基于麥克納姆輪可全方位移動的多功能課堂座椅

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1、基于麥克納姆輪可全方位移動的多功能課堂座椅 設計者：霍鑫，侯迎華，蘭望桂，杜偉平，代陽陽 指導教師：李允旺，姚新港 中國礦業(yè)大學機電工程學院，徐州221116 摘要：本作品旨在為下肢殘疾的教師、學生提供一種可在學校的宿舍、教室、實驗室等狹窄空間內全方位靈活移動的，并可用于教學活動的移動座椅。采用中間支撐式的麥克納姆輪行走機構，使其實現了橫、縱、斜向移動與原地回轉、任意角度轉向等全方位移動，適用于狹小場所；使用了搖桿式緩沖懸架，使其在移動時能夠被動適應地形，具有一定的越障性能和減震性能，路面適應性強，使得師生在宿舍、教室等場所間的轉移更為便利；配置了可折疊桌板、方便使用者在教學活動中

2、書寫與閱讀；設計可升降座椅，便于使用者板書與書物的取放；符合人體工程學的可調節(jié)的靠背與腿托設計使輪椅更為人性化，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驗室教學，能一定程度上提升殘疾師生的學習、生活質量。 關鍵詞：課堂座椅；麥克納姆輪；全方位移動； 1 引言 2010年末，我國肢體殘疾人數已達2472萬，其中殘疾的教師與學生占一定的比例[參考文獻： []中國殘疾人聯合會.2010年末全國殘疾人口總數及各類、不同殘疾等級人數[Z]. 2012-06-26. ]。目前，大多數學校的無障礙設施并不完善，尤其是

3、教室、實驗室等公共教學場所內沒有適合殘疾師生的可移動的桌椅等設施，師生無法獲得便利的學習與生活。2014年1月8日，我國頒布了《特殊教育提升計劃（2014—2016年）》[[]國務院辦公廳. 特殊教育提升計劃（2014—2016年）[Z]. 2014-01-08. ]，該計劃指出：擴大普通學校隨班就讀規(guī)模。盡可能在普通學校安排殘疾學生隨班就讀，加強特殊教育資源教室、無障礙設施等建設，為殘疾學生提供必要的學習和生活便利。輪椅通常是下肢殘疾人使用的代步或助力工具，但普通的手動和電動輪式輪椅由于其工作原理與結構的限制，通常轉彎半徑大，不能靈活地在狹小場所如宿舍、教室、實驗室中使用。根據該提升計劃的

4、精神，我們設計了適合殘疾師生在教室、實驗室內使用的基于麥克納姆輪的全方位移動座椅。 2 設計思路 本作品旨在為下肢殘疾的教師、學生提供一種可在學校的宿舍、教室、實驗室等狹窄空間內全方位靈活移動的，并可用于教學活動的移動座椅。本作品采用中間支撐式的麥克納姆輪行走機構，使其實現了橫、縱、斜向移動與原地回轉、任意角度轉向等全方位移動，適用于狹小場所[[]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. ]；采用了常閉式制動減速驅動電機，失電時自動制動，使其行駛時尤其是斜坡行駛時更為安全；使用了搖桿式緩沖懸架，使其在移動時能夠被動適應地形，具有一定的越障性能和減震性能，路面適應性強，使得師生在宿舍、教室等場所間的轉移更為便利；本作品配置了可折疊桌板、方便使用者在教學活動中書寫與閱讀；設計可升降座椅，便于使用者板書與書物的取放；符合人體工

6、程學的可調節(jié)的靠背與腿托設計使輪椅更為人性化，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驗室教學，能一定程度上提升殘疾師生的學習、生活質量。 3 詳細設計與制作描述 本設計包含機械部分設計及控制系統(tǒng)設計。其中，機械部分包括麥克納姆輪結構設計，主車體設計，升降、調節(jié)等附屬結構設計，以及電機、電池的選型設計，控制系統(tǒng)設計包括主控制器和電機驅動器的硬件設計和軟件設計。 3.1 總體結構 本作品主要由主車架、直流電機、麥克納姆輪、蓄電池、椅座、可調椅背、可調腿托、可折疊桌板以及控制系統(tǒng)等部分組成。其中，電機輸出軸上裝有

