爬楼梯的自行轮椅车设计含全套CAD图纸.docx
《爬楼梯的自行轮椅车设计含全套CAD图纸.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《爬楼梯的自行轮椅车设计含全套CAD图纸.docx（71页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
爬楼梯的自行轮椅车设计含全套CAD图纸
目录
1绪论3
1.1课题研究原因和意义3
1.1.1 课题研究的原因3
1.1.2 课题研究的意义3
1.2目前国内外研究状况3
1.2.1 轮组式4
1.2.2 履带式5
1.2.3 腿式6
1.2.4 复合式6
1.3目前研究中所存在问题7
2系统方案设计9
2.1系统方案确定9
2.2智能电动越障爬楼轮椅系统构成10
2.2.1底盘系统10
2.2.2座椅姿态调整系统15
2.2.3驱动控制系统16
3轮椅驱动模块设计18
3.1电机的选择18
3.2电机工作原理20
3.3电源的选择23
3.4控制核心C8051F02023
3.4.1C8051FO20概述23
3.4.2主要性能参数24
3.5电机转速控制25
3.5.1电机转速控制原理25
3.5.2电机转速控制方案26
3.6电机驱动电路27
4系统控制方案设计30
4.1操纵杆设计30
4.2双电机同步控制方案32
4.2.1并行控制32
4.2.2主从控制33
5轮椅车控制算法设计35
5.1速度检测电路35
5.2PID控制方法36
5.2.1PID控制方法介绍36
5.2.2数字式增量PID控制算法38
5.2.3标准PID算法的改进39
5.2.4干扰的抑制40
5.2.5PID调节器的参数整定40
6轮椅车控制模块的数学模型43
6.1系统运行方框图43
6.2系统运行原理44
6.3建立数学模型44
7软件实现50
7.1单片机片内的资源配置50
7.1.1单片机内各功能模块配置50
7.1.2单片机的端口配置51
7.2程序模块介绍51
7.2.1初始化模块51
7.2.2测速子程序53
7.2.3主程序56
7.3总程序58
总结67
参考文献68
致谢69
全套图纸加36296518
1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，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DeanKamen发明的IBOT（专利号：
US6,443,250BI）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1.1ibot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，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。
该系统可实现平地行走和越障爬楼的功能，对崎岖的路面具有较好的适应能力。
根据GBT18029.23-2008,可知一般楼梯每阶髙度为180mm±5mm,最小楼梯坡度为35°,容许误差为（见下图）。
所有楼梯的梯级突边都在由两个相距10mm、倾斜角度与楼梯坡度相同的平行平面所形成的区域内。
图2.2标准楼梯结构图
可画出爬楼底盘运动效果如图2.3所示：
图2.3爬楼底盘运动效果
下图为行星轮系结构图
图2.4行星轮系结构图
行星轮结构由2K-H周转轮系的演化结构来实现。
下图2.5是2K-H周转轮系的结构简图。
图2.5K-H周转轮系的结构简图
万向轮由于受到轮胎直径的影响，在水平作用力推动的情况下只能翻爬小于轮胎半径的台阶或楼梯。
在翻越楼梯及障碍的过程中采用中.纯的万向轮结构不仅会产生阻力，而且在翻爬楼梯时会产生较大的冲击。
在使用创新的引导轮结构与万向轮相配合后，轮椅在翻越的过程中，障碍物或楼梯的台阶将首先与引导轮相接触，由引导轮引导障碍物或楼梯的台阶与万向轮和接触。
这样不仅有利于提高万向轮的翻越能力，而且可以减少阻力与冲击。
图2.6创新的引导轮结构
2.2.2座椅姿态调整系统
座椅姿态检测采用双轴倾角传感器，实吋检测座椅与水平面的姿态以保证乘坐者的安全。
翻转时轮椅与地面的支撑点，增加了乘坐齐的安全性与舒适性，同时又使得行星轮在翻转的过程中所需要的力矩减少，翻转更加容易。
图2.7座椅姿态调整机构示意图
2.2.3驱动控制系统
驱动控制系统主要由微处理器系统、控制手柄及按键系统、主驱动电机及其驱动电路、电池组组成。
驱动控制系统的目的在于配合机械结构完成相应的执行动作，保证轮椅的正常运行。
电力驱动控制系统的效果图如下:
图2.8电力驱动控制系统的效果图
3轮椅驱动模块设计
3.1电机的选择
考虑到轮椅车的户外使用条件,我们需要选择永励直流电机。
