多功能轮椅研究-控制系统及框架结构设计.docx

多功能轮椅研究-控制系统及框架结构设计 多功能轮椅的探讨 限制系统及框架结构设计 学 院： 专 业： 姓 名： 指导老师： 工业自动化学院 机械工程 李潮阳 学 号： 职 称： 163701106826 尹沾松 副教授 中国·珠海 二二年五月 诚信承诺书 本人慎重承诺 ：本人承诺呈交的毕业设计多功能轮椅的探讨-限制系统及框架结构设计是在指导老师的指导下，独立开展探讨取得的成果，文中引用他人的观点和材料，均在文后按依次列出其参考文献，设计运用的数据真实牢靠。 本人签名： 日期： 2020年 5 月 1 日 多功能轮椅的探讨 限制系统及框架结构设计 摘 要 本文先对多功能智能轮椅的探讨背景、目的、意义、国内外的现状作了阐述，然后总结了本论文主要解决的核心问题和关键技术。依据多功能智能轮椅的主要功能要求，本论文分别对轮椅的机械结构和限制系统进行了探讨和设计。对于机械结构部分的设计主要探讨了人体尺寸数据，并结合人机工程学的理论学问对轮椅的各个结构进行了更加人性化的设计。硬件系统和软件系统组成了多功能智能轮椅限制系统整体。智能轮椅的限制系统由STM32单片机进行限制,并且采纳串口安排功能对硬件进行合理安排，与限制程序共同作用，构成了整个设计的限制系统，并且完成智能轮椅的各个部分的功能需求。最终，对论文的进行了主要探讨内容的总结和探讨发展方向的阐述。 关键词：智能轮椅；人机工程学；轮椅舒适性；限制系统；按摩系统 。 Research on Multifunctional Wheelchair - Control System and Frame Structure Design Abstract In this paper, the research background, purpose, significance and current situation of the multifunctional intelligent wheelchair are described, and then the core problems and key technologies are summarized. According to the main functional requirements of the multi-functional intelligent wheelchair, the mechanical structure and control system of the wheelchair are studied and designed in this paper. For the mechanical structure part of the design mainly studied the human body size data, and combined with the theoretical knowledge of ergonomics to carry out a more humanized design of each structure of the wheelchair. The hardware system and software system constitute the whole multi-function intelligent wheelchair control system. The control system of the intelligent wheelchair is controlled by STM32 microcontroller, and the hardware is distributed reasonably with the serial port distribution function. Together with the control program, the control system of the entire design is constituted, and the functional