CN102600026A - 全向智能电动轮椅 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种全向智能电动轮椅，包括底盘框架、座椅，底盘框架下方两侧分别铰接有左右相对应的驱动臂，驱动臂上连接有构成一对前轮和一对后轮的麦克纳姆轮，座椅下方两侧、座椅前方且位于一对前轮上方分别设有超声波传感器，麦克纳姆轮的外侧分别设有红外传感器，座椅的扶手上设有控制盒和操作手柄，驱动臂内还设有驱动控制板，驱动控制板线路连接有DSP处理器。本发明与常规的两轮后驱电动轮椅相比，具有如横向、斜向等全向移动能力，具有更大的运动灵活性，通过超声波传感器和红外传感器检测轮椅周围的环境，以此为乘坐者提供可能阻碍轮椅运动的障碍物的信息，实现自动驾驶轮椅避障或为轮椅制动，提高轮椅的使用安全性。

Description

全向智能电动轮椅
技术领域
本发明涉及一种全向智能电动轮椅。
背景技术
随着生活水平的日渐提高，电动轮椅由于能够弥补中老年人和下肢残障人士在行走方面的不便，而逐渐受到关注和重视。目前已有多种型号的电动轮椅投入实用。当前销售的产品多是采用的传统手动轮椅的结构设计：两个大直径的后轮作为驱动轮，两个小直径的万向脚轮作为前部的支撑轮，可以实现前后移动及转动。基于这种设计的轮椅旋转中心在后轮轴线上，旋转半径大，占用的空间也大，不适于在电梯、办公室等空间受限的地方使用；此外轮椅前部的万向脚轮既不能输出动力又不能控制方向，这导致轮椅在不平和有障碍的路面上行动能力和可控性下降。另外，现有电动轮椅的行驶完全依靠使用者手动控制，对使用者的反应速度，距离、速度的判断能力以及操作准确性要求较高，致使部分老年人不能安全正常使用。申请号为200710173079专利申请，揭示了一种智能轮椅，其在代步功能的基础上，通过设置具有七个自由度的机械臂，帮助生活自理能力低的老年人或残疾人完成适用于生活的基本动作，但该智能轮椅在移动过程中，仅具备防撞功能，而无法绕开障碍物，特别是在使用者遇到障碍物而没及时作出反应时，不能及时避让障碍物或停止轮椅移动，保证使用者的安全，同时，其所用的移动论也只能实现直线方向的移动，不能作360度全方位任意方向的移动，因此，难以适应在空间相对较小的地方使用。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：克服现有技术中之不足，提供一种具有自主避险功能、实现全方位移动的全向智能电动轮椅。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种全向智能电动轮椅，包括底盘框架、位于底盘框架上方与底盘框架连接的座椅，所述底盘框架下方左右两侧分别铰接有左右相对应的两对由直流电机驱动的驱动臂，所述驱动臂上连接有构成一对前轮和一对后轮的麦克纳姆轮，座椅下方两侧、座椅前方且位于一对前轮上方分别设有超声波传感器，所述麦克纳姆轮的外侧分别设有红外传感器，座椅的扶手上设有控制盒和操作手柄，驱动臂内还设有与直流电机电性连接的驱动控制板，驱动控制板线路连接有DSP处理器。
具体说，所述的底盘框架与座椅之间设有可调节座椅升降、由操作手柄控制的升降气杆，升降气杆上端与座椅底面固定，升降气杆下端与底盘框架固定。
为消除座椅及乘客在全向移动过程中所产生的倾覆力矩，所述的座椅底面固定有导套，底盘框架上固定有导套座，导套滑动设置在导套座内，升降气杆安装在导套内。
所述的驱动臂包括壳体、驱动轴，麦克纳姆轮固定在驱动轴上，直流电机固定在壳体内，直流电机输出轴与驱动轴之间设有减速装置，控制直流电机运转的驱动控制板固定在壳体内侧面上，驱动控制板还线路连接有霍尔传感器。
