机电一体化设计.docx

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机电一体化设计

基于单片机的多功能智

能轮椅的模块化设计

班级：

机自10-4班

姓名：

张发

学号：

100401140422

目录

1背景····················································4

1.1设计背景与来源········································4

1.2发展现状···············································4

1.2.1国外研究现状及发展趋势···························4

1.2.2国内的发展现状···································6

2设计内容················································6

2.1应用环境···············································6

2.2设计任务···············································7

2.2.1理论依据：

机器人的路径规划理论···················7

2.2.2局部路径规划·····································7

3总体设计方案············································8

3.1方案手动控制·········································8

3.2方案自主避障控制·····································8

3.3方案语音控制模态可避障系统···························9

3.4方案基于单片机的多功能智能轮椅的模块化设计············9

3.5方案的比较与确定······································10

4机械部分的设计········································10

4.1机械本体·············································10

4.2驱动方式··············································11

4.2.1位置控制模式···································11

4.2.2速度控制模式···································11

4.3传动链的设计·········································11

4.4伺服电机的选择·······································12

5软件与控制部分·········································12

5.1主控模块··············································12

5.2语音识别与回放模块····································12

5.3超声波避障模块········································13

5.4操纵杆控制模块········································13

5.5直流电机驱动模块······································14

5.6电机转速检测模块······································15

6智能轮椅控制系统软件设计·······························16

7结论···················································16

附录

1.参考文献

2.程序代码

3.图纸

1背景信息

1.1设计背景与来源

联合国发表报告指出：

当二十一世纪上半叶到来时，全球人口将增加0．6倍，而老年人口将增加2.3倍，老年人口占总人口的比例将上升到20％。

也就是说全世界人口老龄化进程正在加快，今后50年内，60岁以上的人口比例预计将会翻一番。

而我国是人口最多的国家，老龄化和残疾是我们不得不面对的重大问题，据老龄委统计结果显示，目前我国60岁以上的老年人已达到1.43亿，超过总人口的10％。

而我国有残疾人6000多万，平均每5个家庭就有一个残疾人。

另一项调查显示，2000年，我国60岁以上老年人中有腿脚不便情况的人已接近2800万。

此外，根据中残联统计数据，目前我国肢体残疾人接近900万，其下肢残疾人为200万左右。

随着老年人和残疾人的日益增多，服务需求将会日益增加。

作品以“关爱残疾人”为设计主题、以“创新、简约、实用”为设计理念，通过深入广泛的市场调研及多方论证，最终确定在现有普通型轮椅上增设自动控制装置与简易工作装置。

利用自动控制装置，双腿残疾人士可以依靠自动监测与控制装置规避障碍物及其他；简易工作装置结构新颖，方便了双腿残疾人士的学习、生活。

通过以上改进，提升残疾人士的生活质量，增强生活自信心。

1.2发展现状

1.2.1国外研究现状及发展趋势

自1986年英国开始研制第一辆智能轮椅来,许多国家投入较多资金研究智能轮椅。

如美国麻省理工学院WHEELESLEY项目、法国VAHM项目、德国乌尔姆大学MAID（老年人及残疾人助动器）项目、BremenAutonomousWheelchair项目、西班牙SIAMO项目、加拿大AAI公司TAO项目、欧盟TIDE项目、KISS学院TINMAN项目、台湾中正大学电机系LUOSON项目、我国863智能机器人智能轮椅项目及第三军医大学外科研究所项目等。

由于各个实验室的目标及研究方法不尽相同,每种轮椅解决的问题及达到的能力不同。

初期的研究,赋予轮椅的功能一般都是低级控制,如简单的运动、速度控制及避障等。

随着机器人控制技术的发展,移动机器人大量技术用于轮椅,智能轮椅在更现实的基础上,有更好的交互性、适应性、自主性。

西班牙SIAMO始于1996年,由ONCE基金会资助,目标是根据用户的残障程度及特殊需求建造多功能系统。

为达到要求,特别究了系统的模块化和灵活性,设计了分布式构架,也着重开发了人机界面,使用户更易于控制轮椅。

其中电子系统完全由ALCALA大学电子系开发,包括运动和驾驶控制（低级控制）、基于语音的人机界面、操纵杆、由超声波和红外传感器组成的感知系统（高级控制）,轮椅可以探测障碍及突发不平地带。

随着项目的发展,整个系统包括一个完整的环境感知及综合子系统、一个高级决策导航与控制子系统和人机界面三个部分,人机界面有五种方式呼吸驱动、用户独有语音识别、头部运动、眼电法及智能操作杆,大大增加了用户与轮椅交互的方式,使轮椅的功能更为丰富,而模块化保证了将来产品商业化更为容易。

