多功能轮椅的研究-控制系统及框架结构设计(李潮阳）3rd Ver.doc

摘 要本文先对多功能智能轮椅的研究背景、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。根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控制系统进行了研究和设计。对于机械结构部分的设计主要研究了人体尺寸数据，并结合人机工程学的理论知识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控制系统整体。智能轮椅的控制系统由STM32单片机进行控制,并且采用串口分配功能对硬件进行合理分配，与控制程序共同作用，构成了整个设计的控制系统，并且完成智能轮椅的各个部分的功能需求。最后，对论文的进行了主要研究内容的总结和研究发展方向的阐述。关键词：智能轮椅；人机工程学；轮椅舒适性；控制系统；按摩系统 。Research on Multifunctional Wheelchair - Control System and Frame Structure DesignAbstractIn 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61.1研究背景61.2研究目的及意义71.3国内外的研究现状71.3.1国外的发展现状71.3.2国内发展现状91.4研究的主要内容101.4.1研究解决的主要问题101.4.2论文关键技术102 多功能智能轮椅的总体方案设计112.1主要功能概述112.2机械结构概述112.3控制系统概述113 基于人机工程学轮椅结构设计133.1人体尺寸数据133.1.1人体静态尺寸133.1.2人体动态尺寸143.1.3舒适姿态的生理特征153.1.4人体测量数据的方法163.2座椅各部位的结构设计173.2.1靠背及头枕的设计173.2.2坐垫的设计213.2.3扶手的设计253.2.4脚踏板的设计263.2.5座椅整体框架结构效果图273.3坐卧转换结构设计283.3.1坐卧转换综述283.3.2坐卧转换各活动部位结构283.3.3坐卧转换模式303.4底座上升结构设计303.5座椅按摩结构设计323.5.1座椅按摩结构概述323.5.2 按摩滚轮顶出机构设计333.5.3按摩滚轮行走机构设计343.5.4 按摩机芯整体结构模型354 智能控制系统设计374.1控制系统的硬件设计374.1.1手操器374.1.2外扩辅助按键384.1.3电源模块394.1.4微控机STM32单片机404.1.5动力模块404.2控制系统的软件设计424.2.1控制系统总体结构设计424.2.2底盘主程序设计444.2.3坐卧转换及底座上升程序设计484.2.4按摩模块设计505 总结与展望525.1论文主要工作的总结525.2研究的展望方向52参考文献54谢 辞57附 录581 前言1.1研究背景随着社会的快速发展，科学技术也在快速发展进步，就需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十分的重视，都组建了自己的科研小组进行研究。我国即将迎来人口老龄化, 联合国报告指出，全国人口老龄化十分严重，近几年将会持续增长，这也就表明全国各地的人口也都在迅速的增长。中国人口老龄化发展趋势预测研究报告的报告显示，我国的人口老龄化问题也比较严重有待解决。同时车祸、疾病等不可控的灾害造成的残疾人士也会逐年递增。具体的研究报告如图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,很多人都不能正常的生活，都必须依靠各种各样的工具，比如说断腿的残疾人士就必须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，不需要其他人的帮助的话，他们就必须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。在此论文中主要研究的是下肢残疾的人士所使用的工具，即对多功能智能轮椅的研究另外,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使用轮椅来帮助自己。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研究就很有必要了。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。自己也无法独自使用手动轮椅这也就需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，就必须要家人或者专门的人士来照顾，这也就又要付出多余的人力物力来照顾这类人群。这些情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，对于当今迅速发展的社会，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足这类人群的需求，因此多功能智能轮椅就应运而生了1.2研究目的及意义那些由于行动不便而必须使用轮椅的人们也越来越多,所以他们就必须使用轮椅来帮助他们走路，但是如果他们长时间坐在轮椅上就会感觉到疲劳感和不适感。人们对产品设计的舒适性要求也在逐步上升。所以设计者就应该考虑到使用者的舒适性，这也是本论文的研究重点。针对那些由于行动不便而必须使用轮椅的人们这种情况较多，开发出一种这类人群提供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须使用轮椅的人们的生活水平有着重要的意义。因此其研究具有重要的使用价值和社会意义因此对多功能智能轮椅的研究现状、发展趋势进行分析研究，找出轮椅的设计重点和方法就尤为的重要。1.3国内外的研究现状1.3.1国外的发展现状目前，世界各地很多学者已经再集中研究多功能智能轮椅了，世界各地相继开发出多种智能轮椅，很多发达国家或者发展中国家都在研究智能轮椅的项目。以美国麻省理工大学的 WHEELESLEY 和德国乌尔姆大学的MANUS为例介绍国外智能轮椅的研究现状。美国麻省理工大学开发出了半自主式智能轮椅 WHEELESLEY，它可以使用计算机视觉控制等相关视觉的知识在轮椅上，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，实现各种控制，这就是著名的鹰眼系统。如图1-2所示。图 1-2 WHEELESLEY德国的 Friend系统的特别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控制整个轮椅的控制系统。轮椅上安装了显示器，能过显示出来智能轮椅的情况。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国内发展现状我国众多学者和大学都在研究智能轮椅，但是我国在多功能智能轮椅上的研究并不是很出色。就目前来说，在这方面的研究我国较为出色的研究成果集中表现在中科院自动化所、上海交通大学所开发的智能轮椅。下面以为这两所大学为例，介绍国内对于智能轮椅的发展情况。 中国科学院自动化研究所，其研制的智能轮椅 NLPR 具有现在很多的较高水平的研究比如说视觉导航、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。上海交通大学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研究所研究的智能轮椅十分地相似。可以在短短几秒的时间里执行命令，大大的提高了智能轮椅的计算速度。这也是一大突破。上海交通大学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 上海交通大学智能轮椅总体来说，我们的发展中国对于智能轮椅的研究还有待提高，这也表明我国的科学技术正处于大力发展阶段。在国内的现阶段中研究了多功能智能轮椅。1.4研究的主要内容1.4.1研究解决的主要问题为提高智能轮椅使用者的生活独立能力,设计开发出一款多功能智能轮椅可实现轮椅使用者独立生活和近距离出行,运行安全可靠。论文研究解决的主要问题：1、轮椅久坐，势必会疲劳，因此该设计要考虑舒适性。2、为了减轻轮椅使用者的家人压力，必须要轮椅使用者能够独立生活，因此设计出使用者能够独自使用的智能轮椅。3、市场上大多数轮椅功能较为单一，因此需要设计多功能并存的轮椅。4、方便省力。5、操控简单。6、该多功能智能轮椅需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，按摩模块使使用者缓解疲劳。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殊人群。