畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)開(kāi)題報(bào)告課題名稱 輔助站立座椅的新結(jié)構(gòu)及控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)學(xué) 院 專 業(yè) 機(jī)械電子工程 _班 級(jí) _______________________學(xué) 號(hào) _____姓 名 _____ 指導(dǎo)教師 定稿日期: 年 12 月 日輔助站立座椅的新結(jié)構(gòu)及控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)一、課題的來(lái)源、目的、意義,國(guó)內(nèi)外基本情況1.課題來(lái)源本課題來(lái)自企業(yè)項(xiàng)目和社會(huì)需求,是設(shè)計(jì)一種基于服務(wù)機(jī)器人系統(tǒng)技術(shù)的輔助站立座椅,實(shí)現(xiàn)座椅的移動(dòng)、展合等機(jī)械運(yùn)動(dòng),簡(jiǎn)化其結(jié)構(gòu),增加了移動(dòng)的可控性,可實(shí)現(xiàn)座椅的移動(dòng),升降,轉(zhuǎn)彎等功能,為未來(lái)老人和殘疾人的家居生活提供新模式和新概念并促進(jìn)助老/助殘系列化服務(wù)機(jī)器人產(chǎn)品的發(fā)展智能機(jī)器人的應(yīng)用。2.課題目的基于服務(wù)機(jī)器人系統(tǒng)技術(shù)的輔助站立座椅是滿足老年人和殘疾人的居家生活需要,形成未來(lái)老人和殘疾人家居生活的新模式和新概念,促進(jìn)助老/助殘系列化服務(wù)機(jī)器人產(chǎn)品的發(fā)展所必需的。隨著中國(guó)一二線城市老齡化程度的逐漸加深,便捷型家居設(shè)計(jì)和人性化設(shè)計(jì)理念下的產(chǎn)品正逐步進(jìn)入我們的生活。如現(xiàn)在大力推廣的老年人手機(jī)、折疊老人購(gòu)物車等產(chǎn)品都是基于這一理念,使科技和技術(shù)不僅僅局限于有限的范圍,并能實(shí)現(xiàn)達(dá)到更多的益于人本身的目的。目前,輔助站立座椅在國(guó)外已有研究并有小量產(chǎn)品,國(guó)內(nèi)也有少量產(chǎn)品問(wèn)世但缺乏人性化的考慮,使用者相對(duì)并不十分方便,國(guó)外產(chǎn)品相對(duì)比較成熟但價(jià)格昂貴,而國(guó)內(nèi)大多數(shù)用戶難以承受。為此利用機(jī)械設(shè)計(jì)理論、自動(dòng)控制技術(shù)設(shè)計(jì)滿足老人/殘疾人家居生活所必需的坐姿與站姿轉(zhuǎn)換輔助站式座椅具有重要的意義。人性化設(shè)計(jì)的前身是人體工程學(xué)的出現(xiàn)和發(fā)展,人體工程學(xué)起源于歐美,原先是在工業(yè)社會(huì)中,開(kāi)始大量生產(chǎn)和使用機(jī)械設(shè)施的情況下,探求人與機(jī)械之間的協(xié)調(diào)關(guān)系,作為獨(dú)立學(xué)科有 40 多年的歷史。第二次世界大戰(zhàn)中的軍事科學(xué)技術(shù),開(kāi)始運(yùn)用人體工程學(xué)的原理和方法,在坦克、飛機(jī)的內(nèi)艙設(shè)計(jì)中,如何使人在艙內(nèi)有效地操作和戰(zhàn)斗,并盡可能使人長(zhǎng)時(shí)間地在小空間內(nèi)減少疲勞,即處理好:人-機(jī)-環(huán)境的協(xié)調(diào)關(guān)系。及至第二次世界大戰(zhàn)后,各國(guó)把人體工程學(xué)的實(shí)踐和研究成果,迅速有效地運(yùn)用到空間技術(shù)、工業(yè)生產(chǎn)、建筑及室內(nèi)設(shè)計(jì)中去,1960 年創(chuàng)建了國(guó)際人體工程學(xué)協(xié)會(huì)。本課題的目的在于通過(guò)比較前人的設(shè)計(jì)產(chǎn)品從而進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化使其能夠降低成本并處于人性化的考慮,做部分結(jié)構(gòu)的重新設(shè)計(jì),以滿足低收入人群的接受能力和需求。