助行产品

助行产品（共5篇）

助行产品 篇1

摘要：人口老龄化给我国带来了严重的社会问题, 老年人的养老问题便是其中主要问题之一。现今, 我国专为老年人设置的机构和专业服务都处于匮乏状态。本文希望通过关注老年人的生理和心理需求, 深入研究人性化设计在老年人助行产品中的应用, 提出一套较为完整的老年人助行产品人性化设计的原则从而在一定程度上缓解我国养老问题所带来的压力。

关键词：人口老龄化,助行产品,人性化设计

人口老龄化, 是当今世界所要面临的严重问题之一, 会对社会产生深远影响。人口老龄化, 是指老年人在总人口中的相对比例上升。按照国际通行的老龄社会标准, 60岁以上的人口比率超过总人口的10%或者65岁以上的人口比率超过7%, 就称为“老龄化社会”, 而当60岁以上人口比率超过20%或者65岁以上人口比率超过14%, 称为“老龄社会”。

在中国, 60岁以上老年人口数接近2亿大关, 占总人口数的13%, 且这一比例正在快速上升。到本世纪中叶, 老年人口将超过4亿, 占全国总人口的四分之一左右。进入老龄化社会以来, 我国呈现出老年人口基数大、增速快、高龄化、空巢化趋势明显的态势, 给社会造成了巨大压力, 带来了诸多方面的问题。面对这样一个日益庞大的老年群体, 加上我国未富先老的国情和家庭小型化的结构叠加在一起, 养老问题异常严峻, 解决这个问题则刻不容缓。

随着年岁的增大, 老年人的生理和心理机能都出现了不同程度的衰退, 行动障碍尤为明显, 增加了生活难度, 生活范围受到限制。在日常生活中经常会遇到一些障碍, 有时不得不借助于拐杖、轮椅等外界辅助器材, 才能完成日常生活中的基本行为, 或者保护其不受到伤害, 如对膝盖的磨损或易跌倒后骨折。另一方面, 中国家庭结构正朝小型化、核心化方向发展, 空巢家庭增多。子女一般忙于工作, 无暇照顾老人, 老人的身心也得不到关注。如果长期不出门, 很少与外界交流, 就容易产生孤独感, 有损心理健康。所以, 老年人应该多多地参加户外活动, 多与外界交流沟通, 对于腿脚不便的老年人来说, 助行产品便是老年人与社会与外界联系的一个重要工具。因此, 对助行产品的设计研究非常必要, 这样不但有助于缓解人口老龄化带给社会的压力, 还能促进国内“银色市场”的发展, 拉动经济效益。

助行产品, 即辅助行走的器具, 是辅助人站立与行走的工具与装置。助行产品的种类很多, 按其具体结构和功能, 可将其分成单臂操作助行器和双臂操作助行器两大类。其中单臂操作助行器以拐杖为主, 双臂操作助行器则分为框式、交替步进式、轮式、前臂支撑式助行器等。国外对此类产品研究较早, 以欧美和日本为代表。他们针对老年人运动障碍的程度不同与生活环境差异, 运用现代高科技研发出各类型助行产品。例如, 日本铃木汽车集团专为老年人与残疾人设计的电动车;美国福特公司设计的方便老年人上下、安全舒适、仪表盘清晰易读的老年交通产品。国内对老年人助行产品的研发尚处于起步阶段, 远远滞后于社会老龄化的发展速度, 且没有系统的产品设计原则与方法。

随着人们生活水平的提高, 社会对健康理念的传播, 老年人对助行产品的要求也越来越高, 不再停留在满足基本的出行功能上, 而是更加关注自身的安全健康, 关注人的价值与自我实现上。而我国市场上大多是普遍适用型产品, 真正为老年人量身定做的助行产品少之又少。设计人员在设计过程中很少考虑到老年群体的具体需求, 以致于现有的助行产品在设计上存在很多亟待解决的问题。第一, 安全性问题。随着年岁的增长, 老年人的力量越来越小, 身体协调性也越来越差, 应尽可能为其减轻负重, 增强助行产品的稳定性。第二, 新科技、新材料极少得到应用。第三, 结构与操作界面有待改进。第四, 借鉴国外优秀设计的同时, 也需考虑到我国老年人的生活环境与身体状况。总之, 设计师在设计过程中应该始终坚持“以人为本”的设计思想, 即“以老人为本”, 将人性化的的设计理念应用到老年人助行产品的设计当中, 从他们的生活形态出发, 研发出尽可能满足其需求的产品, 给予老年群体更多的人文关怀。这样不仅能改善老年人出行困难的情况, 还能提高其生活质量, 使其能充分享受生活的乐趣。

