范文一:医用透析轮椅秤使用说明书
医用透析轮椅秤使用说明书
上海香川电子衡器有限公司专业供应医用透析轮椅秤多年,深受广大用户的信任,下面为大家分享医用轮椅秤使用说明书,欢迎有需要的用户阅读使用:136 6178 2675 郭晓金
医用透析轮椅秤操作:
?【电源开关】:按【?】键,接通电源。按住【?】键2秒,切断电源。
?【置零】:按住【?0?】键2秒,显示值置零,同时[?0?]指示灯点亮。
?去皮:实物去皮在?指示灯熄灭状态,称量大于零且稳定,按【?0?】键,显示值置零,同时?指示灯点亮。
?清除皮重:在?指示灯点亮状态,按【?0?】键,清除皮重,同时?指示灯熄灭
?数字去皮:在允许数字去皮状态,按【?】键,进入皮重设定,用【?】【?】键输入皮重值,按【?0?】键,将输入值作为皮重存入,同时?指示灯点亮。
?累加操作:在手动累加状态,称量大于零且稳定,按?键,将显示值进行累加,同时显示累计次数。[n 12]。
注:一次称量只能累加一次,下一次累加必须使显示值小于20d后才允许。
?高分辨率显示:在称量显示状态,按【?】键,进入高分辨率显示(提高10倍),同时末位小数点点亮。再按【?】键,返回正常称量显示。
?累计值显示与清除:按【,】键,显示累计次数[n 12],2秒后显示累计重量[ 1236.5]若累计
重量大于6位,先显示累计重量高4位[H 123],2秒后显示累计重量低4位[L 506.5],(累计重量为123506.5)在上述显示过程中,按【?0?】键,清除累计值。按【,】键,显示自动累加状态,[Aut 0]
末位=0,表示手动累加
末位=1,表示加载稳定后自动累加
末位=2,表示加载稳定后自动保存显示值,在卸载到小于20d后,将最后稳定值累加用【?】设定,按【,】键,返回正常称量显示。
说明:在自动累加状态,[AUT] 指示灯点亮。
?数字输入:【?】键用于移动置数位,置数位闪烁显示。【?】键用于增加置数位的值
?电池电量:开机与关机时,显示[Pbt 85],表示电池电量为85%。
?充电提示:当电池电量<>
?过放电保护:当电池电量为零时,仪表自动关机,以防止电池过放电。
?省电模式:若设定有自动关机功能,3分钟以上无称重操作,显示[- ],以减少电池消耗。
?自动关机:若设定有自动关机功能,15分钟以上无称重操作,自动关机。
?工作时间:内装10.0AH免维护电池,充足电池,可连续工作24个小时
范文二:兰州“万凌”电动轮椅车使用说明书
电动代步车用户使用指南
尊敬的用户, 感谢您使用我公司生产的 “万凌牌” 电动代步 产品,希望它能给您的工作、生活带来方便和快捷。
FX 系列电动代步车是我公司研发生产的电动系列产品之 一。 为了能正确使用和操作本产品, 使之保持良好状态, 延长使 用寿命,请您在使用前认真阅读本使用说明书。
一、产品用途
本产品用于老年人、 残疾人等行走能力较弱群体的代步行走 (对行使环境无法判断的人群除外) ,特别适用于室内、庭院、 人行道等环境的短途代步行走, 是广大老年朋友、 残疾朋友理想 的代步工具。
二、基本构造
1. 脚踏板 2. 前轮 3.电池盒 4. 安全带 5. 控制器 6. 扶手 7.把手 8. 后轮
9. 电动机构 10. 离合器手柄 11. 防翻轮
A
A
1
2
5
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15
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三、主要功能
本产品具有人性化特点。其功能如下:
●无极调速 ;
●转弯半径小 ;
●用调节速度的按钮可进行速度级别设定,速度快慢用 控制器操作杆进行调节 ;
●扶手可抬起,方便使用者上下车 ;
●电动机构减速器部分带有机械离合装置,便于用户在 非电动状态下推动车辆 ;
●车辆可以折叠,便于运输和收藏 ;
●脚踏板支架和脚踏板可快速折叠和拆除,方便用户收 藏和使用。
四、安装与调试
本电动代步车在出厂前已经过调试运行。 根据运输要求, 产 品出厂时分部分包装,即车体包装和电池包装。
1. 打开电动代步车包装箱, 取出电动轮椅车及充电器等物品 A-A
(为了运输安全,防翻轮、脚踏板及控制器也没有固定在车身 上) ;请您按资料袋中装箱单内容进行检查有无缺件。
2. 向左右拉开车架使车辆宽度正常, 并下压座椅使其左右两 边支架镶入凹槽中 (配置把手折叠机构的车辆还需注意其接口的 配合) 。
3. 安装防翻轮,用手摁住后插支架上两个碰珠,斜向上插 入支架圆管直到碰珠进入对应孔固定为止(位置见构造图) 。
4. 安装左右脚踏板组件,前插向下插入支架圆管并转动直 到定位机构锁定为止; 然后松开脚踏板组件底端的螺钉, 调整脚 踏板的高度至合适位置,重新拧紧螺钉(位置见构造图) 。
5. 把带有安装支架的控制器朝后插入扶手下面方管中,待 前后距离调节适当后拧动螺钉紧固(位置见构造图) 。
6. 拧开电池盒外面的螺丝,阅读电池盒盖内壁的电池连接 示意图。 电池盒内有两根电缆, 一侧电池盒内为蓝色和黑色电缆, 另一侧电池盒内为红色和黑色电缆。 电池上面有蓝色和红色两个 线柱。
电池盒内为 蓝色和黑色电缆 的接线方法是:
蓝色电缆连接蓝色线柱,黑色电缆连接红色线柱 。 电池盒内为 红色和黑色电缆 的接线方法是:
红色电缆连接红色线柱,黑色电缆连接蓝色线柱 。
接好电池后, 装好电池盒盖, 并拧紧外面螺丝 (位置见构造 图) 。
7. 检查电动机构离合器手柄位置,即手柄与车轮垂直时为 “离” (即用手推车)的位置;反之为“合” (即车辆电动工作) 的位置(位置见构造图) 。
8.
观察位于车辆下部的电缆; 如发现电缆垂地, 请用随附 扎带集束,并使其离地有一定的高度。
INPUT (POWER)
(MOTOR)(MOTOR)LEFT CHARGER
电源(红色为+极,
黑色为-极) 右电机/刹车;(粗线 为电机,细线为刹车) 左电机/刹车;(粗线
为电机,细线为刹车)
充电器插头
电缆接线示意图 2
端子号 功 能 Pin1Pin2Pin3Pin4
RIGHT(右电机) (MOTOR)右电机+极(黄色,粗) 右电机-极(白色,粗)
右电机刹车(绿色,细) 右电机刹车(橙色,细)
端子号 功 能 Pin1Pin2Pin3Pin4
左电机+极(绿色,粗) 左电机-极(蓝色,粗) 右电机刹车(黑色,细) 右电机刹车(赭色,细)
(MOTOR)LEFT(左电机) 1INPUT
(POWER)
端子号 功 能 Pin1Pin2
电源+极(红色,粗) 电源-极(黑色,粗)
3
端子号 功 能
Pin1Pin2
Pin3
充电+极(红色,粗) 充电-极(黑色,粗)
充电禁止(蓝色,细)
TO(充电口) CHARGER 22
9. 按“电源开按钮” 控制器电源被打开,同时“电池电量 显示”“ 速度档次显示”的灯被点亮。“电池电量显示”亮表 示轮椅车电源已接通, 亮得越多表示电池越满; “速度档次显示” 共有 5档,全亮表示速度最高,亮得越少限速越低。
10. 电源接通后,向任意方向轻微扳动控制器操纵杆,便可 听见电动机构电磁离合器吸合声以及电机转动的声音。 随着操纵 杆扳动幅度的增加, 电机转速也随之增加 (电机声音逐渐增大) ; 左右扳动操纵杆, 左右电机转速 (即左右电机的声音) 将发生变 化;松开操纵杆,电磁离合器将释放并发出声响,电机停转。 11. 合上电动机构离合器手柄(使手柄与车轮平行) ,操作者 坐在车上, 打开控制器电源开关, 操纵车辆, 此时车辆随着控制 器操纵杆的扳动方向进行运动。 试车时应选择平坦、 空间较大的 地方进行, 以避免因操作者对车辆操纵不熟练而造成的车辆、 物 品和人员的损伤。
提示:严禁在电机转动时扳动离合器手柄, 否则将严重磨损 电机组件。
12. 用手按压后胎, 检查气压是否充足; 若不足, 请立即充 气。充气感觉适中即可;不可过足,以免爆胎(充气气压额定气 压为 40帕斯) 。
五、操作使用
1. 初次使用者, 建议低速行驶; 以免因操作不熟练而发生事 故。
2. 速度调节,控制器操纵杆左前方为调速按钮(5级) ,操 纵者可根据自己所适应的情况, 调节并确定速度级别 (摁上面 “ +” 按钮为提速,下面“ -”为减速) 。操作时,扳动操纵手柄的角度 越大速度也越快(在限速级内) ,反之则减慢。操纵杆回到中间 位置时为停车。
提示:操纵控制器操纵手柄时动作要轻柔,切忌用力过猛,
3. 当车辆因电量太低或其它故障而无法进行电动行驶时, 可把离合器手柄扳向与车轮垂直的方向 (离合器处于 “离” 的位 置) ,车辆即可用手推动。
4. 车辆两侧扶手可以向上翻起;即上扳扶手前端的定位手 柄可使扶手向上翻起,以便操作者上下车辆。
六 . 电池充电
1. 轮椅车电源 (即电池) 电量显示:该窗口共有 7个发光二 极管组成, 3个绿灯、 3个黄灯、 2个红灯。 当蓄电池电量充足, 7个灯全亮;随着蓄电池电量的减少,灯随之灭掉;最终只有红 灯亮时,表示蓄电池电量已不足。同时,“速度档次显示”的 1号灯间断闪烁,提醒您要给蓄电池充电了。
提示:严禁在充电状态下使用车辆。
2. 给电池充电, 将充电器输出插头插入轮椅车控制器的充电 插座中,输入插头连接 220V 电源;此时“电源” (POWER )指示 灯为红色,表示已经接通 220V 电源,“充电”(CHARGE )指示 灯也是红色, 表示本充电器正在对电池充电。 当 “充电” (CHARGE )
指示灯转变为绿色时, 表示电池已经基本充满; 但为了保证充电 充足,最好继续浮充 1-2小时,再投入使用。
3. 车辆所配带充电器为全自动型充电器, 电充足后会自动停 止。 充电应尽量避免在阳光直射或高温环境下进行; 电瓶温度若 超过 40oC ,应立即停止充电。不论电量多少,最好车辆在每次 用完后都进行充电;如长期不用时,应每月充电一次。
七、日常维护及注意事项
1. 车辆用于常温环境;不得淋雨,以免造成电气短路。
2. 应经常用软布擦拭,以保持车辆干燥、清洁。
3. 控制器、 电动机构是车辆的核心部件, 应避免碰撞和受潮。 提示:控制器和电动机构内部没有您需要的东西, 请不要拆 解。
4. 定期查验车辆上的螺钉、 螺母是否拧紧, 电器接插件是否 脱落, 是否离地过近; 如有疑问应及时询问当地经销商或打售后 服务电话咨询,以确保行车安全。
5. 注意车辆每次启动前应检查电量是否充足, 以免给您外出 活动带来不便。
6. 经常检查轮胎气压,以保证车辆正常使用。
八、故障及排除
“速度档次显示” 栏灯的间断闪烁表示控制器的故障状态; 操纵面板速度指示灯闪烁说明如下。如果下述情况发生,首先 检查相应接插件连接及电缆情况,然后检查相应部件。
九、主要技术参数
范文三:兰州“万凌”电动轮椅车使用说明书WV
中航工业兰州万里机电有限公司
电动代步车用户使用指南
尊敬的用户~感谢您使用我公司生产的“万凌牌”电动代步产品~希望它能给您的工作、生活带来方便和快捷。
FX系列电动代步车是我公司研发生产的电动系列产品之一。为了能正确使用和操作本产品~使之保持良好状态~延长使用寿命~请您在使用前认真阅读本使用说明书。
一、产品用途
本产品用于老年人、残疾人等行走能力较弱群体的代步行走,对行使环境无法判断的人群除外,~特别适用于室内、庭院、人行道等环境的短途代步行走~是广大老年朋友、残疾朋友理想的代步工具。
二、基本构造
1.脚踏板 2. 前轮 3.电池盒 4. 安全带
5.控制器 6. 扶手 7.把手 8. 后轮
9.电动机构 10. 离合器手柄 11. 防翻轮
A1717
1616
13131415
11221818334455A
1
中航工业兰州万里机电有限公司
A-A
三、主要功能
本产品具有人性化特点。其功能如下:
?无极调速;
?转弯半径小;
?用调节速度的按钮可进行速度级别设定~速度快慢用控制器操作杆进行调节;
?扶手可抬起~方便使用者上下车;
?电动机构减速器部分带有机械离合装置~便于用户在非电动状态下推动车辆;
?车辆可以折叠~便于运输和收藏;
?脚踏板支架和脚踏板可快速折叠和拆除~方便用户收藏和使用。
控制器功能件详细示意图
速度方向操纵杆按钮及电量速度显示面板
电缆
四、安装与调试 安装位置
本电动代步车在出厂前已经过调试运行。根据运输要求~产
品出厂时分部分包装~即车体包装和电池包装。 1.打开电动代步车包装箱~取出电动轮椅车及充电器等物品