进一步地，所述的减速装置包括同步带减速机构和齿轮减速机构，同步带减速机构包括安装在直流电机输出轴上的小带轮、与小带轮通过同步带连接的大带轮，齿轮减速机构包括与大带轮同轴的小齿轮、安装在驱动轴上与小齿轮啮合的大齿轮。
为实现轮椅的缓冲避震及平衡前、后轮压力的作用，所述的壳体与底盘框架之间设有可轴向伸缩的避震器，避震器一端与设在壳体上的支架铰接，避震器另一端与底盘框架铰接。
所述的底盘框架左右两侧分别固定有覆盖在驱动臂上方的罩壳，超声波传感器和红外传感器分别固定在罩壳上。
本发明的有益效果是：与常规的两轮后驱电动轮椅相比，本发明所述电动轮椅具有如横向、斜向等全向移动能力，具有更大的运动灵活性，特别适于在空间受限的环境内使用。同时，该电动轮椅能够通过超声波传感器和红外传感器检测轮椅周围的环境，以此为乘坐者提供可能阻碍轮椅运动的障碍物的信息，并且能够在乘坐者没有及时做出反应的情况下，根据传感器数据自动驾驶轮椅避障或为轮椅制动，提高轮椅的使用安全性。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是本发明的斜视结构示意图。
图2是本发明所述驱动臂的结构示意图。
图3是图3中A-A剖视图。
图4是本发明所述底盘框架与座椅连接处的局部结构示意图。
图5是本发明的控制原理框图。
图中1.底盘框架 2.座椅 3.驱动臂 31.直流电机 32.驱动控制板33.壳体 34.驱动轴 35.霍尔传感器 36.同步带减速机构 37.齿轮减速机构38.小带轮 39.同步带 40.大带轮 41.小齿轮 42.大齿轮 43.支架4.麦克纳姆轮 5.超声波传感器 6.红外传感器 7.控制盒 8.操作手柄9.升降气杆 10.导套 11.导套座 12.避震器 13.罩壳 14.蓄电池 15.长销16.短销 17.磁钢
具体实施方式
现在结合附图和优选实施例对本发明作进一步的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。
如图1～图4所示的一种全向智能电动轮椅，包括底盘框架1、位于底盘框架1上方的座椅2，所述底盘框架1下方两侧分别铰接有左右相对应的两对由直流电机31驱动的驱动臂3，所述驱动臂3上连接有构成一对前轮和一对后轮的麦克纳姆轮4(Mecanum Wheel)，利用麦克纳姆轮4滚动时能够产生轴向分力的特点实现轮椅的全向运动；座椅2下方两侧、座椅2前方且位于一对前轮上方分别设有超声波传感器5，所述麦克纳姆轮4的外侧分别设有红外传感器6，座椅2的扶手上设有控制盒7和操作手柄8，驱动臂3内还设有与直流电机31电性连接的驱动控制板32，驱动控制板32线路连接有DSP处理器。
在底盘框架1与座椅2之间设有可调节座椅2升降、由操作手柄8控制的升降气杆9，座椅2底面固定有导套10，底盘框架1上固定有导套座11，导套10滑动设置在导套座11内，可以相对导套座11轴向移动，升降气杆9安装在导套10内，升降气杆9上端与座椅2底面固定，升降气杆9下端与底盘框架1固定，如此由升降气杆9为座椅2的上下升降移动及定位提供支承力，而导套10用于消除座椅2及乘客在全向移动过程中所产生的倾覆力矩。
操作手柄8，采用三轴式手柄，该操作手柄8的前后、左右及其合成转动，分别用于控制轮椅的前进后退、左右平移及合成运动；操作手柄8的另外一个轴：绕操作手柄8控制杆轴线的转动，用于控制轮椅的旋转运动，由此使用一个操作手柄8即可操纵轮椅实现全向运动。
