CN104306115B - 一种基于霍尔开关的舌控轮椅 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于霍尔开关的舌控轮椅，包括轮椅架、椅背、座面及安装在轮椅架上的两个落地的前轮和两个落地的后轮，其特征在于该轮椅还包括舌头位置信号采集装置、主控制器、蓄电池和直流电机；所述舌头位置信号采集装置包括霍尔开关传感器和控制盒，所述霍尔开关传感器包括3‑7个霍尔开关和3‑7个对应的永磁铁，所述永磁铁位于对应的霍尔开关的上方，每个永磁铁与对应的霍尔开关之间通过弹性支架分开，霍尔开关通过铜线依次固定在使用者口腔外部，整个霍尔开关传感器通过辅助部件佩戴在使用者头部；所述控制盒用绷带固定在使用者腰部，控制盒内包括第一单片机、蓝牙发送装置和电源模块。

Description

一种基于霍尔开关的舌控轮椅

技术领域

本发明涉及轮椅技术，具体为一种基于霍尔开关的舌控轮椅。

背景技术

现在市场上的电动轮椅，多为手动控制。多是用手通过操作安装在轮椅扶手上的按键或者摇杆，来控制轮椅的运动。但是，对于高位截瘫的患者或者患有肌萎缩侧索硬化(ALS)病的患者，他们的手和脚都无法运动，也就不能通过手或者脚来控制轮椅。现在更为先进的电动轮椅，是利用脑电波进行控制，但是这种轮椅造价昂贵，不适宜大范围推广。舌头是人身体中比较灵活的一个部分，所以可以利用舌头的灵活性来控制轮椅的运动。根据大连交通大学一篇硕士论文《脑电波控制的智能轮椅》中提到，在实验室中对脑电波信号提取的正确率只能达到70％。所以基于脑电波控制的轮椅稳定性和动作的可靠性明显不足。在实际使用中,脑电波轮椅难以区分用户无意识或有意识的行为，容易使轮椅误动作。

发明内容

针对现有电动轮椅的缺陷，本发明拟解决的技术问题是，提供一种基于霍尔开关的舌控轮椅，该轮椅通过舌头的动作来控制轮椅的运动，可靠性和稳定性均较高，具有价格便宜，适用范围广，操作简便等特点。

本发明解决所述技术问题所采用的技术方案是，提供一种基于霍尔开关的舌控轮椅，包括轮椅架、椅背、座面及安装在轮椅架上的两个落地的前轮和两个落地的后轮，其特征在于该轮椅还包括舌头位置信号采集装置、主控制器、蓄电池和直流电机；

所述舌头位置信号采集装置包括霍尔开关传感器和控制盒，所述霍尔开关传感器包括3-7个霍尔开关和3-7个对应的永磁铁，所述永磁铁位于对应的霍尔开关的上方，每个永磁铁与对应的霍尔开关之间通过弹性支架分开，霍尔开关通过铜线依次固定在使用者口腔外部，整个霍尔开关传感器通过辅助部件佩戴在使用者头部；

所述控制盒用绷带固定在使用者腰部，控制盒内包括第一单片机、蓝牙发送装置和电源模块，第一单片机、蓝牙发送装置和电源模块依次安装在控制盒里，所述第一单片机的信号接收端口与霍尔开关传感器相连，第一单片机的信号发送端口与蓝牙发送装置相连，所述电源模块为整个舌头位置信号采集装置供电；

所述主控制器固定在轮椅座面的下方，主控制器包括蓝牙接收装置、第二单片机和直流电机驱动模块；所述第二单片机设有信号输入端口和信号输出端口，蓝牙接收装置与第二单片机相应的信号输入端口相连，直流电机驱动模块与第二单片机相应的信号输出端口相连，直流电机驱动模块与直流电机相连，所述直流电机安装在轮椅的两个后轮上，所述蓄电池安装在轮椅座面下面靠右边的位置，蓄电池为整个轮椅供电。

