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1、南昌航空大学学士学位论文目录目录11 绪论31.1 课题研究原因和意义31.1.1课题研究的原因31.1.2课题研究的意义31.2 目前国内外研究状况31.2.1轮组式41.2.2履带式51.2.3腿式61.2.4复合式61.3 目前研究中所存在问题72 系统方案设计92.1 系统方案确定92.2智能电动越障爬楼轮椅系统构成102.2.1底盘系统102.2.2座椅姿态调整系统152.2.3驱动控制系统163 轮椅驱动模块设计183.1 电机的选择183.2 电机工作原理203.3 电源的选择233.4控制核心C8051F020错误!未定义书签。3.4.1 C8051FO20概述233.4.2主
2、要性能参数243.5电机转速控制253.5.1电机转速控制原理253.5.2电机转速控制方案263.6 电机驱动电路274 系统控制方案设计304. 1操纵杆设计304. 2双电机同步控制方案324.2.1 并行控制324.2.2 主从控制335 轮椅车控制算法设计355.1 速度检测电路355.2 PID控制方法365.2.1 PID控制方法介绍365.2.2 数字式增量PID控制算法385.2.3 标准PID算法的改进395.2.4 干扰的抑制405.2.5 PID调节器的参数整定406 轮椅车控制模块的数学模型436.1 系统运行方框图436.2系统运行原理446.3建立数学模型447
3、软件实现507.1 单片机片内的资源配置507.1.1 单片机内各功能模块配置507.1.2 单片机的端口配置517.2 程序模块介绍517.2.1 初始化模块527.2.2 测速子程序547.2.3 控制程序567.2.3 键盘扫描程序587.3 总程序58总结68参考文献69致谢701 绪论1.1 课题研究原因和意义1.1.1课题研究的原因 现今，老龄化人群以和下肢残障者在占我国总人口总数的比重愈来愈大，他们丧失了部分行动能力，更需要有人来加以帮助和护理。目前，在其中的很大一部分年老体弱者和下肢伤残者会选择轮椅作为他们的外出行动工具，而且大都需要在家人或护理人员下使用轮椅来进行活动。随着现
4、今社会的快速发展，城市化的不断加快，楼梯和跨越路障等不断增加。然而，对于普通轮椅而言是很难跨越这种障碍，从而限制了轮椅使用者的活动范围，影响其一系列的社交生活。尤其是国内城市楼房公寓，电梯并没有应用到所有的居民住宅，这给轮椅乘坐者造成诸多不便。马路沿、土坑等户外障碍同样对老年人、残障人士的出行带来了很多不便，影响了他们的正常生活。1.1.2课题研究的意义为了解决弱势群体人群增加而给社会经济、医疗护理各方面带来的巨大压力，更好的关怀老年人、残疾人的生活，改善他们的生活质量，除了加强改善房屋和各种公共建筑设施的无障碍设计，扩大轮椅的使用范围之外，改进现有的普通轮椅，使其兼备平地行驶以及爬越楼梯障碍
5、两种功能，成为更行之有效、立竿见影的措施。值得注意的是，最近几年突发性自然灾害将导致肢体残障者的数量大幅上升。 大量灾难幸存者急需轮椅等康复设备和辅助工具。因此，为了解决需求，给老年人和残疾人士提供性能优越的交通和辅助工具，解决楼梯或路障对他们生活造成的不便，同时在考虑使用者的经济所承受能力限制，研究一种价格适宜、轻便的爬楼梯轮椅具有重大的现实意义和实用价值。1.2 目前国内外研究状况 在爬楼梯装置的研究领域内，国外对爬楼梯装置的研究开始得相对较早，最早的专利是1892 年美国的Bray 发明的爬楼梯轮椅。此后，各国纷纷开始投入此项研究，其中美国、英国、德国和日本占主导地位，技术相对比较成熟，
