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1、河北工河北工业业大学本科大学本科毕业设计毕业设计（ （论论文）前期文）前期报报告告毕业设计（论文）题目：毕业设计（论文）题目：全方位移动智能轮椅结构设计 专业（方向）：专业（方向）：机械设计制造及其自动化 指导老师指导老师： 职称：职称： 学生信息学生信息： 报告提交日期报告提交日期：2012-3-18一课题意义目前，全世界人口老龄化进程正在加快 , 今后 50 年内 , 60 岁以上的人口比例预计 将会翻一番 , 由于各种灾难和疾病造成的残障人士也逐年增加 , 他们存在不同程度的能力 丧失 , 如行走 、视力 、动手及语言等 。为了给老年人和残障人士提供性能优越的代步工 具 ,帮助他们提高行
2、动自由度及重新融入社会 ,目前美国 、德国 、日本 、法国、加拿大 、西班牙及中国等国家对智能轮椅进行了研究 ,使智能轮椅具有记忆地图 、避障 、自动 行走 、与用户交互等功能。智能轮椅是将智能机器人技术应用于电动轮椅 ,融合多种领域 的研究 ,包括机器视觉 、机器人导航和定位 、模式识别 、多传感器融合及用户接口等 , 涉及机械 、控制 、传感器 、人工智能等技术 ,也称智能轮椅式移动机器人。 而且，当前市场上的轮椅不是太贵就是功能不全面，安全性差。所以研究一种价格低 廉，使用方便，安全性好的轮椅十分必要二 智能轮椅国内外研究现状及分析自 1986 年英国开始研制第一辆智能轮椅来 ,许多国家
3、投入较多资金研究智能轮椅 。 西班牙 SIAMO（图 1）始于 1996 年 ,由 ONCE 基金会资助 ,目标是根据用户的残障程 度及特殊 需求建造多功能系统 。为达到要求 ,特别研究了系统的模块化和灵活性 ,设计 了分布式构架 ,也着重开发了人机界面 ,使用户更易于控制轮椅。图 1 西班牙 SIAMO 1989 年法国开始研究 VAHM 项目 ,第一阶段的智能轮椅由轮椅 、PC486 、超声波传 感器 、人机界面和一个可匹配用户身体能力转换的图形屏幕组成 ,设置为手动 、自动 、 半自动三种模式。,手动时轮椅执行用户具体指令和行动任务 ; 自动状态用户只需选定目 标 ,轮椅控制整个系统 ,
4、 此模式需要高度的可靠性 ; 半自动模式下用户与轮椅分享控制 。图为仿制的 VAHM 式轮椅（图 2） 。 1 2 3 图 2德国乌尔姆大学在一个商业轮椅基础上研制了轮椅机器人 MAID。该轮椅机器人在公 共场所拥挤有大量乘客的环境中 ,进行了超过 36 小时的考验 ,能够自动识别和判断出行 驶的前方是否有行人挡路 ,或是否可能出现行驶不通的情况 ,自动采取绕行动作 ,它甚至 还能够提醒挡路的行人让开道路。麻省理工智能实验室的智能轮椅威尔斯利 ,为一半自主式机器人轮椅 ,配备有计算机 控制和传感器的电动轮椅 ,还装有一个 Macintosh 笔记本电脑用于人机界面交互 。系统 有两种级别的控制
5、:高级方向指令和低级计算机控制路线 ,用户拥有最高控制级别 。这个 智能轮椅允许用户通过三种方式来进行控制 :菜单、操纵杆和用户界面 。用户界面模式 下 ,用户和机器之间仅需通过用户眼睛运动来控制轮椅 ,即用鹰眼系统来进行驱动。该轮 椅在国际联合会的机器人轮椅展览中夺得第一 ,且是唯一不需要人来指导即穿过门口的机 器人。我国智能轮椅研究起步较晚 ,在机构的复杂性和灵活性上和国外相比有一定差距,但 也根据自身特 色研制出技术指标接近国外先进水平的智能轮椅 。研究单位有中科院自动 化所 、上海交通大学（图 3）和第三军医大学等 。图 3 上海交大轮椅中国科学院自动化研究所研制了一种具有视觉和口令导
