CN101190158A - 智能轮椅 - Google Patents
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Abstract
一种智能轮椅,包括车体、两个驱动后轮、两个随动前轮、蓄电池、两个驱动电机、操纵杆和电机驱动器,车体包含桌面和两个脚踏板。其特点是:桌面内安装有嵌入式智能控制系统,车体侧部布置有多传感器测距机构,车身下部四周设置有防碰撞机构和防跌落机构,车体上布有摄像头作为视觉传感器;多传感器测距机构、防碰撞机构、防跌落机构和视觉传感器分别与嵌入式智能控制系统电信相连,嵌入式智能控制系统还与操纵杆及电机驱动器电信相连。本发明智能轮椅是一种性能优越的代步工具,具有自动行走、避障、防碰、防跌以及目标跟踪等功能,与传统的轮椅相比,智能轮椅更加安全可靠、易于操作,可满足一部分老年人以及残障人士等弱势群体的需要,提高他们的生活质量。
Description
技术领域
本发明涉及一种电动轮椅,特别涉及一种智能轮椅。
背景技术
随着社会文明的发展进步,保障和提高老年人以及残障人士等弱势群体的生活质量,已经越来越受到社会各界人士的普遍关注。大量研究表明,有效增强老年人以及残障人士的行动能力,不仅使得他们的日常生活变得方便,而且对他们的心理健康、自我评价、精神状态也有着深远的影响。因此,一种能为老年人提供方便的代步轮椅应运而生,并得到了广泛的推广应用。较早的轮椅是手动的,由人转动一个手轮前进,这需要消耗体力,不适合那些体力太弱以及残障人士使用。随后又发明了电动轮椅,这种电动轮椅一般包括车体,前后轮,驱动电机、操纵杆和电机驱动器,驱动电机由蓄电池供电,驱动后轮前进,坐在轮椅上的人只须按动操纵杆,即可实现轮椅的前进、后退及左右转弯。电动轮椅比手动轮椅有很大的进步,但仍存在一些问题,例如,用车人一般只会从上方观察周围环境,判断自己该如何操纵轮椅,对地面及近地面的情况则较难观察到,一旦碰到障碍物,不能及时采取应对措施,往往造成硬性碰撞,甚至造成翻车事故和人身伤害。另外,对于一部分自理能力较差的老年人及残障人士,一般的电动轮椅他们也操纵不了,需要开发一种操作更加方便、使用更加安全的新型智能轮椅,以满足这部分人的需要,并为更多的人提供一种更加优越的代步工具。
发明内容
本发明的目的,在于克服上述现有技术存在的不足,提供一种操作更加方便、使用更加安全的智能轮椅。
本发明的目的是这样实现的:一种智能轮椅,包括车体、两个驱动后轮、两个随动前轮、蓄电池、两个驱动电机、操纵杆和电机驱动器,车体包含桌面和两个脚踏板,驱动电机包含涡轮涡杆离合器和直流电机,桌面内安装有嵌入式智能控制系统,车体侧部布置有多传感器测距机构,车身下部四周设置有防碰撞机构和防跌落机构,车体上布有摄像头作为视觉传感器;多传感器测距机构、防碰撞机构、防跌落机构和视觉传感器分别与嵌入式智能控制系统电信相连,嵌入式智能控制系统还与操纵杆及电机驱动器电信相连。
所述的嵌入式智能控制系统包括PC机、DSP控制器和声纳控制器,以DSP控制器为核心,通过总线与声纳控制器连接,通过RS232串口与PC通讯,DSP控制器还分别与操纵杆和电机驱动器电信相连,向电机驱动器下达运动控制指令。
所述的嵌入式智能控制系统设有手动运行模式、半自主运行模式、自主运行模式和PC机运行模式。
所述的测距机构包括用于检测前方障碍物的前方测距机构和用于检测后方障碍物的后方测距机构;两测距机构各由若干个声纳测距传感器和红外测距传感器组成,各声纳测距传感器分别与嵌入式智能控制系统的声纳测距控制器电信相连,各红外测距传感器分别与智能控制系统的DSP控制器电信相连。
所述的前方测距机构的各声纳测距传感器和红外测距传感器设置在桌面的周围,所述的后方测距机构的各声纳测距传感器和红外测距传感器设置在两后轮之间的蓄电池后侧。