与现有技术相比，本发明中将霍尔开关和永磁铁配合使用，操作更加方便、可靠，适合手脚都不能自由运动的高位截瘫的患者。舌头位置信号采集装置和轮椅的主控制器中都采用了TI公司的MSP430F149型单片机，MSP430F149型单片机具有功耗低、运算速度快等特点；通过直流电机驱动模块控制安装在轮椅后轮的两个直流电机，实现了轮椅的前进、后退、左转、右转和停止等动作。本发明舌控轮椅不仅可以受患者舌头的控制，还可以受无线电遥控器的控制，这种设计是为了方便医护人员对轮椅进行控制，在轮椅椅背的下方安装了超声波测距传感器，可以使轮椅在后退过程中靠近障碍物时紧急制动，起到保护轮椅上患者的目的。在轮椅椅背上方的右支架上安装了光强感应传感器，可以使轮椅实现根据光线的强弱，自动打开或者关闭安装在轮椅支架前面的两个前照灯，本发明是一种不同于普通轮椅的具有多功能的轮椅，更能满足不同患者的需求。

附图说明

图1为本发明基于霍尔开关的舌控轮椅一种实施例的系统控制框图；

图2为本发明基于霍尔开关的舌控轮椅一种实施例的舌头位置信号采集装置1的结构框图；

图3为本发明基于霍尔开关的舌控轮椅一种实施例的主控制器2的结构框图；

图4为本发明基于霍尔开关的舌控轮椅一种实施例的立体结构示意图；

图5为本发明基于霍尔开关的舌控轮椅一种实施例的后视结构示意图；

图中，1.舌头位置信号采集装置、2.主控制器、3.蓄电池、4.直流电机、5.超声波测距传感器、6.报警装置、70.无线电遥控器、7.无线电遥控接收天线、8.光强感应传感器、9.前照灯；11.霍尔开关传感器、12.控制盒、111.霍尔开关、112.永磁铁、121.第一单片机、122.蓝牙发送装置、123.电源模块、21.蓝牙接收装置、22.第二单片机、23.直流电机驱动模块、24.报警装置驱动模块、25.超声波测距传感器信号处理模块、26.无线电遥控信号解码模块、27.前照灯驱动模块、28.光强感应传感器信号处理模块；01.后轮、02.前轮、03.轮椅架、04.椅背、05.座面。

具体实施方式

下面结合实施例及附图详细叙述本发明，但它不构成对本申请权利要求的限制。

本发明基于霍尔开关的舌控轮椅(简称轮椅，参见图1-5)包括轮椅架03、椅背04、座面05及安装在轮椅架上的两个落地的前轮02和两个落地的后轮01，其特征在于该轮椅还包括舌头位置信号采集装置1、主控制器2、蓄电池3和直流电机4；

所述舌头位置信号采集装置1(参见图2)包括霍尔开关传感器11和控制盒12，所述霍尔开关传感器11包括3-7个霍尔开关111和3-7个对应的永磁铁112，所述每个永磁铁分别位于每个对应的霍尔开关的上方，每个永磁铁与对应的霍尔开关之间通过弹性支架分开，静止时永磁铁与霍尔开关之间保持一定的距离，一个霍尔开关、一个永磁铁和一个弹性支架构成了霍尔开关传感器的一个最小感应单元，所以霍尔开关传感器共有3-7个最小感应单元，相邻的两个最小感应单元之间保持一定距离，方便舌头操作，霍尔开关通过铜线依次固定在使用者口腔外部。当霍尔开关传感器只有3个最小感应单元，3个最小感应单元从左至右依次分别代表3种控制信号，即停车、前进、倒退，舌头从右到左依次快速按压3个霍尔开关上方的永磁铁，代表输出的是左转信号，舌头从左到右依次快速按压霍尔开关上方的永磁铁，代表输出的是右转信号；当霍尔开关传感器只有4个最小感应单元，4个最小感应单元从左至右依次分别代表4种控制信号，即左转、倒退、前进、右转，舌头从左到右依次快速按压4个霍尔开关上方的永磁铁，代表输出的是停车信号；当霍尔开关传感器只有5个最小感应单元，5个最小感应单元从左至右依次分别代表5种控制信号是左转、停车、前进、倒退、右转信号；当霍尔开关传感器只有6个最小感应单元，6个最小感应单元从左至右依次分别代表6种控制信号，即左转、加速、前进、倒退、减速、右转，舌头从左到右依次快速按压6个霍尔开关上方的永磁铁，代表输出的是停车信号；当霍尔开关传感器只有7个最小感应单元，7个最小感应单元从左至右依次分别代表种控制信号是左转、加速、停车、前进、倒退、减速、右转信号，整个霍尔开关传感器11通过辅助部件佩戴在使用者头部；

