一种轮椅姿态调整系统的制作方法

本发明涉及一种帮助老年人以及运动功能障碍的患者乘坐轮椅时调整姿态的系统，属于康复辅助器具和移动助行技术领域，具体来说涉及一种轮椅姿态调整系统。

背景技术：

随着我国人口老龄化程度日益加深，每年有众多老年人因为各种原因全部丧失或部分失去运动能力，这一群体的医疗、护理、生活等各方面已经成为整个社会必须面对和解决的问题。为了切实服务老年人，提升和改善他们的生活质量，提供一种安全、稳定、智能、便携的代步工具就成为了最基本的解决方案。针对目前我国自身庞大的电动轮椅市场需求无法有效满足以及高端智能型轮椅产品仍然被外国技术所主导垄断的现状，本发明针对下肢不同程度功能障碍的老年人群在乘坐轮椅舒适性和康复训练的实际需求，突破轮椅系统的结构和人机协调运动等关键技术，基于适合老年人的运动智能控制策略、控制系统的软硬件设计，提出了一种轮椅姿态调整系统。可以实现靠背角度、腿托角度、脚踏长度、座椅面升降、座椅面倾斜、辅助起立(站立)、平躺等多个姿态的调节。本发明有利于缓解老龄化社会老年人乘坐轮椅出行安全及舒适性的最基本需求问题。

技术实现要素：

为实现本发明之目的，采用以下技术方案予以实现：

一种电机驱动及反馈电路，包括高速光耦隔离单元、电机驱动单元和低速光耦隔离单元，其中：高速光耦隔离单元包括u2芯片及其外围电路元件，u2芯片是hcpl2631芯片，u2芯片管脚1连接处理器输出pwm1的端口，管脚2连接保护电阻r26；管脚4连接处理器输出pwm2的端口，管脚3连接保护电阻r30；管脚5接地同时通过滤波电容c22和+5v电压源连接；管脚7输出pwm1的光耦隔离后的信号，同时通过上拉电阻r19与+5v电压源连接，管脚6输出pwm2的光耦隔离后的信号同时通过上拉电阻r20与+5v电压源连接，；管脚8是芯片的电源端，连接+5v电压源。

所述的电机驱动及反馈电路，其中：低速光耦隔离单元包括u9芯片、元件up4和元件up2，其中u9芯片是低速光耦隔离芯片pc817，元件up4是电压比较器mcp6022，元件u2是电压比较器mcp6022；u9的管脚4接up4的管脚1，u9的管脚4还接上拉电阻r34后接+5v电压源，u9芯片管脚1接sdo，管脚2接电阻r38后接地，u9的管脚3接地。

所述的电机驱动及反馈电路，其中：电阻r22是电流采样电阻，一端接地，另一端接桥式整流电路的电流采样点；r22的电流采样点端还连接电阻r13的第一端，r13另一端连接电阻r14的第一端和电容c27的第一端；r22的接地端还连接电阻r27的第一端，r27另一端接电容c27的另一端和电阻r28的第一端，r28另一端接up2的管脚4，up2管脚3连接r14的另一端，还连接电阻r301的第一端，r301的另一端接+1.65v比较电压端；up2管脚4连接反馈电阻r32的第一端，r32第一端连接r28和up2管脚4，另一端接up2管脚1，up2管脚1输出电流采样值给处理器；up2管脚1还连接电阻r16的第一端，r16的另一端连接电容c28的第一端和元件bas70-04的管脚3；元件bas70-04的管脚1接地，管脚2接+3.3v电压源。

所述的电机驱动及反馈电路，其中：up4芯片的管脚4接电阻r16的另一端，管脚3与电阻r39的第一端和电阻r40的第一端连接，电阻r39的第二端接+5v电压源，电阻r40的第二端接地。

所述的电机驱动及反馈电路，其中：高速光耦隔离单元包括高速光耦隔离芯片u2及其外围电路元件，u2vin1+端管脚1连接处理器输出pwm1的端口，vin1-端管脚2连接保护电阻r26，r26阻值360欧；vin2+端管脚4连接处理器输出pwm2的端口，vin2-端管脚3连接保护电阻r30；gnd端管脚5接地，同时通过滤波电容c22和+5v电压源连接，c22的容值为0.1μf；vout1管脚7输出pwm1的光耦隔离后的信号，同时通过上拉电阻r19与+5v电压源连接，r19的阻值为510欧；vout2管脚6输出pwm2的光耦隔离后的信号；vcc端(管脚8)是芯片的电源端，连接+5v电压源。

所述的电机驱动及反馈电路，其中：电机驱动单元包括u6、u7芯片及其外围电路元件，u6、u7芯片是电机驱动芯片，u6芯片vcc端管脚1接12v电压；in端管脚2是输入端；com端管脚4接地，12v电压和地之间接滤波电容c14；lo端管脚5是低侧栅极驱动输出，ho端管脚7连接22欧的电阻r2的一端，r2的另一端连接mos管q4的基极，q4的集电极连接24v电压源，q4的发射极与p3的管脚2和q7的集电极连接；q4的发射极和集电极之间由二极管d7连接，q7的基极通过22欧电阻r7与u6的管脚5连接，q7的发射极和集电极之间由二极管d10连接。

所述的电机驱动及反馈电路，其中：u6芯片vs端管脚6是高端浮置电源偏移电压端，连接p3的2端，p31端和2端连接电动推杆的两根动力线，p3是电动推杆的驱动电源端，vs端还与自举电容c7的一端连接，c7的另一端与vb端管脚8连接，vb端管脚8连接二极管d3的负极，d3为1n4007，d3的正极连接12v电压，负极接vb端。

所述的电机驱动及反馈电路，其中：其特征在于：u6芯片vb端管脚7是高侧浮动绝对电压端，vb端和12v电压之间连接d3二极管1n4007，d3正极接12v，负极接vb；vb和vs之间连接自举电容c7；q7的集电极和发射极之间由二极管d10连接，d10为1n4007，d10的正极连接q7的发射极，负极连接q7的集电极。