2
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,为了运输安全~防翻轮、脚踏板及控制器也没有固定在车身上,,请您按资料袋中装箱单内容进行检查有无缺件。
2.向左右拉开车架使车辆宽度正常~并下压座椅使其左右两边支架镶入凹槽中,配置把手折叠机构的车辆还需注意其接口的配合,。
3. 安装防翻轮~用手摁住后插支架上两个碰珠~斜向上插入支架圆管直到碰珠进入对应孔固定为止,位置见构造图,。
4. 安装左右脚踏板组件~前插向下插入支架圆管并转动直到定位机构锁定为止,然后松开脚踏板组件底端的螺钉~调整脚踏板的高度至合适位置~重新拧紧螺钉,位置见构造图,。
5. 把带有安装支架的控制器朝后插入扶手下面方管中~待前后距离调节适当后拧动螺钉紧固,位置见构造图,。
6. 拧开电池盒外面的螺丝~阅读电池盒盖内壁的电池连接示意图。电池盒内有两根电缆~一侧电池盒内为蓝色和黑色电缆~另一侧电池盒内为红色和黑色电缆。电池上面有蓝色和红色两个线柱。
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中航工业兰州万里机电有限公司
电池盒内为蓝色和黑色电缆的接线方法是:
蓝色电缆连接蓝色线柱~黑色电缆连接红色线柱。
电池盒内为红色和黑色电缆的接线方法是:
红色电缆连接红色线柱~黑色电缆连接蓝色线柱。
接好电池后~装好电池盒盖~并拧紧外面螺丝,位置见构造
图,。
7. 检查电动机构离合器手柄位置~即手柄与车轮垂直时为“离”,即用手推车,的位置,反之为“合”,即车辆电动工作,的位置,位置见构造图,。
8. 观察位于车辆下部的电缆,如发现电缆垂地~请用随附扎带集束~并使其离地有一定的高度。 电缆接线示意图
电源(红色为+极,INPUT黑色为-极) (POWER)
RIGHT右电机/刹车;(粗线 (MOTOR)为电机,细线为刹车)
左电机/刹车;(粗线LEFT (MOTOR)为电机,细线为刹车)
充电器插头 TO (1:+,2:-,3:禁止)CHARGER
TO(充电口)LEFT(左电机)RIGHT(右电机)INPUT(MOTOR)CHARGER(MOTOR)(POWER)41 41122132323
功 能功 能功 能端子号端子号端子号功 能端子号 右电机+极(黄色,粗)左电机+极(绿色,粗)Pin1Pin1充电+极(红色,粗)Pin1Pin1电源+极(红色,粗)右电机-极(白色,粗)左电机-极(蓝色,粗)充电-极(黑色,粗)Pin2Pin2电源-极(黑色,粗)Pin2Pin2右电机刹车(绿色,细)Pin3右电机刹车(黑色,细)Pin3充电禁止(蓝色,细)Pin3右电机刹车(橙色,细)Pin4右电机刹车(赭色,细)Pin4
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9.按“电源开按钮” 控制器电源被打开~同时“电池电量显示”“ 速度档次显示”的灯被点亮。“电池电量显示”亮表示轮椅车电源已接通~亮得越多表示电池越满,“速度档次显示”共有5档~全亮表示速度最高~亮得越少限速越低。
控制器功能件俯瞰示意图
速度增加按钮电源开按钮
电池电量指示灯速度/故障指示灯
电源关按钮 速度减低按钮
喇叭按钮
速度/方向控制 操纵杆
10.电源接通后~向任意方向轻微扳动控制器操纵杆~便可听见电动机构电磁离合器吸合声以及电机转动的声音。随着操纵
电缆杆扳动幅度的增加~电机转速也随之增加,电机声音逐渐增大,,左右扳动操纵杆~左右电机转速,即左右电机的声音,将发生变化,松开操纵杆~电磁离合器将释放并发出声响~电机停转。
11.合上电动机构离合器手柄,使手柄与车轮平行,~操作者坐在车上~打开控制器电源开关~操纵车辆~此时车辆随着控制器操纵杆的扳动方向进行运动。试车时应选择平坦、空间较大的地方进行~以避免因操作者对车辆操纵不熟练而造成的车辆、物品和人员的损伤。
提示:严禁在电机转动时扳动离合器手柄,否则将严重磨损电机组件。
12. 用手按压后胎~检查气压是否充足,若不足~请立即充气。充气感觉适中即可,不可过足~以免爆胎,充气气压额定气压为40帕斯,。
五、操作使用
1.初次使用者~建议低速行驶,以免因操作不熟练而发生事故。
5
中航工业兰州万里机电有限公司
2.速度调节~控制器操纵杆左前方为调速按钮,5级,~操纵者可根据自己所适应的情况~调节并确定速度级别,摁上面“+”按钮为提速~下面“-”为减速,。操作时~扳动操纵手柄的角度越大速度也越快,在限速级内,~反之则减慢。操纵杆回到中间位置时为停车。
提示:操纵控制器操纵手柄时动作要轻柔,切忌用力过猛,以免损坏控制器。
蓄电池电量表ZD-1控制面板功能说明
最大速度指示灯
速度/增加按钮
速度/减低按钮
喇叭按钮
3. 当车辆因电量太低或其它故障而无法进行电动行驶时~
电源开按钮可把离合器手柄扳向与车轮垂直的方向,离合器处于“离”的位置,~车辆即可用手推动。 电源关按钮
4. 车辆两侧扶手可以向上翻起,即上扳扶手前端的定位手柄可使扶手向上翻起~以便操作者上下车辆。
六.电池充电
1.轮椅车电源,即电池,电量显示:该窗口共有7个发光二极管组成~3个绿灯、3个黄灯、 2个红灯。当蓄电池电量充足~7个灯全亮,随着蓄电池电量的减少~灯随之灭掉,最终只有红灯亮时~表示蓄电池电量已不足。同时~“速度档次显示”的1号灯间断闪烁~提醒您要给蓄电池充电了。
提示:严禁在充电状态下使用车辆。
2.给电池充电~将充电器输出插头插入轮椅车控制器的充电插座中~输入插头连接220V电源,此时“电源”,POWER,指示灯为红色~表示已经接通220V电源~“充电”,CHARGE,指示灯也是红色~表示本充电器正在对电池充电。当“充电”,CHARGE,
6
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指示灯转变为绿色时~表示电池已经基本充满,但为了保证充电充足~最好继续浮充1-2小时~再投入使用。
3.车辆所配带充电器为全自动型充电器~电充足后会自动停止。充电应尽量避免在阳光直射或高温环境下进行,电瓶温度若超过40oC~应立即停止充电。不论电量多少~最好车辆在每次用完后都进行充电,如长期不用时~应每月充电一次。
七、日常维护及注意事项
1.车辆用于常温环境,不得淋雨~以免造成电气短路。
2.应经常用软布擦拭~以保持车辆干燥、清洁。
3.控制器、电动机构是车辆的核心部件~应避免碰撞和受潮。
提示:控制器和电动机构内部没有您需要的东西,请不要拆解。
4.定期查验车辆上的螺钉、螺母是否拧紧~电器接插件是否脱落~是否离地过近,如有疑问应及时询问当地经销商或打售后服务电话咨询~以确保行车安全。
5.注意车辆每次启动前应检查电量是否充足~以免给您外出活动带来不便。
6.经常检查轮胎气压~以保证车辆正常使用。
八、故障及排除
“速度档次显示”栏灯的间断闪烁表示控制器的故障状态,操纵面板速度指示灯闪烁说明如下。如果下述情况发生~首先检查相应接插件连接及电缆情况~然后检查相应部件。
1号红灯闪:蓄电池电
压不足1
2号红灯闪:无操纵杆信
号2
3号红灯闪:正在充电3
4号红灯闪:推操纵杆开4 电源或电机未连上
55号红灯闪:刹车电磁铁
未连结上或损坏
7
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九、主要技术参数
序号 项目 单位 参数 备注
1120×
1 外形尺寸 毫米 展开后
880×630
2 自重 公斤 35 不含电池 3 轴距 毫米 450 左右 4 轮距 毫米 410 前后 5 额定载重 公斤 100
公里/
6 车速 ?6
小时
7 爬坡能力 度 ?8
一次充电
8 公里 20 标准配置
最大行程
9 调速 无极
两只12V 10 电池 安时 20
电池串联 11 电动机构功率 瓦特 300×2 12 工作电压 伏特 24
8
范文四:自动上楼轮椅说明书
中国地质大学长城学院
本 科 毕 业 设 计
题目 自动上楼轮椅的设计
系 别 工程技术系
专 业 机械设计制造及其自动化
学生姓名 单长胜
号指导教师 杨义勇
职 称 教授
2014年04 月 24 日
学
摘 要
随着老龄化社会到来和残疾人数量的增加,轮椅在老年人及残疾人的生活中
发挥的作用越来越重要,生活中处处可见的轮椅限制了普通轮椅的使用,本研究的目的是设计出价格合理、性能安全可靠的在平地行走时作为普通电动轮椅使用,而在上下楼梯时在他人简单辅助的情况下实现电动爬楼梯的功能。
爬楼梯电动轮椅是服务机器的一种,它是老年人或肢体伤残者不可缺少的康
复和代步工具,借助轮椅老年人和残疾人可以进行身体锻炼和参与社会活动。并且考虑到提高老年人及残疾人对出行的方便性,研制具有爬楼梯功能的轮椅具有重大的现实意义。
本设计就将对可上下楼梯的电动轮椅进行设计,以满足双腿残疾人和老年人
自动上下楼梯的功能。主要从设计方案、整体结构进行设计,包括其中的数据计算、传动系统设计、电机等外购件选型、应用环境、维护保养等方面进行系统设计。并绘出了电动轮椅的二维装配图与部分零件图。
关键词:自动上楼轮椅 星轮式爬楼梯装置 结构设计
Abstract
With the advent of an aging society and increase number in the disabilities
persons ,the wheelchairs play a more important role in the living, the staircase can be seen everywhere in life limits the use of an ordinary wheelchair, the purpose of this study is to design affordable and reasonable ,safe and reliable performance . When walking on level ground as an ordinary electric wheelchair ,and in others on the stairs like a simple auxiliary function of electric stairs.
Climbing stairs electric wheelchair is one kind of the service robots ,and it is the
elderly and disabled peoples ’ indispensable rehabilitation and transport ,To use a wheelchair old people and disabled people can physical exercise and participate in social activities .Considering the convenience of the elderly and the disabled peoples’ traveling ,researching and developing a climb stairs function wheelchair has the significant practical significance.
The design will be up and down the stairs to the electric wheelchair design, to
meet the legs disabled and elderly automatic staircase function. From the main design, structure design, including the data computation, the transmission system design, the motor and purchased parts selection, application, maintenance and other aspects of system design. And draw the electric wheelchair2D assembly drawing and parts drawing.