為了適應(yīng)中國(guó)部分城市老齡化的現(xiàn)狀和老人及殘障人士的需求,設(shè)計(jì)一種方便坐立并輕松戰(zhàn)立的輔助型座椅,可實(shí)現(xiàn)座椅的移動(dòng),升降,轉(zhuǎn)向等功能,為未來(lái)老人和殘疾人的家居生活提供新模式和新概念并促進(jìn)助老/助殘系列化服務(wù)機(jī)器人產(chǎn)品的發(fā)展智能機(jī)器人的應(yīng)用。3.課題意義輔助站立座椅是近年來(lái)國(guó)內(nèi)外科技服務(wù)人類的一個(gè)熱門話題。以“理解·關(guān)愛(ài)·和諧生活”為主題的第五屆中國(guó)國(guó)際殘疾人展,于2010年5月中旬在上海國(guó)際展覽中心舉行。由于世博會(huì)首創(chuàng)設(shè)立了關(guān)愛(ài)殘疾人的“生命陽(yáng)光館” ,該屆展會(huì)備受關(guān)注。全球最先進(jìn)的無(wú)障礙設(shè)施同臺(tái)亮相,通過(guò)這些輔助設(shè)備可以全面提升殘疾人和老年人的生活質(zhì)量,讓他們像常人一樣處處展現(xiàn)“生命陽(yáng)光” 。 而一直以來(lái),坐輪椅的殘疾人最大的夢(mèng)想是能站立行走,在該展會(huì)上,一種可以讓高位截癱患者通過(guò)操控按鈕就能直立起來(lái)的電動(dòng)直立輪椅首次亮相,備受關(guān)注。據(jù)現(xiàn)場(chǎng)工作人員介紹,直立輪椅能夠讓全部喪失行動(dòng)能力的患者在輪椅的多功能支持下直立“行走” ,通過(guò)彌補(bǔ)下肢的不便,使他們甚至能夠完成一定的日常工作。由此可見(jiàn),輔助戰(zhàn)立座椅對(duì)于現(xiàn)代城市化生活中的年老或殘障人士有著重要的社會(huì)意義和巨大的市場(chǎng)需求前景,可以大大改善該人群的生活范圍及生活質(zhì)量,減少護(hù)工等的人力資源消耗,大大減輕了社會(huì)系統(tǒng)負(fù)擔(dān)。課題適應(yīng)中國(guó)部分城市老齡化的現(xiàn)狀和老人及殘障人士的需求,設(shè)計(jì)一種方便坐立并輕松戰(zhàn)立的輔助型座椅,可實(shí)現(xiàn)座椅的移動(dòng),升降,轉(zhuǎn)彎等功能,為未來(lái)老人和殘疾人的家居生活提供新模式和新概念并促進(jìn)助老/助殘系列化服務(wù)機(jī)器人產(chǎn)品的發(fā)展智能機(jī)器人的應(yīng)用。4.國(guó)內(nèi)外發(fā)展的基本概況國(guó)外輔助站立座椅領(lǐng)域發(fā)展:日本在家庭機(jī)器人及智能人性化家具設(shè)計(jì)產(chǎn)品中有著較長(zhǎng)的發(fā)展歷史,對(duì)于輔助型系統(tǒng)和輔助生活型機(jī)械發(fā)展比較早。在輔助機(jī)械座椅的標(biāo)準(zhǔn)制定中更是有著嚴(yán)格的要求。對(duì)于其各項(xiàng)參數(shù)名稱部分如下(1)種類 包括其形式和機(jī)能(2)各部分名稱(3)要求事項(xiàng) 包括一般要求事項(xiàng)一般及機(jī)構(gòu)要求制造、材料和性能(4)實(shí)驗(yàn)環(huán)境及其實(shí)驗(yàn)機(jī)械 包括椅面椅背和承重等(5)規(guī)格大小 (6)表示另外在傳統(tǒng)輪椅的基礎(chǔ)上,日本本田公司在借助了日本機(jī)器人 ASIMO 直立行走的的技術(shù)上大膽的創(chuàng)新于 2008 年 11 月 7日,日本本田汽車公司展示了這款步行輔助裝置。該產(chǎn)品用來(lái)支撐身體重量,減少膝關(guān)節(jié)壓力,以幫助人們站立并做出蹲伏的姿勢(shì)。這對(duì)人們排長(zhǎng)隊(duì)、東奔西跑幫人們送貨、以及陪女友逛商場(chǎng)等來(lái)說(shuō)是非常有用的發(fā)明。 走路輔助器由座椅、腿支架、鞋這三部分組成。坐上座椅,穿好鞋扣上扣子,打開(kāi)開(kāi)關(guān)它就會(huì)帶你四處行走了。本田公司的介紹,產(chǎn)品系統(tǒng)包括:一臺(tái)電腦、發(fā)動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)裝置、電池以及傳感器。它利用臀關(guān)節(jié)感應(yīng)器來(lái)搜集行走時(shí)的信息,幫你站立,再藉由馬達(dá)協(xié)助你行走。值得一提的是,這款產(chǎn)品采用本田開(kāi)發(fā)的平板式無(wú)刷電機(jī)驅(qū)動(dòng),體積非常小巧。