文摘
世界上大多数的残疾人身体障碍,影响他们的低。在大多数的情况下,发现影响人的上半身是健康状况良好,能够执行所有活动;然而,脊髓损伤导致重大卫生挑战与身体功能如排尿,排便,心率、呼吸、心血管和性功能,这需要及时治疗艾滋病和机动性。本研究介绍了轮椅的机械布局,可以坐着和站着的位置之间切换。重心时,必须考虑建立一个电动轮椅。是专门为残疾人设计减少外界的援助的需要,允许残疾人品味一种崇拜的感觉。在仿真中,电动轮椅站分析是由加载与人类40到100公斤的重量,和转换角调整0和90度之间比较重心位移。SolidWorks和ANSYS用于设计原型,组装产品,并建立安全系数边界的结构和功能的要求。研究集中实现速度控制偏差和加速度使用模糊控制技术。Arduino监督操作驱动系统的控制器,并利用线性致动器站和坐的位置。 This method is affordable, easily constructed, and highly secure.
1。介绍
身体残疾的影响世界人口的很大一部分。严重事故导致一些人创伤,最常见的脊髓损伤。根据国际发生数据,250至50万人每年遭受脊髓损伤,其中很大一部分人口患有下肢残疾。有些人受伤的严重事故,最频繁的脊髓损伤(1,2]。在大多数情况下,受伤的人的上半身被认为是合适的,能够做所有的责任。有超过7000万人,但只有15%的人使用轮椅(3]。
模块化的轮椅,驱动车辆运行,用户可以从一个坐着一个站着的位置利用体重和肌肉力量。由于有限的手,一个人不能完成许多任务在一个受限的工作空间。很多研究提出改进设计,增加用户可访问性和扩大机会,使各种以前困难的任务,如做饭,洗碗,和访问厨房冰箱可能(4,5]。简化眼水平是一个重要的障碍进行许多日常职责,但站在轮椅可以解决这个问题。传统轮椅使用者也报道由于容易视力改善的可访问性和信心。由于他们的活动范围有限,截瘫患者使用轮椅更容易受到广泛的健康问题(6]。此外,严重的问题包括排泄失败,血性的疾病,和膀胱功能障碍的后遗症中不活动(7,8]。此外,从心理的角度来看,人站更有信心比那些坐在轮椅。站立姿势的人有更好的信心比坐在轮椅的人,根据心理学理论(9- - - - - -11]。
设计允许用户手动调整自己的姿态利用伸缩管和生成电梯使用电缆和滑轮系统是在现有的工作12- - - - - -14]。金(15)给轮椅使用者安全的移动,因为他们将轮椅目的地的方向。轮椅公认的各种危害和风险情况在实际环境和开发可以避免的路径,以避免碰撞与他们为了方便安全的运动。Zhang et al。16)提出了一个司机援助和人类智能轮椅控制系统。轮椅用户操纵时通过与身份不明的复杂的环境障碍,驾驶员辅助可以防止轮椅碰撞与障碍和向下的步骤。当用户想自己走轮椅,人类后确保了轮椅之后用户在一个适当的距离。然而,轮椅的机械设计,可以坐着和站着的位置之间切换不提供。这项研究的作者(17]讨论了轮椅,轮椅站控制器(SWC),使它更经济划算的兑换。为了确保用户的舒适和安全,实验者推荐安装SWC的自适应PID控制系统。新的CAD模型站在轮椅的一个平行四边形的机制是由作者(18]。景深= 1是用于轮椅设计。坐,站,反之亦然,他们用直线电机最小负载能力为2405 N。在文献中,刷的使用汽车(包括霍尔传感器),数字信号处理器,内置运动传感器(陀螺仪和加速度计),控制策略,包括传统和智能方法和操纵杆来生成直观的轮椅运动模式还提到了轮椅的设计(19- - - - - -24]。此外,讨论生物力学特征的重要性轮式移动设备如推进机制、辅助技术、过度伤害,避免压力溃疡和框架设计也提供(25- - - - - -28]。然而,很多研究小组来自世界各地仍工作在这个问题上和开发新的应用程序,战略和解决方案。大多数的搜索中发现主要网络数据库的引用(19忽视的市场研究,需要提供一个合适的移动平台。我们提供一个开放的体系结构,使它更容易为制造商和学者创建可互操作的辅助技术的解决方案。使用此体系结构中,连接成为可能的抽象层次,包括硬件和软件,鼓励更大的油田范围的合作与创新。
