章丘四中校園新聞發(fā)布管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)自動(dòng)爬樓梯輪椅控制與驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)案例目錄自動(dòng)爬樓梯輪椅控制與驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)案例 1 11.1.1平地行走模塊 21.1.2爬梯模塊 21.1.3座椅平衡調(diào)節(jié)模塊 3 31.2.1控制芯片選型 31.2.2傳感器選型 51.1.3電源選型 71.1.4電機(jī)選型 8 10本文中的自動(dòng)爬梯輪椅的系統(tǒng)主要包含控制模塊、驅(qū)動(dòng)模塊、輔助支撐模塊、座椅平衡調(diào)節(jié)模塊、電源模塊幾個(gè)部分。其中電源模塊主要包含電池、開關(guān)、繼電器、導(dǎo)線以及熔斷器等；控制模塊主要包括爬梯輪椅扶手上的手柄控制模塊和搖桿；驅(qū)動(dòng)模塊主要包括驅(qū)動(dòng)電機(jī)、驅(qū)動(dòng)電路板；輔助支撐模塊主要包括切換電機(jī)、蝸輪蝸桿和彈簧預(yù)緊機(jī)構(gòu)等；座椅平衡調(diào)節(jié)模塊主要包含電動(dòng)推桿、驅(qū)動(dòng)電機(jī)和后支撐板等。如下圖所示為自動(dòng)爬梯輪椅的系統(tǒng)控制原理圖。圖3-1自動(dòng)爬梯輪椅的系統(tǒng)控制原理圖1.1.1平地行走模塊根據(jù)本課題設(shè)計(jì)要求以及總體設(shè)計(jì)方案，課題設(shè)計(jì)的自動(dòng)爬梯輪椅運(yùn)動(dòng)模式主要包括平地運(yùn)動(dòng)模式和爬梯模塊。當(dāng)運(yùn)動(dòng)環(huán)境是平地模式時(shí)，自動(dòng)爬梯輪椅的主電機(jī)開始工作。當(dāng)輪椅前進(jìn)時(shí)，兩個(gè)伺服電機(jī)正轉(zhuǎn)帶動(dòng)兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪前進(jìn)，從而使輪椅前進(jìn)。當(dāng)輪椅后退時(shí)，電機(jī)則反轉(zhuǎn)，此時(shí)輪椅便會(huì)后退。輪椅主動(dòng)力是由兩個(gè)電機(jī)提供，所以由于兩個(gè)電機(jī)的差速效果，控制兩個(gè)電機(jī)的不同速度，便可實(shí)現(xiàn)輪椅左右、左前、左后、右前右后等不同方向的移動(dòng)，相對(duì)于單電機(jī)提供動(dòng)力，大大提高了輪椅的靈活性，使輪椅可以適合更復(fù)雜的地形，也使得輪椅的實(shí)用性得到了利用，輪椅實(shí)現(xiàn)平地?zé)o障礙運(yùn)動(dòng)。1.1.2爬梯模塊當(dāng)自動(dòng)爬樓輪椅有平地運(yùn)動(dòng)模式開始轉(zhuǎn)向爬樓模式時(shí)，乘坐人員可以通過(guò)爬樓輪椅上的手柄操縱桿控制輪椅的履帶切換機(jī)構(gòu)，使爬樓輪椅自由地從平地運(yùn)動(dòng)模式切換履帶爬梯運(yùn)動(dòng)模式。這個(gè)過(guò)程主要是通過(guò)操縱桿給一個(gè)信號(hào)給電動(dòng)推桿，電動(dòng)推桿便會(huì)伸長(zhǎng)，使座椅勻速升起。隨著輪椅逐漸爬上樓梯斜面，在此運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，座椅始終與水平地面保持平行，乘坐著不會(huì)感到絲毫不適的感覺(jué)。