Key words: Electric wheelchair Star wheel climbing device Structure design
目 录
1绪论 ....................................................................................................... 错误!未定义书签。
1.1课题的研究背景及意义 . .................................................................................................. 1
1.2国内外研究现状 .............................................................................................................. 2
1.2.1履带式 . ...................................................................................... 错误!未定义书签。
1.2.2星轮式 . ...................................................................................................................... 3
1.2.3腿足式 . ...................................................................................................................... 3
1.2.4复合式 . ...................................................................................................................... 4
1.3本章小结 ......................................................................................... 错误!未定义书签。
2自动轮椅总体设计 . ................................................................................................................ 5
2.1概述 . ................................................................................................................................ 5
2.2总体结构设计 . ................................................................................................................. 6
2.3行星轮机构设计 .............................................................................................................. 8
2.3.1行星轮总体结构概述 ................................................................................................ 8
2.3.2行星轮架的中心距 . ................................................................................................... 9
2.3.3小轮半径r 的取值范围值 ......................................................................................... 9
2.4本章小结 ......................................................................................... 错误!未定义书签。 3动力系统设计 ........................................................................................ 错误!未定义书签。
3.1动力系统参数设计 .......................................................................... 错误!未定义书签。
3.2驱动电机参数设计 ........................................................................................................ 11
3.2.1驱动电机的类型选择 .............................................................................................. 11
3.2.2选择驱动电机的功率 .............................................................................................. 11
3.3电池选择 ....................................................................................................................... 13
3.4本章小结 ....................................................................................................................... 13 4关键零件的设计计算 . ............................................................................ 错误!未定义书签。
4.1配齿计算 ....................................................................................................................... 13
4.1.1传动比计算 ............................................................................. 错误!未定义书签。3
4.1.2齿轮模数与齿轮计算 .............................................................................................. 14
4.1.3载荷系数计算 ......................................................................................................... 15
4.1.4几何尺寸计算 ......................................................................................................... 17
4.2链传动计算 ................................................................................................................... 18
4.2.1链传动比 . ................................................................................................................ 18
4.2.2链传动的设计 ......................................................................................................... 18
4.3计算后轴的强度 ............................................................................................................ 21
4.4轴的结构设计 . ............................................................................................................... 21
4.5轴的强度校核 . ............................................................................................................... 22
4.6本章小结 ....................................................................................................................... 23
5总结与展望 .......................................................................................................................... 24
5.1总结 . .............................................................................................................................. 24
5.2展望 . .............................................................................................................................. 24
参考文献 ................................................................................................................................ 25
致 谢 ...................................................................................................................................... 26
1 绪论
1.1课题的研究背景及意义
随着人口的急剧膨胀,我国的人口老龄化也随之加快,给社会及家庭带来的压力也不断增大。在《人口老龄化发展趋势预测研究报告》中全国老龄委最新发布的资料说明了一个问题:我们所处的21世纪将会是人口老龄化的时期。而我国早在20世纪末就已经步入了老龄化时代,相对于其他国家较早,这更应该引起我们的重视。中国不仅是进入老龄化较早的国家,同时也是老年人口最多的国家。在这个占有世界近1/5人口的国度里的问题就不仅仅是自身的问题了,它也会影响到世界老龄化程度以及进程,这个问题应该值得关注。
另外,由于各种生产事故、交通事故、各种灾害等意外事故导致大量残疾人的出现,这也是整个社会一直面临的问题。在残疾人数量统计的相关报告表明:世界以及我国的残疾人的人口数量都在大幅度增加。根据联合国的精确统计,随着近几年残疾人口数量的骤增,这个数字已占到世界人口总数的10%,也就是全球每十个人里就有一个残疾人。我国第二次全国残疾人口抽样调查的结果显示全国已有8296万个类残疾人,这个数字是全国总人口的6.34%,比1987年的数字多了2000多万。其中残疾人数量增多主要是由于工伤、自然灾害、交通事故等原因造成的肢体残障人口的数量大幅度提升。尤其在近几年自然灾害频发,最具代表性的就是最近发生的坟川地震以及青海地震。我国经过四川汉川及青海地震后,残疾人的数量又一次大量增加,据官方不完全统计,汉川地震造成残疾人数超过7000人,青海玉树地震造成残疾的数量也是一个巨大数据。随着现代科学技术的发展人们的寿命在延长,这也就导致了人口致残的时间变长。另外由于现代高节奏的生活致使汽车的使用率大幅度提高,交通事故随之增加,导致残疾发生的风险也在加大。以上情况都验证了一个观点,就是残疾人口的数量将不断增加。
由于老年人和残疾人的数量显著增加,关心老年人和残疾人的生活也成为了这个时代的责任,无论是在衣食住行的方面,还是在医疗保障和护理照顾的方面,改善和提高这些相关基础设施的水平也成为了社会发展不可或缺的前提。由此,各种各样的助老、助残装置应运而生,推动了社会的发展。
轮椅是现在大多数年老体弱者及肢体伤残人士使用较为广泛的代步工具。轮椅的发展也随着社会的需求变得多种多样,人类的智慧引领轮椅行业的发展,智能轮椅在越来越高的使用需求中得到了更多的重视,随着科技的飞速发展,将逐步替代手动轮椅和电动轮椅。但是,现在市场上的轮椅产品的使用性能有一定的局限性,比如很多轮椅产品的使用区域仅为平地使用,很少有具备爬楼梯、越障能力的轮椅。楼梯和路障使轮椅的使用受到了很大的限制,而国内城市尤其是在中小城市中以多层公寓式楼房居多,电梯的使用还没有普及到所有的居民住宅,
也给轮椅使用者造成诸多不便。由于考虑到使用区域的广泛性,设计一款使用方便、重量适宜、价格合理的电动爬楼梯轮椅可能会大大的改善老年人和残疾人的生活质量,让他们的出行更为方便,楼梯和路障将不再成为他们出行的障碍。
1.2国内外研究现状
爬楼梯装置的研究已经有了较长的历史,早在19世纪90年代就已经有了此类专利的出现。自此,美、英、日德等发达国家就开始向此领域冲击,经过不断努力开发,也出现了一些成果。由于起步较早,它们在这方面的技术也相对成熟,已经推出此类产品。但现存产品都还存在各种瑕疵,还没有一种能做到尽善尽美。我国对此类装置的研究起步较晚,在近几年也有一些成果产生,但距离形成成熟产品还有很长的路要走。
目前已经存在的爬楼梯装置也是各种各样,可以按照爬楼方式分为履带式、星轮式、腿足式以及复合式爬楼梯装置。各种装置都有自己的优点,但也都存在一定不足。
1.2.1履带式
履带式爬楼装置是目前应用较广的一种方式,其原理简单,有多款成熟产品问世。其中较为出名的是法国TopChiar 公司研制的悍马-H8型,如图1.2.1a) 。悍马-H8在结构上将平地电动轮椅和爬楼机构融为一体,平地运动时履带机构收起,由后轮驱动,爬楼时履带机构放下,与轮椅底部成一定角度,爬楼时可调节,使乘坐者始终处于较舒适的状态,由履带机构驱动轮椅爬楼,由于功能强大,售价也不菲,约20万人民币; 也有一类履带式爬楼装置设计成独立模块,与普通轮椅配合使用,图1.2.1b) 为加拿大T09-ROBh 型爬楼装置,该装置可与普通轮椅的后轮、背部固定起来,由专人操纵辅助完成上下楼,虽然功能没有悍马-H8强大,但价格相对便宜,约3万人民币,平时可放在固定楼道附近使用。
(a) 法国悍马-H8 (b) T09-ROBY
图1.2.1履带式爬楼装置
履带式爬楼机构行走方式连续,抓地力强,上下楼时重心平稳,安全可靠,但体积、重量及噪声也较大。
1.2.2星轮式
轮式机构在地面的运输工具中应用范围最大,国外的爬楼梯装置设计中也常常采取轮式机构。普通的残疾人使用的轮椅及电动轮椅车也通常使用轮式机构,轮式机构体积小巧,结构简单且容易控制,运行起来既平稳速度又快,工作能效高,并且由于转向时候采取的差动传动转向半径,这种转向半径很小,且易于转向; 圆柱型轮体机构常常应用在一般的轮式机构之中,在平地行走具有很大的优势,但是路况较差如崎岖路面、楼梯状况时,普通的轮式机构又不能达到使用者的要求。
普通轮式机构要想跨越台阶等障碍,其中一个必要
条件就是车轮半径至少要大于台阶高度,而且跨越
台阶需要的能量很大,过程不稳定,冲击较大; 而且
楼梯台阶的宽度有限,如果一味的增大车轮半径又
会导致轮椅在台阶上失去了支撑点,这也是目前常
规轮椅采用大的后轮而无法实现上下楼梯功能的主
要原因。
通常来讲,轮子的个数与轮式机构对路况的适应性
能力强弱成正比,可是,如果轮子个数很多,那么
势必会是小车体积增大,重量增加。所以要是轮式
机构完成爬楼梯的性能,就要改进它的机构。能爬
楼梯及可以越障的轮式机器人通常使用行星轮机构,行星轮的形态一般排列成十字形或Y 型,这样来实现它的功能。强生公司的IBOT ,如右图)所采用的就是行星轮式爬升机构。
1.2.3腿足式
腿足式爬楼轮椅的主要特点是爬楼动作是一个由腿足完成的不连续过程。早期的爬楼梯装置多数都采用这种不连续方式。18世纪90年代Bray 发明制造的爬楼梯轮椅采用的方式就是不连续方式。在爬楼过程中,两套支撑装置中的一套作为支撑,另一套爬升,运动轨迹为上升、平移、着陆,类似人的两条腿一样爬楼。腿足式爬楼梯装置实际上就是模仿人类爬楼的动作。腿足式爬楼轮椅的研究日本的技术比较成熟,经过数十年研究,出了很多专利甚至产品。在日本的丰田公司,“iFoot ”,和“iUnit" 可以让轮椅使用者能够像正常人一样随心所欲地到处运动。“iFoot ”,外观犹如一个长着机器腿的大椅子,或者说是一个从日本卡通片中逃出来的机器人,如图1.2.3 (a) 所示,它能够像人一样两条腿走路。如果你觉得太慢,那么还有“iUnit" 可供选择,这种设计有四个轮子,使用者坐
在距离地面较低的轮椅里面。但是这种装置还处在概念阶段,没有到可以上市的程度。另一个正在研制中的轮椅和“iFoot ”比较像,尽管外观上不像“iFoot ”那样漂亮,但它更实用。这是日本研发的又一腿足式爬楼装置,名字"WL-16RII" ,如图1.2.3 (b )。也是有两条腿的椅子,座椅底安装了陀螺仪系统,每条腿上也都装有压力传感器,通过信息采集以及陀螺仪联合控制处理来保持平衡,可以上下楼梯,并且可以调高或者调低,可为老年人和残疾人提供新的行动能力。不过,这种轮椅目前也没能上市。
(a ) iFoot (b) WL-16RII
图1.2.3腿足式爬楼装置
1.2.4复合式
鉴于履带式、星轮式、腿足式等装置的优缺点,在研究过程中,产生了一些其它的爬升装置。例如由英国的Stairmatic ,它是此类型爬楼梯轮椅的一个典型例子,如图1.2.4(a) 所示,它不仅理论成熟并且已经通过了实际应用试验。但是,仅能上下楼梯,对平地自主适应性差,使其距完美还有一定距离。另外约8万余元人民币的价格也让多数人难以承受。轮腿复合可以说是复合式中常用的结构了,设计主要是依靠腿式机构来完成爬楼、越障,轮式机构来实现平地行走功能。其中NASA 的SojourerRobot, EPFL的ShrimpRobot 是具有代表性的,如图1.2.4(b) 所示,ShrimpRobot 摆臂在一定范围可上下摆动,能够辅助跨越障碍、攀爬楼梯,具有非常好的越障、攀爬性能、平地行驶和上下楼梯能力。但是复合式的复杂机构与结构,致使设计、控制、分析等工作都非常复杂。而且随着结构的复杂程度提高就增大了故障率,降低了设备的可靠性,这样也会使安全性不能得到保障。除了以上问题,还需要面对适应不同尺寸的楼梯,爬升过程中反向自锁等问题,总之复合式爬楼梯轮椅虽说有着自身的优点,但是还有很多问题需要解决,距离完美还是有很长的路需要探索。
