基于麥克納姆輪可全方位移動(dòng)的多功能課堂座椅

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1、基于麥克納姆輪可全方位移動(dòng)的多功能課堂座椅 設(shè)計(jì)者：霍鑫，侯迎華，蘭望桂，杜偉平，代陽陽 指導(dǎo)教師：李允旺，姚新港 中國礦業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，徐州221116 摘要：本作品旨在為下肢殘疾的教師、學(xué)生提供一種可在學(xué)校的宿舍、教室、實(shí)驗(yàn)室等狹窄空間內(nèi)全方位靈活移動(dòng)的，并可用于教學(xué)活動(dòng)的移動(dòng)座椅。采用中間支撐式的麥克納姆輪行走機(jī)構(gòu)，使其實(shí)現(xiàn)了橫、縱、斜向移動(dòng)與原地回轉(zhuǎn)、任意角度轉(zhuǎn)向等全方位移動(dòng)，適用于狹小場(chǎng)所；使用了搖桿式緩沖懸架，使其在移動(dòng)時(shí)能夠被動(dòng)適應(yīng)地形，具有一定的越障性能和減震性能，路面適應(yīng)性強(qiáng)，使得師生在宿舍、教室等場(chǎng)所間的轉(zhuǎn)移更為便利；配置了可折疊桌板、方便使用者在教學(xué)活動(dòng)中

2、書寫與閱讀；設(shè)計(jì)可升降座椅，便于使用者板書與書物的取放；符合人體工程學(xué)的可調(diào)節(jié)的靠背與腿托設(shè)計(jì)使輪椅更為人性化，乘坐與休息更為舒適；一體化操作手柄，柔和的速度控制策略，使得輪椅在操縱與坐乘更為便捷、舒適與柔順。本作品適用于課堂與實(shí)驗(yàn)室教學(xué)，能一定程度上提升殘疾師生的學(xué)習(xí)、生活質(zhì)量。 關(guān)鍵詞：課堂座椅；麥克納姆輪；全方位移動(dòng)； 1 引言 2010年末，我國肢體殘疾人數(shù)已達(dá)2472萬，其中殘疾的教師與學(xué)生占一定的比例[參考文獻(xiàn)： []中國殘疾人聯(lián)合會(huì).2010年末全國殘疾人口總數(shù)及各類、不同殘疾等級(jí)人數(shù)[Z]. 2012-06-26. ]。目前，大多數(shù)學(xué)校的無障礙設(shè)施并不完善，尤其是

3、教室、實(shí)驗(yàn)室等公共教學(xué)場(chǎng)所內(nèi)沒有適合殘疾師生的可移動(dòng)的桌椅等設(shè)施，師生無法獲得便利的學(xué)習(xí)與生活。2014年1月8日，我國頒布了《特殊教育提升計(jì)劃（2014—2016年）》[[]國務(wù)院辦公廳. 特殊教育提升計(jì)劃（2014—2016年）[Z]. 2014-01-08. ]，該計(jì)劃指出：擴(kuò)大普通學(xué)校隨班就讀規(guī)模。盡可能在普通學(xué)校安排殘疾學(xué)生隨班就讀，加強(qiáng)特殊教育資源教室、無障礙設(shè)施等建設(shè)，為殘疾學(xué)生提供必要的學(xué)習(xí)和生活便利。輪椅通常是下肢殘疾人使用的代步或助力工具，但普通的手動(dòng)和電動(dòng)輪式輪椅由于其工作原理與結(jié)構(gòu)的限制，通常轉(zhuǎn)彎半徑大，不能靈活地在狹小場(chǎng)所如宿舍、教室、實(shí)驗(yàn)室中使用。根據(jù)該提升計(jì)劃的

4、精神，我們?cè)O(shè)計(jì)了適合殘疾師生在教室、實(shí)驗(yàn)室內(nèi)使用的基于麥克納姆輪的全方位移動(dòng)座椅。 2 設(shè)計(jì)思路 本作品旨在為下肢殘疾的教師、學(xué)生提供一種可在學(xué)校的宿舍、教室、實(shí)驗(yàn)室等狹窄空間內(nèi)全方位靈活移動(dòng)的，并可用于教學(xué)活動(dòng)的移動(dòng)座椅。本作品采用中間支撐式的麥克納姆輪行走機(jī)構(gòu)，使其實(shí)現(xiàn)了橫、縱、斜向移動(dòng)與原地回轉(zhuǎn)、任意角度轉(zhuǎn)向等全方位移動(dòng)，適用于狹小場(chǎng)所[[]KangJW,KimBS,ChungMJ. Development of omni-directional mobile robots with mecanum wheels assisting the disabled in a facto