所述的电机驱动及反馈电路，其中：u7芯片vcc端管脚1是逻辑电源电压端，接12v电压；in端管脚2是输入端；com端管脚4接地；12v电压和地之间接滤波电容c12，lo端管脚5是低侧栅极驱动输出，ho端管脚7是高侧栅极驱动输出，连接22欧的电阻r4的一端，r4的另一端连接mos管q2的基极，q2的集电极连接24v电压源，q2的发射极与p3的管脚2和q8的集电极连接；q2的发射极和集电极之间由二极管d8连接，q8的基极通过22欧电阻r8与u7的管脚5连接，q8的发射极和集电极之间由二极管d11连接；vs端管脚6连接p3的1端，p3是电动推杆的驱动电源端，vs端还与自举电容c8的一端连接，c7的另一端与vb端管脚8连接；vb端管脚8连接二极管d4的负极；q8的集电极和发射极之间由二极管d11连接。

一种轮椅姿态调整系统，包括处理器，传感器电路、电机驱动及其反馈电路，其中：电机驱动器及其反馈电路包括的数量为5个，分别是电机驱动及其反馈电路1、电机驱动及其反馈电路2、电机驱动及其反馈电路3、电机驱动及其反馈电路4、电机驱动及其反馈电路5；电动推杆的设置位置如下：①靠背处设置一个，标记为b1，用于调节靠背的倾斜角度；②座位下设置两个，用于控制上升和倾斜，标记分别为s1和s2；③腿托下设置两个，标记分别为l1和l2，l1抬腿，l2伸缩；电机驱动器及其反馈电路是如权利要求1-9之一所述的电机驱动器及其反馈电路。

附图说明

图1是智能助行器控制电路结构图；

图2为电动推杆位置图；

图3为判断前后倾斜角度的等效图；

图4为电机控制及其保护、采样电路；

图5为处理器stm32f103rct6与驱动电路管脚连接示意图。

具体实施方式

下面结合附图1-5对本发明的具体实施方式进行详细说明。

一种轮椅姿态调整系统，包括处理器，例如stm32f103rct6、锂电池、电压转换电路、母线电压电路、手控器、人机操作平台、传感器电路、电机驱动及其反馈电路，其中：电机驱动器及其反馈电路包括的数量为5个，分别是电机驱动及其反馈电路1、电机驱动及其反馈电路2、电机驱动及其反馈电路3、电机驱动及其反馈电路4、电机驱动及其反馈电路5。

锂电池电压一般为直流24v，通过电压转换电路将24v电压转换成5v、12v电压，其中5v为处理器、传感器电路、手控器供电，12v为人机操作平台供电。母线电压电路将24v电压分配给电机驱动及反馈电路，所述五个电机驱动及反馈电路分别为五个电动推杆供电。

本发明设置五个推杆的目的在于进行姿态调整，包括，坐、站、躺三种状态和座椅上升、下降、靠背单独调整、腿托调整、座椅倾斜调整，通过五个推杆实现了多种姿态的调整。

如图2所示，电动推杆的设置位置如下：

①靠背处设置一个，标记为b1，用于调节靠背的倾斜角度；

②座位下设置两个，用于控制上升和倾斜，标记分别为s1和s2；

③腿托下设置两个，标记分别为l1和l2，l1抬腿，l2伸缩。

电动推杆的伸缩量根据机械机构定义反馈数值，控制器根据反馈值确认推杆是否到位。电动推杆的速度和电动推杆运动时间根据姿态的不同而变化。

(2)姿态调整时各推杆的状态控制如下：

处理器的定时器1(time1)配置频率预分频。

电动推杆的执行，需要定时器提供pwm频率。pwm频率决定了电动推杆的执行速度。

①靠背调整：推杆b1伸长和收缩；靠背向后靠动作b1收缩，靠背向前靠动作b1伸长；推杆b1行程较长，执行机构复杂，驱动电流比较大。

设处理器的定时器2(time2)为电动推杆b1的靠背调整姿态提供pwm控制频率。电动推杆b1长度为150mm。

设此时电动推杆b1的pwm控制频率为：3000hz；

位置反馈信息的起点和终点为：0和150mm；

即电动推杆b1伸缩范围从0到150mm；

设定靠背调整向后靠时候电动推杆b1收缩参数为b1反转；

设定靠背调整向前靠时候电动推杆b1伸长参数为b1正转；

在轮椅靠背姿态为坐直的情况下，电动推杆b1为伸长状态，此时位置反馈信息为：140mm。

当操作手控器按下调整靠背按键，向后推拨动开关，使靠背向后靠时，电动推杆b1的pwm频率为3000hz，电动推杆状态为b1反转，即收缩；当靠背向后靠到达最大后靠位置0mm时，电动推杆b1停止。

当操作手控器按下调整靠背按键，向前推拨动开关，使靠背向前靠时，电动推杆b1的pwm频率为3000hz，电动推杆状态为b1正转，即伸长；当靠背向前靠到达最大前靠位置140mm时，电动推杆b1停止。

②腿托调整：推杆l1和l2伸长和收缩，伸腿动作是l1、l2同时伸长，l1抬腿，l2伸腿，l1和l2配合共同完成腿托运动。

设处理器的定时器3(time3)为电动推杆l1的腿托调整姿态提供pwm频率，处理器的定时器4(time4)为电动推杆l2的腿托调整姿态提供pwm频率。

设此时电动推杆l1的pwm控制频率为：3500hz，电动推杆l2的pwm控制频率为：1500hz；

电动推杆l1位置反馈信息的起点和终点为：0和100mm，电动推杆l2位置反馈信息的起点和终点为：0和120mm；

即电动推杆l1伸缩范围从0到100mm，电动推杆l2伸缩范围从0到120mm；

设定腿托调整向前伸腿时候电动推杆l1伸长参数为l1正转，电动推杆l2伸长参数为l2正转；

设定腿托调整向后收腿时候电动推杆l1收缩参数为l1反转，电动推杆l2收缩参数为l2反转；

在轮椅靠背姿态为坐直、腿托放下(正常坐姿)的情况下，电动推杆l1、l2为初始状态，即电动推杆收缩至最短，此时位置反馈信息为：电动推杆l1为0，电动推杆l2为0。

当操作手控器按下调整腿托按键，向前推拨动开关，使腿托向前伸腿时，电动推杆l1的pwm频率3500hz，电动推杆状态为l1正转，即l1伸长；电动推杆l2的pwm频率1500hz，电动推杆状态为l2正转，即l2伸长。当腿托向前伸长到达最大前伸位置，即l1到达100mm，l2达到120mm时，电动推杆l1、l2停止。

