功轮椅研究
——控制系统框架结构设计
学 院：
专 业：
姓 名：
指导老师：
工业动化学院
机械工程
李潮阳
学 号：
职 称：
163701106826
尹沾松
副教授
中国·珠海
二○二○年五月
诚信承诺书
郑重承诺 ：承诺呈交毕业设计功轮椅研究控制系统框架结构设计指导教师指导独立开展研究取成果文中引观点材料均文序列出参考文献设计数真实
签名：
日期： 2020年 5 月 1 日
功轮椅研究
——控制系统框架结构设计
摘
文先功智轮椅研究背景目意义国外现状作阐述然总结文解决核心问题关键技术根功智轮椅功求文分轮椅机械结构控制系统进行研究设计机械结构部分设计研究体尺寸数结合机工程学理知识轮椅结构进行更加性化设计硬件系统软件系统组成功智轮椅控制系统整体智轮椅控制系统STM32单片机进行控制采串口分配功硬件进行合理分配控制程序作构成整设计控制系统完成智轮椅部分功需求文进行研究容总结研究发展方阐述
关键词：智轮椅机工程学轮椅舒适性控制系统摩系统
Research on Multifunctional Wheelchair
Control System and Frame Structure Design
Abstract
In this paper the research background purpose significance and current situation of the multifunctional intelligent wheelchair are described and then the core problems and key technologies are summarized According to the main functional requirements of the multifunctional intelligent wheelchair the mechanical structure and control system of the wheelchair are studied and designed in this paper For the mechanical structure part of the design mainly studied the human body size data and combined with the theoretical knowledge of ergonomics to carry out a more humanized design of each structure of the wheelchair The hardware system and software system constitute the whole multifunction intelligent wheelchair control system The control system of the intelligent wheelchair is controlled by STM32 microcontroller and the hardware is distributed reasonably with the serial port distribution function Together with the control program the control system of the entire design is constituted and the functional requirements of each part of the intelligent wheelchair are completed Finally the paper summarizes the main research content and elaborates the research development direction
Keywords intelligent wheelchair Ergonomics Wheelchair comfort Control system Massage system
目 录
1 前言 6
11研究背景 6
12研究目意义 7
13国外研究现状 7
131国外发展现状 7
132国发展现状 9
14研究容 10
141研究解决问题 10
142文关键技术 10
2 功智轮椅总体方案设计 11
21功概述 11
22机械结构概述 11
23控制系统概述 11
3 基机工程学轮椅结构设计 13
31体尺寸数 13
311体静态尺寸 13
312体动态尺寸 14
313舒适姿态生理特征 15
314体测量数方法 16
32座椅部位结构设计 17
321背头枕设计 17
322坐垫设计 21
323扶手设计 25
324脚踏板设计 26
325座椅整体框架结构效果图 27
33坐卧转换结构设计 28
331坐卧转换综述 28
332坐卧转换活动部位结构 28
333坐卧转换模式 30
34底座升结构设计 30
35座椅摩结构设计 32
351座椅摩结构概述 32
352 摩滚轮顶出机构设计 33
353摩滚轮行走机构设计 34
354 摩机芯整体结构模型 35
4 智控制系统设计 37
41控制系统硬件设计 37
411手操器 37
412外扩辅助键 38
413电源模块 39
414微控机STM32单片机 40
415动力模块 40
42控制系统软件设计 42
421控制系统总体结构设计 42
422底盘程序设计 44
423坐卧转换底座升程序设计 48
424摩模块设计 50
5 总结展 52
51文工作总结 52
52研究展方 52
参考文献 54
谢 辞 57
附 录 58
1 前言
11研究背景
着社会快速发展科学技术快速发展进步需发展顶尖科学技术现仅国家高新科学技术重视企业高新科学技术十分重视组建科研组进行研究
国迎口老龄化 联合国报告指出全国口老龄化十分严重年会持续增长表明全国口迅速增长中国口老龄化发展趋势预测研究报告报告显示国口老龄化问题较严重解决时车祸疾病等控灾害造成残疾士会逐年递增具体研究报告图11示
图11 残疾家庭例图
疾病车祸等灾难造成士素影响正常生活必须种样工具说断腿残疾士必须轮椅者拐杖帮助走路生活说断臂残疾士样正常生活生活想更加独立需帮助话必须安装假臂帮助生活者利高科技完成手臂动作文中研究肢残疾士工具功智轮椅研究外市场现轮椅满作类残疾士需求时帮助老年更生活样轮椅帮助现市场少类群研发适合产品功智轮椅研究必
仅仅疾病外灾难导致残疾士逐年增法独手动轮椅需包轮椅设计更加智化动化类群独生活必须家者专门士顾付出余力物力顾类群情况类群家庭说毫疑问增加家压力迅速发展社会类群家压力疑提升数倍现交通工具满足类群需求功智轮椅应运生
12研究目意义
行动便必须轮椅越越必须轮椅帮助走路果长时间坐轮椅会感觉疲劳感适感产品设计舒适性求逐步升设计者应该考虑者舒适性文研究重点
针行动便必须轮椅种情况较开发出种类群提供智轮椅具重意义样功智轮椅提高行动便必须轮椅生活水着重意义研究具重价值社会意义
功智轮椅研究现状发展趋势进行分析研究找出轮椅设计重点方法尤重
13国外研究现状
131国外发展现状
目前世界学者已集中研究功智轮椅世界相继开发出种智轮椅发达国家者发展中国家研究智轮椅项目美国麻省理工学 WHEELESLEY 德国乌尔姆学MANUS例介绍国外智轮椅研究现状
美国麻省理工学开发出半式智轮椅 WHEELESLEY计算机视觉控制等相关视觉知识轮椅开关选霍尔传感器方式开关美国研发智轮椅通电极感知眼球运动确定实现位置实现种控制著名鹰眼系统图12示
图 12 WHEELESLEY
德国 Friend系统特处智轮椅面安装 MANUS 机器手臂具语音识功通机语音交互控制整轮椅控制系统
轮椅安装显示器显示出智轮椅情况
图13 代图14 二代示
图 13 FRIEND 代 图14 FRIEND 二代
132国发展现状
国众学者学研究智轮椅国功智轮椅研究出色目前说方面研究国较出色研究成果集中表现中科院动化海交通学开发智轮椅面两学例介绍国智轮椅发展情况
中国科学院动化研究研制智轮椅 NLPR 具现较高水研究说视觉导航语音导航功等功智轮椅真正实现智化语音交互模块做相较完善图15示
海交通学年研制出种声控型智轮椅智轮椅中国科学院动化研究研究智轮椅十分相似短短秒时间里执行命令提高智轮椅计算速度突破海交通学开发出防跌倒功智轮椅机械手臂实现先应功图16示
图15 NLPR 图16 海交通学智轮椅
总体说发展中国智轮椅研究提高表明国科学技术正处力发展阶段国现阶段中研究功智轮椅
14研究容
141研究解决问题
提高智轮椅者生活独立力设计开发出款功智轮椅实现轮椅者独立生活距离出行运行安全
文研究解决问题：
1轮椅久坐势必会疲劳该设计考虑舒适性
2减轻轮椅者家压力必须轮椅者够独立生活设计出者够独智轮椅
