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轮椅升降机构和控制系统的设计
摘要：为了实现一个轮椅升降功能，本文设计了一个三剪机构。通过所谓的H型传输和L型摆杆，三剪机制在只有一个衬垫电机的条件下保持同一升降速率，同时提升电梯稳定性。本文在ANSYS有限元分析验证了材料强度与凌阳单片机控制系统，并通过单片机实现轮椅行走和升降的语音控制。
关键字：轮椅升降机 剪刀机构 ANSYS分析 凌阳单片机
1引言
作为智能轮椅的一个特征，升降功能可以解决残疾人的许多问题。在现实生活中.不同条件下需要不同高度的轮椅坐板，因此，设计一个自动升降机构可满足其不同的应用。使轮椅具有结构简单、稳定性好的特点，变得越来越重要。
目前实现轮椅升降机主要有两种方法。一种方法是，在轮椅上安装可直接施加直流电机的电机的坐板底，然后轮椅通过直线电机的长度变化的上升和下降。用这种方法推力只有一个焦点应用点，这将导致稳定性差。同时由于轮椅只会提高一定的距离，使得这个方法不能使用所有的直线电机的长度。如果我们通过增加衬垫的数量增加稳定性它也将增加的成本，这是不被允许的。另一种方法是，在轮椅左右两侧安装两个剪刀机构，这会增加一些稳定性，但同时它也有一些致命的缺点。一方面，为了稳定轮椅，轮椅剪刀机构的移动范围在最高位置和最低位置必须尽可能小；另一方面，为了使电梯过程中平稳、速度稳定，轮椅剪刀机构的运动范围在最高位置和最低位置必须是尽可能一样大的，而这两者是相互的矛盾得，这一点很难平衡。
本文设计了一种三剪刀机制，即只使用一个线性电机驱动三剪刀抬起轮椅的机制，以达到与三个剪刀式升降机构一样的提升速度，本文还设计了一个所谓的H型和L型摆杆传动。该方法解决了轮椅电梯的提升问题，与此同时该方法还可以不增加班轮电机的数量，也就意味着不增加轮椅的制造费用，节约了成本。
2轮椅升降机构的设计
2.1剪叉机构的基本结构
剪叉机构的基本结构是图1，移动副的数量是5，其中7个低副和0个高副。自由度的计算公式：
F=3n-2p-q
其中，p和q分别为可移动部件的低副和高副。
令n=5，p=7,q=0，得出F=3*3-2*4-0=1,即这个机构只有一个自由度。显然，当推力或拉力被应用到滑动面时，剪刀平台将上升和下降。因此，该机制可以实现方向双垂直的两个力的方向合并到一个平面上。
图1：剪刀结构示意图
我们采用三套剪式升降机构，两个对称放在轮椅两侧，另一个横向放在后面。三套剪刀机构必须以同样的速度升降，以达到稳定的三点结构。左边和右边的
剪刀是对称设计，其前面固定在铰接式底盘上，与后端一起沿斜槽滑动，它们被相同的衬套发动机驱动，以便与实现同时起降，第三个剪叉式升降机构在后侧横向设置。为了保证轮椅的稳定性，我们需要使剪刀机构的支撑中心总是坐在轮椅上的纵向中心平面。与左右两侧不同的是，第三侧的剪刀需要朝相反方向移动，而且速度必须是两侧的一半。
2.2传动机构和摆杆设计
图2：H型传动机构和L型摆杆传动机理示意图。
从图2可以看到我们所设计所谓的H型传动机构和L型摆杆来实现先前描述的功能。H型传输的中央部分是直接连接到直线电机的，一端连接到剪刀装置的末端，另一端则由滑块连接到L型摆杆上。直线电机的延伸和收缩将带动H型传输器，从而使左右的剪刀装置滑动：同时驱动L型摆杆围绕主轴旋转。因为在L型摆杆上的任何一点都有着相同的角速度，这意味着在L型摆杆的任何一点的速度都与该点距主轴之间的距离成正比。由于L形摆杆的特殊作用，同一点的速度在垂直方向上发生变化，以滑块为导向机构，我们便可以将垂直速度传递为横向速度，其速度可由调节第三个剪刀机构的距离来调节。
2.3轮椅升降机构的设计
智能轮椅升降机构包括H型传动机构，L型摆杆，剪刀机构和直流电机。
剪刀机构的顶部驱动轮椅上升，底部的剪刀机构在轮椅框架上安装三个滑块，其中两个滑块被纵向的摆在框架的两侧，该纵向框架的前方有铰链链接，后方滑动，
第三个滑块横向放置在后框架上，该横向框架两侧都有滑轨通向中间并结束于剪刀装置。当直流电机开始运转，它的结束会使H型传动机构向前移动，H型传动机构的前端会驱动两个滑块都沿着下方的联接滑动，同时其中后面的部分将通过一对主动滑块的前进驱动L型摆杆绕着主轴旋转。而L型摆杆的另一部分会驱动后方的联接顺着滑道向中间对称滑动，从而使轮椅上升。
