基于麦克纳姆轮可全方位移动的多功能课堂座椅

基于麦克纳姆轮可全方位移动的多功能课堂座椅设计者：霍鑫，侯迎华，兰望桂，杜伟平，代阳阳指导教师：李允旺，姚新港中国矿业大学机电工程学院，徐州221116摘要：本作品旨在为下肢残疾的教师、学生提供一种可在学校的宿舍、教室、实验室等狭窄空间内全方位灵活移动的，并可用于教学活动的移动座椅。采用中间支撑式的麦克纳姆轮行走机构，使其实现了横、纵、斜向移动与原地回转、任意角度转向等全方位移动，适用于狭小场所；使用了摇杆式缓冲悬架，使其在移动时能够被动适应地形，具有一定的越障性能和减震性能，路面适应性强，使得师生在宿舍、教室等场所间的转移更为便利；配置了可折叠桌板、方便使用者在教学活动中书写与阅读；设计可升降座椅，便于使用者板书与书物的取放；符合人体工程学的可调节的靠背与腿托设计使轮椅更为人性化，乘坐与休息更为舒适；一体化操作手柄，柔和的速度控制策略，使得轮椅在操纵与坐乘更为便捷、舒适与柔顺。本作品适用于课堂与实验室教学，能一定程度上提升残疾师生的学习、生活质量。关键词：课堂座椅；麦克纳姆轮；全方位移动；1 引言2010年末，我国肢体残疾人数已达2472万，其中残疾的教师与学生占一定的比例参考文献：中国残疾人联合会.2010年末全国残疾人口总数及各类、不同残疾等级人数Z. 2012-06-26.。目前，大多数学校的无障碍设施并不完善，尤其是教室、实验室等公共教学场所内没有适合残疾师生的可移动的桌椅等设施，师生无法获得便利的学习与生活。2014年1月8日，我国颁布了特殊教育提升计划（20142016年）国务院办公厅. 特殊教育提升计划（20142016年）Z. 2014-01-08.，该计划指出：扩大普通学校随班就读规模。尽可能在普通学校安排残疾学生随班就读，加强特殊教育资源教室、无障碍设施等建设，为残疾学生提供必要的学习和生活便利。轮椅通常是下肢残疾人使用的代步或助力工具，但普通的手动和电动轮式轮椅由于其工作原理与结构的限制，通常转弯半径大，不能灵活地在狭小场所如宿舍、教室、实验室中使用。根据该提升计划的精神，我们设计了适合残疾师生在教室、实验室内使用的基于麦克纳姆轮的全方位移动座椅。2 设计思路本作品旨在为下肢残疾的教师、学生提供一种可在学校的宿舍、教室、实验室等狭窄空间内全方位灵活移动的，并可用于教学活动的移动座椅。本作品采用中间支撑式的麦克纳姆轮行走机构，使其实现了横、纵、斜向移动与原地回转、任意角度转向等全方位移动，适用于狭小场所KangJW,KimBS,ChungMJ. Development of omni-directional mobile robots with mecanum wheels assisting the disabled in a factory environment C: Proceedings of the Intemational Conference on Control , Automation and Systems, Korea, 2008. IEEE:2070-2075. ；采用了常闭式制动减速驱动电机，失电时自动制动，使其行驶时尤其是斜坡行驶时更为安全；使用了摇杆式缓冲悬架，使其在移动时能够被动适应地形，具有一定的越障性能和减震性能，路面适应性强，使得师生在宿舍、教室等场所间的转移更为便利；本作品配置了可折叠桌板、方便使用者在教学活动中书写与阅读；设计可升降座椅，便于使用者板书与书物的取放；符合人体工程学的可调节的靠背与腿托设计使轮椅更为人性化，乘坐与休息更为舒适；一体化操作手柄，柔和的速度控制策略，使得轮椅在操纵与坐乘更为便捷、舒适与柔顺。本作品适用于课堂与实验室教学，能一定程度上提升残疾师生的学习、生活质量。3 详细设计与制作描述本设计包含机械部分设计及控制系统设计。其中，机械部分包括麦克纳姆轮结构设计，主车体设计，升降、调节等附属结构设计，以及电机、电池的选型设计，控制系统设计包括主控制器和电机驱动器的硬件设计和软件设计。3.1 总体结构本作品主要由主车架、直流电机、麦克纳姆轮、蓄电池、椅座、可调椅背、可调腿托、可折叠桌板以及控制系统等部分组成。其中，电机输出轴上装有基于麦克纳姆轮的行走车轮，并与主车架相连。在设计过程中，我们设计了两种方案：方案一:具有升降功能的座椅。