3市场数轮椅功较单需设计功存轮椅
4方便省力
5操控简单
6该功智轮椅需更加众化更加普遍化适范围更加广功样化普开发
7济性考虑重点
142文关键技术
1结合工程机体化设计出符合体燃基准座椅带摩系统
2轮椅设计更加智化动化
3座椅升降实现取高出物品坐卧转换实现坐卧躺储等功摩模块者缓解疲劳
4较成熟快捷电动轮椅
2 功智轮椅总体方案设计
文致力开发款高性价性化功智轮椅该功智轮椅适范围老年细致残疾够独生活特殊群
文功智轮椅研究两方面进行研究分机械结构方面控制程系统方面总结文结研究方阐述
21功概述
功智轮椅需满足求：安全性行性稳定性舒适性济性操作简单维护方便等素
轮椅具功：够正常灵活行走外包括坐卧躺折叠等种形式转换底座升结构摩结构
22机械结构概述
众周知座椅轮椅总结构座椅舒适性直接影响户轮椅坏评价座椅设计关重仅座椅设计定结合机工程学理知识设计出令舒适结构样设计出轮椅满足行性会者认
想设计出舒适轮首先研究体尺寸数解体什样状态姿势舒服然轮椅结构进行性化设计座椅功进行设计优化
23控制系统概述
文控制系统分硬件系统软件系统两模块入手分智轮椅控制系统进行研究硬件系统软件系统两者作完成智轮椅控制
智控制系统控采STM32系列单片机负责接受操杆发出信息指令键指令模块反馈信息等完成模块程序指令控制系统控制
3 基机工程学轮椅结构设计
节体解剖学辅助机工程学理机体化基础体尺寸数进行研究然轮椅部位结构进行设计造型结构创新舒适度优化轮椅够实现功进行设计优化采SolidWorks软件智轮椅结构进行设计仿真通零部件结构设计然装配形成完整结构通导出装配图零部件工程图终完成轮椅整体结构设计
首先现市场轮椅进行调研研究分析普通轮椅优缺点查阅资料体状态尺寸数轮椅机系统环境进行分析根结计算出轮椅部件尺寸结构完成轮椅设计：结合机工程学理舒适性设计方法智轮椅部位结构功进行设计研究轮椅者够享受幸福健康生活
31体尺寸数
311体静态尺寸
体部位尺寸相关数研究工程机工程学研究理基础基参考轮椅部位设计尺寸提供重参考表31中项体尺寸百分位数智轮椅研究重坐姿体相关数（详见附录1）文中轮椅脚踏板坐垫背头枕扶手等部分结构性化研究参考
表31 中国老年部分体尺寸（单位：ｍｍ）
312体动态尺寸
研究轮椅动态尺寸智轮椅尺寸设计关重助智轮椅时候坐智轮椅更加舒适设计更加性化更加适合类群动态尺度图41示
设计需测量机间例关系样做设计更加性化例轮椅时桌子间位置关系轮椅活动范围适范围应该符合数普通桌子高度方便老年适合高度桌子避免尖锐物必装饰伤害坐轮椅老年生活中行影响活动范围图31
图31 体动态尺寸
313舒适姿态生理特征
果座椅设计合理导致体坐姿正确样仅仅会者带疲劳感会体身伤害首先需研究体处姿势时生理特征结合体生理特征设计出座椅会更加适合样设计会更加性化设计出座椅会更加舒服
体腰曲弧形处然状态时腰背肌肉处松弛状态样避免出现某疾病适状况
体脊柱结构图32示保持脊柱处正常然弯曲状态关重果正确舒适坐姿状态脊椎部位压力较均匀肌肉较放送样体坐智轮椅较舒服处非然姿势时脊椎部位压力分布均匀肌肉处紧绷状态样会产生腰部酸痛疲劳等适问题查阅资料研究保证轮椅舒适应该轮椅背装合适位置头枕减轻颈椎压力
图32 脊柱形状组成
314体测量数方法
1确定轮椅类型
涉体尺寸轮椅设计中设定轮椅尺寸体尺寸百分位数确定轮椅类型关重文中普通轮椅类型例考虑特殊情况
2选择体测量百分位数
文中体测量百分位数统采95
3确定修正量
体测量标准中修正量确定包括两部分功修正量二心里修正量根查阅资料数功修正量60—80正常文中确定功修正量统采70心理修正量通评价表评分进行统计分析文中考虑特殊情况前提心理修正量90
5功尺寸设定
轮椅功尺寸包括功尺寸佳功尺寸公式：
32座椅部位结构设计
321背头枕设计
轮椅设计尤重座椅背影响轮椅舒适性重素首先研究椅子背图33示体坐姿部位受力情况减椎间盘受压力效方法采合适背支撑背部图34示表示种角度背支撑时脊椎承受压力变化情况
图33体坐姿部位受力情况 图34 腰背支撑第三腰椎间压力影响
分析结：
腰背支撑第三腰椎间压力倾角95120°间
轮椅背设计时首先必须保证体脊柱保持正常形状次避免座椅软坐时形成驼背状态样坐更然更舒适座椅果带枕话研究数表明样坐姿状态更轻松舒适
研究表明：满足图35示曲线时座椅脊椎处然状态久坐程中脊椎易产生疲劳损伤
图35 体背部优化曲线
背受力分析计算根ＧＢ１５０８３ＣＢ１１５５０求背应承受力矩Ｍ1＝370Ｎ．ｍ头枕移量Ｘ10ｍｍ应承受Ｆ1＝800Ｎ作力图36示
头枕力矩：
Ｍ2 ＝ 12Ｍ1 ＝12 x 370Ｎ．ｍ ＝ 444Ｎ．ｍ （31）
头枕抗压力：
F2 ＝ 12F1 ＝ 12 x 800Ｎ ＝ 960Ｎ （32）
图36 头枕载荷分布 图37 等应力梁受力分析
根图37受力分析知座椅悬臂梁结构ｈ2 ＝ h1 －65mm（h1头枕高度）ｈ３Ｆ3背旋转点间距离Ｆ４背截面xx背旋转点间距离背骨架xx界面弯矩Mx抗弯截面系数Wx应力σx列公式计算：
Ｍｘ F2 x （h3 h4） （33）
弯矩：
Mmax F2 x h3 （34）
σx Mx Wx F2 x （h3 – h4） Wx （35）
应力：
σmax Mx Wmax F2 x h3 Wx （36）
参考相关国家标准轮椅座椅外形尺寸求根体测量数应方法座椅宽度佳尺寸铝合金座椅背高 660mm宽 385mm背倾角95120°较适宜结构背曲线符合图35示二维图形图38示
图38 铝合金背面图
背材料选ZL101A相关资料壁厚 5mm圆角半径 5mm外圆角半径 9mm拔模斜度 0°30′具体图形图39图310示
图39 座椅骨架草图 图310 座椅背三维图
背设计智轮椅座椅中承压件必须满足座椅静强度求背应力公式：
σmax Mmax Wz (37)
式中Mmax弯矩Wz 背截面抗弯截面模量中矩形 Wz计算公式 ：
Wz Iz 05h bhh 6 （38）
Mmax 350N·mb4mmh110mm 代入式：σmax453MPa ZL101A 屈服强度 200MPa 该背设计满足国标求
背截面简化矩形计算够精确想精确数需结构细化行做细化
文中背设计实现电动180°旋转（坐卧转换中详细阐述）
外背侧设备雨伞装置雨天出行更加方便三维样板图图311示
图311 背备雨伞三维样板
322坐垫设计
（1）坐垫压力分布研究
坐垫设计关重体处坐垫压力分布数图312示根图312坐垫压力分布图知户臀部坐垫接触面积应增样体坐椅子会更加舒适减轻臀部附肌肉疲劳感增加血液循环理根图312图313示表明舒适坐姿压力分布特点
图312 坐垫压力分布
图313 体肢座垫分区
图中出结：
ａ．坐面深
坐面深距离长度整臀部支撑时坐深太长果太长体完全占坐垫臀部方会空余会体脊椎产生更必压力应该轮椅背方便腰椎部位起支撑作行参考体尺寸表31数距离范围400430ｍｍ间外坐垫表面形状应该臀部曲线相适应体现出凹凸互补趋势具定弹性支撑作
设计舒适坐垫曲面模型二维尺寸图314示
图314 舒适坐垫曲面模型二维尺寸
ｂ．座面宽
座面宽距离满足臀部横宽尺寸体测量尺寸中数出体臀部尺寸取95百分位时数范围致400－430mm间文中座面宽420mm左右较合适
ｃ．臀部坐深
通实验模型出实际结图315示较合适臀部坐深尺寸概30ｍｍ适臀部坐深腿部维持定支撑作减少腿部负担
图315 臀部石膏模型
d．坐面倾角
图34腰背支撑脊椎间压力影响应该适提高座椅坐垫水面成夹角角度约48°左右样设计减轻疲劳感
（2）边板结构设计
边板连接背坐垫侧扶手底座等重部位结构承载部件必须具足够强度根国家设计标准边板设计图316示结构
材料选牌号 6A02 铝合金板材抗拉强度290MPa厚度 5mm图616图317示
图316 边板面图
图317 边板三维图
（3）椅架结构设计
椅架采铝合金型材结构整轮椅椅座承载部件材料 6061型材选 40mm×20mm 方通厚度5mm图318图319示
图 318 椅架面图
图319 铝合金椅架 3D 图
323扶手设计
根表31附录1百分位选择数体坐姿肘高尺寸等数出扶手项尺寸数确定高度230mm左右扶手间距460mm左右图320示
扶手分两部分第部分扶手横杆起手臂支撑作结构实现前270°旋转背重叠两半圆柱相旋转实现第二部分扶手立杆圆柱构成实现前90°旋转坐垫重叠样两半圆柱相旋转实现扶手外功轮椅转换成床结构时阻挡床棉滚落
324脚踏板设计
脚踏板设计应该者提供肢良支撑作外必须保证腿部足够活动空间根附录1中数适尺寸410mm效果图321示
脚踏板结构灵活变动板图321中示状态意切换坐卧转换中着重作坐卧转换结构设计中详细阐述
图321 脚踏板结构
325座椅整体框架结构效果图
铝合金座椅框架装配三维图 铝合金座椅效果三维图
整体座椅效果三维图
33坐卧转换结构设计
331坐卧转换综述
轮椅般坐式久坐势必会产生疲劳感需转换座椅形态体变换姿势达缓解疲劳效果坐卧转换结构草图图322示
图322 坐卧转换结构草图
图322中右角开始逆时针旋转次正常坐立状态半躺摩状态躺状态闲置折叠状态
332坐卧转换活动部位结构
