智能轮椅开题报告

开 题 报 告

课 题 名 称 智能轮椅的设计（机械部分） 院 系 机电与自动化学院 专 业 班 机电1201 姓 名 胡天华 评 分 指 导 教 师 李奕

武 昌 首 义 学 院

武昌首义学院本科生毕业设计开题报告

学生姓名 院（系） 课题名称 胡天华 机械与自动化学院 学号 指导教师 李奕 专业班级 职称 机电1201 副教授 智能轮椅的设计（机械部分） 1.课题设计的目的和意义 联合国发表报告指出，全世界人口老龄化进程正在加快，今后50年内，60岁以的人口比例预计将会番一番，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[1][2]。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运用于电动轮椅，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，设计机械，控制，传感器，人工智能等技术，也称智能轮椅式移动机器人[3][4] 随着社会的发展，特别是城市的快速扩张和建设，以及人口老龄化问题越来越严重和残障者数量的不断增加，对辅助步行工具的需求日益提高。而高楼大厦鳞次栉比，越来越多的天桥，公园的台阶，小区上下楼等，却越来越困扰着轮椅使用者。轮椅作为残障者的唯一出行工具，受到了越来越多的制约，传统轮椅已经不能满足多数人的需求。而随着科技的发展及技术的进步，轮椅，应该被加以改进以适应现代社会的环境。 近十几年，国内外的许多大学.公司和研究机构都对爬楼梯的装置进行了深入的研究，提出了各种各样的产品或解决方案。总体而言，根据爬升结构的不同，通常采用三种结构原理[5]一种是采用行星轮机构，他们不仅绕自身的轴旋转还饶一个所有轮的共同轴线旋转；一种结构是履带轮型爬梯轮椅；一种结构是步进支撑式。现如今，我国的轮椅产业发展较缓慢，能爬楼梯的多功能轮椅在国内尚无成熟的产品。随着社会生产力的发展，人们生活水平的不断提高，考虑老年人及残疾人对出行方便性的需求，研制具有爬楼梯功能的轮椅具有重大现实意义。 通过本次设计应达到一下目的 ①在调查研究、消化资料的基础上，设计一台具有爬楼梯能力的轮椅。要求在爬楼梯时轮椅被充分抬起，连续以相同的幅度上升（下降）直到足以攀登上（下）第二级台阶，确保椅子的角度不变，确保坐轮椅的人不翻到。 ②在没有楼梯时，具有平地行走能力与转弯能力，并且可以实现水平方向移动。 ③轮椅应具有安全可靠、舒适轻便、价格低廉的特点。 ④总结和巩固在校4年所学的知识，使之进一步深化和系统化； 2.主要参考文献综述 2.1 智能轮椅的发展趋势 爬楼轮椅研究属于机器人研究范围之内，因此应用型智能机器人技术是爬楼梯轮椅及其智能轮椅所当然是其发展趋势。目前国内外研究了很多面向残疾人及行动不方便人群的辅助行走机器人，这其中就包括智能轮椅，其功能多样化，基本上满足行动不方便人群和残疾人的要求。但是，大部分还停留在试验简短或者少数定做，并没有产业化，市场化。所以，在研究上其发展空间很大，未来的研究将会朝以下几个方向发展。 2.1.1 智能化 智能轮椅要走向实际应用，必须综合应用智能技术，优化控制算法，增强自动规划和基于传感智能，如实现自然语言控制，视觉平滑控制，以及在恶劣环境下自如行走等。也可以结合一些新科技如计算机通讯，网络等技术开发适应远程通讯的需要。 2.1.2 人性化 智能化轮椅系统的设计者应该充分考虑到行动不方便人士的要求，从实际情况着手考虑，设计稳定性好，安全舒适，合理的智能轮椅。例如增强轮椅可以上升的功能，iBOT就具备这样的功能，以便使用者和正常人对话，以及进行简单的力所能及的活动。选择透气性好舒适的坐垫，安装报警装置，还可以安装刹车系统，使轮椅操作方式尽可能简单化。 2.1.3 模块化 智能轮椅要实现大批量生产及市场化，就必须实现模块化。整个系统应有基本模块和各个功能模块组成，每个功能模块控制一种功能，以便于可以根据需求选择，配置最适合自己的轮椅，于此同时模块化也可以降低生产成本，提高了智能轮椅的性价比。 