CN104434428A - 新型的智能轮椅 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种新型的智能轮椅，属于医疗器械领域，具体涉及一种负载能力强，运动灵活，具有自主定位、导航、避障功能智能轮椅，包括轮椅座，轮椅座顶部设有轮椅颈枕，轮椅座两侧设有轮椅扶手，轮椅座底部设有机架，机架设有驱动轮、随动转向轮、驱动装置、电源和控制装置，驱动装置连接到驱动轮，机架内设有中央决策系统，中央决策系统包括计算机和三块单片机，三块单片机通过总线连接到计算机，其中一块单片机的信号输出端连接到控制装置，具有自主定位、导航和避障功能的智能轮椅。

Description

新型的智能轮椅

技术领域

本发明提供一种新型的智能轮椅，属于医疗器械领域，具体涉及一种负载能力强，运动灵活，具有自主定位、导航、避障功能智能轮椅。

背景技术

随着我国人口老龄化速度的增快，以及青壮年劳动力向劳动市场密集的大城市蜂拥现象的普遍存在，空巢老人的生活起居成为社会普遍关注的问题。此外，随着我国公益活动和关爱残疾人项目的普遍开展，越来越多的人意识到为残疾人(特别是腿部残疾的人)提供独立自控的辅助装备，是帮助残疾人建立自信，走向幸福生活的必经之路。针对老年人和行走不便的残疾人，开发新型电动自控轮椅，成为医疗器械领域关注的热点问题。

目前，国内外有很多企业生产了具有手动控制功能的电驱动轮椅，例如国外的品牌有奥托博克、JET、必翔等，国内的品牌有互邦、百瑞康、爱司米等。这些电动轮椅都是在使用者手动控制下完成行进和避障的，一旦使用者由于身体不适产生了误判，那么电动轮椅势必会发生跌落或碰撞，这将对使用者造成极大的伤害。

发明内容

本发明目的在于提供一种新型的智能轮椅，具有自主定位、导航和避障功能的智能轮椅，该智能轮椅具有手动操作和智能自动控制的协同工作能力，能够效的保障使用者的安全。

本发明所述的新型的智能轮椅，包括轮椅座，轮椅座顶部设有轮椅颈枕，轮椅座两侧设有轮椅扶手，轮椅座底部设有机架，机架设有驱动轮、随动转向轮、驱动装置、电源和控制装置，驱动装置连接到驱动轮，机架内设有中央决策系统，中央决策系统包括计算机和三块单片机，三块单片机通过总线连接到计算机，其中一块单片机的信号输出端连接到控制装置，设有踏板和两个传感器安装支架，一个传感器支架通过踏板安装在机架一端，另一个传感器支架连接到机架的另一端，传感器支架上设有超声波传感器和红外光电传感器，超声波传感器和红外光电传感器分别连接到另外两个单片机的信号接收端，设有抗倾覆轮，抗倾覆轮与支撑杆连接，并通过减震弹簧连接到机架。