(a )Stairmatic (b) ShrimpRobot
图1.2.4复合式爬楼梯装置
综上所述,国内外在爬楼梯装置方面的研究已经有较长的历史,成果也较多,诞生了很多的专利以及产品,但是它们或者结构复杂、或者造价昂贵,总是存在这样或那样的缺陷。为了更好地解决老年人、残疾人活动问题,提出一种整体结构紧凑、质量适中、安全性好、操作方便、价格适宜的爬楼梯轮椅方案是十分必要的。此外,考虑到轮椅的主要作用是平地行驶,故在做好爬升装置的前提下更应将平地行驶功能做到最好。可以看出,虽然爬楼梯装置的研究已经有了一定的成果,但距离完美的产品的诞生还是有很长一段路需要走的。
1.3本章小结
本章首先对轮椅这个不可缺少的代步工具进行了简单的背景介绍,然后说明了研究自动上楼轮椅的重要意义,并且根据上楼轮椅的发展现状和趋势分析了各类上楼轮椅的优缺点。
2 自动轮椅总体设计
2.1概述
根据目前爬楼梯装置的研究现状,分析已产生的各种机构的优缺点,在充分考虑结构、造价、安全性等重要因素的基础上,研究设计一种星轮式电动爬楼梯轮椅。该设计在满足爬楼梯轮椅的基本要求前提下,尽量做到结构简单,价格适宜,对台阶适应性强,安全性高等方面。具体要做到以下几点:
(1)能爬楼、越障,平地时可作电动轮椅使用。
(2)爬楼时重心波动较小,具有良好的稳定性和可靠性。
(3)作为电动轮椅时要符合,国标GB12996-91电动轮椅技术参数标准。
(4)轮椅车上下楼应与我们日常习惯一致,避免反向上楼给使用者带来的不便,同时确保上下楼过程的安全性。
分析现有的三种典型爬楼梯机构,综合比较其缺点,见表2-1
表2-1典型爬楼机构优缺点对照表
通过对比以上各种爬升机构的优缺点,星轮式越障机构优势突出,结构简单,成本低,而且传动机构易布置,因此本课题采用星轮式越障机构。
综合考虑我国国情和普通消费者的购买能力,在三种爬楼梯机构的性能对比分析,同时满足轮椅的设计要求的基础上,开发了一种既可满足爬楼梯功能,又安全可靠,操作方便,通用性好而且价格适中的行星轮式多功能电动爬楼梯轮椅车。
2.2 总体结构设计
轮椅的总体设计如图2-2所示,主要由越障机构(行星轮机构)、车架、座椅和座椅调节平衡机构、驱动机构和转向机构组成。
图2-2
(1)越障机构:本课题采用两对星轮式机构,前后各一组行星轮并且左右分别对称安装,通过行星轮的公转和自传实现平地行驶与越障的转换,以便顺利通过各种路况;行星轮小轮之间通过链连接,每组行星轮一侧安装一对电磁离合器,通过电磁离合器的通与断来控制行星轮支架的翻转。
(2)车架:车架是整个轮椅车的基础,应结合轮椅车总布置的要求来设计,还应具有足够的强度和刚度,保证轮椅车可以顺利通过各种复杂路况;质量要尽可能小,应布置的离地面更近一些,使轮椅重心降低,有利于提高轮椅的行驶稳定性。
(3)座椅和座椅调节平衡机构(如图2.3):座椅起着支撑人体,使轮椅操纵方便和乘坐舒适的作用,因此这次设计要充分考虑使用者的要求。座椅调节机构采用了一种滚道滑轨式固结在车架上,滚轴一端连接座椅,一端安装有轴承,通过轴承在圆弧轨道中的滚动,实现座椅调节的目的。
2.3滚道滑轨式座椅调节平衡机构原理图
(4)驱动机构:采用电机中置,链传动与齿轮相结合的传动方式,以使电机的传动可以有效的传递给行星轮结构,驱动轮椅的运动。
(5)转向机构:鉴于设计的车轮数目较多,如果直接采用前轮转向或是后轮转向,则同时有8个轮着地,并且同时要转到6个轮才能实现转向,所需的转向力将很大,造成转向困难。为了解决这一困难,我单独在轮椅的前边设计了转向轮并且还采用了机械传动等,在平地行驶时使用者可以方便的通过控制转向盘的传动实现对轮椅的转向,越障时依靠电机带动转向轮升高,防止转向轮影响轮椅越障。
2.3行星轮机构设计
2.3.1行星轮总体结构概述
行驶机构采用轮组结构。轮组结构中的小轮个数越少,结构越简单,但是轮组的翻转力矩也越大,轮椅重心波动也就大,稳定性越差。但随着小轮个数的增加,轮椅重心波动减小,但是整个轮组机构的结构也越来越复杂。因此,本文轮椅的前轮由三个小轮构成轮组机构,后边是由四个小轮组成轮组机构,即都为行星轮机构。
图2-3行星轮机构图
(1) 抬升圆台(绿色部分)
(2) 枝干( 红色部分) (3) 小齿轮(黄色部分) (4) 车轮(黑色部分) 从图中我们可以观察到,在星盘四角的小轮上各有一个齿轮,星盘的中心有一个个圆台,通过四根支杆与四个小轮上的齿轮连接。当轮椅车上楼时,中心的圆台会在一根轴的拖动下抬升,从而带动四个支杆向齿轮靠近,在四个支杆的顶端都有两个轮齿,当枝干上的轮齿和小轮上的齿轮啮合时,就完成了自锁。
中心的圆台是根据千分尺的设计原理设计,当千分尺先前加紧的时候,拧动后面的螺栓,当它接触到被测物件时,会发生打滑,是其不再进给。但当反方向旋转螺栓时,测头会向后移动,并不打滑。这里利益的是同样的原理,当上楼时,电机带动轴正向旋转,是圆台抬起,并使四个枝干向齿轮靠近,当枝干与齿轮啮合后,圆台不在抬升,并打滑。当上楼运动完成后,电机反向旋转,是圆台下降,促使枝干缩回,接触与齿轮的啮合,自锁接触。轮椅车又可以在平路上移动。 2.3.2行星轮架的中心距
由建筑楼梯数协调标准GBJ101-87知:楼梯踏步高度h 的取值范围为140mm-220mm ,楼梯踏步宽度必须控制在220mm-320mm 之间,楼梯梯段最大坡度不宜超过38°。
(1)s ,h 最小时,两小轮中心距不应大于s 2+h 2,如图2-3-1所示,根据几何关系有:
222
(2R) ≤s min (2-3-1) +h min 代入数值,求得:R ≤180mm
(2)s ,h 最大时,车体后面行星轮架至少前倾,并且一小轮应至少能登上上一台阶,所以2R ≥h ma =110mm。
综上分析知,R 的取值范围是(110,180)。R 应尽量大,但太大又影响体积的大小设定,所以综合一下设计设计中取R=145mm。 2.3.3小轮半径r 的范围值
(1)两小轮半径应小于小轮中心距,根据几何关系有:
r≤R (2-3-2) 代入数值得:r ≤R=145mm
(2)小轮最小时,支架不应与楼梯沿相碰。h 最小时,这种可能性大,则 有几何关系知:
sinα=
h min 3R
(2-3-3)
tan β=tan(90-α)=
r min
h -r min
(2-3-4)
计算并代入数值:
h
α=arcsinmin ≈32.606°
3R
β° 所以
r min =47.79mm 综上可知:
r 的取值范围是(47.79,195),r 应取较大值,以提高平地行驶速度,但是过大行星轮支架的半径也越大,不利于机构紧凑型和轻便型,因此我们取r=65mm。特别指出的是,以上分析中R ,r 的值并不是固定的,只需要在其范围内取值即可。
2.4本章小结
本章首先给出了多功能电动轮椅的设计要求,对比常见越障机构的优缺点以及结合我国的实际情况。选用轮组式的行星轮作为越障机构。其次,对多功能轮椅进行了总体设计,介绍了各个部分的原理与结构,同时说明轮椅的运动基本原理,给出了对轮椅中关键机构——行星轮机构的简单运算。
3动力系统的设计
3.1动力系统参数设计
对轮椅动力系统进行设计,必须结合轮椅在平地和爬楼等不同路况进行分析,以满足各种路况下轮椅都能提供足够的动力需求。根据电动轮椅的标准GB12996-91可知,对其主要技术性能的规定如表3-1所示:
表3-1电动轮椅国家标准
参考轮椅的运行实际情况,确定其技术指标为:平地行驶时最大运行速度为7.2km/h,最大爬楼速度为每分钟20个台阶。轮椅携带四块12v 蓄电池,每块电
池容20Ah ,一次行程40km 以上。
3.2驱动电机参数设计
3.2.1驱动电机的类型选择
驱动电机是自动上楼轮椅整个轮椅车动力系统的核心,其正常运行不仅要为轮椅提供足够的动力,也要确保轮椅车在使用过程中,特别是爬楼时的安全性和可靠性。
首先,选择驱动电机的类型,轮椅车依靠蓄电池来供电,为电机提供能源,一般可选步进电机、直流电机或是无刷直流电机作为驱动电机。
步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制,驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度,可以准确定位和调速:转矩大、惯性小、影响频率高,但是其能耗大、转速低,并且伴有振动和噪声,不利于轮椅的稳定型和实用性。直流电机响应速度快、控制特性好,可以在很宽的范围内进行平滑调节,而且具有很高的灵敏性,满足轮椅的突发情况下的要求,但传统的直流电机均采用换相器和电刷以机械方法进行换相,因此存在相对的机械摩擦,由此带来噪声、火花、无线电干扰以及寿命短等问题,需要经常维护。无刷直流电机继承了直流电机的优点,采用电子换相电路,克服了传统直流电机采用机械转换装置的弊病,具有无噪声、免维护、可靠性高的优越特性。因此我们选用48V 的无刷直流电机作为轮椅的驱动电机。 3.2.2选择驱动电机的功率
轮椅具有平地行驶和爬楼两种不同的工作状态,不同工作状态对应不同的功率需求,因此先分别计算两种状态下驱动电机所需功率,然后再选择驱动电机的额定功率。该轮椅自重为50kg ,最大承载能力为100kg ,因此轮椅的最大运行总质量为150kg ,该总质量由前轮和后轮共同分担,假设前轮和后轮分别承受总质量的40%和60%,并且取轮胎与地面间的静摩擦系数μ为0.71. (1) 平地所需功率
平地行驶时,轮椅采用后驱动轮,后驱动轮组任意两个小轮着地,克服与地面间的摩擦力F 2前进,前轮随之前进,同时设前轮与地面之间的摩擦力为F 1。当F 2≥F 1时,轮椅在平地上正常行驶。 前轮承受的正压力; N 1=(G 车+G 人)?40%=588N 后轮承受的正压力:N 2=(G 车+G 人)?60%=882N 前轮承受的水平摩擦力:F 1=μN 1=417. 48N
后轮承受的水平摩擦力:F 2=μN 2=626. 22N 所以F 2>F 1, 满足正常行驶要求。 所设计的轮椅直径为D=195mm,轮椅平地的最大运动速度为V=2m/s,根据轮椅行
驶速度和车轮直径,计算轮椅车在平地上行驶的相关参数:
后驱动轮所需要最大转速为:n 1=
60V
=196rpm πD
60
πn 1
后驱动轮所需最大角速度为:Ω1=2=20. 51rad /s
后驱动轮最大切向加速度为:α=
F 2
=6. 96m/s2 m
后驱动轮最大角加速度为: α2=后驱动轮转动惯量为:J =
α
=92. 8rad /s 2 D /2
11
m 1r 2=m 1D 2=0. 00476kg /m 2 28
P F V
电机所需要的工作功率为:P d =W =
p a 1000p a
轮椅包括齿轮传动。链传动和轴传动,因此我们设传动总功率为0.85,所以在平地行驶所需功率为:P d =0. 35kw
(2) 轮椅爬楼时,由于速度较小,忽略空气阻力和加速阻力,只有滚动阻力F f =Gf cos α和坡度阻力F t =G sin α,所以轮椅行驶方程式可以表示为:F 总=F f +F t =Gf cos α+G sin α,其中α为坡度角。
查表可知,良好的沥青路面和混凝土路面的滚动阻力系数f 的数值为0.010-0.018,一般的沥青和混凝土路面为0.018-0.020。平时路地行驶时我们取滚动阻力系数为0.018,爬楼时因为大多数楼梯为混凝土或是大理石,所以我们把滚动系数取为0.020。因为平路行驶时α=0,所以受工作阻力为: F t =Gf =26. 46N
我们设计的轮椅最大爬坡度为40°,所以爬楼时工作阻力为: F t 2=F f +F t =974. 3N
所以F t2>F t ,取F=F t2=974.3N,取v=0.2m/s,求得电机所需工作功率为: P d =
综上所述,为了使轮椅爬楼与越障时有足够的驱动力,驱动电机功率必须大于0.35kw ,并且有一定的剩余。所选驱动电机主要性能参数如下表:(上海瑞克)
P w
=0. 23kw p a
3.3电池选择
轮椅装载48V 的蓄电池作为供电能源,同时可以满足平地行驶和爬楼梯的要求。为了选择性价比最高的蓄电池,一般从电池容量、电压大小、重量、使用寿命和价格成本等几方面进行考虑,市场上有四种常见的蓄电池:铅酸电池、镍氢电池、镍锌电池和锂电池。镍氢电池、镍锌电池和锂电池性能优越,使用寿命长,但是价格昂贵,一般比铅酸电池高4-5倍,增加了轮椅的制造成本。铅酸蓄电池成本较低、应用历史长、相对更加成熟,改进后的免维护铅酸电池性能更加稳定可靠,使用也更方便,得到了广泛应用。因此,轮椅车选用免维护铅酸蓄电池作为供电能源。
3.4本章小结
本章首先给出了轮椅的动力系统的设计要求,对比常见电机的各种类型优缺点并结合市场资源,选用了无刷直流电机作为轮椅的驱动电机。通过考虑轮椅的几种极限状态,计算出动力系统的设计参数,最终选定电机型号和电池型号,为样机组装提供依据。
4关键零件的设计计算
4.1配齿计算
4.1.1传动比计算
由前面已知上楼梯时,要使后轮转动而爬上楼梯所需要的扭矩为170N ?m 功率 P=0.23kw . 而所选电机额定转速 n e 1=230r 额定转矩为5N ?m 已知外轮系的大径为500mm
后轮由电机通过一级齿轮传动和一级链轮传动而进行上楼梯动作。 由 m=9549
p
可知 n
Ⅲ轴转速n 3=61.8r
由于链轮3.4.5.6之间为等传动比传动,现假定四个链轮d=200mm 则轴Ⅱ的转速n 2=n 3=61.8r min ,由电机额定转速n e =230r min
1.2齿轮之间的传动比i =
n e 230==3.72=μ n 261.8
4.1.2齿轮模数与齿数计算
(1)初选小齿轮齿数Z 1=22 则大齿轮齿数Z 2=iZ 1=3.72?22=81.84 取Z 2=82
(2)按齿面接触强度设计
d 1t ≥试选载荷系数K t =1.3
计算小齿轮传递的转矩T 1=T e =5N ?m
查表可知齿宽系数φd =0.6 (小齿轮作悬臂布置)
查手册可知材料的弹性影响系数Z E =189.8MPa
按齿面硬度查得小齿轮的接触疲劳强度极限σH lim 1=600MPa ;大齿轮的接触疲劳强度极限σH lim 2=550MPa
由齿轮的工作力循环次数N 的计算式N =60njL h
N =60njL h n -齿轮转速
j -齿轮每转一圈时,同意齿面啮合的齿数
()
L h -齿轮的工作寿命
可算出两齿轮的应力循环次数
N 1=60n 1j L h =60?230?1(8?365?20)=8.06?108
N 2=8.06?10
8
=2.17?108
则可查得接触疲劳寿命系数K HN 1=0.935 K HN 2=0. 9 7(3)计算接触疲劳许用应力
取失效概率为 1% 安全系数S=1
[σH ]=
K HN σH lim
s
K HN
-齿轮接触疲劳寿命系数
σH lim -齿轮的接触疲劳强度系数(MPa )s -安全系数
[σH ]K HN 1
=1σH lim 1s =0.935?600
1
=561MPa [σH ]2=550?0.97=533.5MPa (3) 计算
试算小齿轮分度圆直径d 1t ,代入[σH ] 中较小的值
d 1t ≥
==27.9mm
计算圆周速度v
v =
πd 1t n 1
π?27.9?230
60?1000
=
60?1000
=0.336s
计算齿宽b
b =φd ?d 1t =0.6?27.9=16.74mm 计算齿宽与齿高之比b/h
模数 m t =d 1t Z 1=22=1.268mm 齿高 h =2.25mt =2.853mm h =16. 42. =853 5. 874.1.3载荷系数计算
(1)根据v =0.336s , 7级精度,查得动载系数K v =1.07直齿轮,假设K A F t b 100N mm
K A -使用系数
F t -圆周力(N )
b -齿宽(mm )
查得齿间载荷分配系数K H α=K F α=1.2 查手册得使用系数K A =1
而对于7级精度的小齿轮相对支撑悬臂布置时齿向载荷分布系数K H β 查得K H β=1.12+0.18(1+6.7φd 2)φd 2+0.23?10-3b
=1.12+0.18?(1+6.7?0.62)?0.62+0.23?10-3?16.74
=1.345
由 b h =5.87, K H β=1.345查手册得K F β=1.273 故载荷系数 K =K A K V K H αK H β
=1?1.07?1.2?1.345=1.73
按实际的载荷系数校正所得的分度圆直径
d 1=d 1=27.9=30.69mm 计算模数m
m =d 1Z 1=22=1.395mm 2) 按齿根弯曲强度设计
弯曲强度的设计公式为
m ≥确定公式内的各计算数值
(1) 查手册得小齿轮的弯曲疲劳强度极限σFE 1=500MPa 大齿轮的弯曲疲劳强度极限σFE 2=380MPa
(2) 查得弯曲疲劳寿命系数
KF N 1=0.865,KF N 2=0.895
,(
(3) 计算弯曲疲劳许用应力, 取弯曲疲劳强度安全系数s=1.35 则
[σF ]1=[σF ]2=
KF N 1σFE 1
s KF N 2σFE 2
s
=
0.865?500
=320.37MPa
1.35
0.895?380==251.93MPa
1.35
(4) 计算载荷系数k
K =K A K V K F αK F β
=1?1.07?1.2?1.273=1.635
由 Z 1=2.2, Z 2=82 查得齿形系数及应力校正系数
Y Fa 1=2.72,Y S a 1=1.57,Y Fa 2=2.216,Y S a 2=1.771
(5) 计算大小齿轮的
Y Fa Y S a
并加以比较
σF m ≥ =0.957
Y Fa 1Y Sa 1
σF 1
==
2.72?1.57
=0.01333
320.37
2.216?1.771
=0.01558
251.93
Y Fa 2Y Sa 2
σF 2
即:大齿轮的数值大
对比计算结果,由齿面接触疲劳强度计算的模数m 大于由齿根弯曲疲劳强度计算的模数,由于齿轮模数m 的大小要取决于弯曲强度所决定的承载能力,仅与齿轮直径(即模数与齿数的乘积)有关,可取由弯曲强度算得的模数0.957并就近圆整为标准1.25mm ,按接触强度算得的分度圆直径d 1=30.69mm 算出小齿轮齿数
Z 1=d 1m ==24.55,取Z 1=25大齿轮齿数Z 2=μZ 1=25?3.72=93 4.1.4几何尺寸计算
(1) 计算分度圆直径
d 1=Z 1m =25?1.25=31.25mm d 2=Z 2m =93?1.25=116.25mm
中心距 a =
1
(d 1+d 2)=(31.25+116.25)?2=73.75mm 2
齿轮宽度 b =φd 1d =0. 6?31. 2=5 取 B 1=20mm , B 2=22mm (2) 验算 F t =
2T 12?5000
==320N d 131.25
18. m m 75
K A F t 1?320==17. 06N mm b 18.75
1N 0?mm 0 合适
齿轮 1.2
Z 1=25, Z 2=93B 1=20, B 2=22
m =1. 2 5
4.2 链传动计算
4.2.1链传动比
已知电机功率P =120w ,转速n =210r min ,小滚轮直径d m =140mm 。
水平运动时,由电机驱动所能使轮椅行走的最大速度 v max =1s , 则小轮所在轴的转速
n =60?1000v D =136.49r min 已知电机额定转速 n e =210r min 则链传动之间的传动比 i =n e n =210=1.54 4.2.2链传动的设计
(1)选择链轮齿数 Z 1, Z 2
初选 Z 1=21 (由于链节数常是偶数,为考虑磨损均匀,链轮齿数一般应取与链节数互为质数的奇数 )
则 Z 2=iZ 1=21?1.54=32.34 取 Z 2=33
(2)修正功率 P c =Pf 1
f 1-工作情况系数f
2-齿轮系数
查《机械设计手册》第2卷可得 平稳运转状态下的工作情况系数f 1=1 则 P c =Pf 1=0.12?1=0.12kw (3)确定链条节数
初定中心距a 0=25P ,则链节数为
2
L 2a Z +Z 2P ?Z 2-Z 1?P =0P +12+a π??