在輪椅爬樓的過(guò)程中，舵機(jī)開始工作，調(diào)節(jié)一定角度后停止工作，使得驅(qū)動(dòng)輪，從動(dòng)輪和引導(dǎo)輪底面處于同一水平面，從而加大了履帶與樓梯的接觸面積，使輪椅可以更加平穩(wěn)的在樓梯上行走；反之當(dāng)自動(dòng)爬樓梯輪椅到達(dá)項(xiàng)部平臺(tái)時(shí)，電機(jī)繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，使得前面的引導(dǎo)輪先接觸地面，隨著頂端平臺(tái)延伸，當(dāng)自動(dòng)爬樓輪椅逐漸到達(dá)頂端時(shí)，電機(jī)反轉(zhuǎn)恢復(fù)到原來(lái)的位置，能夠使輪椅更加平穩(wěn)的降落至頂端平臺(tái)。通過(guò)輔助支撐機(jī)構(gòu)的作用，實(shí)現(xiàn)了爬樓梯輪椅在樓梯斜面和頂部平臺(tái)之間的平穩(wěn)過(guò)渡。1.1.3座椅平衡調(diào)節(jié)模塊自動(dòng)爬梯輪椅的座椅平衡調(diào)節(jié)裝置是將座椅的后端支座安裝在爬梯輪椅底盤上，并且還可以相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，座椅前段是與座椅調(diào)節(jié)的電動(dòng)推桿相連接。自動(dòng)爬梯輪椅在上下樓梯的過(guò)程中，安裝在座椅上的傾角傳感器則會(huì)根據(jù)座椅傾斜角度控制電動(dòng)推桿的伸縮，從而實(shí)現(xiàn)座椅平衡的控制，使爬梯輪椅的座椅始終保持在一個(gè)水平狀態(tài)。當(dāng)自動(dòng)爬梯輪椅面對(duì)不同的運(yùn)動(dòng)模式時(shí)，乘坐人員可以根據(jù)不同的環(huán)境選擇切換不同的運(yùn)動(dòng)模式，在輔助支撐裝置以及座椅調(diào)節(jié)平衡裝置的輔助下，自動(dòng)爬樓輪椅可以自由實(shí)現(xiàn)上下樓梯、平地運(yùn)動(dòng)以及更多復(fù)雜地形的運(yùn)動(dòng)。1.2.1控制芯片選型為了完成爬樓梯輪椅所設(shè)定的功能要求，控制模塊需要具備充足的數(shù)據(jù)處理能力才能完成電機(jī)控制、傳感器信息處理、數(shù)據(jù)計(jì)算、與外圍設(shè)備通信等功能。Atmegal28單片機(jī)是基于RISC結(jié)構(gòu)的8位高性能、低功耗處理器，內(nèi)核采用了Harvard(哈佛)結(jié)構(gòu)，具有獨(dú)立的數(shù)據(jù)和程序總線，程序指令通過(guò)流水線運(yùn)行，是Atmel公司AVR單片機(jī)系列中整體性能最強(qiáng)的一款，其主要特點(diǎn)如下：·支持131條AVR指令，其中大多數(shù)指令執(zhí)行時(shí)間為單個(gè)時(shí)鐘周期，執(zhí)行速度快；·內(nèi)部有32個(gè)8位通用寄存器，硬件乘法器只需要兩個(gè)時(shí)鐘周期，當(dāng)工作頻率為16MHz時(shí)性能高達(dá)16MIPS；·內(nèi)置4KB片內(nèi)SRAM，128KB系統(tǒng)內(nèi)可編程Flash，4KBE2PROM；·內(nèi)置4個(gè)具有比較模式和PWM功能的定時(shí)／計(jì)數(shù)器T／C和1個(gè)實(shí)時(shí)時(shí)鐘RTC；·內(nèi)置8通道10位ADC，可以組合為8個(gè)單端通道或7組差分通道，其中有兩個(gè)具有可編程增益(1×、10×或200×)的差分通道；·內(nèi)置具有獨(dú)立片內(nèi)振蕩器的可編程看門狗定時(shí)器；·內(nèi)置多種串行通信接口，包括TWI(12C)兩線接口、可編程USART和可工作于主機(jī)／從機(jī)模式的SPI串行接口；·提供53個(gè)可編程I／O端口，64引腳TQFP封裝和64引腳MLF封裝；·支持2．7～5．5V(Atmegal28L)和4．5～5．5V(Atmegal28)工作電壓，前者工作頻率為0～8MHz，后者0～16MHz。