当操作手控器按下调整腿托按键，向后推拨动开关，使腿托向后回缩时，电动推杆l1的pwm频率3500hz，电动推杆状态为l1反转，即l1回缩；电动推杆l2的pwm频率1500hz，电动推杆状态为l2反转，即l2回缩。当腿托向后回缩到达最小回缩位置，即l1到达0，l2达到0时，电动推杆l1、l2停止。

③平躺姿态：推杆b1收缩，使靠背下放；l1、l2同时伸长，l1抬腿，l2伸腿；推杆b1、l1、l2共同配合完成平躺动作；姿态由平躺变回坐姿，推杆反向。

设处理器的定时器2(time2)为电动推杆b1在平躺姿态中靠背调整姿态提供pwm控制频率。

设处理器的定时器3(time3)为电动推杆l1在平躺姿态中腿托调整姿态提供pwm频率，处理器的定时器4(time4)为电动推杆l2在平躺姿态中腿托调整姿态提供pwm频率。

设此时电动推杆b1的pwm控制频率为：2600hz；

设此时电动推杆l1的pwm控制频率为：1000hz，电动推杆l2的pwm控制频率为：2800hz；

电动推杆b1位置反馈信息的起点和终点为：0和150mm；即电动推杆b1伸缩范围从0到150mm；

设定在平躺姿态中靠背调整向后靠时候电动推杆b1收缩参数为b1反转；

设定在平躺姿态中靠背调整向前靠时候电动推杆b1伸长参数为b1正转；

电动推杆l1位置反馈信息的起点和终点为：0和100mm，电动推杆l2位置反馈信息的起点和终点为：0和120mm；

即电动推杆l1伸缩范围从0到100mm，电动推杆l2伸缩范围从0到120mm；

设定腿托调整向前伸腿时候电动推杆l1伸长参数为l1正转，电动推杆l2伸长参数为l2正转；

设定腿托调整向后收腿时候电动推杆l1收缩参数为l1反转，电动推杆l2收缩参数为l2反转；

在轮椅靠背姿态为坐直、腿托放下(正常坐姿)的情况下，电动推杆b1为伸长状态，此时位置反馈信息为：0140mm。

电动推杆l1、l2为初始状态，即电动推杆收缩至最短，此时位置反馈信息为：电动推杆l1为0，电动推杆l2为0。

当操作手控器按下调整平躺按键，向后推拨动开关，使轮椅躺平时，电动推杆b1的pwm频率2600hz，电动推杆状态为b1反转，即收缩；当靠背向后靠到达最大后靠位置0mm时，电动推杆b1停止。电动推杆l1的pwm频率1000hz，电动推杆状态为l1正转，即l1伸长；电动推杆l2的pwm频率2800hz，电动推杆状态为l4正转，即l2伸长。当腿托向前伸长到达最大前伸位置，即l1到达100mm，l2达到120mm时，电动推杆l1、l2停止。

当操作手控器按下调整平躺按键，向前推拨动开关，使轮椅从躺平姿态调整至坐姿时，电动推杆b1的pwm频率2600hz，电动推杆状态为b1正转，即伸长；当靠背向前靠到达最大前靠位置0时，电动推杆b1停止。电动推杆l1的pwm频率1000hz，电动推杆状态为l1正转，即l1伸长；电动推杆l2的pwm频率2800hz，电动推杆状态为l2正转，即l2伸长。当腿托向后回缩到达最小回缩位置，即l1到达0，l2达到0时，电动推杆l1、l2停止。

④整体上升：推杆s1和s2同时同步伸长，推动座位上升和下降。s1和s2同时伸长，座位上升；s1和s2同时收缩，座位下降；s1和s2推杆型号和安装角度不同，通过程序调整速度，根据反馈调整伸缩。

设处理器的定时器5(time5)为电动推杆s1的腿托调整姿态提供pwm频率，处理器的定时器6(time6)为电动推杆s2的腿托调整姿态提供pwm频率。

设此时电动推杆s1的pwm控制频率为：2500hz，电动推杆s2的pwm控制频率为：1900hz；

电动推杆s1位置反馈信息的起点和终点为：0和250mm，电动推杆s2位置反馈信息的起点和终点为：0和200；

即电动推杆s1伸缩范围从0到250mm，电动推杆s2伸缩范围从0到200mm；

设定整体上升时，电动推杆s1伸长参数为s1正转，电动推杆s2伸长参数为s2正转；

设定整体下降时，电动推杆s1收缩参数为s1反转，电动推杆s2收缩参数为s2反转；

在轮椅靠背姿态为坐直、腿托放下(正常坐姿)的情况下，电动推杆s1、s2为初始状态，即电动推杆收缩至最短，此时位置反馈信息为：电动推杆s1为0，电动推杆s2为0。

当操作手控器按下调整上升下降按键，向前推拨动开关，使座椅上升时，电动推杆s1的pwm频率2500hz，电动推杆状态为s1正转，即s1伸长；电动推杆s2的pwm频率1900hz，电动推杆状态为s2正转，即s2伸长。当座椅上升到达最大高度位置，即s1到达250mm，s2达到200mm时，电动推杆s1、s2停止。

当操作手控器按下调整上升下降按键，向后推拨动开关，使座椅下降时，电动推杆s1的pwm频率2500hz，电动推杆状态为s1反转，即s1回缩；电动推杆s2的pwm频率1900hz，电动推杆状态为s2反转，即s2回缩。当座椅下降到达最小高度位置，即s1到达0，s2达到0时，电动推杆s1、s2停止。