requirements of each part of the intelligent wheelchair are completed. Finally, the paper summarizes the main research content and elaborates the research development direction. Keywords: intelligent wheelchair; Ergonomics; Wheelchair comfort; Control system; Massage system. 目 录 1 前言 6 1.1探讨背景 6 1.2探讨目的及意义 7 1.3国内外的探讨现状 7 1.3.1国外的发呈现状 7 1.3.2国内发呈现状 9 1.4探讨的主要内容 10 1.4.1探讨解决的主要问题 10 1.4.2论文关键技术 10 2 多功能智能轮椅的总体方案设计 11 2.1主要功能概述 11 2.2机械结构概述 11 2.3限制系统概述 11 3 基于人机工程学轮椅结构设计 13 3.1人体尺寸数据 13 3.1.1人体静态尺寸 13 3.1.2人体动态尺寸 14 3.1.3舒适姿态的生理特征 15 3.1.4人体测量数据的方法 16 3.2座椅各部位的结构设计 17 3.2.1靠背及头枕的设计 17 3.2.2坐垫的设计 21 3.2.3扶手的设计 25 3.2.4脚踏板的设计 26 3.2.5座椅整体框架结构效果图 27 3.3坐卧转换结构设计 28 3.3.1坐卧转换综述 28 3.3.2坐卧转换各活动部位结构 28 3.3.3坐卧转换模式 30 3.4底座上升结构设计 30 3.5座椅按摩结构设计 32 3.5.1座椅按摩结构概述 32 3.5.2 按摩滚轮顶出机构设计 33 3.5.3按摩滚轮行走机构设计 34 3.5.4 按摩机芯整体结构模型 35 4 智能限制系统设计 37 4.1限制系统的硬件设计 37 4.1.1手操器 37 4.1.2外扩协助按键 38 4.1.3电源模块 39 4.1.4微控机STM32单片机 40 4.1.5动力模块 40 4.2限制系统的软件设计 42 4.2.1限制系统总体结构设计 42 4.2.2底盘主程序设计 44 4.2.3坐卧转换及底座上升程序设计 48 4.2.4按摩模块设计 50 5 总结与展望 52 5.1论文主要工作的总结 52 5.2探讨的展望方向 52 参考文献 54 谢 辞 57 附 录 58 1 前言 1.1探讨背景 随着社会的快速发展，科学技术也在快速发展进步，就须要发展顶尖的科学技术。现在不仅国家对高新科学技术很重视，而且各个企业对高新科学技术也非常的重视，都组建了自己的科研小组进行探讨。 我国即将迎来人口老龄化, 联合国报告指出，全国人口老龄化非常严峻，近几年将会持续增长，这也就表明全国各地的人口也都在快速的增长。中国人口老龄化发展趋势预料探讨报告的报告显示，我国的人口老龄化问题也比较严峻有待解决。同时车祸、疾病等不行控的灾难造成的残疾人士也会逐年递增。详细的探讨报告如图1-1所示。 图1-1 残疾家庭比例图 由于疾病车祸等灾难造成的人士因素的影响,许多人都不能正常的生活，都必需依靠各种各样的工具，比如说断腿的残疾人士就必需依靠轮椅或者拐杖来帮助其走路和生活，又比如说断臂的残疾人士一样不能正常的生活，他们的生活想要更加独立，不须要其他人的帮助的话，他们就必需安装假臂来帮助其生活或者利用其它高科技来完成他们的手臂动作。在此论文中主要探讨的是下肢残疾的人士所运用的工具，即对多功能智能轮椅的探讨另外,市场上现有的轮椅不能满作这类残疾人士的需求。同时为了帮助老年人更好的生活一样可以运用轮椅来帮助自己。现在市场上很少有对这类人群而研发适合的产品，因此多功能智能轮椅的探讨就很有必要了。 不仅仅是疾病，此外，由于其他灾难所导致的残疾人士也逐年增多。自己也无法独自运用手动轮椅这也就须要包轮椅设计的更加的智能化和自动化。这类人群不能独自很好的生活，就必需要家人或者特地的人士来照看，这也就又要付出多余的人力物力来照看这类人群。