人性化设计是指在设计过程当中, 根据人的行为习惯、生理结构、心理情况和思维方式等, 在原有设计基本功能和性能的基础上, 对产品进行优化, 是科学与艺术、技术与人性的结合。是对人的生理和心理需求的尊重与满足, 是对人性的尊重, 是设计中的人文关怀。那么, 如何将人性化设计理念应用到老年人助行产品上呢?需要遵循以下的几个原则。

第一, 安全性原则。随着年岁的增加, 老年人的生理机能会出现不同程度的衰退。所以, 专为老年人设计的产品要格外注意其安全性能, 无论是材料还是结构都不能存在任何的安全隐患。作为这样一个弱势群体, 他们的内心是极其缺乏安全感的, 这就要求设计师通过各种方法来获取老年人的信任, 传递给他们一种“安全感”, 如色彩与材料的选择、结构的组合方式等。

第二, 人机工程学原则。由于老年人生理机能的衰退, 辅助他们从事日常行为的器具将会作为他们的“伴侣”, 陪伴他们到生命的尽头。设计师需要遵循老年人的生理特征, 设计出更适合他们, 让他们感到舒适的的产品。

第三, 多功能性原则。由于记忆能力的下降, 老年人在出门时经常丢三落四, 加上体能较弱, 所以在助行产品的设计上有必要添加一些其他功能, 如增加座椅以供中途休息, 增加医药箱以备不时之需, 增加收音机等娱乐设施以便休闲, 等等。需要注意的是, 这些附加功能的结构应合理设计, 不能成为助行产品的“累赘”, 影响其主要功能。

第四, 与环境的协调性原则。设计当中需要考虑到助行产品将来的使用环境, 也需要考虑到我们的生存环境。设计师应树立正确的环保意识, 并将这个意识贯穿到设计的每个环节当中。例如, 尽可能选择可回收可再生的材料, 部件可拆卸、易维修等。

第五, 情感性原则。对于这样一个老年人将长期使用到的产品, 设计师应多从老年人的心理需求出发, 设计出符合他们审美观, 满足他们情感需求, 充满人文关怀的产品。让它不只是一个工具, 更是他们生活中一个非常好的“伴侣”。

人性化设计的理念没有确切的开始, 也不会终结, 它是产品设计的发展趋势。研究人性化设计理念在老年人助行产品上的应用有很重要的意义, 不仅能够提高老年人的自助能力, 还能有效缓解我国养老问题所带来的社会压力。S

参考文献

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[2]何晓佑, 谢云峰.人性化设计[M].江苏:江苏美术出版社, 2001.

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[4]闫启文, 郭法宝.浅谈产品设计中人性化设计的发展趋势[J].美术大观, 2010 (10) :128.

扶老助行 关爱“三无”老人 篇2

高木斗副书记在讲话中指出，老年人是新中国经济社会发展的奠基者和见证人，他们呕心沥血、艰苦创业、任劳任怨、无私奉献，把自己的青春献给了新中国的建设事业。尊老敬老是我们中华民族的传统美德，保障老年人共享经济社会发展成果，是落实以人为本的科学发展观的应有之义。福彩事业是一项公益事业，爱心事业，“福彩扶老助行”活动的开展，就是为在全社会倡导尊老、扶老、爱老和助老的精神风尚再添心意。关爱社会弱势群体是全社会共同的义务，大家都应当伸出援手，帮助这些特别需要帮助的人。希望社会各界积极行动起来，关爱弱势群体，支持福彩事业，大力弘扬中华民族的优良传统，为构建城乡秀美、文化繁荣、民生殷实、社会和谐的新菏泽做出新的贡献！