1989年法国开始研究VAHM项目,第一阶段的智能轮椅由轮椅、PC486、超声波传感器、人机界面和一个可匹配用户身体能力转换的图形屏幕组成,设置为手动、自动、半自动三种模式,手动时轮椅执行用户具体指令和行动任务;自动状态用户只需选定目标,轮椅控制整个系统,此模式需要高度的可靠性;半自动模式下用户与轮椅分享控制。

为了更好适应用户需求,研究者在康复中心进行了一系列调查,得出结论:

系统必须是多功能的,不仅应适应残障人士的生理和认知能力,也应适应环境的结构和形态。

在此基础上,经改进研制出第二代产品,相对于第一代产品,其功能更丰富,面向用户范围更广,性价比更好,改良了大量控制。

德国乌尔姆大学在一个商业轮椅基础上研制了轮椅机器人MAID，在乌尔姆市中心车站的客流高峰期及1998年汉诺威工业商品博览会的展览大厅环境中进行了实地现场表演。

该轮椅机器人在公共场所拥挤有大量乘客的环境中,进行了超过36小时的考验,能够自动识别和判断出行驶的前方是否有行人挡路,或是否可能出现行驶不通的情况,自动采取绕行动作,它甚至还能够提醒挡路的行人让开道路。

根据航行的环境不同,机器运行模式分为:

NAN（狭窄区域航行）和WAN（宽区域航行）,大大增加了航行准确率。

此项目得到德国科学技术部的财政支持,据计划,这种智能轮椅将于两年后正式面世,价格会比普通电动轮椅高出约50%。

麻省理工智能实验室的智能轮椅威尔斯利,为一半自主式机器人轮椅,配备有计算机控制和传感器的电动轮椅,还装有一个Macintosh笔记本电脑用于人机界面交互,其硬件是从KISS学院买来用于机器人实践。

系统有两种级别的控制:

高级方向指令和低级计算机控制路线,用户拥有最高控制级别。

系统由两部分组成,智能轮椅系统提供低级控制,避障和保证正确的运动方向;用户和轮椅之间的人机界面提供高级控制。

这个智能轮椅允许用户通过三种方式来进行控制:

菜单、操纵杆和用户界面。

菜单模式下,轮椅的操作类似一般的电动轮椅。

在操纵杆模式下,用户通过操纵杆发出方向命令来避障。

用户界面模式下,用户和机器之间仅需通过用户眼睛运动来控制轮椅,即用鹰眼系统来进行驱动。

该轮椅在国际联合会的机器人轮椅展览中夺得第一,且是唯一不需要人来指导即穿过门口的机器人。

1.2.2国内的发展现状

我国智能轮椅研究起步较晚,在机构的复杂性和灵活性上和国外相比有一定差距,但也根据自身特色研制出技术指标接近国外先进水平的智能轮椅。

研究单位有中科院自动化所、上海交通大学和第三军医大学等。

中国科学院自动化研究所研制了一种具有视觉和口令导航功能并能与人进行语音交互的机器人轮椅,曾在"863"计划十五周年成就展展馆的人群中穿梭自如。

此项研究成果于2000年11月通过“863”智能机器人主题专家组的鉴定,并研制出我国第一台多模态交互式智能轮椅样机。

此项研究高度重视了智能轮椅人机控制界面的设计,在轮椅的设计中综合运用模式识别实验室有关图像处理、计算机视觉和语音识别等最新成果,使人能通过语音控制轮椅自由行走,轮椅可以实现简单的人机对话功能。

上海交通大学开发成功一种声控轮椅,主要是为四肢全部丧失功能的残疾者设计,使用者只需发出“开”、“前”、“后”、“左”、“右”、“快”、“慢”、“停”等指令,轮椅可在1.2秒内按指令执行。

。

上海交通大学研制的智能轮椅具有自辛避障，目标跟踪和防跌功能。

同时还设计可抓取日常用品的机械手臂。

台湾中正大学电机系以一台工业级Pc为控制中心，通过马达控制卡驱动放大器，利用操作杆执行基本的电动轮椅操作功能，采取平行化设计，配备了麦克风、CCD，LCD、传感器、无线网络通讯界面等，并搭配了自行开发的软件以达到系统配置最佳效果。