这些状况对于这类人群的家庭来说毫无疑问的增加了家人的压力，对于当今快速发展的社会，这类人群的家人的压力无疑的提升了数倍。而且现在的交通工具并不能满意这类人群的需求，因此多功能智能轮椅就应运而生了 1.2探讨目的及意义 那些由于行动不便而必需运用轮椅的人们也越来越多,所以他们就必需运用轮椅来帮助他们走路，但是假如他们长时间坐在轮椅上就会感觉到疲惫感和不适感。人们对产品设计的舒适性要求也在逐步上升。所以设计者就应当考虑到运用者的舒适性，这也是本论文的探讨重点。针对那些由于行动不便而必需运用轮椅的人们这种状况较多，开发出一种这类人群供应的智能轮椅具有重要的意义，这样的多功能智能轮椅对于提高那些由于行动不便而必需运用轮椅的人们的生活水平有着重要的意义。因此其探讨具有重要的运用价值和社会意义 因此对多功能智能轮椅的探讨现状、发展趋势进行分析探讨，找出轮椅的设计重点和方法就尤为的重要。1.3国内外的探讨现状 1.3.1国外的发呈现状 目前，世界各地许多学者已经再集中探讨多功能智能轮椅了，世界各地相继开发出多种智能轮椅，许多发达国家或者发展中国家都在探讨智能轮椅的项目。以美国麻省理工高校的 WHEELESLEY 和德国乌尔姆高校的MANUS为例介绍国外智能轮椅的探讨现状。美国麻省理工高校开发出了半自主式智能轮椅 WHEELESLEY，它可以运用计算机视觉限制等相关视觉的学问在轮椅上，它的开关就都选用了霍尔传感器方式的开关。美国研发的智能轮椅通过电极感知眼球运动，确定人实现的位置，实现各种限制，这就是闻名的鹰眼系统。如图1-2所示。 图 1-2 WHEELESLEY 德国的 Friend系统的特殊之处就是在智能轮椅上面安装有 MANUS 机器人手臂，它还具有由语音识别功能并通过人机语音交互来限制整个轮椅的限制系统。 轮椅上安装了显示器，能过显示出来智能轮椅的状况。如图1-3 一代、图1-4 二代所示 图 1-3 FRIEND 一代 图1-4 FRIEND 二代 1.3.2国内发呈现状 我国众多学者和高校都在探讨智能轮椅，但是我国在多功能智能轮椅上的探讨并不是很精彩。就目前来说，在这方面的探讨我国较为精彩的探讨成果集中表现在中科院自动化所、上海交通高校所开发的智能轮椅。下面以为这两所高校为例，介绍国内对于智能轮椅的发展状况。 中国科学院自动化探讨所，其研制的智能轮椅 NLPR 具有现在许多的较高水平的探讨比如说视觉导航、语音导航功等这些功能，让智能轮椅真正的实现了这智能化。而且在语音交互模块做的也相对比较完善如图1-5所示。 上海交通高校在近年研制出一种声控型智能轮椅和智能轮椅中国科学院自动化探讨所探讨的智能轮椅非常地相像。可以在短短几秒的时间里执行吩咐，大大的提高了智能轮椅的计算速度。这也是一大突破。上海交通高校开发出了防跌倒功能的智能轮椅，并且还有机械手臂来实现先对应的功能。如图1-6所示。 图1-5 NLPR 图1-6 上海交通高校智能轮椅 总体来说，我们的发展中国对于智能轮椅的探讨还有待提高，这也表明我国的科学技术正处于大力发展阶段。在国内的现阶段中探讨了多功能智能轮椅。 1.4探讨的主要内容 1.4.1探讨解决的主要问题 为提高智能轮椅运用者的生活独立实力,设计开发出一款多功能智能轮椅可实现轮椅运用者独立生活和近距离出行,运行平安牢靠。论文探讨解决的主要问题： 1、轮椅久坐，势必会疲惫，因此该设计要考虑舒适性。2、为了减轻轮椅运用者的家人压力，必需要轮椅运用者能够独立生活，因此设计出访用者能够独自运用的智能轮椅。3、市场上大多数轮椅功能较为单一，因此须要设计多功能并存的轮椅。4、便利省力。5、操控简洁。6、该多功能智能轮椅须要更加大众化更加普遍化，适用范围更加广功能就要多样化，来普及开发。7、经济性也是我们考虑的重点。1.4.2论文关键技术 1、结合人因工程、人机一体化设计出符合人体自燃基准的座椅和自带按摩系统。2、轮椅设计更加智能化和自动化。3、座椅升降实现取用高出物品，坐卧转换实现坐、卧、躺、储等功能，按摩模块使运用者缓解疲惫。4、较为成熟快捷的电动轮椅。 2 多功能智能轮椅的总体方案设计 本论文致力于开发一款高性价比的人性化多功能智能轮椅。该多功能智能轮椅的适用范围是老年人和细致残疾不能够独自生活的特别人群。 