5、ry environment [C]: Proceedings of the Intemational Conference on Control , Automation and Systems, Korea, 2008. IEEE:2070-2075. ]；采用了常閉式制動(dòng)減速驅(qū)動(dòng)電機(jī)，失電時(shí)自動(dòng)制動(dòng)，使其行駛時(shí)尤其是斜坡行駛時(shí)更為安全；使用了搖桿式緩沖懸架，使其在移動(dòng)時(shí)能夠被動(dòng)適應(yīng)地形，具有一定的越障性能和減震性能，路面適應(yīng)性強(qiáng)，使得師生在宿舍、教室等場(chǎng)所間的轉(zhuǎn)移更為便利；本作品配置了可折疊桌板、方便使用者在教學(xué)活動(dòng)中書寫與閱讀；設(shè)計(jì)可升降座椅，便于使用者板書與書物的取放；符合人體工

6、程學(xué)的可調(diào)節(jié)的靠背與腿托設(shè)計(jì)使輪椅更為人性化，乘坐與休息更為舒適；一體化操作手柄，柔和的速度控制策略，使得輪椅在操縱與坐乘更為便捷、舒適與柔順。本作品適用于課堂與實(shí)驗(yàn)室教學(xué)，能一定程度上提升殘疾師生的學(xué)習(xí)、生活質(zhì)量。 3 詳細(xì)設(shè)計(jì)與制作描述 本設(shè)計(jì)包含機(jī)械部分設(shè)計(jì)及控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。其中，機(jī)械部分包括麥克納姆輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，主車體設(shè)計(jì)，升降、調(diào)節(jié)等附屬結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以及電機(jī)、電池的選型設(shè)計(jì)，控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括主控制器和電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)。 3.1 總體結(jié)構(gòu) 本作品主要由主車架、直流電機(jī)、麥克納姆輪、蓄電池、椅座、可調(diào)椅背、可調(diào)腿托、可折疊桌板以及控制系統(tǒng)等部分組成。其中，電機(jī)輸出軸上裝有

7、基于麥克納姆輪的行走車輪，并與主車架相連。 在設(shè)計(jì)過程中，我們?cè)O(shè)計(jì)了兩種方案： 方案一:具有升降功能的座椅。該方案其座椅可垂直升降，目的是便于使用者在黑板上板書或取放書物。而且，座椅靠背與腿托均是電動(dòng)控制，便于殘疾人士使用。另外本方案中設(shè)計(jì)有減震裝置，使座椅具有一定的越障、減震性能和較強(qiáng)的路面適應(yīng)性，使得師生在宿舍、教室等場(chǎng)所間的轉(zhuǎn)移更為便利。但作品造價(jià)高。三維虛擬樣機(jī)如圖1 。 （a）升起前的狀態(tài)圖 （b）座椅升起后的狀態(tài)圖 圖1 具有升降功能的移動(dòng)座椅虛擬樣機(jī) 方案二：座椅直接與主車架相連。座

8、椅靠背與腿托均通過手動(dòng)調(diào)節(jié)，兩塊蓄電池分別放置在主車架前后兩端，并用蓋板加以固定。其虛擬樣機(jī)如圖2所示。 可調(diào)角度椅背 可折疊桌板 操縱桿 可調(diào)腿托 主車架 常閉式直流減速電機(jī) 蓄電池 麥克納姆輪行走機(jī)構(gòu) 圖2 普通型虛擬樣機(jī) 3.2 麥克納姆輪結(jié)構(gòu) 麥克納姆輪由于其自身的功能特點(diǎn)，需要地面提供的摩擦力與輪子的前進(jìn)方向不同，因此它具有以下三個(gè)特點(diǎn)： （1）輪子由輪轂和輥?zhàn)觾刹糠纸M成； （2）輥?zhàn)虞S線與輪轂軸線存在一定的交角； （3）輥?zhàn)涌梢岳@軸線進(jìn)行自由旋轉(zhuǎn)。 圖3 麥克納姆輪工作原理 其原理結(jié)構(gòu)圖如圖3所示， n為輥?zhàn)拥臄?shù)量；r為輪子軸心到輥?zhàn)?/p>

