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基本信息

项目名称:
基于偏心距可调的偏心轮的智能轮椅系统
小类:
机械与控制
简介:
本作品涉及自助运输的辅助工具领域,具体为一种适用于行走不便人群的会爬台阶的轮椅。 该作品采用偏心轮机构、行星轮机构、液压系统、传感器等多种装置,减少轮椅上台阶过程中电动机所需功率,且能够有效保证轮椅系统的平稳和使用者的安全。 该作品结构简单,且自动化程度较高,操作方便,并且在越过台阶障碍的时候能够及时的调整使用者的座椅高度,保持平稳,提高使用者的安全性,且成本低廉。
详细介绍:
该轮椅涉及自助运输的辅助工具领域,具体为一种适用于行走不便人群的会爬台阶的轮椅。 功能:可上台阶、可自动调节重心、可上台阶或避障 创新点: 1、主轮采用内外圈结构; 2、采用偏心距可调的偏心轮机构; 3、将行星轮、棘轮、万向轮等特点进整合运用; 4、采用可自动调节的升降装置; 5、综合运用超声波和加速度传感器。 特点和进步: 1、主轮采用具有内外圈的结构,使该电动轮椅能零半径转向; 2、开发主轴与轮心距离可调的偏心轮结构,可根据台阶高度调节偏心距离,降低上台阶过程中所需的最大功率; 3、座靠椅为单侧可绕轴旋转结构,可保证轮椅在上、下坡过程中使用者的安全; 4、将行星轮与棘轮的特点整合运用,使轮椅能轻松越障、上台阶,甚至能上楼梯; 5、运用传感器检测路况信息,使整个系统更加自动化、智能化; 6、可实现全手动、半自动或全自动控制,以适应不同工作环境。

作品图片

  • 基于偏心距可调的偏心轮的智能轮椅系统
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作品专业信息

设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标

轮椅是康复工具,是老人和肢体伤残者的代步工具,还为他们进行身体锻炼和参与社会活动提供了可能。因此,开发高性能、低成本的智能电动轮椅对提高老人和残疾人的生活质量,保证社会稳定发展有重要意义,并将为他们带来人性化帮助。基本思路:1保证轮椅基本功能实现,并开发偏心距可调的偏心轮机构;2研究行星轮和中心轮半径与可上台阶高度间的关系;3将棘轮与行星轮结合,使轮椅能连续上台阶;4设计合理的升降结构,使轮椅重心稳定;5运用传感器采集路况信息,满足轮椅智能化要求;6集信号检测、分析为一体,由单片机控制工作。创新点:1内外圈结构。该结构能解决两轮同轴,且需要自由转动的问题;2偏心距可调的偏心轮机构。该机构降低轮椅在上台阶过程中重心上升的高度,减小电动机实际功率;3将行星轮、棘轮、万向轮等的特点整合运用,使轮椅能连续上台阶;4升降装置可自动调节座靠椅以保证系统重心的稳定;5运用传感器,实时检测路况信息。技术关键:1设计内外圈结构,使两轮同轴,且可自由转动;2根据实际,估算最佳偏心轮大小及可偏心的距离;3收集台阶参数,研究其与行星轮和中心轮半径的关系;4寻找可自动检测台阶高度和障碍物距离的方法;5寻找控制偏心距离和升降装置上升(下降)高度的最佳方法;6整合各轮特点,使辅助轮能上台阶。主要技术指标:额定载量:150kg;最大爬坡能力(载重100kg时):17%(约10°);最大速度:6km/h;最小额定功率:180W;最小转弯半径:0m;可越障碍高度:18cm;座椅仰角范围:-15°—45°

科学性、先进性

电动轮椅是在普通轮椅的基础上对其机械结构作一些优化改进,具有普通轮椅的外表特征和基本功能,取消了普通的无动力车轮,安装了永磁无刷直流电动机(或步进电机)、控制器、蓄电池、控制键盘、传感器及各种显示仪表,以铅酸蓄电池为能源,对电动机进行控制,实现电动控制轮椅的功能。特点和进步:1、该轮椅主轮设计采用具有内外圈的结构,使得该电动轮椅的最小转弯半径缩减为零,克服了电动轮椅不能原地转弯的难题;2、开发主轴与轮心距离可调的偏心轮结构,可根据台阶高度调节偏心距离,将轮椅上台阶过程中所需做的功分成两部分完成,有效降低此过程中电动机所需的最大功率;3、将轮椅的座靠椅设计成单侧可绕轴旋转结构,使轮椅在上、下坡过程中,座靠椅能够始终保持水平,起到了调节轮椅系统重心的目的,扩大了轮椅的应用范围;4、将行星轮与棘轮的特点整合运用,不仅能使轮椅轻松越障碍、上台阶,还使得轮椅能够上楼梯;5、运用传感器检测路况信息,使整个轮椅系统更加自动化、智能化;6、软件部分可实现全手动、半自动或全自动控制,以适应不同工作环境。