永励直流电机根据有无机械换向装置又分为有刷直流电机和无刷直流电机。
无刷直流电机有如下优点：
a）电子换向来代替传统的机械换向，性能可靠、永无磨损、故障率低
b）属静态电机，空载电流小；
c）效率高；
d）体积小。
固目前电动车大部分都采用无刷直流电机作为动力部分,且有很多相应的控制器。
但其还有如下缺点：
a）低速起动时有轻微振动；
b）价格高，相应的控制器要求高，成本也高；
c）易形成共振；
而有刷电机的如下特性是无刷电机所不可比拟的：
a）变速平稳，几乎感觉不到振动；
b）温升低，可靠性好；
c）价格低
基于有刷直流电机的平稳可靠及低成本，本方案采用有刷直流电机。
如果注意碳刷的保养，以及及时更换其使用性还是非常好的。
通过查找相关资料，我选择北京康键宜医疗器械有限公司的轮椅车专用电机DG-M4。
其外形及参数如下：
图3.1DG-M4外形
表3.1DG电机产品系列
表3.2DG－M4电机参数
该电动机构由一个带电磁离合器（刹车）装置的永磁电动机和带一级直齿和一级蜗轮副传动的全封闭齿轮箱组成；手推轮椅时，可以通过简易操作手柄释放花键来实现离合。
通过计算行走电机与翻转电机均可为DG-M4。
通过对花键的操作即可实现手动与自动的切换，而蜗轮蜗杆传动对于爬楼装置来说，可以实现自锁，这对爬楼这一动作提供了安全保障。
3.2电机工作原理
永磁直流电机是用永久磁体来建立电机所需的磁场，无需另用电源进行励磁。
有刷电机的定子上安装有固定的主磁极和电刷，转子上安装有电枢绕组和换向器。
直流电源的电能通过电刷和换向器进入电枢绕组，产生电枢电流，电枢电流产生的磁场与主磁场相互作用产生电磁转矩，使电机旋转带动负载。
下图为电机的四个永磁体磁极，排列在同一圆周上。
图3.1电机磁极排列
钕铁硼是目前最好的永磁体材料，磁力非常强大、矫顽力很高，性能好的永磁电机多选用钕铁硼做磁极。
磁极固定在机壳内，机壳同时为电机提供磁路。
在下图中用蓝色的磁力线表示电机的磁路。
图3.2电机的磁路
永磁电机不需励磁电流发热较少，但机壳为防铁粉污染多为密封，一般通过机壳外周多个散热片进行散热；端盖板延伸到机壳外兼做机脚，整个构成电机的定子机座，通过机脚来安装固定电机。
永磁直流电机的转子由转子铁芯，转子绕组、换向器、转轴构成。
电流通过电刷连接转子绕组，四极电机一般有四组电刷，一同装在刷架上，共同构成电刷组件。
下图显示了转子与电刷组件的相对位置。
图3.3转子与电刷组件的相对位置
下图为合上端盖的永磁直流电机剖面图
图3.4永磁直流电机剖面图
3.3电源的选择
明显电动轮椅车的电源为可充电式电池，选择好电池也是轮椅车正常工作的先决条件之一。
本次方案选择一般电动车上使用的铅蓄电池。
铅蓄电池的优点是放电时电动势较稳定，电压平稳、使用温度及使用电流范围宽、能充放电数百个循环、贮存性能好（尤其适于干式荷电贮存）、造价较低，因而应用广泛。
铅蓄电池原理如下：
把A、B两块铅板插入硫酸溶液中，铅与硫酸作用的结果，使A、B两块铅板上形成硫酸铅，溶液中也被硫酸铅饱和，这是还没有电势，给蓄电池充电时，在两极上发生的化学反应如下：
A;PbSO4+2H2O-2e-→PbO2+H2SO4+2H+;
B:
PbSO4+2e-→Pb+SO42-;
可以看出，充电后，A板上的PbO2成为正极，B板上Pb成为负极。
放电时，两极发生的反应如下：
正极：
PbO2+H2SO4+2H+-2e-→PbSO4+2H2O-2e-;
负极：
Pb+SO42-→PbSO4+2e-;
又电机的额定电压为24V,固选用24V的铅蓄电池组。
其自带充电模块。
3.4控制核心C8051F020
3.4.1C8051FO20概述
C8051FO20系列单片机是Cygnal公司新推出的一种混合信号系统级单片机。
该系列单片机片内含CIP-51的CPU内核，它的指令系统与MCS-51完全兼容。
其中的C8051F020单片机含有64kB片内Flash程序存储器，4352B的RAM、8个I／O端口共64根I／O口线、一个12位A／D转换器和一个8位A／D转换器以及一个双12位D／A转换器、2个比较器、5个16位通用定时器、5个捕捉／比较模块的可编程计数／定时器阵列、看门狗定时器、VDD监视器和温度传感器等部分。
C8051F020单片机支持双时钟，其工作电压范围为2.7-3.6V（端口I／O，RsT和JTAC引脚的耐压为5V）。
与以前的51系列单片机相比，C8051F020增添了许多功能，同时其可靠性和速度也有了很大提高。
外形及引脚排列如图所示：
图3.5C8051FO20外形及引脚排列
图3.6C8051FO20内部逻辑图
3.4.2主要性能参数
C8051F02x系列单片机是集成在一块芯片上的混合信号系统级单片机。
芯片上有64位数字I/O口（C8051F020/2）或32位数字I/O口（C8051F021/3）。
C8051F020
作为整个系统的控制部件，它具有以下特点[10,14]：