所述的新型的智能轮椅，中央决策控制系统由控制硬件电路与相应的控制软件组成，可将传感检测系统所获取的外界环境信息进行综合处理，然后做出判断，并制止智能轮椅做危险的动作。电动驱动载体、智能传感检测系统、中央决策控制系统共同构成了该智能轮椅，使得该智能轮椅在传统电动轮椅运动负载能力的基础上，具有了避障的功能，从而可以配合手动控制完成相应的工作任务；采用的超声波传感器为SENSCOMP615088，检测范围是150mm1050mm，超声波的发射角度为15°；智能轮椅控制系统由三个单片机以及上位计算机组成，控制系统通过采集超声波传感器、红外传感器、GPS模块、GSM模块、各种信息进行分析处理，然后做出相应的决策和判断并控制智能驱动装置的控制装置完成相应的制定功能。上位机与微控制器之间采用CAN总线网络进行通信。其中MCU1微控制器负责上位机与各微控制器之间的控制命令转发；MCU2采集智能轮椅前端超声波和红外传感器信息，并将信息打包传给MCU3；MCU3负责采集智能轮椅后端超声波传感器和红外传感器信息，并接收来自MCU2的前端传感器数据，通过避障算法，实现智能轮椅自主避障功能。另外，MCU3还与GPS模块和GSM模块进行通信，以实现卫星定位和短信呼救功能；采用的红外光电传感器的E18-D80NK615088检测范围是30mm800mm。用超声波传感器进行障碍物探测，检测范围广且可以通过编程精确的获知障碍物的距离。然而超声波传感器具有一定的检测盲区，即使密集的布置超声波也无法完全消除检测盲区。为此，本发明专利采用了超声波传感器与红光光电传感器嵌套使用的方式来消除超声波传感器检测盲区，对于整个智能轮椅工作的影响。经过优化计算，可设计超声波和红外光电传感器的安装架的中端均为水平，两侧则分别为倾斜角度为15°的安装平板。轮椅颈枕通过两个圆柱销定位并卡紧在轮椅座上。两侧轮椅扶手通过螺栓紧固在轮椅座的两侧。轮椅机架是该智能轮椅的基础支撑，轮椅的驱动电池，驱动电机等均是安装在轮椅机架内。轮椅减震弹簧一端与轮椅机架连接，另一端则是通过一支撑杆与抗倾覆轮连接。抗倾覆轮与轮椅减震弹簧共同组成的抗震抗倾覆系统，可以有效的防止使用者在乘坐轮椅的过程中发生倾覆，同时也可以减轻轮椅行进过程中遇到颠簸路况时的震动。

所述的新型的智能轮椅，传感器安装支架上设有6个超声波传感器，6个超声波传感器位于同一水平位置，6个超声波传感器之间的间隙内设有五组位于同一水平位置的红外光电传感器。

所述的新型的智能轮椅，两个超声波传感器之间的中心距离为118mm。

所述的新型的智能轮椅，机架两侧的前后端的四个位置设有4组红外光电传感器。

所述的新型的智能轮椅，每一组红外光电传感器上设有两个位于同时竖直位置的红外光电传感器，位于上方的红外光电传感器水平安装，位于下方的红外光电传感器由水平位置向下倾斜45度安装。

所述的新型的智能轮椅，在智能轮椅的前端和后端分别安装6个超声波传感器，相邻超声波传感器的中心距离为118mm。超声波传感器检测区域存在两个盲区，盲区S1为超声波自身检测能力有限形成的盲区，盲区S2为相邻两个超声波传感器的公共盲区。为消除盲区对智能轮椅检测能力的影响，在相邻两超声波传感器的中心距离处安装两个红外光电传感器，其中一个水平设置用以补偿超声波传感器的盲区，另一个向下倾斜45°则用于探测智能轮椅前后端的肯洼地。此外，在智能轮椅的前后端的两侧也分别安装了红外光电传感器A、B、C、D，用以探测在智能轮椅两侧的近距离的障碍及坑洼地，保证了超声波传感器和红外光电传感器可以配合并无盲区的探测轮椅前或轮椅后的障碍及坑挖地，一旦发现会立刻使前进或后退功能无法工作，避免病人掉入洼地或者碰撞障碍，当轮椅被计算机控制停止后，位于机架两侧的前后端的四个位置的4组红外光电传感器，可以有效地探测轮椅两端的障碍及坑洼，避免病人在前方或后方遇到坑洼并要转向时，会掉入两侧的坑洼，使轮椅的控制装置的有坑洼侧的转向控制失灵，避免病人为了躲避前方或后方的障碍或坑洼而转向导致掉入侧面的坑洼或碰上侧面的障碍，使病人尽可以通过控制装置控制轮椅向没有坑洼或者障碍的方向前进，保证了轮椅不会掉入坑洼或者碰到障碍。

