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. 畢業(yè)設(shè)計 開 題 報 告 課 題 名 稱 智能輪椅的設(shè)計（機(jī)械部分） 院　 系 機(jī)電與自動化學(xué)院 專 業(yè) 班 機(jī)電1201 姓　 名　胡天華 評 分 指 導(dǎo) 教 師 李奕 武 昌 首 義 學(xué) 院 武昌首義學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計開題報告 學(xué)生姓名 胡天華 學(xué)號 20121100016 專業(yè)班級 機(jī)電1201 院（系） 機(jī)械與自動化學(xué)院 指導(dǎo)教師 李奕 職稱 副教授 課題名稱 智能輪椅的設(shè)計（機(jī)械部分） 1.課題設(shè)計的目的和意義 聯(lián)合國發(fā)表報告指出，全世界人口老齡化進(jìn)程正在加快，今后50年內(nèi)，60歲以的人口比例預(yù)計將會番一番，由于各種災(zāi)難和疾病造成的殘障人士也逐年增加，他們存在不同程度的能力喪失，如行走、視力、動手及語言等[1][2]。為了給老年人和殘障人士提供性能優(yōu)越的代步工具，幫助他們提高行動自由度及重新融入社會，目前美國，德國，日本，法國，加拿大，西班牙及中國等國家對智能輪椅進(jìn)行了研究，使智能輪椅具有記憶地圖，避障，自動行走，與用戶交互等功能。智能輪椅是將智能機(jī)器人技術(shù)運(yùn)用于電動輪椅，融合多種領(lǐng)域的研究，包括機(jī)器視覺，機(jī)器人導(dǎo)航和定位，模式識別，多傳感器融合及用戶接口等，設(shè)計機(jī)械，控制，傳感器，人工智能等技術(shù)，也稱智能輪椅式移動機(jī)器人[3][4] 隨著社會的發(fā)展，特別是城市的快速擴(kuò)張和建設(shè)，以及人口老齡化問題越來越嚴(yán)重和殘障者數(shù)量的不斷增加，對輔助步行工具的需求日益提高。而高樓大廈鱗次櫛比，越來越多的天橋，公園的臺階，小區(qū)上下樓等，卻越來越困擾著輪椅使用者。輪椅作為殘障者的唯一出行工具，受到了越來越多的制約，傳統(tǒng)輪椅已經(jīng)不能滿足多數(shù)人的需求。而隨著科技的發(fā)展及技術(shù)的進(jìn)步，輪椅，應(yīng)該被加以改進(jìn)以適應(yīng)現(xiàn)代社會的環(huán)境。 近十幾年，國內(nèi)外的許多大學(xué).公司和研究機(jī)構(gòu)都對爬樓梯的裝置進(jìn)行了深入的研究，提出了各種各樣的產(chǎn)品或解決方案?？傮w而言，根據(jù)爬升結(jié)構(gòu)的不同，通常采用三種結(jié)構(gòu)原理[5]一種是采用行星輪機(jī)構(gòu)，他們不僅繞自身的軸旋轉(zhuǎn)還饒一個所有輪的共同軸線旋轉(zhuǎn)；一種結(jié)構(gòu)是履帶輪型爬梯輪椅；一種結(jié)構(gòu)是步進(jìn)支撐式?，F(xiàn)如今，我國的輪椅產(chǎn)業(yè)發(fā)展較緩慢，能爬樓梯的多功能輪椅在國內(nèi)尚無成熟的產(chǎn)品。隨著社會生產(chǎn)力的發(fā)展，人們生活水平的不斷提高，考慮老年人及殘疾人對出行方便性的需求，研制具有爬樓梯功能的輪椅具有重大現(xiàn)實意義。 通過本次設(shè)計應(yīng)達(dá)到一下目的 ①在調(diào)查研究、消化資料的基礎(chǔ)上，設(shè)計一臺具有爬樓梯能力的輪椅。