助老助残智能轮椅的制作方法

[0001]
本发明是一种应用于助老助残领域的智能控制轮椅，此发明特别适用于老年人和残疾人的日常生活以及出行。


背景技术：

[0002]
目前，我国老龄人口绝对数量大，发展态势迅猛，高龄化人口加剧，且地区间发展不均衡。对于老年群体来说，随着年龄的增大，其免疫功能、生理功能开始退化，腿部力量减弱，体力大幅下降，外出长时间行走难以进行。另一方面，我国传统家庭结构模式发生改变，家庭养老功能弱化，子女难以在更繁忙的工作中抽出大量时间照顾老人。面对这种情况，市面上已出现了根据传统手推轮椅改进的手杆操作电动控制轮椅，且针对智能轮椅的研究已成为当下研究热点之一。但是，市面上的大部分轮椅仍然难以满足老年人的需要：大部分电动轮椅需要手感操作，老人需要保证手部可正常活动才可出行，另外，由于需要坐立身体保持操作，使得使用该轮椅的舒适度大大下降。
[0003]
如果能够为难以出行的老年人提供一款体感操作，同时支持自动跟随的轮椅，就可以帮助老年人自主出行，在轮椅行驶过程中，老人可以更直接便捷地对轮椅走向进行操作，以提高老年人生活质量。