我國(guó)在家庭機(jī)器人及智能人性化家具設(shè)計(jì)中還處于落后的位置,原因在于起步較其他發(fā)達(dá)國(guó)家的投入和應(yīng)用較晚。輔助站立座椅的開(kāi)發(fā)和投入也只是近幾年少部分企業(yè)在看到國(guó)外的產(chǎn)品后才開(kāi)始研究并發(fā)展。在杭州,一家成立于 2010 年的能源科技公司,就借鑒了國(guó)外的這一發(fā)展趨勢(shì)和思路以全新的設(shè)計(jì)理念,高端的科技運(yùn)用,向年老及殘障人士提供普通電動(dòng)輪椅、站立式電動(dòng)輪椅等一系列產(chǎn)品。部分產(chǎn)品圖樣如下 我國(guó)的輪椅設(shè)計(jì)已經(jīng)在逐漸從借鑒到能夠自主的研發(fā)并實(shí)現(xiàn)部分的創(chuàng)新。輪椅作為一種代步輔助運(yùn)動(dòng)的工具,消費(fèi)者一般不會(huì)購(gòu)買第二次,所以,在某種程度上輪椅是一種一次性消費(fèi)產(chǎn)品,這就要求輪椅的使用壽命足夠長(zhǎng),一般輪椅的使用年限 5、6 年左右,超過(guò)這個(gè)年限還使用就存在許多安全隱患了。而國(guó)內(nèi)企業(yè)往往在開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)中忽視這一點(diǎn)。所以,輪椅在設(shè)計(jì)之初就應(yīng)該考慮到它的回收,以便材料的重復(fù)使用,防止不必要的浪費(fèi)。這也是國(guó)內(nèi)在這一領(lǐng)域的環(huán)保可持續(xù)發(fā)展的一種趨勢(shì)。 以下列舉幾種國(guó)內(nèi)外對(duì)于站立輔助機(jī)械的產(chǎn)品圖 1 為所設(shè)計(jì)的自彈式的輔助站立椅墊。該產(chǎn)品的重量輕,攜帶性好。但對(duì)于材料的要求比較高。價(jià)格也相應(yīng)的偏高。圖 1圖 2 為國(guó)內(nèi)自主設(shè)計(jì)制造的可實(shí)現(xiàn)站立的輔助式站立輪椅??蓪?shí)現(xiàn)座椅的展合和移動(dòng)。圖 2圖 3 是本田公司借鑒asimo 的直立行走技術(shù)創(chuàng)新的改變了人們對(duì)于傳統(tǒng)輪椅的思路,是該機(jī)構(gòu)還能實(shí)現(xiàn)新走的運(yùn)動(dòng)方式。使用方便的乘坐型座椅僅僅只需穿上連在裝置上的鞋,再坐上座椅,便可啟動(dòng)輔助系統(tǒng)。 通過(guò)開(kāi)發(fā)能夠自動(dòng)跟蹤身體和腳動(dòng)作的座椅和圖 3 框架結(jié)構(gòu),使輔助力量能夠像人腳的力量一樣移向身體的重心附近。從而使步行、上下臺(tái)階、半蹲等各種各樣的動(dòng)作和姿勢(shì)能得到輔助。二、 預(yù)計(jì)達(dá)到的目標(biāo)、關(guān)鍵理論和技術(shù)、完成課題的方案和主要措施1.課題預(yù)計(jì)達(dá)到的目標(biāo)通過(guò)對(duì)市面上的相關(guān)同類產(chǎn)品以及國(guó)內(nèi)外的各種專利進(jìn)行研究與分析,從使用的實(shí)用性,人性化,簡(jiǎn)易性出發(fā),以減少制造成本,降低售價(jià)且功能齊全,增加可回收利用性,設(shè)計(jì)一臺(tái)輔助站立座椅,可實(shí)現(xiàn)座椅的移動(dòng),升降,轉(zhuǎn)彎等功能。控制方案采用單片機(jī)控制,整個(gè)座椅有一個(gè)遙控器,方便操縱者自由實(shí)施該座椅的各項(xiàng)功能。1) 前進(jìn)或后退2) 順/逆時(shí)針轉(zhuǎn)彎3) 座位平臺(tái)的升降4) 移動(dòng)及升降的互鎖5) 輔助引導(dǎo)輪支架的下擺2.難點(diǎn)1). 座椅各關(guān)節(jié)聯(lián)動(dòng)是否流暢2).電氣控制方面的靈敏度是否能達(dá)到理想值3). 控制過(guò)程中電機(jī)轉(zhuǎn)速是否合理4). 供電量是否足夠5). 互鎖能否保證安全3.關(guān)鍵理論及技術(shù)通過(guò)與同類產(chǎn)品的對(duì)比比較,決定采用升降電動(dòng)缸機(jī)構(gòu)作為輪椅的運(yùn)動(dòng)傳遞源。在確保各個(gè)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)自身運(yùn)動(dòng)前提下,保證各個(gè)之間不發(fā)生干涉和碰撞。