要求在爬樓梯時輪椅被充分抬起，連續(xù)以相同的幅度上升（下降）直到足以攀登上（下）第二級臺階，確保椅子的角度不變，確保坐輪椅的人不翻到。 ②在沒有樓梯時，具有平地行走能力與轉(zhuǎn)彎能力，并且可以實現(xiàn)水平方向移動。 ③輪椅應(yīng)具有安全可靠、舒適輕便、價格低廉的特點(diǎn)。 ④總結(jié)和鞏固在校4年所學(xué)的知識，使之進(jìn)一步深化和系統(tǒng)化； 2.主要參考文獻(xiàn)綜述 2.1 智能輪椅的發(fā)展趨勢 爬樓輪椅研究屬于機(jī)器人研究范圍之內(nèi)，因此應(yīng)用型智能機(jī)器人技術(shù)是爬樓梯輪椅及其智能輪椅所當(dāng)然是其發(fā)展趨勢。目前國內(nèi)外研究了很多面向殘疾人及行動不方便人群的輔助行走機(jī)器人，這其中就包括智能輪椅，其功能多樣化，基本上滿足行動不方便人群和殘疾人的要求。但是，大部分還停留在試驗簡短或者少數(shù)定做，并沒有產(chǎn)業(yè)化，市場化。所以，在研究上其發(fā)展空間很大，未來的研究將會朝以下幾個方向發(fā)展。 2.1.1 智能化 智能輪椅要走向?qū)嶋H應(yīng)用，必須綜合應(yīng)用智能技術(shù)，優(yōu)化控制算法，增強(qiáng)自動規(guī)劃和基于傳感智能，如實現(xiàn)自然語言控制，視覺平滑控制，以及在惡劣環(huán)境下自如行走等。也可以結(jié)合一些新科技如計算機(jī)通訊，網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)開發(fā)適應(yīng)遠(yuǎn)程通訊的需要。 2.1.2 人性化 智能化輪椅系統(tǒng)的設(shè)計者應(yīng)該充分考慮到行動不方便人士的要求，從實際情況著手考慮，設(shè)計穩(wěn)定性好，安全舒適，合理的智能輪椅。例如增強(qiáng)輪椅可以上升的功能，iBOT就具備這樣的功能，以便使用者和正常人對話，以及進(jìn)行簡單的力所能及的活動。選擇透氣性好舒適的坐墊，安裝報警裝置，還可以安裝剎車系統(tǒng)，使輪椅操作方式盡可能簡單化。 2.1.3 模塊化 智能輪椅要實現(xiàn)大批量生產(chǎn)及市場化，就必須實現(xiàn)模塊化。整個系統(tǒng)應(yīng)有基本模塊和各個功能模塊組成，每個功能模塊控制一種功能，以便于可以根據(jù)需求選擇，配置最適合自己的輪椅，于此同時模塊化也可以降低生產(chǎn)成本，提高了智能輪椅的性價比。 隨著人工智能，模式識別，圖像處理，計算機(jī)技術(shù)和傳感器技術(shù)的發(fā)展，智能輪椅的功能將更為完善豐富，也將真正進(jìn)入老年人和殘疾人的生活。 綜上所述，國外在爬樓梯裝置方面的研究已經(jīng)有一百多年的歷史了，研究出來的種類多，有一些已經(jīng)可以實現(xiàn)市場化，取得了很大的成果。但是，他們研究出來的產(chǎn)品大多是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價格昂貴，有許多產(chǎn)品價格在十幾萬以上，這對于中國的普通老百姓來說可望而不可及。國內(nèi)的研究相對來說比較晚，雖然也誕生了很多專利，但由于受到體積，重量，穩(wěn)定性及安全性的限制，還沒有產(chǎn)品真正的投入使用。從國內(nèi)外爬樓梯裝置的特點(diǎn)可以看出，爬樓梯輪椅裝置發(fā)展至今除了軌道式爬樓梯裝之外，大多數(shù)爬樓梯輪椅裝置的自主性都不高，仍然需要在旁人的協(xié)助下實現(xiàn)上下樓運(yùn)動。