提出了模块化的轮椅设计代表了轮椅的实质性进步可用性障碍患者。可以提供几个健康优势的一个重要因素是改变姿势的能力。这可以降低患压疮的机会,促进血液循环,使它更容易呼吸。小说起重高度有效的机制是纳入常务轮椅原型,本文建议。设计、建筑的框架是一个关键的部分电动轮椅。使用一些汽车和致动器,框架将病人从一个坐着一个站着的姿势。首先,操纵杆控制的电动轮椅是最流行的,并且它可以称为一种电动汽车驱动操纵杆(29日- - - - - -31日]。在我们的轮椅,我们希望结合机电组件为了提高现有的轮椅。设计轮椅将帮助人们站起来,同时用更少的电,但它仍将是一样方便简单的电动轮椅,只有两个直流电机,操纵杆,Arduino微处理器构成了轮椅的驱动机制。一个至关重要的安全功能,艾滋病在事故预防和保障用户的安全是安装一个超声波模块来检测障碍物的轮椅。提出模块化轮椅设计,总体来看,非常积极的发展完全有可能改变残疾人访问和使用移动设备。的尖端技术,包括小说提升机制和超声波障碍检测模块,强调持续的努力使残疾人辅助技术更有用的和可访问。
讨论中提到我们的方法论部分2连同轮椅设计,有限元分析(FEM)和fuzzy-based控制。部分3论述了机械设计和数学计算。部分4仿真结果,讨论,和硬件实现。最后,结论部分提供5。
2。提出控制方法
有很多轮椅操作设计提出了过去。这里,提出了模块化的轮椅与姿态变换的目的是使瘫痪的人单独执行各种任务。由于设计的适应性和病人的舒适,运动坐和站的位置也是划算的。在仿真中,重心位移比较通过加载电动轮椅站与人类体重40到100公斤而调整转换角0到90度。反馈编码器可以同时读取位置和速度。从图1模糊速度控制器,编码器提供了信息。当编码器读取速度,模糊控制是激活的。同时,控制都是平行的,解耦控制,图1显示了一个位置控制通过编码器的反馈,并提出模糊调节器提供了汽车速度命令。这种方法更方便,安全,便宜。
2.1。在SolidWorks软件设计和应力分析
2.1.1。设计在SolidWorks [28]
首先,在SolidWorks,我们计划我们所有的部分站轮椅合法测量同意巴基斯坦人的高度。计划的部分轮椅后,我们收集了部分的大纲和部分的基础,然后我们结合大纲和SolidWorks的最后组装基地。的部分设计的轮椅在SolidWorks如图2。
(一)
(b)
(c)
(d)
(e)
(f)
之后,我们连接的直流直线致动器框架组装检查是否我们的轮廓从一个坐着一个站着的位置,反之亦然。在图3轮椅的设计,所有的组件组装。
2.2。有限元分析
以下分析是进行检查调查坐在轮椅上。对于推动考试,我们利用ANSYS软件。在ANSYS中,首先,我们应用应力分析框架总成通过应用框架上的负载检查帧的稳定性,和重心测试45岁,60岁,90度。
如图4在测试过程中,没有出现破损点,所以我们认为它是在承受压力。材料许用应力的比值的外加应力被称为安全系数(FoS)提交。根据ANSYS结果与不同的负载,电动轮椅站可能支持一个人重达80公斤,只要安全系数值大于2,但比80公斤重的东西不安全,因为安全系数值低于2。动态负载包括电动轮椅站的建设,因此必须将安全系数2。