天津大学研制的智能轮椅可用脑电信号控制智能轮椅，采用的控制器是计算机。

2.设计内容

2.1应用环境

适用于双腿残疾或老年人的日常生活中，极大帮助他们，在生活中更加方便，设计的自动轮椅不仅要能避开固定的障碍物，还能进行速度的测定，同时能避开驶来的汽车等，减少残疾人和老年人发生的事故，给他们生活的信心。

2.2设计任务

2.2.1理论依据：

机器人的路径规划理论

在已有的轮椅结构中首先要加入反馈装置，即传感器，形成闭环控制，使轮椅能对速度与位置进行自我调节。

自动轮椅的路径规划理论路径规划技术是移动机器人技术研究领域中的一个重要分支，是机器人智能化的重要标志。

总的控制目标是使移动机器人运动到目标点，总的约束是在整个过程中，机器人不碰到任何一个障碍物。

该问题根据对环境信息的掌握程度可以分为两类：

一类是环境信息已知的全局规划，另一类是环境信息未知的局部规划。

全局规划方法依照己获取的环境信息，给机器人规划出一条路径，规划路径的精确程度取决于获取环境信息的准确程度。

全局方法通常可以寻找最优解，但是需要预先知道环境的准确信息，并且计算量很大。

局部规划方法侧重于考虑机器人当前的局部环境信息，让机器人具有良好的避碰能力。

很多机器人规划方法通常是局部的方法，因为它的信息获取仅仅依靠传感器系统获取的信息，并且随着环境的变化实时地发生变化。

和全局规划方法相比较，局部规划方法更具有实时性和实用性。

缺陷是仅仅依靠局部信息，有时会产生局部极点，无法保证机器人能顺利到达目的地。

上述两种方法各有利弊，故将两种方法互相结合，取长补短的综合研究方法渐渐成为研究的趋势。

（1）环境信息的获得，即研究机器人获得周围工作环境信息的途径的问题，其中最普遍的方式就是通过自身的各类传感器来获取，除此之外还有示教等。

这里面涉及到机器人的导航与定位的问题以及传感器信息融合等问题。

（2）环境信息的理解问题，也可以称之为将环境建模或建立地图模型，即’运一些算法将所获得的环境信息变成机器人能够识别和运用的数据信息，以备下一进行可行路径的搜索，主要是一些算法理论的研究。

（3）可行路径搜索问题，即研究如何将第二步所得的数据信息按照一定的标准或要求组织生成一条（段）可行的路径，主要是一些优化算法和理论的研究。

按运动类型的不同，移动机器人的路径规划可分为三种：

最优路径规划、局部路径规划和自适应路径规划。

2.2.2局部路径规划局部路径规划是指在未知或者部分已知的环境中进行的路径规划，它根据有无最终目标位置可以分成两种情况：

探索和漫游。

后者仅要求移动机器人能避开障碍物，对运动的朝向没有约束。

而对前者，则还有个最终目标位置作指引，机器人必须努力向这个位置靠近，在机器人前进的过程中，由于缺乏先验的全局环境信息，有时一条明显的路径要花费很大努力才能找到，而且由于信息的不完整性，不存在全局意义上的最优指标，但它可以达到某种次优性。

这种情况下，移动机器人一般配有能感知周围局部环境的距离传感器，其路径规划则常按照“Hypothesize．and．test假设一测试，HT"的思想来实现，顾名思义，它先假设一条从起点到终点的直线路径，行进过程中，发现正前方有障碍物时，一般采用沿着障碍物边缘行走的方法避障，直到它发现前方目标方向上不再有障碍物时，又转回到这条直线路径上来：

为了让工作在漫游状态下的移动机器人能避开动态障碍物，一类基于行为的路径规划方法被大量采用。

它把路径规划问题分解成许多相对独立的小系统，在运行状态下通过竞争机制取得控制机器人运动的主导权，并在环境交互作用中最终达到目标。

对室外移动机器人，它的移动范围大，由于环境是不可预知的，在它的行驶过程中，必须以局部环境信息和机器人自身状态信息为基础，规划出一段短行程内与障碍物无碰撞的理想路径。

3总体设计方案

3.1方案手动控制

常规模态，智能轮椅相当于普通的电动轮椅。

此模态有两种控制方式，手柄控制和键盘控制。

使用者即可通过手柄，也可通过小键盘操作输出四路模拟电压，轮椅本身配有电机控制器，四路模拟电压通过电机控制器产生直流电机信号来控制直流电机，通过对直流电机的开环控制控制轮椅的前进、后退、加速、减速、左转、右转、停止等运动控制。

