1、智能輪椅的設(shè)計(jì) TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc509414771 引言 PAGEREF _Toc509414771 h 5 HYPERLINK l _Toc509414772 第1章MEMS 技術(shù) PAGEREF _Toc509414772 h 5 HYPERLINK l _Toc509414773 1.1MEMS的概念 PAGEREF _Toc509414773 h 5 HYPERLINK l _Toc509414774 1.2 MEMS技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)及應(yīng)用。 PAGEREF _Toc509414774 h 5 HYPERLINK l _Toc509414775

2、 第2章 智能輪椅的設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc509414775 h 6 HYPERLINK l _Toc509414776 2.1機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc509414776 h 6 HYPERLINK l _Toc509414777 2.2位體調(diào)整機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc509414777 h 6 HYPERLINK l _Toc509414778 2.3電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc509414778 h 6 HYPERLINK l _Toc509414779 2.3.1 主控模塊設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc509414779 h 7 HYPERL

3、INK l _Toc509414780 2.3.2基于MEMS多傳感器的輪椅設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc509414780 h 7 HYPERLINK l _Toc509414781 結(jié)論 PAGEREF _Toc509414781 h 8 HYPERLINK l _Toc509414782 參考文獻(xiàn) PAGEREF _Toc509414782 h 8摘要本設(shè)計(jì)首先對(duì)智能輪椅系統(tǒng)進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)，分別介紹了機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和電氣控制部分的設(shè)計(jì)，描述了主要控制模塊、驅(qū)動(dòng)模塊、環(huán)境感知模塊、人機(jī)交互模塊和執(zhí)行器模塊功能。根據(jù)智能輪椅的實(shí)際運(yùn)行環(huán)境，設(shè)計(jì)了相應(yīng)的智能輪椅避障系統(tǒng)：避障信息監(jiān)控系統(tǒng)、避障信

4、息處理系統(tǒng)和避障控制策略。本文主要介紹了外部傳感器的選擇和環(huán)境數(shù)據(jù)的預(yù)處理，并根據(jù)環(huán)境類別設(shè)計(jì)了智能輪椅的避障行為。研究了基于模糊控制的多傳感器融合技術(shù)，簡(jiǎn)要介紹了多傳感器融合技術(shù)和融合方法。主要介紹了基于模糊控制的智能輪椅避障，并對(duì)模糊控制器進(jìn)行了設(shè)計(jì)，為避障仿真奠定了基礎(chǔ)。最后，基于MEMS仿真平臺(tái)，研究了基于模糊控制的智能輪椅避障仿真。仿真結(jié)果表明，本文提出的基于模糊控制的避障算法能夠很好地應(yīng)用于智能輪椅的實(shí)時(shí)避障，具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。關(guān)鍵詞：MEMS：輪椅：避障 引言目前，世界老齡化人口正在加劇，空巢老人日益增多，同時(shí)因多種因素造成的殘障人士正在逐年遞增，如此龐大的的殘疾人和老年人的理療

5、和康復(fù)問(wèn)題己成為社會(huì)的一個(gè)重大熱點(diǎn)。隨著科技的發(fā)展，這些弱勢(shì)群體渴望走出家門(mén)，重新融入社會(huì)，智能輪椅的出現(xiàn)，提高了他們的活動(dòng)自由度，為他們提供了良好的出行工具，也減輕了社會(huì)和家庭的負(fù)擔(dān)。國(guó)家是全民康復(fù)服務(wù)的戰(zhàn)略目標(biāo)之一，為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，大力扶持老年殘疾人服務(wù)機(jī)器人產(chǎn)品，智能輪椅是重要的研究領(lǐng)域之一，將成為研究熱點(diǎn)。智能輪椅結(jié)合了機(jī)器人技術(shù)和電動(dòng)輪椅技術(shù)。它具有較好的自主性、互動(dòng)性和適應(yīng)性，極大地提高了智能。智能輪椅的使用人群通常是老年人和殘疾人，是專為運(yùn)輸?shù)奶厥馊后w，行走能力應(yīng)該是智能的基礎(chǔ)，在獨(dú)立行走過(guò)程的輪椅，難免會(huì)遇到一些障礙，快速避障是一個(gè)基本的能力的智能輪椅。老年人和殘疾人行動(dòng)能力、