而且存在許多問題值得深入研究。由此可見，為了解決輪椅使用受限的難題，同時還要考慮我國的國情，考慮到使用者的經(jīng)濟(jì)承受能力，研究一種價格低廉，功能多樣的爬樓輪椅勢在必行。 目前，市場上爬樓梯輪椅多種多樣，種類繁多。但是比較優(yōu)秀，實用，價格低廉 的爬樓梯輪椅少之又少。目前，最為先進(jìn)的爬樓輪椅為美國的iBOT。圖1美國 iBOT 由美國著名發(fā)明家迪恩卡門發(fā)明的爬山輪椅iBOT3000獨(dú)立機(jī)動系統(tǒng)（以下簡稱iBOT）是目前為止世界上最為先進(jìn)的具有上下樓梯功能的全自動輪椅。其外形如圖1.1所示。 從外表看上去，iBOT與普通輪椅不大一樣；它有6個輪子，前面一對為直徑10厘米的實心腳輪，后面兩對為直徑30厘米的充氣輪胎。iBOT通過復(fù)雜的陀螺儀系統(tǒng)保持平衡，當(dāng)輪椅上分布的傳感器感受到重心的變化時，它們馬上把這些信息傳輸?shù)轿挥谧蜗旅娴目刂坪兄??？刂坪杏袔讉€“奔騰Ⅲ”處理器和預(yù)先設(shè)計好的程序，這些程序會“命令”輪椅的機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行自我調(diào)整，保持平衡。 iBOT共有3種運(yùn)動模式，一種是正常模式，像普通輪椅一樣在平地上前進(jìn)，6只輪子同時著地；如果遇到崎嶇的路面，沙地或斜坡，它就進(jìn)入四輪驅(qū)動狀態(tài)，靠4個后輪行走。第二種是直立模式，只靠一對后輪接觸地面，iBOT可以保持這種站立姿勢，也能“直立行走”。第3種是爬樓模式，兩對后輪交替“爬”到上一級（或下一級）臺階上。 iBOT的動力由兩個充電電池提供，充一次電需要4小時，充電后可以走15-24公里，它在平地上的最大速度為每小時9.6公里。作為世界上第一種會爬樓梯的輪椅，iBOT可以輕松地在高度為21厘米以下的樓梯上爬上爬下，還能跨過最高不超過15厘米的障礙。此外，它還可以在沙灘、斜坡和崎嶇的路面上前進(jìn)，并能爬上不那么陡的小山坡。 在殘障人士看來，iBOT最了不起的本領(lǐng)“金雞獨(dú)立”才是最讓他們感覺體貼的功能。它把他們升到正常人高度，使他們能夠完成諸如到書架上取書、靠在吧臺上喝酒等普通人能夠做的動作，更重要的是，它給患者一種平等的感覺，這對幫助患者建立自信來說太重要了。 具備自我姿態(tài)平衡穩(wěn)定功能，使用智能手柄操作。最大爬坡能力30度，最大臺階高度21CM，售價30000美元。 iBOT配備了一套計算機(jī)傳感器和陀螺儀，具有很強(qiáng)的自動尋找平衡能力。它有4個同樣大小的輪子，上樓梯過程中，乘坐者背靠樓梯，手扶樓梯把手，當(dāng)身體重量落在兩個后輪上時，前面兩個輪子就會抬起，從后輪上面翻轉(zhuǎn)過去，落至更高一級的樓梯上。乘坐者通過這種調(diào)整重心的辦法，可以操作輪椅兩對輪子不斷翻轉(zhuǎn)，沿樓梯一級一級向上移動。 下樓時原理類似，乘坐者仍面向樓下，通過身體前傾來控制輪椅的運(yùn)動。據(jù)介紹，由于其獨(dú)特的平衡能力，輪椅在上下樓梯的過程中始終能保持穩(wěn)定，座位也一直處于水平。不過，在沒有他人輔助的情況下，乘坐者想要獨(dú)立的上下樓，至少必須一只手具有活動能力。 iBOT采用輪式機(jī)構(gòu)，具有多種運(yùn)行模式，既能在平坦路面上快速行走，也能爬樓梯穿斜坡，這些都是我們需要借鑒的地方，但為了能夠保持始終平衡、自動調(diào)整重心，iBOT使用了多個傳感器和陀螺儀系統(tǒng)，這當(dāng)然會提高輪椅的自動行走能力，但無疑很大程度上加大復(fù)雜程度和成本、價格，對推廣來說造成很大困難。