圖3-2，3-3所示為TQFP／MLF封裝的Atmegal28單片機(jī)引腳圖和實(shí)物圖。圖3-2Atmegal28單片機(jī)引腳圖圖3-3Atmegal28單片機(jī)實(shí)物圖本課題中爬樓梯輪椅的控制系統(tǒng)是基于Atmegal28單片機(jī)最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)。為了進(jìn)一步擴(kuò)展單片機(jī)引腳，同時(shí)使硬件接線更加簡(jiǎn)單方便，基于Atmegal28單片機(jī)最小系統(tǒng)板設(shè)計(jì)了電路轉(zhuǎn)接板，如3-5圖所示。電路轉(zhuǎn)接板可以直接插在在ATmegal28單片機(jī)最小系統(tǒng)板上(如3-6圖所示)，電路轉(zhuǎn)接板上標(biāo)示有各傳感器和驅(qū)動(dòng)器的接線引腳，在線路連接和調(diào)試的過(guò)程中只需根據(jù)標(biāo)識(shí)插拔排線即可。圖3-5電路轉(zhuǎn)接板圖3-6ATmegal28單片機(jī)最小系統(tǒng)板1.2.2傳感器選型1.傾角傳感器傾角傳感器又稱水平、傾角和傾斜儀器，常用于測(cè)量系統(tǒng)角度的水平變化，其工作原理是：當(dāng)傾角傳感器靜止時(shí)，即在橫向和垂直方向上沒(méi)有加速度，所以只有重力加速度作用于它，此時(shí)重力垂直軸與加速度傳感器敏感軸之間的夾角稱為傾角。因此，傾角傳感器也是基于慣性原理的加速度傳感器，傾斜傳感器是用來(lái)實(shí)時(shí)感知座椅的水平位置，以控制和調(diào)整座椅保持平衡。圖3-7傾角傳感器2.壓力傳感器除傾斜傳感器外，自動(dòng)爬梯輪椅還需要安裝壓力傳感器來(lái)控制座椅調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，當(dāng)爬梯輪椅重心從樓梯斜面過(guò)渡到上平臺(tái)時(shí)，控制系統(tǒng)根據(jù)座椅調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)中的壓力傳感器信號(hào)，將輔助支撐結(jié)構(gòu)縮回，使爬梯輪椅輕輕下降到上平臺(tái)，本課題選用按鈕式微型壓力傳感器。圖3-8壓力傳感器表3-1物流的概念和范圍參數(shù)數(shù)值參數(shù)數(shù)值額定載荷200kg供橋電壓10V綜合精度0.5%靈敏度1.0~1.5mV/V非直線性0.05%F.S.重復(fù)性0.05%F.S.溫度范圍-20℃~20℃材質(zhì)合金鋼壓力傳感器固定在座椅調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)中套筒的底部，套筒的一端通過(guò)銷軸與底盤中的支架連接并可相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，另一端包覆在輔助支撐桿伸縮端，當(dāng)輔助支撐電動(dòng)推桿伸出上升座椅時(shí)，壓力傳感器能檢測(cè)到壓力桿施加在其上的壓力，并將其轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電壓信號(hào)；輔助支撐電動(dòng)推桿收縮時(shí)，由于套筒中連桿的銷孔較長(zhǎng)，在座椅向上傳導(dǎo)過(guò)程中，電動(dòng)推桿與壓力傳感器之間會(huì)有一定的軸向縫隙，壓力傳感器不會(huì)發(fā)出信號(hào)。1.操作桿考慮到操作的方便性和安全性，本文設(shè)計(jì)的自動(dòng)爬梯輪椅主要采用操作桿和遙控器控制，乘客直接控制爬梯輪椅前進(jìn)、后退、轉(zhuǎn)向和爬樓梯等運(yùn)動(dòng)。