（1）背
坐式轮椅背采电推力杆动力结构采连杆结构连接电动推杆伸缩时带动背实现角度调节图323结构简图示
图323 背角度变换结构简图
（2）脚踏板
脚踏板拆分滑动变换成板结构作床半部分
变换前 变换
图324 脚踏板变换效果图
（3）手推柄
变换床时手推伸缩变换床腿提高床稳定性
变换前 变换
图325 手推柄变换效果图
333坐卧转换模式
模式：坐立式
模式正常轮椅坐立模式实现体正常移动正常日常活动
模式二：半卧式
调节半卧式时（120°—150°）启动轮椅摩系统（摩结构设计详细讲述）缓解久坐带疲劳
模式三：躺式
时轮椅调节躺式时（180°左右）变换简易床睡觉转换床时扶手两部分结构旋转竖直状态成床护栏阻止棉掉落面手推柄伸长变成床两条腿床结构更加稳固
模式四：折叠式
模式轮椅折叠成矩形体方便轮椅安放储存
四种模式图322示
34底座升结构设计
般普通轮椅够实现座椅升降文设计座椅升降结构想达者够生活事情坐轮椅较困难例较高桌子物品时取收放较高衣柜衣物时行达较高床时轮椅者确实较困难较困难行动便取高位置物品果轮椅座椅变成升降结构时问题轮椅者说相简单时结构实现减震效果
坐板升降减震机构原理图图326示
图326 坐板升降减震机构简图
坐板升降减震机构三维建模图327示驱动方滑块处放置电动推杆电动推杆伸缩时方滑块滑动致座板实现升降目
图327 三维建模升降减震装置
35座椅摩结构设计
351座椅摩结构概述
根市场调查结果显示目前摩椅产品常见摩方式图328示
图328 摩手法应摩机构实现形式
设计出款时满足手法摩椅结构示意图图329示
时摩椅包含固肾益精法健脾益胃法镇静催眠摩法拍摩法疏通鼻窍－治感法刮痧摩方法等种方法体
摩轮文采硅胶摩轮触感柔软摩更加充分舒适深层摩
图329 摩椅摩机构结构示意
352 摩滚轮顶出机构设计
体脊椎情况相变摩椅轨道固定致L’形会导致摩时摩轮运动轨迹适象发生改变利轮椅普遍求解决类问题需摩轮背部垂直方运动
通齿轮啮合带动摩滚轮机构做 3D 运动（3D运动指摩滚轮指背部做面运动实现背部压运动）种方案机芯整体较紧凑运行稳定原理简图330示摩滚轮顶出机构模型三维图图331示
图330 摩滚轮顶出机构原理简图
图331 摩滚轮顶出机构模型三维图
353摩滚轮行走机构设计
整机芯进行移动够体背部进行充分摩完成运动机构致分三种螺母丝杆链条组合齿轮齿条结合
齿轮齿条传动传动稳定承受较压力会出现噪音选择方案三齿轮齿条形式作摩滚轮行走机构方案图332示
图332 摩滚轮行走机构三维图
354 摩机芯整体结构模型
摩机芯零部件组装成整体图333示装配图
图431 摩滚轮机芯模型装配图
4 智控制系统设计
节讲述轮椅机械结构想轮椅智化必须加控制系统节讲述智轮椅控制系统设计包括两模块设计分控制系统硬件设计软件设计中硬件设计包括手操器外扩辅助键电源模块微控机STM32单片机动力模块等硬件设备选阐述工作原理方法软件设计包括系统程序设计盘运行程序坐卧转换级底座升降程序设计摩模块设计等方面讲述王丞相应模块程序设计
41控制系统硬件设计
411手操器
操杆称作手柄手移动位置信息转变控制器处理电压信号应范围较广包括行业应
文选两传感器霍尔操杆时控制速度转选霍尔操杆作设计手操器图41示
图41 操作手柄结构图
霍尔操杆工作原理通操杆移动控制智轮椅移动中包括书读方户移操杆轮椅前移动移动幅度控制轮椅转动速度快慢理左右移操杆轮椅原转移动幅度控制轮椅转动速度快慢果斜某方移动操杆轮椅相方移动时操杆移动幅度决定轮椅移动快慢图42示操杆两项输出信号直角坐标系中进行矢量合成示意图
图42 操杆矢量合成示意图
图42中中X轴代表轮椅转时速度定义右转正方Y轴表示轮椅前进退时速度定义前进正方轮椅左右电机例转速式获
手操器具体功：通移动操杆完成前进退转等轮椅运行速度方控制
412外扩辅助键
图43外扩辅助键电路该系统设置10键独立式外扩辅助键设计方法键时STM32引脚变高电时低电R15R24限流电阻阻值10KC5C14滤波电容实现硬件键抖动目电源开关键K1喇叭键K2紧急制动键K3坐椅升降键K4K5背升降键K6K7爬楼梯功键K8摩模块K9明灯键K10系统中接入明模块时起作
图43 键电路
外扩辅助键具体功：
电源开关键——键盘控制手操器电源模块通断
喇叭键——键盘控制轮椅喇叭通断
紧急制动键——发生紧急状况时见键轮椅实现紧急刹车
坐姿升降键——键控制轮椅完成座椅升降功
背升降键——通背升降键控制座椅完成背升降功
爬楼梯功键——通爬楼梯键控制系统进入爬楼梯状态
摩模块键——通摩模块键控制系统进入摩模块键
左右转灯键——应键左右转灯会点亮
警示灯键——时左转右转指示器时闪烁次时关闭相应指示灯
明灯键——键盘控制明灯通断
413电源模块
蓄电池电容量伏安特性等质量素决定电池续航力寿命作详细阐述
铅酸蓄电池目前蓄电池中工作性稳定种基安全考虑次智轮椅设计选铅酸电池作电源模块
414微控机STM32单片机
微控机STM32单片机技术相较成熟先相51单片机系统更稳定相PLC系统更简单成更低廉体积更市面标准开发板供直接购买文控制系统设计STM32单片机进行控制驱动轮椅移动转爬楼梯(做详述)座椅升降背升降摩等功完成系列操作图44示
图44 微控机STM32单片机板
415动力模块
（1）电机选
直流刷电机结构图45示控制器产生矩形脉脉波线圈电感整流变成稳直流电输出利矩形脉占空调节电动机转速手柄移动幅度控制电机转速手柄移动方控制电机旋转方采直流刷电机操作手柄相结合方式操作变简单直观更容易者学电机选直流刷电机
图45 刷直流电机组成框图
直流刷电机选型假设轮椅模型重量均100kg行走时轮椅需克服面摩擦力假设滚动摩擦系数003正常时速度般05ms高运动速度
2ms需电机功率
PF*v(100+100)* 10*003*2120W
轮椅15°左右斜坡爬坡时速度正常时速时
电机需功率
PF*v*sin15°200*10*05*026260W
轮椅150W电机
设置合适减速假定轮椅轮子直径D25cm正常时速轮椅驱动轮输出转速
n 255rs153rpm（根wvr推算）
结选减速器减速20
（2）电力推杆选
电动推杆旋转运动转换直线复运动电力驱动装置实现远距离控制集中控制动控制种技术已较成熟建议直接购买图46示电动推杆实物样图
图46 电动推杆实物图
座椅升降机构背升降机构座椅调机构中均设备
（3）电机驱动器选
单片机驱动器发送控制指令结合编码器反馈数信息电机速度转进行控制电机驱动器够精确控制电机转速转等参数
42控制系统软件设计
章中搭建硬件台章完成系统软件程序设计软件系统提供强力保障文智轮椅控制系统软件设计方面整控制系统采STM32单片机控制核心软件开发工具 keil采C语言编写程序
421控制系统总体结构设计
控制系统总体结构设计整功智轮椅控制系统说关重整体握整智控制系统设计理清整控制系统脉络整控制系统指导中心文研究重点图47示
图47 控制系统总体结构框架图
422底盘程序设计
底盘程序框架流程图48示工操作手柄输出操作信号传递STM32STM32计算处理信号传递直流刷电机驱动器驱动器处理然驱动电机工作电机转速电流电压作检测信号反馈信号传递STM32计算处理完成闭环信号反馈
图38 底盘程序框架流程
底盘电机正常工作控制图39示系统初始化完成手操器达指令判断执行实现底盘电机前进退停止左右转等操作
图39 底盘电机控制流程图
智轮椅转时通调节左右两驱动电机转速差实现控制电机转速关重电机控制指令反馈指令反应灵敏转速保持稳定底盘电机闭环控制系统结构尤重图410示检测位置参数定方法计算速度反馈量电机定速度进行较通速度调节二者间速度偏差量转化电流参考量电流参考量测电流反馈量进行较计算二者电流偏差电流调节产生脉占空调节量电机占空改变电机转速转化智轮椅左右轮电机定速度实现轮椅电机速度调节底盘电机闭环控调速结构图图410示
图410 底盘电机闭环控制系统结构
STM32F130VBT6通定时器输出4路占空调整PWM信号驱动电机STM32硬件电路产生相应频宽信号PWM信号占空频率固定变通修改TIM2 CCRI控制通道1输出占空进控制电机转速
库函数中修改TIM2 CCR1占空函数
void TIM SetComparel(TIM_TypeDef*TIMx unitl6 t Comparel)
加速程代码：
void D Decrease(void)
{
For（t0t<5t++)
{
if (dat<0xfe0) datdat+0x280
else dat0xfff
PWMSet(0xfff dat)设置新占空
Delay(2)二延时
}
}
void PWMSet(u16 base_ wideul6 pulse_ wide)
{
TIM_ SetAutoreload(TIM 1base_ wide)
TIM_SetCompare 1(TI M 1pulse_ wide)
}
部分校准程序：
void TSI_SelfCalibration(void) * TSI 校准 *
{
*校准 TSI0*