9、軸心的距離，在此我們將其定義為輪轂半徑； rr是輥?zhàn)拥淖畲蟀霃?，在此定義為輥?zhàn)拥陌霃?；h為以r為半徑的圓柱面上兩相鄰輥?zhàn)虞S線的弧線距離，定義為輥?zhàn)庸?jié)距；α為以r為半徑的圓柱面上兩相鄰輥?zhàn)拥姆ㄏ蜉S線距離與輥?zhàn)又睆街睿x為輥?zhàn)娱g隙；α（0°＜|α|＜90°）為輥?zhàn)虞S線與輪轂軸線的偏置角（銳角），定義輥?zhàn)悠媒牵?B為輥?zhàn)拥挠行Чぷ鲄^(qū)間在輪軸線方向上的投影長度，定義成輪子寬度； k為輥?zhàn)虞S線所在的圓柱面（半徑為r的圓柱面）上兩個(gè)相鄰的輥?zhàn)拥闹睾喜糠值幕【€長度，定義為輥?zhàn)又睾隙取? 由此可推導(dǎo)公式如下： （3-1） 如上圖所示，位于輥?zhàn)拥膸缀沃行?，?/p>

10、標(biāo)系為固定于，其中軸與輥?zhàn)虞S共線，軸指向輪轂的中心點(diǎn)點(diǎn)，點(diǎn)是輥?zhàn)颖砻嫔系囊稽c(diǎn)，設(shè)直線與垂直相交于點(diǎn)。 即有： （3-2） 綜合式（3-1）得： （3-3） 由上式可知輥?zhàn)幽妇€上的任意點(diǎn)，之間存在式（3-3）的幾何關(guān)系。即輥?zhàn)永碚撋系哪妇€形狀是為橢圓曲線：長、短軸半徑分別是：，。在我們的設(shè)計(jì)中取其長半軸198mm，短半軸140mm，三維模型圖4所示。 圖4 輥?zhàn)有螤? 圖5輪轂與葉片

11、 另外輪轂在經(jīng)過車加工成圓盤之后，還需進(jìn)行銑槽，以使輥?zhàn)又巫芫_定位，焊接在輪轂上。以下為葉片與輪轂焊接之后的三維模型如圖5所示。 3.3 主車架的設(shè)計(jì) 在本作品中，主車架采用整體焊接結(jié)構(gòu)，如圖6所示中，主車架有三個(gè)作用： （1）用來連接驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)與輪子。 （2）底架是電池與電路驅(qū)動(dòng)單元及其他人機(jī)接口等重要部件的支承與放置部位。 （3）底架是椅子的連接放置的基礎(chǔ)。它的設(shè)計(jì)直接影響著輪椅的性能。 圖6 主車架 以下為主車架的應(yīng)力與位移分析： 由應(yīng)力分析中知，最大應(yīng)力為92875.1kN/m2,而材料的屈服應(yīng)力為172339 kN/m

12、2，故主車架的安全系數(shù)為1.86。 由位移分析知，主車架最大位移約為0.5mm,此變形量較小，滿足設(shè)計(jì)要求。 綜上所述可知主車架設(shè)計(jì)合理。 圖7 應(yīng)力分析 圖8 變形分析 3.4 電機(jī)的計(jì)算和選型 電機(jī)的類型及其參數(shù)的選擇需要綜合考慮輪椅在行走時(shí)所需的動(dòng)力、電機(jī)的輸出特性、電機(jī)的體積和重量以及成本等多方面的因素。與普通的輪椅不同，電動(dòng)輪椅的動(dòng)力元件是電機(jī)，電機(jī)參數(shù)選擇的合理性直接影響到輪椅的性能[[]中華人民共和國民政部. 中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)—電動(dòng)輪椅車[Z]. 1991-06-19. 聯(lián)系人：霍鑫；Ema