所述的新型的智能轮椅，轮椅颈枕与轮椅座之间的空隙内设有GPS模块和GSM模块，GPS模块和GSM模块通过通讯线连接到其中一个单片机的通讯接口。GPS模块与计算机连接，计算机内的地图软件可通过GPS模块与卫星进行通讯，从而确定轮椅的所在位置，并将位置信息通过GSM模块发送给病人的家属的手机，同时病人的家属可以通过手机向GSM模块发送定位信息，GSM模块收到定位信息并传送给计算机后，计算机会自主的将病人的位置信息传送给病人家属的手机，这样病人的家属可随时知道病人的位置，避免失散，若出现危险病人给其家属打电话，家属可以十分方便的获得病人的准确信息，并快速的前去救援，大大的提高了安全性，也避免了病人通过电话口述的位置不准确，导致其家属敢来不及时，耽误救治，大大的提高了准确性和效率。

所述的新型的智能轮椅，设有CAN总线和USB转CAN模块，CAN总线一端连接到USB转CAN模块的相应接口，USB转CAN模块上的USB接口连接到计算机的相应USB接口，CAN总线的另一端连接到三块单片机。使计算机可以告诉并方便的与单片机进行通讯，而且USB转CAN模块价格便宜，维护方便。

本发明与现有技术相比有益效果为：

所述的新型的智能轮椅，中央决策控制系统由控制硬件电路与相应的控制软件组成，可将传感检测系统所获取的外界环境信息进行综合处理，然后做出判断，并制止智能轮椅做危险的动作。电动驱动载体、智能传感检测系统、中央决策控制系统共同构成了该智能轮椅，使得该智能轮椅在传统电动轮椅运动负载能力的基础上，具有了避障的功能，从而可以配合手动控制完成相应的工作任务；采用的超声波传感器为SENSCOMP615088，检测范围是150mm1050mm，超声波的发射角度为15°；智能轮椅控制系统由三个单片机以及上位计算机组成，控制系统通过采集超声波传感器、红外传感器、GPS模块、GSM模块、各种信息进行分析处理，然后做出相应的决策和判断并控制智能驱动装置的控制装置完成相应的制定功能。上位机与微控制器之间采用CAN总线网络进行通信。其中MCU1微控制器负责上位机与各微控制器之间的控制命令转发；MCU2采集智能轮椅前端超声波和红外传感器信息，并将信息打包传给MCU3；MCU3负责采集智能轮椅后端超声波传感器和红外传感器信息，并接收来自MCU2的前端传感器数据，通过避障算法，实现智能轮椅自主避障功能。另外，MCU3还与GPS模块和GSM模块进行通信，以实现卫星定位和短信呼救功能；采用的红外光电传感器的E18-D80NK615088检测范围是30mm800mm。用超声波传感器进行障碍物探测，检测范围广且可以通过编程精确的获知障碍物的距离。然而超声波传感器具有一定的检测盲区，即使密集的布置超声波也无法完全消除检测盲区。为此，本发明专利采用了超声波传感器与红光光电传感器嵌套使用的方式来消除超声波传感器检测盲区，对于整个智能轮椅工作的影响。经过优化计算，可设计超声波和红外光电传感器的安装架的中端均为水平，两侧则分别为倾斜角度为15°的安装平板。轮椅颈枕通过两个圆柱销定位并卡紧在轮椅座上。两侧轮椅扶手通过螺栓紧固在轮椅座的两侧。轮椅机架是该智能轮椅的基础支撑，轮椅的驱动电池，驱动电机等均是安装在轮椅机架内。轮椅减震弹簧一端与轮椅机架连接，另一端则是通过一支撑杆与抗倾覆轮连接。抗倾覆轮与轮椅减震弹簧共同组成的抗震抗倾覆系统，可以有效的防止使用者在乘坐轮椅的过程中发生倾覆，同时也可以减轻轮椅行进过程中遇到颠簸路况时的震动。