6、且有一些产品己经投入市场使用。国内的研究也在近一、二十年内取得了显著成果，近年来相关专利屡见不鲜，目前国内外现有的爬楼梯装置和专利种类众多，不同的爬楼梯装置适用于不同的环境和条件，各有利弊。按照爬楼梯装置爬楼执行机构的类型，主要可归结为轮组式、履带式、腿式三类。1.2.1轮组式 轮组式的特点是每个轮组依照星形轮的方式进行运动：平地行驶时，各小轮绕各自轴线自转；爬楼梯时，各小轮一起绕中心轴公转。 美国发明家Dean Kamen 发明的IBOT （专利号：US6 , 443 , 250 BI ）是一种能自动调节重心的两轮组式轮椅，是单轮组爬楼装置中最具代表性的爬楼装置之一。iBOT 不仅采用了比普
7、通轮椅复杂的驱动结构，而且安装了多个感知人 轮椅重心位置的陀螺仪，控制器根据陀螺仪的信号调整重心的位置，使轮椅能够在不同路面和直立状态下保持平衡。iBOT3000 己经获得FDA 批准在欧美上市，售价相当于中高档轿车的价格。如下图所示: 图1.1 ibot实物图 内蒙古民族大学物理与机电学院的苏和平等人借鉴了iBOT 的爬楼方式，采用星形轮系作为爬楼梯机构，设计了一种双联星形机构电动爬楼梯轮椅。改轮椅爬楼时需要人工辅助或者楼梯扶手的辅助支撑，使其能调整重心的位置，安全爬楼。如下图1-2 和1-3所示 图1-2 双联星形爬楼梯轮椅图 图1-3 双联星形爬楼梯轮椅改进图 图1.4 双联行星轮内部传
8、递图1.2.2履带式 履带式爬楼梯装置的原理类似于履带装甲运兵车或坦克，技术较成熟，操作简单，行走时重心波动很小，对楼梯的形状、尺寸适应性强。英国Baronmead 公司开发的一种电动轮椅车，底部是履带式的传动结构，可爬楼梯的最大坡度为35 度，上下楼梯速度为每分钟15-20个台阶。法国Topchalr 公司生产的电动爬楼梯轮椅，它的底部有四个车轮供正常情况下平地运行使用，当遇到楼梯等特殊地形时，用户通过适当操作将两侧的橡胶履带缓缓放下至地面，然后把这四个车轮收起，依靠履带无需旁人辅助便能自动完成爬楼等功能。如图1-5所示 图1.5 履带式结构1.2.3腿式 早期的爬楼梯装置一般都采用步行式，
9、其爬楼梯执行机构由铰链杆件机构组成。上楼时先将负重抬高，再水平向前移动，如此重复这两个过程直至爬完一段楼梯。步行式爬楼梯装置模仿人类爬楼的动作，外观可视为足式轮椅，采用多条机械腿交替升降、支撑座椅爬楼的原理。如图1-6所示 图1.6 步行式爬楼轮椅1.2.4复合式 现今，爬楼装置一个研究创新点是将上述的轮组、腿式、履带机构相互结合，吸取各自的优点。比较广泛的组合思路有以下两种：一是轮履、腿履复合。比如中国科学技术大学精密机械与精密仪器系研制的一种小型全自主多种移动方式相融合的复合式越障轮椅。二是采用了轮一履复合 如图1-7所示和轮腿一履带复合 如图1-8所示等结构。设计主要是依靠腿式机构来完成