该方案其座椅可垂直升降，目的是便于使用者在黑板上板书或取放书物。而且，座椅靠背与腿托均是电动控制，便于残疾人士使用。另外本方案中设计有减震装置，使座椅具有一定的越障、减震性能和较强的路面适应性，使得师生在宿舍、教室等场所间的转移更为便利。但作品造价高。三维虚拟样机如图1 。 （a）升起前的状态图 （b）座椅升起后的状态图图1 具有升降功能的移动座椅虚拟样机方案二：座椅直接与主车架相连。座椅靠背与腿托均通过手动调节，两块蓄电池分别放置在主车架前后两端，并用盖板加以固定。其虚拟样机如图2所示。可调角度椅背可折叠桌板操纵杆可调腿托主车架常闭式直流减速电机蓄电池麦克纳姆轮行走机构图2 普通型虚拟样机3.2 麦克纳姆轮结构麦克纳姆轮由于其自身的功能特点，需要地面提供的摩擦力与轮子的前进方向不同，因此它具有以下三个特点：（1）轮子由轮毂和辊子两部分组成；（2）辊子轴线与轮毂轴线存在一定的交角；（3）辊子可以绕轴线进行自由旋转。图3 麦克纳姆轮工作原理 其原理结构图如图3所示， n为辊子的数量；r为轮子轴心到辊子轴心的距离，在此我们将其定义为轮毂半径； rr是辊子的最大半径，在此定义为辊子的半径；h为以r为半径的圆柱面上两相邻辊子轴线的弧线距离，定义为辊子节距；为以r为半径的圆柱面上两相邻辊子的法向轴线距离与辊子直径之差，定义为辊子间隙；（0|90）为辊子轴线与轮毂轴线的偏置角（锐角），定义辊子偏置角； B为辊子的有效工作区间在轮轴线方向上的投影长度，定义成轮子宽度； k为辊子轴线所在的圆柱面（半径为r的圆柱面）上两个相邻的辊子的重合部分的弧线长度，定义为辊子重合度。由此可推导公式如下： （3-1）如上图所示，位于辊子的几何中心，坐标系为固定于，其中轴与辊子轴共线，轴指向轮毂的中心点点，点是辊子表面上的一点，设直线与垂直相交于点。即有： （3-2）综合式（3-1）得： （3-3）由上式可知辊子母线上的任意点，之间存在式（3-3）的几何关系。即辊子理论上的母线形状是为椭圆曲线：长、短轴半径分别是：，。在我们的设计中取其长半轴198mm，短半轴140mm，三维模型图4所示。 图4 辊子形状 图5轮毂与叶片另外轮毂在经过车加工成圆盘之后，还需进行铣槽，以使辊子支撑座能精确定位，焊接在轮毂上。以下为叶片与轮毂焊接之后的三维模型如图5所示。3.3 主车架的设计 在本作品中，主车架采用整体焊接结构，如图6所示中，主车架有三个作用： （1）用来连接驱动直流电机与轮子。 （2）底架是电池与电路驱动单元及其他人机接口等重要部件的支承与放置部位。 （3）底架是椅子的连接放置的基础。它的设计直接影响着轮椅的性能。图6 主车架以下为主车架的应力与位移分析：由应力分析中知，最大应力为92875.1kN/m2,而材料的屈服应力为172339 kN/m2，故主车架的安全系数为1.86。由位移分析知，主车架最大位移约为0.5mm,此变形量较小，满足设计要求。 综上所述可知主车架设计合理。 图7 应力分析 图8 变形分析3.4 电机的计算和选型 电机的类型及其参数的选择需要综合考虑轮椅在行走时所需的动力、电机的输出特性、电机的体积和重量以及成本等多方面的因素。与普通的轮椅不同，电动轮椅的动力元件是电机，电机参数选择的合理性直接影响到轮椅的性能中华人民共和国民政部. 中华人民共和国国家标准电动轮椅车Z. 1991-06-19.联系人：霍鑫；Email：893438702。在确定电机参数时，首先要能够保证车辆满载时的连续功率要求，除此之外还要满足车辆爬坡时的最大转矩要求。（1）平地上行走的功率计算：在这里，我们假设人和轮椅的总重量为200kg,轮椅行走时需克服的阻力主要为地面对轮椅的摩擦力，考虑到一般的路况，选取路面的滚动摩擦因数为0.02，由于轮椅的轮子采用Mecanum轮结构，轮椅在向前行驶时功率损耗最大，效率为0.70，同时预估传动系统的效率为0.75。参考一般电动轮椅的速度参数，设定轮椅在平地上行驶的最大速度为8km/h,此时电机功率为： （3-4）（2）爬坡时功率的计算在这里假定轮椅最大能爬12的坡，并且爬坡的速度为0.9m/s, 此时电机的功率为： （3-5）由此可以选功率为800W左右的电机。轮椅对电机性能的要求如下：有足够大的启动转矩使轮椅可以实现快速启动、爬坡等功能。