本次設(shè)計要避免一味追求全自動化的傳統(tǒng)設(shè)計理念，改用電機(jī)驅(qū)動+手工輔助的方式，由輔助人員來完成上下樓梯過程中的重心調(diào)整難題，避免復(fù)雜的平衡系統(tǒng)，必將大大降低成本。  3. 課題設(shè)計的主要內(nèi)容 首先，通過分析比較國內(nèi)外三種主流的爬樓機(jī)構(gòu)，結(jié)合實際情況，選擇星輪式作為爬樓輪椅爬樓裝置。裝置需要采用一個或多個電機(jī)控制其平地運(yùn)動和爬樓運(yùn)動。 其次，為了提高使用安全性，需要對由人和裝置組成的系統(tǒng)的重心作適時調(diào)節(jié)，應(yīng)盡量降低重心使其運(yùn)行平穩(wěn)。由于樓梯具有一定的傾角，前后著地之間水平方向的距離減小了，在下樓時系統(tǒng)容易前傾，重心靠近前支點(diǎn)；相反，上樓時系統(tǒng)易后仰，重心靠近后支點(diǎn)，這都使整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性降低。隨著樓梯傾角的增加，這種問題更加明顯，因此必須采用一定的措施適時的調(diào)節(jié)系統(tǒng)的重心。人的重量在整個系統(tǒng)中占有很大的比例，因此通過調(diào)節(jié)座椅相對于裝置的位置便能改變系統(tǒng)的重心；同時通過調(diào)整機(jī)構(gòu)自動調(diào)節(jié)座椅的傾角，使之大體保持水平。 此外，處于安全性考慮，為智能輪椅安裝保險剎車裝置，在有需要的時候使輪子鎖死，防止意外的危險發(fā)生。對于如何實現(xiàn)平地模式與爬樓模式之間的平滑切換也是重要的問題，通過減速器控制，使使用者能控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，達(dá)到切換模式的目的。 4.設(shè)計方案 1.1星輪式 星輪式爬樓輪椅的爬樓機(jī)構(gòu)由均勻分布在“Y”型、“五星”或“+”字形系桿上的若干個小輪構(gòu)成。各個小輪既可以繞各自的軸線自轉(zhuǎn)，又可以隨著系桿一起繞中心軸公轉(zhuǎn)。在平地行走時，各小輪自轉(zhuǎn)，而爬樓梯時，各小輪一起公轉(zhuǎn)，從而實現(xiàn)爬樓梯的功能。目前星型輪機(jī)構(gòu)爬樓輪椅不論是Y型、十字型還是五星型，由于其星輪輪距和深度固定，而樓梯臺階的高、寬尺寸不一，在爬行中容易出現(xiàn)錯位打滑現(xiàn)象，存在的安全隱患。國內(nèi)星型輪爬樓機(jī)由于沒有防滑制動功能，在上下樓時需要人力牽引以防止其往下滑行，對于自重近50公斤的輪椅加人體重量，一旦出現(xiàn)打滑將難以控制。因此，星型輪機(jī)構(gòu)爬樓機(jī)的安全性還有待提高，但由于其結(jié)構(gòu)簡單和造價低廉，在經(jīng)濟(jì)不寬裕的家庭仍有一定的市場。 國內(nèi)外發(fā)明了多種星型輪式爬樓輪椅，大多數(shù)都采用兩組由3個、4個或者5個小輪組成的星型輪，星輪式爬樓輪椅由于安全性不高以及體積較大，且難以在所有住宅樓梯上使用（對臺階寬高尺寸有限制），因此難以普及。這也是星型輪式爬樓梯輪椅盡管發(fā)明專利很多，真正實施和推廣的卻很少的主要原因。 圖2 典型行星輪輪椅爬梯機(jī)構(gòu) 1.2履帶式 圖3 履帶式爬梯輪椅機(jī)構(gòu) 帶型機(jī)構(gòu)的爬樓梯輪椅采用比星型輪機(jī)構(gòu)更為連續(xù)的行走方式，當(dāng)履帶每離開上一臺階或行進(jìn)到下一臺階時會出現(xiàn)因重心偏離而前后傾側(cè)。