13、il：893438702@ ]。在確定電機(jī)參數(shù)時(shí)，首先要能夠保證車輛滿載時(shí)的連續(xù)功率要求，除此之外還要滿足車輛爬坡時(shí)的最大轉(zhuǎn)矩要求。 （1）平地上行走的功率計(jì)算： 在這里，我們假設(shè)人和輪椅的總重量為200kg,輪椅行走時(shí)需克服的阻力主要為地面對(duì)輪椅的摩擦力，考慮到一般的路況，選取路面的滾動(dòng)摩擦因數(shù)為0.02，由于輪椅的輪子采用Mecanum輪結(jié)構(gòu)，輪椅在向前行駛時(shí)功率損耗最大，效率為0.70，同時(shí)預(yù)估傳動(dòng)系統(tǒng)的效率為0.75。 參考一般電動(dòng)輪椅的速度參數(shù)，設(shè)定輪椅在平地上行駛的最大速度為8km/h,此時(shí)電機(jī)功率為： （3-4） （2）爬坡時(shí)功率的計(jì)算

14、 在這里假定輪椅最大能爬12°的坡，并且爬坡的速度為0.9m/s, 此時(shí)電機(jī)的功率為： （3-5） 由此可以選功率為800W左右的電機(jī)。 輪椅對(duì)電機(jī)性能的要求如下： ①有足夠大的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩使輪椅可以實(shí)現(xiàn)快速啟動(dòng)、爬坡等功能。 ②電機(jī)的調(diào)速范圍要大，能在25%-100%最大速度范圍內(nèi)調(diào)速。 ③比功率大（比功率為單位質(zhì)量的瞬時(shí)功率），以最大功率計(jì)應(yīng)在（1-1.25）kW/kg以上。 ④制動(dòng)性能好，能在斷電后（0.5-1）s停止轉(zhuǎn)動(dòng)。 ⑤環(huán)境適應(yīng)性好，能在大多數(shù)環(huán)境下都能夠可靠工作，并且工作時(shí)噪聲低。 綜合考慮功率要求以及上述性能需求，我們選擇了碩陽電機(jī)股份有

15、限公司生產(chǎn)的直流減速電機(jī)，其主要參數(shù)如表1所示。 表1電機(jī)主要參數(shù) 電機(jī)主要參數(shù) 數(shù)值 單位 轉(zhuǎn)速 4200±100 rpm 輸出功率 200 W 減速比 1:27 圖9 直流減速電機(jī) 3.5 電池的選型 預(yù)定輪椅充一次電可在平地上直走的距離為： 由前知在平地上向前走時(shí)預(yù)定速度為： 電機(jī)所需要的功率由式（3-4）得： 電池充滿電后輪椅在平地上向前行走的時(shí)間為： （3-6） 電池的總能量為 （3-7） 由于

16、電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電壓為24V,所以用兩塊12V的電池，電池容量為： （3-8） 為此選取兩塊12V，45Ah的電池作為輪椅用的電池 3.6 升降裝置的選型 本輪椅是針對(duì)殘疾師生設(shè)計(jì)的可移動(dòng)課堂桌椅，應(yīng)滿足教師在不同高度上進(jìn)行板書以及學(xué)生進(jìn)行提問等功能，故本作品設(shè)計(jì)了升降功能。經(jīng)過對(duì)黑板高度的實(shí)地測(cè)量，我們預(yù)選升降器的行程為300mm左右，載重為200kg。 經(jīng)過多個(gè)產(chǎn)品的對(duì)比，最終選取了浙江捷昌公司生產(chǎn)的JC35ER2升降立柱，其技術(shù)參數(shù)如表2中所示。 表2 JC35ER2升降立柱的主要技術(shù)參數(shù) 參數(shù) 數(shù)值 單位 輸入電壓 24

17、 VDC 負(fù)載速度 7 mm/s 最大推（拉）力 2000 N 自鎖力 2000 N 行程 300 mm 3.7 控制策略 電機(jī)的轉(zhuǎn)向與座椅位姿改變的關(guān)系： （1）當(dāng)四輪同向等速運(yùn)動(dòng)時(shí)，座椅可實(shí)現(xiàn)前后縱向移動(dòng)。 （2）當(dāng)對(duì)角斜側(cè)輪轉(zhuǎn)向相反轉(zhuǎn)速相同時(shí)，座椅可實(shí)現(xiàn)左右橫向運(yùn)動(dòng)。 （3）當(dāng)對(duì)角斜側(cè)輪（輪1、4或輪2、3）同向等速轉(zhuǎn)動(dòng)，座椅斜向轉(zhuǎn)動(dòng)。 （4）當(dāng)左右同側(cè)輪同相等速運(yùn)動(dòng)，不同側(cè)輪反向轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，座椅原地旋轉(zhuǎn)。 圖10 控制策略 3.8 控制系統(tǒng)與程序的設(shè)計(jì) 本輪椅采用操縱桿控制器對(duì)輪椅的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行調(diào)節(jié)，通過操縱桿控制器向單片機(jī)系統(tǒng)發(fā)