所述的新型的智能轮椅，在智能轮椅的前端和后端分别安装6个超声波传感器，相邻超声波传感器的中心距离为118mm。超声波传感器检测区域存在两个盲区，盲区S1为超声波自身检测能力有限形成的盲区，盲区S2为相邻两个超声波传感器的公共盲区。为消除盲区对智能轮椅检测能力的影响，在相邻两超声波传感器的中心距离处安装两个红外光电传感器，其中一个水平设置用以补偿超声波传感器的盲区，另一个向下倾斜45°则用于探测智能轮椅前后端的肯洼地。此外，在智能轮椅的前后端的两侧也分别安装了红外光电传感器A、B、C、D，用以探测在智能轮椅两侧的近距离的障碍及坑洼地，保证了超声波传感器和红外光电传感器可以配合并无盲区的探测轮椅前或轮椅后的障碍及坑挖地，一旦发现会立刻使前进或后退功能无法工作，避免病人掉入洼地或者碰撞障碍，当轮椅被计算机控制停止后，位于机架两侧的前后端的四个位置的4组红外光电传感器，可以有效地探测轮椅两端的障碍及坑洼，避免病人在前方或后方遇到坑洼并要转向时，会掉入两侧的坑洼，使轮椅的控制装置的有坑洼侧的转向控制失灵，避免病人为了躲避前方或后方的障碍或坑洼而转向导致掉入侧面的坑洼或碰上侧面的障碍，使病人尽可以通过控制装置控制轮椅向没有坑洼或者障碍的方向前进，保证了轮椅不会掉入坑洼或者碰到障碍。

所述的GPS模块和GSM模块，GPS模块与计算机连接，计算机内的地图软件可通过GPS模块与卫星进行通讯，从而确定轮椅的所在位置，并将位置信息通过GSM模块发送给病人的家属的手机，同时病人的家属可以通过手机向GSM模块发送定位信息，GSM模块收到定位信息并传送给计算机后，计算机会自主的将病人的位置信息传送给病人家属的手机，这样病人的家属可随时知道病人的位置，避免失散，若出现危险病人给其家属打电话，家属可以十分方便的获得病人的准确信息，并快速的前去救援，大大的提高了安全性，也避免了病人通过电话口述的位置不准确，导致其家属敢来不及时，耽误救治，大大的提高了准确性和效率。

所述的USB转CAN模块，使计算机可以告诉并方便的与单片机进行通讯，而且USB转CAN模块价格便宜，维护方便。

附图说明

图1为本发明实施例结构示意图；

图2为传感器分布及检测范围示意图；

图3为系统构架及信息流通图。

图中：1、轮椅颈枕；2、轮椅扶手；3、轮椅机架；4、轮椅减震弹簧；5、抗倾覆轮；6、前端超声波传感器；7、前端测障碍红外光电传感器；8、前端测洼地红外激光传感器；9、GSM模块；10、前端传感器安装架；11、轮椅踏板；12、驱动轮；13、随动转向轮；14、后端传感器安装支架；15、后端测洼地红外光电传感器；16、后端测障碍红外光电传感器；17、后端超声波传感器；18、轮椅座；19、GPS模块。

