随着社会和经济的发展，一栋栋高楼大厦平地而起，而在现实生活中，这种现象都已经严重地影响到了许多老年人和肢体行动不便的人。轮椅作为他们主要的行动工具，由于高楼的存在限制了他们的生活。为了保障老年人和肢体不便者的基本生活和针对现在市场上存在的轮椅，我们打算设计一款电动爬楼梯，他不仅具有自动爬楼梯功能，同时还能帮助使用者做一些简单地康复运动。首先，本论文先对国内外爬楼梯机器人的研究成果进行了概述，并对基于轮-履变结构的轮椅式服务机器人设计进行了研究。根据所设计的基于轮-履变结构的轮椅式服务机器人机械结构，对其进行了运动学与动力学力分析。在不同路面的运动情况，在结合轮椅式服务机器人相关的设计要求，从而确定控制系统的总体控制方案；通过对电机的模拟仿真来确定电机的性能曲线，采用MATLAB软件对电机控制的PID控制进行仿真，从而得到PID的最佳参数；在此基础上设计控制系统的硬件，轮椅式服务机器人控制系统中有两个AT89C51单片机、一个作为地盘的控制核心，另一个作为轮椅的控制核心，多个电机驱动芯片、电源模块，倾角传感器等，最后对控制系统的软件部分进行了设计，得到控制系统的具体程序代码。关键词爬楼梯轮椅机器人；运动分析；电机驱动；PID
目录
第一章 绪论 1
1.1轮履变结构轮式服务机器人研究背景 1
1.2轮履变结构轮式服务机器人国内外研究现况 2
1.2.1 国外研究现况 2
1.2.2 国内研究现况 3
1.3基于轮履变结构轮式服务机器人研究意义 4
1.4主要研究内容 4
第二章 控制系统设计总体方案 6
2.1爬楼梯轮椅机械结构图 6
2.2爬楼梯机器人运动分析 7
2.2.1平坦路面运动分析 7
2.1.1爬楼梯状态下的运动分析 8
2.1.3轮椅运动分析 11
2.2控制需求 12
2.3总体控制方案框图 12
2.4 小结 13
第三章 爬楼梯机器人控制系统的硬件设计 14
3.1人机接口模块 14
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3.2核心控制器 14
3.4电机驱动模块 18
3.5速度采集模块 19
3.6小结 21
第四章 爬楼梯机器人控制系统的软件设计 22
4.1 PID算法 22
4.2 PID参数确定方法 23
4.3 PWM调速 28
4.2.1 PWM调速控制的基本原理 28
4.2.2 PWM电机调速 29
4.3小结 30
结论 31
致谢 32
附录 35
第一章 绪论
1.1轮履变结构轮式服务机器人研究背景
随着时代的发展和人口的增多，人类的生存空间在不断的减少。在全球人口数量日益增长的今天，我们已经将生活的空间延伸到天空中，高速发展的经济为我们生活质量的提高和生活空间的扩大提供了坚实的基础。在今天，随处可见的高楼大厦已经成为城市的标志，它满足了我们对生活空间的需求，提高了我们的生活质量。在我国，我们到处都可以看见林立的高楼。在大城市中，基本上每栋楼都配有电梯，但是在很多地方由于经济的限制，并不具备安装电梯的条件，还是要依靠爬楼梯来上下楼。这样，对于许多的老年人和行动不便的残疾者来说高楼并没有提高他们的生活质量，反而给他们带来了许许多多的不便之处。例如每当要出门买东西时都要爬上爬下花费大量的时间和精力。对于那些行动有困难的人，他们的生活就会被局限在他们那个小小的“监牢”中，被四周的混凝土所拘束，限制他们与外界的交流。这些不便会给他们带了许多的问题，会严重影响他们日常的生活。在现实生活中，老年人和肢体行动不便者他们最常用的代步工具就是轮椅，轮椅是他们日常生活中的好伙伴可，借助轮椅他们可以参与社会活动和一些简单的锻炼，甚至可以帮助他们实现康复。但是目前市场只有普通轮椅和简单的电动轮椅，它们结构简单，功能单一，并不能很好的完成使用者想完成的任务，仅仅只是老年人和残疾者的代步工具。只能在室内和平坦的地面上行走，在面对斜坡和楼梯等坡度较大的地形时，普通轮椅和一般的电动轮椅就失去了最基本的功能。因此，设计一款既能爬楼梯又具有康复功能的电动轮椅就很具有现实意义。
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图11 市场上普通轮椅 图12 市场上普通电动轮椅
1.2轮履变结构轮式服务机器人国内外研究现况
目前市场上的普通轮椅和普通电动轮椅种类很多，但他们又拥有一个共同的缺点：只能在物障碍的室内或者平坦的地面上行走。为了解决每当面临着障碍物或者楼梯口时就显得无能为力这一问题，现在的轮椅已经向着智能轮椅方面发展，智能轮椅融合了多个领域的研究成果，例如机械、电气、控制、传感器、人工智能等。这些科学领域的融合使智能轮椅具有较好的交互性、适用性和自主性等优点。智能轮椅是在普通轮椅的基础之上加以改造的，往往加上一些控制系统（电脑和传感器）和对座椅进行改造。
1.2.1 国外研究现况
轮履变结构轮式服务机器人也被称为智能轮椅，将智能机器人技术应用在电动轮椅的基础之上，在融合机器视觉、机器人导航定位和人机接口等多领域技术。一开始，只是赋予轮椅低级控制，例如简单的运动、速度控制及避障功能。随着科学技术的发展，智能轮椅有了更好的交互性、适应性和自主性。智能轮椅的研究最早始于1986年，由Jaffe负责的smart wheelchair项目中，利用两个超声波传感器测定人的头部运动位置以此来实现通过头部姿态来控制轮椅在室内和平坦路面上的运动[7]。经过大量研究人员30年的努力，国外相继出现了许多的智能轮椅平台，例如麻省理工学院WHEELSLEY、法国VAHM智能轮椅项目[7]。
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图13 麻省理工学院WHEELSLEY 图14法国VAHM智能轮椅项目
图13为麻省理工智能实验室的自能轮椅威尔斯利[4]。它是一款半自主式机器人轮椅，配有计算机控制和传感器的电动轮椅，还装有一个用于人机交互的Macintosh笔记本电脑.系统有两种控制级别：高级方向指令和低级计算机控制路线，用户拥有最高控制权[4]。
图14为法国的VAHM项目[4]。该智能轮椅由轮椅、PC486、超声波传感器、人机界面和一个可匹配用户体能力转换的图形屏幕组成，可设置为手动、半自动、自动三种模式。手动时轮椅执行用户具体指令和行动任务；半自动用户和轮椅共同参与控制；自动模式用户只需要设定目标，控制系统将会控制轮椅的运动。该轮椅适应能力强，功能多，控制系统更加稳定[4]。

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