18、送控制命令，單片機(jī)系統(tǒng)向電機(jī)控制器發(fā)送電機(jī)控制指令，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的控制，本作品的控制系統(tǒng)硬件如圖11所示。 圖 11 控制系統(tǒng)硬件 通過搖動(dòng)和旋轉(zhuǎn)操縱桿，可改變其內(nèi)部電阻，引起單片機(jī)的響應(yīng)，單片機(jī)通過不同的信號(hào)控制兩個(gè)驅(qū)動(dòng)板做出不同響應(yīng)，兩個(gè)驅(qū)動(dòng)板控制和驅(qū)動(dòng)四個(gè)電機(jī)的產(chǎn)生相應(yīng)的速度與轉(zhuǎn)向，從而輪椅產(chǎn)生位姿的變換。以下為控制原理如圖12所示。 圖12 控制原理圖 4 作品實(shí)物照片 圖13 樣機(jī)照片 5 主要技術(shù)參數(shù) （1）主要尺寸及結(jié)構(gòu)參數(shù)如表3中所示 表3主要結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù) 主要結(jié)構(gòu)參數(shù) 數(shù)值 單位 外形尺寸 690×9

19、30×1150（1170×720×1270） mm 輪距 650 mm 底盤離地間隙 50 mm 轉(zhuǎn)彎半徑 0 mm 重量 85 kg 最大載荷 120 kg 前后輪直徑 280 mm （2） 電氣參數(shù) （1）電動(dòng)機(jī)： 額定電壓（V）：24； 額定功率（W）：200 轉(zhuǎn)速（rpm）：4200 （2）蓄電池： 額定容量（)：45 額定電壓（V）：12 啟動(dòng)電流（A）：325 裝備數(shù)量（個(gè)）：2 （3）充電器： 電源（V）：220 輸出電壓（V）：12/24 最大輸出電流（A）：

20、60 （4）速度調(diào)節(jié)方式：無極調(diào)速 （3）主要技術(shù)性能參數(shù) 表4主要技術(shù)性能參數(shù) 主要技術(shù)性能參數(shù) 數(shù)值 單位 最大速度 8 km/h 爬坡能力 ° 續(xù)航力 25 Km （4）驅(qū)動(dòng)模式：四輪驅(qū)動(dòng) 6創(chuàng)新特色 （1）作品采用了中間支撐式麥克納姆輪行走機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了教室、實(shí)驗(yàn)室等狹小場(chǎng)所內(nèi)的全方位移動(dòng)，克服了普通輪椅轉(zhuǎn)彎半徑大的缺陷。 （2）采用了常閉式制動(dòng)減速驅(qū)動(dòng)電機(jī)，失電時(shí)自動(dòng)剎車，斜坡行駛時(shí)更為安全。 （3）作品采用了搖桿式緩沖懸架，路面適應(yīng)性強(qiáng)，減震效果好。 （4）配置了可折疊桌板與可升降座椅，方便在教室內(nèi)進(jìn)行教學(xué)活動(dòng)。 （5）符合人體工程學(xué)的可調(diào)節(jié)的靠背與腿托設(shè)計(jì)使輪椅更為人性化，增加了乘坐與休息的舒適度。 7預(yù)期應(yīng)用前景 （1）本作品符合我國《特殊教育提升計(jì)劃》中關(guān)于“加強(qiáng)特殊教育資源教室、無障礙設(shè)施等建設(shè)，為殘疾學(xué)生提供必要的學(xué)習(xí)和生活便利”的精神，具有良好的狹小場(chǎng)所的全方位移動(dòng)性能，適用于殘疾在校師生的教學(xué)活動(dòng)，在教育領(lǐng)域具有良好的市場(chǎng)推廣意義。 （2）本作品具有良好的地形適應(yīng)性能與越障性能，路面適應(yīng)性強(qiáng)，因此還適用于社會(huì)上的殘疾人與老年人，符合我國老齡化社會(huì)的需求，具有重要的社會(huì)意義和廣闊的市場(chǎng)推廣價(jià)值。 9