本论文对多功能智能轮椅的探讨将主要从两个方面进行探讨，分别是机械结构方面和限制程系统方面。最终总结了论文的结论以及对以后的探讨方向的阐述。2.1主要功能概述 多功能智能轮椅须要满意的要求有：平安性、可行性、稳定性、舒适性、经济性、操作简洁、维护便利等因素。轮椅具有的功能：除了能够正常敏捷行走外，还包括坐、卧、躺、折叠等多种形式的自由转换、底座的上升结构以及按摩结构。2.2机械结构概述 众所周知，座椅是轮椅最总要的结构，座椅的舒适性干脆影响到用户对轮椅好坏的评价，因此座椅的设计就至关重要了。不仅如此座椅的设计肯定要结合人机工程学的理论学问设计出令人舒适的结构，这样设计出来的轮椅才是有用的，满意可行性，才会得到运用者的认可。要想设计出舒适的轮，首先就是要探讨人体尺寸数据，了解人体在什么样的状态姿态下才是最舒适的。然后对轮椅各个结构进行人性化的设计。最终对座椅的功能进行设计和优化。2.3限制系统概述 本论文的限制系统分别是从硬件系统和软件系统两大模块入手，分别对智能轮椅的限制系统进行了探讨。硬件系统和软件系统两者共同作用完成了对智能轮椅的限制。智能限制系统的主控采纳STM32系列单片机，它负责接受操纵杆所发出来的信息指令、按键指令以及各个模块的反馈信息等，以至于完成各个模块的程序指令限制系统的限制。 3 基于人机工程学轮椅结构设计 本节以人体解剖学为协助,以人机工程学理论和人机一体化为基础,对人体尺寸数据进行了探讨，然后对轮椅的各个部位结构进行了设计以及造型结构上的创新和舒适度上的优化，最终对轮椅能够实现的功能进行设计和优化。采纳SolidWorks软件对智能轮椅的结构进行设计和仿真，通过对零部件结构的设计，然后装配，最终形成完整结构，通过导出装配图和主要零部件工程图，最终完成轮椅整体结构的设计。 首先,对现有市场上的轮椅进行了调研，探讨分析了一般轮椅的优缺点，以及查阅资料得到人体在不同状态下的尺寸数据。其后，又对轮椅的人机系统环境进行了分析，依据结论计算出轮椅各个部件的尺寸和结构。完成轮椅的设计：结合人机工程学理论和舒适性设计方法，对智能轮椅的各个部位的结构以及功能进行设计探讨，使轮椅运用者能够享受华蜜健康的生活。3.1人体尺寸数据 3.1.1人体静态尺寸 人体各个部位的尺寸及其相关数据的探讨是人因工程和人机工程学的探讨理论基础和最基本参考，为轮椅的各个部位设计尺寸供应了重要参考依据。表3-1中各项人体尺寸的百分位数据是对智能轮椅探讨的重要依据，以及不同坐姿人体的相关数据（详见附录1），用于本论文中轮椅的脚踏板、坐垫、靠背、头枕和扶手等部分结构的人性化探讨参考。表3-1 中国老年人部分人体尺寸（单位：） 3.1.2人体动态尺寸 探讨人在轮椅上的动态尺寸对于智能轮椅的尺寸设计也是至关重要的，这有助于人们在运用智能轮椅的时候，坐在智能轮椅上的人，更加舒适，也使设计更加人性化，更加适合这类人群运用。他们的动态尺度，如下图4-1所示。在设计上须要测量人机之间的比例关系，这样才能做到设计更加人性化。例如，人们在运用轮椅时，和桌子之间的位置关系。运用轮椅的人们的活动范围和适用范围应当符合大多数一般桌子的高度，便利老年人在适合的高度运用桌子，以及避开尖锐物和不必要的装饰损害。坐轮椅的老年人在生活中的行为所影响的活动范围大小，如图3-1。 图3-1 人体动态尺寸 3.1.3舒适姿态的生理特征 假如座椅设计不合理，将导致人体坐姿不正确，这样不仅仅会给运用者带来疲惫感而且会对人体本身有所损害。因此，首先须要探讨人体处于不同姿态时的生理特征，结合人体的生理特征设计出来的座椅才会更加适合人们运用，这样设计才会更加人性化，设计出来座椅才会更加舒适。 当人体腰曲弧形处于自然状态时，并且腰背的肌肉处于松弛的状态，这样就可与避开出现某些疾病和不适状况。 人体脊柱的主要结构如图3-2所示。因此保持脊柱处于正常的自然弯曲状态至关重要。假如是在正确的舒适的坐姿状态下，脊椎的各个部位的压力都比较匀称，肌肉也比较放送，这样人体坐在智能轮椅上才比较舒适。当处于非自然姿态时，脊椎的各个部位的压力分布不匀称，肌肉也处于紧绷状态，这样将会产生腰部酸痛、疲惫等不适问题。