随着人工智能，模式识别，图像处理，计算机技术和传感器技术的发展，智能轮椅的功能将更为完善丰富，也将真正进入老年人和残疾人的生活。 综上所述，国外在爬楼梯装置方面的研究已经有一百多年的历史了，研究出来的种类多，有一些已经可以实现市场化，取得了很大的成果。但是，他们研究出来的产品大多是结构复杂，价格昂贵，有许多产品价格在十几万以上，这对于中国的普通老百姓来说可望而不可及。国内的研究相对来说比较晚，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，还没有产品真正的投入使用。从国内外爬楼梯装置的特点可以看出，爬楼梯轮椅装置发展至今除了轨道式爬楼梯装之外，大多数爬楼梯轮椅装置的自主性都不高，仍然需要在旁人的协助下实现上下楼运动。而且存在许多问题值得深入研究。由此可见，为了解决轮椅使用受限的难题，同时还要考虑我国的国情，考虑到使用者的经济承受能力，研究一种价格低廉，功能多样的爬楼轮椅势在必行。 目前，市场上爬楼梯轮椅多种多样，种类繁多。但是比较优秀，实用，价格低廉 的爬楼梯轮椅少之又少。目前，最为先进的爬楼轮椅为美国的iBOT。由美国着名发明家迪恩·卡门发明的爬山轮椅iBOT3000独立机动系统（以下简称iBOT）是目前为止世图1美国 iBOT 界上最为先进的具有上下楼梯功能的全自动轮椅。其外形如图1.1所示。 从外表看上去，iBOT与普通轮椅不大一样；它有6个轮子，前面一对为直径10厘米的实心脚轮，后面两对为直径30厘米的充气轮胎。iBOT通过复杂的陀螺仪系统保持平衡，当轮椅上分布的传感器感受到重心的变化时，它们马上把这些信息传输到位于座椅下面的控制盒中。控制盒有几个“奔腾Ⅲ”处理器和预先设计好的程序，这些程序会“命令”轮椅的机械系统进行自我调整，保持平衡。 iBOT共有3种运动模式，一种是正常模式，像普通轮椅一样在平地上前进，6只轮子同时着地；如果遇到崎岖的路面，沙地或斜坡，它就进入四轮驱动状态，靠4个后轮行走。第二种是直立模式，只靠一对后轮接触地面，iBOT可以保持这种站立姿势，也能“直立行走”。第3种是爬楼模式，两对后轮交替“爬”到上一级（或下一级）台阶上。 iBOT的动力由两个充电电池提供，充一次电需要4小时，充电后可以走15-24公里，它在平地上的最大速度为每小时9.6公里。作为世界上第一种会爬楼梯的轮椅，iBOT可以轻松地在高度为21厘米以下的楼梯上爬上爬下，还能跨过最高不超过15厘米的障碍。此外，它还可以在沙滩、斜坡和崎岖的路面上前进，并能爬上不那么陡的小山坡。 在残障人士看来，iBOT最了不起的本领“金鸡独立”才是最让他们感觉体贴的功能。它把他们升到正常人高度，使他们能够完成诸如到书架上取书、靠在吧台上喝酒等普通人能够做的动作，更重要的是，它给患者一种平等的感觉，这对帮助患者建立自信来说太重要了。 具备自我姿态平衡稳定功能，使用智能手柄操作。最大爬坡能力30度，最大台阶高度21CM，售价30000美元。 iBOT配备了一套计算机传感器和陀螺仪，具有很强的自动寻找平衡能力。它有4个同样大小的轮子，上楼梯过程中，乘坐者背靠楼梯，手扶楼梯把手，当身体重量落在两个后轮上时，前面两个轮子就会抬起，从后轮上面翻转过去，落至更高一级的楼梯上。乘坐者通过这种调整重心的办法，可以操作轮椅两对轮子不断翻转，沿楼梯一级一级向上移动。 下楼时原理类似，乘坐者仍面向楼下，通过身体前倾来控制轮椅的运动。据介绍，由于其独特的平衡能力，轮椅在上下楼梯的过程中始终能保持稳定，座位也一直处于水平。不过，在没有他人辅助的情况下，乘坐者想要独立的上下楼，至少必须一只手具有活动能力。 iBOT采用轮式机构，具有多种运行模式，既能在平坦路面上快速行走，也能爬楼梯穿斜坡，这些都是我们需要借鉴的地方，但为了能够保持始终平衡、自动调整重心，iBOT使用了多个传感器和陀螺仪系统，这当然会提高轮椅的自动行走能力，但无疑很大程度上加大复杂程度和成本、价格，对推广来说造成很大困难。