TSI_CS3TSI_CH0 *选择 TSI0 前扫描通道*
TSI_CS0|TSI_CS0_SWTS_MASK *开始扫描 TSI0*
while (TSI_CS0_EOSF) {} *等扫描完成*
for( i0 i<1i++) * 延时段时间 *
{
asm (NOP)
}
threshold0CTR*2 *设置 TSI0 动作阈值*
TSI_CS0|TSI_CS0_EOSF_MASK *清 EOSF 标志位*
}
相应中断处理函数：
void Obstacle_IRQHandler(void)障碍物中断处理函数
{
u16 dat u16 t
GPIO_ SetBits(GPIOBGPIO_Pin_0)驱动扬声器发出报警声
Joystick_CheckHandler(void)操杆检测函数
if(Joyflag0&&Brakeflag0)操杆紧急制动键均未动作
D_Decnease(void)刹车信号
}
程序见附录2
423坐卧转换底座升程序设计
坐卧转换底座升程序均控制电机正反转时控制方法底盘控制方法相作详细讲述补充源程序见附录2
电机驱动程序代码：
char flag1键标志flag1时表示没flag0时表示键
void Drive( ) 电机控制函数
{
init sys()*系统初始化}l数*
while(1)
{
(flag1)
{
if(S10)
{
delayms(2) 延时抖
if(S10)
{
flag0
front()电机正转
}
}
if(S20)
{
delayms(2) 延时抖
if(S20)
{
flag0
back()电机反转
}
}
if(S30)
{
delayms(2) 时抖
if(S30)
{
flag0
count+10
if(count>9)count9
if(count<1)count1
}
}
if(S40)
{
delayms(2)延时抖
if(S40)
{
flag0
count
if(count>9)count9
if(count< 1)count1
}
}
if(S10&&S20&&S30&&S40) flag1标志置位
}
}
}
424摩模块设计
图411 示智轮椅摩模块控制系统框图
图411 控制系统框图
程序源代码见附录2
部分校准程序：
void TSI_SelfCalibration(void) * TSI 校准 *
{
*校准 TSI0*
TSI_CS3TSI_CH0 *选择 TSI0 前扫描通道*
TSI_CS0|TSI_CS0_SWTS_MASK *开始扫描 TSI0*
while (TSI_CS0_EOSF) {} *等扫描完成*
for( i0 i<1i++) * 延时段时间 *
{
asm (NOP)
}
threshold0CTR*2 *设置 TSI0 动作阈值*
TSI_CS0|TSI_CS0_EOSF_MASK *清 EOSF 标志位*
}
相应中断处理函数：
void Obstacle_IRQHandler(void)障碍物中断处理函数
{
u16 dat u16 t
GPIO_ SetBits(GPIOBGPIO_Pin_0)驱动扬声器发出报警声
Joystick_CheckHandler(void)操杆检测函数
if(Joyflag0&&Brakeflag0)操杆紧急制动键均未动作
D_Decnease(void)刹车信号
}
5 总结展
51文工作总结
文致力开发款高性价性化功智轮椅该功智轮椅适范围老年细致残疾够独生活特殊群
文功智轮椅研究两方面进行研究分机械结构方面控制程系统方面总结文结研究方阐述
众周知座椅轮椅总结构座椅舒适性直接影响户轮椅坏评价座椅设计关重仅座椅设计定结合机工程学理知识设计出令舒适结构样设计出轮椅满足行性会者认
想设计出舒适轮首先研究体尺寸数解体什样状态姿势舒服然轮椅结构进行性化设计座椅功进行设计优化
控制系统硬件系统软件系统构成两系统构成硬件系统软件系统载体软件系统硬件系统体两者作
智控制系统控采STM32系列单片机负责接受操杆发出信息指令键指令模块反馈信息等完成模块程序指令控制系统控制
研究中发现系统然存问题：
智轮椅智化程度够高实现动驾驶更接机器机交互模式等
52研究展方
课题方面进行研究：
（1）采神网络线学深度学技术应智轮椅轮椅智化加接
（2）智化轮椅发展方中包括学功适应性组织功等
（3）智轮椅未发展方必然少线定位动驾驶时线定位动驾驶研究重点
（4）性化智化轮椅发展方
参考文献
[1]雷双双功智轮椅研究[D]华南理工学2014
[2]秦田基体压力分布轮椅舒适性角度分析研究[D]天津科技学2014
[3]代玉兴种新型功护理轮椅床设计研究[D]天津科技学2014
[4]钟媛民航座椅结构优化造型设计研究[D]沈阳航空航天学2015
[5]杨楠老年功电动轮椅性化设计研究[D]西南交通学2015
[6]王宇面老智轮椅研究[D]苏州学2015
[7]孙世升老年座椅舒适性研究[D]中国矿业学2015
[8]文雅基机形态汽车座椅舒适性研究[D]合肥工业学2015
[9]李爱萍功轮椅结构设计研究[D]天津科技学2010
[10]郝付英智轮椅控制系统研究设计[D]山东学2012
[11]杨天云汽车座椅轻量化结构设计成形工艺优化[D]合肥工业学2012
[12]秦美超轮椅舒适性评价体系研究[D]连交通学2012
[13]郑宇飞基机工程学智轮椅设计研究[D]合肥工业学2016
[14]张英杰基体生理参数智轮椅运行舒适性研究[D]天津科技学2015
[15]周汛种面老监护智轮椅[D]南京信息工程学2016
[16]欧阳丹基动态舒适性汽车座椅系统研究[D]湘潭学2012
[17]苏婷室智轮椅控制系统研究[D]南京师范学2013
[18]曲直智轮椅控制系统研究[D]哈尔滨工程学2012
[19]史学政汽车驾驶座椅智轮椅体化结构设计性分析[D]河北工业学2013
[20]李锋种新型功轮椅床设计仿真[D]天津理工学2013
[21]怡智轮椅结构设计研究[D]天津科技学2009
[22]张奎智轮椅控制系统研究[D]安徽理工学2018
[23]候晓东坐卧位转换功轮椅设计研究[D]河北工业学2016
[24]李春娇基残障老年功轮椅设计研究[D]天津科技学2017
[25]申俊基机工程学老年轮椅舒适性轻量化研究[D]连交通学2006
[26]库拉什·沙亚克基机工程学汽车座椅设计研究[D]北京交通学2016
[27]周群障碍轮椅研究设计[D]湖北工业学2016
[28]潘路基机交互智轮椅设计研究[D]山东学2018
[29]刘涛基压力分布座椅舒适性设计方法研究[D]吉林学2015
[30]庞明宇基体压分布汽车座椅舒适性评价研究[D]天津科技学2016
[31]Mattie JohanneWong AngieLeland DannyBorisoff Jaimie End user evaluation of a Kneeling Wheelchair with on the fly adjustable seating functions[J] Disability and rehabilitation Assistive technology201914(6)
[32]Hong EunKyoungDicianno Brad EPearlman JonCooper RosemarieCooper Rory A Comfort and stability of wheelchair backrests according to the TAWC (tool for assessing wheelchair discomfort)[J] Disability and rehabilitation Assistive technology201611(3)
[33]Gonçalves Diego DFranchini Ana ESardella AdrieliBonfim Gabriel H CMedola Fausto OPaschoarelli Luis C Comfort Stability and Body Posture in Wheelchair Cushions a preliminary study with able bodied subjects[J] Studies in health technology and informatics2015217
[34]Rodrigo G CurimbabaFausto O MedolaLaís R FaganelloRoberta L ScatolimEugenio MerinoGiselle MerinoLucas J GarciaLuis C Paschoarelli Temperature on Hand’ Surface During Manual Wheelchair Propulsion A Comparative Study of Two Handrim Designs[J] Procedia Manufacturing20153