后装压缩式垃圾车是在汽车二类底盘上改装而成它主要由汽车底盘、车厢、尾箱、压缩机构尾箱翻转机及卸料机构等组成如图所示。车厢固定在底盘车架上，尾箱位于车厢后部其上角与车厢铰接，可由举升油缸驱动绕铰接轴转动。垃圾从尾箱后端的入口处倒入其内，并由压缩机构进行压缩，将垃圾推入车厢压实。车厢前端装有油缸驱动的卸料机构。卸出垃圾时首先由举升油缸将尾箱举起，车厢后部呈敞开状然后由卸料机构将垃圾推出车厢。
在这个结构组合中，有两个特殊的设计。首先第一个是两侧滑行的距离是后方联接距离的两倍，第二个是传动机构的滑块与环绕主轴之间的距离是联接上滑块到环绕主轴距离的两倍。前者的设计是为了保证剪刀机构的提升距离是一样的，后者的设计则是为了保证各剪刀机构提升的速度是相同的。这两者设计的结合都是为了保证轮椅的剪刀机构在提升的运行过程中保持平稳。
基于上述设计思路，笔者使用solidworks 2012软件机建立了轮椅升起时的数据模型。根据实验，当升降机构移动时并没有冲突发生，同时轮椅的上方表面总是保持在同一个平面上，同时在其升降的时候保持速度平稳，这表明这个机构已经达到了设计的要求。
3应力应变分析
为了验证设计的机构的强度，同时为以后的优化设计建立基础，我们在ANSYS上演示了该结构的应力和应变分析，本段文字对于设计的一些典型零件进行了应力和应变的分析，其结果展示在以下图3至图8.
图3：支撑节点弹性应变
图4：支撑节点应变位移结果
图5：接头弹性应变
图6：接头应变位移结果
通过结果文件，我们可以直观的看出这些关键零件的所受应力和应变位移改变，通过这些关键组件的结果，我们可以看出，最大的压力发生在剪刀升降机构里的双轴交叉机构，如图3所示。最大的应变位于那根所受压力为270Mpa的轴的受挤压部分通过材料表我们可以确认45#钢的最大屈服强度在常温下不小于355Mpa，实际应力小于最大允许压力值，可以达到高安全系数，意味着设计已满足要求。
车厢的横截面有矩形和鼓形两种,如图3所示。从受力角度分析,鼓形截面不仅能承受较大的垃圾横向膨胀力,而且由于形成顶面及左、右侧面三个纵向柱面,使车厢的纵向刚度和扭转刚度得到了加强,是较为合理的截面形状。但由于鼓形的加工工艺较复杂,考虑到工厂的实际能力,我们仍选用矩形截面的型式。。
等离子切割技术广泛运用于汽车、机车、压力容器、化工机械、核工业、通用机械、工程机械、钢结构、船舶等各行各业。
等离子切割发展到当前，可采用的工作气体（工作气体是等离子弧的导电介质，又是携热体，同时还要排除切口中的熔融金属）对等离子弧的切割特性以及切割质量、速度都有明显的影响。常用的等离子弧工作气体有氩、氢、氮、氧、空气、水蒸气以及某些混合气体。
按照等离子工作气体的不同，可将等离子切割方法分为等离子氧气切割，等离子氮气切割，等离子空气切割法，等离子氩气-氢气切割法。不同的切割方法由于使用的工作介质的物化性质的差异，因而应用于不同的场合。除了一般形式外，派生出的形式还有水压缩等离子切割等.
等离子在水下切割能消除切割时产生的噪声，粉尘、有害气体和弧光的污染，有效地改善工作场合的环境。采用精细等离子切割已使切割质量接近激光切割水平，目前随着大功率等离子切割技术的成熟，切割厚度已超过150mm，拓宽了数控等离子切割机切割范围。同样条件下等离子弧的切割速度大于气割，且切割材料范围也比气割更广。
火焰切割由于气压，割嘴高度，以及预热时间等因素影响，整体切割材料变形尺度较大，适应不了高精度切割的需要，而且切割速度较低，同时由于切割前需要预热，花费时间，难以适应无人化操作的需要。数控火焰切割薄板（0.5-6mm）在切割领域已经逐步被等离子切割替代，但是在切割厚板和中板方面，数控火焰切割仍然不可替代，并且火焰切割以其价格的优势，在薄板切割中仍占有一定的市场份额。
激光切割的切口细窄、尺寸精确、表面光洁，质量优于任何其他热切割方法。激光源一般用二氧化碳激光束，工作功率为500～2500瓦，通过透镜和反射镜，激光束聚集在很小的区域。能量的高度集中能够进行迅速局部加热，使不锈钢蒸发。此外，由于能量非常集中，所以，仅有少量热传到钢材的其它部分，所造成的变形很小或没有变形。利用激光可以非常准确地切割复杂形状的坯料，所切割的坯料不必再作进一步的处理。从目前激光切割应用情况来看, 越来越多的企业将采用二氧化碳激光切割技术。二氧化碳激光切割广泛应用于12mm厚的低碳钢板、6mm厚的不锈钢板及20mm厚的非金属材料。对于三维空间曲线的切割,在汽车、航空工业中也开始获得了应用。