(一)
(b)
(c)
计算显示颜色水平代表强调发生的程度。颜色的水平开始从蓝色到红色。蓝色显示更少的压力,和红色显示的最大压力。输出进行分析,以便最大和安全堆栈将使用在电动轮椅。
2.3。操纵杆控制算法和模糊控制
(我)操纵杆控制。操纵杆,有两个电位计。每一个电位计的范围是10 k欧姆。操纵杆允许轮椅前进,后退,左,和正确的。一个模拟传感器,如操纵杆,可以阅读在针A0模拟值和A1。在任意方向调节轮椅的流动性,它有两个轴:X和Y。看,两个轴操纵杆特性,X和Y,四个象限。轮椅进步当操纵杆积极电压检测XY针在第一象限。操纵杆读取X设在全电压的一半Y设在值在第二象限。轮椅从而使左转。轮椅移动向后移动操纵杆时在第三象限。第四部门对曲线由轮椅。(2)模糊控制。控制和自治系统扮演着重要的角色在日常生活任务(32,33]。模糊控制是基于模糊逻辑实现的。模糊算法基于逻辑的智能系统中的步骤如下:(1)模糊化;(2)模糊基于逻辑的推理规则;和(3)去模糊化,这是空间性讨论的文献[34]。最有用的和广泛使用的涉及三角形隶属度函数是由方程(1)。表1定义了最小模糊推理规则,在当前纸,用于三个变量 , ,和 。图5表明我们的模糊逻辑工具箱将操作中我们有三个输入:前方障碍物距离(FOD),左障碍距离(LOD)和右障碍物距离(杆),而输出是左和右马达速度。在此逻辑实现的规则如图所示6。系统的控制器是使用模糊逻辑工具箱创建的。轮椅模型的电机和模糊控制器被添加到仿真软件环境测试计划系统的可行性。
将规则应用于操作轮椅避障。前面,左障碍距离近,媒介,模式。然后,输出是在低、快速、中速模式。检查规则实现图7也会显示。下面的输出如图8,当一个输出是LMS(左电机速度)和RMS(右电机转速)。
3所示。机械设计和计算
致动器,直流齿轮电机,和一个线性直流电机是用于创建站轮椅。stand-to-sit反之亦然的变换,线性直流电机,而直流齿轮电机用于前进,后退,转弯。每个病人的座位有一个线性直流电机。轮椅设计这样一个线性直流电机推轮椅座位,允许用户从站坐着。线性直流电机的最大长度为255毫米。线性直流电机的速度响应不应该如此之快,它危及病人的安全。我们创建了我们的轮椅以这样一种方式,它可以帮助脊髓损伤患者克服相关的健康问题长期使用轮椅。在图9,我们代表轮椅硬件中给出了框架的样子坐和站的位置。
姿态变化过程中坐着,站着,直线电机扩张和连杆锁。站的直线电机驱动链接,整个结构可以看作是由8移动部件,9双低,高2双,如图10。e, f, g是固定的点上轮椅,h, c和d构成一个平行四边形机构,和b的吊点在图所示的线性致动器11。
自由度的决心,我们使用链接的数量,数量的低副关节,和更高的数量对关节。景深可以计算从以下方程:
将变量值,计算自由度是1。参数用于直线电机的最大距离是执行机构的角度和距离从致动器轮椅端点。 在哪里 角传动装置的弧度 距离轮椅端点的致动器。
最大距离通过运动而扩大范围从180毫米到255毫米80°的角度从方程(3)。
安全系数(FoS)提交的任何力学模型是容许应力最大应力的比值,可以确定使用以下方程。
碳钢的极限应力6毫米厚度为415 MPa。
寻找帧的质量,我们使用以下方程:
4所示。结果与讨论
4.1。设计模拟和计算
