CN104434429A - 智能语音识别助残轮椅系统 - Google Patents

Abstract

智能语音识别助残轮椅系统，其目的是通过语音命令实现对轮椅系统的行驶状态进行精确控制，包括1：机械部分。2：电路控制部分。轮椅具有两种控制模式：（1）语音控制模式，（2）手动控制模式。具有如下功能：（1）直走，（2）倒车，（3）左转，（4）右转。当轮椅遇到一定坡度路面的时候，防倒装置18防止了轮椅的倾翻。语音控制系统中利用蓝牙Mic(A3)戴在病人的头上直接接收信号，并传送给蓝牙接收器（A4）。蓝牙接收器将声音信号传递给语音识别芯片LD3320。

Description

智能语音识别助残轮椅系统

技术领域

  本发明涉及伤残病人专用的轮椅。

背景技术

由于现代医学的发展和进步，人类的平均寿命正逐步地提高，致使各国老年人口不断增加；然而高龄化的社会结构已然成为世界各国的重大挑战，针对这些年长而行动不方便的使用者而言，其身体各部分器官正逐渐退化，再加上神经肌肉萎缩，自行驱动轮椅是非常困难的事，而采用声控的电动轮椅则可以有效地解决这些问题。科学发展的最终目标是服务于人，声控轮椅很好地体现了这一点。随着微电子技术的发展，现在声控技术应用广泛，最近的语音技术可以识别93%以上的声音，这种技术给残疾人带来了福音，伤残病人可以用自己的声音去控制自己的轮椅，可以控制门的开合，甚至在以后就可以控制一辆汽车，驶向自己想要去的地方。在汽车出现事故的时候，驾驶员可以用声音控制汽车，从而逃避危险，但在真实的环境之中有很大的噪音，所以滤除噪音的技术要求很高。

发明内容

本发明的目的是通过语音命令实现对轮椅系统的行驶状态进行精确控制。

本发明是智能语音识别助残轮椅系统，由机械部分和电路控制部分组成，机械部分包括动力机构、支撑机构、传动机构，在支撑机构由座椅支撑结构、脚踏板支撑结构、前后轮系支撑结构组成，座椅支撑结构由主支撑架17、底盘25和四根支撑杆17，支撑杆17上放置供病人乘坐的座椅坐垫5，用于枕靠头部的第一靠背1，用于枕靠背部的第二靠背2；脚踏板支撑结构由脚踏板支撑架9，脚踏板固定架7，脚踏板支架固定夹8组成；前后轮系统支撑结构中，前轮系统有支撑架13，后轮中有后轮16、锁紧帽19、后轮内套49，起到支撑作用的第一减速轴28；后轮轮毂上有内胎45、外胎46；在防倒轮机构中：防倒轮支撑杆31连接一个防倒轮33，防倒轮支撑杆31通过防倒轮连接法兰30；在动力机构中，电机输出的扭矩经过第一闭式行星减速器51输出到第一减速齿轮38，驱动第二减速齿轮36，其中第二减速齿轮36和第二减速轴37通过键相连，输出轴简支在两个轴承支座26上，第二减速轴37是后轮16的支撑和传动轴，还有能够将第二减速轴37的扭矩传递到后轮16上的后轮锁紧帽21；还安装有通过第一电机27保持定值速度运动、第二电机27′减速转动来实现左转的第一电机27，另外又安装通过第一电机27减速转动、第二电机27′保持定值速度运动来实现右转的第二电机27′。

电路控制部分的结构为：控制系统指令信息A2由蓝牙Mic A3收集并且传输给接收器A4，接收器A4将信号传输给语音识别芯片A5，语音识别芯片A5对语音信息进行识别，将识别结果传送给声控单片机A6，将信号进行处理，变为特定的不同引脚高低电平后输出，这些信号传送给主控芯片A1，主控芯片A1根据不同的信号，向第一驱动器A7、第二驱动器B7发出动作控制命令，第一驱动A7分为第一主输入a、第一主输出b、第一控制信号输入c，第一主输入a和DC24V电源A12相连，第一主输出b和第一电机模块A8相连，第一控制信号输入c和主芯片A1相连；根据第一控制信号输入c将第一主输入a的DC24V电源变为第一主输出b的PWM波输出给第一电机模块A8，控制第一电机模块A8的转速；第二驱动B7分为第二主输入a’、第二主输出b’、第二控制信号输入c’，第二主输入a’和DC24V电源A12相连，第二主输出b’和第一电机模块A8相连，第二控制信号输入c’和主芯片A1相连；根据第二控制信号输入c’将第二主输入a’的DC24V电源变为第一主输出b的PWM波输出给第二电机模块B8，从而控制第二电机模块B8的转速；由左、中、右三个部位的光电传感器A11能够检测到不同方向的障碍物，将信息传送到主控芯片A1，主控芯片A1发出停车命令，实行电气制动和动力制动；当障碍物离开的时候能够重新启动向前行驶。