本次设计要避免一味追求全自动化的传统设计理念，改用电机驱动+手工辅助的方式，由辅助人员来完成上下楼梯过程中的重心调整难题，避免复杂的平衡系统，必将大大降低成本。 3. 课题设计的主要内容 首先，通过分析比较国内外三种主流的爬楼机构，结合实际情况，选择星轮式作为爬楼轮椅爬楼装置。装置需要采用一个或多个电机控制其平地运动和爬楼运动。 其次，为了提高使用安全性，需要对由人和装置组成的系统的重心作适时调节，应尽量降低重心使其运行平稳。由于楼梯具有一定的倾角，前后着地之间水平方向的距离减小了，在下楼时系统容易前倾，重心靠近前支点；相反，上楼时系统易后仰，重心靠近后支点，这都使整个系统的稳定性降低。随着楼梯倾角的增加，这种问题更加明显，因此必须采用一定的措施适时的调节系统的重心。人的重量在整个系统中占有很大的比例，因此通过调节座椅相对于装置的位置便能改变系统的重心；同时通过调整机构自动调节座椅的倾角，使之大体保持水平。 此外，处于安全性考虑，为智能轮椅安装保险刹车装置，在有需要的时候使轮子锁死，防止意外的危险发生。对于如何实现平地模式与爬楼模式之间的平滑切换也是重要的问题，通过减速器控制，使使用者能控制电机转速，达到切换模式的目的。 4.设计方案 1.1星轮式 星轮式爬楼轮椅的爬楼机构由均匀分布在“Y”型、“五星”或“+”字形系杆上的若干个小轮构成。各个小轮既可以绕各自的轴线自转，又可以随着系杆一起绕中心轴公转。在平地行走时，各小轮自转，而爬楼梯时，各小轮一起公转，从而实现爬楼梯的功能。目前星型轮机构爬楼轮椅不论是Y型、十字型还是五星型，由于其星轮轮距和深度固定，而楼梯台阶的高、宽尺寸不一，在爬行中容易出现错位打滑现象，存在的安全隐患。国内星型轮爬楼机由于没有防滑制动功能，在上下楼时需要人力牵引以防止其往下滑行，对于自重近50公斤的轮椅加人体重量，一旦出现打滑将难以控制。因此，星型轮机构爬楼机的安全性还有待提高，但由于其结构简单和造价低廉，在经济不宽裕的家庭仍有一定的市场。 国内外发明了多种星型轮式爬楼轮椅，大多数都采用两组由3个、4个或者5个小轮组成的星型轮，星轮式爬楼轮椅由于安全性不高以及体积较大，且难以在所有住宅楼梯上使用（对台阶宽高尺寸有限制），因此难以普及。这也是星型轮式爬楼梯轮椅尽管发明专利很多，真正实施和推广的却很少的主要原因。 图2 典型行星轮轮椅爬梯机构 1.2履带式 带型机构的爬楼梯轮椅采用比星型轮机构更为连续的行走方式，当履带每离开上一台阶或行进到下一台阶时会出现因重心偏离而前后倾侧。履带式爬楼轮椅不适合在楼梯阶沿太光滑及斜度大于30－35度的环境使用。且履带磨损较大以至后期维修成本高。采用进口高质量履带尽管耐磨损性能会得到改善，但会对楼梯阶沿造成损伤。履带式爬楼轮椅平地行走时阻力较大，转角处拐弯不灵活。对此，国内外提出过各种各样的改进机构，但目前仍不是很理想。 图3 履带式爬梯轮椅机构 为克服这一缺点，国内外提出过各种各样的改进机构，图1.4就是一种改进的轮-履带混合机构的爬楼梯轮椅，它在平地行走时利用轮式机构，爬楼梯时放下履带机构进行工作。 图4 改良轮-履带混合机构爬梯轮椅 1.3步进支撑式 步进支撑式爬楼轮椅在国外已有近百年历史，经不断演变和改良，现已是所有形式爬楼轮椅中安全性较高也是传动机构比较复杂的一种。其原理是模仿人体爬楼动作，由两套支承装置交替支承，以实现上下楼梯的功能。由于步进支撑式爬楼轮椅的安全性相比其它类型的要高，在国外发达国家已被广泛使用。但因其传动机构复杂，我国目前还不掌握这种技术。如图1.5就是一种典型的间歇式的爬梯轮椅爬行机构原理，这种轮椅的四个轮子由蜗杆和车身相连。平地行驶的时候也，四跟蜗杆伸出的长度相 图5 1.5 典型间歇式的爬梯轮椅 图典型间歇式的爬梯轮椅同，保证车辆平稳行走，当轮椅需要上下台阶的时候，首先通过蜗杆2的上升，抬起其所连的轮子，前移至台阶上，再将蜗杆2抬起，移至台阶上，整个动作都模仿人上楼梯的动作，运动相对比较平稳，但是对控制的要求比较高，操作比较复杂。