǎn)物，世界各國(guó)都有不同程度的老齡化問題，我國(guó)人口的老齡化正在以同樣的速度發(fā)展。面對(duì)目前老齡化嚴(yán)重的現(xiàn)象，本文將要設(shè)計(jì)一款多功能可站立的輪椅，用來提高老年人的生活水平，同時(shí)減輕年輕人照顧老人們的工作負(fù)擔(dān)。本文主要完成以下工作內(nèi)容：1、查閱國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)資料，了解臥床病人自主轉(zhuǎn)移電動(dòng)輪椅現(xiàn)狀;2、研究國(guó)內(nèi)外臥床病人自主轉(zhuǎn)移電動(dòng)輪椅原理及機(jī)械結(jié)構(gòu)：擔(dān)架模式主要是為自動(dòng)轉(zhuǎn)移功能服務(wù)，在擔(dān)架模式下，病患可以電動(dòng)喚醒轉(zhuǎn)移功能﹐輪椅移動(dòng)搭板將與輪椅平面發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng),將病患平移至床或者沙發(fā)上,或者從床到輪椅,全程無需家屬參與,安全可靠。首先需要輪椅的椅面變成平面的擔(dān)架模式，然后通過上下部分的電動(dòng)推桿完成輪椅面的提升，提升至相應(yīng)的高度，然后通過滑軌轉(zhuǎn)移實(shí)現(xiàn)床面的轉(zhuǎn)移，然后通過滾珠減小摩擦更加方便轉(zhuǎn)移。3、臥床病人自主轉(zhuǎn)移電動(dòng)輪椅總體方案確定、機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：輪椅驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)由電機(jī)、電源、減速裝置等組成。由12V蓄電池提供動(dòng)力能源,采用后輪驅(qū)動(dòng),利用磁力制動(dòng)器和傳感器實(shí)現(xiàn)智能遙控的轉(zhuǎn)向剎車功能；在輪椅的靠背板、坐板及腿板之上附有移動(dòng)搭板、移動(dòng)搭板、移動(dòng)搭板,在移動(dòng)搭板下方與坐板間采用鏈輪機(jī)構(gòu)連接,通過電機(jī)帶動(dòng)鏈輪，從而帶動(dòng)鏈條實(shí)現(xiàn)輪椅移動(dòng)搭板的橫向平移；輪椅的靠背板、坐板及腿板之間采用電動(dòng)調(diào)角裝置對(duì)三者之間的夾角進(jìn)行調(diào)整和鎖止,調(diào)角裝置由調(diào)角器、調(diào)角電機(jī)、調(diào)角器連桿組成,調(diào)角器連桿為花鍵連桿,與調(diào)角電機(jī)和調(diào)角器相互配合,調(diào)角電機(jī)帶動(dòng)調(diào)角器連桿轉(zhuǎn)動(dòng),而后帶動(dòng)固定于靠背板外側(cè)的調(diào)角器,從而實(shí)現(xiàn)靠背板與坐板間夾角的改變。腿板與坐板間角度調(diào)整同理。4、主要零件設(shè)計(jì)、各種計(jì)算與校核。

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