⑤整体倾斜：推杆s1和s2伸长或收缩，推动座位的倾斜。推杆s1靠近前端，s2靠近后端，推杆s1伸长即向后倾斜，推杆s2伸长即向前倾斜。

设处理器的定时器5(time5)为电动推杆s1的腿托调整姿态提供pwm频率，处理器的定时器6(time6)为电动推杆s2的腿托调整姿态提供pwm频率。

设此时电动推杆s1的pwm控制频率为：3500hz，电动推杆s2的pwm控制频率为：3500hz；

电动推杆s1位置反馈信息的起点和终点为：0和250mm，电动推杆s2位置反馈信息的起点和终点为：0和200mm；

即电动推杆s1伸缩范围从0到250mm，电动推杆s2伸缩范围从0到200mm；

设定向后倾斜时，电动推杆s1伸长参数为s1正转；从向后倾斜回位时，电动推杆s1收缩参数为s1反转；

设定向前倾斜时，电动推杆s2伸长参数为s2正转；从向前倾斜回位时，电动推杆s2收缩参数为s2反转；

在轮椅靠背姿态为坐直、腿托放下(正常坐姿)的情况下，电动推杆s1、s2为初始状态，即电动推杆收缩至最短，此时位置反馈信息为：电动推杆s1为0，电动推杆s2为0。

当操作手控器按下调整倾斜按键，向前推拨动开关，使座椅向前倾斜时，电动推杆s2的pwm频率3500hz，电动推杆状态为s2正转，即s2伸长。当座椅向前倾斜到达最大向前倾斜位置，即s2达到00mm时，电动推杆s2停止。

当操作手控器按下调整倾斜按键，向后推拨动开关，使座椅向后倾斜时，先判断座椅是否为向前倾斜状态，即判断s2位置反馈信息是否等于0，如果s2位置反馈信息大于0，判断座椅处于向前倾斜状态，首先要将座椅回到原位。电动推杆s1的pwm频率3500hz，电动推杆状态为s1反转，即s1回缩。如果s2位置反馈信息等于0，判断座椅在原位，电动推杆s1的pwm频率3500hz，电动推杆状态为s1正转，即s1伸长；当座椅向后倾斜到达最大向后倾斜位置，即s1到达250mm时，电动推杆s1停止。

⑥站立姿态：由所有推杆共同配合完成站立。推杆l1、l2同时伸长，l1抬腿，l2伸腿，l1和l2配合共同完成腿托运动；推杆b1收缩，使靠背下放，使轮椅靠背躺平；推杆s1收缩，推杆s2伸长，辅助站立。

设处理器的定时器2(time2)为电动推杆b1的辅助站立调整姿态提供pwm控制频率。

设辅助站立时电动推杆b1的pwm控制频率为：500hz；

位置反馈信息的起点和终点为：0和150mm；

即电动推杆b1伸缩范围从0到150mm；

设定站立调整向上站立时，靠背直立，电动推杆b1收缩参数为b1反转；

设定站立调整向下坐下时，靠背回收，电动推杆b1伸长参数为b1正转；

设处理器的定时器3(time3)为电动推杆l1的站立调整姿态提供pwm频率，处理器的定时器4(time4)为电动推杆l2的站立调整姿态提供pwm频率。

设辅助站立时电动推杆l1的pwm控制频率为：1500hz，电动推杆l2的pwm控制频率为：1200hz；

电动推杆l1位置反馈信息的起点和终点为：0和100mm，电动推杆l2位置反馈信息的起点和终点为：0和120mm；

即电动推杆l1伸缩范围从0到100mm，电动推杆l2伸缩范围从0到120mm；

设定站立调整时，辅助站立，腿托向前伸，电动推杆l1伸长参数为l1正转，电动推杆l2伸长参数为l2正转；

设定站立调整时，辅助坐下，腿托向后收，电动推杆l1收缩参数为l1反转，电动推杆l2收缩参数为l2反转；

设处理器的定时器5(time5)为电动推杆s1的站立调整姿态提供pwm频率，处理器的定时器6(time6)为电动推杆s2的站立调整姿态提供pwm频率。

设辅助站立时，电动推杆s1的pwm控制频率为：3500hz，电动推杆s2的pwm控制频率为：2500hz；

电动推杆s1位置反馈信息的起点和终点为：0和250mm，电动推杆s2位置反馈信息的起点和终点为：0和200mm；辅助站立时，轮椅座椅先上升，上升到设定位置时，上升停止，设此时电动推杆s1的位置反馈信息为120mm，电动推杆s2的位置反馈信息为120mm,此后，s2单独工作。

设定辅助站立时，轮椅座椅先上升，电动推杆s1伸长参数为s1正转，电动推杆s2伸长参数为s2正转；直到s1推杆位置反馈信息达到120mm时，座椅再向前倾斜，s2继续伸长，参数仍为s2正转，一直到达200mm；辅助站立到设定位置后，辅助坐下(站立后再回到坐姿)时，从向前倾斜回位时，电动推杆s2收缩参数为s2反转；一直到达120mm时，电动推杆s1和s2同时工作，电动推杆s1回缩参数为s1反转，电动推杆s2回缩参数为s2反转；

辅助站立的全过程是：

当操作手控器按下辅助站立按键，向前推拨动开关，使轮椅站立时，先判断座椅是否为坐姿原位状态。

在轮椅靠背姿态为坐直、腿托放下(正常坐姿)的情况下，电动推杆s1、s2为初始状态，即电动推杆收缩至最短，此时位置反馈信息为：电动推杆s1为0，电动推杆s2为0。

如果判断座椅处于未站立或站立状态前期，电动推杆s1、s2伸长，即参数s1正转、s2正转；电动推杆b1伸长，即参数为b1正转；电动推杆l1、l2伸长，即参数为l1正转、l1反转。当电动推杆s1的位置反馈信息达到120mm,电动推杆s2的位置反馈信息达到120mm时，电动推杆s1停止，电动推杆s2、b1、l1、l2继续按原状态参数执行，到各推杆到达制定终点。