10、越障，以及履带平稳性和轮组的灵活性来达到功能的完整。 图1.7 轮一履复合图 图1.8 轮腿一履复合图1.3 目前研究中所存在问题履带式的缺点就是对楼梯边缘施加的强压力，不可避免的对楼梯沿有一定的损坏，不适合大绝大多数室内楼梯。自重较大，平地行走时阻力较大，相对于其他结构，履带式转弯需要更大的动力，使用过程中噪声很大。这些都限制了它在日常生活中的推广，被接受程度低。 腿式爬楼装置有最好的地形适应力，但承载重量较小，具有较大危险性，且重心偏高。运动相对比较平稳，颠簸感轻微，但同时运行速度较缓。此外，该类型装置对控制的要求较高，操作比较复杂，在平地行走时运动幅度不大，动作缓慢。复合式爬楼装置各种机
11、构的复合也给控制方面提出了更高的要求，而且爬楼过程中的稳定性、如何适应不同尺寸的楼梯、如何实现手动操作省力与省时的问题以及反向自锁等问题仍然存在。综上所述，国外在爬楼梯装置方面的研究己经有一百多年的历史，成果也较多，但是它们大多结构复杂、造价昂贵，远远超出了发展中国家人民的经济承受能力。国内的研究相对较晚，虽然也诞生了很多专利，但由于受到体积、重量、稳定性及安全性的限制，还没有产品真正投入使用。由此可见，为了解决移动轮椅使用受限的问题，同时考虑到我国使用者的经济承受能力，需要研究一种价格低廉、功能多样的爬楼梯装置。本装置作为面向老年人和残疾人的服务型机构，作者认为其设计思想必须从以下几个性能出
12、发： ( 1 ）平地、楼梯两用；( 2 ）平地行驶效率高，操作方便简单；( 3 ）爬楼时重心波动缓和，稳定性好；( 4 ）不平坦地形下对系统的重心作适时调节，避免车体倾斜给使用者带来恐惧；( 5 ）上下楼时符合日常运动习惯，避免反向上楼给乘坐者带来不便；（6）轮椅结构尽量简单，造价低廉。为了满足上述要求，本文给出了一种结构紧凑、爬楼重心波动较小、正面上楼的平地、楼梯两用助行装置，并对其控制部分进行了详细的论述。2 系统方案设计2.1 系统方案确定 通过综合分析，各机构特点如下表所示：表2.1 爬楼机构特点总结移动机构方式轮式履带式腿式移动速度快较快慢越障能力差一般好机构复杂程度简单一般复杂能耗
13、量小较小大机构控制难易程度易一般复杂 本设计确定采用爬楼梯优势较强的轮式机构。本论文采用的行星轮式爬楼梯轮椅的整体结构,行星轮结构在前进过程中通过中心轴驱动中心轮带动行星轮从而带动轮椅前迸,通过翻转电机带动行星架实现爬楼梯动作。 该种结构的优点有：(1)平顺的行驶能力。轮椅小车在平地行驶时，由于其结构上的特点，任意时刻都有两个小车轮接地，利用轮组的定轴轮系传递动力，使小车轮快速的前进，其效率与普通轮式驱动车辆相同。当遇到可跨越的障碍时，轮组通过形星轮系翻滚前进。(2)可靠的上下楼梯能力。轮椅小车上下楼梯时，小车轮驱动电机停止，形星轮减速器及蜗轮蜗杆式大减速比装置形成自锁功能，使轮辐电机驱动轮组
14、翻滚时，轮组中心齿轮不转动。这使得在上下楼梯过程中，小车轮不会发生滚动，使得运动方位的控制得到精确的保证。这一优点对小车下楼梯控制尤其重要。(3)控制方式容易实现。任意时刻轮椅车体左边车轮组着地小车轮和右边轮组着地小轮分别具有相同的转速，这样就能准确控制移动轮椅的行走状态。(4)由电动机调速控制器来实现轮椅的转弯、直线前进、爬楼前进三个基本运动单元，所需的转弯半径即为车身宽度。2.2智能电动越障爬楼轮椅系统构成智能电动越障爬楼轮椅从整体上可以分为电气与机械两个部分，机械部分主要由 底盘系统与座椅调节系统构成，电气部分主要由底盘驱动控制系统与座椅姿态检测调 整系统构成。该系统结构如图2.1所示：图2.1智能电动越障爬楼轮椅系统结构图2.2.1底盘系统爬楼底盘系统釆用了创星的行星轮机构作前轮驱动行走，万向轮、引导轮作为后 轮辅助行走。该系统可实