所述的防碰撞机构包括前方防碰撞机构和后方防碰撞机构,防碰撞机构包括缓冲杆、回位弹簧和碰撞开关,回位弹簧连接在缓冲杆与车体之间,碰撞开关与回位弹簧相连由回位弹簧触动其开关动作,并将开关信号传输给智能控制系统的DSP控制器。
所述的前方防碰撞机构连接在脚踏板上,其缓冲杆伸出在脚踏板的前方;所述的后方防碰撞机构设置在车体下部的后缘,其缓冲杆伸出在两后轮的后方。
所述的缓冲杆为弓弧形结构件。
所述的防跌落机构包括两个红外测距传感器,两个红外测距传感器分别设置在两脚踏板的下侧面并分别与智能控制系统的DSP控制器电信相连,其安装方向使红外线斜向前下方射出。
本发明智能轮椅是一种性能优越的代步工具,具有自动行走、避障、防碰、防跌以及目标跟踪等功能,与传统的轮椅相比,智能轮椅更加安全可靠、易于操作,可满足一部分老年人以及残障人士等弱势群体的需要,提高他们的生活质量。
附图说明
图1为本发明智能轮椅的立体结构示意图;
图2为本发明智能轮椅的正视结构示意图;
图3为图2所示智能轮椅的左视结构示意图;
图4为图2所示智能轮椅的俯视结构示意图;
图5为本发明智能轮椅中的控制系统的控制框图。
具体实施方式
参见图1,配合参见图2、图3、图4,本发明的智能轮椅包括车体1、两个驱动后轮2、两个随动前轮3、蓄电池4、两台驱动电机5、操纵杆和电机驱动器6(英国PG公司产品),两台驱动电机各包含涡轮涡杆离合器和直流电机,车体1包含一个桌面101和两个脚踏板102。本发明的智能轮椅由两节12V铅酸蓄电池供电,采用双轮差速的驱动方式,由两只200W的直流电机驱动。
本发明的智能轮椅还包括安装在桌面下的嵌入式智能控制系统、设置在车身周围的测距机构、设置在车身下部四周的防碰撞机构、防跌落机构和视觉传感器;测距机构、防碰撞机构、防跌落机构和视觉传感器分别与嵌入式智能控制系统电信相连,嵌入式智能控制系统还与操纵杆控制器及电机驱动器电信相连。
配合参见图5,本发明中的嵌入式智能控制系统包括PC机、DSP控制器和声纳控制器,以TI公司生产的DSP控制器为核心,通过总线与声纳控制器连接,通过RS232串口与PC通讯,DSP控制器还分别与操纵杆和电机驱动器电信相连,向电机驱动器下达运动控制指令,由电机驱动器控制直流电机的动作。DSP控制器是运行系统软件的平台,是智能轮椅的“神经中枢”,负责采样操纵杆的操纵信息、各测距机构、防碰撞机构和防跌落机构的信号,同时负责向电机驱动器下达运动控制指令、驱动轮椅运动。智能轮椅嵌入式智能控制系统的软件系统的控制周期为1ms,通过计时器中断的方式实现操纵杆、传感器信号采样及电机驱动器控制。
本发明中的嵌入式智能控制系统设有手动运行模式、半自主运行模式、自主运行模式和PC机运行模式。根据用户的选择,系统程序可以运行于手动模式、半自主模式、自主模式以及PC机模式:
1.手动运行模式:用户通过操纵杆直接控制智能轮椅运动;
2.半自主运行模式:用户可通过操纵杆控制轮椅运动,嵌入式智能控制系统在接受操纵杆操纵信号的同时还需要结合测距机构、防碰撞机构和防跌落机构的信息,从而决定智能轮椅的最终运动;
3.全自主运行模式:用户将轮椅需要运动的路径或算法先输入到嵌入式智能控制系统中的DSP控制器内,智能轮椅将依据DSP控制器内的控制算法自主运行;
4.PC机运行模式:用户将轮椅需要运动的路径或算法先输入到嵌入式智能控制系统中的PC机内,智能轮椅将依据PC机内的控制算法自主运行。
多种模式的选择可满足不同应用场合的需要,提高了智能轮椅的适用性。
配合参见图5,本发明中的测距机构包括用于检测前方障碍物的前方测距机构7和用于检测后方障碍物的后方测距机构8;两测距机构各包括多个声纳测距传感器和红外测距传感器,各声纳测距传感器分别与智能控制系统的声纳控制器电信相连,各红外测距传感器分别与智能控制系统的DSP控制器电信相连。前方测距机构的各声纳测距传感器和红外测距传感器设置在桌面下的嵌入式智能控制系统的周围,后方测距机构的各声纳测距传感器和红外测距传感器设置在两后轮之间的蓄电池后侧。