此次活动是由菏泽市民政局、市福彩中心联合举办的一项公益慈善活动，自2011年起，已连续举办两届，收到了良好的社会效果。本次活动使用30万元福彩公益金，在全市范围内选择170名60岁以上的城镇“三无”老人、低保特困老人为受助对象，为每位老人发放专用电动三轮车一辆，解决他们的出行难问题。发放的车辆是由生产厂家受菏泽市民政局、市福彩中心委托，开发研制的一款专用老年三轮车，具有很强的针对性和实用性。发放仪式上，来自牡丹区、开发区的38名老人现场领取了电动三轮车。活动现场还为老年朋友们送上了精彩的戏曲名段和《留住农村老人最美瞬间》摄影图片展。仪式结束后，八辆装满专用三轮车的卡车，承载着爱心与关怀分别驶往县城。

刘 麟

建井时期斜巷行人助行器的改进 篇3

关键词：建井时期,行人助行器,斜巷施工

随着开采年限的增加, 巷道不断延伸, 采掘人员从入井到抵达作业场地, 往往需要1 h以上甚至更长时间。对于工作面附近的很多中短距离大倾角巷道, 特别是建井时期所施工的主斜井、采区上下山巷道, 由于不具备安装轨道乘人车和架空乘人车的条件, 而人员又上下往来频繁, 造成从业人员极大的体能消耗, 同时不利于安全生产, 建井时期斜巷施工行人的难题亟待解决。

平煤五矿己四采区地质条件复杂, 岩层压力大, 已施工过的巷道变形严重。针对面临的实际情况, 中平能化集团建井三处借鉴国内先进的助行器技术, 对建井时期斜巷行人助行器进行了改进。

助行器是矿山井下运输设备, 适用于矿山井下坡度45°以下的巷道上坡行人, 助行器采用无极绳绞车钢丝绳循环运行, 行人手握助力杆并使用助力杆卡住钢丝绳带动行人上坡, 以减少行人上坡的体力消耗。本文涉及的矿用斜巷行人助行器, 是根据RZX11.4-20/1500型矿用斜井助行器的有关参数改进而成的。

1 助行器主要组成部件

(1) 驱动装置。

选用矿用JD-11.4调度绞车, 驱动功率11.4 kW。矿用调度绞车是矿山企业常用的设备, 资源丰富便于采购, 配以适当直径的驱动轮, 用以实现需要的运行速度。①绞车型号JD-11.4, 减速比41;②防爆电动机型号YBJ-11.4, 功率11.4 kW (380/660 V) , 转速1 460 r/min;③钢丝绳型号为6×19-Ø12.5-1570;④驱动轮Ø400 mm。

(2) 托绳装置。

主要由托轮支架、下托轮、上托轮、防掉绳装置等组成。托轮支架采用80 mm×80 mm×4 mm型方钢, 用等强树脂锚杆固定在巷道壁一侧, 并能调整托轮支架的位置, 易于安装。

(3) 托 (压) 绳装置。

主要由托 (压) 绳轮支架、托绳轮组成。改进的托 (压) 绳装置能对运行的钢丝绳起到很好的限位和固定作用, 从而使整个助行器系统运行平稳, 安全可靠。

(4) 机尾张紧装置。

主要由滑车、尾轮、滑架、定位器、紧绳器等组成。改进后的机尾紧绳装置结构紧凑, 简便易行。安装时不需要基础, 采用树脂锚杆固定方式, 节约人力物力, 经济实用。

(5) 助力杆。

由Ø20 mm钢筋弯曲加工而成, 行人就是靠助力杆得到钢丝绳的牵引力, 达到节省体力的目的。

(6) 防掉绳辅助装置。

该装置是为了防止运行的钢丝绳从滚轮上脱落而设计的。防掉绳辅助装置必须运转灵活, 保证助力杆能够自由通过。

(7) 安全保护装置及电控装置。

安全保护装置包括机头越位保护、闭锁保护。在机头安装有越位保护, 在机头只要行人越位, 保护装置即会控制驱动电机使之停止。斜巷提升绞车与斜巷行人助行器电气上实现闭锁, 二者只能运行其一, 为斜巷安全提升奠定坚实的基础。电控系统的主电路中有1台馈电开关和1台电磁启动器, 电源采用井下660 V动力电源。在机头设1个控制按钮, 用于实现设备的正常启动和停止, 同时也设置有启动预警系统。