6、航功能并能与人进行语音交互 的机器人轮椅 ,曾在“863“计划十五周年成就展展馆的人群中穿梭自如 。此项研究成果于 2000 年 11 月通过“863”智能机器人主题专家组的鉴定 ,并研制出我国第一台多模态交 互式智能轮椅样机。此项研究高度重视了智能轮椅人机控制界面的设计 ,在轮椅的设计中 综合运用模式识别实验室有关图像处理、计算机视觉和语音识别等最新成果 ,使人能通过 语音控制轮椅自由行走 ,轮椅可以实现简单的人机对话功能。由于各个实验室的目标及研究方法不尽相同 ,每种轮椅解决的问题及达到的能力不同。 初期的研究赋予轮椅的功能一般都是低级控制 ,如简单的运动 、速度控制及避障等。随 着机器人
7、控制技术的发展,移动机器人大量技术用于轮椅 ,智能轮椅在更现实的基础上 , 有更好的交互性 、适应性 、自主性 。从各国的研究成果和研究方向不难看出智能轮椅 的研究和发展方向：1 轮椅系统必须是多功能的 ,不仅应适应残障人士的生理和认知能力 ,也 应适应环境的结构和形态 。2 智能轮椅的制造成本必须控制在一定范围内，使其能走进普 通平民的家中，使更多残障及老人受益。三此次毕业设计的基本任务及内容根据目前世界上各种智能轮椅的研发状况，吸取其优点，并希望通过全向轮（麦克纳 姆轮） （图 3）来制作一种可全方位移动的智能轮椅。采用单片机完成控制系统，通过手柄 控制，使其实现全方位移动，零半径旋转等功
8、能。全方位移动机构运动非常灵活 ,可在二维平面上从现在位置向任意方向运动而不需要 车体改变姿态. 在某些场合有明显的优越性 ; 如在较狭窄或拥挤的场所工作时 ,全方位 移动机构因其回转半径为零而可以灵活自由的穿行.全向轮有两种形式如下图两种全向轮小车：第一种1 6 第二种为方便结构设计，采用第二种结构，进行后续的设计 。轮子结构如下图第二种全向轮简易结构（一）任务1.搜集资料（全向轮的设计与轮椅结构设计）进行学习。2.确定轮椅的总体结构。3.绘制轮椅总装配图。4.绘制轮椅控制系统原理图。5.绘制部分零件图。6.编写设计说明书。（二）要求：尽量采用 CAD/CAM 软件进行设计图绘制，至 1/3
9、 图纸手绘。（三）进度安排第 1-2 周 调研搜集资料，资料整理，撰写文献综述和开题报告。第 3-5 周 总体方案的设计第 6-10 周 具体设计，绘制总装配图第 11-13 周 绘制控制系统原理图，绘制部分零件图并撰写设计说明书。四参考文献 1 原奎.智能轮椅的研究现状与趋势.中国医疗器械信息，2009,15（1）：6 2 周伟，谢存禧. 基于单片机的多功能智能轮椅的模块化设计. 机械设计与制造. 第三期. 2010,3 18-20 3 何清华, 黄素平, 黄志雄智能轮椅的研究现状和发展趋势,机器人技术与应用. 2003, 第二期 12-16 4 徐国华 ,谭民。机器人技术与应用。移动机器人
10、的发展现状及其趋势。2001 ,3：7-14 5 刘伟军 ,董再励 ,郝颖明 ,朱枫。高技术通讯。基于立体视觉的移机器人自导航定位 系统 . 2001,10:9194 6 闫国荣 , 张海兵. 一种新型轮式全方位移动机构 哈尔滨工业大学学报 2001 年 12 月 第 33 卷 第 6 期 104-107 7 王宏 ,张钹。机器人。基于地图的室外移动机器人路径规划与导航系统。199 4 ,16 (1) :24 29 8 张 伟。美国马里兰大学自动化研究中心机器人教研工作一瞥 。机器人技术与应用2001 ,3:3739 9 姚玉峰，孙立宁，杜志江等，智能轮椅的研究与发展。中国康复医学杂志， 2007,22（6）：540-541 10 张海兵.轮式全方位移动机构的研究D.哈尔滨工业大学,2001-07-01