具体实施方式

如图1所示，该智能轮椅由19种主要核心机械部件组成。轮椅颈枕1通过两个圆柱销定位并卡紧在轮椅座18上。两侧轮椅扶手2通过螺栓紧固在轮椅座上18的两侧。轮椅机架3是该智能轮椅的基础支撑，轮椅的驱动电池，驱动电机等均是安装在轮椅机架3上。轮椅减震弹簧4一端与轮椅机架3连接，另一端则是通过一支撑杆与抗倾覆轮5连接。抗倾覆轮5与轮椅减震弹簧4共同组成的抗震抗倾覆系统，可以有效的防止使用者在乘坐轮椅的过程中发生倾覆，同时也可以减轻轮椅行进过程中遇到颠簸路况时的震动。前端超声波传感器6，前端测障碍红外光电传感器7和前端测洼地红外激光传感器8，通过圆形传感器安装接口分别定位并紧固在前端传感器安装架10上。前端测障碍红外光电传感器7水平安装和前端测洼地红外激光传感器8则斜向下45°安装。前端传感器安装架10则通过螺栓与轮椅踏板11紧固。轮椅踏板11同样通过螺栓连接紧固在轮椅机架3上。驱动轮12与安装于轮椅机架3上的驱动电机连接，左右两侧的驱动轮12通过做差速运动来实现智能轮椅的平面运动。随动转向轮13具有绕固定轴作整周转动的功能，随动转向轮13的固定座通过螺栓与轮椅机架3连接。在两侧驱动轮12的差速作用下，随动转向轮13可以辅助智能轮椅实现平稳的转向。后端传感器安装支架14通过螺栓紧固在轮椅机架3上，后端传感器安装支架14上设置有超声波传感器和红外光电传感器的安装孔。后端测洼地红外光电传感器15，后端测障碍红外光电传感器16，后端超声波传感器17通过安装定位孔紧固在后端传感器安装支架14上。后端测障碍红外光电传感器15水平安装，后端测洼地红外激光传感器16则斜向下45°安装。轮椅座18通过则通过座椅底部圆形立柱安装在轮椅机架3上，并通过螺栓紧固。GPS模块19及GSM模块9则安装于轮椅座18与轮椅颈枕1之间预留的安装空间内。GPS模块19通过接受通讯卫星的信息实现智能轮椅的定位，同时将定位信息和智能轮椅的状态信息通过GSM模块9反馈给远距离的基站。计算机与三个单片机安装在机架内，单片机为MCU微控制器，三个单片机分别为MCU1微控制器、MCU2微控制器和MCU3微控制器，计算机通过USB转CAN模块连接到CAN总线一端，CAN总线另一端分别连接到三个单片机，MCU1微控制器的通信端口连接到控制装置，MCU2微控制器的通信端口连接到位于机架前方的传感器支架上的超声波传感器和红外光电传感器，MCU3微控制器的通讯接口连接到机架后方的传感器支架上的超声波传感器和红外光电传感器以及GPS模块19和GSM模块9。

Claims (7)

1.一种新型的智能轮椅，包括轮椅座，轮椅座顶部设有轮椅颈枕，轮椅座两侧设有轮椅扶手，轮椅座底部设有机架，机架设有驱动轮、随动转向轮、驱动装置、电源和控制装置，驱动装置连接到驱动轮，其特征在于，机架内设有中央决策系统，中央决策系统包括计算机和三块单片机，三块单片机通过总线连接到计算机，其中一块单片机的信号输出端连接到控制装置，设有踏板和两个传感器安装支架，一个传感器支架通过踏板安装在机架一端，另一个传感器支架连接到机架的另一端，传感器支架上设有超声波传感器和红外光电传感器，超声波传感器和红外光电传感器分别连接到另外两个单片机的信号接收端，设有抗倾覆轮，抗倾覆轮与支撑杆连接，并通过减震弹簧连接到机架。

2.根据权利要求1所述的新型的智能轮椅，其特征在于，传感器安装支架上设有6个超声波传感器，6个超声波传感器位于同一水平位置，6个超声波传感器之间的间隙内设有五组位于同一水平位置的红外光电传感器。

3.根据权利要求2所述的新型的智能轮椅，其特征在于，两个超声波传感器之间的中心距离为118mm。

4.根据权利要求2所述的新型的智能轮椅，其特征在于，机架两侧的前后端的四个位置设有4组红外光电传感器。

5.根据权利要求2所述的新型的智能轮椅，其特征在于，每一组红外光电传感器上设有两个位于同时竖直位置的红外光电传感器，位于上方的红外光电传感器水平安装，位于下方的红外光电传感器由水平位置向下倾斜45度安装。

6.根据权利要求1所述的新型的智能轮椅，其特征在于，轮椅颈枕与轮椅座之间的空隙内设有GPS模块和GSM模块，GPS模块和GSM模块通过通讯线连接到其中一个单片机的通讯接口。

7.根据权利要求1所述的新型的智能轮椅，其特征在于，设有CAN总线和USB转CAN模块，CAN总线一端连接到USB转CAN模块的相应接口，USB转CAN模块上的USB接口连接到计算机的相应USB接口，CAN总线的另一端连接到三块单片机。