所述控制盒12用绷带固定在使用者腰部，控制盒12内包括第一单片机121、蓝牙发送装置122和电源模块123，第一单片机121、蓝牙发送装置122和电源模块123依次安装在控制盒12里，所述第一单片机121的信号接收端与霍尔传感器11相连，第一单片机121的信号发送端与蓝牙发送装置122相连，所述电源模块123为整个舌头位置信号采集装置1供电；

所述主控制器2固定在轮椅座面05的下方，主控制器2包括蓝牙接收装置21、第二单片机22和直流电机驱动模块23；所述第二单片机22设有信号输入端和信号输出端，蓝牙接收装置21与第二单片机22相应的信号输入端相连，直流电机驱动模块23与第二单片机22相应的信号输出端相连，直流电机驱动模块23与直流电机4相连，所述直流电机4安装在轮椅的两个后轮01上，所述蓄电池3安装在轮椅座面下面靠右边的位置，蓄电池3为整个轮椅供电。

本发明的进一步特征在于所述永磁铁112表面涂覆有抗菌材料。

本发明的进一步特征在于所述霍尔开关111为CMOS霍尔开关TLE4913B。

本发明的进一步特征在于所述第一单片机121和第二单片机22均采用MSP430F149型单片机。

本发明的进一步特征在于该轮椅还包括超声波测距传感器5和报警装置6，所述主控制器2还包括报警装置驱动模块24和超声波测距传感器信号处理模块25，报警装置驱动模块24与第二单片机22的相应信号输出端相连，超声波测距传感器信号处理模块25与第二单片机22的相应信号输入端相连，超声波测距传感器信号处理模块25与超声波测距传感器5相连，报警装置驱动模块24与报警装置6相连，所述超声波测距传感器5安装在轮椅椅背04下方，报警装置6安装在轮椅椅背04下面的挡板上。

本发明的进一步特征在于该轮椅还包括无线电遥控器70、无线电遥控接收天线7、光强感应传感器8和前照灯9，所述主控制器2还包括无线电遥控信号解码模块26、前照灯驱动模块27和光强感应传感器信号处理模块28，无线电遥控信号解码模块26和光强感应传感器信号处理模块28分别与第二单片机22的相应信号输入端相连，前照灯驱动模块27与第二单片机22的相应信号输出端相连，无线电遥控信号解码模块26与无线电遥控接收天线7相连，前照灯驱动模块27与前照灯9相连，光强感应传感器信号处理模块28与光强感应传感器8相连；所述前照灯9安装在轮椅架的两个脚撑支架上，所述无线电遥控接收天线7安装在轮椅椅背下面的挡板上，所述光强感应传感器8安装在轮椅椅背上方的右支架上。

本发明的进一步特征在于所述无线电遥控器70和无线电遥控信号解码模块26采用PT2262/PT2272-M4(非锁)编码/解码芯片及其外围电路，无线电遥控器70采用与PT2262编码芯片配合使用的YK200-4型四键遥控器。

本发明的具体使用方法是：使用者坐在轮椅上，将整个霍尔开关传感器11佩戴在头部，并将消毒处理后的霍尔开关111对准嘴部，将控制盒12用绷带绑在腰间，使用者通过舌头控制霍尔开关传感器11来控制轮椅的运动；

