基本信息
- 項目名稱：
- 全地貌自平衡擔架車
- 小類：
- 機械與控制
- 大類：
- 科技發(fā)明制作B類
- 簡介：
- 該擔架車用于抗震救災中，在野外無路情況下救護傷病員。該擔架車是一個集環(huán)境感知、動態(tài)決策與路徑規(guī)劃、行為控制與執(zhí)行等多種功能于一體的綜合體?？稍趷毫拥沫h(huán)境下工作,傷病員在運輸?shù)倪^程中身體始終保持水平，并可進行實時導航和定位，以減少救援人員在救援過程中受到的二次傷害。
- 詳細介紹：
- 該擔架車用于抗震救災中，在野外無路情況下救護傷病員。其工作原理是通過陀螺儀來檢測擔架的重力垂直度信號傳給單片機，并通過單片機產(chǎn)生脈沖信號驅(qū)動伺服電機，由伺服電機調(diào)整角度來控制擔架車的前后和左右四個方向的水平，在靜止的情況下，使傷病員的身體在擔架上始終保持±1°以內(nèi)的搖擺度，在移動的情況下，使傷病員的身體在擔架上始終保持±3°以內(nèi)的搖擺度。該擔架車是一個集環(huán)境感知、動態(tài)決策與路徑規(guī)劃、行為控制與執(zhí)行等多種功能于一體的綜合體?？稍趷毫拥沫h(huán)境下工作、進行實時導航和定位，以減少救援人員在救援過程中受到的二次傷害。
作品圖片
作品專業(yè)信息
設(shè)計、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標
- 目的該擔架車用于抗震救災中，在野外無路情況下救護傷病員，其基本思路是通過兩個疊加的倒立擺控制擔架的自平衡。主要創(chuàng)新點：（1）通過陀螺儀對支架重力垂直度進行檢測, 電機驅(qū)動兩個疊加倒立擺，以簡單的結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了全向自平衡功能。（2）擔架上安裝了彈簧門鎖裝置，使得擔架牢牢固定于車體上，同時車體上配備了醫(yī)療設(shè)備。（3）車頂部安裝了可折疊支撐架，可蓋上防曬遮雨帳篷，既不占用空間，又適應各種各樣的氣候作業(yè)。（4）擔架車實現(xiàn)了自主導向功能,采用了蝸輪蝸桿傳動減速裝置解決了車體的轉(zhuǎn)向問題。 技術(shù)關(guān)鍵：（1）解決陀螺儀輸出信號與步進電機驅(qū)動脈沖信號 轉(zhuǎn)換問題。（2）解決自平衡系統(tǒng)的全地貌調(diào)控問題。（3）解決減震系統(tǒng)與自平衡智能系統(tǒng)之間的配合問題。（4）解決車體轉(zhuǎn)向問題。 主要技術(shù)指標：（1）主要尺寸為： 車體全長130cm，寬度70cm，高度90cm，輪距50cm，軸距80cm，承載能力：75kg 彈簧減震系統(tǒng)減震距離收縮距離：10—30mm 擔架可調(diào)整最大傾斜角度：±25°。（2）傾角模塊性能： 量程±15—60度（雙）±180（360）度（單） 分辨率0.1度 提供多種輸出信號 支持各種電源電壓，工作范圍廣 零點自動設(shè)定功能（3）行走機構(gòu)部件選擇： 驅(qū)動電機功率：36V700W 轉(zhuǎn)向電機功率：6V40W
科學性、先進性
- 1） 目前國內(nèi)外對于自平衡控制的研究已經(jīng)具備一定的基礎(chǔ)，但研究均停留在單軸兩輪或者是一個方向上的平衡，對于控制全向自平衡控制這方面的研究，在國內(nèi)外都比較少。本項目通過前期在機器人應用實驗室所取得的一些關(guān)于自平衡控制的系統(tǒng)研究成果，結(jié)合機電技術(shù)實驗中心所掌握的先進制造設(shè)備與技術(shù)優(yōu)勢，展開研究。最終實現(xiàn)了自平衡擔架車的全向自平衡控制和功能樣品的制作。（2）該擔架車采用的全向自平衡控制系統(tǒng)是一個復雜的、不穩(wěn)定的、非線性系統(tǒng)，是進行控制理論教學及開展各種控制研究的平臺。自平衡系統(tǒng)的研究能有效的反映控制中的許多典型問題：如非線性問題、魯棒性問題、鎮(zhèn)定問題、隨動問題以及跟蹤問題等。其控制方法在軍工、航天、機器人和一般工業(yè)過程領(lǐng)域中都有著廣泛的用途，如機器人行走過程中的平衡控制、火箭發(fā)射中的垂直度控制和衛(wèi)星飛行中的姿態(tài)控制等。
獲獎情況及鑒定結(jié)果