驱动臂3，共有四套，分别设在底盘框架1下方左右两侧，其中位于底盘框架1前端左右对应的一对驱动臂3支撑轮椅的前轮部分，位于底盘框架1后端左右对应的一对驱动臂3支撑轮椅的后轮部分。所述驱动臂3包括壳体33、固定在壳体33内的直流电机31以及驱动轴34，麦克纳姆轮4固定在驱动轴34上，在直流电机31的输出轴与驱动轴34之间设有减速装置，所述减速装置包括同步带减速机构36和齿轮减速机构37，同步带减速机构36包括安装在直流电机31输出轴上的小带轮38、与小带轮38通过同步带39连接的大带轮40，齿轮减速机构37包括与大带轮40同轴的小齿轮41、安装在驱动轴34上与小齿轮41啮合的大齿轮42，控制直流电机31运转的驱动控制板32固定在壳体33内侧面上，驱动控制板32还线路连接有霍尔传感器35。
在小带轮38表面固定有与小带轮38旋转轴线同轴的磁钢17，霍尔传感器35的电路板通过螺钉固定在直流电机31的机座上，并使焊接在霍尔传感器35的电路板上的霍尔芯片(型号为AS5040)中心与磁钢17中心对齐，且保持芯片和磁钢17相距1mm。驱动控制板32通过螺钉固定在壳体33上，并使驱动控制板32上的MOSFET功率管与壳体33接触，驱动控制板32通过导线与直流电机31及霍尔传感器35芯片连接，形成速度闭环，实现对直流电机31的控制。上述集成式的安装形式，结构简单紧凑，利于装配维护及屏蔽外界干扰信号。
轮椅运动采用蓄电池14作为动力源，两节蓄电池14固定在底盘框架1内，同时相应的如继电器、接线板、控制板、开关等电器元件也均固定在底盘框架1内，通过导线分别与四套驱动臂3和控制盒7连接，并为各驱动臂3上的直流电机31提供能量。
驱动臂3与底盘框架1通过长销15铰接，同时驱动臂3的壳体33与底盘框架1之间设有避震器12，避震器12一端与设在壳体33上的支架43通过销钉铰接，避震器12另一端与底盘框架1上的短销16铰接。避震器12可以轴向伸缩，受压后可以在其内部弹簧的作用下回弹，以此实现驱动臂3绕底盘框架1上的长销15摆动，从而实现缓冲避震及平衡前、后轮压力的作用。
所述的底盘框架1左右两侧分别通过六个螺钉固定有覆盖在驱动臂3上方的罩壳13，超声波传感器5和红外传感器6分别固定在罩壳13上。具体说，罩壳13上安装有八个超声波传感器5和四个红外传感器6，其中六个超声波传感器5分别安装在座椅2下方左右两边的罩壳13上，每边三个，用螺钉将其电路板固定在罩壳13上，其发射和接收元件穿过罩壳13上的预留孔，朝向两侧方向，用于检测轮椅左右两侧1.5米范围内的物体；另外两个超声波传感器5以相同方式分别安装在两个前轮上方的罩壳13上，朝向前方，用于检测轮椅正前方1.5米范围内的物体。四个红外传感器6通过罩壳13上的螺纹孔分别固定在四个麦克纳姆轮4外侧旁，并向下倾斜30°，用于检测轮椅移动时前轮前方、后轮后方0.5米内路面的高低变化。当超声波传感器5或红外传感器6检测到附近距离内其他物体可能阻碍轮椅运动后，通过控制盒7上的指示灯和扬声器对乘坐者进行提示和警告，若乘坐者没有做出正确反应，则由轮椅的DSP处理器接收超声波传感器5或红外传感器6的信号，发出指令，实现自动驾驶轮椅避障或为轮椅制动。
与常规的两轮后驱电动轮椅相比，本发明所述电动轮椅采用四个麦克纳姆轮4作为驱动轮，具备如横向、斜向等全向移动能力，具有更大的运动灵活性，特别适于在空间受限的环境内使用。同时，该电动轮椅能够通过超声波传感器5和红外传感器6检测轮椅周围的环境，以此为乘坐者提供可能阻碍轮椅运动的障碍物的信息，并且能够在乘坐者没有及时做出反应的情况下，DSP处理器根据传感器数据发出指令，自动驾驶轮椅避障或为轮椅制动，从而提高了轮椅的使用安全性。
参见图5，以自动导航及避障过程来简述工作过程如下：