助行器的基本性能参数见表1。

2 助行器的安装与调试方法

(1) 绞车基础规格为1.2 m×1.2 m×1.2 m, 采用C30混凝土, 混凝土浇筑后养护7 d。基础验收合格后, 再进行驱动装置的安装。安装时必须拉上中心线, 机头、机尾及各托压轮的安装中心线必须在同一竖直平面内。

(2) 托绳装置、托 (压) 绳装置的安装。先用树脂锚杆将机头、机尾支架及托轮支架固定在巷道侧面同一标高线上, 固定支架的树脂锚杆选用Ø20 mm的等强树脂锚杆, 旋入巷道的深度不能少于500 mm。安装托绳装置、托 (压) 绳装置时, 由测量人员给出巷道的标高及腰线, 确定所有树脂锚杆的位置。统一打好树脂锚杆后, 再安装托轮支架, 利用树脂锚杆和方钢支架, 可以自由调整位置, 以满足各种巷道的安装要求。最后再把各托压绳轮装上。第1个托 (压) 绳装置安装在距驱动绞车约3 m位置, 以后每隔10 m安装1道, 直至机尾, 最后一道距机尾约1.5 m。

(3) 牵引钢丝绳选用Ø12.5 mm钢丝绳, 长度根据巷道实际截取, 按要求接好接头。

(4) 机尾张紧装置用Ø20 mm的树脂锚杆固定在巷道底板和巷道壁一侧, 底板固定树脂锚杆长1.5 m, 实际旋入巷道深度不小于1.0 m, 巷道一侧固定树脂锚杆实际旋入巷道深度不小于0.5 m。安装机尾张紧装置时, 首先接好钢丝绳, 依据钢丝绳的实际长度确定机尾紧绳装置的位置。在巷道底板和巷道壁一侧打入树脂锚杆, 固定好机尾紧绳装置, 以后可以根据钢丝绳的使用情况, 利用滑车、紧绳器、定位器等调整钢丝绳的张紧度。

(5) 电控系统的安装。主电路中有馈电开关、电磁启动器各1台, 电源采用井下660 V动力电源。在机头设1个控制按钮, 控制助行器的启动和停止。

(6) 在机头安装越位保护。在机头只要行人越位, 保护装置将控制驱动电机停止运行。

(7) 启动预警系统的安装。预警电铃由井下127 V信号照明电源供电, 在机头和机尾各设置1个预警电铃和预警电铃按钮, 按下按钮, 机头、机尾的电铃都将有预警电铃声。

(8) 安装完毕后, 必须详细检查各活动件, 如托绳轮、尾轮、挡绳杆等, 确保活动自如。

(9) 对助行器全面检查后, 试运转, 空负荷运转1～4 h, 再检查调整各零部件的安装情况, 直至正常。通过相关部门验收, 方可投入正式使用。

3 助行器的技术要求

(1) 绞车安装时, 其滚筒中心线与设计中心线高度偏差不大于5 mm。

(2) 尾轮纵横中心线对设计中心线偏差不大于2 mm, 绳槽中心线必须与出入侧牵引绳的理论中心线吻合, 偏移不得大于牵引绳直径的1/10。

(3) 尾架安装中心线直线度不大于1/1 000, 平行度不大于0.5/1 000, 高度差不大于3 mm。

(4) 安装后, 全线中托绳轮槽和压绳轮槽的中心线应在同一直线上, 其偏差不大于2 mm;全线中托绳轮槽和压绳轮槽的顶面高度差不大于2 mm。

(5) 钢丝绳的接头编结长度为钢丝绳直径的1 000倍, 安全系数不小于6, 编结后的接头一般为不变径接头, 接头后的绳径不大于原直径的10%。

(6) 机头、机尾支架标高偏差不得大于±10 mm;托轮支架标高偏差不得大于±5 mm。

4 结语

通过技术改造的斜巷行人助行器, 更能适应井下各种条件下斜巷的应用, 便于安装, 简单易行, 是一种较为成熟、理想的斜巷行人助行装置。该方案的实施有利于节约资金, 节约设备配件费用, 便于维护, 解决了建井时期斜巷施工行人的难题, 填补了斜井人车和架空乘人装置尚未涉及的非主要倾斜巷道或大倾角主要倾斜巷道在巷道施工期间垂深超过50 m时机械运送人员的空白。