电机的调速范围要大，能在25%-100%最大速度范围内调速。比功率大（比功率为单位质量的瞬时功率），以最大功率计应在（1-1.25）kW/kg以上。制动性能好，能在断电后（0.5-1）s停止转动。环境适应性好，能在大多数环境下都能够可靠工作，并且工作时噪声低。综合考虑功率要求以及上述性能需求，我们选择了硕阳电机股份有限公司生产的直流减速电机，其主要参数如表1所示。表1电机主要参数电机主要参数数值单位转速4200100rpm输出功率200W减速比1:27图9 直流减速电机3.5 电池的选型预定轮椅充一次电可在平地上直走的距离为：由前知在平地上向前走时预定速度为：电机所需要的功率由式（3-4）得：电池充满电后轮椅在平地上向前行走的时间为： （3-6）电池的总能量为 （3-7）由于电机的驱动电压为24V,所以用两块12V的电池，电池容量为： （3-8）为此选取两块12V，45Ah的电池作为轮椅用的电池3.6 升降装置的选型本轮椅是针对残疾师生设计的可移动课堂桌椅，应满足教师在不同高度上进行板书以及学生进行提问等功能，故本作品设计了升降功能。经过对黑板高度的实地测量，我们预选升降器的行程为300mm左右，载重为200kg。经过多个产品的对比，最终选取了浙江捷昌公司生产的JC35ER2升降立柱，其技术参数如表2中所示。表2 JC35ER2升降立柱的主要技术参数参数数值单位输入电压24 VDC负载速度7 mm/s最大推（拉）力2000 N自锁力2000 N行程300mm3.7 控制策略电机的转向与座椅位姿改变的关系：（1）当四轮同向等速运动时，座椅可实现前后纵向移动。（2）当对角斜侧轮转向相反转速相同时，座椅可实现左右横向运动。（3）当对角斜侧轮（轮1、4或轮2、3）同向等速转动，座椅斜向转动。（4）当左右同侧轮同相等速运动，不同侧轮反向转动时，座椅原地旋转。图10 控制策略3.8 控制系统与程序的设计本轮椅采用操纵杆控制器对轮椅的运动状态进行调节，通过操纵杆控制器向单片机系统发送控制命令，单片机系统向电机控制器发送电机控制指令，实现电机的控制，本作品的控制系统硬件如图11所示。 图 11 控制系统硬件通过摇动和旋转操纵杆，可改变其内部电阻，引起单片机的响应，单片机通过不同的信号控制两个驱动板做出不同响应，两个驱动板控制和驱动四个电机的产生相应的速度与转向，从而轮椅产生位姿的变换。以下为控制原理如图12所示。图12 控制原理图4作品实物照片 图13 样机照片5主要技术参数（1）主要尺寸及结构参数如表3中所示表3主要结构尺寸参数主要结构参数数值单位外形尺寸6909301150（11707201270）mm轮距650mm底盘离地间隙50mm转弯半径0mm重量85kg最大载荷120kg前后轮直径280mm（2） 电气参数（1）电动机： 额定电压（V）：24； 额定功率（W）：200转速（rpm）：4200（2）蓄电池： 额定容量（)：45额定电压（V）：12启动电流（A）：325装备数量（个）：2（3）充电器： 电源（V）：220输出电压（V）：12/24最大输出电流（A）：60（4）速度调节方式：无极调速（3）主要技术性能参数表4主要技术性能参数主要技术性能参数数值单位最大速度8km/h爬坡能力续航力25Km（4）驱动模式：四轮驱动6创新特色（1）作品采用了中间支撑式麦克纳姆轮行走机构，实现了教室、实验室等狭小场所内的全方位移动，克服了普通轮椅转弯半径大的缺陷。（2）采用了常闭式制动减速驱动电机，失电时自动刹车，斜坡行驶时更为安全。（3）作品采用了摇杆式缓冲悬架，路面适应性强，减震效果好。（4）配置了可折叠桌板与可升降座椅，方便在教室内进行教学活动。（5）符合人体工程学的可调节的靠背与腿托设计使轮椅更为人性化，增加了乘坐与休息的舒适度。7预期应用前景（1）本作品符合我国特殊教育提升计划中关于“加强特殊教育资源教室、无障碍设施等建设，为残疾学生提供必要的学习和生活便利”的精神，具有良好的狭小场所的全方位移动性能，适用于残疾在校师生的教学活动，在教育领域具有良好的市场推广意义。（2）本作品具有良好的地形适应性能与越障性能，路面适应性强，因此还适用于社会上的残疾人与老年人，符合我国老龄化社会的需求，具有重要的社会意义和广阔的市场推广价值。9