根據(jù)工作原理，常用的操作桿主要分為薄膜式、霍爾式和光電式三種，其中霍爾式操作桿精度高，在機(jī)電產(chǎn)品中應(yīng)用廣泛，它的工作原理是帶電導(dǎo)體在磁場(chǎng)中的兩側(cè)都會(huì)產(chǎn)生電力。當(dāng)驅(qū)動(dòng)器相對(duì)于磁場(chǎng)的角度發(fā)生變化時(shí)，兩側(cè)產(chǎn)生的電磁力也會(huì)發(fā)生變化。本課題選用的HJ6型霍爾式操作桿及其主要參數(shù)分別如圖3-9和表3-2所示，操作桿隨控制盒安裝在爬樓梯輪椅扶手上，并可以根據(jù)乘坐者需要選擇安裝在左側(cè)或者右側(cè)。圖3-9霍爾操作桿表3-2HJ6型霍爾操作桿參數(shù)1.1.3電源選型為了滿足爬樓梯輪椅在室內(nèi)及室外都能使用的要求，擴(kuò)大爬樓梯輪椅的使用范圍，因此參照電動(dòng)輪椅選擇蓄電池作為爬樓梯輪椅的電源。目前，電動(dòng)車行業(yè)普遍采用的蓄電池主要有鉛蓄電池和鋰電池兩種，由于鉛蓄電池具有成本低廉、使用成熟和維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，并考慮到電池容量、電壓大小和使用壽命等因素，本課題選用的是Panasonic6-dzm-12鉛蓄電池，如圖3-10所示，其額定電壓為12V，額定容量為12Ah／2h率。圖3-10Panasonic6-dzm-12鉛蓄電池1.1.4電機(jī)選型1.履帶電機(jī)本文提出的平行機(jī)構(gòu)與爬坡越障行走機(jī)構(gòu)具有相同的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，越障行走機(jī)構(gòu)所需的驅(qū)動(dòng)功率遠(yuǎn)高于平行機(jī)構(gòu)所需的驅(qū)動(dòng)功率，因此行走機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)功率的選擇是以爬升障礙機(jī)構(gòu)即爬樓行走機(jī)構(gòu)所需的驅(qū)動(dòng)功率為基礎(chǔ)的，當(dāng)自動(dòng)爬樓輪椅在樓梯運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)力的波動(dòng)，輪椅的任何升降都會(huì)受到更高的振動(dòng)和沖擊力。因此，選擇電動(dòng)樓梯車專用發(fā)動(dòng)電機(jī)作為爬樓裝置的控制發(fā)動(dòng)電機(jī)，該型樓梯車專用發(fā)動(dòng)電機(jī)具有電壓低、過(guò)載能力強(qiáng)、出入口扭矩大、自行指令制動(dòng)減速器等特點(diǎn)，這不僅提高了輪椅在攀爬過(guò)程中的安全性，而且減小了傳動(dòng)裝置的體積和重量。履帶行走機(jī)構(gòu)的牽引力應(yīng)滿足爬樓輪椅設(shè)計(jì)時(shí)設(shè)定的最大爬坡能力、最大越障能力、最大爬樓能力及轉(zhuǎn)彎能力。通常情況下認(rèn)為，履帶在爬坡時(shí)所需的牽引力最大，故履帶行走機(jī)構(gòu)的牽引力以下式為計(jì)算依據(jù)：Tq其中，Tq為履帶行走機(jī)構(gòu)的牽引力(N)，Tg為履帶行走機(jī)構(gòu)的滾動(dòng)阻力(N)，Tp為履帶行走機(jī)構(gòu)的坡道阻力(N)，θ為履帶行走機(jī)構(gòu)的最大設(shè)計(jì)爬坡角，各種土質(zhì)路面的滾動(dòng)阻力系數(shù)f如表3-3所示。由于爬樓輪椅的行駛環(huán)境多為混凝土材料，則取f=0.05。假設(shè)車的重量為80KG，人的重量為120KG，分析可知輪椅設(shè)計(jì)時(shí)所設(shè)定的最大爬坡坡度為33°，則履帶行走機(jī)構(gòu)的牽引力：Tq履帶行走機(jī)構(gòu)輸入功率依據(jù)下式確定：其中，P為履帶行走機(jī)構(gòu)輸入功率(w)，Tq為履帶行走機(jī)構(gòu)牽引力(N)，V為履帶行走機(jī)構(gòu)行走速度(m/s)，η1為驅(qū)動(dòng)裝置減速器的傳動(dòng)效率(在此取0.95)，η設(shè)輪椅爬坡時(shí)最大速度V為0．