辅助站立完成。

如果s2的位置反馈信息大于120mm、小于250mm时，判断座椅处于站立状态后期，电动推杆s1停止，电动s2继续伸长，即参数s2正转；电动推杆b1伸长，即参数为b1正转；电动推杆l1、l2伸长，即参数为l1正转、l1反转。当电动推杆s1的位置反馈信息达到120mm,电动推杆s2的位置反馈信息达到120mm时，电动推杆s1停止，电动推杆s2、b1、l1、l2继续按原状态参数执行，到各推杆到达制定终点。

从站立位置回到坐姿位置，过程是前面所述的反向执行。

判断上下坡，座椅系统倾斜，适应路况变化的具体方式如下：

进一步的，为了安全起见，轮椅的传感器模块测定助行器在x、y、z三个方向有角度变化，则判断助行器有倾倒危险，如图3所示，传感器模块包括陀螺仪、信号采集单元。所述信号采集单元通过陀螺仪将角度转化为模拟电压信号并输出，所述主控制器获取所述信号采集单元x、y和z两个方向输出的模拟电压信号，并将所述模拟电压信号转换为表征加速度的数字信号ax、ay和az，判断是否向前倾斜和向后倾斜需要x、z两个方向的输出的信号，等效图如图3所示，

根据如下公式并计算前后(x)方向上的倾角，

x方向的倾角即为陀螺仪x轴与水平面x轴倾角a：

α＝arctan^-1(ax/az)

判断是否向前倾斜和向后倾斜，ax＞0时，α＞0，向前倾斜；ax＜0时，α＜0向后倾斜。

倾角的第一阈值不大于8°、第二阈值不大于12°、第三阈值不大于20°。

(1)当α绝对值小于等于8°时的座椅倾斜：

推杆s1和s2伸长或收缩，推动座位的倾斜。推杆s1靠近前端，s2靠近后端，推杆s1伸长即向后倾斜，推杆s2伸长即向前倾斜。

设定时器5(time5)为电动推杆s1的腿托调整姿态提供pwm频率，定时器6(time6)为电动推杆s2的腿托调整姿态提供pwm频率。

设此时电动推杆s1的pwm控制频率为：3500hz，电动推杆s2的pwm控制频率为：3500hz；

电动推杆s1位置反馈信息的起点和终点为：0和120×sin8°mm；120×sin8°mm为电动推杆s1倾斜8°的位置反馈信息。电动推杆s2位置反馈信息的起点和终点为：0和120×sin8°mm；120×sin8°mm为电动推杆s2倾斜8°的位置反馈信息。

即电动推杆s1伸缩范围从0到120×sin8°mm，电动推杆s2伸缩范围从0到120×sin8°mm；

设定向后倾斜时，电动推杆s1伸长参数为s1正转；从向后倾斜回位时，电动推杆s1收缩参数为s1反转；

设定向前倾斜时，电动推杆s2伸长参数为s2正转；从向前倾斜回位时，电动推杆s2收缩参数为s2反转；

在轮椅靠背姿态为坐直、腿托放下(正常坐姿)的情况下，电动推杆s1、s2为初始状态，即电动推杆收缩至最短，此时位置反馈信息为：电动推杆s1为0，电动推杆s2为0。

当α＞0时，座椅向前倾斜，先判断座椅是否为倾斜状态，即判断s1位置反馈信息是否等于0，判断s2位置反馈信息是否等于0。如果s1位置反馈信息大于0，或者如果s2位置反馈信息大于0，判断座椅处于倾斜状态，首先要将座椅回到原位。电动推杆s2的pwm频率3500hz，电动推杆状态为s2正转，即s2伸长。当座椅向前倾斜到达向前倾斜8度角位置，即s2达到120×sin8°mm时，电动推杆s2停止。

当α＜0°时,座椅向后倾斜，先判断座椅是否为倾斜状态，即判断s1位置反馈信息是否等于0，判断s2位置反馈信息是否等于0。如果s1位置反馈信息大于0，或者如果s2位置反馈信息大于0，判断座椅处于倾斜状态，首先要将座椅回到原位。电动推杆s1的pwm频率3500hz，电动推杆状态为s1反转，即s1回缩。如果s2位置反馈信息等于0，判断座椅在原位，电动推杆s1的pwm频率3500hz，电动推杆状态为s1正转，即s1伸长；当座椅向后倾斜到达向后倾斜8度角位置，即s1到达120×sin8°mm时，电动推杆s1停止。

(2)当8°＜α绝对值＜12°时的座椅倾斜：

推杆s1和s2伸长或收缩，推动座位的倾斜。推杆s1靠近前端，s2靠近后端，推杆s1伸长即向后倾斜，推杆s2伸长即向前倾斜。

设定时器5(time5)为电动推杆s1的腿托调整姿态提供pwm频率，定时器6(time6)为电动推杆s2的腿托调整姿态提供pwm频率。

设此时电动推杆s1的pwm控制频率为：3500hz，电动推杆s2的pwm控制频率为：3500hz；

电动推杆s1位置反馈信息的起点和终点为：0和120×sin12°；120×sin12°为电动推杆s1倾斜12°的位置反馈信息。电动推杆s2位置反馈信息的起点和终点为：0和120×sin12°；s2_qs_f2_12为电动推杆s2倾斜12°的位置反馈信息。

即电动推杆s1伸缩范围从0到120×sin12°，电动推杆s2伸缩范围从0到120×sin12°；

设定向后倾斜时，电动推杆s1伸长参数为s1正转；从向后倾斜回位时，电动推杆s1收缩参数为s1反转；

设定向前倾斜时，电动推杆s2伸长参数为s2正转；从向前倾斜回位时，电动推杆s2收缩参数为s2反转；

在轮椅靠背姿态为坐直、腿托放下(正常坐姿)的情况下，电动推杆s1、s2为初始状态，即电动推杆收缩至最短，此时位置反馈信息为：电动推杆s1为0，电动推杆s2为0。

当α＞0时，座椅向前倾斜，先判断座椅是否为倾斜状态，即判断s1位置反馈信息是否等于0，判断s2位置反馈信息是否等于0。如果s1位置反馈信息大于0，或者如果s2位置反馈信息大于0，判断座椅处于倾斜状态，首先要将座椅回到原位。电动推杆s2的pwm频率3500hz，电动推杆状态为s2正转，即s2伸长。当座椅向前倾斜到达向前倾斜12度角位置，即s2达到120×sin12°时，电动推杆s2停止。