技术实现要素：

[0004]
本发明的目的在于设计一种可以根据使用者姿态来控制的模块化智能轮椅。
[0005]
本发明的轮椅，包含椅架机构——作为轮椅主体、椅载力传感器——作为姿态控制模块和椅载二维激光测距仪——作为自动控制模块。
[0006]
所述椅架包括设于所述轮椅的伺服驱动电机、椅载主控单元及椅载串口通信模块，根据本发明，提供了一种可用于轮椅功能部件模块化装载的的椅架机构，通过椅载串口通信的普遍适用性与专用于其数据处理的主控单元的高度扩展性，得益于串口通信代码的模块化开发，使其可对接任何一种市面上采用串口通信的量产模块。所述模块位于椅架中的不同位置，互不干涉，以便于实现不同功能。
[0007]
所述椅载主控单元与所述轮椅的伺服驱动电机、力传感器通过椅载串口通信模块连接；所述椅载主控单元内预设有驱动控制模式、转向控制模式和急停模式；所述椅载主控单元根据所述椅载力传感器模块获得的数据进行进入所述驱动控制模式、所述转向控制模式和所述急停模式，根据所述椅载力传感器模块控制所述伺服驱动电机，根据椅载二位激光测距仪获得的数据进入所述避障模式。
[0008]
所述椅载力传感器模块包括力传感器、传感器主控单元和传感器串口通信单元；所述椅载力传感器模块模块设于所述轮椅靠背、座位下方和右侧扶手。
[0009]
所述椅载二维激光测距仪模块位于所述轮椅的靠背后方。
[0010]
本发明改进了普通的电动轮椅，将电动轮椅中的无刷直流电机改用伺服驱动电机。
[0011]
进一步的，由于采用了与普通电动轮椅不同的伺服驱动电机，设计了一对位于轮椅主体上的支撑架，将所述伺服驱动电机和所述主控单元搭载在该支撑架上，用所述伺服驱动电机控制所述轮椅的轮子转动。
[0012]
通过人机交互界面按钮切换体感控制模式和自动跟随模式。
[0013]
体感控制模式中，通过倾斜身体的策略控制轮椅，其中包括有意识地倾斜身体和无意识地倾斜身体；所述轮椅通过有意识地倾斜身体动作进入所述驱动控制模式和所述转向控制模式。
[0014]
在体感模式时，为了区分轮椅工作时的不同状态，我们定义了5个不同的结果值范围，这些值通过以下简单的方法进行计算，并分为3个优先级。并将采集到的数据进行比较后，执行相应的任务。同时，优先级高的数据将作为输出数据发送。将贴于座位下方左右两侧传感器记录的数据记为s1、s2，将贴于座位下方前部传感器记录的数据记s0，将贴于轮椅靠背和右侧扶手的传感器记录的数据分为记为s3、s4。
[0015]
为了便于下位机处理数据，上位机将传感器输入的数据处理成8位字符串，系统将目标用户的实时位置解析为跟随线速度和角速度，并对这两个参数进行编码，按固定格式输出给下位机，形成运动指令，形如“+100+100”的九位字符串，第一、五位为左右轮方向控制位，“100”代表驱动电机以1转/秒的线速度运动。下位机接收到指令进行解码并对电机进行驱动，通过pid调节，控制左右轮转速(slsr)。前4个字符发送到左侧伺服电机，其余4个字符发送到右侧伺服电机。通过判断由每个传感器发送的数据的模数转换得到的数值中的哪一个，输出相应的控制指令串。
[0016][0017]
表(1)
[0018]
在实际应用中，初值不为0，因此判断时，和的差值应加上初值(以下简称i0)，且(1)可改为(2)
[0019][0020]
表(2)
[0021]
其中s0用于识别用户是否已经坐下，当其值由0变为20时，整个系统在5秒内记录一个初始值：(s
1-s2)
[0022]
进一步的，智能轮椅的运动由stm32实现，包括用pid算法控制电机速度和上下位机之间的通讯。采用pid算法可以使伺服电机平稳运行，避免了转速突变的问题。本发明采用基于位置的pid。
[0023]
进一步，根据传感系统记录下的数据标记：将s1与s2的差值记为“a”，s3的值记为“b”，s4的值记“c”。
[0024]
进行实验，将急停功能设为高优先级，判断“c”值是否大于60。如果值大于60，轮椅将执行紧急停止操作。将左转和右转功能设为中间优先级，只判断“a”值的绝对值与稳态差是否大于20。大于20时，可实现左转和右转。设置前进功能为低优先级，只判断“b”值是否大于80，大于80则轮椅向前移动，小于80时轮椅后退。根据上述算法，我们使用qt编写程序，通过改变轮椅的位置和姿态来控制智能轮椅的运动状态。
[0025]
在自动跟随模式时进行实验，运行程序，打开人机交互界面，通过上位机串口通讯界面，输入相应com口号并点击“打开”，激光测距仪测量并回传数据，通过svdd分类算法对环境信息进行分析识别，区分障碍物和锁定目标用户(当目标用户的躯干部位距激光测距仪正前方50cm时，静止5秒内对目标用户进行判断和锁定)，语音提示功能启动：目标识别成功。下位机接收到指令进行解码并对电机进行驱动，通过pid调节，实现随人同速运动并稳定避障的效果，遇到目标用户被障碍遮挡的情况时，轮椅只改变运动角速度，线速度置零。当目标用户脱离激光测距仪量程时，上位机发送急停指令给下位机，并原地语音报警：目标丢失。在“目标丢失”之前，轮椅均可保持距目标用户一米距离稳定跟随。
[0026]
由于智能轮椅上下位机连接模式更适应模块化开发，智能轮椅可装载大量模块化部件，通过椅载串口的通信的普遍适用性与专用于数据处理的主控单元的可拓展性，来对接任何一种市面上成熟的、采用串口通信的模块。
附图说明
[0027]
图1是本发明实施例1的智能轮椅及传感系统示意图；
[0028]
图2是本发明实施例1的支撑板和连接件示意图；
[0029]
图3是本发明实施例1的运作逻辑流程图。
具体实施方式
[0030]
实施例1
[0031]
请参阅图1，助老助残智能轮椅1，包含椅架机构和椅载力传感器。
[0032]
所述椅架包括设于所述轮椅的伺服驱动电机、椅载主控单元及椅载串口通信模块，根据本发明，提供了一种可用于轮椅功能部件模块化装载的的椅架机构，通过椅载串口通信的普遍适用性与专用于其数据处理的主控单元的高可扩展性，得益于串口通信代码的模块化开发，使其可对接任何一种市面上成熟的、采用串口通信的模块。
[0033]