0?22
=2?25P 21+33P ?33-21?
P +3+25P ?2π??
=50+27+0.15
=77.15
取 L P =78 (4)确定链条的节距 P
按小链轮的转速估计,查手册可得小链轮齿轮系数1.08
K =? Z 1?Z ?
=? 21?1.08
?19?
?19??
=1.11
0.26
K ?L P ?0.26
L = ?100?
?
=? 78??100??
=0.937
选取单排链,又查得多排链系数 K P =1 故得小链轮所需传送的功率为 P 0=P ca K Z K L K P
=1.11?0.937?1) =0.115kw
根据小链轮转速n 1=210r min 及功率P =0.115kw 查手册可选取链号为06B 单排链 则其链节距P =9.525mm (5)确定链长及中心距a
L =L P ?P =78?9.525=742.95mm
Z 1+Z 2?P ?? a =? L P -?
4??2??9.525??21+33?? 78- =? 4??2?? =242.2mm 中心距减小量
?Q =(0.002~0.004)a =(0.002~0.004)?242.2 =0.484~0.969mm 实际中心距
a ' =a -?a =242.2-(0.484~0.969) =241.72~241.23mm 取 a ' =241.5mm (6)验算链速 v =
n 1Z 1P 210?21?9.525
==0.7m s
60?10060?100
与原假设相符 (7)计算分度圆直径
d 1=P Sin (180Z 1)=9.525Sin (18021)=63.91mm d 2=P Sin (180Z 2)=Sin (180?)=100.2mm
(8)作用在轴上的后轴力 F P =K FP F e
F P -压轴力(N )
F e -有效圆周力(N )
K FP -压轴力系数
F e =1000v =1000?0.7=171.43N
按水平布置取后轴力系数 K FP =1.15 故F P =1.15?171.43=197.14N Z 1=21 d 1=63.9mm Z 2=33 d 2=100.2mm
同理: 可算出传动比为1的四个链轮
Z =38 d =153.8mm L P =88 L =1397mm 4.3 计算各轴的强度
4.3.1后轴的计算
该轴的转速 n =61. r m i n 功率 P =0.8kw (1) 初步估算轴径
选择轴的材料为45钢,经调质处理, 查手册可得材料力学性能数据为
σb =650MPa
σs =360MPa σ-1=270MPa
τ-1=155MPa
E =2.15?105MPa
根据公式
d ≥ 初步计算轴径
d -计算剖面处轴的直径(mm )n -轴的转速(r min )P -轴传递的额定功率(kw )A -掟[τ]定的系数
[τ]-轴的许用转应力
v -空心圆轴的内径d 0与外径d 之比初选空心轴内外之比 v =0.75
P =15.875 v =0. 62 s
则可查表得
=1. 1 3
A =115
则
d ≥115?1. 1=33m 0. m 5
1考虑到轴需要加键,需将其轴径增加4%~5% 故大锥直径取 d =35mm
4.4轴的结构设计
根据轴的受力,初选轴承6207,已知Ⅲ轴传递的转矩 T 3=170N ?m 两外轮系圆周力F t =2T 3?103d =2?170?103=680N 前面已知四个等传动比的链轮参数分别为:
Z =38 d =153.8mm P =15.875(节距) P =0.8kw L P =88 L =1397mm v =0.62s 有效圆周力F e
F e =1000
P v =10000.80.62
=1290N 离心力引起的拉力F c =qv 2
q -单位长度链条的质量 (kg m )
v -键速(s ) 查表得q =0.60
则 F c =0.60?0.492=0.144N 链传动的压轴力 F P =K FP F e K FP -压轴力系数
对于水平传动 K FP =1.15
则 F P =1.15F e =1.15?1290=1483.5N
求支反力 F NH 1=F NH 2=F P 1+F t 3=1483.5+680=2163.5N
F NV 1=F NV 2=2G =550N
4.5轴的强度校核
根据轴的结构尺寸及弯矩图,转矩图,截面C 处弯矩最大
M c =239.83N ?m 安全系数校核计算 弯曲应力幅为
M σa =c
W
W -抗弯断面系数 W ≈0.1d 3(1-v 4)
=0.1?353(1-0.754) =1356.59mm 3
τa =
239.83
=176MPa -9
1356.59?10
由于是对称循环弯曲应力,故平均应力 τm =0 由 式 S σ=
σ-1
K σ
βεα
σa +?σσm
式中,τ-1 -45钢弯曲对称循环应力时的疲劳极限 K σ-正应力有效集中系数 取 K σ=2.62 β-表面质量系数,查得β=0.92 εα-尺寸系数,查得ε=0.88
S σ=
270
=0.474
?82
0.88?0.92
4.6本章小结
本章主要对自动上楼轮椅的重要零件进行了设计计算并对其进行校正,确定其安全性和实用性。对以后的装备起了基础性的作用。
5总结与展望
5.1总结
为了解决楼梯与路障给老年弱智和下肢残疾者带来的不便,同时为了缓解老年人和残疾人数量日益增加的社会问题,本文在考虑我国基本国情的基础上,对比分析国内外现有爬楼轮椅的优缺点,设计了一种符合我国楼梯尺寸规范、优势相对明显的星轮式自动上楼轮椅,具有良好的研究意义和市场价值。
本文的主要工作和结论可归纳以下几点:
(1)通过阅读大量文献,本文系统的阐述了爬楼轮椅的国内外研究现状,并且总结现有爬楼轮椅的优缺点,构思适合符合我国国情的爬楼轮椅,为本
文工作的展开打下了良好的基础。
(2)设计了一种新型的多功能电动轮椅。创新性的提出行星轮越障机构,并实现了行星轮的公转与自传,不仅满足平地行驶,而且可以爬楼梯;采用独立的可升降的前转向轮,来实现轮椅地转向;同时采用滚道滑轨结构使轮椅车在爬楼过程中座椅始终保持水平,消除使用者的恐慌。
(3)对轮椅的重要零部件做了合理的设计与计算,验证了轮椅设计的正确性和合理性。
5.2展望
自动上楼轮椅的研究涉及多个学科领域,需要不同的科学背景和众多的辅助支撑技术,比如机械设计、控制方法、力学分析、电路设计和计算机辅助设计等。受时间和精力所限,本文只做了有限的探索研究,并且在理论方面还是实践角度都有很多欠缺。
严格来说,自动上楼轮椅的研究属于机器人的研究范畴,因此应用型智能机器人技术是爬楼轮椅及其智能轮椅理所当然的发展趋势。随着人工智能、模式识别、图像处理、计算机技术和传感器技术的发展,未来的多功能轮椅功能将更为完善、丰富,也将真正进入老年人和残障人士的生活。
参考文献:
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[16] 哈尔滨工业大学理论力学教研室编. 理论力学(第六版)[M].高等教育出版社,2002,260~300 [17] 刘鸿文. 材料力学(第4版) [M].高等教育出版社,2003,150~300
中国地质大学长城学院2014毕业论文
致 谢
本次毕业设计是我们大学四年所学知识做的一次总测验,是锻炼也是检验自己四年来所学并掌握运用知识的能力,是我们高等院校学生的最后的学习环节,通过这次设计,我学到了许多原来未能学到的东西,对过去没有掌握的知识得到了更进一步巩固。独立思考,综合运用所掌握理论知识的能力得到很大的提高,学会了从生产实际出发,针对实际课题解决实际问题,掌握了综合使用各种设计手册、图册、资料的方法,提高了电脑绘图水平,也是为我们即将参加工作所做的必要准备,打下基础,更是我们四年机械设计制造及其自动化专业知识的一次综合。
在本次设计中,我的指导老师杨义勇教授给予了我很大的支持和帮助,在论文选题、框架构造、材料组织和内容创新等各个方面给了我很多启发,使我能够在设计中发现问题、分析问题、解决问题,对我的许多疑难问题做了耐心解答,认真审阅了我的图纸和论文,为我提供了很多宝贵的意见和建议,使得我的论文内容更加丰富,完善。杨义勇教授在教学和科研实践中所积累形成的渊博的专业知识、严谨的治学态度、严密的思维方式以及孜孜不倦的工作精神令我敬佩。在他的身上,我学会了许多比专业知识更重要的做人道理,帮助我树立正确的人生观、价值观。在此对杨老师表示真诚的感谢,谢谢您!
同时,感谢支持和关心我的同学,让我懂得团队协作精神的重要性,也是他们给我了克服困难的勇气。感谢四年来各位任课老师、辅导老师的真诚教导,让我人生变得充实!感谢你们!
最后,再次衷心感谢指导老师杨义勇教授,祝您身体健康、工作顺利!