履帶式爬樓輪椅不適合在樓梯階沿太光滑及斜度大于30－35度的環(huán)境使用。且履帶磨損較大以至后期維修成本高。采用進(jìn)口高質(zhì)量履帶盡管耐磨損性能會得到改善，但會對樓梯階沿造成損傷。履帶式爬樓輪椅平地行走時阻力較大，轉(zhuǎn)角處拐彎不靈活。對此，國內(nèi)外提出過各種各樣的改進(jìn)機(jī)構(gòu)，但目前仍不是很理想。 為克服這一缺點(diǎn)，國內(nèi)外提出過各種各樣的改進(jìn)機(jī)構(gòu)，圖1.4就是一種改進(jìn)的輪-履帶混合機(jī)構(gòu)的爬樓梯輪椅，它在平地行走時利用輪式機(jī)構(gòu)，爬樓梯時放下履帶機(jī)構(gòu)進(jìn)行工作。 圖4 改良輪-履帶混合機(jī)構(gòu)爬梯輪椅 1.3步進(jìn)支撐式 圖5 典型間歇式的爬梯輪椅 圖1.5 典型間歇式的爬梯輪椅 步進(jìn)支撐式爬樓輪椅在國外已有近百年歷史，經(jīng)不斷演變和改良，現(xiàn)已是所有形式爬樓輪椅中安全性較高也是傳動機(jī)構(gòu)比較復(fù)雜的一種。其原理是模仿人體爬樓動作，由兩套支承裝置交替支承，以實現(xiàn)上下樓梯的功能。由于步進(jìn)支撐式爬樓輪椅的安全性相比其它類型的要高，在國外發(fā)達(dá)國家已被廣泛使用。但因其傳動機(jī)構(gòu)復(fù)雜，我國目前還不掌握這種技術(shù)。如圖1.5就是一種典型的間歇式的爬梯輪椅爬行機(jī)構(gòu)原理，這種輪椅的四個輪子由蝸桿和車身相連。平地行駛的時候也，四跟蝸桿伸出的長度相 同，保證車輛平穩(wěn)行走，當(dāng)輪椅需要上下臺階的時候，首先通過蝸桿2的上升，抬起其所連的輪子，前移至臺階上，再將蝸桿2抬起，移至臺階上，整個動作都模仿人上樓梯的動作，運(yùn)動相對比較平穩(wěn)，但是對控制的要求比較高，操作比較復(fù)雜。尤其是步進(jìn)支撐式爬樓輪椅的智能化安全報警和階沿防滑制動技術(shù)還不被國內(nèi)相關(guān)生產(chǎn)廠商所掌握。由于步進(jìn)支撐式爬樓輪椅的傳動機(jī)構(gòu)復(fù)雜而又高度集成的模塊化結(jié)構(gòu)，加之大量高硬度輕質(zhì)材料的使用導(dǎo)致造價高昂。盡管如此，政府和殘疾人家屬出于對殘疾人和老年人上下樓安全的絕對保障需要，還是會優(yōu)先考慮更加安全的而非更廉價的爬樓輪椅。相信隨著步進(jìn)支撐式爬樓輪椅高度的可靠性和安全性體現(xiàn)，將會逐漸成為未來主流的爬樓輪椅服務(wù)于更多的殘疾人和老年人群體。 4.1上下樓梯輪椅機(jī)構(gòu)的確定 通過對比以上各種機(jī)構(gòu)及現(xiàn)有的上下樓梯輪椅，分析其各自的優(yōu)勢和不足之處，主要考慮到運(yùn)動的靈活性，控制的難易度，能量的利用率，使用的安全性等，最終選用輪式機(jī)構(gòu)，為了能實現(xiàn)上下樓梯的功能，借鑒國內(nèi)外爬梯輪椅的功能，采用行星輪機(jī)構(gòu)。 價格 安全性 傳動效率 操作性 復(fù)雜程度 履帶式 中 高 低 中 中 步行式 高 高 中 高 高 星輪式 低 中 低 低 低 1.輪式機(jī)構(gòu)在平地行走時有明顯的優(yōu)勢，這是其他機(jī)構(gòu)所不能比的；而在輪椅車載絕大數(shù)時間內(nèi)還是在平地上運(yùn)行。為了保證輪椅車在絕大數(shù)時間里的考慮，輪式機(jī)構(gòu)是第一選擇。 