霍尔开关传感器11固定在一根磁导率很低的粗铜线上，用粗铜线把3-7个霍尔开关传感器的最小感应单元依次固定在嘴的外围，整个霍尔开关传感器11通过辅助部件佩戴在头部。通过用舌头按压霍尔开关上方的永磁铁，使永磁铁靠近霍尔开关，当霍尔开关与永磁铁之间的距离小于某一定值时，霍尔开关感应到磁场强度变大，霍尔开关输出信号就会发生变化，输出信号由高电平变为低电平。当舌头不再按压霍尔开关上方的永磁铁时，永磁铁在弹性支架的作用下，霍尔开关和永磁铁恢复到原始的距离，霍尔开关输出信号由低电平变为高电平。根据按压霍尔开关上方的永磁铁的方式的不同，可以分别产生多种轮椅控制信号，多种轮椅控制信号是左转、加速、倒退、前进、停车、减速、右转等信号。霍尔开关传感器11采集到信号后，将信号发送到控制盒12中的第一单片机121的信号接收端口上，第一单片机121接收到信号后，通过其内置的行进控制程序对信号分析后，第一单片机121输出相应的行进信号，第一单片机121经信号发送端口把行进信号传输给蓝牙发送装置122。蓝牙发送装置122发送的信号被蓝牙接收装置21接收，蓝牙接收装置21将接收到的信号经主控制器2的第二单片机22的信号接收端口传送给第二单片机22，第二单片机22接收到信号后，经过预先设定的程序对信号进行分析，产生相应的轮椅运动控制信号，从而达到控制轮椅运动的目的。

本发明舌控轮椅的直流电机驱动原理是，通过主控制器2中的第二单片机22的信号输出端口发出不同的两个两位2进制数，通过直流电机驱动模块23控制两个直流电机的正转与反转，通过主控制器2中的第二单片机22的信号输出端口发出不同占空比的PWM电压波形信号，通过直流电机驱动模块23控制两个直流电机的转速,主控制器2中的第二单片机22的信号输出端口输出两路PWM电压波形信号，分别控制两个直流电机，当主控制器2中的第二单片机22输出的PWM电压波形信号的占空比增大，直流电机驱动模块23控制两个直流电机的加速，当主控制器2中的第二单片机22输出的PWM电压波形信号的占空比减小，直流电机驱动模块23控制两个直流电机的减速。轮椅在直线行驶时加速与减速就是通过主控制器2中的第二单片机22输出的PWM电压波形信号的占空比增大与减小来控制实现的，使两个直流电机同时加速或减速。轮椅的前进与后退是通过主控制器2中的第二单片机22通过直流电机驱动模块23控制两个直流电机4同时同速正转或同时同速反转实现的。轮椅左转是主控制器2中的第二单片机22通过直流电机驱动模块23控制左直流电机减速同时控制右直流电机加速实现的，轮椅右转是主控制器2中的第二单片机22通过直流电机驱动模块23控制左直流电机加速同时控制右直流电机减速实现的。轮椅停车是主控制器2中的第二单片机22输出的PWM电压波形信号占空比为零，通过直流电机驱动模块23控制两个直流电机同时停止转动实现的。

主控制器2还可以控制安装在轮椅架03脚撑架上的前照灯9的亮灭，光强感应传感器8把光强转变为电信号，并将电信号传递给光强感应传感器信号处理模块28，光强感应传感器信号处理模块28将光强的大小转变为TTL电平信号，当光线变暗并且亮度降低到一定程度时，光强感应传感器信号处理模块28输出高电平信号。当主控制器2中的光强感应传感器信号处理模块28传送过来高电平信号后，第二单片机22发出控制信号，控制前照灯驱动模块27开启两个前照灯9。光线变强并且亮度增加到一定程度时，光强感应传感器信号处理模块28输出低电平信号。当主控制器2中的光强感应传感器信号处理模块28传送过来低电平信号后，第二单片机22发出控制信号，控制前照灯驱动模块27关闭两个前照灯9。

由于轮椅在后退的过程中，轮椅的驾驶人很难观察到轮椅后面的情况，为了避免轮椅在后退的过程中撞到障碍物发生危险，在轮椅椅背的下方安装了超声波测距传感器5，当轮椅后退遇到障碍物时，轮椅与障碍物的距离小于某一设定距离时，为了避免轮椅与障碍物碰撞，主控制器2中的第二单片机22发出控制指令，使轮椅紧急制动停车，并发出报警，提醒轮椅驾驶人后方遇到障碍物，轮椅驾驶人可以操控轮椅向前运动，当轮椅驶离障碍物某一设定距离时，停止报警。然后轮椅驾驶人可以选择其它的后退路线。