助行产品 篇4

随着科学技术的不断进步,人们研究各种各样的代步工具来改善老年人和残疾人的生活质量,提高老年人和下肢残疾人的行动自由度。

近几年,在外骨骼机器人领域,国内外学者投入了大量的研究时间,取得了一定的成果,如日本筑波大学的山海嘉之教授用了十几年的时间开发出的HAV系列外骨骼机器人[1,2],上海大学的钱晋武教授开发出的下肢康复外骨骼机器人[3]等,都达到了较高的研究水平。对于外骨骼机器人控制方法的研究,人们已经提出了多种方法,如基于肌电信号的控制方法、基于肌肉硬度检测的控制方法等[4],这些方法虽然取得了一定的成果,但是它的控制效果还是不够理想,因此,本研究提出的基于模糊PID的助行外骨骼机器人步态控制方法,不仅具有现实的社会意义,而且也具有一定的科学研究意义。

本研究拟结合老年人和残疾人的步态特点,应用模糊PID的控制算法,初步实现步行外骨骼机器人的步态控制。

1 助行外骨骼机器人

本研究设计了一种助行外骨骼机器人,它是专门针对下肢力量减弱的老年人和残疾人的助行装置,如图1所示。它由一对3自由度外骨骼机械腿、辅助框架、电机驱动器、限位开关、传感器和控制箱组成。为了提高行走的安全性,设计的时候在外骨骼机械腿上安装了可以随机器人移动的外围框架。每条机械腿有3个自由度,分别对应人腿的3个关节:髋关节、膝关节和踝关节。

外骨骼机器人控制系统框图如图2所示,本研究通过力传感器采集脚底受力情况,确定重心位置,判断机器人是否安全,利用限位开关保证每个关节在允许的范围内运动,通过光电编码器实时采集机器人关节角度的变化,采用模糊PID的控制算法,对电机进行实时控制,实现了机器人的步态控制,使机器人能够缓慢平稳行走。

2 模糊PID控制算法设计

外骨骼机器人控制的目标是使机器人能够按照理论规划的步态轨迹平稳行走。由于控制平台是数字化的DSP系统,在算法设计时,应该先对步态数据进行离散化处理,即将一个步态周期T分为若干个离散时间Δt。考虑到在电机的传动过程中和在机械腿的执行机构中必然存在误差的原因,机器人系统加入了编码器来实时采集关节的角度信息,然后反馈到控制器中,通过控制器的计算,实时减小因误差带来的实际步态与理论步态的差异。

机器人在行走时,从步进电机的输出到执行机构推动关节的过程,系统是非线性的,并且当步进电机的速度变化时,系统的误差也会变化,导致系统的数学模型也是不确定的,所以这里采用了模糊PID控制方法。模糊PID是在PID算法的基础上,通过计算当前系统误差E(k)和误差变化量ΔE(k),然后利用模糊规则进行模糊推理,最后查询模糊矩阵表进行PID参数的在线自整定[5]。

在Δt时间内,本研究将机器人的理论步态角度与光电编码器实测的步态角度的偏差以及偏差变化作为控制器的输入,机器人步态角度的增量作为控制器的输出。模糊PID控制结构框图如图3所示。

θ0(k)—当前时刻给定的步态角度;θ(k)—机器人关节处的当前实测步态角度;E(k)和ΔE(k)—当前时刻测得的关节步态角度误差和误差变化量;KP、KI、KD—模糊PID控制器的修正量;Δu(k)—PID控制器输出量。

本研究中的外骨骼机器人驱动器为步进电机,所以这里选择一般增量式PID控制算法[6],其传递函数为:

Δu(k)=kPΔE(k)+kIE(k)+kD[ΔE(k)-ΔE(k-1)] (1)

式中:E(k)和ΔE(k)—PID控制器的输入量,且ΔE(k)=E(k)-E(k-1)。

2.1 确定隶属函数以及输入量的模糊化

直线函数能够快速调整较大误差,钟形和Bell型函数变化平滑,有利于控制的平稳性[7]。为了保证机器人步态控制的准确性,这里采用了直线函数中的三角形隶属函数,如图4所示。