在机械计划,基本结构已经决定通过建立和处理数值模型运动学机制。的景深的特点是记住线性致动器使站位置合理。最大的扩展使站在起点的位置是255毫米80°的基线。这个扩展是一个理想的高度直线电机保持重心稳定,并保证结构的安全与稳定。该计划准备进行了利用CAD计算机程序SolidWorks如图12。
与人类的40和100公斤,仿真的输出•冯•米塞斯应力安全系数和位移。数据13和14轮椅的自由体图显示多大的力是应用于每一个点。
根据上面的计算使用方程(8)和(9)的最小强度直线电机执行一个理想的站立位置981 N加载和初始角的80是1338.51 N。
压力是因为座位在框架上的重量等于80 n - m。
许用应力的计算可以通过使用以下方程: 在哪里C= =的行动 和我=惯性矩。
我可以使用以下公式:
•冯•米塞斯推的计算方法是用ANSYS程序,和颜色程度表明水平的推动。渐变的颜色从蓝色到红色。蓝色表示最小的压力,而红色表示中度到高应力。图15显示的结果•冯•米塞斯应力加载100公斤。最大的结果将研究和安全负载将使用电动轮椅。底部框架最压力的经历。这么高的压力是由于组件限制的线性直流电机的力,这电梯坐一站的位置。
4.2。实现的硬件模型
外活动堆栈的价值,我们利用SolidWorks有限元分析为981 N。景深特征,确保班轮驱动器使站正电子公平。站立位置,最大扩展是255毫米的起点为80°的平线。一般来说,理想的位置直接发动机重心保持稳定保障的安全与稳定构成改变了结构。至少需要直接引擎价值提升堆栈是1338.5 N。数据16和17显示坐着轮椅在操作站的位置,分别。三个组件是用于创建站轮椅:一个致动器,线性直流电机,直流齿轮电机。stand-to-sit反之亦然的变换,线性直流电机,而直流齿轮电机用于向前,向后,。一个线性直流电机存在病人的两侧的座位。通过把座位线性直流电机,轮椅的设计允许用户从站坐着。
5。结论
基于电动轮椅站的调查进行的设计,它可以得出的结论是,电动轮椅站计划是由一个控制源(景深= 1)达到基本解除,运动能力最直接的发动机栈容量为1338.5 N。电动轮椅站的计划和计算与有限元相匹配。结构的基本观点已被证明是安全的基于安全系数值。提出改善当前电动轮椅站设计比现有的可以概括为,(我)完美的结构位置,综合鲁棒模糊速度控制,和实际直线电机定位带来改变。(2)最极端的扩展直接引擎的扩展范围从180 mm到255 mm时一个介绍性的角度80°的基线。(3)它利用简单的结构和仪器测量,所以这将是容易构建在一个小车间。
电动轮椅站计划可以承受持久的体重高达80公斤,不建议使用在病人体重超过80公斤。80公斤的重量,安全系数是2.08,在85公斤的重量,安全系数的估计是1.96。电动轮椅站的发展包含在活动堆栈,所以安全系数的最小值必须等于2。此外,电动轮椅站包括一个fuzzy-based速度控制方案FOD的时候,LOD,杆控制LMS和RMS。同时,线性控制器提供了坐着和站着阵地控制。拟议的电动轮椅站预计将帮助患者脊柱创伤减少的一些健康问题造成的长时间坐在轮椅上。
6。建议和未来的工作
提出了轮椅设计的不足和可能的措施,进一步加强这项工作在未来下面列出:(我)描述程序控制框架基于结构机制的结果。(2)制作一个模型的电动轮椅站同意的计划建议以及夹杂物联网——基于(物联网)的控制和监测。
未来的研究/设计等multi-pose工作可以躺的位置或改变框架更适合受损的个人的和舒适的。因为有许多现有的电动轮椅站计划,这项研究是一个公平的其中之一。
数据可用性
使用的数据来支持本研究的结果包括在本文中。
的利益冲突
作者宣称没有利益冲突。