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轮椅机器人的设计及运动控制研究

作　者: 袁磊
导　师: 许瑛
学　校: 南昌航空大学
专　业: 机械制造及其自动化
关键词: 轮椅 机器人 Adams仿真 虚拟样机 智能轮椅
分类号: TP242
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要


随着生物医学的进步，人类寿命的不断延长，人口老年化问题越来越成为社会关注的焦点；加上工业化进度越来越快，汽车的数量也在逐年增加，相应地产生了很多因交通事故导致瘫痪和肢体残疾的人。普通的轮椅已经不能满足这类人群的需要，迫切需要运用现代高新技术的轮椅机器人来改善他们的生活质量和生活自由度。本文主要对轮椅机器人机械结构设计和行走控制进行研究，主要工作如下：（1）依据机械原理、人机工程学和电动轮椅国家标准设计了轮椅机器人的机械结构，包括座椅升降机构、平躺机构、独立后两轮驱动的行走机构和辅助机构。（2）提出了基于DSP芯片TMS320LF2407的轮椅行走的两种控制模式，即手柄控制和远程无线遥控控制。（3）校核轮椅机器人的各项运动参数，如爬坡度、加速度时间、越障高度和侧翻报警角。（4）利用Adams动力学仿真软件，进行了两个仿真实验，并分析了实验结果，验证了轮椅机器人的结构方案可行性和运动可靠性。本文通过对轮椅机器人的结构设计及控制研究，实现行走、升降和平躺等多种功能，满足了用户的一些特殊需求。为轮椅机器人的结构设计和助残扶老等社会问题的解决，提供了一定的理论依据。

全文目录


摘要  3-4
Abstract  4-8
第1章 绪论  8-18
  1.1 引言  8
  1.2 本文的研究目的和意义  8-9
    1.2.1 选题依据  8-9
    1.2.2 选题目的和意义  9
  1.3 轮椅机器人的研究现状及分析  9-16
    1.3.1 国外轮椅机器人技术的研究现状  9-11
    1.3.2 国内轮椅机器人技术的研究现状  11-13
    1.3.3 轮椅机器人的关键技术  13-14
    1.3.4 结构方案  14-16
  1.4 本文的内容安排  16-18
第2章 座椅的机械结构设计  18-30
  2.1 座椅总体设计方案的确定  18-21
    2.1.1 需求分析  18-19
    2.1.2 功能构成  19-20
    2.1.3 性能指标  20
    2.1.4 结构方案  20-21
  2.2 座椅的升降机构设计  21-24
    2.2.1 升降机构的结构及其工作原理  21-23
    2.2.2 升降行程限定  23-24
    2.2.3 升降电机的功率计算  24
  2.3 座椅的平躺机构结构设计及其工作原理  24-26
    2.3.1 气弹簧  24-25
    2.3.2 平躺机构的结构  25-26
    2.3.3 平躺机构的工作原理  26
  2.4 辅助机构设计  26-29
    2.4.1 收放小桌  26-27
    2.4.2 多功能拐杖  27-28
    2.4.3 储物箱  28-29
  2.5 本章小结  29-30
第3章 轮椅机器人行走机构设计与分析  30-40
  3.1 行走机构的结构设计  30-34
    3.1.1 可行结构方案  30-32
    3.1.2 结构方案的确定  32-33
    3.1.3 驱动单元布局设计  33
    3.1.4 转向机构设计  33-34
  3.2 行走机构的运动原理  34-35
  3.3 行走机构转向分析和理论验证  35-38
  3.4 本章小结  38-40
第4章 轮椅机器人控制系统设计  40-58
  4.1 轮椅系统总体控制方案  40-43
    4.1.1 轮椅控制系统实现方式  40-41
    4.1.2 本轮椅系统的控制方法  41-42
    4.1.3 控制系统的模式选择  42
    4.1.4 控制系统的硬件构成  42-43
  4.2 手柄控制系统的工作原理及硬件实现  43-53
    4.2.1 手柄输出信号的速度给定  44-46
    4.2.2 手柄输出信号处理电路设计  46
    4.2.3 行走机构驱动电路设计  46-48
    4.2.4 电源电路和电平转换电路  48-49
    4.2.5 电机控制电路和电流、速度采样电路  49-53
  4.3 远程无线控制模式的实现  53-56
    4.3.1 无线信号发射电路  54
    4.3.2 无线信号接收电路  54-56
  4.4 本章小结  56-58
第5章 关键部件设计与轮椅性能分析  58-72
  5.1 驱动电机和传动装置的设计  58-61
    5.1.1 驱动电机的选择  58-59
    5.1.2 减速器选择  59
    5.1.3 电机性能分析  59-61
  5.2 轮椅机器人的运动分析  61-67
    5.2.1 轮椅机器人爬坡度  61-63
    5.2.2 轮椅机器人加速时间  63-64
    5.2.3 轮椅机器人越障分析  64-67
  5.3 舒适性和安全性分析  67-69
    5.3.1 人体生物力学特性分析  67-68
    5.3.2 侧翻报警角  68-69
  5.4 运动性能参数评价  69-70
  5.5 本章小结  70-72
第6章 虚拟样机实验和结论  72-80
  6.1 座椅升降仿真分析  72-74
  6.2 轮椅转向的仿真分析  74-78
  6.3 本章小结  78-80
第7章 总结与展望  80-82
  7.1 总结  80-81
  7.2 进一步工作展望  81-82
参考文献  82-86
攻读硕士学位期间发表的学术论文及参加的科研工作  86-88
致谢  88-90

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中图分类: > 工业技术 > 自动化技术、计算机技术 > 自动化技术及设备 > 机器人技术 > 机器人
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