6、反應(yīng)速度和思考能力，將低于正常的人，如果僅僅依靠用戶的實(shí)時(shí)操作，不僅會(huì)造成用戶疲勞，這是由用戶的行動(dòng)能力受到影響，反應(yīng)速度和控制的經(jīng)驗(yàn)，可以使控制效果差，嚴(yán)重時(shí)甚至導(dǎo)致事故。因此，本文主要研究智能輪椅的實(shí)時(shí)避障問(wèn)題。智能輪椅經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，在控制技術(shù)的研究方面取得了很大的進(jìn)展，但大多數(shù)智能輪椅仍處于實(shí)驗(yàn)室研究階段，在穩(wěn)定性和安全性方面還不夠完善。智能輪椅是一個(gè)特殊的群體，用戶自身情況的不同，導(dǎo)致了功能的多樣性要求，因此本文在智能輪椅的設(shè)計(jì)，充分考慮了用戶的自身情況，智能輪椅采用模塊化設(shè)計(jì)，充分利用資源，方便添加和更新模塊，減少生產(chǎn)成本，減少設(shè)計(jì)時(shí)間。因此，為了提高輪椅的穩(wěn)定性和安全性，對(duì)智能輪

7、椅的實(shí)時(shí)避障進(jìn)行了研究。第1章MEMS 技術(shù)MEMS的概念MEMS是英語(yǔ)Micro Elector Mechanical systems的縮寫(xiě)，即微電子機(jī)械系統(tǒng)。集成電路（IC）制造技術(shù)和微細(xì)加工技術(shù)用于構(gòu)建組織微系統(tǒng)集成在一個(gè)或多個(gè)芯片的微傳感器、微執(zhí)行器。它具有微型化、低成本、集成度高、智能化、多功能、適合大規(guī)模生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)。MEMS技術(shù)的目標(biāo)是探索新的部件和系統(tǒng)的原理和功能，通過(guò)系統(tǒng)的微型化與集成。MEMS技術(shù)是一個(gè)典型的多學(xué)科前沿研究領(lǐng)域，涉及到電子技術(shù)、機(jī)械技術(shù)、物理學(xué)、化學(xué)、生物醫(yī)學(xué)、材料科學(xué)、能源科學(xué)等自然科學(xué)和工程科學(xué)的各個(gè)領(lǐng)域。研究?jī)?nèi)容可概括為以下三個(gè)方面：1。理論基礎(chǔ)：在當(dāng)前

8、MEMS可以實(shí)現(xiàn)的尺度下，宏觀世界的基本物理定律仍然發(fā)揮著重要作用，但由于尺寸縮小帶來(lái)的影響（scalingeffects），許多物理現(xiàn)象和宏觀世界是非常不同的，所以很多原來(lái)的理論基礎(chǔ)都會(huì)發(fā)生變化，如微尺寸效應(yīng)、表面效應(yīng)、微摩擦的機(jī)械結(jié)構(gòu)，因此有必要對(duì)微動(dòng)力、微流體力學(xué)、微觀力學(xué)、微摩擦學(xué)、微光學(xué)和微結(jié)構(gòu)研究的深入研究。雖然這方面的研究備受關(guān)注，但難度很大，往往需要多個(gè)學(xué)科的學(xué)者來(lái)進(jìn)行基礎(chǔ)研究。2、基礎(chǔ)技術(shù)研究：主要包括微機(jī)械設(shè)計(jì)、微機(jī)械材料、微細(xì)加工、微組裝封裝、集成技術(shù)和微測(cè)量技術(shù)。3.對(duì)微機(jī)械在各個(gè)學(xué)科領(lǐng)域中的應(yīng)用。MEMS技術(shù)的發(fā)展開(kāi)辟了科學(xué)技術(shù)和工業(yè)的一個(gè)新的領(lǐng)域，利用微傳感器、ME

