主办单位: 共青团中央   中国科协   教育部   中国社会科学院   全国学联  

承办单位: 贵州大学     

基本信息

项目名称:
全地貌自平衡担架车
小类:
机械与控制
简介:
该担架车用于抗震救灾中,在野外无路情况下救护伤病员。该担架车是一个集环境感知、动态决策与路径规划、行为控制与执行等多种功能于一体的综合体。可在恶劣的环境下工作,伤病员在运输的过程中身体始终保持水平,并可进行实时导航和定位,以减少救援人员在救援过程中受到的二次伤害。
详细介绍:
该担架车用于抗震救灾中,在野外无路情况下救护伤病员。其工作原理是通过陀螺仪来检测担架的重力垂直度信号传给单片机,并通过单片机产生脉冲信号驱动伺服电机,由伺服电机调整角度来控制担架车的前后和左右四个方向的水平,在静止的情况下,使伤病员的身体在担架上始终保持±1°以内的摇摆度,在移动的情况下,使伤病员的身体在担架上始终保持±3°以内的摇摆度。该担架车是一个集环境感知、动态决策与路径规划、行为控制与执行等多种功能于一体的综合体。可在恶劣的环境下工作、进行实时导航和定位,以减少救援人员在救援过程中受到的二次伤害。

作品图片

  • 全地貌自平衡担架车
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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

目的该担架车用于抗震救灾中,在野外无路情况下救护伤病员,其基本思路是通过两个叠加的倒立摆控制担架的自平衡。主要创新点:(1)通过陀螺仪对支架重力垂直度进行检测, 电机驱动两个叠加倒立摆,以简单的结构实现了全向自平衡功能。(2)担架上安装了弹簧门锁装置,使得担架牢牢固定于车体上,同时车体上配备了医疗设备。(3)车顶部安装了可折叠支撑架,可盖上防晒遮雨帐篷,既不占用空间,又适应各种各样的气候作业。(4)担架车实现了自主导向功能,采用了蜗轮蜗杆传动减速装置解决了车体的转向问题。 技术关键:(1)解决陀螺仪输出信号与步进电机驱动脉冲信号 转换问题。(2)解决自平衡系统的全地貌调控问题。(3)解决减震系统与自平衡智能系统之间的配合问题。(4)解决车体转向问题。 主要技术指标:(1)主要尺寸为: 车体全长130cm,宽度70cm,高度90cm,轮距50cm,轴距80cm,承载能力:75kg 弹簧减震系统减震距离收缩距离:10—30mm 担架可调整最大倾斜角度:±25°。(2)倾角模块性能: 量程±15—60度(双)±180(360)度(单) 分辨率0.1度 提供多种输出信号 支持各种电源电压,工作范围广 零点自动设定功能(3)行走机构部件选择: 驱动电机功率:36V700W 转向电机功率:6V40W

科学性、先进性

1) 目前国内外对于自平衡控制的研究已经具备一定的基础,但研究均停留在单轴两轮或者是一个方向上的平衡,对于控制全向自平衡控制这方面的研究,在国内外都比较少。本项目通过前期在机器人应用实验室所取得的一些关于自平衡控制的系统研究成果,结合机电技术实验中心所掌握的先进制造设备与技术优势,展开研究。最终实现了自平衡担架车的全向自平衡控制和功能样品的制作。(2)该担架车采用的全向自平衡控制系统是一个复杂的、不稳定的、非线性系统,是进行控制理论教学及开展各种控制研究的平台。自平衡系统的研究能有效的反映控制中的许多典型问题:如非线性问题、鲁棒性问题、镇定问题、随动问题以及跟踪问题等。其控制方法在军工、航天、机器人和一般工业过程领域中都有着广泛的用途,如机器人行走过程中的平衡控制、火箭发射中的垂直度控制和卫星飞行中的姿态控制等。

获奖情况及鉴定结果

该作品在2010年全国大学生机械创新设计大赛中荣获一等奖。

作品所处阶段

中试阶段

技术转让方式

已申报国家发明专利保护,可采用转让专利方式转让技术。

作品可展示的形式

实物、产品 ,现场演示,图片,录像

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:(1)陀螺仪采集担架平衡信号。(2)单片机接受陀螺仪采集的信号。(3)单片机处理信号,控制步进电机。(4)步进电机经减速器产生扭矩转动平衡架,保持担架 平衡。技术特点和优势:自平衡担架车的研制旨在从人——机器人构成的自平衡智能系统的层面上建立一种有效的控制构架,实现担架车在非结构环境里的自平衡搬运任务。适应范围及推广前景:自平衡担架车作为特种作业智能机器人的一种,本课题的研究为移动机器人系统在地震,甚至消防探测、泥石流、台风、矿难等灾难后的救护应用提供了有益的尝试。其控制方法在军工、航天、机器人和一般工业过程领域中都有着广泛的用途,如机器人行走过程中的平衡控制、火箭发射中的垂直度控制和卫星飞行中的姿态控制等。市场与经济效益分析: 自平衡机器人的发展是机器人发展的新的研究领域和产业化方向,本自平衡担架车的研制正是顺着自平衡机器人发展的方向做出的大胆、有益的尝试,有着其深广阔的发展前景及巨大的经济效益

同类课题研究水平概述

2002年,瑞士联邦工业大学的Felix Grasser等研制出可遥控的两轮自平衡机器人Joe,其最大运动速度可以达到1.5 m/s,超过了人的行走速度。由于两轮平行布置,每轮各装有一个直流电机驱动,Joe能稳定地做U型回转。设计者采用解耦状态空间控制器来使系统保持平衡,他们认为自适应模糊控制可以使Joe的抗干扰能力提高,控制品质上升。 2002年,美国Segway公司研制的Segway HT,控制系统由陀螺仪组、倾角传感器、嵌入式计算机和电机构成,平衡时每10ms检测驾驶者重心位置一次;没安装刹车和加速系统,车速完全由驾驶者重心位置决定;能在湿漉地面和雨雪天气时使用(雪天采用snow tires更平稳、安全)。此款产品的特点是:自我平衡能力(五个陀螺仪同时工作提高系统精度和可靠度);运行中智能充电系统;高科技机电系统如固态陀螺仪和无刷直流伺服电机:用于容错的冗余系统。近年来,在两轮自平衡机器人的研究上,我国也取得了一定的成就。中国科学技术大学研究出了自平衡两轮代步电动车。自平衡电动代步车是一种两轮式左右并行布置结构的具有自平衡系统的电动车。利用倒立摆控制原理,使车体始终保持平衡。在车体内嵌入式CPU的控制下,采集平衡传感器以及速度、加速度传感器的数据,通过建立的系统数学模型和控制算法,计算输出PWM信号,自动控制两个伺服电机的转矩,使车体保持平衡并能够根据人体重心的偏移,自动前进、后退及转弯。该车时速可达10公里,可连续行驶里程约30公里。 由此可见,目前国内外对于自平衡控制的研究已经具备一定的基础,但研究均停留在单轴两轮或者是一个方向上的平衡,对于控制全向自平衡控制这方面的研究,在国内外都比较少。本项目通过前期在机器人应用实验室所取得的一些关于自平衡控制的系统研究成果,结合机电技术实验中心所掌握的先进制造设备与技术优势,展开研究。实现自平衡担架车的全向自平衡控制和功能样品的制造方案是可行的。
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