当α＜0时,座椅向后倾斜，先判断座椅是否为倾斜状态，即判断s1位置反馈信息是否等于0，判断s2位置反馈信息是否等于0。如果s1位置反馈信息大于0，或者如果s2位置反馈信息大于0，判断座椅处于倾斜状态，首先要将座椅回到原位。电动推杆s1的pwm频率3500hz，电动推杆状态为s1反转，即s1回缩。如果s2位置反馈信息等于0，判断座椅在原位，电动推杆s1的pwm频率3500hz，电动推杆状态为s1正转，即s1伸长；当座椅向后倾斜到达向后倾斜12度角位置，即s1到达120×sin12°时，电动推杆s1停止。

(3)当12°＜α绝对值＜20°时的座椅倾斜：

推杆s1和s2伸长或收缩，推动座位的倾斜。推杆s1靠近前端，s2靠近后端，推杆s1伸长即向后倾斜，推杆s2伸长即向前倾斜。

设定时器5(time5)为电动推杆s1的腿托调整姿态提供pwm频率，定时器6(time6)为电动推杆s2的腿托调整姿态提供pwm频率。

设此时电动推杆s1的pwm控制频率为：3500hz，电动推杆s2的pwm控制频率为：3500hz；

电动推杆s1位置反馈信息的起点和终点为：o和120×sin20°；120×sin20°为电动推杆s1倾斜20°的位置反馈信息。电动推杆s2位置反馈信息的起点和终点为：0和120×sin20°；120×sin20°为电动推杆s2倾斜20°的位置反馈信息。

即电动推杆s1伸缩范围从0到120×sin20°，电动推杆s2伸缩范围从0到120×sin20°；

设定向后倾斜时，电动推杆s1伸长参数为s1正转；从向后倾斜回位时，电动推杆s1收缩参数为s1反转；

设定向前倾斜时，电动推杆s2伸长参数为s2正转；从向前倾斜回位时，电动推杆s2收缩参数为s2反转；

在轮椅靠背姿态为坐直、腿托放下(正常坐姿)的情况下，电动推杆s1、s2为初始状态，即电动推杆收缩至最短，此时位置反馈信息为：电动推杆s1为0，电动推杆s2为0。

当α＞0时，座椅向前倾斜，先判断座椅是否为倾斜状态，即判断s1位置反馈信息是否等于0，判断s2位置反馈信息是否等于0。如果s1位置反馈信息大于0，或者如果s2位置反馈信息大于0，判断座椅处于倾斜状态，首先要将座椅回到原位。电动推杆s2的pwm频率3500hz，电动推杆状态为s2正转，即s2伸长。当座椅向前倾斜到达向前倾斜20度角位置，即s2达到120×sin20°时，电动推杆s2停止。

当α＜0时,座椅向后倾斜，先判断座椅是否为倾斜状态，即判断s1位置反馈信息是否等于0，判断s2位置反馈信息是否等于0。如果s1位置反馈信息大于0，或者如果s2位置反馈信息大于0，判断座椅处于倾斜状态，首先要将座椅回到原位。电动推杆s1的pwm频率3500hz，电动推杆状态为s1反转，即s1回缩。如果s2位置反馈信息等于0，判断座椅在原位，电动推杆s1的pwm频率3500hz，电动推杆状态为s1正转，即s1伸长；当座椅向后倾斜到达向后倾斜20度角位置，即s1到达120×sin20°时，电动推杆s1停止。

(4)当α绝对值≥20°时，轮椅禁止，座椅禁止倾斜：

(5)当轮椅驶离坡道，轮椅座位复原，电动推杆s1、s2回到初始状态，此时位置反馈信息为：电动推杆s1为0电动推杆s2为0。

如图4所示，为5个电机驱动及反馈电路其中之一的电机驱动及反馈电路，其余四个的电路与之相同，电路结构具体说明如下，电机驱动及反馈电路包括高速光耦隔离单元、电机驱动单元、低速光耦隔离单元，其中：

高速光耦隔离单元包括u2芯片hcpl2631及其外围电路元件，hcpl2631是高速光耦隔离芯片，作用是进行数字器件和功率器件的隔离，将处理器发出的pwm信号变为更有效的电机驱动pwm信号，同时避免电机产生的大的感应电压损坏处理器。

芯片hcpl2631的vin1+端(管脚1)连接处理器输出pwm1的端口，vin1-端(管脚2)连接保护电阻r26，r26阻值360欧；vin2+端(管脚4)连接处理器输出pwm2的端口，vin2-端(管脚3)连接保护电阻r30，r30阻值360欧；gnd端(管脚5)接地，同时通过滤波电容c22和+5v电压源连接，c22的容值为0.1μf；vout1(管脚7)输出pwm1的光耦隔离后的信号，为pwm1_in，同时通过上拉电阻r19与+5v电压源连接，r19的阻值为510欧，r19的作用是保护芯片，使得pwm1_in的电压在芯片hcpl2631的工作范围之内；vout2(管脚6)输出pwm2的光耦隔离后的信号，为pwm2_in，同时通过上拉电阻r20与+5v电压源连接，r20的阻值为510欧，r20的作用是保护芯片，使得pwm2_in的电压在芯片hcpl2631的工作范围之内；vcc端(管脚8)是芯片的电源端，连接+5v电压源。