3.2方案自主避障控制

本课题智能轮椅是基于超声波传感器技术基础上的避障控制。

由分布在轮椅各个方向上的七组超声波传感器获得障碍物信息，由单片机根据获得的障碍物信息做出相应的避障决策，使智能轮椅灵活避障。

3.3方案语音控制模态可避障系统

智能轮椅语音控制系统是属于一个拥有数个或十余个词的小词汇量的语音识别控制系统，使用者先进行自身的语音训练，训练好的语音模型保存在存储器中，当用户选择语音控制模态后，语音命令与存储器中的语音模型进行相似度对比，从而实现语音识别。

进而实现语音控制。

如果语音控制过程中出现障碍物，播放“前方有障碍物，重新识别"。

同时可以输入其它语音控制命令。

3.4方案基于单片机的多功能智能轮椅的模块化设计

此方案是手动与自动联合控制，是基于单片机控制理论。

自动轮椅不仅能进行自动行走避障，还可以手动操作控制，自动控制优于手动操作，自动控制不仅可以避免一些人为失误，从而发生事故，手动操作可以减少单片机ＣＰＵ的运算。

3.5方案的比较与确定

方案

缺点

优点

方案１

依靠自身检测判断，较容易发生事故

系统结构简单，造价低廉，方案简单易行

方案２

结构较为复杂，

依靠自身检测控制，能够减少人为的失误，

方案３

结构复杂，需要使用者有较好的发音

操作更加简便易行，适用的人群更加广泛

方案４

结构复杂，造价成本加高，

可以进行人为和自动两种控制，系统更加稳定

经过比较4中方案的设计，选定方案4进行系统的结构与内部设计。

4机械部分的设计

4.1机械本体

系统的结构设计如下图，在进行多功能智能轮椅结构设计时，主要考虑了以下几点：

（1）轮椅尺寸设计应符合医疗护理要求并按照人机工程学原理进行选择，保证轮椅使用的舒适性；

（2）轮椅结构的可靠性、稳定性和安全性要符合医疗护理要求；（3）要考虑轮椅使用过程中护理的一些情况，设计一些医护辅助装置以及其他的一些人性化装置，如：

吊瓶架，伞架，书桌，杂物袋等。

通过SolidWorks三维软件对多功能智能轮椅进行建模设计。

SolidWorks软件具有方便易用的特点，运用SolidWorks软件进行轮椅的实体建模和运动学仿真，能够使设计人员直观看到机构的运动过程，及时发现和改正设计中的干涉等问题，交互地进行结构参数的调整和改进，大大提高了设计效率，减低了设汁成本。

并且能够对运动状态进行仿真，检查机构设计的合理性等，实践表明SolidWorks建模设计对实际样机的制造具有重要的参考和指导价值。

图1

4.2驱动方式

系统采用伺服驱动方式闭环控制。

4.2.1位置控制模式用最高500kpps的高速脉冲串执行电机的旋转速度和方向的控制,分辨率为10000脉冲/转的高精度定位。

另外，位置平滑功能可根据设备从2种方式中选择适当的方式，对于急边的位置指令可实现平滑的启动和停止。

4.2.2速度控制模式用由参数够成的内部速度指令（最多7速）对伺服电机的旋转速度和方向进行高度的平滑控制。

另外，对于速度指令，它还具有进行加减速时的常数设置和停止时的伺服锁定功能。

4.3传动链的设计

系统只采用伺服行星减速器与驱动轮相连。

4.4伺服电机的选择

系统的速度完全由伺服电机来调定

轮椅的最大行驶速度为10m/s

轮椅的质量为50kg滚动摩擦系数μ=0.1

G=500NF=μG=0.1×300=50N

P=F·v=50×10=500Wn=600r/min

有效功率Pca=500W

需要电机输出

P1=Pca/η形星减速器=500/0.92=543.5W

n1=3000/min

T1=9550P1/n1=9550×0.5435/3000=1.73N/m

选用富士伺服电机额定功率P=750W

额定转速n=3000r/min

额定扭矩T=2.39N/m

5软件与控制部分

5.1主控模块

控制系统的微控制器采用SST89E564RD。

它负责语音命令信号、语音回放编码信号、摇杆控制信号、遥控控制信号、超声波遇障信号的采集和直流电机PWM调速控制信号、超声波启动信号的发送，从而实现对各功能模块的全局协调控制。

5.2语音识别与回放模块

系统中的语音识别处理器采用的是美国公司的RSC一3001364语音识别芯片。

语音识别分为训练阶段和识别阶段：

训练阶段的任务是建立识别基本单元的声学模型。

识别阶段的任务是采用语音分析方法分析出语音特征参数，按照一定的准则和测度与系统模型进行比较，通过判断得出识别结果。

系统中的语音识别模块主要对有限的五个语音命令（前进、停止、后退、左转、右转命令）进行识别判断后，把命令信号进行编码并通过FO口发送给主控芯片，主控芯片对命令信号进行处理，调用相应的子程序做出相应的动作回应。