由于输入量具有相同的变化特性,它们采用了相同的隶属函数。为了便于模糊规则的确定,这里将三角形隶属函数的论域定位[-1,1]。所以需要先对输入量进行量化处理,使其在量化后的值在论域范围内。

机器人关节处的当前实测角度为θ(k),理论角度为θ0(k),则关节步态角度误差为:

E(k)=θ(k)-θ0(k) (2)

假设上一离散时间关节角度误差为E(k-1),则当前机器人关节角度误差变化为:

ΔE(k)=E(k)-E(k-1) (3)

本研究对输入量的量化处理方法如下:对机器人进行多次实验,记录每次实验的所有数据,经比较可以得到机器人关节处的每个离散时刻的E(k)和ΔE(k)的最大值,记为E(k)max和ΔE(k)max。根据实验测得的最大值,可以对每个通过光电编码器测得的关节角度值进行归一化处理:

e(k)=E(k)/E(k)max (4)

Δe(k)=ΔE(k)/ΔE(k)max (5)

当某次实验测得值大于E(k)max和ΔE(k)max时,可以将其视为最大值,在算法中是可以通用的。

在模糊控制规则中,e(k)和Δe(k)的模糊子集划分如下7个值:“负大”、“负中”、“负小”、“零”、“正小”、“正中”和“正大”,分别用NB、NM、NS、ZO、PS、PM和PB表示。

2.2 建立模糊规则表

模糊控制设计的核心是总结工程设计人员的技术知识和实际操作经验,建立合适的模糊规则表,得到针对KP、KI、KD 3个参数分别整定的模糊规则表[8],如表1～3所示。

2.3 解模糊化

由e(k)和Δe(k)的隶属度函数可知,当输入值一定时,本研究需要寻找一个可以最能代表模糊集合的精确量。这里笔者采用重心法来表示这个精确值[9]:

${\rm P}=\frac{{\displaystyle \int u}{}_{i}p{}_i}{{\displaystyle \int u}{}_i}(6)$

式中:pi—模糊变量值,ui—模糊变量值对应的隶属度。

由于每个变量最多有7种取值,上述公式可以变为如下形式:

${\rm P}=\frac{{\displaystyle \sum _{i=1}^{7}u}{}_{i}p{}_i}{{\displaystyle \sum _{i=1}^{7}u}{}_i}(7)$

由式(7)即可得到各个PID参数的精确值。

3 试验

3.1 试验平台介绍

该试验的目的是对上述控制方法进行试验验证,并且与理论步态轨迹进行比较和误差分析。试验平台如图5所示。

为了方便试验数据的采集,试验时本研究将外骨骼机器人悬挂,让它在原地行走,通过运动捕捉仪器就可以测得机器人的实际步态轨迹。运动捕捉仪是一种位置传感器,它可以捕捉到贴在机器人关节处的金属标志点,当机器人运动时,可以通过标志点实时采集关节的空间坐标,该数据处理后就可以得到关节的步态轨迹了。

3.2 试验结果

本研究通过运动捕捉仪器对机器人膝关节处运动角度的实时测量,得到两组数据,如图6所示,虚线代表规划步态轨迹,实线代表实测步态轨迹。机器人行走时膝关节处的规划步态轨迹与无模糊控制时的实测步态轨迹的对比图如图6(a)所示,规划步态轨迹是预先根据老年人和残疾人的步态规律规划的,符合老年人和残疾人步幅小、速度平缓的特点[10]。机器人在模糊算法控制下的实测步态角度与规划步态轨迹的对比图如图6(b)所示。根据实验结果可以看出,当没有加入模糊算法、机器人在开环控制系统下运动时,其实测步态角度与规划步态角度有较大的误差。从步态周期、步态幅度、最大步态角度以及最小步态角度比较,在模糊控制算法时,误差均得到较大减小。如规划步态角度最大步态幅度为18.338°,而实测为8.592°,其误差达到53%。机器人在闭环控制系统下运动时,实测步态角度与规划步态角度的误差较小,基本与规划步态角度一致。如规划步态角度最大步态幅度为18.338°,而实测为17.432°,其误差仅为4.9%,在设计的误差范围之内。由实验分析可得,模糊PID控制算法实现了机器人的步态控制,达到助步的要求。