- 該作品在2010年全國大學生機械創(chuàng)新設(shè)計大賽中榮獲一等獎。
作品所處階段
- 中試階段
技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式
- 已申報國家發(fā)明專利保護，可采用轉(zhuǎn)讓專利方式轉(zhuǎn)讓技術(shù)。
作品可展示的形式
- 實物、產(chǎn)品 ，現(xiàn)場演示，圖片，錄像
使用說明,技術(shù)特點和優(yōu)勢,適應范圍,推廣前景的技術(shù)性說明,市場分析,經(jīng)濟效益預測
- 使用說明：（1）陀螺儀采集擔架平衡信號。（2）單片機接受陀螺儀采集的信號。（3）單片機處理信號，控制步進電機。（4）步進電機經(jīng)減速器產(chǎn)生扭矩轉(zhuǎn)動平衡架，保持擔架 平衡。技術(shù)特點和優(yōu)勢：自平衡擔架車的研制旨在從人——機器人構(gòu)成的自平衡智能系統(tǒng)的層面上建立一種有效的控制構(gòu)架，實現(xiàn)擔架車在非結(jié)構(gòu)環(huán)境里的自平衡搬運任務。適應范圍及推廣前景：自平衡擔架車作為特種作業(yè)智能機器人的一種，本課題的研究為移動機器人系統(tǒng)在地震，甚至消防探測、泥石流、臺風、礦難等災難后的救護應用提供了有益的嘗試。其控制方法在軍工、航天、機器人和一般工業(yè)過程領(lǐng)域中都有著廣泛的用途，如機器人行走過程中的平衡控制、火箭發(fā)射中的垂直度控制和衛(wèi)星飛行中的姿態(tài)控制等。市場與經(jīng)濟效益分析： 自平衡機器人的發(fā)展是機器人發(fā)展的新的研究領(lǐng)域和產(chǎn)業(yè)化方向，本自平衡擔架車的研制正是順著自平衡機器人發(fā)展的方向做出的大膽、有益的嘗試，有著其深廣闊的發(fā)展前景及巨大的經(jīng)濟效益
同類課題研究水平概述
- 2002年，瑞士聯(lián)邦工業(yè)大學的Felix Grasser等研制出可遙控的兩輪自平衡機器人Joe，其最大運動速度可以達到1．5 m／s，超過了人的行走速度。由于兩輪平行布置，每輪各裝有一個直流電機驅(qū)動，Joe能穩(wěn)定地做U型回轉(zhuǎn)。設(shè)計者采用解耦狀態(tài)空間控制器來使系統(tǒng)保持平衡，他們認為自適應模糊控制可以使Joe的抗干擾能力提高，控制品質(zhì)上升。 2002年，美國Segway公司研制的Segway HT，控制系統(tǒng)由陀螺儀組、傾角傳感器、嵌入式計算機和電機構(gòu)成，平衡時每10ms檢測駕駛者重心位置一次；沒安裝剎車和加速系統(tǒng)，車速完全由駕駛者重心位置決定；能在濕漉地面和雨雪天氣時使用(雪天采用snow tires更平穩(wěn)、安全)。此款產(chǎn)品的特點是：自我平衡能力(五個陀螺儀同時工作提高系統(tǒng)精度和可靠度)；運行中智能充電系統(tǒng)；高科技機電系統(tǒng)如固態(tài)陀螺儀和無刷直流伺服電機：用于容錯的冗余系統(tǒng)。近年來，在兩輪自平衡機器人的研究上，我國也取得了一定的成就。中國科學技術(shù)大學研究出了自平衡兩輪代步電動車。自平衡電動代步車是一種兩輪式左右并行布置結(jié)構(gòu)的具有自平衡系統(tǒng)的電動車。利用倒立擺控制原理，使車體始終保持平衡。在車體內(nèi)嵌入式CPU的控制下，采集平衡傳感器以及速度、加速度傳感器的數(shù)據(jù)，通過建立的系統(tǒng)數(shù)學模型和控制算法，計算輸出PWM信號，自動控制兩個伺服電機的轉(zhuǎn)矩，使車體保持平衡并能夠根據(jù)人體重心的偏移，自動前進、后退及轉(zhuǎn)彎。該車時速可達10公里，可連續(xù)行駛里程約30公里。 由此可見，目前國內(nèi)外對于自平衡控制的研究已經(jīng)具備一定的基礎(chǔ)，但研究均停留在單軸兩輪或者是一個方向上的平衡，對于控制全向自平衡控制這方面的研究，在國內(nèi)外都比較少。本項目通過前期在機器人應用實驗室所取得的一些關(guān)于自平衡控制的系統(tǒng)研究成果，結(jié)合機電技術(shù)實驗中心所掌握的先進制造設(shè)備與技術(shù)優(yōu)勢，展開研究。實現(xiàn)自平衡擔架車的全向自平衡控制和功能樣品的制造方案是可行的。