致谢人:单长胜
2014年4月24日
26
范文五:电动轮椅说明书1
引 言
随着时代的发展,我国已经步入老龄化社会,现有老年人近两亿人,而残疾人也超过8千万人。在老年人当中,脑中风患者每年患者多达200多万人,650万老年痴呆患者,4000万糖尿病患者,其中近10,并发下肢坏死症,近400万人,另外,每年新增因车祸,工伤,其他意外下肢伤残者约50万人。我们国家这些年来实行计划生育政策,鼓励只生一胎,所以老年人在增加,而年轻人口数得弱小不能使老年人得到很好的照顾。2005年10日北京大学举行的首届老年学家前沿论坛上,全国老龄工作委员会办公室常务副主任、中国老年学会会长李本公说,预计2040年前后印度人口总数将超过中国人口总数,但中国仍将长期是世界上老龄人口最多的国家。我国现有老龄人口是欧洲老龄人口的总和。据李本公透露,2003年我国有老龄人口1.3亿,而去年我国老龄人口己达1.42亿,约占人口总数的11%。他预计到2010年我国老龄人口将达1.6亿,约占人口总数的12%,并将于2015年突破2亿,而到2044年前后甚至将高达4亿。这将意味着我国正面临着世界各国从未遇到过的一场人口危机即不远的将来我国有劳动能力的人的数量要大幅度减少,而需要照顾的高龄者人数将要增加。人口迅速老化,己成为制约我国经济社会发展的拦路虎。无论是高龄者还是丧失行走能力的残疾人对我国未来经济的发展都是不利的。为了节省劳动力,让有劳动能力的人为国家作贡献创造社会财富,就应该使需要照顾的老年人和肢体残疾者在衣食住
[1]行等方面尽可能的自立。这是一个庞大特殊的群体,该群体是社会的弱者。需要全社会的关爱,尤其需要一种适合他们心理和生理特征的交通工具。据了解,在国外较为集中的高性能电动轮椅生产厂家集中在美国、德国、英国、瑞典和日本。但是电动的轮椅价格不菲。档次分在成3个的话。那么最低档次的价格在人民币2-3万元,高价的达到12万元。 此,随着中同经济的发展与世贸的加入,
[2]和中国老龄化社会的到来。电动轮椅将会有很大的市场潜力。
因此,对于这方面的基础研究和产品设备的开发将是我国未来经济发展的重要课题。本研究面向老年人和肢体残疾者,研究了一种室内外两用的,具有万向移动功能的电动轮椅的控制方法。
在国外,电动轮椅的发展速度比较快,比如日本、美国等发达国家,已经出现了各种功能的电动轮椅。1989年法国开始研究VAHM项目,第一阶段的智能轮椅由轮椅、PC486、超声波传感器、人机界面组成,设置为手动、自动、半自动二种模式,手动使轮椅执行用户具体指令和行动任务,自动状态时用户只需选定目标,轮椅控制整个系统,此模式需要高度的可靠性,半自动模式下用户与轮椅分享机制。为了更好的适应用户需求,研究者在康复中心进行了一系列的调查,得出结论:系统必须是多功能的,不仅能适应残障人十的生理和认知能力,也应适应环境的结构和形态。在此基础上,经改进研制出第二代产品,相对于第一代
1
[1]产品,其功能更丰富,面向用户范围更广,性价比更好,改良了大量控制。在国内,也已经有很多厂家生产电动轮椅,比如:深圳市禧天逸电动轮椅制造公司、江门市阳光电动轮椅有限公司、格罗贝尔轮椅(上海)有限公司、金华佳世代车业有限公司等。但是由于技术问题的制约,电动轮椅在我国还处于基础阶段。各生产厂家的电动轮椅基本类似,都采用操纵杆控制,不适合于残疾人使用,特别是
[3]对于手臂残疾的病人如何控制轮椅还是一个尚未解决的问题。在国外越来越多的残疾人,以及老人,被使用康复技术用于其流动性。传感器集成的轮椅已开始开发,有时被称为“智能”轮椅,他们的目的是使快速反应的障碍,传达到附近从一个空间结束自己的其他能力的残疾人。这样做,这种机器人轮椅必须承认在任何特定时刻的空间位置的能力,确定相对距离的障碍,从而避免他们。
这些轮椅大部分是基于标准的商用电动轮椅,配备各种传感器系统(根据他们的保险杠,活跃相机和激光二极管):超声波传感器,红外传感器,微动开关)和被动的视野,全球定位系统。用户可以驾驭轮椅操纵杆的手动控制,通过其他系统(如一个普通的轮椅)或眼球运动,头部运动,语音识别。由于系统正在测试传输伤残或高龄人士的系统上的其他人在周围的环境和对象的行为依赖,安全是一个非常重要的因素。相对于其他服务机器人,一个自主的轮椅是指导,可以
,16,通过两种方式与手动控制或自动控制。
而在现在人们又在研究语音控制的电动轮椅,人类的特别是通过使用安装在摄像头和小孔中的微笑麦克风,很容易识别声音。鼻道,如果通畅,提供了和麦克风良好的声带之间的声学耦合。通常的信号产生正弦只能得到2.2,充足的信号驱动放大器的电压增益,获得语音解码器(NE567)。这些音解码器都设置为需要从10到30个周期的信号,才改变其输出数据从1到0。语音解码器进行带外信号抑制的标志是提供卓越的免疫力对于虚假信号。要求人工设计的频率可以保持在低于发声水平。这与放大器增益和极低的语音解码器输出在一个相对滴噪音扩音器系统延迟耦合。通过限制控制系统的四步,大多数人很容易掌握系统的操作。每个音解码器中心频率可以调整,以适应用户的音域。前进,右转和左转提供由音解码器。制止和扭转是第一次收到由四分之一解码器提供。如果此人下达停止频率的命令将立即停止。如果用户继续在使用停车命令后使用特定的语音,
,17,轮椅将开始扭转,并继续,只要语音是存在的。而对于那些中外伤性脑损伤的残疾人来讲,国外的一些控制系统,将时间平均,并没有迅速反应和不规则变动的情况。这项功能是特别为中外伤性脑损伤的测试的车手设计的,供给失调的复杂性,辨距障碍.使用此控制系统来控制,这名病人能够在指导下直接下走廊,
,19,容易越过其中的一个障碍,急转弯(转弯半径三英尺)和通过普通门口。
本文研究的电动轮椅还是处于初级阶段,在设计过程中我们依照资料,参照手动轮椅的结构尺寸设计出整车的结构,并加以改装成我们设计的形式—四轮驱动爬楼越障电动轮椅。
2
第一章 电动轮椅的组成
1.1 电动轮椅的分类、
1.1.1 传统的电动轮椅及驱动方式
目前国内外主流行电动轮椅是后面的两个主动轮是直流有刷电机经过减速器分别驱动的,其控制水平是速度开环控制,其实就是PWM控制改变电枢电压达
[4]到调速目的。由于减速器的存在使得结构复杂,重量和成本增加。如图1.1所示。
图 1.1 上海立翔TE-P424M-36型电动轮椅
1.1.2 直接驱动的速度闭环控制的电动轮椅
新型电动轮椅如图1.2所示,它是利用直流无刷电动机直接驱动的,因此结构简单重量轻,便于折叠和外出运动。它的电机是外转子式,即轮毂电机(由电机和充气轮胎构成车轮)。其电机参数如表。
表1-1 永磁直流电动机参数
额定电压 额定转速 额定转矩 相数 换向角度 极数 霍尔电平 轮圈直径 DC24 180?8Nm 3 120 o 20 5A-TTL 18英寸
10r\min
3
图1.2 直接驱动的电动轮椅
其控制的系统方块图如图1.3所示,单片机将有操纵杆送来的命令解码,输出左右两个车轮的运动速度和方向命令作为后面的速度伺服系统的给定。
根据实际应用的需要,该速度伺服系统的动,静态指标不高。故采用电流限幅的速度环,速度环的控制规律为比例积分控制,电流限幅是8A。为满足低速性能,采用深度速度负反馈:利用无刷电机三个霍尔换向信号产生的脉冲,经频压转换芯片产生模拟电压,它正比与电机转速。由于电机有20个磁极,电机一圈产生的脉冲数为3×20,60个,电机最高转速为200r\min,因此产生的脉冲数为60×,1/60s,×200=200HZ,调节f\V环节放大系数使200HZ输入时,输出为5V。
图
图1.3 控制方块图
4
PWM及驱动环节的实现是由专用芯片LB11820MHE 6个N沟通MOSFET构成单极性可逆PWM系统,其主电路如图1.4所示。图中Ra,Rb,Rc,La,Lb,Lc和Ea,Eb,Ec分别为三相无刷电机的相电阻,电感和反电势,由于单极性可逆PWM系统具有线路简单,效率高等优点,使得该电动轮椅与传统的电动轮椅相比有很多独特功能,如可以原地回转,前后运动等。
图1.4 单极性可逆三相无刷电机驱动
1.2 电动轮椅的硬件结构组成
电动轮椅控制系统的硬件部分主要由主控制器(单片机)、无刷直流电机(三相线圈)、控制键盘(“前、后,左、右、加速、减速、停止”共七个控制按键,及照明灯开关和左右转向开关),灯具(左右转向灯、前后照明灯)显示仪表(如电容量指示灯)、测速霍尔传感器(脉冲计数测速),以及电源系统组成。电动
[5]轮椅控制结构图如图1.5 所示。
图
1 图1.5 电动轮椅结构控制图
5
1.2.1 无刷电机的选择
因为我们的轮椅需要能够爬楼越障,所以对电机的要求就比较高。所以我们选择电动单轮车的驱动电机作为电动轮椅的电机。永磁直流无刷电机是一种典型的机电一体化电机, 除了有普通直流电机调试性能好、调速范围宽和调速方式简
特别是由于它单的特点外, 还有功率因素高、转动惯量小、运行效率高等优点, 不存在机械换相器与电刷, 大大的减少了换相火花, 机械磨损和机械噪声, 使得它在中小功率范围内得到了更加广泛的应用, 是电机的主要发展方向之一。
对于永磁直流无刷电机的控制方式, 可以分为两大类有位置传感器控制方式和无位置传感器控制方式。典型的有位置传感器控制方式是使用霍尔传感器控制方式。无位置传感器控制方式是目前比较广泛使用且较为新颖的一类控制方式, 包含有反电动势控制方法、磁链计算法、状态观测器法和人工神经网络控制法等。反电动势控制方法中对驱动桥和电机在外电路过流时的保护极为重要, 对软件
[6]发生错误动作时负载的保护也提出了较高的要求。目前我国电动车所使用的电机一般为直流电机,直流电动机具有运行效率高、调速性能好等优点。传统的直流电机是有刷直流电机,但由于电刷的存在,带来了因机械摩擦而产生的噪声、火花、电磁干扰等缺点,再加上电机的制造成本高、维修困难、使用寿命短等,其使用范围受到很大影响。
目前在直流无刷电动机中常用的位置传感器种类主要有如下几种: (1)电磁式位置传感器
电磁式位置传感器是利用电磁效应来测量转子位置的,有开口变压器、铁磁谐振电路、接近开关电路等多种类型,在BLDCM 中用的较多的是开口变压器。电磁式位置传感器具有输出信号大、工作可靠、寿命长、对环境要求不高等优点,但这种传感器体积较大,信噪比较低,同时,其输出波形为交流,一般需经整流、滤波方可使用。
(2) 磁敏式位置传感器
磁敏式传感器是利用某些半导体敏感元件的电参数按一定规律随周围磁场变化而变化的原理制成。其基本原理是霍尔效应和磁阻效应。目前,常见的磁敏式传感器由霍尔元件或霍尔集成电路、磁敏电阻和磁敏二极管等组成。一般来说,这种器件对环境适应性很强,成本低廉。
(3) 光电式位置传感器
光电式位置传感器是利用光电效应,由跟随电动机转子一起旋转的遮光部分和固定不动的光源等部件组成。有绝对式编码器和增量式编码器之分,增量式编码器精度很高,多用于精密控制中,价格昂贵,且需要附加初始位置定位装置;
6
绝对式编码器价格低廉,不需要初始定位,但精度不高,可用于一定的速度控制中。总之,光电式位置传感器性能比较稳定,体积小、重量轻,但对环境要求较高。
逆变器将直流电转换成交流电向电机供电,与一般逆变器不同,它的输出频率不是独立调节的,而受控于转子位置信号,是一个“自控式逆变器”。BLDCM 由于采用自控式逆变器,电机输入电流的频率和电机转速始终保持同步,电机和逆变器不会产生振荡和失步,这也是BLDCM 的重要优点之一。
们选用的无刷电动机型号是24V,600W的电动机,蓄电池采用的就是本次我
24V能充电的干蓄电池。直流无刷电机的机械特性和调节特性的线性度好,调速范围广,寿命长,维护方便噪声小,不存在因电刷而引起的一系列问题,所以这种电动机在控制系统中有很大的应用潜力。在控制无刷电动机的系统中,基本框
[1]架如图1.6所示。
图1.6 三相无刷直流电动机控制系统框图
1.2.2电机功率及校核
轮椅平地行走时需要克服地面摩擦力,假设滚动摩擦系数为:0.2,行走的速度为1m/s,则需要的电机功率为:P=F*V=345*10*0.2*1=690W 假设轮椅爬坡时所需要碰到最大的坡度为20?,速度为0.5m/s,则电机的功率为: P=F*V*Sin20?=345*10*0.5*0.34=586.5W 左右600w 的电机可以满足需要。
直流电机的低速性能是偏软的,为使电机作在稳态工作,必须根据轮椅的实际运行需要,选择合适的减速装置。另外电机的转速很高,这对进行中的乘坐者来说不合适,因为乘坐者一般都是在室内活动,并不需要很高的速度,电动轮椅的室外走行速度预期每小时达到目的5 公里左右,室内的要更低点。
驱动轮的直径:D = 40(cm);
驱动轮转一转所走的路程满足:L = πD = 40×3.14 =125.6cm = 1.256(m);
7
速度V 换算为:V = 5000/3600 = 1.39(m/s);
由V = nπD 得:n = V/πD = 1.39/1.256 = 1.107 (r/s) = 66.42(rmp);
减速比:I = 3000/66.42 = 45.1;
我们所选得减速器减速比为46。
1.2.3 轴的设计与校核
本次设计的电动轮椅中共有两根轴,材料均为45号钢,调质处理
,,600MPa,,355MPa,45号钢的,其屈服极限为,对塑性材250~300HBSbs
[]1.5~2.5[],,,料有:弯曲[,],1~1.2[,],扭转,挤压,剪[]0.5~0.6[],,,pF
,355s[]0.6~0.8[],,,切。因45号钢许用拉应力为,n为,,,[]177.5MPa,jn2
安全系数,对塑性材料通常取,故,。 []178MPa,,[]90MPa,,1.5~2.2
其设计如下:
主传动轴
轴的扭转强度条件为:
P9550000Tn,,,,, []TT30.2WdT
0.6P33d,110,,93.5mmA,110则有:,取,则,取与轮配合的轴dA,,,1.05n
d,93mm径为。 k
2? 轴的结构设计
根据轴的直径选择相应的键,从而确定键槽尺寸,此轴中间一段只要一般的粗糙度即可,而两端与轴承配合的轴要保证相当的精度,其余的保证普通精度即可。
3? 轴的校核
此轴主要受扭矩作用,所以只要对轴进行扭转应力强度校核即可,由参考文
T[3],,献可知校核公式为:。 WP
轴的两端为危险截面,应对它进行扭应力强度较核:
Tmax (3-2-7) ,,,[,]maxWP
p0.6T,9550,9550,,5.457KN式中:; maxn1.05
3,d3W,,0.000158m。 p16
8
T5.457max代入数据可得:。 ,,,,3.476MPa,[,],90MPamaxW0.000158p
由此可知强度符合要求,设计合理。
1.2.4 轴承及轴承座的选择
(1) 轴承的选用及校核
[10]1? 轴承均选用深沟球轴承,查参考文献选轴承型号为6238 GB/T276-94。
2? 轴承寿命校核:
轴承寿命计算公式为:
610C,,()L h60nP
查表知:,当量动载荷为。对于深沟球轴承,,,,3C,29.5kNP,3.381kN
,代入数据得: n,63r/min
66C101029.5,36L,(),,(),1.76,10h hnP6060,633.381
可知轴承寿命足够长,选择符合要求。
3? 轴承润滑
由于传动轴转速比较低,故轴承采用脂润滑即可,在轴承座内加入足够的脂润滑即可,对承受较大载荷来说此种润滑方式十分适宜。
(2) 轴承座的选择
选“适用带紧定套轴承的四螺柱滚动轴承座”,型号为SD538 GB/T7813-1998。
1.2.4单片机的选择
在设计中,我们采用单片机80c196kc作为我们控制器的主控单元。
单片微处理器件是各类控制系统的核心部件,近十多年来,随着微电子工艺水平的提高,其性能也有了很大地飞跃。目前应用较多的是Intel、Philips、Siemens等公司推出的MCS-96系列16位单片机,相比以往的MCS-51系列8位单片机,其CPU中的算术逻辑单元采用寄存器-寄存器结构,操作直接面向寄存器,有效地克服了MCS-51系列单片机中存在的累加器瓶颈效应,提高了操作速度和数据的吞吐能力,高效、精简的指令系统,大大提高了系统的实时性,片内集成丰富的外设单元,极大地方便了与外部设备的接口,使得其特别适用于各类自动控制系统,而且还适用于一般的实时信号处理和实时控制系统。
控制系统的核心部件选用Intel公司的MCS-96系列16位单片机soe196Kc,外接16MHz晶振,每个机器周期为0.125微秒。程序储存于外部的单片EPROM单元中,系统启动后,CPU通过存贮器映射访问外部的EPROM单元,将程序加载
9
运行。
在SOC196KC中实现速度环的数字化调节,从位置传感器检测到的三路位置信号,通过高速输入通道HSI送到CPU中,CPU滤波后,计算出电机的实际转速值,实际转速与给定转速进行比较,其误差信号经速度PI调节器作用,得到电机的电流给定输入,然后产生对应的PWM信号,触发逆变器导通。在各种动态过程中,电机的电流可由速度调节器的输出限制幅值,把它始终限制在允许的范围之内。
电动机的起停及正反转控制由PO.3、P0.4口来实现。通过检测P0.3、P0.4的逻辑状态确定电机的转向,再经过GAL16VS的逻辑组合,得到电动机的正/反
[10]相的换向输出,实现电动机的转向及起停控制。
图1.7 68脚PLCC封装图
80C196KC目前只采用2种封装形式:68脚的PLCC和80脚的QFP。正常工作状态下的引脚排列和功能完全与80C196KB的相同,编程状态下,引脚的功能只有一点不同;80C196KC的P2.6脚在编程状态下切换为CPVER功能,这是-KC型芯片新增的
10
[13]功能(图1.7所示是80c196kc的68脚PLCC封装图。
16位单片机80c196kc的是一种高性能单片机MCS@96为控制核心家庭成员。这个80c196kc是80c196kB的增强装置, 英特尔是CHMOS?过程提供高性能处理器与低功耗。与商业(标准)温度的选择、运行特点是保证在温度范围从0?-70?