本论文对多功能智能轮椅的研究将主要从两个方面进行研究，分别是机械结构方面和控制程系统方面。最后总结了论文的结论以及对以后的研究方向的阐述。2.1主要功能概述多功能智能轮椅需要满足的要求有：安全性、可行性、稳定性、舒适性、经济性、操作简单、维护方便等因素。轮椅具有的功能：除了能够正常灵活行走外，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，座椅的舒适性直接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一定要结合人机工程学的理论知识设计出令人舒适的结构，这样设计出来的轮椅才是有用的，满足可行性，才会得到使用者的认可。要想设计出舒适的轮，首先就是要研究人体尺寸数据，了解人体在什么样的状态姿势下才是最舒服的。然后对轮椅各个结构进行人性化的设计。最后对座椅的功能进行设计和优化。2.3控制系统概述本论文的控制系统分别是从硬件系统和软件系统两大模块入手，分别对智能轮椅的控制系统进行了研究。硬件系统和软件系统两者共同作用完成了对智能轮椅的控制。智能控制系统的主控采用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控制系统的控制。3 基于人机工程学轮椅结构设计本节以人体解剖学为辅助,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研究，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，最后对轮椅能够实现的功能进行设计和优化。采用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，最后形成完整结构，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，研究分析了普通轮椅的优缺点，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，根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研究，使轮椅使用者能够享受幸福健康的生活。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研究是人因工程和人机工程学的研究理论基础和最基本参考，为轮椅的各个部位设计尺寸提供了重要参考依据。表3-1中各项人体尺寸的百分位数据是对智能轮椅研究的重要依据，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研究参考。表3-1 中国老年人部分人体尺寸（单位：）3.1.2人体动态尺寸研究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，这有助于人们在使用智能轮椅的时候，坐在智能轮椅上的人，更加舒适，也使设计更加人性化，更加适合这类人群使用。他们的动态尺度，如下图4-1所示。在设计上需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，人们在使用轮椅时，和桌子之间的位置关系。使用轮椅的人们的活动范围和适用范围应该符合大多数普通桌子的高度，方便老年人在适合的高度使用桌子，以及避免尖锐物和不必要的装饰伤害。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如果座椅设计不合理，将导致人体坐姿不正确，这样不仅仅会给使用者带来疲劳感而且会对人体本身有所伤害。因此，首先需要研究人体处于不同姿势时的生理特征，结合人体的生理特征设计出来的座椅才会更加适合人们使用，这样设计才会更加人性化，设计出来座椅才会更加舒服。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，这样就可与避免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。如果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均匀，肌肉也比较放送，这样人体坐在智能轮椅上才比较舒服。当处于非自然姿势时，脊椎的各个部位的压力分布不均匀，肌肉也处于紧绷状态，这样将会产生腰部酸痛、疲劳等不适问题。经过查阅资料和研究，为了保证轮椅的舒适，还应该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 脊柱的形状及组成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。本论文中以普通轮椅类型为例，不考虑其他特殊情况。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用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。根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用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殊情况的前提下心理修正量为905、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，因此首先研究一下椅子的靠背。如图3-3所示，人体坐姿各部位受力情况。而减小椎间盘受到的压力的最有效方法，就是采用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，脊椎所承受的压力变化情况。 图3-3人体坐姿各部位受力情况 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，首先必须保证人体的脊柱保持正常的形状。其次，避免座椅过软，当坐下去时形成驼背状态。这样人坐上去才更自然更舒适，座椅如果带有靠枕的话，从研究的数据表明，这样使坐姿状态下更轻松舒适。研究表明：满足图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劳和损伤。图3-5 人体背部优化曲线靠背受力分析和计算，根据和的要求，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 等应力梁受力分析根据图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，根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°为较为适宜的结构。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。具体的图形如下图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，因此必须满足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足国标要求。 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需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（坐卧转换中详细阐述）此外靠背另一侧还设有备用雨伞装置，使雨天出行更加方便。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）坐垫压力分布研究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。根据图3-12坐垫压力分布图可知使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。减轻臀部附近肌肉的疲劳感和增加血液循环。以这个理论为根据，图3-12、图3-13所示表明了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，如果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。应该让轮椅的靠背方便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，坐垫表面的形状应该与人的臀部曲线相适应，体现出凹凸互补的趋势，并且具有一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足人臀部的横宽尺寸，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。