[35]Vincenzo CascioliZhuofu LiuAndrew I HeuschPeter W M c Carthy Settling down time following initial sitting and its relationship with comfort and discomfort[J] Journal of Tissue Viability201120(4)
谢 辞
时学期毕业设计结束意味者北京理工学珠海学院学生涯结束毕业设计段时间里身提高中包含机械工程知识理解控制关方面书籍认识等等益老师学力帮助文尊敬导师尹沾松副教授悉心指导完成字里行间倾注导师量心血汗水尹老师渊博专业知识严谨治学态度高瞻远瞩学术眼光积极进取精神高度责易严格学者风范令作者受益终身文完成际谨尹老师致崇高敬意衷感谢尹老师年作者学生活微顾关怀
尹教授课题研究进展文修改提出许益建议帮助
特感谢作者父母姐姐姐夫十年作者直外求学做出巨奉献付出艰辛汗水机会表示深深谢意
感谢花费量时间精力审阅文参文答辩诸位专家教
授感谢指导评阅
附 录
附录1
表1 功轮椅技术参数
表2 体侧坐姿数（男性）（单位：mm）
表3 体侧坐姿数（女性）（单位：mm）
表4 体正坐姿数（男性）（单位：mm）
表5 体正坐姿数（女性）（单位：mm）
表6 老年舒适轮椅结构基尺寸
附录2
程序源代码
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功轮椅研究
——控制系统框架结构设计
学 院：
专 业：
姓 名：
指导老师：
工业动化学院
机械工程
李潮阳
学 号：
职 称：
163701106826
尹沾松
副教授
中国·珠海
二○二○年五月
诚信承诺书
郑重承诺 ：承诺呈交毕业设计功轮椅研究控制系统框架结构设计指导教师指导独立开展研究取成果文中引观点材料均文序列出参考文献设计数真实
签名：
日期： 2020年 5 月 1 日
功轮椅研究
——控制系统框架结构设计
摘
文先功智轮椅研究背景目意义国外现状作阐述然总结文解决核心问题关键技术根功智轮椅功求文分轮椅机械结构控制系统进行研究设计机械结构部分设计研究体尺寸数结合机工程学理知识轮椅结构进行更加性化设计硬件系统软件系统组成功智轮椅控制系统整体智轮椅控制系统STM32单片机进行控制采串口分配功硬件进行合理分配控制程序作构成整设计控制系统完成智轮椅部分功需求文进行研究容总结研究发展方阐述
关键词：智轮椅机工程学轮椅舒适性控制系统摩系统
Research on Multifunctional Wheelchair
Control System and Frame Structure Design
Abstract
In this paper the research background purpose significance and current situation of the multifunctional intelligent wheelchair are described and then the core problems and key technologies are summarized According to the main functional requirements of the multifunctional intelligent wheelchair the mechanical structure and control system of the wheelchair are studied and designed in this paper For the mechanical structure part of the design mainly studied the human body size data and combined with the theoretical knowledge of ergonomics to carry out a more humanized design of each structure of the wheelchair The hardware system and software system constitute the whole multifunction intelligent wheelchair control system The control system of the intelligent wheelchair is controlled by STM32 microcontroller and the hardware is distributed reasonably with the serial port distribution function Together with the control program the control system of the entire design is constituted and the functional requirements of each part of the intelligent wheelchair are completed Finally the paper summarizes the main research content and elaborates the research development direction
Keywords intelligent wheelchair Ergonomics Wheelchair comfort Control system Massage system
目 录
1 前言 6
11研究背景 6
12研究目意义 7
13国外研究现状 7
131国外发展现状 7
132国发展现状 9
14研究容 10
141研究解决问题 10
142文关键技术 10
2 功智轮椅总体方案设计 11
21功概述 11
22机械结构概述 11
23控制系统概述 11
3 基机工程学轮椅结构设计 13
31体尺寸数 13
311体静态尺寸 13
312体动态尺寸 14
313舒适姿态生理特征 15
314体测量数方法 16
32座椅部位结构设计 17
321背头枕设计 17
322坐垫设计 21
323扶手设计 25
324脚踏板设计 26
325座椅整体框架结构效果图 27
33坐卧转换结构设计 28
331坐卧转换综述 28
332坐卧转换活动部位结构 28
333坐卧转换模式 30
34底座升结构设计 30
35座椅摩结构设计 32
351座椅摩结构概述 32
352 摩滚轮顶出机构设计 33
353摩滚轮行走机构设计 34
354 摩机芯整体结构模型 35
4 智控制系统设计 37
41控制系统硬件设计 37
411手操器 37
412外扩辅助键 38
413电源模块 39
414微控机STM32单片机 40
415动力模块 40
42控制系统软件设计 42
421控制系统总体结构设计 42
422底盘程序设计 44
423坐卧转换底座升程序设计 48
424摩模块设计 50
5 总结展 52
51文工作总结 52
52研究展方 52
参考文献 54
谢 辞 57
附 录 58
1 前言
11研究背景
着社会快速发展科学技术快速发展进步需发展顶尖科学技术现仅国家高新科学技术重视企业高新科学技术十分重视组建科研组进行研究
国迎口老龄化 联合国报告指出全国口老龄化十分严重年会持续增长表明全国口迅速增长中国口老龄化发展趋势预测研究报告报告显示国口老龄化问题较严重解决时车祸疾病等控灾害造成残疾士会逐年递增具体研究报告图11示
图11 残疾家庭例图
疾病车祸等灾难造成士素影响正常生活必须种样工具说断腿残疾士必须轮椅者拐杖帮助走路生活说断臂残疾士样正常生活生活想更加独立需帮助话必须安装假臂帮助生活者利高科技完成手臂动作文中研究肢残疾士工具功智轮椅研究外市场现轮椅满作类残疾士需求时帮助老年更生活样轮椅帮助现市场少类群研发适合产品功智轮椅研究必
仅仅疾病外灾难导致残疾士逐年增法独手动轮椅需包轮椅设计更加智化动化类群独生活必须家者专门士顾付出余力物力顾类群情况类群家庭说毫疑问增加家压力迅速发展社会类群家压力疑提升数倍现交通工具满足类群需求功智轮椅应运生
12研究目意义
行动便必须轮椅越越必须轮椅帮助走路果长时间坐轮椅会感觉疲劳感适感产品设计舒适性求逐步升设计者应该考虑者舒适性文研究重点
针行动便必须轮椅种情况较开发出种类群提供智轮椅具重意义样功智轮椅提高行动便必须轮椅生活水着重意义研究具重价值社会意义
功智轮椅研究现状发展趋势进行分析研究找出轮椅设计重点方法尤重
13国外研究现状
131国外发展现状
