仝光 黃杉 何銀川 李平 周悅

（上海電機(jī)學(xué)院 200240）

醫(yī)用電動(dòng)?jì)雰很嚱Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

仝光 黃杉 何銀川 李平 周悅

（上海電機(jī)學(xué)院 200240）

本論文設(shè)計(jì)了一款新型嬰兒車——醫(yī)用電動(dòng)?jì)雰很?，不僅可實(shí)現(xiàn)正常的電動(dòng)驅(qū)動(dòng)行駛外，還可實(shí)現(xiàn)電子遙控，給行動(dòng)不便的產(chǎn)婦提供了極大地幫助，適應(yīng)了現(xiàn)代社會(huì)追求人性化設(shè)計(jì)的趨勢(shì)和人們追求幸福生活的主題。

電動(dòng)；醫(yī)用；電子控制

1 醫(yī)用電動(dòng)?jì)雰很囀袌?chǎng)現(xiàn)狀

目前在國(guó)內(nèi)，還沒有出現(xiàn)醫(yī)用電動(dòng)?jì)雰很?。由于適用范圍和用途的關(guān)系，現(xiàn)在醫(yī)院的嬰兒車都是手推車，對(duì)于醫(yī)用嬰兒車的設(shè)計(jì)創(chuàng)新也是在醫(yī)護(hù)方面，在醫(yī)用電動(dòng)?jì)雰很囘@方面還是一片空白。本文在現(xiàn)今醫(yī)用嬰兒車的基礎(chǔ)上，為它增加驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，遙控控制系統(tǒng)以改善它的運(yùn)動(dòng)性能，減輕醫(yī)護(hù)人員的負(fù)擔(dān)。圖1為現(xiàn)今的一些醫(yī)用嬰兒車。

圖1 普通醫(yī)用嬰兒車

2 醫(yī)用電動(dòng)?jì)雰很嚳傮w設(shè)計(jì)分析

2.1 總體設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)是基于傳統(tǒng)醫(yī)用嬰兒車的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，使之成為一種遙控型多功能醫(yī)用電動(dòng)?jì)雰很?。這種醫(yī)用電動(dòng)?jì)雰很嚨倪b控行駛、驅(qū)動(dòng)控制已經(jīng)自動(dòng)避障控制都通過微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)主要有單片機(jī)，電動(dòng)機(jī)，傳感器和手持遙控器等多部分組成。

2.1.1 電動(dòng)機(jī)的選擇

（1）電動(dòng)機(jī)類型的選擇

由于直流無刷電動(dòng)機(jī)具有交流電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、維護(hù)方便等一系列優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，又具備直流電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行效率高、無勵(lì)磁損耗以及調(diào)速性能好等諸多優(yōu)點(diǎn)。因此，選擇電動(dòng)機(jī)的型號(hào)為直流無刷電動(dòng)機(jī)。

（2）功率的選擇

由于嬰兒車是在醫(yī)院使用，且行駛速度較慢，一般不考慮空氣阻力和坡度阻力，其行駛方程為：

通過相關(guān)了解計(jì)算，本文設(shè)計(jì)的醫(yī)用電動(dòng)?jì)雰很嚌M載質(zhì)量約為35kg，f為滾動(dòng)阻力系數(shù)，查閱資料得f=0.035，1為車輛旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)，取1=1.050，嬰兒車行駛速度≤8km/h，嬰兒車加速過程為1.5s。本設(shè)計(jì)又從多方面考慮，使選取電動(dòng)機(jī)的功率在電動(dòng)?jì)雰很囆旭偪朔諝庾枇湍Σ磷枇Φ幕A(chǔ)上擴(kuò)大30%，確保電動(dòng)?jì)雰很囉凶銐虻膭?dòng)力正常行駛。因此所選電動(dòng)機(jī)的動(dòng)力應(yīng)不小于85.8W。

（3）轉(zhuǎn)速的選擇

本設(shè)計(jì)中，驅(qū)動(dòng)輪直徑d=10cm，嬰兒車行駛速度不大于8km/h。減速器傳動(dòng)比選擇1：6。驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)速：

由上述數(shù)據(jù)可得，所需電機(jī)轉(zhuǎn)速應(yīng)不小于2520r/min

2.1.2 電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

（1）電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)的選取

近年來，大規(guī)模集成電路技術(shù)以及計(jì)算機(jī)的快速發(fā)展，使直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的準(zhǔn)確性，動(dòng)態(tài)性能以及可靠性上得到了更大的提高。又由于電力電子技術(shù)中的IGBT等大功率器件的發(fā)展，晶閘管被取代，因此，出現(xiàn)了性能更好的直流調(diào)速系統(tǒng)。

（2）電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)的原理

利用脈寬調(diào)制（PWM）調(diào)節(jié)供電電壓的寬度，當(dāng)脈沖最寬時(shí)，相當(dāng)于直流電，功率最大，轉(zhuǎn)速最高。脈沖寬度減脈沖頻率并沒有變。脈寬調(diào)制并不是直接調(diào)整電機(jī)的速度，而是改變電機(jī)的功率或扭矩。扭矩大了，換向加快，轉(zhuǎn)速就提高了。通過控制脈沖占空比來改變電機(jī)的電樞電壓。本系統(tǒng)用的是定頻調(diào)寬法。在脈沖作用下，當(dāng)電機(jī)通電時(shí)，速度增加。電機(jī)斷電時(shí)，轉(zhuǎn)速逐漸減小。