当轮椅处于某未知环境时，使用自身的多个超声波传感器5(每个超声波模块有一个发射端和一个接收端，通过测量接收到的反射信号与发射信号的时间差，来测量距离)探测周围环境，获得障碍物的位置信息。经过多个超声波传感器5反复探测，可以建立障碍位置地图。地图信息通过RS232总线发送给DSP处理器。同时控制操作手柄8或语音控制端口的操纵指令经过RS232发送给DSP处理器。DSP处理器将应用路径规划算法，结合障碍地图，生成满足乘客要求的路径，并将路径转换为各驱动轮的转速信息，通过RS232总线发送到驱动控制板32，驱动控制板32与霍尔传感器35构成闭环，可以控制直流电机31的转速。红外传感器6的探测目标为地面的起伏，结果数据的处理及利用方式与超声波传感器5相同。
该轮椅还可对乘坐者进行生理指标监测，利用可穿戴的生理指标检测传感器，对乘客的心率、血压、血氧等信息进行实时监测，并将信息发送给DSP处理器。DSP处理器与内置的专家系统(程序)进行比对，得到乘客身体健康状态的结果，如果预测到危险，则通过声音或显示的方式发出预警。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并加以实施，并不能以此限制本发明的保护范围，凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种全向智能电动轮椅，包括底盘框架(1)、位于底盘框架(1)上方与底盘框架(1)连接的座椅(2)，其特征是：底盘框架(1)下方左右两侧分别铰接有左右相对应的两对由直流电机(31)驱动的驱动臂(3)，所述驱动臂(3)上连接有构成一对前轮和一对后轮的麦克纳姆轮(4)，座椅(2)下方两侧、座椅(2)前方且位于一对前轮上方分别设有超声波传感器(5)，所述麦克纳姆轮(4)的外侧分别设有红外传感器(6)，座椅(2)的扶手上设有控制盒(7)和操作手柄(8)，驱动臂(3)内还设有与直流电机(31)电性连接的驱动控制板(32)，驱动控制板(32)线路连接有DSP处理器。
2.根据权利要求1所述的全向智能电动轮椅，其特征是：所述的底盘框架(1)与座椅(2)之间设有可调节座椅(2)升降、由操作手柄(8)控制的升降气杆(9)，升降气杆(9)上端与座椅(2)底面固定，升降气杆(9)下端与底盘框架(1)固定。
3.根据权利要求2所述的全向智能电动轮椅，其特征是：所述的座椅(2)底面固定有导套(10)，底盘框架(1)上固定有导套座(11)，导套(10)滑动设置在导套座(11)内，升降气杆(9)安装在导套(10)内。
4.根据权利要求1所述的全向智能电动轮椅，其特征是：所述的驱动臂(3)还包括壳体(33)、驱动轴(34)，麦克纳姆轮(4)固定在驱动轴(34)上，直流电机(31)固定在壳体(33)内，直流电机(31)输出轴与驱动轴(34)之间设有减速装置，控制直流电机(31)运转的驱动控制板(32)固定在壳体(33)内侧面上，驱动控制板(32)还线路连接有霍尔传感器(35)。
5.根据权利要求4所述的全向智能电动轮椅，其特征是：所述的减速装置包括同步带减速机构(36)和齿轮减速机构(37)，同步带减速机构(36)包括安装在直流电机(31)输出轴上的小带轮(38)、与小带轮(38)通过同步带(39)连接的大带轮(40)，齿轮减速机构(37)包括与大带轮(40)同轴的小齿轮(41)、安装在驱动轴(34)上与小齿轮(41)啮合的大齿轮(42)。
6.根据权利要求4所述的全向智能电动轮椅，其特征是：所述的壳体(33)与底盘框架(1)之间设有可轴向伸缩的避震器(12)，避震器(12)一端与设在壳体(33)上的支架(43)铰接，避震器(12)另一端与底盘框架(1)铰接。
7.根据权利要求1所述的全向智能电动轮椅，其特征是：所述的底盘框架(1)左右两侧分别固定有覆盖在驱动臂(3)上方的罩壳(13)，超声波传感器(5)和红外传感器(6)分别固定在罩壳(13)上。
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