目前世界学者已集中研究功智轮椅世界相继开发出种智轮椅发达国家者发展中国家研究智轮椅项目美国麻省理工学 WHEELESLEY 德国乌尔姆学MANUS例介绍国外智轮椅研究现状
美国麻省理工学开发出半式智轮椅 WHEELESLEY计算机视觉控制等相关视觉知识轮椅开关选霍尔传感器方式开关美国研发智轮椅通电极感知眼球运动确定实现位置实现种控制著名鹰眼系统图12示
图 12 WHEELESLEY
德国 Friend系统特处智轮椅面安装 MANUS 机器手臂具语音识功通机语音交互控制整轮椅控制系统
轮椅安装显示器显示出智轮椅情况
图13 代图14 二代示
图 13 FRIEND 代 图14 FRIEND 二代
132国发展现状
国众学者学研究智轮椅国功智轮椅研究出色目前说方面研究国较出色研究成果集中表现中科院动化海交通学开发智轮椅面两学例介绍国智轮椅发展情况
中国科学院动化研究研制智轮椅 NLPR 具现较高水研究说视觉导航语音导航功等功智轮椅真正实现智化语音交互模块做相较完善图15示
海交通学年研制出种声控型智轮椅智轮椅中国科学院动化研究研究智轮椅十分相似短短秒时间里执行命令提高智轮椅计算速度突破海交通学开发出防跌倒功智轮椅机械手臂实现先应功图16示
图15 NLPR 图16 海交通学智轮椅
总体说发展中国智轮椅研究提高表明国科学技术正处力发展阶段国现阶段中研究功智轮椅
14研究容
141研究解决问题
提高智轮椅者生活独立力设计开发出款功智轮椅实现轮椅者独立生活距离出行运行安全
文研究解决问题：
1轮椅久坐势必会疲劳该设计考虑舒适性
2减轻轮椅者家压力必须轮椅者够独立生活设计出者够独智轮椅
3市场数轮椅功较单需设计功存轮椅
4方便省力
5操控简单
6该功智轮椅需更加众化更加普遍化适范围更加广功样化普开发
7济性考虑重点
142文关键技术
1结合工程机体化设计出符合体燃基准座椅带摩系统
2轮椅设计更加智化动化
3座椅升降实现取高出物品坐卧转换实现坐卧躺储等功摩模块者缓解疲劳
4较成熟快捷电动轮椅
2 功智轮椅总体方案设计
文致力开发款高性价性化功智轮椅该功智轮椅适范围老年细致残疾够独生活特殊群
文功智轮椅研究两方面进行研究分机械结构方面控制程系统方面总结文结研究方阐述
21功概述
功智轮椅需满足求：安全性行性稳定性舒适性济性操作简单维护方便等素
轮椅具功：够正常灵活行走外包括坐卧躺折叠等种形式转换底座升结构摩结构
22机械结构概述
众周知座椅轮椅总结构座椅舒适性直接影响户轮椅坏评价座椅设计关重仅座椅设计定结合机工程学理知识设计出令舒适结构样设计出轮椅满足行性会者认
想设计出舒适轮首先研究体尺寸数解体什样状态姿势舒服然轮椅结构进行性化设计座椅功进行设计优化
23控制系统概述
文控制系统分硬件系统软件系统两模块入手分智轮椅控制系统进行研究硬件系统软件系统两者作完成智轮椅控制
智控制系统控采STM32系列单片机负责接受操杆发出信息指令键指令模块反馈信息等完成模块程序指令控制系统控制
3 基机工程学轮椅结构设计
节体解剖学辅助机工程学理机体化基础体尺寸数进行研究然轮椅部位结构进行设计造型结构创新舒适度优化轮椅够实现功进行设计优化采SolidWorks软件智轮椅结构进行设计仿真通零部件结构设计然装配形成完整结构通导出装配图零部件工程图终完成轮椅整体结构设计
首先现市场轮椅进行调研研究分析普通轮椅优缺点查阅资料体状态尺寸数轮椅机系统环境进行分析根结计算出轮椅部件尺寸结构完成轮椅设计：结合机工程学理舒适性设计方法智轮椅部位结构功进行设计研究轮椅者够享受幸福健康生活
31体尺寸数
311体静态尺寸
体部位尺寸相关数研究工程机工程学研究理基础基参考轮椅部位设计尺寸提供重参考表31中项体尺寸百分位数智轮椅研究重坐姿体相关数（详见附录1）文中轮椅脚踏板坐垫背头枕扶手等部分结构性化研究参考
表31 中国老年部分体尺寸（单位：ｍｍ）
312体动态尺寸
研究轮椅动态尺寸智轮椅尺寸设计关重助智轮椅时候坐智轮椅更加舒适设计更加性化更加适合类群动态尺度图41示
设计需测量机间例关系样做设计更加性化例轮椅时桌子间位置关系轮椅活动范围适范围应该符合数普通桌子高度方便老年适合高度桌子避免尖锐物必装饰伤害坐轮椅老年生活中行影响活动范围图31
图31 体动态尺寸
313舒适姿态生理特征
果座椅设计合理导致体坐姿正确样仅仅会者带疲劳感会体身伤害首先需研究体处姿势时生理特征结合体生理特征设计出座椅会更加适合样设计会更加性化设计出座椅会更加舒服
体腰曲弧形处然状态时腰背肌肉处松弛状态样避免出现某疾病适状况
体脊柱结构图32示保持脊柱处正常然弯曲状态关重果正确舒适坐姿状态脊椎部位压力较均匀肌肉较放送样体坐智轮椅较舒服处非然姿势时脊椎部位压力分布均匀肌肉处紧绷状态样会产生腰部酸痛疲劳等适问题查阅资料研究保证轮椅舒适应该轮椅背装合适位置头枕减轻颈椎压力
图32 脊柱形状组成
314体测量数方法
1确定轮椅类型
涉体尺寸轮椅设计中设定轮椅尺寸体尺寸百分位数确定轮椅类型关重文中普通轮椅类型例考虑特殊情况
2选择体测量百分位数
文中体测量百分位数统采95
3确定修正量
体测量标准中修正量确定包括两部分功修正量二心里修正量根查阅资料数功修正量60—80正常文中确定功修正量统采70心理修正量通评价表评分进行统计分析文中考虑特殊情况前提心理修正量90
5功尺寸设定
轮椅功尺寸包括功尺寸佳功尺寸公式：
32座椅部位结构设计
321背头枕设计
轮椅设计尤重座椅背影响轮椅舒适性重素首先研究椅子背图33示体坐姿部位受力情况减椎间盘受压力效方法采合适背支撑背部图34示表示种角度背支撑时脊椎承受压力变化情况
图33体坐姿部位受力情况 图34 腰背支撑第三腰椎间压力影响
分析结：
腰背支撑第三腰椎间压力倾角95120°间
轮椅背设计时首先必须保证体脊柱保持正常形状次避免座椅软坐时形成驼背状态样坐更然更舒适座椅果带枕话研究数表明样坐姿状态更轻松舒适
研究表明：满足图35示曲线时座椅脊椎处然状态久坐程中脊椎易产生疲劳损伤
图35 体背部优化曲线
背受力分析计算根ＧＢ１５０８３ＣＢ１１５５０求背应承受力矩Ｍ1＝370Ｎ．ｍ头枕移量Ｘ10ｍｍ应承受Ｆ1＝800Ｎ作力图36示
头枕力矩：
Ｍ2 ＝ 12Ｍ1 ＝12 x 370Ｎ．ｍ ＝ 444Ｎ．ｍ （31）
头枕抗压力：
F2 ＝ 12F1 ＝ 12 x 800Ｎ ＝ 960Ｎ （32）
图36 头枕载荷分布 图37 等应力梁受力分析
根图37受力分析知座椅悬臂梁结构ｈ2 ＝ h1 －65mm（h1头枕高度）ｈ３Ｆ3背旋转点间距离Ｆ４背截面xx背旋转点间距离背骨架xx界面弯矩Mx抗弯截面系数Wx应力σx列公式计算：
Ｍｘ F2 x （h3 h4） （33）
弯矩：
Mmax F2 x h3 （34）
σx Mx Wx F2 x （h3 – h4） Wx （35）
应力：
σmax Mx Wmax F2 x h3 Wx （36）
参考相关国家标准轮椅座椅外形尺寸求根体测量数应方法座椅宽度佳尺寸铝合金座椅背高 660mm宽 385mm背倾角95120°较适宜结构背曲线符合图35示二维图形图38示
图38 铝合金背面图
背材料选ZL101A相关资料壁厚 5mm圆角半径 5mm外圆角半径 9mm拔模斜度 0°30′具体图形图39图310示
图39 座椅骨架草图 图310 座椅背三维图
背设计智轮椅座椅中承压件必须满足座椅静强度求背应力公式：
σmax Mmax Wz (37)
式中Mmax弯矩Wz 背截面抗弯截面模量中矩形 Wz计算公式 ：
Wz Iz 05h bhh 6 （38）
Mmax 350N·mb4mmh110mm 代入式：σmax453MPa ZL101A 屈服强度 200MPa 该背设计满足国标求
背截面简化矩形计算够精确想精确数需结构细化行做细化
文中背设计实现电动180°旋转（坐卧转换中详细阐述）
外背侧设备雨伞装置雨天出行更加方便三维样板图图311示
图311 背备雨伞三维样板
322坐垫设计
（1）坐垫压力分布研究
坐垫设计关重体处坐垫压力分布数图312示根图312坐垫压力分布图知户臀部坐垫接触面积应增样体坐椅子会更加舒适减轻臀部附肌肉疲劳感增加血液循环理根图312图313示表明舒适坐姿压力分布特点
图312 坐垫压力分布
图313 体肢座垫分区
图中出结：
ａ．坐面深
坐面深距离长度整臀部支撑时坐深太长果太长体完全占坐垫臀部方会空余会体脊椎产生更必压力应该轮椅背方便腰椎部位起支撑作行参考体尺寸表31数距离范围400430ｍｍ间外坐垫表面形状应该臀部曲线相适应体现出凹凸互补趋势具定弹性支撑作
设计舒适坐垫曲面模型二维尺寸图314示
图314 舒适坐垫曲面模型二维尺寸
ｂ．座面宽
座面宽距离满足臀部横宽尺寸体测量尺寸中数出体臀部尺寸取95百分位时数范围致400－430mm间文中座面宽420mm左右较合适
ｃ．臀部坐深
通实验模型出实际结图315示较合适臀部坐深尺寸概30ｍｍ适臀部坐深腿部维持定支撑作减少腿部负担
图315 臀部石膏模型
d．坐面倾角
图34腰背支撑脊椎间压力影响应该适提高座椅坐垫水面成夹角角度约48°左右样设计减轻疲劳感