所述椅载主控单元与所述轮椅的伺服驱动电机、力传感器通过椅载串口通信模块连接；所述椅载主控单元内预设有驱动控制模式、转向控制模式和急停模式；所述椅载主控单元根据所述椅载力传感器模块模块获得的数据进行进入所述驱动控制模式、所述转向控制模式和所述急停模式，根据所述椅载力传感器模块模块控制所述伺服驱动电机。
[0034]
所述椅载力传感器模块模块包括力传感器、传感器主控单元和传感器串口通信单元；所述椅载力传感器模块模块设于所述轮椅靠背2、座位下方4和右侧扶手3。
[0035]
在一个实施例中，所述力传感器采用rp—c电阻式压力传感器；在选取压力传感器优先选用在满足获取数据的要求下不影响用户体验的压力传感器，满足轮椅承载体重在0-80kg的范围内，其灵敏度至少应达到可检测出0.76n的偏差值变化的标砖；rp—c电阻式压力传感器作为一款力传感器，具有超薄、柔性的特征，能够保证在不影响用户体验的情况下测量出力的大小；更耐久、更实用，使用在实际生产中可以更加方便；压力检测范围广，响应速度快，响应时间小于10ms，使用rp—c电阻式压力传感器可以拓展使用人群范围，柔性压力传感器可以感受到微弱的动态或静态力。
[0036]
本实施例使用的电池优先选用锂电池。
[0037]
所述椅载主控单元采用了stm32f1 v3开发板；stm32f1 v3开发板属于微型计算机，具有体积小、功耗低、功能丰富等的特点。
[0038]
所述椅载主控单元和所述力传感器的通信优先选用串口通信。
[0039]
相较于目前技术，本发明的智能轮椅将所述椅载力传感器模块模块的数据运用到轮椅的工作模式中，并采用身体控制轮椅运动的策略；所述轮椅在所述驱动控制模式下，使用者正常观察道路情况，当使用者只意图直行时，可将后背靠在所述轮椅靠背上，使所述轮椅进入所述驱动控制模式；当使用者意图后退时，可将后背直立离开所述轮椅靠背，此时，轮椅则匀速后退。若使用者意图对轮椅进行急停操作，则可按下右侧力传感器，则所述轮椅则可进入所述急停模式，使所述轮椅立即停止。当使用者意图转向时，可通过身体向左或向右倾斜，使所述轮椅进入所述转向控制模式，在该模式下，使用者可通过倾斜身体控制所述轮椅的转向。在一个实施例中，所述倾斜身体的策略包括有意识地倾斜身体和无意识地倾斜身体；所述轮椅通过有意识地倾斜身体动作进入所述驱动控制模式和所述转向控制模式。
[0040]
使用者由于坐姿发生变化而导致不同部位坐垫承受的力发生变化，这种变化可以被设置于座位底下力传感器直接检测到。椅载力传感器模块模块安装在所述轮椅作为下方，可直接获取使用者指令，并将其隐藏在座位下方，方便美观。在一个实施例中，所述力传感器3设于轮椅靠背后；力传感器4设于轮椅右侧扶手上；力传感器0、1和2设于轮椅坐垫下；所述力传感器的可以直接接受到使用者由于坐姿改变带来的力的变化。
[0041]
本实施例中，所述力传感器的信号每0.5秒采集一次，首先采集位于座位下方的传感器，即获得数据s0并判断其是否大于20，若大于20则为使用者坐下，并记录本次使用座位下方第一次左右两侧传感器数据差值，即获得s
1-s2的初始值，之后0.5s间隔记录s
1-s2的差值；记录座椅靠背传感器数据，即s3；记录右侧扶手传感器数据，即s4。通过判断(s
1-s2)与第一次初始值的差是否大于20或s3是否大于等于80，判断目前的行为是否为有意识地倾斜身体动作或后靠动作，在多次采样的的策略下，可消除扰动，提高稳定性；通过采用子策略优先级不同的方式，判断同一时间不同行为的优先级，所述主控单元根据优先级不同对信号进行判断与处理，控制所述轮椅的轮子转速；为了消除不同使用者对同一轮椅的使用时采集的数据不同而造成的系统误判，对不同使用者进行同一行为时传感器的输出值进行重新判断和处理，满足80％以上使用者的使用，降低了后续处理的时间复杂度，保证在不同使用者的同一使用感受。相比于普通电动轮椅通过手杆控制轮椅转向，所述轮椅通过在电动轮椅上增设所述椅载力传感器模块模块对所述轮椅的转向进行控制运作。进一步的，根据所做的大量实验，确定在所述模式下，根据使用者的身体前后左右的倾斜，使其自动进入所述驱动控制模式，这种策略可以让使用者更主动的决定所述轮椅轮子的转向，可以实现更加精准的转向操作，配合所述轮椅应用的服驱动电机，可大大减小由于电机和所述主控系统之间的通信带来的延迟，使所述轮椅更快的进入下一模式，并完成下一指令。
[0042]
本发明改进了普通的电动轮椅，将电动轮椅中的无刷直流电机改用伺服驱动电机。
[0043]
所述伺服驱动电机分别与左右两侧的轮子配合安装，左侧型号为80zy24-340d/88jc32g1760-02；右侧型号为80zy24-340d/88jc32g1760-01。伺服驱动电机采用位置、速度和力矩的闭环控制，具有较高的精度，可以实现较精准的控制，具有在运行阶段相较于步进电机更平稳等优势。在本发明中，应用伺服驱动电机可以写入或获得所述轮椅轮子的实时转速，可直接反馈到主控单元中，对所述轮椅状态及时进行修正；另外，应用伺服驱动电机可以减少轮椅加速或减速过程，将加速或减速过程时间压缩到毫秒级，提升了使用体验，让使用者可以更自如的操纵轮椅。
[0044]
进一步的，由于采用了与普通电动轮椅不同的伺服驱动电机，设计了一对支撑架，将所述伺服驱动电机和所述主控单元搭载在该支撑架5上，用所述伺服驱动电机控制所述轮椅的轮子转动。
[0045]
进一步的，在一个实施例中，运行程序，打开人机交互界面，通过上位机串口通讯界面，输入相应com口号并点击“打开”，激光测距仪测量并回传数据，通过svdd分类算法对环境信息进行分析识别，区分障碍物和锁定目标用户(当目标用户的躯干部位距激光测距仪正前方50cm时，静止5秒内对目标用户进行判断和锁定)，语音提示功能启动：目标识别成功。下位机接收到指令进行解码并对电机进行驱动，通过pid调节，实现随人同速运动并稳定避障的效果，遇到目标用户被障碍遮挡的情况时，轮椅只改变运动角速度，线速度置零。当目标用户脱离激光测距仪量程时，上位机发送急停指令给下位机，并原地语音报警：目标丢失。在“目标丢失”之前，轮椅均可保持距目标用户一米距离稳定跟随。