快递)温度范围内的选项,运行特点是保证在摄氏零下40?- 85?以上。与扩展(
的温度范围。除非另有注明,规格是一样的两种选择。8XC196KC的方块框图如图
,14,1.8所示。
图
1.8
8XC
196
KC
方
块
框
图
第二章 电动轮椅的硬件控制设计
电动轮椅主要有四大部分组成:车架、操纵杆、控制器及电动机。其中的车架包括座椅及支撑结构。使用者通过调速器发出控制信号,信号经过控制器中电
11
子控制线路处理送到电动机,去控制电机的转向和转速,实现移动功能。任何一套控制系统的实现都离不开硬件的控制。电动轮椅的硬件控制主要采用专用的集成芯片或单片机或DSP芯片控制无刷电动机实现运动和方向的改变。我们研究用到的这种芯片能实现控制轮椅车的速度,而在转向上则是采用雨刷电机的特点实现方向的运转的。在其它硬件条件相同的情况下,控制系统决定着电动轮椅的性能,相当于系统的神经中枢——发出控制命令及处理各种异常情况。它的作用如下:
1.使电动轮椅操作灵活舒适
2.提高电机和蓄电池的效率,节省能源
3.保护电机及蓄电池
4.降低电动轮椅在受到破坏时的损伤程度
5.保障使用者和他人的人身安全
本文设计的控制系统主要由以下几部分组成:以单片机为核心的主控电路,以IR2130为核心的驱动电路、功率逆变电路、位置信号处理电路、电流信号处理电路以及一些外围辅助电路。控制电路的主要功能是完成电机的起动、换相、调速、制动等控制并实现对电机、电池的保护,驱动电路的主要功能是利用工RZ1315的自举技术驱动功率MOSFTE管控制电机电流,而外围辅助电路主要完成信号的采
[8]样,对电路的供电、发出报警信号等功能。
2.1 总体控制方案的设计
为了实现轮椅移动的功能,我们运用了电动自行车的一套控制器装置。设计的基本控制系统构成控制流程是: 按照电动车的控制速度的操纵杆实现速度的改变,根据其状态,控制器给驱动器输出指令信号。驱动器根据得到的信号驱动电机,使电动轮椅车按指定的方向和速度移动,在这期间控制器和一些需要电源的器件,全部由主电源提供电压,检测电路通过检测电流实现信号的传递。其中控制器是整个系统的核心,所有的指令的实现都是它操控的,具体过程如图2.1所示。
12
图2.1 总体设计方块图
单片机微型计算机(Single-Chip Microcomputer)简称单片机因其主要用于控制,所以又称微控制器(MCU)。它在一块芯片上集成了一台微型计算机必需的基本功能部件,包括中央处理器(CUP)、只读寄存器R(M0)、输入输出口(工/0口),可编程定时器/计数器等。单片机具有集成度高、功能强、结构合理、抗干扰性强和指令丰富的特点,它的应用打破了传统的设计思想,原来很多用模拟电
[8]路、脉冲数字电路、逻辑部件来实现的功能,现在都可通过软件来完成。在电动自行车无刷电机控制器这样一个应用场合来说,根据对控制器的要求有多种数据处理芯片可供选择。若控制方法复杂、运算量较大,精度性能要求较高,可以选用OSP高性能芯片。若运算量较小,速度要求不特别高,主要运算为逻辑运算,而且输出I/0口较多,则应用单片机设计较好。单片机的好处是自带A/D接口、P枷模块、捕捉/比较功能、外中断、内部定时器甚至通讯、自编程等功能方便
[9]实现用户功能的同时大大减少外围电路、降低成本和可靠性。
80C196KC是CHLMOS高性能16位单片机中的一个 新分支,内部结构大部分与80C196KB相同,但又在80C196KB的基础上增添了不少新的特征,其中主要有: 1.内部存贮器的容量扩大了一倍。
2(比80C196KB增加了2个PWM(脉宽凋制)输出。
3. 80C196KC新增加了一个外设事务服务器 PTS(PeriPheral Transaction
Server),大大降低了中断服务的开销。
4(80C196KB中定时器2只能由外部时钟提供计数信号(80C196KC中定时器2既可由外部提供时钟,也可由内部提供时钟(内部时钟周期可为1个状态周期或
13
8个状态周期,由软件来选取。
5. 80C196KC对HSO增加了一条新的命令格式,可以对所有HSO引脚同时寻址。 6(sod196KC的A,D转换器,除了可采用10位转换方式外,还可以采用8位转换方式,以加速转换过程(此外,80C196KC还可以对采样时间和转换时间进行选择。
7(80C196KC有2个不可擦除的可编程只读存贮器UPROM(Unerasable PROM),增强了加密手段。
8(80c196KC可以采用16MHZ的晶振(其运行速度比12MHz的80C196KB快33,,
[13]比12MHZ的8096BH快一倍。
下面的图2.2所示就是我们设计中用到的控制器的应用框图。
转把 接电源
1:1助力 控接电机 制巡航 低电平刹车 器
速度信号
霍尔线
限速线
图2.2 控制器的应用框图
2.2 驱动部分电路的设计
[1] 2.2.1 主电路的设计
无刷直流电机控制系统的功率主电路如图2.3,由于该系统电机额定电压为48V,额定电流为10A,因此功率电路应属于小功率的范围。本系统选用国际整流公司MOSFET功率管RI摊807,采用RIF2807可以获得较快的开关速度,尤其适合驱动小功率电机,其内部漏源极间集成有反相快速恢复二极管,直接对MOS管起保护作用而不必外接。旁组电阻R用来检测电机的直流母线上的电流,该电流信号l由电阻R的压降测出,不但可以为电流环提供反馈电流信号,还可以通过实时监控电流防l上电机过流发生故障,过流信号输入到功率桥的前级驱动芯片和DSP处理器中,在过流时及时封锁功率场效应管门极驱动信号。
14
图2.3 无刷直流电动机功率控制的主电路
2.2.2 主电路的驱动
功率管的前级驱动电路采用IR公司的电机驱动芯片RI2310。该芯片集驱动、死区、过流保护功能于一体,可以驱动工作在母线电压不超过600V的电路功率的MOS器件,使用但电源即可完成对功率桥六只功率管的驱动,使用时极为方便,特别适合于小公率驱动领域,内部设有过电流、过电压及欠电压保护,可以用来方便的保护被驱动的功率MOS管。图2.4为功率主电路的前级驱动电路,其中Dl-D3为快恢复二极管,选用FR107,Rl-R6是为了防止功率管产生振荡而设置的电阻,阻值选为10Ω,Cl-C3为自举电容,取值0.1pf,LED为过流、欠压保护指示灯,其中过流信号Ir经过RC滤波器送入到RI2130的过流保护端ITRIP引脚。
RIZ130内部运用自举技术,使它可用于高压系统,他还可以对同一桥臂上下两个功率MOS器件的栅极驱动信号产生2ps的互锁延时时间,电路设计还保证了内部二个通道中的高压侧驱动器和低压侧驱动器可以单独使用。由于采用自举电源技术,只需外接电容和二极管就可以很方便的驱动同一桥臂上下两个功率场效应管。
IR2130的自举原理为:当A相所在的下桥臂导通时,Vs1为低电平,电容C1由15V电源通过二极管Dl充电到其两端电压接近15V;当A相所在的上桥臂导通时,Vs1升至母线电压,此时,由于电容C1两端的电压不能跳变,VB1的电位也
15
将上升相应值,并从HO1输出,实现电源的浮动,此外,二极管在此时反相截至。
,1,B相和C相与A相类似。
图2.4 功率主电路前驱电路
2.3 控制部分电路的设计
2.3.1 速度的控制
电动轮椅在行驶过程中,并不是以恒定的速度进行,有时需要加快速度有时需要减慢速度,因此调速是不可缺少的一个功能。电动轮椅调速是在手柄上安装一个光耦可调电阻,由手动实现的。电机采用晶闸管冲调速,属于定频调宽方式(该线路由主电路和控制电路组成)主电路中的晶管VT1作为直流开关,调节其导通与关断的时间比例(由控制电路实现)在它输出端得到脉宽不同的电压波形,去作为电机的端电压,实现调速功能。在实验中用的是可调电阻,其原理如图2.5所示。K点的电周UK值将随可调电阻的位置变化而变化,向左调,UK值增大;向右调,UK减小。单片机UK值采样后经A/D转换后送到PWM波占空比寄存器来决定PWM
[9]波占空比。
图2.5 转把输入部分电路原理图
16
2.3.2 控制器电源的电路
电源的提供主要有两种:一种是控制电路部分的电源,一种是驱动电路部分的电源。如图2.6所示,控制电路部分主要是单片机的供电电源33V,驱动电路部分采用三相全桥驱动电路,直接由蓄电池供给48V直流电源,采用7815、7805三端稳压集成电路,分别输出15V和5V电源,供给运放和光祸电路。
图2.6 电源的电路
由于在控制电路印制板的频率比较高,达到了40MHz,因此在布线时要注意一些原则:当信号工作频率大于10MHz时,地线阻抗变得很大,此时应该尽量降低地线阻抗,采用就近多点接地。如果接地线很细,接地电位将随电流的变化而变化,致使电子设备的定时信号电平不稳,抗噪声性能变坏,因此还应将接地线尽量加粗。在设计数字电路组成的印制电路板的地线系统时,将接地线做成闭环路可以明显提高抗噪声能力。其原因在于:印制电路板上有很多集成电路元件,尤其与有耗电多的元件时,因接地线粗细的限制,会在地结上产生较大的电位差,引起抗噪声能力下降,若将接地结构成环路,则会缩小电位差值,提高电子设备的抗噪声能力。为了减少干扰和加强电源,最好布成四层板,最外两层为信号线,这两层的信号线尽量垂直分布,一方面可以减少干扰,另一方面可以使布线简单,中间两层为电源和地层。模拟电和数字电要分开,防止数字电对模拟电进行干扰[11]。
2.3.3 轮椅座位的平衡
由于我们的轮椅是越障爬楼,座位难免会倾斜,这对于座位上的人是很危险,万一摔倒了,后果则不堪设想。至此,我们设计了轮椅不管如何倾斜,其座位都能保持平衡。
对调速系统来说,用转速负反馈可以获得比较满意的静、动态性能。但是,
17
在本文的电动轮椅运动控制系统的设计中要实现转速负反馈是非常困难的,因为无法安装转速检测装置。故在设计中采用电压负反馈和电流补偿的控制方法。如果忽略电枢压降,则直流电动机的转速近似与电枢两端电压成正比,所以电压负反馈基本上能够代替转速负反馈的作用。采用电压负反馈和电流补偿控制的调速系统原理图如图2.7所示。
图2.7 电压负反馈和电流补偿控制的调速系统原理图
其中,V+、V-分别为电动机两端的电压。它们同时被送人DSP的AD采样通道中,在软件中对V+、V-进行差分得到电机两端的电压。这样可以消除由于电源电压波动等因素引起的电机端电压的误差。R1、R2是采样电阻,之所以有两个采样电阻,是因为文中所讨论的电动轮椅控制系统采用双极性模式,可在四象限运行。由如图5所示的H桥可知,R2、R1可分别检测电机的正反向电流。对应的系统控制方框图如图2.8所示。
图2.8 轮椅运动控制系统控制方块图
18
2.4 保护电路的设计
2.4.1 过流保护的控制
由于直接驱动的轮式电机经常处于起动或低速状态下运行,尤其是起动时电机绕组反电势几乎为零,而绕组电阻又很小,所以起动时电流相当大,这对电机危害极大,所以在满足转矩要求的前提下对电机电流进行限制是必要的,限流电路中逆变电路下半桥经检测电阻康铜丝接地,则检测电阻两端的电压直接反映了电机电流的大小。限流过程如下:RS上的电压信号经滤波后直接加于电流比较器的同相端,当过流时,比较器翻转,产生一个高电平信号,去锁住下半桥的驱动信号,从而使电机的电流下降,当电流小于I1max时,下半桥又重新开通,以实现限流的要求。
2.4.2 欠压保护的控制
欠电压保护电路对集成PWM控制器的电源实施监控。监控信号由由电源经过两个分压电阻分压后放大产生,经单片机内部A/D转换后得到数字信号。把得到的数字量与程序中设定的数字进行比较后证实电源电压是否欠压,若欠压则封锁PWM信号的输出。当电路初上电时,电源电压低于启动电压,欠电压保护电路封锁P枷信号的输出。只有当电源电压大于启动电压后,经过一次软启动过程,内部电路才开始工作,输出端将有PWM信号输出。当电源电压低于保护电压时,PWM输出被封锁,控制器停止工作。只有当电源电压再次大于启动电压后,重新经过
[1]一次软启动过程,才能恢复PWM信号输出。欠电压保护电路如图2.9所示。
图2.9 欠压保护电路原理图
19
2.4.3 光耦隔离
在无刷直流电动机控制系统中,当某个元器件或某一部分电路出现故障时,为了使其它部分电路能够正常的停止运行而不受到损坏,需要加一些隔离电路,例如在控制电路与驱动电路之间,电机霍尔元件反馈信号和芯片之间。本控制系
。图2.10为采样位置信号时霍尔元件和DSP统中采用了高速光电隔离器件6NI37
之间的隔离电路,其中N6137的2为输入引脚,输入的高电平为5V,接入250欧姆的限流电阻,以限制输入电流在20mA,引脚6为输出端,加上1千欧姆的
[1]上拉电阻,此外,6N137两侧的地不应相通,这样才能起到隔离作用。
图2.10 光耦隔离电路
20
第三章 电动轮椅的硬件的分析
在电动轮椅的硬件设计中,我们所参考的电动车的控制原理,对其控制过程进行细致的分析,让它更好的应用在电动轮椅上。
3.1 控制器电路及其各个部件的连接
由于我们应用的是电动车的一套控制装置,我们在这里就分析一下电动车的
,12,硬件电路的明细分析。
从功能上来看,控制器单单只是使电动车能够起停,总的要求有:
(1)运行控制:使电动自行车的速度能按照手把转动的角度发生变化从零速度到最大速度。
(2)具有电流过载保护功能,在各种运行状态电流都不超过保护值。
(3)过热保护:当电动自行车长期运行在额定电流状态控制器温度过高时切断电源供应。
(4)刹车时自动断开供电电源。
(5)欠压保护:当电源供电不足电池电压下降到电池最低电压时切断电源,以保护电池。酸铅电池不怕充足就怕没电。
(6)其它功能:为提高使用性能,电动自行车常附带有一些其它功能。