2.為了使輪式機(jī)構(gòu)具有跨越障礙的能力，通過綜合比較，決定選用行星輪系。行星輪系通過行星輪繞回轉(zhuǎn)中心的公轉(zhuǎn)，實現(xiàn)攀爬樓梯的功能。而且這樣選擇使平地行走和攀爬樓梯可以使用同一個機(jī)構(gòu)，降低設(shè)計的難度。 3.通過分析輪式尤其是星輪式爬樓裝置的優(yōu)越性設(shè)計了一款星輪式爬樓梯電動梯輪椅，在此過程中進(jìn)行機(jī)構(gòu)設(shè)計，傳動裝置以及整體結(jié)構(gòu)的設(shè)計，并進(jìn)行相關(guān)設(shè)計計算，爬升裝置是爬樓梯輪椅的關(guān)鍵，在深入研究爬樓梯輪椅工作機(jī)理基礎(chǔ)上，充分考慮爬樓輪椅爬升裝置的結(jié)構(gòu)和尺寸以及爬升功率﹑安全性等要求。 設(shè)計成型一款星輪式爬樓梯電動輪椅，此輪椅既可以越障爬樓，又具有電動輪椅功能[1]作為爬樓梯輪椅時，具有對不同尺寸樓梯適應(yīng)能力強(qiáng)，安全性好，整體重量輕巧，結(jié)構(gòu)緊湊等特點(diǎn)，作為電動輪椅使用時，可滿足國家標(biāo)準(zhǔn)對動輪椅的要求 圖6 行星輪椅模型爬梯過程 圖7 行星輪爬梯步驟示意圖 5.實施計劃 1周:開題報告答辯 2-7周：根據(jù)擬定的課題實施方案，進(jìn)行深入研究。對所設(shè)計的行星輪使用原理進(jìn)行分析計算，根據(jù)任務(wù)書所提供的資料計算行星輪尺寸。根據(jù)重量估算及選擇電機(jī)。根據(jù)基本尺寸繪制主要零部件草圖和總體裝配圖。 8-10周:檢查所有計算結(jié)果，確保計算的正確性。編寫設(shè)計說明書，撰寫并提交畢業(yè)設(shè)計論文初稿，給指導(dǎo)教師批改論文，聽取老師意見，修改論文，定稿。形成畢業(yè)設(shè)計全部文件。 11周：畢業(yè)設(shè)計論文格式審查，答辯資格審查。 12-13周：準(zhǔn)備答辯，整理資料。 13周：進(jìn)行畢業(yè)設(shè)計/論文修改，完成答辯， 6. 主要參考文獻(xiàn) 參考文獻(xiàn) [1] 田玉梅，殘疾人和老年人的居住空間無障礙研究[D]，天津科技大學(xué)，2003 [2] 李日邦，王五一，譚見安，我國老齡化發(fā)展的研究、趨勢和區(qū)域差異[J]，地理研究，1999（2）；18-25 [3] 何清華，黃素平，黃建雄，智能輪椅的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢[J]，機(jī)器人技術(shù)應(yīng)用，2003（2）；1-3 [4] 項?；I，烏蘭木其，特殊功能輪椅研究概況[J]，中國康復(fù)協(xié)會工程委員會首屆全國學(xué)術(shù)報告論文集，1993；232-237 [5] 隋春平，吳鎮(zhèn)偉，一種基于差動結(jié)構(gòu)的履腿復(fù)合式移動機(jī)器人：CN,201010563622.7[P]2010.11.29 [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. 指導(dǎo)教師意見 指導(dǎo)教師簽字： 年 月 日 答辯小組意見： 組長簽字： 年 月 日 教研室審查意見： 教研室負(fù)責(zé)人簽字： 年 月 日 院系審查意見： 院系負(fù)責(zé)人簽字： （公 章） 年 月 日 （此表由學(xué)生填寫，指導(dǎo)教師、答辯小組、教研室、院系簽署意見） 精選word范本！