在舌头控制轮椅运动的同时，轮椅也受无线电遥控器70的控制。无线电遥控器70有四个控制按钮，分别为前进、后退、左转和右转按钮。无线电遥控器70发出控制命令，被安装在轮椅上的无线电遥控接收天线7接收，并将信号传递给无线电遥控信号解码模块26，对信号进行解码，四个不同的控制命令被解码为四个不同的4位二进制编码，解码完成后，无线电遥控信号解码模块26将解码后的信号通过主控制器2中的第二单片机22的信号输入端口传递给主控制器2中的第二单片机22，第二单片机22检测到信号输入端口的信号后，根据预先设定的程序，发出相应的控制指令，控制两个直流电机4的运行状态，从而控制轮椅的运动。

实施例1

本实施例轮椅包括舌头位置信号采集装置1、主控制器2、蓄电池3、直流电机4、超声波测距传感器5、报警装置6、无线电遥控器70、无线电遥控接收天线7、光强感应传感器8和前照灯9(参见图1)；舌头位置信号采集装置1(参见图2)包括霍尔开关传感器11和控制盒12，霍尔开关传感器11包括3个最小感应单元，霍尔开关111采用CMOS霍尔开关TLE4913B，固定在一根磁导率很低的粗铜线上，永磁铁112表面涂覆有纳米抗菌材料；主控制器2(参见图3)上包括蓝牙接收装置21、第二单片机22、直流电机驱动模块23、报警装置驱动模块24、超声波测距传感器信号处理模块25、无线电遥控信号解码模块26、前照灯驱动模块27和光强感应传感器信号处理模块28；第一单片机121和第二单片机22均采用MSP430F149型单片机，MSP430F149型单片机具有功耗低、运算速度快等特点。无线电遥控功能采用PT2262/PT2272-M4(非锁)编码/解码芯片及其外围电路实现，与PT2262编码芯片配合使用的是YK200-4型四键遥控器，蓄电池3采用12V蓄电池。

本发明中永磁铁112表面涂覆有抗菌材料，且抗菌材料的种类及加工方法适用于现有技术。

本发明轮椅不仅受舌头的控制，还可以受无线电遥控器70的控制，轮椅上安装有无线电遥控接收天线7，可以方便医护人员对轮椅进行控制，在轮椅的后面还安装了超声波测距传感器5，可以使轮椅在后退过程中遇到障碍物时紧急制动，并发出报警提醒轮椅上的驾驶人注意。在轮椅上还安装了光强感应传感器8，光强感应传感器8会根据光线的强弱变化输出不同的TTL高低电平信号，通过前照灯驱动模块27控制打开或者关闭两个前照灯。舌头位置信号采集装置1更具有方便携带，功耗低，易于操作等特点，可以满足使用者的使用需求。

本发明未述及之处均适用于现有技术。

Claims (7)

1.一种基于霍尔开关的舌控轮椅，包括轮椅架、椅背、座面及安装在轮椅架上的两个落地的前轮和两个落地的后轮，其特征在于该轮椅还包括舌头位置信号采集装置、主控制器、蓄电池和直流电机；