在確定各個(gè)機(jī)構(gòu)總體的運(yùn)動(dòng)方案的前提下,通過(guò)圖解法或使用相關(guān)軟件初步確定各個(gè)桿件的尺寸,通過(guò)解析法列出機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程或使用相關(guān)軟件如ANSYA、ADAMS,在機(jī)構(gòu)的疲勞極限范圍內(nèi),尋找一種最佳的尺寸和機(jī)構(gòu)形狀使得輔助站立椅的運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性最高,減少因?yàn)橐苿?dòng)或升降而產(chǎn)生的沖擊和振動(dòng),使操控者得到最大的靈敏度。達(dá)到的理想運(yùn)動(dòng)示意和機(jī)構(gòu)原理圖如下:在確定各個(gè)機(jī)構(gòu)之間的運(yùn)動(dòng)方式及尺寸之后,確定各機(jī)構(gòu)之間的連接方式,保證各個(gè)零件之間的連接可靠,運(yùn)動(dòng)時(shí)不產(chǎn)生卡死,噪音等問(wèn)題。零件盡可能的采用焊接,螺栓連接等常見(jiàn)連接方式,以降低生產(chǎn)成本。采用正確合理的整體機(jī)構(gòu)裝配工藝,避免機(jī)構(gòu)因?yàn)檠b配的順序問(wèn)題或裝配的方法不對(duì)而造成破壞原先設(shè)想的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng),采用合理的表面處理方式,例如噴砂處理,外表面噴塑等。電氣控制方面,由于工作環(huán)境并不十分惡劣,選用單片機(jī)控制而非 PLC 控制,降低了控制成本,而且單片機(jī)控制相對(duì) PLC 有更好的靈敏度,便于控制的操作和精度。為了使用安全采用電器與機(jī)械互鎖的方式,保證了輪椅在使用過(guò)程中的穩(wěn)定性,防止因操控者的誤操作而造成的機(jī)構(gòu)損毀和人員的受傷。確保使用者在使用的過(guò)程中,電線不因?yàn)闄C(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)而損壞。在新型機(jī)構(gòu)的研究基礎(chǔ)上,進(jìn)一步添加合理的人性化的設(shè)計(jì),目的使使用者更舒適更符合人體工程學(xué)要求;建立合理的機(jī)構(gòu)之間運(yùn)動(dòng)的邏輯連貫,確保機(jī)構(gòu)之間的幾個(gè)運(yùn)動(dòng)能夠同時(shí)操作,通過(guò)聯(lián)動(dòng)的方式,確保使用者能自由控制該輪椅。三、研究方案執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用一個(gè)普通直流儲(chǔ)能電瓶驅(qū)動(dòng)輔助站立椅升降機(jī)構(gòu)采用連桿傳動(dòng)輔助站立椅移動(dòng)、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)采用直流電機(jī)傳動(dòng)電氣控制方面,采用單片機(jī)控制 四、論文的框架1.核心部件的選型初選普通直流電機(jī)缸作為動(dòng)力,因?yàn)槠鋬r(jià)格低廉,結(jié)構(gòu)原理簡(jiǎn)單,體積較小,功率較小。初選MCS-51單片機(jī)程序設(shè)計(jì),因?yàn)槠渚哂斜容^大的尋址空間 ,處理功能強(qiáng) ,指令系統(tǒng)相對(duì)完善以及完善的各種中斷源,抗干擾能力加強(qiáng),工作亦相對(duì)穩(wěn)定 ,開(kāi)發(fā)環(huán)境要求較低,軟件資源十分豐富。 2.完成課題的步驟(1)通過(guò)資料查閱與分析,了解技術(shù)的國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)(對(duì)國(guó)內(nèi)外技術(shù)及現(xiàn)有產(chǎn)品進(jìn)行對(duì)比分析)(2)分析設(shè)計(jì)要求,比較幾種可行的傳動(dòng)方案性能(3)按所需要求,對(duì)輔助站立座椅進(jìn)行整體規(guī)劃(4)確定各個(gè)機(jī)構(gòu)的類型并進(jìn)行具體設(shè)計(jì)(包括零件尺寸設(shè)計(jì)、零件材料選擇)(5)完成電氣控制部分設(shè)計(jì)(包括供電方式、控制順序、單片機(jī)程序及接線圖 )(6)繪制圖紙(7)完成設(shè)計(jì)說(shuō)明書3.