尤其是步进支撑式爬楼轮椅的智能化安全报警和阶沿防滑制动技术还不被国内相关生产厂商所掌握。由于步进支撑式爬楼轮椅的传动机构复杂而又高度集成的模块化结构，加之大量高硬度轻质材料的使用导致造价高昂。尽管如此，政府和残疾人家属出于对残疾人和老年人上下楼安全的绝对保障需要，还是会优先考虑更加安全的而非更廉价的爬楼轮椅。相信随着步进支撑式爬楼轮椅高度的可靠性和安全性体现，将会逐渐成为未来主流的爬楼轮椅服务于更多的残疾人和老年人群体。 4.1上下楼梯轮椅机构的确定 通过对比以上各种机构及现有的上下楼梯轮椅，分析其各自的优势和不足之处，主要考虑到运动的灵活性，控制的难易度，能量的利用率，使用的安全性等，最终选用轮式机构，为了能实现上下楼梯的功能，借鉴国内外爬梯轮椅的功能，采用行星轮机构。 价格 履带式 步行式 星轮式 中 高 低 安全性 高 高 中 传动效率 低 中 低 操作性 中 高 低 复杂程度 中 高 低 1.轮式机构在平地行走时有明显的优势，这是其他机构所不能比的；而在轮椅车载绝大数时间内还是在平地上运行。为了保证轮椅车在绝大数时间里的考虑，轮式机构是第一选择。 2.为了使轮式机构具有跨越障碍的能力，通过综合比较，决定选用行星轮系。行星轮系通过行星轮绕回转中心的公转，实现攀爬楼梯的功能。而且这样选择使平地行走和攀爬楼梯可以使用同一个机构，降低设计的难度。 3.通过分析轮式尤其是星轮式爬楼装置的优越性设计了一款星轮式爬楼梯电动梯轮椅，在此过程中进行机构设计，传动装置以及整体结构的设计，并进行相关设计计算，爬升装置是爬楼梯轮椅的关键，在深入研究爬楼梯轮椅工作机理基础上，充分考虑爬楼轮椅爬升装置的结构和尺寸以及爬升功率﹑安全性等要求。 设计成型一款星轮式爬楼梯电动轮椅，此轮椅既可以越障爬楼，又具有电动轮椅功能[1]作为爬楼梯轮椅时，具有对不同尺寸楼梯适应能力强，安全性好，整体重量轻巧，结构紧凑等特点，作为电动轮椅使用时，可满足国家标准对动轮椅的要求 5.实施计划 1周:开题报告答辩 图6 行星轮椅模型爬梯过程 图7 行星轮爬梯步骤示意图 2-7周：根据拟定的课题实施方案，进行深入研究。对所设计的行星轮使用原理进行分析计算，根据任务书所提供的资料计算行星轮尺寸。根据重量估算及选择电机。根据基本尺寸绘制主要零部件草图和总体装配图。 8-10周:检查所有计算结果，确保计算的正确性。编写设计说明书，撰写并提交毕业设计论文初稿，给指导教师批改论文，听取老师意见，修改论文，定稿。形成毕业设计全部文件。 11周：毕业设计论文格式审查，答辩资格审查。 12-13周：准备答辩，整理资料。 13周：进行毕业设计/论文修改，完成答辩， 6. 主要参考文献 参考文献 [1] 田玉梅，残疾人和老年人的居住空间无障碍研究[D]，天津科技大学，2003 [2] 李日邦，王五一，谭见安，我国老龄化发展的研究、趋势和区域差异[J]，地理研究，1999（2）；18-25 [3] 何清华，黄素平，黄建雄，智能轮椅的研究现状和发展趋势[J]，机器人技术应用，2003（2）；1-3 [4] 项海筹，乌兰木其，特殊功能轮椅研究概况[J]，中国康复协会工程委员会首届全国学术报告论文集，1993；232-237 [5] [6] Gosselin, L. and Angeles, J., ‘The optimum kinematic design of a spherical three-degree-of-freedom parallel manipulator’, ASME Journal of Mechanisms, Transmission and Automation in Design, 111(2) (1989) 202-207. 指导教师意见 指导教师签字： 年 月 日 答辩小组意见： 组长签字： 年 月 日 教研室审查意见： 教研室负责人签字： 年 月 日 院系审查意见： 院系负责人签字： （公 章） 年 月 日 （此表由学生填写，指导教师、答辩小组、教研室、院系签署意见）