经过查阅资料和探讨，为了保证轮椅的舒适，还应当在轮椅靠背上装上合适位置的头枕，减轻颈椎的压力。 图3-2 脊柱的形态及组成 3.1.4人体测量数据的方法 1、确定轮椅的类型 在涉及人体尺寸的轮椅设计中，设定轮椅尺寸的主要依据是人体尺寸百分位数，因此确定所轮椅的类型就至关重要。本论文中以一般轮椅类型为例，不考虑其他特别状况。 2、选择人体测量百分位数 本论文中人体测量百分位数统一采纳95。3、确定修正量 人体测量标准中修正量的确定包括两个部分，其一是功能修正量，其二是心里修正量。依据查阅的资料所得的数据，功能修正量在6080为正常。因此本论文中确定功能修正量统一采纳70。心理修正量是通过评价表的评分进行统计分析而得。本论文中不在不考虑特别状况的前提下心理修正量为90 5、功能尺寸的设定 轮椅功能尺寸包括最小功能尺寸和最佳功能尺寸，其公式如下： 3.2座椅各部位的结构设计 3.2.1靠背及头枕的设计 对于轮椅的设计，尤为重要的是座椅，靠背又是影响轮椅舒适性的重要因素，因此首先探讨一下椅子的靠背。如图3-3所示，人体坐姿各部位受力状况。而减小椎间盘受到的压力的最有效方法，就是采纳合适的靠背来支撑背部。如图3-4所示，表示了几种不同角度的靠背支撑时，脊椎所承受的压力改变状况。 图3-3人体坐姿各部位受力状况 图3-4 不同腰背支撑对第三腰椎间压力的影响 由上分析可得结论： 不同腰背支撑对第三腰椎间压力不同，且倾角在95-120°之间为最小。 因此轮椅的靠背在设计时，首先必需保证人体的脊柱保持正常的形态。其次，避开座椅过软，当坐下去时形成驼背状态。这样人坐上去才更自然更舒适，座椅假如带有靠枕的话，从探讨的数据表明，这样使坐姿状态下更轻松舒适。探讨表明：满意图3-5所示的曲线时，在座椅上脊椎将处于自然状态，在久坐过程中脊椎不易产生疲惫和损伤。 图3-5 人体背部优化曲线 靠背受力分析和计算，依据和的要求，靠背应能承受力矩1370。头枕后移量不能大于10，应承受1800的作用力，如图3-6所示。 头枕力矩： 2 1.21 1.2 x 370 444 （3.1） 头枕抗压力： F2 1.2F1 1.2 x 800 960 （3.2） 图3-6 头枕载荷分布 图3-7 等应力梁受力分析 依据图3-7的受力分析可知，座椅是悬臂梁结构2 h1 65mm（h1是头枕高度），是3和靠背旋转点之间的距离，是靠背上的任一截面x-x和靠背旋转点之间的距离，靠背骨架在x-x界面上的弯矩是Mx，抗弯截面系数是Wx。应力x由下列公式来计算： = F2 x （h3 - h4） （3.3） 最大弯矩： Mmax = F2 x h3 （3.4） x = Mx / Wx =F2 x （h3 h4）/ Wx （3.5） 最大应力： max = Mx / Wmax = F2 x h3 / Wx （3.6） 参考相关国家标准轮椅座椅外形尺寸要求，依据以上人体测量数据的应用方法可得，座椅宽度的最佳尺寸为铝合金座椅靠背的高为 660mm，宽为 385mm以及靠背倾角95-120°为较为相宜的结构。靠背曲线符合图3-5所示，其二维图形如图3-8所示。 图3-8 铝合金靠背平面图 靠背材料选用ZL101A。由相关资料，可得壁厚为 5mm，内圆角半径为 5mm，外圆角半径为 9mm，拔模斜度为 0°30。详细的图形如下图3-9、图3-10所示。 图3-9 座椅骨架草图 图3-10 座椅靠背三维图 靠背是设计智能轮椅座椅中的主要承压件之一，因此必需满意对座椅的静强度要求。靠背上最大应力的公式如下： max = Mmax / Wz (3.7) 式中Mmax为最大弯矩，Wz 为靠背截面的抗弯截面模量。其中矩形的 Wz计算公式如下 ： Wz = Iz / 0.5h = bhh / 6 （3.8） 将Mmax =350N·m，b=4mm，h=110mm 代入上式得：max=45.3MPa，比 ZL101A 的屈服强度 200MPa 小，因此该靠背的设计满意国标要求。 但是，把靠背截面简化为矩形来计算是不够精确的。想要得到能为精确的数据就须要再将结构细化才行。自此不做细化。 