电机驱动单元包括u6、u7芯片及其外围电路元件，u6、u7芯片是ir2104s，是一种双通道、栅极驱动、高压高速功率的电机驱动芯片，控制电机采用的是桥式整流电路。

u6芯片是ir2104s，是一种双通道、栅极驱动、高速功率的电机驱动芯片。vcc端(管脚1)是逻辑电源电压端，接12v电压；in端(管脚2)是输入端，pwm1_in信号是处理器输出的pwm1信号，经过hcpl2631芯片隔离后的信号，作为u6的输入；com端(管脚4)是逻辑电路地电位端，接地。12v电压和地之间接滤波电容c14，c14容值为0.1μf；lo端(管脚5)是低侧栅极驱动输出，ho端(管脚7)是高侧栅极驱动输出，连接22欧的电阻r2的一端，r2的另一端连接mos管q4的基极，n沟道场效应管q4、q7可选的型号为ir540n，q4的集电极连接24v电压源，q4的发射极与p3的管脚2和q7的集电极连接。q4的发射极和集电极之间由二极管d7连接，d7为1n4007，防止电路电流回流。q7的基极通过22欧电阻r7与u6的管脚5连接，q7的发射极和集电极之间由二极管d10连接，d10为1n4007，防止电路电流回流。

vs端(管脚6)是高端浮置电源偏移电压端，连接p3的2端(p3是电动推杆的电源正负接口，1端和2端连接电动推杆的两根动力线)，p3是电动推杆的驱动电源端，vs端还与自举电容c7的一端连接，c7的另一端与vb端(管脚8)连接，c7的电容值为1.5μf。在q7导通期间，使vs端的电位拉低到地，通过自举电容c7充电，在vb和vs之间形成一个悬浮电源。自举电容c7的存在使mos管q7的集电极形成一个电源。vb端(管脚8)是高侧浮动绝对电压端，连接二极管d3的负极，d3为1n4007，d3的正极连接12v电压，负极接vb端。

vb端(管脚7)是高侧浮动绝对电压端，vb端和12v电压之间连接d3二极管1n4007，d3正极接12v，负极接vb。vb和vs之间连接自举电容c7，c7的容值为1.5μf。

q7的集电极和发射极之间由二极管d10连接，d10为1n4007，d10的正极连接q7的发射极，负极连接q7的集电极。

u7芯片是ir2104s，是一种双通道、栅极驱动、高速功率的电机驱动芯片。vcc端(管脚1)是逻辑电源电压端，接12v电压；in端(管脚2)是输入端，pwm2_in信号是处理器输出的pwm2信号，经过hcpl2631芯片隔离后的信号，作为u7的输入；com端(管脚4)是逻辑电路地电位端，接地。12v电压和地之间接滤波电容c12，c12容值为0.1μf；lo端(管脚5)是低侧栅极驱动输出，ho端(管脚7)是高侧栅极驱动输出，连接22欧的电阻r4的一端，r4的另一端连接mos管q2的基极，n沟道场效应管q2、q8为ir540n，q2的集电极连接24v电压源，q2的发射极与p3的管脚2和q8的集电极连接。q2的发射极和集电极之间由二极管d8连接，d8为1n4007，防止电路电流回流。q8的基极通过22欧电阻r8与u7的管脚5连接，q8的发射极和集电极之间由二极管d11连接，d11为1n4007，防止电路电流回流。24v电压源输出端接电解电容c2的正极，c2负极接地，c2为24v电压源提供滤波。

vs端(管脚6)是高端浮置电源偏移电压端，连接p3的1端，p3是电动推杆的驱动电源端，vs端还与自举电容c8的一端连接，c7的另一端与vb端(管脚8)连接，c8的电容值为1.5μf。在q8导通期间，使vs端的电位拉低到地，通过自举电容c8充电，在vb和vs之间形成一个悬浮电源。自举电容c8的存在使mos管q8的集电极形成一个电源。vb端(管脚8)是高侧浮动绝对电压端，连接二极管d4的负极，d4为1n4007，d4的正极连接12v电压，负极接vb端。

vb端(管脚7)是高侧浮动绝对电压端，vb端和12v电压之间连接d4二极管1n4007，d4正极接12v，负极接vb。vb和vs之间连接自举电容c8，c8的容值为1.5μf。

q8的集电极和发射极之间由二极管d11连接，d11为1n4007，d11的正极连接q8的发射极，负极连接q8的集电极。

以上述芯片u6、u7的构成驱动电路的说明如下：c7和d3分别为自举电容和二极管(芯片u7的c8和d4分别为自举电容和二极管同理)。假定在q4关断期间，c7已充到足够的电压(vc7≈vcc)。那么，sd为高电平时ho开通，lo关断，vc7加到q4的门极和发射极之间，c7通过ho、r2和q4门极栅极电容cq1放电，从而使cq1被充电。此时，vc7可等效为一个电压源。而当hin为低电平时，lo开通，ho断开，q4栅电荷迅速释放，使q4关断。然后经短暂的死区时间(td)之后，lin为高电平，q7开通，vcc经d3，q7给c4充电，并迅速为c4补充能量，并如此循环反复。

当芯片u6的ho高电平、lo低电平，使q4导通、q7关断，同时，芯片u7的ho低电平、lo高电平，是q2关断、q8导通，+24v电源电压的正极连接到接线端子p3的2管脚，接线端子p3的1管脚接地，电机正极为2管脚，负极为1管脚，电流从+24v经接线端子p3的2管脚流经电动推杆内部从接线端子p3的1管脚出来，再经过采样电阻r22，进入接地端。此时定义电动推杆为正转。

当芯片u6的ho低电平、lo高电平，使q4关断、q7导通，同时，芯片u7的ho高电平、lo低电平，是q2导通、q8关断，+24v电源电压的正极连接到接线端子p3的1管脚，接线端子p3的2管脚接地，电机正极为1管脚，负极为2管脚，电流从+24v经接线端子p3的1管脚流经电动推杆内部从接线端子p3的2管脚出来，再经过采样电阻r22，进入接地端。此时定义电动推杆为反转。