所述舌头位置信号采集装置包括霍尔开关传感器和控制盒，所述霍尔开关传感器包括3-7个霍尔开关和3-7个对应的永磁铁，所述永磁铁位于对应的霍尔开关的上方，每个永磁铁与对应的霍尔开关之间通过弹性支架分开，霍尔开关通过铜线依次固定在使用者口腔外部，整个霍尔开关传感器通过辅助部件佩戴在使用者头部；一个霍尔开关、一个永磁铁和一个弹性支架构成了霍尔开关传感器的一个最小感应单元，所以霍尔开关传感器共有3-7个最小感应单元，当霍尔开关传感器只有3个最小感应单元，3个最小感应单元从左至右依次分别代表3种控制信号，即停车、前进、倒退，舌头从右到左依次快速按压3个霍尔开关上方的永磁铁，代表输出的是左转信号，舌头从左到右依次快速按压霍尔开关上方的永磁铁，代表输出的是右转信号；当霍尔开关传感器只有4个最小感应单元，4个最小感应单元从左至右依次分别代表4种控制信号，即左转、倒退、前进、右转，舌头从左到右依次快速按压4个霍尔开关上方的永磁铁，代表输出的是停车信号；当霍尔开关传感器只有5个最小感应单元，5个最小感应单元从左至右依次分别代表5种控制信号是左转、停车、前进、倒退、右转信号；当霍尔开关传感器只有6个最小感应单元，6个最小感应单元从左至右依次分别代表6种控制信号，即左转、加速、前进、倒退、减速、右转，舌头从左到右依次快速按压6个霍尔开关上方的永磁铁，代表输出的是停车信号；当霍尔开关传感器只有7个最小感应单元，7个最小感应单元从左至右依次分别代表七种控制信号是左转、加速、停车、前进、倒退、减速、右转信号；

所述控制盒用绷带固定在使用者腰部，控制盒内包括第一单片机、蓝牙发送装置和电源模块，第一单片机、蓝牙发送装置和电源模块依次安装在控制盒里，所述第一单片机的信号接收端口与霍尔开关传感器相连，第一单片机的信号发送端口与蓝牙发送装置相连，所述电源模块为整个舌头位置信号采集装置供电；

所述主控制器固定在轮椅座面的下方，主控制器包括蓝牙接收装置、第二单片机和直流电机驱动模块；所述第二单片机设有信号输入端口和信号输出端口，蓝牙接收装置与第二单片机相应的信号输入端口相连，直流电机驱动模块与第二单片机相应的信号输出端口相连，直流电机驱动模块与直流电机相连，所述直流电机安装在轮椅的两个后轮上，所述蓄电池安装在轮椅座面下面靠右边的位置，蓄电池为整个轮椅供电。

2.根据权利要求1所述的基于霍尔开关的舌控轮椅，其特征在于所述永磁铁表面涂覆有抗菌材料。

3.根据权利要求1所述的基于霍尔开关的舌控轮椅，其特征在于所述霍尔开关为CMOS霍尔开关TLE4913B。

4.根据权利要求1所述的基于霍尔开关的舌控轮椅，其特征在于所述第一单片机和第二单片机均采用MSP430F149型单片机。

5.根据权利要求1所述的基于霍尔开关的舌控轮椅，其特征在于该轮椅还包括超声波测距传感器和报警装置，所述主控制器还包括超声波测距传感器信号处理模块和报警装置驱动模块，超声波测距传感器信号处理模块与第二单片机的相应信号输入端口相连，报警装置驱动模块与第二单片机的相应信号输出端口相连，超声波测距传感器信号处理模块与超声波测距传感器相连，报警装置驱动模块与报警装置相连，所述超声波测距传感器安装在轮椅椅背下方，报警装置安装在轮椅椅背下面的挡板上。

6.根据权利要求1-5任一所述的基于霍尔开关的舌控轮椅，其特征在于该轮椅还包括无线电遥控器、无线电遥控接收天线、光强感应传感器和前照灯，所述主控制器还包括无线电遥控信号解码模块、光强感应传感器信号处理模块和前照灯驱动模块，无线电遥控信号解码模块和光强感应传感器信号处理模块分别与第二单片机相应的信号输入端口相连，前照灯驱动模块与第二单片机相应的信号输出端口相连，无线电遥控信号解码模块与无线电遥控接收天线相连，光强感应传感器信号处理模块与光强感应传感器相连，前照灯驱动模块与前照灯相连；所述前照灯安装在轮椅架的两个脚撑支架上，所述无线电遥控接收天线安装在轮椅椅背下面的挡板上，所述光强感应传感器安装在轮椅椅背上方的右支架上。

7.根据权利要求6所述的基于霍尔开关的舌控轮椅，其特征在于所述无线电遥控器和无线电遥控信号解码模块采用PT2262/PT2272-M4编码/解码芯片，无线电遥控器采用与PT2262编码芯片配合使用的YK200-4型四键遥控器。