本论文中靠背的设计可以实现电动180°旋转（坐卧转换中具体阐述） 此外靠背另一侧还设有备用雨伞装置，使雨天出行更加便利。三维样板图如图3-11所示。 图3-11 靠背备用雨伞三维样板 3.2.2坐垫的设计 （1）坐垫压力分布探讨 坐垫的设计也是至关重要的，人体处于坐垫上的压力分布数据如下图3-12所示。依据图3-12坐垫压力分布图可知运用户臀部与坐垫接触面积应尽可能的增大，这样当人体坐在椅子上才会更加舒适。减轻臀部旁边肌肉的疲惫感和增加血液循环。以这个理论为依据，图3-12、图3-13所示表明白舒适坐姿压力分布的特点。 图3-12 坐垫压力分布 图3-13 人体下肢和座垫分区 从上图中可以得出以下结论： 坐面深 坐面深距离的长度要能使人得人的整个臀部得到支撑，与此同时，坐深也不能太长，假如太长则人体不能完全占用坐垫，臀部后方则会有很大的空余，因此就会对人体脊椎产生更多不必要的压力。应当让轮椅的靠背便利对腰椎部位起到支撑的作用才行。参考人体尺寸表3-1的数据，这个距离的范围在400-430之间。此外，坐垫表面的形态应当与人的臀部曲线相适应，体现出凹凸互补的趋势，并且具有肯定的弹性和支撑作用。 设计舒适坐垫曲面模型二维尺寸，如图3-14所示。 图3-14 舒适坐垫曲面模型二维尺寸 座面宽 座面宽的距离要满意人臀部的横宽尺寸，由人体测量尺寸中的数据可以得出，人体臀部的尺寸取95百分位时的数据范围大致在400430mm之间，本论文中座面宽为420mm左右较为合适。 臀部坐深 通过试验模型可得出实际结论，如图3-15所示，较为合适的臀部坐深尺寸也许在30上下。适当的臀部坐深对腿部维持肯定的支撑作用，削减腿部的负担。 图3-15 臀部石膏模型 d坐面倾角 由上图3-4不同腰背支撑对脊椎间压力的影响可以得到，就应当适当的提高座椅的坐垫与水平面成的夹角，这个角度大约为4-8°左右，这样的设计也可以减轻疲惫感。 （2）边板的结构设计 边板是连接靠背，坐垫，侧扶手和底座等重要部位结构的承载的部件，必需具有足够的强度。依据国家设计标准，将边板设计为如图3-16所示的结构。材料选用牌号为 6A02 的铝合金板材，抗拉强度为290MPa，厚度为 5mm。如下图6-16、图3-17所示。 图3-16 边板平面图 图3-17 边板三维图 （3）椅架的结构设计 椅架采纳的是铝合金型材，此结构是整个轮椅椅座承载最大的部件。材料为 6061。型材选用 40mm×20mm 方通管，厚度为5mm；如图3-18和图3-19所示 图 3-18 椅架平面图 图3-19 铝合金椅架 3D 图 3.2.3扶手的设计 依据表3-1以及附录1可得百分位选择数据和人体坐姿肘高尺寸等数据，可以得出扶手的各项尺寸数据确定高度为230mm左右扶手间距为460mm左右。如图3-20所示。 扶手分两部分，第一部分是扶手横杆，主要起到手臂支撑作用，此结构可以实现从前向后270°自由旋转，可与靠背重叠。主要是由两个半圆柱管相对旋转实现的。其次部分则是扶手立杆，有一个圆柱构成，亦可实现从前向后90°旋转，可与坐垫重叠，同样是由两个半圆柱管相对旋转实现的。此扶手的另外一个功能则是当轮椅转换成床结构时阻挡床上的人和棉被不滚落到地上。3.2.4脚踏板的设计 脚踏板的设计应当为运用者供应下肢良好的支撑作用。此外，必需保证腿部有足够的活动自如的空间。依据附录1中的数据，所以最为适当的尺寸是410mm。效果如图3-21所示。脚踏板的结构也是可以敏捷变动的，使其在平板和图3-21中所示状态随意切换，在坐卧转换中有着重要作用，在坐卧转换结构设计中具体阐述。 图3-21 脚踏板的结构 3.2.5座椅整体框架结构效果图 铝合金座椅框架装配三维图 铝合金座椅效果三维图 整体座椅效果三维图 3.3坐卧转换结构设计 3.3.1坐卧转换综述 轮椅一般为坐式的，但久坐后势必会产生疲惫感，因此须要转换座椅形态来使人体变换姿态，以达到缓解疲惫的效果。坐卧转换结构草图如图3-22所示 图3-22 坐卧转换结构草图 在图3-22中从右上角起先逆时针旋转依次是正常坐立状态、半躺按摩状态、平躺状态、闲置折叠状态。 3.3.2坐卧转换各活动部位结构 （1）靠背 坐式轮椅靠背则采纳电推力杆为动力，各个结构采纳连杆结构连接。