9、MS微執(zhí)行器、微機(jī)械元件和微型光學(xué)器件、真空微電子器件、電力電子器件具有非常廣泛的應(yīng)用前景，在航空航天和汽車(chē)領(lǐng)域、生物醫(yī)學(xué)、環(huán)境監(jiān)測(cè)、軍事和幾乎所有的人接觸到在。根據(jù)MEMS的專業(yè)技術(shù)，可分為傳感MEMS技術(shù)、生物MEMS技術(shù)、光學(xué)MEMS技術(shù)和射頻MEMS技術(shù)四大類。1.2 MEMS技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)及應(yīng)用。MEM傳感器是一種利用微機(jī)械加工技術(shù)制造的新型傳感器。是機(jī)電一體化裝置的一個(gè)重要分支。1962，第一個(gè)硅微壓力傳感器的問(wèn)世創(chuàng)造了MEM技術(shù)的第一步。我國(guó)傳感器技術(shù)的進(jìn)步和發(fā)展促進(jìn)了傳感器性能的提高。作為EMS的重要組成部分，EMS傳感器發(fā)展最快，已廣泛應(yīng)用于發(fā)達(dá)國(guó)家。諸如M、EMS等大國(guó)一直在制

10、定發(fā)展戰(zhàn)略計(jì)劃。隨著微電子技術(shù)的飛速發(fā)展，集成電路技術(shù)和加工工藝的不斷完善，MEM的體積小，傳感器重量輕、功耗低、可靠性高、靈敏度高、易于集成、抗惡劣環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)，極大地促進(jìn)了小型化、智能化、多功能的傳感器和網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展。EMS傳感器正逐步占領(lǐng)傳感器市場(chǎng)，逐步取代傳統(tǒng)機(jī)械傳感器的主導(dǎo)地位。它們?cè)谙M(fèi)電子、汽車(chē)工業(yè)、航空航天、機(jī)械、化工、醫(yī)藥等各個(gè)領(lǐng)域都受到消費(fèi)者的青睞。第2章 智能輪椅的設(shè)計(jì)2.1機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)機(jī)械結(jié)構(gòu)是智能輪椅的本體，是輪椅實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的基本功能。機(jī)械結(jié)構(gòu)不僅決定智能輪椅能否達(dá)到目標(biāo)功能，而且在一定程度上影響輪椅的運(yùn)動(dòng)性能。良好的機(jī)械結(jié)構(gòu)有利于運(yùn)動(dòng)的多樣性的實(shí)現(xiàn)，也能提高輪椅對(duì)環(huán)境的適

11、應(yīng)性。機(jī)械結(jié)構(gòu)是智能輪椅的執(zhí)行部分。考慮到物體的特性，機(jī)械系統(tǒng)應(yīng)具有較高的傳動(dòng)精度和動(dòng)態(tài)特性，同時(shí)還應(yīng)考慮低噪聲、低振動(dòng)和安全等因素。人體工程學(xué)在輪椅機(jī)械設(shè)計(jì)中以人體為主要參考因子，根據(jù)人體骨骼的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、人體的平均大小、肢體活動(dòng)范圍和身體的不同姿勢(shì)，結(jié)合身體習(xí)慣等功能特征參數(shù)。機(jī)體各部分均輸出范圍大、動(dòng)作研究、設(shè)計(jì)可靠，能滿足運(yùn)動(dòng)要求、剛度和機(jī)械結(jié)構(gòu)要求，具有較強(qiáng)的冗余度。由于機(jī)械結(jié)構(gòu)的尺寸，重量和重心，為了避免分歧，輪椅驅(qū)動(dòng)進(jìn)程遷移，它也在床上人體工程學(xué)技術(shù)的輪椅空間劃分的需要，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的合理安排，隱藏的傳動(dòng)部件，避免造成輪椅使用者心中的恐慌，防止意外損壞。智能輪椅是本文設(shè)計(jì)的是一個(gè)組合的

12、智能護(hù)理床椅設(shè)備類型，主要由底板、底盤(pán)支架、托架、前后輪位置調(diào)整機(jī)構(gòu)和可變軸距的機(jī)制，可以使久坐或臥床輪椅，活動(dòng)關(guān)節(jié)，緩解不適癥狀。2.2位體調(diào)整機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)老年人或殘疾人久坐不動(dòng)或長(zhǎng)時(shí)間的輪椅可能會(huì)對(duì)脊柱、局部肌肉造成損傷，甚至?xí)斐善渌l(fā)癥，如腰肌勞損。要設(shè)計(jì)的智能輪椅使用者的姿勢(shì)調(diào)整的機(jī)械結(jié)構(gòu)可以調(diào)整自己的位置，按照要求，該系統(tǒng)可以自動(dòng)開(kāi)關(guān)的位置，可以減輕護(hù)理強(qiáng)度減少長(zhǎng)期臥床的病引起的，提高用戶的身體功能，用戶對(duì)康復(fù)的積極作用。根據(jù)人體工程學(xué)原理，設(shè)計(jì)了可調(diào)體位的機(jī)構(gòu)：后抬機(jī)構(gòu)和腿屈伸機(jī)構(gòu)。為簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，操作方便，由推桿電機(jī)選擇腿屈伸機(jī)構(gòu)，后提機(jī)構(gòu)由組合連桿機(jī)構(gòu)選擇，如圖所示。其中，靠背是一