（2）边板结构设计
边板连接背坐垫侧扶手底座等重部位结构承载部件必须具足够强度根国家设计标准边板设计图316示结构
材料选牌号 6A02 铝合金板材抗拉强度290MPa厚度 5mm图616图317示
图316 边板面图
图317 边板三维图
（3）椅架结构设计
椅架采铝合金型材结构整轮椅椅座承载部件材料 6061型材选 40mm×20mm 方通厚度5mm图318图319示
图 318 椅架面图
图319 铝合金椅架 3D 图
323扶手设计
根表31附录1百分位选择数体坐姿肘高尺寸等数出扶手项尺寸数确定高度230mm左右扶手间距460mm左右图320示
扶手分两部分第部分扶手横杆起手臂支撑作结构实现前270°旋转背重叠两半圆柱相旋转实现第二部分扶手立杆圆柱构成实现前90°旋转坐垫重叠样两半圆柱相旋转实现扶手外功轮椅转换成床结构时阻挡床棉滚落
324脚踏板设计
脚踏板设计应该者提供肢良支撑作外必须保证腿部足够活动空间根附录1中数适尺寸410mm效果图321示
脚踏板结构灵活变动板图321中示状态意切换坐卧转换中着重作坐卧转换结构设计中详细阐述
图321 脚踏板结构
325座椅整体框架结构效果图
铝合金座椅框架装配三维图 铝合金座椅效果三维图
整体座椅效果三维图
33坐卧转换结构设计
331坐卧转换综述
轮椅般坐式久坐势必会产生疲劳感需转换座椅形态体变换姿势达缓解疲劳效果坐卧转换结构草图图322示
图322 坐卧转换结构草图
图322中右角开始逆时针旋转次正常坐立状态半躺摩状态躺状态闲置折叠状态
332坐卧转换活动部位结构
（1）背
坐式轮椅背采电推力杆动力结构采连杆结构连接电动推杆伸缩时带动背实现角度调节图323结构简图示
图323 背角度变换结构简图
（2）脚踏板
脚踏板拆分滑动变换成板结构作床半部分
变换前 变换
图324 脚踏板变换效果图
（3）手推柄
变换床时手推伸缩变换床腿提高床稳定性
变换前 变换
图325 手推柄变换效果图
333坐卧转换模式
模式：坐立式
模式正常轮椅坐立模式实现体正常移动正常日常活动
模式二：半卧式
调节半卧式时（120°—150°）启动轮椅摩系统（摩结构设计详细讲述）缓解久坐带疲劳
模式三：躺式
时轮椅调节躺式时（180°左右）变换简易床睡觉转换床时扶手两部分结构旋转竖直状态成床护栏阻止棉掉落面手推柄伸长变成床两条腿床结构更加稳固
模式四：折叠式
模式轮椅折叠成矩形体方便轮椅安放储存
四种模式图322示
34底座升结构设计
般普通轮椅够实现座椅升降文设计座椅升降结构想达者够生活事情坐轮椅较困难例较高桌子物品时取收放较高衣柜衣物时行达较高床时轮椅者确实较困难较困难行动便取高位置物品果轮椅座椅变成升降结构时问题轮椅者说相简单时结构实现减震效果
坐板升降减震机构原理图图326示
图326 坐板升降减震机构简图
坐板升降减震机构三维建模图327示驱动方滑块处放置电动推杆电动推杆伸缩时方滑块滑动致座板实现升降目
图327 三维建模升降减震装置
35座椅摩结构设计
351座椅摩结构概述
根市场调查结果显示目前摩椅产品常见摩方式图328示
图328 摩手法应摩机构实现形式
设计出款时满足手法摩椅结构示意图图329示
时摩椅包含固肾益精法健脾益胃法镇静催眠摩法拍摩法疏通鼻窍－治感法刮痧摩方法等种方法体
摩轮文采硅胶摩轮触感柔软摩更加充分舒适深层摩
图329 摩椅摩机构结构示意
352 摩滚轮顶出机构设计
体脊椎情况相变摩椅轨道固定致L’形会导致摩时摩轮运动轨迹适象发生改变利轮椅普遍求解决类问题需摩轮背部垂直方运动
通齿轮啮合带动摩滚轮机构做 3D 运动（3D运动指摩滚轮指背部做面运动实现背部压运动）种方案机芯整体较紧凑运行稳定原理简图330示摩滚轮顶出机构模型三维图图331示
图330 摩滚轮顶出机构原理简图
图331 摩滚轮顶出机构模型三维图
353摩滚轮行走机构设计
整机芯进行移动够体背部进行充分摩完成运动机构致分三种螺母丝杆链条组合齿轮齿条结合
齿轮齿条传动传动稳定承受较压力会出现噪音选择方案三齿轮齿条形式作摩滚轮行走机构方案图332示
图332 摩滚轮行走机构三维图
354 摩机芯整体结构模型
摩机芯零部件组装成整体图333示装配图
图431 摩滚轮机芯模型装配图
4 智控制系统设计
节讲述轮椅机械结构想轮椅智化必须加控制系统节讲述智轮椅控制系统设计包括两模块设计分控制系统硬件设计软件设计中硬件设计包括手操器外扩辅助键电源模块微控机STM32单片机动力模块等硬件设备选阐述工作原理方法软件设计包括系统程序设计盘运行程序坐卧转换级底座升降程序设计摩模块设计等方面讲述王丞相应模块程序设计
41控制系统硬件设计
411手操器
操杆称作手柄手移动位置信息转变控制器处理电压信号应范围较广包括行业应
文选两传感器霍尔操杆时控制速度转选霍尔操杆作设计手操器图41示
图41 操作手柄结构图
霍尔操杆工作原理通操杆移动控制智轮椅移动中包括书读方户移操杆轮椅前移动移动幅度控制轮椅转动速度快慢理左右移操杆轮椅原转移动幅度控制轮椅转动速度快慢果斜某方移动操杆轮椅相方移动时操杆移动幅度决定轮椅移动快慢图42示操杆两项输出信号直角坐标系中进行矢量合成示意图
图42 操杆矢量合成示意图
图42中中X轴代表轮椅转时速度定义右转正方Y轴表示轮椅前进退时速度定义前进正方轮椅左右电机例转速式获
手操器具体功：通移动操杆完成前进退转等轮椅运行速度方控制
412外扩辅助键
图43外扩辅助键电路该系统设置10键独立式外扩辅助键设计方法键时STM32引脚变高电时低电R15R24限流电阻阻值10KC5C14滤波电容实现硬件键抖动目电源开关键K1喇叭键K2紧急制动键K3坐椅升降键K4K5背升降键K6K7爬楼梯功键K8摩模块K9明灯键K10系统中接入明模块时起作
图43 键电路
外扩辅助键具体功：
电源开关键——键盘控制手操器电源模块通断
喇叭键——键盘控制轮椅喇叭通断
紧急制动键——发生紧急状况时见键轮椅实现紧急刹车
坐姿升降键——键控制轮椅完成座椅升降功
背升降键——通背升降键控制座椅完成背升降功
爬楼梯功键——通爬楼梯键控制系统进入爬楼梯状态
摩模块键——通摩模块键控制系统进入摩模块键
左右转灯键——应键左右转灯会点亮
警示灯键——时左转右转指示器时闪烁次时关闭相应指示灯
明灯键——键盘控制明灯通断
413电源模块
蓄电池电容量伏安特性等质量素决定电池续航力寿命作详细阐述
铅酸蓄电池目前蓄电池中工作性稳定种基安全考虑次智轮椅设计选铅酸电池作电源模块
414微控机STM32单片机
微控机STM32单片机技术相较成熟先相51单片机系统更稳定相PLC系统更简单成更低廉体积更市面标准开发板供直接购买文控制系统设计STM32单片机进行控制驱动轮椅移动转爬楼梯(做详述)座椅升降背升降摩等功完成系列操作图44示
图44 微控机STM32单片机板
415动力模块
（1）电机选
直流刷电机结构图45示控制器产生矩形脉脉波线圈电感整流变成稳直流电输出利矩形脉占空调节电动机转速手柄移动幅度控制电机转速手柄移动方控制电机旋转方采直流刷电机操作手柄相结合方式操作变简单直观更容易者学电机选直流刷电机
图45 刷直流电机组成框图
直流刷电机选型假设轮椅模型重量均100kg行走时轮椅需克服面摩擦力假设滚动摩擦系数003正常时速度般05ms高运动速度
2ms需电机功率
PF*v(100+100)* 10*003*2120W
轮椅15°左右斜坡爬坡时速度正常时速时
电机需功率
PF*v*sin15°200*10*05*026260W
轮椅150W电机
设置合适减速假定轮椅轮子直径D25cm正常时速轮椅驱动轮输出转速
n 255rs153rpm（根wvr推算）
结选减速器减速20
（2）电力推杆选
电动推杆旋转运动转换直线复运动电力驱动装置实现远距离控制集中控制动控制种技术已较成熟建议直接购买图46示电动推杆实物样图
图46 电动推杆实物图
座椅升降机构背升降机构座椅调机构中均设备
（3）电机驱动器选
单片机驱动器发送控制指令结合编码器反馈数信息电机速度转进行控制电机驱动器够精确控制电机转速转等参数
42控制系统软件设计
章中搭建硬件台章完成系统软件程序设计软件系统提供强力保障文智轮椅控制系统软件设计方面整控制系统采STM32单片机控制核心软件开发工具 keil采C语言编写程序
421控制系统总体结构设计
控制系统总体结构设计整功智轮椅控制系统说关重整体握整智控制系统设计理清整控制系统脉络整控制系统指导中心文研究重点图47示
图47 控制系统总体结构框架图
422底盘程序设计
底盘程序框架流程图48示工操作手柄输出操作信号传递STM32STM32计算处理信号传递直流刷电机驱动器驱动器处理然驱动电机工作电机转速电流电压作检测信号反馈信号传递STM32计算处理完成闭环信号反馈
图38 底盘程序框架流程
底盘电机正常工作控制图39示系统初始化完成手操器达指令判断执行实现底盘电机前进退停止左右转等操作
图39 底盘电机控制流程图