当电动推杆伸缩时带动靠背实现角度的调整。如图3-23结构简图所示。 图3-23 靠背角度变换结构简图 （2）脚踏板 脚踏板也将拆分滑动变换成为一个平板的结构作为床的下半部分 变换前 变换后 图3-24 脚踏板变换效果图 （3）手推柄 在变换为床时，手推也将伸缩变换为床腿来提高床的稳定性 变换前 变换后 图3-25 手推柄变换效果图 3.3.3坐卧转换模式 模式一：坐立式 此模式为正常的轮椅坐立模式，可实现人体正常的移动以及正常的日常活动。 模式二：半卧式 当调整到半卧式时（120°150°）可以启动轮椅的按摩系统（在按摩结构设计具体讲解并描述），来缓解久坐带来的疲惫。模式三：平躺式 同时也可将轮椅调整到平躺式时（180°左右）变换为简易的床来睡觉。转换为床时扶手的两部分结构则可以旋转到竖直向上的状态，成为床的护栏，阻挡人和棉被的掉落。以及后面的手推柄将伸长，变成床的两条腿让床的结构更加稳固。模式四：折叠式 在此模式下，轮椅将被折叠成一个小矩形体，便利轮椅的安放储存。以上四种模式如图3-22所示 3.4底座上升结构设计 一般一般轮椅是不能够实现座椅升降的，但本论文设计了座椅升降结构。由于想要达到运用者能够自主的生活，但有些事情对于坐轮椅的人是比较困难的。例如拿较高桌子上的物品时、取用收放较高衣柜的衣物时、自行到达较高的床上时，对于轮椅运用者的确比较困难。之所以比较困难是因为行动不便，不能取到高位置的物品，但假如轮椅的座椅可以变成升降结构时，这些问题对于轮椅运用者来说及相对简洁许多。同时此结构还实现了减震的效果。坐板升降及减震机构的原理图如图3-26示。 图3-26 坐板升降及减震机构简图 坐板升降及减震机构三维建模如图3-27所示。驱动在下方滑块处放置一个电动推杆，当电动推杆伸缩时，上方的滑块也将滑动，致使座板实现升降的目的 图3-27 三维建模升降及减震装置 3.5座椅按摩结构设计 3.5.1座椅按摩结构概述 依据市场调查的结果显示，将目前按摩椅产品最常见的按摩方式如图3-28所示。 图3-28 按摩手法及其对应的按摩机构实现形式 据此设计出一款可以同时满意以上手法的按摩椅，结构示意图。如图3-29所示。 同时按摩椅还包含了固肾益精法、健脾益胃法、冷静催眠按摩法、自我拍打按摩法、疏通鼻窍治感冒法、刮痧按摩方法等多种方法为一体。按摩轮本文所采纳硅胶按摩轮，其触感松软，可以是按摩更加充分和舒适，并且可以深层按摩。 图3-29 按摩椅按摩机构结构示意 3.5.2 按摩滚轮顶出机构设计 人体脊椎状况是各不相同，不是不变的，而按摩椅轨道是是固定好的，大致为L形的。这将会导致按摩时，按摩轮的运动轨迹不能因不同的适用对象而发生变更，这不利于轮椅的普遍运用要求。为了解决这一类问题，须要按摩轮在背部垂直方向运动。 通过齿轮的啮合来带动按摩滚轮机构做 3D 运动（3D运动指按摩滚轮指既在背部做平面运动又能实现在背部的按压运动），这种方案使得机芯的整体比较紧凑，运行稳定，其原理简图如3-30所示。按摩滚轮顶出机构模型三维图如图3-31所示。 图3-30 按摩滚轮顶出机构原理简图 图3-31 按摩滚轮顶出机构模型三维图 3.5.3按摩滚轮行走机构设计 为了将整个机芯进行上下移动，从而能够对人体背部进行充分的按摩。能完成上下运动的机构可以大致分为三种螺母与丝杆、链条组合、齿轮齿条结合。 齿轮齿条传动传动稳定，且能都承受较大的纵向压力，且不会出现噪音，因此选择方案三齿轮齿条的形式作为按摩滚轮行走机构方案，如图3-32所示。 图3-32 按摩滚轮行走机构三维图 3.5.4 按摩机芯整体结构模型 将按摩机芯的各个零部件组装成一个整体，如图3-33所示的装配图。 图4-31 按摩滚轮机芯模型装配图 4 智能限制系统设计 上一节讲解并描述了轮椅的机械结构，要想让轮椅智能化就必需为其加上限制系统，因此本节主要讲解并描述智能轮椅的限制系统的设计，其主要包括两大模块的设计，分别是限制系统的硬件设计和软件设计。其中硬件设计包括手操器、外扩协助按键、电源模块、微控机STM32单片机以及动力模块等硬件设备选用以及阐述工作原理和运用方法。软件设计包括对系统主程序的设计、地盘运行程序、坐卧转换级底座升降程序设计以及按摩模块设计等方面的讲解并描述以及王丞相对应模块的程序设计。 