●高速、流水线结构的8051兼容的CIP-51内核（可达25MIPS）；
●全速、非侵入式的在系统调试接口（片内）；
●12位、100ksps的8通道ADC，带PGA和模拟多路开关；
●8位、500ksps的ADC，带PGA和8通道模拟多路开关；
●两个12位DAC，具有可编程数据更新方式；
●64KB可在系统编程的Flash存储器；
●4352（4096+256）B的片内RAM；
●可寻址64KB地址空间的外部数据存储器接口；
●硬件实现的SPI、SMBus/IIC和两个UART串行接口；
●5个通用的16位定时器；
●具有5个捕捉/比较模块的可编程计数器/定时器阵列；
●片内看门狗定时器、VDD监视器和温度传感器；
●两种可软件编程的电源管理方式------空闲方式（等待方式）和停机方式（掉电方式）；
●C8051F020工作电压2.7V-3.6V，端口I/O、/RST和JTAG引脚都容许5V的输入信号电压；
●64个IO口，TQFP100封装；
●与其它8位单片机相比，有更高的程序安全性；
3.5电机转速控制
3.5.1电机转速控制原理
根据直流电机转速方程
（3-1）
式中U—电枢电压（V）；
I—电枢电流（A）；
R—电枢回路总电阻（）；
—励磁磁通（Wb）；
—由电机结构决定的电动势常数。
可推出有三种方法调节电动机的转速：
（1）调节电枢供电电压U；
（2）减弱励磁磁通；
（3）改变电枢回路电阻R。
对于要求在一定范围内无级平滑调速的系统来说，以调节电枢供电电压的方式为最好。
改变电阻只能有级调速；减弱磁通虽然能够平滑调速，但调速范围不大，往往只是配合调压方案，在基速（即电机额定转速）以上作小范围的弱磁升速。
因此，自动控制的直流调速系统往往以调压调速为主。
3.5.2电机转速控制方案
由上可得电机直流调速系统往往以调压调速为主,电压可采用模拟电路实现.即通过改变电路中的电阻可得到可连续变化的可调电压;也可通过数字电路实现,即通过PWM波来实现。
模拟电路法功耗大，且对于精确控制来说非常困难。
固一般均采用PWM驱动法。
PWM驱动原理是就是直流斩波原理，利用大功率晶体管的开关特性来调制固定电压的直流电源。
按一个固定的频率来接通和关断，并根据需要改变一个周期内“接通”和“断开”时间的长短，通过改变直流电动机电枢上的占空比来改变平均电压的大小，从而控制电机的转速。
因此，这种装置又称为“开关驱动装置”。
PWM输出波形如图1.3所示，周期为T，一个周期内的导通时间为t，则加在电机两端的平均电压为：
（3-2）
其中，α=t/T称为占空比，
为电源电压。
图3.7PWM原理图
直流电机的转速与电机两端电压成正比，而电机两端的平均电压与控制波形的占空比成正比，占空比越大，电机转得越快，当占空比为1时，加在电机两端的平均电压最大，电机转速也就最大。
3.6电机驱动电路
单片机虽然可以输出PWM波，但其输出功率太小，无法满足电机工作的需求，固要有功率放大器，一般功率放大器都是有MOS管或IGBT来放大，而这些分立元件组合起来就是一个完整的功率放大器。
现代电子技术是朝着高度集成化方向发展的，由于这些功率放大器在生产生活中引用广泛，尤其是电机的普遍应用，所以市场上有专门的针对电机的功率放大芯片。
本文选择的是智能功率芯片BTS7960。
其资料如下：
BTS7960是NovalithIC家族三个独立的芯片的一部分:
一是p型通道的高电位场效应晶体管，二是一个n型通道的低电位场效应晶体管，结合一个驱动晶片,形成一个完全整合的高电流半桥。
所有三个芯片是安装在一个共同的引线框,利用芯片对芯片和芯片芯片技术。
电源开关应用垂直场效应管技术来确保最佳的阻态。
由于p型通道的高电位开关，需要一个电荷泵消除电磁干扰。
通过驱动集成技术，逻辑电平输入、电流取样诊断、转换速率调整器，失效发生时间、防止欠电压、过电流、短路结构轻易地连接到一个微处理器上。
BTS7960可结合其他的BTS7960形成全桥和三相驱动结构。
图框如下：
图3.8BTS7960图框
引脚的定义和功能
表3.3BTS7960引脚的定义和功能
以下是其驱动电机的应用实例：
图3.9BTS7960驱动电机电路
综上所述，我们可得出系统硬件的系统框图为
图3.10系统硬件框图
4系统控制方案设计
4.1操纵杆设计
方案一：
速度的给定由用户通过操纵杆来实现。
操纵杆输出两路相互垂直的模拟信号，来实现控制轮椅运动的方向和速度，如图所示：
图4.1操纵杆输出信号分解
在上图（a）中，操纵杆搬动的方向和倾斜的程度分解为
和
两路互相垂直的信号输出；在图（b）中，轮椅运动的方向V由X方向的速度分量
和Y方向的速度分量
适量合成。
设左，右轮的转速分别为
，
，则易知
为两轮的差模分量，
为两轮转速的共模分量。
，
，
，
按照下面的算法建立联系：
式中
为X和Y方向的控制灵敏系数，
值越大，对相应通
升级会员 