4 结束语

本研究通过实验分析了助行外骨骼机器人在两种控制状态下的运动情况,经过比较得出模糊PID控制算法起到了很好的步态控制作用,不仅弥补了开环控制的失步问题,而且通过闭环模糊PID控制的实时反馈,使机器人更加平稳安全的运动。

研究结果表明,模糊PID控制算法能有效提高外骨骼机器人的步态控制能力,增强了机器人的抗干扰能力、稳定性和安全性,对于外骨骼机器人的医疗应用具有一定的实际意义。

摘要：为了研究外骨骼机器人的步态控制,提出了一种基于模糊PID的算法,首先给出机器人的一般增量式PID控制算法,然后根据机器人关节角度误差和误差变化量的参数,选择了隶属函数,最后结合实际操作经验,建立了模糊规则表,完成了对PID参数的在线自整定。试验结果表明,模糊PID控制方法能够使外骨骼机器人平稳运动,初步实现了机器人的步态控制。

关键词：模糊比例-积分-微分,助行外骨骼机器人,步态控制

参考文献

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[9]张建斌.移动机器人模糊PID控制器的研究与实现[D].西安:西北大学信息科学技术学院2,009.

助行产品 篇5

龙凤煤矿主井、副井、风井坡度较大,人员上井体力消耗很大。尤其是掘进施工地点较远,作业人员长距离行走体力消耗大,特别是爬上山更加剧了体力消耗。造成上山后必须休息一段时间回复体力。这样出现了作业人员体力下降、精神注意力不集中的现象和交接班时间延长,特别对于煤与瓦斯矿井在放炮或揭煤期间,工作人员往往不按要求撤到安全地点或漏检,给煤矿安全生产带来安全隐患。

针对这一问题,设计制造了斜巷行人助力器,该装置利用无极绳拖动原理,通过无极钢丝绳以0.6m/s的速度正常运行时,行人用手借助专用助行棒卡接在运动的钢丝绳上得到机械外力,机械外力便通过扳手带动行人向前走,大大减轻行人上坡的辛苦,最大限度地方便了职工爬山过程中的体力消耗带来的安全隐患。达到省时省力的效果,为安全生产提供了保障。

1 工作原理

行人助行器采用电机驱动,我公司自行发明的销齿传动机构或摆线针轮减速机传动的摩擦绞车做牵引。

该助行器结构紧凑,钢丝绳在驱动滚筒多绕两圈半,以增加围包角和接触面积。为避免钢丝绳在运行中发生偏移,托绳轮上安装了挡板。为增加滚筒和钢丝绳之间的摩擦力滚筒上可安装聚氨酯包层或其他耐磨材料。

把钢丝绳缠绕一圈,固定在绞车的滚筒上,防止咬绳。由钢丝绳、尾部张紧架、上下托绳轮与助行器组成一个封闭的传动系统。钢丝绳链接成为一个封闭的圈,一端缠绕在绞车滚筒上,另外一端绕过导向轮。

当绞车运转时,通过滚筒和钢丝绳之间的摩擦力牵引钢丝绳连续运行,行人手持助力棒卡住钢丝绳,随着钢丝绳的运动而向上行走。

助行器可增设自动控制系统,形成可以无人值守的自动化系统。在机尾、机头设置传感器(雷达式、红外线式),系统检测到人员到来时,传感器检测到信号后,立即将该信号传给控制箱。控制箱判断后开启助行器。机头传感器检测到无人后延时自动关机。

2 系统的组成

行人助行器主要由绞车、钢丝绳、拉紧装置、托绳轮、助行棒组成。如图1所示。

绞车:作为牵引动力,采用7.5k W电机驱动自行发明的销齿传动装置(如图2)或具备调速功能的摆线针轮减速机,其滚筒采用专用设计,增设绳槽,使运行更加可靠。

钢丝绳:采用φ12.5mm或φ15.5mm。

拉紧装置:一个作用是拉紧,另外一个作用是导向。采用专门设计的框架,内嵌两个滑轮,一个为定滑轮,一个为动滑轮。重锤固定在张紧装置的动滑轮的轴上。当钢丝绳松时,重锤牵引动滑轮移动,增加钢丝绳的长度,从而拉紧钢丝绳。