完成課題的主要措施利用 ADAMS 機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)仿真軟件,創(chuàng)建完全參數(shù)化的機(jī)械系統(tǒng)幾何模型,其求解器采用多剛體動(dòng)力學(xué)理論中的拉格朗日方程方法,建立系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方程,對(duì)虛擬機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析,輸出位移、速度、加速度和反作用力曲線。利用三維設(shè)計(jì)軟件 SOLIDWORKS、UG 等,繪制三維零件圖以及三維裝配圖,生成虛擬樣機(jī)模型。檢查該樣機(jī)存在的干涉等問(wèn)題,然后利用該樣機(jī)模型制作裝配動(dòng)畫。最后利用 AUTOCAD 軟件繪制全套零件二維工作圖以及二維總裝配圖。利用電路仿真軟件設(shè)計(jì)電路圖,調(diào)試單片機(jī)程序,完成電氣控制部分的設(shè)計(jì)。五、課題進(jìn)展計(jì)劃1、查閱有關(guān)技術(shù)文獻(xiàn),翻譯英文文獻(xiàn),了 第七學(xué)期內(nèi)完成解技術(shù)的國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì) 2、座椅新方案確定 第七學(xué)期內(nèi)完成3、座椅的總體方案確定 第七學(xué)期內(nèi)完成4、動(dòng)力分析、主要傳動(dòng)參數(shù)確定 1 周5、機(jī)械系統(tǒng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 2.5 周6、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)(含程序設(shè)計(jì)) 2 周7、三維設(shè)計(jì)、干涉檢驗(yàn) 2 周8、機(jī)械機(jī)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化及主要零件校核 3 周9、繪制座椅總圖、零件圖工作圖 2.5 周10、撰寫畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 1 周11、提交設(shè)計(jì)資料、答辯準(zhǔn)備 1 周六、 主要參考文獻(xiàn)[1] 袁劍雄,李晨霞 潘承怡編,《機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)禁忌》,機(jī)械工業(yè)出版社,2008.06[2] 張建民主編,《機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)》,高等教育出版社,2000.07[3] 王淑芳著,《電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)》,科學(xué)教育出版社,2008[4] 成大先著,《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》單行本-機(jī)構(gòu),化學(xué)工業(yè)出版社,2004.01[5] 孔凌嘉著,《簡(jiǎn)明機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》,北京理工大學(xué)出版社,2008.02[6] 傅蔡安,吳永祥,謝家瀛著,《連桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與應(yīng)用創(chuàng)新》,2008.01[7] 華大年,華志宏著,《材料成形及機(jī)械制造工藝基礎(chǔ)》,2002.11[8] 張毅剛著,《單片機(jī)原理及應(yīng)用》,2003.12[9] 魏崢著,《三維計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)—SolidWorks 實(shí)用教程》,2007.05[10] 【JIS 日本標(biāo)準(zhǔn)】JIS T9206-2001 電動(dòng)輪椅和機(jī)動(dòng)拖斗電磁兼容性的要求和試驗(yàn)方法[11] 賈民平,張洪亭,周劍英著,《測(cè)試技術(shù)》,2001.12[12] 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