非零启动功能是为了防止起动电流过大,具有该功能的自行车只有当电动自行车的车速大于某一速度(例如5公里/小时)后控制才起作用,以保护蓄电池,使蓄电池不在大电流放电状态下工作;软起动的目的同前,使电动自行车工作电流保持恒定,使蓄电池不在大电流放电状态下工作;保持功能是使电动自行车的运行速度在手把给定的最大速度运行,以减轻长途骑行时的疲劳,即你骑行时将车速增加到某个速度运行时,可放开手把,自行车则维持在该速度上运行,若要增加速度则可通过增加手把转角,但要降低车速则必须使用刹车解除来保持状态;1:1功能是电动自行车行业的一个行话,实际上是一种助力功能,即电动自行车在比较轻松的骑行中运行,以使电池处于比较省电而骑行又比较省力,实际上真正要做到1:1功能需要在脚蹬上加力的传感器,根据传感器信号来控制供给电机的电流,但现在很多控制器的1:1功能仅仅是给电机一个固定的控制电压,因此在上桥或迎风的时候,还会感到比较累。
附录为某种电动车控制器电路原理图。在图中16V8为译码器,将霍尔元件检测出来的换相信号转换为六个驱动功率管的控制信号;IR2136为无刷电机专
21
用控制电路,为驱动功率管提供驱动信号P87LPC767 是带有AD 输入及PMW 输出的单片机,它将手把的电平信号转换为脉冲调宽信号,同时完成诸如过载保护、欠压保护、保持、非零启动等功能; LM358用于过载电流的放大;电动自行车的电源电压为48V,而IR2136需要15V供电,单片机需要5V 供电,因此使用
,T6(IRFZ44N)为六个N通道功率场效应管,7815、7805提供15V与5V电源;T1
接成三相全波电路,为三相电机绕组供电(RO1、YO1、BO1)。CZ1,CZ4为控制器与外部设备的连接器。其中,CZ1为换相信号连接器,与轮鼓电机的霍尔换相信号相接。CZ1,1接地,CZ1, 5接5V,CZ1,2、3、4 接换相信号;CZ2为仪表信号连接器,CZ2,1、5接地,CZ2,2、3 接通讯线,传送仪表的显示信号,包括传送电源电压、过载电流、速度、控制器状态等信号,CZ2,4接0.5秒脉冲信号,为转向灯提供闪动控制;CZ3为调速手把连接器, CZ3,1、3接调速手把的电源(地及+5V),CZ3,2接调速信号。当手把的转角从0转向最大角度时,输出1.4,4.5V;CZ4为开关信号连接器,CZ4,2接地, CZ4,1接刹车开关。刹车时,输出地电平使控制器断开电机的供电。CZ4,3接功能开关,用于选择电动自行车的运行状态,例如保持、助力等。R3、RB3-3为电源电压采样电阻,从两个电阻中间取得电源电压的变化,以供单片机监控电池电压。在电池电压低于33V时停止供电,以避免电池的过度放电;R7为电流采样电阻,它串联在电源的供电回路中,所以R7上的电压与电源的供电电流成正比,可以通过测定R7上的电压来测定电源的供给电流。为了不使在R7上损耗太大,R7用粗的(直径1. 5mm)的康铜丝制成,电阻约为0.01Ω,10A电流流过它时产生0.1V的电压。为了提高控制精度,LM358对采样电压进行放大。在电机的驱动电路中D1、C4(D2、C3,D3、C2)组成升压电路。以使T1(T2、T3)在开关状态下能充分饱和,因为功率场效应管在工作时栅极控制电压(栅极对源极)必须大于开启电压(约1V)。当T1 (T2、T3)导通时它的源极电压接近电源电压,因此栅极电压必须高于电源电压,升压电路利用电机绕组的交流电压,通过电容隔离与二极管的整流向IR2136的VB1(VB2、VB3)提供高于电源10V的电压,从而使IR2136能提供高于电源电压的控制电压,以使高位场效应管能在截止饱和状态下工作。GAL16V8 用于进行译码,输入到16V8的信号有霍尔传感器输入的绕组位置信号(16V8的1、2、3)、单片机提供的脉冲调宽信号(16V8的4)、刹车信号(16V8的5),通过16V8的综合,输出三个上位管(16V8的18、17、16)与三个下位管的控制信号(15、14、13)。脉冲调宽信号用于控制自行车的车速,刹车信号用于强制切断电机电源。16V8
22
的12、19为转弯灯0.5秒控制信号。由单片机提供,经16V8隔离,通过CZ2-4送出。在控制器中,单片机P87LPC767采集各种外部信息,经过综合,输出脉冲调宽信号对电动自行车进行控制。单片机首先要采集电动自行车中的各种信息,这些信息由模拟信号及开关信号两部分组成。
模拟信号由单片机的AD变换器输入端输入,它们是:
手把信号 它是控制脉宽的主信号,在正常情况下手把信号应与脉宽成正比,它从单片机AD0(P87LPC767-18) 输入。
总电流信号 用于对电机的过流进行控制,它由电流采样电阻R7取出,经LM358 放大, 从单片机的AD1 (P87LPC767-17)输入。
电池电压 当电池电压降低时,欠压控制需要通过测定电源电压来给出控制信号,它从单片机的AD2(P87LPC767-16)输入。
助力调整信号 用于调整助理状态下电机控制信号的大小,由W1给出,从P87LPC767-14(AD3)输入。
开关信号由单片机的普通I/O口输入,它们是:
刹车信号 用于阻断调宽脉冲,同时还作为一种“复位”信号,用于解除某些工作状态(例如保持状态),此外也用于向仪表提供状态信号(表示自行车处于刹车状态)。从P87LPC767-2输入。
功能按钮信号 功能按钮用于控制电动自行车的运行状态(助动状态、保持状态、非零起动状态、正常操控状态等),为了简化操作,在电动自行车上只有一个功能控制按钮,通过单片机的处理来实现电动自行车的多种功能选择。例如接通电源时,电动自行车进入助动状态;按一次功能控制按钮,转入正常操控状态;再按一次则转入保持状态。以后每按一次功能控制按钮,电动自行车将在保持状态与正常操控状态之间转换。从P87LPC767-9输入。由于仪表信号由单片机通过串行口提供,因此所有需要向仪表提供的信号都要送到单片机中:限速开关(XS) 用于自行车出厂调试,从P87LPC767-10输入。作为输出信号有:
脉冲调宽信号 通过P87LPC767-1输出。0.5 秒转弯灯闪动信号 通过P87LPC767-8输出。与单片机相连的其它电路有:
复位电路 由R10与C17组成。
晶振电路 由JZ1、C19、C20组成。
单片机的作用体现在脉冲调宽信号如何与其它各种信号的关联上。通过关联,实现电动自行车的各种功能。图3.1是电动车控制器的单片机工作流程图。
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初始化
采集手把零位
刹车否,
手把信号处理
欠压处理
过渡处理
调宽脉冲驱 动
功能键处理
通讯处理
图3.1 工作流程图
3.2 电动轮椅中的转向
在电动轮椅的设计中,我们应用雨刷电机的作用就是实现轮椅的自动转弯。雨刮器电动机的质量要求是相当高的。它采用直流永磁电动机,安装在前档风玻璃上的雨刮器电动机一般与蜗轮蜗杆机械部分做成一体。蜗轮蜗杆机构的作用是减速增扭,其输出轴带动四连杆机构,通过四连杆机构把连续的旋转运动改变为左右摆动的运动。雨刷器电机后端的有封闭在同一个壳体内的小型齿轮变速器,使输出的转速降低至需要的转速。这个装置俗称叫雨刷驱动总成。该总成的输出
,15,轴连接雨刷端部机械装置,通过拨叉驱动和弹簧复位实现雨刷的往复摆动。
在设计中,我们依照选用的雨刷电机的转速参数和电压值,来控制电动轮椅的前轴转速比。在设计电路中,我们从电源中引出两根输电线接到雨刷电机上,并通过一个开关来控制雨刷电机的转向。
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3.2.1 转向电机的设计计算
在设计中,雨刷电动机选用的型号是ZD1631B12631B,额定功率P为100W,转速为40rpm,根据电动轮椅前轮的实际转动速度,设轮椅的前轴与雨刷电动机的转速比为2。
电动机的计算:
根据表11-9取传动效率为0.96。
P0.11TNmNmm,,,,,9550955023.875.23875.1n401
,PPw,,,9621
P2,,TNm955045.84.2n2
表3-1 电动机参数
雨刷电机轴 前轴
转速n (r/min) 40 20
功率P (W) 100 96
转矩T (N.m) 23.875 45.84
传动比i 2
传动效率 ,0.96
(1)选择材料及确定许用应力
,,小齿轮:45钢,调质处理,HBS为197,286,=600Mpa, =400Mpa。 HlimFE
,,大齿轮:45钢,调制处理,HBS为197,286,=600Mpa, =400Mpa。 HlimFE
SS由表11-5取=1.0,=1.25。 HF
,600Hlim,,,,Mpa600 ,,,,,,HH12S1H
,400FE,,,,Mpa320 ,,,,,,12FFS1.25F
(2)按齿面接触强度计算
P0.11TNmNmm,,,,,9550955023.875.23875.小齿轮的额定转矩: 1n401
,取载荷系数k=1.5(表11-3),根据表11-6,取齿宽系数=0.8。 d
Z根据表11-4取=188 z
则根据公式:
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21.523875211881.5,,,,ZZZ21kTu,22zH3,()==43.5mm d,,()310.82600,,u,,dH
,ZZ 根据标准齿轮数,取齿数=28,=222=44 12
44故实际传动比i==2 22
43.5模数:m==1.98 22
,,,d b==0.843.5=34.8mm d1
bb取=40,=35 12
按表4-1,取m=2mm
,,d实际小齿轮分度圆直径=Zm=222=44mm 1
,d =442=88mm 2
dd,13212 中心距a===66mm 22(3)验算轮齿弯曲强度
Y根据表11-8,取齿形系数=2.84 Fa1
Y =2.42 Fa2
Y根据表11-9,取齿形系数 =1.57 Sa1
Y =1.66 Sa2
由式(11-5)
2kTYY21.52.84238751.57,,,,112SaSa,,, =103.7MPa ,,,320MPa,,F1F122bmZ35222,,1
YY2.421.66,FaSa12,,,,103.7 ==93.4Mpa ,,,320MPa,,F2F1F2YY2.841.87,faSa11
,dn3.144440,,11齿轮的圆周速度: Vms,,,0.92/60100060000,
所以采用8级设计是合理的。
3.3 电动轮椅的转向灯电路
在电动轮椅的转向电路中,在启动开关电源下,通过控制电路到转向开关,
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转向开关移到左方向,转向灯就是左面那个灯闪亮,反之则是同理。具体电路图如3.2所示。
图3.2 转向电路图
此电路由振荡电路和开关电路组成。 震荡电路由三极管V1、V2、电阻器R1-R4和电容器C1、C2组成。 开关电路由二极管VD、电阻器R5、R6和晶体管V3组成。振荡电路产生的超低频信号经二极管VD和R5加至V3基极。将转向开关S置于R或者L时,V3超低频信号的作用下间歇导通,使转向灯HL1或HL2
[18]闪烁发光。
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第四章 慧鱼模型及程序
图4.1 正视图
4.2俯视图
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4.1 慧鱼程序
图4.3 慧鱼程序
M1为左轮驱动电机 M2为右轮驱动电机
此程序可控制轮椅前后左后运动,过障碍,和阶梯。因条件有限,故不能实现轮椅保持平衡。
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结 论
本文根据电动轮椅的控制过程,对其电控系统的硬件设备进行分析。提出了一些关于控制电动轮椅运动的措施,通过设计控制电路,使电动轮椅能满足任务要求的结果进行行走。利用电动自行车的控制原理,设置转把和倒档按钮,在电动轮椅转弯的设计中,依靠雨刷电机的特点,在电源的线路中引出两根线,通过按钮的通断电使雨刷电机带动前轴进行转弯,这样就满足了电动轮椅能前进、倒退、转弯的功能。
对于电动轮椅的电控系统,采用单片机80C196KC为主要核心,通过此芯片对电动轮椅进行电控,通过它联系整个硬件的电路。在电动轮椅的电控系统中,控制器是整个硬件中的核心,转把中的位置感应器依照转过的角度把信号传递给控制器,控制器又进过一套内部的硬件电路的传递输出,送到无刷电动机,是电机实现速度的限制。而在倒退的运动中通过转把下有个按钮把信号给控制器,经换向电路使无刷电动机实现倒转。总的来说,控制器在整个硬件中是占有重要地位。
本文在设计中由于时间仓促,对硬件电路中的组成部件没有主要参数,只是大体上进行了分析,所以设计中难免有漏洞和不足之处,需要进一步的进行完善,希望老师们能提出建议。
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参考文献
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[18] http://hi.baidu.com/zcycc79/blog/item/82864e1bc6e760ddad6e75d1.html
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