（3）電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

系統(tǒng)以PIC單片機(jī)為控制核心，通過鍵盤設(shè)置各段運(yùn)行參數(shù)，也可通過電腦設(shè)置下載到單片機(jī)。單片機(jī)輸出二進(jìn)制控制量，經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換電路將對(duì)應(yīng)模擬電壓送到直流伺服放大器的設(shè)定值輸入端。放大器根據(jù)輸入的模擬電壓而輸出對(duì)應(yīng)的電壓經(jīng)驅(qū)動(dòng)器來控制直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速。直流電機(jī)同軸的光電編碼器E輸出A、B兩路方波信號(hào)送到整形電路，通過整形電路送到單片機(jī)用于測(cè)量轉(zhuǎn)速。不斷比較設(shè)定值和實(shí)際值，根據(jù)比較獲得的誤差調(diào)節(jié)放大器的輸出電壓。

2.1.3 紅外遙控裝置原理及方案

遙控器有兩種狀態(tài)：學(xué)習(xí)狀態(tài)和控制狀態(tài)。當(dāng)遙控器處于學(xué)習(xí)狀態(tài)時(shí)，使用者每按一個(gè)控制鍵，紅外線接收電路就開始接收外來紅外信號(hào)，同時(shí)將其轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，然后經(jīng)過檢波、整形、放大，再由CPU定時(shí)對(duì)其采樣，將每個(gè)采樣點(diǎn)的二進(jìn)制數(shù)據(jù)以8位為一個(gè)單位，分別存放到指定的存儲(chǔ)單元中去，供以后對(duì)該設(shè)備控制使用。當(dāng)遙控器處于控制狀態(tài)時(shí)，使用者每按下一個(gè)控制鍵，CPU從指定的存儲(chǔ)單元中讀取一系列的二進(jìn)制數(shù)據(jù)，串行輸出給信號(hào)保持電路，同時(shí)由調(diào)制電路進(jìn)行信號(hào)調(diào)制，將調(diào)制信號(hào)經(jīng)放大后，由紅外線發(fā)射二極管進(jìn)行發(fā)射，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)該鍵對(duì)應(yīng)設(shè)備功能的控制。

2.2 功能介紹

2.2.1 醫(yī)用嬰兒車的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向功能

醫(yī)用電動(dòng)?jì)雰很囋隍?qū)動(dòng)輪左右兩側(cè)分別安裝兩個(gè)24V、100W、3000rad/min直流無刷電動(dòng)機(jī)，采用單片機(jī)和嵌入式控制系統(tǒng)和加裝在電動(dòng)機(jī)上的減速器來實(shí)現(xiàn)嬰兒車在規(guī)定的速度條件下前進(jìn)、后退，通過控制兩個(gè)電機(jī)的差速作用來控制整車的轉(zhuǎn)向。使嬰兒車在無需人力的情況下簡(jiǎn)潔輕便的進(jìn)行控制。

2.2.2 醫(yī)用電動(dòng)?jì)雰很嚨淖詣?dòng)避障功能

通過在嬰兒車上加裝攝像頭傳感器采集行車過程中前方道路的情況，控制電腦通過采集的數(shù)據(jù)自動(dòng)分析處理，來實(shí)現(xiàn)嬰兒車在行駛過程中遇到前方障礙物自動(dòng)停車?yán)@行的功能。

2.2.3 醫(yī)用電動(dòng)?jì)雰很噵雰号枰欢俗詣?dòng)抬高功能

在嬰兒盆下方安裝有氣壓控制裝置，通過手動(dòng)控制氣壓開關(guān)閥使嬰兒盆一端在氣壓的作用下自動(dòng)升高，平趟在車內(nèi)的嬰兒頭高腳底，防止嬰兒喂奶時(shí)嗆到。

3 總結(jié)

從醫(yī)用嬰兒車的功能作用方面來看，未來醫(yī)用嬰兒車的研究應(yīng)該在監(jiān)護(hù)方面，而并非動(dòng)力性方面，它的本質(zhì)是嬰兒護(hù)理床，在醫(yī)護(hù)方面的要求是主要層面，以現(xiàn)今階段的技術(shù)水品而言，可以使其在動(dòng)力性方面達(dá)到完美控制，但是這樣做的成本太高，不符合實(shí)際情況。所以，今后醫(yī)用嬰兒車設(shè)計(jì)發(fā)展主要是在醫(yī)護(hù)方面做創(chuàng)新，可以再此基礎(chǔ)上對(duì)動(dòng)力性方面做一定的改革。總而言之，由于醫(yī)用嬰兒和使用的普遍性，對(duì)醫(yī)用嬰兒車的設(shè)計(jì)研究是很有價(jià)值的。

[1]陳媛媛.嬰兒手推車的綜合設(shè)計(jì)研究[J].科教導(dǎo)刊（上旬刊），2013（01）.

[2]吳蓉瑛.淺談嬰兒用品的人性化設(shè)計(jì)[J].大眾文藝，2012（06）.

TS958.7

A

1004-7344（2016）09-0319-02

上海市大學(xué)生科技創(chuàng)新項(xiàng)目資助（A1-5701-14-006-08-61）。

2016-3-10