多功能轮椅的研究控制系统及框架结构设计.docx

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多功能轮椅的研究控制系统及框架结构设计

多功能轮椅的研究——控制系统及框架结构设计

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。

1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1-2WHEELESLEY

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1-3FRIEND一代图1-4FRIEND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1-5NLPR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：

ｍｍ）

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60—80为正常。

因此本论文中确定功