托绳轮:一个作用是托绳,另外的一个作用也是导向。为满足运行区间内钢丝绳的高度和距离巷道侧的间隙,以保证人员上行,在区间内设置若干个托绳轮,托绳轮固定在巷道壁的支撑物上,具体数量可以根据巷道的实际情况来确定。

助行棒:其作用是将助行棒的一头卡在钢丝绳上,另一头把手为行人提供向上的拉力。

3 设备的校核及选型

3.1 钢丝绳校核计算

按提升最大静载荷计算:

式中:Qmax—钢丝绳最大计算静载荷,N;

Q—一次载人质量,1625kg;

P—钢丝绳每米质量,0.54kg/m;

g—重力加速度,取9.8m/s2;

Hc—钢丝绳最大悬垂长度,250m;

3.2 钢丝绳安全系数验算

按实际所选钢丝绳的数据校验其安全系数。电控系统:在主电路中有一台控制箱、一台磁力起动器,控制箱具有和磁力启动器连接的接口,可以通过按钮和显示器进行人机交互。同时,控制箱具有保护接口,可以连接系统的越位保护开关、急停开关。在系统的机头位置安装一个越位开关,在出现行人忘记取下助行棒时,助行棒会触碰越位开关,控制箱接收到这个越位信号后给磁力起动器发出停机信号、同时发出声光报警信号给现场值班人员。电控系统还具有网络传输功能,能跟综合信息化系统联网,实现遥控和无人值守功能。如图3所示。

所以验算钢丝绳安全系数按《煤矿安全规程》规定,按提升最大重量物料来计算钢丝绳安全系数即:

Kf=71.5≥max,即≥6,符合《煤矿安全规程》对斜巷无极绳绞车提人时要求钢丝绳安全系数必须大于6的规定。

3.3 电动机功率校核

电动机功率与一次实际提升重量和标准速度(即钢丝绳最大速度)有关,一般采用下列公式估算:

式中:N—提升机电动机估算功率,k W;

Q—1次实际提升量,kg;

ν—标准速度m/s;

η—减速机的传动效率,一级传动时0.92;二级传动时0.85;

K—矿井阻力系数,k=1.2;

ρ—动力系数,即考虑动负荷影响的系数,一般ρ=1.2~1.4,取最大值1.4;

g—重力加速度,取9.8m/s2;

经计算电动机估算功率为:N=1.2×(1625+135)×0.6×9.8×1.4/1000×0.85=1.705k W。

3.4 绞车电动机的转速校核

绞车电动机的旋转转速n(r/min)、减速机的传动比i、提升速度v及提升滚筒直径D有关,公式如下:

经计算绞车电动机的转速为:n=60×0.6×31.4/3.14×0.5=740r/min。

3.5 所选钢丝绳技术参数

产品名称:光面钢丝绳;结构:19×6+FC;直径:Φ15.5mm;钢丝绳公称抗拉强度:1670MPa,15.5×15.5×0.307×1.67=123.3k N;捻法:ZS;重量:2.40kg/m;钢丝绳总破断力:355.40k N。

举例说明,根据龙凤矿井实际情况,设备选型如表1所示。

4 主要用途及使用范围

本行人助力系统主要用于煤矿井下轨道上(下)山、采区上(下)山、暗斜井等大坡度(8°~45°)、长距离(一般小于1400m)、行人体力消耗较大的巷道。

系统组成:无极绳绞车、钢丝绳、张紧装置、轮系、助行手把等。

电压等级:380/660V,660/1140V,配套电气均符合煤矿安全规程。

根据现场需要可选配:a.全程急停装置,b.语音声光报警信号c.自动运转控制系统。

运输能力:450-1200人/每小时。

5 经济效益分析

新建矿井大倾角斜巷采用助行器方式,推广应用以来取得了良好的经济效益和社会效益。特别是在新建矿井的主巷道内,在井筒尚未贯通时,由于多工种同步施工,巷道空间不允许多占,初期投资也有限的情况下,安装使用大型的机械运人装置(如人车、猴车),不但安装工程量大、周期长,而且安全管理及运行维护成本高,不经济,同时也增加了辅助运输管理难度。实践表明,斜巷助行器由于安装工艺简单,延长方便,占用空间小,运行维护成本低,使用效果好,是斜井及上、下山等倾斜巷道施工期间人员上坡助力的可行选择。

6 现场使用情况及运行效果