7、基于麥克納姆輪的行走車輪，并與主車架相連。 在設計過程中，我們設計了兩種方案： 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控制，便于殘疾人士使用。另外本方案中設計有減震裝置，使座椅具有一定的越障、減震性能和較強的路面適應性，使得師生在宿舍、教室等場所間的轉移更為便利。但作品造價高。三維虛擬樣機如圖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座椅虛擬樣機 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調節(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。其虛擬樣機如圖2所示。 可調角度椅背 可折疊桌板 操縱桿 可調腿托 主車架 常閉式直流減速電機 蓄電池 麥克納姆輪行走機構 圖2 普通型虛擬樣機 3.2 麥克納姆輪結構 麥克納姆輪由于其自身的功能特點，需要地面提供的摩擦力與輪子的前進方向不同，因此它具有以下三個特點： （1）輪子由輪轂和輥子兩部分組成； （2）輥子軸線與輪轂軸線存在一定的交角； （3）輥子可以繞軸線進行自由旋轉。 圖3 麥克納姆輪工作原理 其原理結構圖如圖3所示， n為輥子的數量；r為輪子軸心到輥子

9、軸心的距離，在此我們將其定義為輪轂半徑； rr是輥子的最大半徑，在此定義為輥子的半徑；h為以r為半徑的圓柱面上兩相鄰輥子軸線的弧線距離，定義為輥子節(jié)距；α為以r為半徑的圓柱面上兩相鄰輥子的法向軸線距離與輥子直徑之差，定義為輥子間隙；α（0°＜|α|＜90°）為輥子軸線與輪轂軸線的偏置角（銳角），定義輥子偏置角； B為輥子的有效工作區(qū)間在輪軸線方向上的投影長度，定義成輪子寬度； k為輥子軸線所在的圓柱面（半徑為r的圓柱面）上兩個相鄰的輥子的重合部分的弧線長度，定義為輥子重合度。 由此可推導公式如下： （3-1） 如上圖所示，位于輥子的幾何中心，坐

10、標系為固定于，其中軸與輥子軸共線，軸指向輪轂的中心點點，點是輥子表面上的一點，設直線與垂直相交于點。 即有： （3-2） 綜合式（3-1）得： （3-3） 由上式可知輥子母線上的任意點，之間存在式（3-3）的幾何關系。即輥子理論上的母線形狀是為橢圓曲線：長、短軸半徑分別是：，。在我們的設計中取其長半軸198mm，短半軸140mm，三維模型圖4所示。 圖4 輥子形狀 圖5輪轂與葉片

11、 另外輪轂在經過車加工成圓盤之后，還需進行銑槽，以使輥子支撐座能精確定位，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 主車架的設計 在本作品中，主車架采用整體焊接結構，如圖6所示中，主車架有三個作用： （1）用來連接驅動直流電機與輪子。 （2）底架是電池與電路驅動單元及其他人機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。它的設計直接影響著輪椅的性能。 圖6 主車架 以下為主車架的應力與位移分析： 由應力分析中知，最大應力為92875.1kN/m2,而材料的屈服應力為172339 kN/m

12、2，故主車架的安全系數為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，滿足設計要求。 綜上所述可知主車架設計合理。 圖7 應力分析 圖8 變形分析 3.4 電機的計算和選型 電機的類型及其參數的選擇需要綜合考慮輪椅在行走時所需的動力、電機的輸出特性、電機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，電動輪椅的動力元件是電機，電機參數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準—電動輪椅車[Z]. 1991-06-19. 聯系人：霍鑫；Ema

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

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, 此時電機的功率為： （3-5） 由此可以選功率為800W左右的電機。 輪椅對電機性能的要求如下： ①有足夠大的啟動轉矩使輪椅可以實現快速啟動、爬坡等功能。 ②電機的調速范圍要大，能在25%-100%最大速度范圍內調速。 ③比功率大（比功率為單位質量的瞬時功率），以最大功率計應在（1-1.25）kW/kg以上。 ④制動性能好，能在斷電后（0.5-1）s停止轉動。 ⑤環(huán)境適應性好，能在大多數環(huán)境下都能夠可靠工作，并且工作時噪聲低。 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股份有