获奖情况及鉴定结果

郑州大学第五届“挑战杯”大学生课外学术科技作品竞赛一等奖 郑州大学机械工程学院“新火飞扬”第一届创新设计大赛二等奖 郑州大学机械工程学院2009级课外科技作品大赛二等奖 中华人民共和国国家知识产权局受理实用新型专利一种会爬台阶的轮椅申请

作品所处阶段

实验室阶段

技术转让方式

专利技术转让

作品可展示的形式

模型 现场演示

使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测

使用说明:该系统结构简单,自动化程度高,操作方便,在越台阶或障碍时能及时调整使用者的座靠椅倾角,保持平稳,提高安全性,成本低廉。使用过程为:启动;爬台阶;上、下坡;控制部分。作品技术特点和优势:1安全的乘坐环境;2路况信息快速检测;3准确判断台阶高度;4传感器与单片机综合运用。 推广前景:目前市场上的轮椅大多结构复杂,成本高昂,尤其是涉及能越台阶或障碍物的轮椅,在越障时对于使用者来说,坐姿不能及时调整,安全性小。该轮椅涉及自助运输的辅助工具领域,为一种适于行走不便人的会爬台阶的轮椅。它克服现有技术的不足,提供一种结构简单、自动化程度高、成本低廉且在越过障碍物时能对使用者提供较高安全性的轮椅。市场分析:据统计,中国约有5000万行走不便的人士。这些人对行动自由有强烈的渴望。但由于国内无障碍设施的欠缺及普通轮椅在智能化及越障上的缺陷,他们的需求没有得到满足。因此,他们都是此轮椅的潜在需求者。初步估计,有购买能力的需求人群约占总数的20%,即1000万。若做好合理宣传,每年购买基数可达5万台。

同类课题研究水平概述

国内: 电动轮椅核心技术是电动驱动总成、嵌入式控制器、传感器和传感器信息处理技术、电源技术。 (1) 电动驱动总成 在电动轮椅电动总成生产方面,我国目前已有多家企业具有生产技术和能力。如贵州华烽电器公司2004年生产电动轮椅用电动驱动总成超10万台,出口金额达1000多万美元;兰州万里航空机电公司电动轮椅电动驱动总成的产能在2万台左右。上述产品不但用于国内电动轮椅产品,而且被国外电动轮椅产品广泛采用。 (2) 嵌入式控制器 在嵌入式控制器研究方面,在国家“863”计划支持下,我国做了大量研究开发工作,并取得了一批可用于智能轮椅产品的成果。如,中科院自动化所一直在进行基于DSP技术的嵌入式控制器和传感器处理技术研究,已研制出基于DSP的高性能低成本嵌入式智能轮椅控制器。该控制器的成本只有国外进口控制器的1/3,不但具有进口轮椅控制器的基本功能,而且可根据超声传感器和红外传感器的信息对轮椅进行控制,使电动轮椅具有平稳加减速、自主避障等功能。 (3) 传感器技术 在传感器和传感器信息处理技术方面,国内近年来已有长足进步,具有了很好的技术基础。如,在超声波传感器方面,与进口超声波传感器每套需近千元相比,目前国内已经研制开发出平均单只成本只有40~50元的集成化超声波传感器系统。这种超声传感器与高性能控制器配合,所感知的环境信息完全可以满足智能轮椅和智能传感器需要。此外,在红外传感器、嵌入式视觉系统等传感器方面,我国都取得一定成果,有一定的工作基础。 (4) 电源技术 在电源技术方面,目前普通智能轮椅与智能助行器所需的铅酸电池技术已非常成熟。如,春兰电器公司研制开发的镍氢电池已被成功地用于国产电动汽车和电动自行车,其产品也完全可以被应用于智能轮椅与智能助行器产品。 国外: 欧美和日本等国家,电动轮椅已逐渐代替普通轮椅,其市场也进入稳定期。台湾工研院经资中心2003年的调查显示,日本2001年电动轮椅市场约为45万台,占其人口总数的0.3%左右;欧美国家的电动轮椅市场与日本相当。 欧美品牌知名度高,但人工成本高昂,售价偏高。目前,欧美市场电动轮椅售价在5000美元左右,政府对用户给予较大额度补贴。近年来,为降低成本,欧美厂商大多委托日本、韩国及台湾进行代工生产,而台湾的电动轮椅OEM产品发展很快,已占有欧美市场的30%。
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