二极管d7、d8、d10、d11的作用是防止电流反流，造成+24v电源和地之间短路。

低速光耦隔离单元包括u9芯片及其外围电路元件，u9芯片是低速光耦隔离芯片pc817，作用是进行数字器件和功率器件的隔离，避免高电压损坏处理器和功率芯片。主要作用是：(1)隔离处理器发出的使能信号sd0信号，以免sd0信号电压过高损坏处理器，sdo信号作为u6、u7芯片的使能端，控制芯片工作；(2)控制sd信号(sdo信号经u9芯片隔离后称为sd信号)为低电平，禁止芯片ir2104s工作使能的功能，保护芯片ir2104s。元件up4是电压比较器mcp6022，当“+”输入端电压高于“－”输入端时，电压比较器输出为高电平，当电压比较器mcp6022的“－”输入端(管脚4)输入过大的电压信号，大于“+”输入端(管脚3)的比较值，那么比较器的输出端(管脚1)输出为低电平，ir2104s的sd端(u6和u7的sd端(管脚3)，连接在一起)收到低电平，ir2104s芯片禁止。u9的sd端(管脚4)接up4的管脚1，u9的sd端(管脚4)还接上拉电阻r34后接+5v电压源，r34的阻值为360欧，以防止sd电压过高，强制设置最大电压为+5v，保护处理器，u9芯片管脚1接sdo，管脚2接电阻r38后接地，r38阻值为360欧，管脚3接地。

r22是电流采样电阻，阻值0.002欧，5w的精密合金电阻，电动推杆的电流经过r22，r22一端接地，另一端接桥式整流电路的电流采样点。r22的电流采样点端还连接电阻r13的第一端，r13阻值为1k欧，r13另一端连接电阻r14的第一端和电容c27的第一端，电阻r14阻值为1k欧，电容c27的容值为68pf。r22的接地端还连接电阻r27地第一端，r27阻值为1k欧，r27另一端接电容c27的另一端和电阻r28的第一端，r28的阻值为1k欧，r28另一端接up2比较器mcp6022的“－”输入端(管脚4)，mcp6022的“+”输入端(管脚3)连接r14的另一端，还连接电阻r301的第一端，r301的阻值为1k欧，r301的另一端接+1.65v比较电压端。mcp6022的“－”输入端(管脚4)连接反馈电阻r32的第一端，r32的阻值为24k欧，r32第一端连接r28和mcp6022的“－”输入端(管脚4)，另一端接mcp6022的输出端(管脚1)，mcp6022的输出端(管脚1)输出电流采样值，给处理器的dc_i端，处理器通过对电流采样值的分析可获悉点推杆是否工作以及工作状态是否正常。

up2芯片mcp6022的输出端(管脚1)还连接电阻r16的第一端，r16的阻值为1k欧，r16的另一端连接电容c28的第一端和瞬态二极管元件bas70-04的管脚3，元件bas70-04的作用是限制mcp6022的输出端(管脚1)的电压小于+3.3v，当mcp6022的输出端(管脚1)电压过大时，元件bas70-04钳位电压+3.3v，防止电压过高损坏处理器电流采样端口。元件bas70-04的管脚1接地，管脚2接+3.3v电压源。

up4芯片的管脚4接电阻r16的另一端，管脚3与10k欧电阻r39的第一端和5.4k欧电阻r40的第一端连接，电阻r39的第二端接+5v电压源，电阻r40的第二端接地。

为了保护电动推杆，设定了最大电流8a，电流采样限流值是8a；在合金电阻r22上产生的压降就是8a×0.002r＝0.016v，up2比较器mcp6022及其外围电路的作用是将0.016v放大12+1倍，具体计算公式为：u＝u0×[1+r24/(r27+r28)]＝0.0016v×13＝0.208v；加比较电压1.65v，那么输出就为1.65v+0.208v＝1.858v，up4比较器mcp6022的作用是比较“+”输入端和“－”输入端的电压。比较电压1.858v。设定r39的阻值为10k欧，由此计算出r40的阻值近似为5.4k欧姆。

当“+”输入端电压高于“－”输入端时，电压比较器输出为高电平，当比较器mcp6022的“－”输入端(管脚4)输入过大的电压信号，大于“+”输入端(管脚3)的比较值，那么比较器的输出端(管脚1)输出为低电平，ir2104s的sd端收到低电平，ir2104s芯片禁止。u9的sd端还有一个上拉电阻r34，r34的阻值为360欧，以防止sd电压过高，强制设置最大电压为+5v，保护处理器。端子p5接电动推杆的位置反馈信号端。电动推杆内部有反馈电阻(图中未示出，反馈电阻设置在电动推杆的内部，作为位置信息反馈信号的标定，即输出模拟信号表示电动推杆伸缩位置，经过p5外围电路将模拟信号转化为处理器可以识别的电压信号)，作用是标定电动推杆的位置反馈信息，即输出模拟信号表示电动推杆伸缩位置，p5外围电路将模拟信号转化为处理器可以识别的电压信号。p5的管脚1接+3.3v电压源，并连接滤波电容c20的第一端，c20的容值为0.1μf，滤波电容c20的第二端接地。管脚2接电阻r20的第一端，r20的阻值为120欧，r20另一端接dc_p。dc_p是电动推杆内置的位置反馈采样电阻的模拟值信号输出节点，根据dc_p数值能够推算出电动推杆的具体位置。dc_p连接处理器的位置反馈信息采样端，r20的另一端还连接c24的第一端，c24是滤波电容，保持处理器接收位置反馈信息采样的稳定，c24的容值0.1μf，c24的第二端接地，p5的管脚3接地。

通过本发明的电路能够获得以下的有益效果：1、采样电路的输入阻抗接近无穷大，输出电阻为0，保护了电机驱动电路，并且提高了采样效率。2、比较电压1.65v的引入，修正了up2放大器mcp6022的计算数值，提高了电流的采样精度。3、瞬态二极管bas70-04有效保护了处理器芯片的模拟输入io管脚，避免由于不可预知的高电压对io管脚造成损坏。4、up4的mcp6022构成比较器能够实时驱动u6、u7芯片的使能端，保护了ir2104s芯片和处理器，避免过流造成电机和控制系统损坏。