臀部坐深通过实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大概在30上下。适当的臀部坐深对腿部维持一定的支撑作用，减少腿部的负担。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，就应该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劳感。（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，必须具有足够的强度。根据国家设计标准，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用的是铝合金型材，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扶手的设计根据表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。第二部分则是扶手立杆，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该为使用者提供下肢良好的支撑作用。此外，必须保证腿部有足够的活动自如的空间。根据附录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灵活变动的，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详细阐述。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劳感，因此需要转换座椅形态来使人体变换姿势，以达到缓解疲劳的效果。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中从右上角开始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用电推力杆为动力，各个结构采用连杆结构连接。当电动推杆伸缩时带动靠背实现角度的调节。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：半卧式当调节到半卧式时（120°150°）可以启动轮椅的按摩系统（在按摩结构设计详细讲述），来缓解久坐带来的疲劳。模式三：平躺式同时也可将轮椅调节到平躺式时（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，阻止人和棉被的掉落。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，方便轮椅的安放储存。以上四种模式如图3-22所示3.4底座上升结构设计一般普通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。由于想要达到使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，对于轮椅使用者确实比较困难。之所以比较困难是因为行动不便，不能取到高位置的物品，但如果轮椅的座椅可以变成升降结构时，这些问题对于轮椅使用者来说及相对简单很多。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座椅按摩结构概述根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足以上手法的按摩椅，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、镇静催眠按摩法、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。按摩轮本文所采用硅胶按摩轮，其触感柔软，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 人体脊椎情况是各不相同，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改变，这不利于轮椅的普遍使用要求。为了解决这一类问题，需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 智能控制系统设计上一节讲述了轮椅的机械结构，要想让轮椅智能化就必须为其加上控制系统，因此本节主要讲述智能轮椅的控制系统的设计，其主要包括两大模块的设计，分别是控制系统的硬件设计和软件设计。其中硬件设计包括手操器、外扩辅助按键、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使用方法。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述以及王丞相对应模块的程序设计。4.1控制系统的硬件设计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控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，其可以同时控制速度和转向，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控制智能轮椅的移动，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控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控制轮椅转动速度的快慢。如果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决定轮椅移动的快慢。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。手操器的具体功能如下：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控制。4.1.2外扩辅助按键如图4-3外扩辅助按键电路，该系统一共设置了10个按键，使用独立式外扩辅助按键设计方法。当按键按下时，STM32的引脚变为高电平，平时为低电平。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 按键电路外扩辅助按键具体功能如下：电源开关按键此键盘可以控制手操器电源模块的通断。喇叭按键此键盘可以控制轮椅喇叭的通断。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控制轮椅完成座椅升降的功能。靠背升降键通过靠背升降键控制座椅完成靠背升降的功能。爬楼梯功能键通过爬楼梯键控制系统进入爬楼梯状态。按摩模块键通过按摩模块键控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烁，再次按下时关闭相应的指示灯。照明灯按键此键盘可以控制照明灯的通断。4.1.3电源模块蓄电池的电能容量、伏安特性等质量因素决定电池的续航能力和使用寿命。在此不作详细阐述。铅酸蓄电池是目前所有蓄电池中工作性能最稳定的一种。基于安全的考虑，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可靠，相对于PLC系统更为简单成本更为低廉、体积更小。市面上都有标准的开发板可供直接购买使用，因此本文控制系统的设计由STM32单片机进行控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，由控制器产生矩形脉冲，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节电动机的转速，手柄的移动幅度来控制电机转速，手柄的移动方向来控制电机旋转方向。采用直流无刷电机与操作手柄相结合的方式使操作变得简单直观，更容易让使用者学习和使用。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，平地行走时轮椅需要克服地面摩擦力，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故轮椅使用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，则轮椅驱动轮输出转速为:n= 2.55r/s=153rpm（根据w=v/r，推算） 由以上结论得选减速器减速比为20。 （2）电力推杆选用电动推杆可以把旋转的运动转换为直线往复运动的电力驱动装置，实现远距离控制、集中控制或自动控制