4.1限制系统的硬件设计 4.1.1手操器 操纵杆也称作手柄是将手移动的位置信息转变为限制器能处理的电压信号。其应用范围较广，包括各行各业都有所应用。本论文选用两传感器霍尔操纵杆，其可以同时限制速度和转向，因此选用霍尔操纵杆作为本设计的手操器。如图4-1所示 图4-1 操作手柄结构图 霍尔操纵杆的工作原理是通过操纵杆的移动来限制智能轮椅的移动，其中包括书读和方向。用户上下移操纵杆能使轮椅前后移动，移动幅度的大小可以限制轮椅转动速度的快慢；同理左右移操纵杆能使轮椅原地转向，移动幅度的大小可以限制轮椅转动速度的快慢。假如斜向某个方向移动操纵杆轮椅则向相同方向移动，同时操纵杆移动的幅度大小确定轮椅移动的快慢。如图4-2所示是将操纵杆的两项输出信号在直角坐标系中进行矢量合成的示意图。 图4-2 操纵杆矢量合成示意图 在图4-2中，其中X轴代表轮椅转向时的速度大小，定义右转为正方向；Y轴表示轮椅前进或后退时的速度大小，定义前进为正方向。以轮椅左右电机为例，转速由下式获得。 手操器的详细功能如下：通过移动操纵杆完成前进、后退、转向等轮椅运行速度和方向的限制。 4.1.2外扩协助按键 如图4-3外扩协助按键电路，该系统一共设置了10个按键，运用独立式外扩协助按键设计方法。当按键按下时，STM32的引脚变为高电平，平常为低电平。R15-R24是限流电阻，阻值为10K，C5-C14为滤波电容，能实现在硬件上去除按键抖动的目的。电源开关按键K1、喇叭按键K2、紧急制动按键K3、坐椅升降键K4和K5、靠背升降键K6和K7、爬楼梯功能键K8、按摩模块K9、照明灯按键K10只有在系统中接入照明模块时才起作用。 图4-3 按键电路 外扩协助按键详细功能如下： 电源开关按键此键盘可以限制手操器电源模块的通断。 喇叭按键此键盘可以限制轮椅喇叭的通断。紧急制动按键当发生紧急状况时，此见键是轮椅实现紧急刹车 坐姿升降键此键限制轮椅完成座椅升降的功能。靠背升降键通过靠背升降键限制座椅完成靠背升降的功能。爬楼梯功能键通过爬楼梯键限制系统进入爬楼梯状态。按摩模块键通过按摩模块键限制系统进入按摩模块键。左右转向灯按键按下对应的按键后左右转向灯将会点亮。警示灯按键按下时使左转和右转指示器同时闪耀，再次按下时关闭相应的指示灯。照明灯按键此键盘可以限制照明灯的通断。4.1.3电源模块 蓄电池的电能容量、伏安特性等质量因素确定电池的续航实力和运用寿命。在此不作具体阐述。铅酸蓄电池是目前全部蓄电池中工作性能最稳定的一种。基于平安的考虑，因此本次智能轮椅的设计选用铅酸电池作为电源模块。4.1.4微控机STM32单片机 如今微控机STM32单片机技术相对较为成熟，先对相对与51单片机系统更为稳定牢靠，相对于PLC系统更为简洁成本更为低廉、体积更小。市面上都有标准的开发板可供干脆购买运用，因此本文限制系统的设计由STM32单片机进行限制用于驱动轮椅移动、转向、爬楼梯(在此不做详述)、座椅升降、靠背升降、按摩等功能，完成一系列的操作。如图4-4所示 图4-4 微控机STM32单片机主板 4.1.5动力模块 （1）电机选用 直流无刷电机结构如图4-5所示，由限制器产生矩形脉冲，脉冲波被线圈电感整流，变成平稳的直流电输出，利用矩形脉冲的占空比来调整电动机的转速，手柄的移动幅度来限制电机转速，手柄的移动方一直限制电机旋转方向。采纳直流无刷电机与操作手柄相结合的方式使操作变得简洁直观，更简单让运用者学习和运用。因此电机选用直流无刷电机。 图4-5 无刷直流电机组成框图 直流无刷电机选型，假设人和轮椅模型的重量均为100kg，平地行走时轮椅须要克服地面摩擦力，假设滚动摩擦系数为0.03。正常时速度一般为0.5m/s，最高运动速度 为2m/s，则所需的电机功率为: P=F*v=(100+100)* 10*0.03*2=120W 轮椅在15°左右的斜坡爬坡时，速度为正常时速，则此时 电机所需功率为: P=F*v*sin15°=200*10*0.5*0.26=260W 故轮椅运用150W的电机。 设置合适的减速比。假定轮椅的轮子直径D=25cm，正常时速，则轮椅驱动