13、個(gè)組合的連桿機(jī)構(gòu)，它是一個(gè)電動(dòng)推桿及后輪支架。組合連桿機(jī)構(gòu)一端與后部連接，一端纏繞在后輪支架上。電動(dòng)推桿一端安裝在后輪支架上，一端鉸接在底盤(pán)支架上。通過(guò)推桿電機(jī)的伸縮運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)后輪支架和連桿機(jī)構(gòu)來(lái)回運(yùn)動(dòng)，從而提高靠背的靠背和靠背的上下。2.3電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)智能輪椅控制系統(tǒng)主要包括以下幾個(gè)功能模塊：主控模塊、驅(qū)動(dòng)模塊、環(huán)境感知模塊和人機(jī)交互模塊。圖是電氣控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖的設(shè)計(jì)方案?？刂葡到y(tǒng)通過(guò)對(duì)推桿電機(jī)和直流驅(qū)動(dòng)電機(jī)的控制，實(shí)現(xiàn)了嵌入式技術(shù)的姿態(tài)調(diào)整和自動(dòng)驅(qū)動(dòng)功能。有三種控制方式：語(yǔ)音控制、觸摸屏控制和操作箱。此外，為了保證輪椅在使用過(guò)程中的安全，在電氣控制系統(tǒng)中設(shè)計(jì)了智能避障安全模塊，降低了智

14、能輪椅與行駛道路障礙物碰撞事故的風(fēng)險(xiǎn)。2.3.1 主控模塊設(shè)計(jì)主控模塊是輪椅控制系統(tǒng)的核心，可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的操作和控制功能。在設(shè)計(jì)控制模塊時(shí)，需要考慮輪椅系統(tǒng)的功能、兼容性、運(yùn)行速度、結(jié)構(gòu)和通信方式等方面。主控芯片是整個(gè)輪椅控制系統(tǒng)的核心部分。它的選擇決定著整個(gè)系統(tǒng)的質(zhì)量，它的處理速度、功能擴(kuò)展、成本和成本都與它有關(guān)。根據(jù)智能輪椅的功能要求，主控芯片選擇是一系列基于內(nèi)核的單片機(jī)，總線頻率高，主要用于汽車(chē)電子產(chǎn)品，具有快速、低成本、低功耗等優(yōu)點(diǎn)。選用一系列引腳封裝的單芯片、引腳封裝圖。2.3.2基于MEMS多傳感器的輪椅設(shè)計(jì)智能輪椅的環(huán)境感知模塊是輪椅系統(tǒng)的重要組成部分，是輪椅的感覺(jué)器官。智能輪椅的

15、感知模塊可以監(jiān)測(cè)輪椅的位置、姿態(tài)、速度和系統(tǒng)內(nèi)部狀態(tài)，并感知輪椅所處的外界環(huán)境。在結(jié)構(gòu)環(huán)境或者非結(jié)構(gòu)環(huán)境中，為了完成目標(biāo)任務(wù)，不僅要求感知系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確描述智能輪椅的自身運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，而且也要能感知外界環(huán)境。感知系統(tǒng)通常包括各種傳感器，有內(nèi)部和外部?jī)煞N傳感器。傳感器的選擇極大地影響著智能輪椅獲取信息的準(zhǔn)確性。智能輪椅在運(yùn)行進(jìn)程中，需要不停地獲取外界環(huán)境信息，安全躲避障礙物，順利到達(dá)目標(biāo)點(diǎn)。本文主要研究的是智能輪椅的實(shí)時(shí)避障問(wèn)題，根據(jù)輪椅工作環(huán)境的需要及其特點(diǎn)，內(nèi)部傳感器選用光電編碼器，外部傳感器主要釆用超聲波傳感器和視覺(jué)傳感器。光電編碼器對(duì)輪椅兩驅(qū)動(dòng)輪的轉(zhuǎn)速進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，將釆集到的信息反饋給控制單元