智轮椅转时通调节左右两驱动电机转速差实现控制电机转速关重电机控制指令反馈指令反应灵敏转速保持稳定底盘电机闭环控制系统结构尤重图410示检测位置参数定方法计算速度反馈量电机定速度进行较通速度调节二者间速度偏差量转化电流参考量电流参考量测电流反馈量进行较计算二者电流偏差电流调节产生脉占空调节量电机占空改变电机转速转化智轮椅左右轮电机定速度实现轮椅电机速度调节底盘电机闭环控调速结构图图410示
图410 底盘电机闭环控制系统结构
STM32F130VBT6通定时器输出4路占空调整PWM信号驱动电机STM32硬件电路产生相应频宽信号PWM信号占空频率固定变通修改TIM2 CCRI控制通道1输出占空进控制电机转速
库函数中修改TIM2 CCR1占空函数
void TIM SetComparel(TIM_TypeDef*TIMx unitl6 t Comparel)
加速程代码：
void D Decrease(void)
{
For（t0t<5t++)
{
if (dat<0xfe0) datdat+0x280
else dat0xfff
PWMSet(0xfff dat)设置新占空
Delay(2)二延时
}
}
void PWMSet(u16 base_ wideul6 pulse_ wide)
{
TIM_ SetAutoreload(TIM 1base_ wide)
TIM_SetCompare 1(TI M 1pulse_ wide)
}
部分校准程序：
void TSI_SelfCalibration(void) * TSI 校准 *
{
*校准 TSI0*
TSI_CS3TSI_CH0 *选择 TSI0 前扫描通道*
TSI_CS0|TSI_CS0_SWTS_MASK *开始扫描 TSI0*
while (TSI_CS0_EOSF) {} *等扫描完成*
for( i0 i<1i++) * 延时段时间 *
{
asm (NOP)
}
threshold0CTR*2 *设置 TSI0 动作阈值*
TSI_CS0|TSI_CS0_EOSF_MASK *清 EOSF 标志位*
}
相应中断处理函数：
void Obstacle_IRQHandler(void)障碍物中断处理函数
{
u16 dat u16 t
GPIO_ SetBits(GPIOBGPIO_Pin_0)驱动扬声器发出报警声
Joystick_CheckHandler(void)操杆检测函数
if(Joyflag0&&Brakeflag0)操杆紧急制动键均未动作
D_Decnease(void)刹车信号
}
程序见附录2
423坐卧转换底座升程序设计
坐卧转换底座升程序均控制电机正反转时控制方法底盘控制方法相作详细讲述补充源程序见附录2
电机驱动程序代码：
char flag1键标志flag1时表示没flag0时表示键
void Drive( ) 电机控制函数
{
init sys()*系统初始化}l数*
while(1)
{
(flag1)
{
if(S10)
{
delayms(2) 延时抖
if(S10)
{
flag0
front()电机正转
}
}
if(S20)
{
delayms(2) 延时抖
if(S20)
{
flag0
back()电机反转
}
}
if(S30)
{
delayms(2) 时抖
if(S30)
{
flag0
count+10
if(count>9)count9
if(count<1)count1
}
}
if(S40)
{
delayms(2)延时抖
if(S40)
{
flag0
count
if(count>9)count9
if(count< 1)count1
}
}
if(S10&&S20&&S30&&S40) flag1标志置位
}
}
}
424摩模块设计
图411 示智轮椅摩模块控制系统框图
图411 控制系统框图
程序源代码见附录2
部分校准程序：
void TSI_SelfCalibration(void) * TSI 校准 *
{
*校准 TSI0*
TSI_CS3TSI_CH0 *选择 TSI0 前扫描通道*
TSI_CS0|TSI_CS0_SWTS_MASK *开始扫描 TSI0*
while (TSI_CS0_EOSF) {} *等扫描完成*
for( i0 i<1i++) * 延时段时间 *
{
asm (NOP)
}
threshold0CTR*2 *设置 TSI0 动作阈值*
TSI_CS0|TSI_CS0_EOSF_MASK *清 EOSF 标志位*
}
相应中断处理函数：
void Obstacle_IRQHandler(void)障碍物中断处理函数
{
u16 dat u16 t
GPIO_ SetBits(GPIOBGPIO_Pin_0)驱动扬声器发出报警声
Joystick_CheckHandler(void)操杆检测函数
if(Joyflag0&&Brakeflag0)操杆紧急制动键均未动作
D_Decnease(void)刹车信号
}
5 总结展
51文工作总结
文致力开发款高性价性化功智轮椅该功智轮椅适范围老年细致残疾够独生活特殊群
文功智轮椅研究两方面进行研究分机械结构方面控制程系统方面总结文结研究方阐述
众周知座椅轮椅总结构座椅舒适性直接影响户轮椅坏评价座椅设计关重仅座椅设计定结合机工程学理知识设计出令舒适结构样设计出轮椅满足行性会者认
想设计出舒适轮首先研究体尺寸数解体什样状态姿势舒服然轮椅结构进行性化设计座椅功进行设计优化
控制系统硬件系统软件系统构成两系统构成硬件系统软件系统载体软件系统硬件系统体两者作
智控制系统控采STM32系列单片机负责接受操杆发出信息指令键指令模块反馈信息等完成模块程序指令控制系统控制
研究中发现系统然存问题：
智轮椅智化程度够高实现动驾驶更接机器机交互模式等
52研究展方
课题方面进行研究：
（1）采神网络线学深度学技术应智轮椅轮椅智化加接
（2）智化轮椅发展方中包括学功适应性组织功等
（3）智轮椅未发展方必然少线定位动驾驶时线定位动驾驶研究重点
（4）性化智化轮椅发展方
参考文献
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[16]欧阳丹基动态舒适性汽车座椅系统研究[D]湘潭学2012
[17]苏婷室智轮椅控制系统研究[D]南京师范学2013
[18]曲直智轮椅控制系统研究[D]哈尔滨工程学2012
[19]史学政汽车驾驶座椅智轮椅体化结构设计性分析[D]河北工业学2013
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[21]怡智轮椅结构设计研究[D]天津科技学2009
[22]张奎智轮椅控制系统研究[D]安徽理工学2018
[23]候晓东坐卧位转换功轮椅设计研究[D]河北工业学2016
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[25]申俊基机工程学老年轮椅舒适性轻量化研究[D]连交通学2006
[26]库拉什·沙亚克基机工程学汽车座椅设计研究[D]北京交通学2016
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[30]庞明宇基体压分布汽车座椅舒适性评价研究[D]天津科技学2016
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[35]Vincenzo CascioliZhuofu LiuAndrew I HeuschPeter W M c Carthy Settling down time following initial sitting and its relationship with comfort and discomfort[J] Journal of Tissue Viability201120(4)
谢 辞
时学期毕业设计结束意味者北京理工学珠海学院学生涯结束毕业设计段时间里身提高中包含机械工程知识理解控制关方面书籍认识等等益老师学力帮助文尊敬导师尹沾松副教授悉心指导完成字里行间倾注导师量心血汗水尹老师渊博专业知识严谨治学态度高瞻远瞩学术眼光积极进取精神高度责易严格学者风范令作者受益终身文完成际谨尹老师致崇高敬意衷感谢尹老师年作者学生活微顾关怀
尹教授课题研究进展文修改提出许益建议帮助
特感谢作者父母姐姐姐夫十年作者直外求学做出巨奉献付出艰辛汗水机会表示深深谢意
感谢花费量时间精力审阅文参文答辩诸位专家教
授感谢指导评阅
附 录
附录1
表1 功轮椅技术参数
表2 体侧坐姿数（男性）（单位：mm）
表3 体侧坐姿数（女性）（单位：mm）
表4 体正坐姿数（男性）（单位：mm）
表5 体正坐姿数（女性）（单位：mm）
表6 老年舒适轮椅结构基尺寸
附录2
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