语音回放模块采用了高音质单晶语言录放芯片APR9600，芯片内部集成语音信号放大、滤波、采样、A／D转换等模块。

5.3超声波避障模块

系统采用渡越时间法测距，即D=Ct／2式中：

D—移动机器人与被测物之间的距离；一超声波从发射到返回的时间间隔，即渡越时间；C—声波在介质中的传输速率，一般认为超声波在空气中传播速率，c一常数340rn／s。

由于单个超声波传感器具有探测波束角大、方向性差、只能获得目标的距离信息而不能准确地提供目标的边界信息、稳定性不理想等缺点，系统采用了两个传感器，并利用ANN的方式对两个传感器的数据进行融合来提高探测精度日，当测得障碍物的距离小于没定安全值时，单片机调用停止子程序，使轮椅平稳减速停止，并启动语音回放模块进行语音提示，从而保证了轮椅行驶安全。

5.4操纵杆控制模块

操纵手柄主要由多轴控制器、手制动开关、挡位按钮、手柄及导线组成。

它将轮椅的行驶动作，如前进，后退，左转，右转和停止转换为相应的电信号并通过单片机I／O口输入，单片机接收到控制命令后，调用相应的函数，产生PWM控制信号，从而实现轮椅的电机驱动控制。

5.5直流电机驱动模块

采用SST型单片机的PCA功能模块产生PWM信号来驱动直流电机，通过改变PWM信号的占空比来进行直流电机的速度调节，通过H桥电路来实现电机正反转的控制，直流电机功率驱动的具体电路，如图4所示。

采用这种方式的好处就是SST型单片机产生PWM不占用控制器的CPU时间，这样就能在产生PWM信号的同时，单片机还能处理其他任务，大大提高了单片机实时性。

直流电机驱动电路中的场效应管的驱动采用了光电隔离，这样就将直流电机的工作电源与单片机系统的工作电源隔离开来，提高了单片机控制系统的可靠性和稳定性。

5.6电机转速检测模块

电机轴转速检测反馈电路系统中利用增量式光电编码器检测直流电机的实际转速，光电编码器信号一般有VCC、GND、A、B和z，这里只连接电源和A信号，作为直流电机轴的位置和速度信号反馈。

编码器反馈的脉冲信号经过光电耦合器对编码器内部的OC输出信号加上拉电阻（图3中R1），经过光电耦合器后信号经过RC滤波后送给单片机的外部中断INTO，在INT0的中断服务程序中对直流电机的转速进行检测，实现速度反馈，如图5所示。

6智能轮椅控制系统软件设计

通过程序设计实现对智能轮椅的平稳运行控制。

计算出合理的PWM值使轮椅在启动与停止时平稳加减速。

转弯时采用电子差速控制，电子差速（ElectricalDifferential，简称ED）是一种以纯软件方式使各动力轮的行驶速度满足一定约束关系的差速方法，完全采用电控方式控制各车轮的转速，使其以不同速度转动，在转向的同时保证车轮不发生拖动或者滑移，而是作纯滚动。

智能轮椅控制系统的软件流程图，如图6所示。

7结论

智能轮椅控制系统采用了语音控制，使得轮椅的人机交互更具人性化。

轮椅还采用了高精度超声波避障模块，提高了智能轮椅行驶的安全性。

对智能轮椅的单片机控制系统进行模块化设计，有利于智能轮椅的改造与再升级，有利于降低成本，有利于智能轮椅的商业化生产，从而为行走不便的老年人和残疾人提供了经济实用的代步工具。

附录

一参考文献

【1】基金项目：

国家863资助项目（2005AA415240）

【2】张桂荣．人口老龄化与社会养老保险[D】．山东，山东大学

【3】李芳蕾．我国报刊残疾人报道研究【D】．北京，中央民族大学

【4】向静波．移动机器人的路径规划和控制研究【D】．河北，西北工业大学．2004

【5】樊长虹，陈卫东，席裕庚．未知环境下移动机器人安全路径规划的一种神经网络方法

【6】张颖，吴成东，原宝龙．机器人路径规划方法综述．控制工程．2003，10（50）：

1～2

【7】李玲，邹大勇，谢维达．基于自适应模糊人工势场法的自动引导小车路径规划．长沙电力

学院学报．2005．20