16、，形成閉環(huán)控制。 用戶和智能輪椅之間的溝通平臺(tái)即為人機(jī)交互模塊，其設(shè)計(jì)要人性化、合理、便于操作使用。設(shè)計(jì)時(shí)，不僅要考慮技術(shù)和經(jīng)濟(jì)的因素，還要考慮用戶的內(nèi)心需求。本文設(shè)計(jì)的智能輪椅釆用多模態(tài)的人機(jī)交互方式，早期的多采用操作桿、語(yǔ)音、觸摸屏等方式，隨著智能手機(jī)的使用和無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，設(shè)計(jì)了一種基于智能手機(jī)的無(wú)線控制方式，如圖所示，該無(wú)線控制系統(tǒng)有主控模塊、驅(qū)動(dòng)模塊、無(wú)線通信模塊、檢測(cè)模塊以及智能手機(jī)等幾部分，用戶通過(guò)手機(jī)的藍(lán)牙模塊跟輪椅的主控模塊溝通。首先，用戶可以通過(guò)手機(jī)操作界面選擇需要的命令，手機(jī)接受指令，通過(guò)藍(lán)牙通訊，輪椅主控模塊接受命令，并生成相應(yīng)指令代碼傳給驅(qū)動(dòng)模塊，驅(qū)動(dòng)電機(jī)和電動(dòng)推

17、桿完成相應(yīng)動(dòng)作。同時(shí)，檢測(cè)模塊可以檢測(cè)輪椅的實(shí)時(shí)狀態(tài)信息，經(jīng)主控模塊分析后，發(fā)送給智能手機(jī)，方便用戶了解輪椅的狀本章在智能輪椅設(shè)計(jì)時(shí)，充分考慮用戶的自身情況，釆用模塊設(shè)計(jì)，充分利用資源，方便添加和更新模塊，降低生產(chǎn)成本，減少設(shè)計(jì)時(shí)間。對(duì)智能輪椅系統(tǒng)進(jìn)行模塊設(shè)計(jì)，從機(jī)械結(jié)構(gòu)和電氣控制兩方面進(jìn)行設(shè)計(jì)，分別介紹了主控模塊、驅(qū)動(dòng)模塊、環(huán)境感知模塊、人機(jī)交互模塊和執(zhí)行機(jī)構(gòu)模塊，描述各模塊的功能，重點(diǎn)介紹了體位調(diào)整機(jī)構(gòu)、變軸距機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)和控制系統(tǒng)中硬件部分的設(shè)計(jì)。智能輪椅的安全性和實(shí)時(shí)避障是必不可少的。輪椅智能的一個(gè)重要表現(xiàn)是它能在不確定的環(huán)境中成功地避開(kāi)障礙物。智能輪椅具有完善的避障系統(tǒng)是非常重要的。避

18、障系統(tǒng)一般分為避障信息監(jiān)控系統(tǒng)、避障信息處理系統(tǒng)和避障控制策略三個(gè)部分。避障信息監(jiān)控系統(tǒng)主要包括不同類型的傳感器，利用傳感器來(lái)了解周?chē)h(huán)境的信息。障礙物信息是由外部傳感器獨(dú)立獲取的，傳感器的性能直接影響到采集信息的準(zhǔn)確性和完整性。避障信息處理系統(tǒng)也很關(guān)鍵，如果智能輪椅運(yùn)行在不確定和復(fù)雜的環(huán)境，再加上輪椅的傳感器系統(tǒng)的固有缺陷，輪椅避障信息監(jiān)控系統(tǒng)將檢測(cè)一些冗余信息，這將給智能輪椅提供不準(zhǔn)確和不完全信息，會(huì)導(dǎo)致輪椅做出錯(cuò)誤的的決定，導(dǎo)致無(wú)序的輪椅。避障控制策略是指智能輪椅在運(yùn)行過(guò)程中存在和存在的障礙物，通過(guò)收集到的信息，采取相應(yīng)的措施保證輪椅的安全，避免障礙物到達(dá)目的地。智能避障的避障控制策略直接影響智能輪椅的避障精度。在自主行走過(guò)程中，由于環(huán)境信息的不可預(yù)測(cè)性，輪椅必須具有獨(dú)立檢測(cè)障