5m／s，則電機(jī)的功率為：P=T由于履帶行走機(jī)構(gòu)由兩個(gè)電機(jī)分別驅(qū)動(dòng)，則每個(gè)電機(jī)需要的功率為315W，留取一定的裕度，選取350W左右的電機(jī)即可滿足各種工況行走的需要。2.電動(dòng)推桿電動(dòng)推桿又稱直線驅(qū)動(dòng)器，主要是由控制裝置和電機(jī)推桿等機(jī)構(gòu)組成的一種新型的直線執(zhí)行機(jī)構(gòu)。電動(dòng)推桿是一種將電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為推桿的直線往返運(yùn)動(dòng)，能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)距離控制、幾種控制或者自動(dòng)控制的電力驅(qū)動(dòng)裝置。電動(dòng)推桿是在一定的范圍內(nèi)做往返運(yùn)動(dòng)，也可以認(rèn)為是旋轉(zhuǎn)電機(jī)在結(jié)構(gòu)方面的一種延伸電動(dòng)推桿的工作原理是電機(jī)經(jīng)過(guò)減速器減速后帶動(dòng)管內(nèi)的絲杠螺母，從而使與螺母連接的推桿做軸向運(yùn)動(dòng)。電動(dòng)推桿具有體積小、控制方便以及自鎖性好等優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)電動(dòng)推桿結(jié)合各種連桿能夠?qū)崿F(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)、搖動(dòng)等較為復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)。電動(dòng)推桿在自動(dòng)爬梯輪椅中主要應(yīng)用在座椅平衡調(diào)節(jié)裝置中，根據(jù)座椅平衡調(diào)節(jié)裝置的工作原理，1.輔助調(diào)節(jié)電機(jī)輔助調(diào)節(jié)電機(jī)選擇直流減速電機(jī)，直流減速電機(jī)在機(jī)電行業(yè)是比較常見(jiàn)的減速電機(jī),具有以下優(yōu)點(diǎn)：1、減速機(jī)按國(guó)際技術(shù)要求制造，科技含量高。2、節(jié)省空間，可靠耐用，大容量過(guò)載，功率可達(dá)95kw。3、能耗低，性能更高，效率降低到95%。4、振動(dòng)小，噪音低，節(jié)能高，選用優(yōu)質(zhì)鋼材，鋼制鑄鐵箱體，齒輪表面經(jīng)高頻熱處理。5、經(jīng)過(guò)精密加工，保證了定位精度，這些都構(gòu)成了減速機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)總成，配備了各類發(fā)動(dòng)機(jī)，形成了機(jī)械一體，充分保證了產(chǎn)品的質(zhì)量。6、產(chǎn)品采用系列化、模塊化的方案思想，適應(yīng)性廣。本系列產(chǎn)品有多種發(fā)動(dòng)機(jī)組合、安裝位置和結(jié)構(gòu)示意圖。您可以根據(jù)實(shí)際需要選擇任何速度和各種結(jié)構(gòu)形式。圖3-9直流減速爬樓梯輪椅的控制芯片是ATMEL公司獨(dú)有的微機(jī)芯片，用于模塊控制、傳感器信號(hào)處理和數(shù)據(jù)計(jì)算。耦合牽引模塊由專用電動(dòng)扶梯發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，其主要功能