配合参见图5,本发明中的防碰撞机构包括前方防碰撞机构9和后方防碰撞机构10,前方防碰撞机构9连接在脚踏板上,后方防碰撞机构10设置在车体下部的后缘。两防碰撞机构各包括缓冲杆、回位弹簧和碰撞开关。缓冲杆为弓弧形结构件。其中,前方防碰撞机构9的缓冲杆伸出在脚踏板的前方;后方防碰撞机构10的缓冲杆伸出在两后轮的后方。回位弹簧连接在缓冲杆与车体之间,碰撞开关(微动开关)与回位弹簧相连由回位弹簧触动其开关动作,并将开关信号传输给智能控制系统的DSP控制器。
配合参见图5,本发明中的防跌落机构11包括两个红外测距传感器,两个红外测距传感器分别设置在两脚踏板的下侧面并分别与智能控制系统的DSP控制器电信相连,其距离地面为一固定高度,安装方向斜向下,与水平成固定夹角,可使红外线斜向前下方射出。通过几何关系,当地面平整时,红外测距传感器测出的距离为一定值。如果红外测距传感器测出的距离突然变长,说明控制器监测到轮椅前方有深坑或者台阶,进而发出防跌警报。
本发明智能轮椅在电动轮椅的基础上,装配了多种传感器,使轮椅具有感知环境信息、实时决策、自主运动的能力,体现出智能性。智能轮椅本质上是轮椅结构的机器人,它涉及众多机器人领域的关键技术,包括传感器数据融合、机器人视觉、行为融合、路径规划、定位与导航、人工智能等,是将智能机器人技术应用于电动轮椅上,属于服务机器人范畴。
Claims (9)
1.一种智能轮椅,包括车体、两个驱动后轮、两个随动前轮、蓄电池、两个驱动电机、操纵杆和电机驱动器,车体包含桌面和两个脚踏板,驱动电机包含涡轮涡杆离合器和直流电机,其特征在于:桌面内安装有嵌入式智能控制系统,车体侧部布置有多传感器测距机构,车身下部四周设置有防碰撞机构和防跌落机构,车体上布有摄像头作为视觉传感器;多传感器测距机构、防碰撞机构、防跌落机构和视觉传感器分别与嵌入式智能控制系统电信相连,嵌入式智能控制系统还与操纵杆及电机驱动器电信相连。
2.如权利要求1所述的智能轮椅,其特征在于:所述的嵌入式智能控制系统包括PC机、DSP控制器和声纳控制器,以DSP控制器为核心,通过总线与声纳控制器连接,通过RS232串口与PC通讯,DSP控制器还分别与操纵杆和电机驱动器电信相连,向电机驱动器下达运动控制指令。
3.如权利要求1所述的智能轮椅,其特征在于:所述的嵌入式智能控制系统设有手动运行模式、半自主运行模式、自主运行模式和PC机运行模式。
4.如权利要求1所述的智能轮椅,其特征在于:所述的测距机构包括用于检测前方障碍物的前方测距机构和用于检测后方障碍物的后方测距机构;两测距机构各由若干个声纳测距传感器和红外测距传感器组成,各声纳测距传感器分别与嵌入式智能控制系统的声纳测距控制器电信相连,各红外测距传感器分别与智能控制系统的DSP控制器电信相连。
5.如权利要求4所述的智能轮椅,其特征在于:所述的前方测距机构的各声纳测距传感器和红外测距传感器设置在桌面的周围,所述的后方测距机构的各声纳测距传感器和红外测距传感器设置在两后轮之间的蓄电池后侧。
6.如权利要求1所述的智能轮椅,其特征在于:所述的防碰撞机构包括前方防碰撞机构和后方防碰撞机构,防碰撞机构包括缓冲杆、回位弹簧和碰撞开关,回位弹簧连接在缓冲杆与车体之间,碰撞开关与回位弹簧相连由回位弹簧触动其开关动作,并将开关信号传输给智能控制系统的DSP控制器。
7.如权利要求6所述的智能轮椅,其特征在于:所述的前方防碰撞机构连接在脚踏板上,其缓冲杆伸出在脚踏板的前方;所述的后方防碰撞机构设置在车体下部的后缘,其缓冲杆伸出在两后轮的后方。
8.如权利要求6所述的智能轮椅,其特征在于:所述的缓冲杆为弓弧形结构件。
9.如权利要求1所述的智能轮椅,其特征在于:所述的防跌落机构包括两个红外测距传感器,两个红外测距传感器分别设置在两脚踏板的下侧面并分别与智能控制系统的DSP控制器电信相连,其安装方向使红外线斜向前下方射出。
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