我国工厂的板材下料中应用最为普遍的是火焰切割和等离子切割，所用的设备包括手工下料、仿形机下料、半自动切割机下料及数控切割机下料等。与其他切割方式比较而言，手工下料随意性大、灵活方便，并且不需要专用配套下料设备。但手工切割下料的缺点也是显而易见的，其割缝质量差、尺寸误差大、材料浪费大、后道加工工序的工作量大，同时劳动条件恶劣。用仿形机下料，虽可大大提高下料工件的质量，但必须预先加工与工件相适应的靠模，不适于单件、小批量和大工件下料。半自动切割机虽然降低了工人劳动强度，但其功能简单，只适合一种形状的切割。上述3种切割方式，相对于数控切割来说由于设备成本较低、操作简单，所以在我国的中小企业甚至在一些大型企业中仍在广泛使用。
机械制造论坛 http://bbs.jixzz.com 机械贸易网 http://www.jixzz.com CAD UG Solidworks MasterCAM 资料分享 免费下载 尽在机械制造论坛! g8 ]amp; M6 h# z: L' @% c! c 随着国内经济形势的蓬勃发展以及以焊代铸趋势的加速，数控切割的优势正在逐渐为人们所认识。数控切割不仅使板材利用率大幅度提高，产品质量得到改进，而且改善了工人的劳动环境，劳动效率进一步提高。目前，我国金属加工行业使用的数控切割机是以火焰和普通等离子切割机为主，但纯火焰切割，已不能适应现代生产的需要，而目前市场需求的数控切割机多为数控等离子切割机，该类切割机可满足不同材料、不同厚度的金属板材的下料以及金属零件的加工的需要，因此需求量将会越来越大，但与国外的差距仍极为明显，主要表现为：发达国家金属加工行业90%为数控切割机下料，仅10%为手工下料；而我国数控切割机下料仅占下料总量的10%，其中数控等离子切割下料所占比例更小。究其原因，较高的设备成本、复杂和维护和操作制约了数控切割在我国的进一步普及。因此国内数控切割机生产厂家引进了国外控制系统技术，经过二次开发后运用到了切割领域中，设计出了适合我国国情的数控切割机。某些厂家开发生产的专用数控切割设备，在技术上已经达到或超过了国外同类产品。机械制造论坛 http://bbs.jixzz.com 机械贸易
我国数控切割机每年市场需求量约在400-500台之间，产品主要以数控等离子切割机为主。相较而言，仿形切割机每年销售几千台，半自动切割机每年销售达上万台。由此可见，我国数控切割市场，尤其是数控等离子切割市场的发展潜力是巨大的。
4控制系统设计
本文选择语音作为智能轮椅的控制方法，在所有的语音控制芯片，凌阳SPEC061A语音控制模块是尤其强大的，其具有可靠性高，体积小的特点，同时具有高集成度和高扩展性。
4.1模块控制电路
图9是一个智能轮椅电路使用不同的方式来实现转向的方法，在这篇文章中，一个全桥驱动电路用来控制后方车轮的方向和速度。通过调整旋转速度差，我们可以控制转向半径的大小，较小的旋转速度差可以实现较大的转向半径；反之，较大的旋转速度差可以实现较小的转向半径。在图9中，四个晶体管Q1，Q2，Q3和Q4，构成了作为四桥臂的全桥电路，Q2和Q3由Q5控制，Q1和Q4由Q6控制。
图9：驱动电路
语音输入电路图由图10所示，VMIC是麦克风的电源线，VCM是引用电压，VSS是系统模拟的场所，1脚和2脚是麦克风的积极和消极输入引脚。
图10：语音输入电路
图11所示为语音输出电路，VSS是电脑数据模拟处，VDDH是参考电压，音频信号由SPCE061A提供电源，同时输入语音输出电路J9通过脚DAC，R9是音量电位器，它可以在调整后整合音频信号放大器SPY0030，信号被从可以表现顶端的SPY0030到外部交流的音频和输出信号放大。
图11：语言输出电路
如图12所示为光电检测电路，该光电电路采用E18-D80NK-N型光电传感器，它是一套由发射器与接收器组成的传感器，输出信号在调制之后传出，输入信号解调反射后发出，由此可有效地避免可见光干涉。
图12：光电探测电路
4.2控制系统设计
由图13所示为控制系统电路，我们可以通过连接各个功能模块到凌阳SPECE061A的各个相应接口，的方式来协调运作各模块的运作，后轮驱动回路的端口1和端口2连接在凌阳SPCE061A的脚IOB8和IOB9，伺服电机驱动电路的端口1和断口连接在凌阳SPCE061A的脚IOB10和IOB11，语音输入电路的端口1和端口2连接到凌阳SPCE061A的MICP脚和MICN脚，光电检测电路被连接到凌阳SPCE061A的IOB12.
图13：控制系统设计
5结论
在本文中，我们分析了轮椅升降系统的共同特征，然后设计了一个
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