15、限公司生產的直流減速電機，其主要參數如表1所示。 表1電機主要參數 電機主要參數 數值 單位 轉速 4200±100 rpm 輸出功率 200 W 減速比 1:27 圖9 直流減速電機 3.5 電池的選型 預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預定速度為： 電機所需要的功率由式（3-4）得： 電池充滿電后輪椅在平地上向前行走的時間為： （3-6） 電池的總能量為 （3-7） 由于

16、電機的驅動電壓為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 本輪椅是針對殘疾師生設計的可移動課堂桌椅，應滿足教師在不同高度上進行板書以及學生進行提問等功能，故本作品設計了升降功能。經過對黑板高度的實地測量，我們預選升降器的行程為300mm左右，載重為200kg。 經過多個產品的對比，最終選取了浙江捷昌公司生產的JC35ER2升降立柱，其技術參數如表2中所示。 表2 JC35ER2升降立柱的主要技術參數 參數 數值 單位 輸入電壓 24

17、 VDC 負載速度 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 電機的轉向與座椅位姿改變的關系： （1）當四輪同向等速運動時，座椅可實現前后縱向移動。 （2）當對角斜側輪轉向相反轉速相同時，座椅可實現左右橫向運動。 （3）當對角斜側輪（輪1、4或輪2、3）同向等速轉動，座椅斜向轉動。 （4）當左右同側輪同相等速運動，不同側輪反向轉動時，座椅原地旋轉。 圖10 控制策略 3.8 控制系統(tǒng)與程序的設計 本輪椅采用操縱桿控制器對輪椅的運動狀態(tài)進行調節(jié)，通過操縱桿控制器向單片機系統(tǒng)發(fā)

18、送控制命令，單片機系統(tǒng)向電機控制器發(fā)送電機控制指令，實現電機的控制，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 通過搖動和旋轉操縱桿，可改變其內部電阻，引起單片機的響應，單片機通過不同的信號控制兩個驅動板做出不同響應，兩個驅動板控制和驅動四個電機的產生相應的速度與轉向，從而輪椅產生位姿的變換。以下為控制原理如圖12所示。 圖12 控制原理圖 4 作品實物照片 圖13 樣機照片 5 主要技術參數 （1）主要尺寸及結構參數如表3中所示 表3主要結構尺寸參數 主要結構參數 數值 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 （1）電動機： 額定電壓（V）：24； 額定功率（W）：200 轉速（rpm）：4200 （2）蓄電池： 額定容量（)：45 額定電壓（V）：12 啟動電流（A）：325 裝備數量（個）：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）速度調節(jié)方式：無極調速 （3）主要技術性能參數 表4主要技術性能參數 主要技術性能參數 數值 單位 最大速度 8 km/h 爬坡能力 ° 續(xù)航力 25 Km （4）驅動模式：四輪驅動 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構，實現了教室、實驗室等狹小場所內的全方位移動，克服了普通輪椅轉彎半徑大的缺陷。 （2）采用了常閉式制動減速驅動電機，失電時自動剎車，斜坡行駛時更為安全。 （3）作品采用了搖桿式緩沖懸架，路面適應性強，減震效果好。 （4）配置了可折疊桌板與可升降座椅，方便在教室內進行教學活動。 （5）符合人體工程學的可調節(jié)的靠背與腿托設計使輪椅更為人性化，增加了乘坐與休息的舒適度。 7預期應用前景 （1）本作品符合我國《特殊教育提升計劃》中關于“加強特殊教育資源教室、無障礙設施等建設，為殘疾學生提供必要的學習和生活便利”的精神，具有良好的狹小場所的全方位移動性能，適用于殘疾在校師生的教學活動，在教育領域具有良好的市場推廣意義。 （2）本作品具有良好的地形適應性能與越障性能，路面適應性強，因此還適用于社會上的殘疾人與老年人，符合我國老齡化社會的需求，具有重要的社會意義和廣闊的市場推廣價值。 9