本发明中的机构简单可靠，系统安全性强，操作方便，可广泛应用在瘫痪病人或残疾人群等领域。适合有老年人以及瘫痪病人的家庭使用，也可以向医院、养老院、等场所大规模推广。

附图说明

图1是本发明的整体示意图，图2是本发明去掉座椅部分以后的俯视图，图3是本发明的防倒轮示意图，图4是本发明的后轮齿轮传动示意图，图5是本发明脚蹬部分安装示意图，图6是本发明后轮结构图，图7是本发明电机和减速器连接和固定示意图，图8是第二电机27′的安装图，图9是底盘结构图主视图，图10是底盘结构图侧视图，图11是控制系统图，图12是控制电路布置图，图13是第二驱动示意图，图14是第一驱动示意图。

 附图标记及对应名称为：第一靠背1，第二靠背2，扶手3，坐垫5，第二脚踏板支架固定夹4，固定夹螺栓6，脚踏板固定架7，第一脚踏板支架固定夹，脚踏板支撑架9，固定支腿10，脚踏板11，前轮12，前轮支架13，前轮固定冒14，电池15，后轮16，主支撑架17，防倒装置18，后轮锁紧冒19，减速机构20，后轮锁紧帽21，脚蹬架左靠垫22，脚蹬架右靠垫23，电路布置盒24，底盘25，轴承座26，第一电机27，第二电机27′，第一减速轴28，第一电机支架29，第二电机支架29’，防倒轮连接法兰30，防倒轮支撑杆31，防倒轮叉架32，防倒轮33，轮轴34，锁紧螺母35， 第二减速齿轮36，第二减速轴37，第一减速齿轮38，轴承座固定螺母39，锁紧螺栓40，脚蹬靠垫锁紧固定螺栓41，脚蹬靠垫锁紧固定螺母42，脚蹬靠垫锁紧固定夹43，脚蹬锁紧螺母44，内胎45，外胎46，车圈47，辐条48，内套49，第二螺栓50，第四螺栓50’，第一闭式行星减速器51，第二闭式行星减速器51’，第一螺栓52，第三螺栓52’、第一编码器53，第二编码器53’，电机架安装孔54、55，轴承架安装孔56、57、58、59、60、61、62、63，电机支架安装孔64、65、66、67，电路盒支板68，前万向轮安装法兰孔69，电路盒支架70，主控芯片A1，指令信息A2 ，蓝牙Mic A3，蓝牙接收器A4，语音识别芯片LD3320 A5，声控单片机A6，左驱动-第一驱动器A7，右驱动-第二驱动器B7，第一电机模块A8，第二电机模块B8，左编码器A9，右编码器B9，扬声器A10，光电传感器A11，电源A12，第一控制信号输入c，第一主输入a，第一主输出b，第二主输入a’，第二主输出b’，第二控制信号输入c’。

具体实施方式

如图1~14所示，本发明是智能语音识别助残轮椅系统，由机械部分和电路控制部分组成，机械部分包括动力机构、支撑机构、传动机构，在支撑机构由座椅支撑结构、脚踏板支撑结构、前后轮系支撑结构组成，座椅支撑结构由主支撑架17、底盘25和四根支撑杆17，支撑杆17上放置供病人乘坐的座椅坐垫5，用于枕靠头部的第一靠背1，用于枕靠背部的第二靠背2；脚踏板支撑结构由脚踏板支撑架9，脚踏板固定架7，脚踏板支架固定夹8组成；前后轮系统支撑结构中，前轮系统有支撑架13，后轮中有后轮16、锁紧帽19、后轮内套49，起到支撑作用的第一减速轴28；后轮轮毂上有内胎45、外胎46；在防倒轮机构中：防倒轮支撑杆31连接一个防倒轮33，防倒轮支撑杆31通过防倒轮连接法兰30；在动力机构中，电机输出的扭矩经过第一闭式行星减速器51输出到第一减速齿轮38，驱动第二减速齿轮36，其中第二减速齿轮36和第二减速轴37通过键相连，输出轴简支在两个轴承支座26上，第二减速轴37是后轮16的支撑和传动轴，还有能够将第二减速轴37的扭矩传递到后轮16上的后轮锁紧帽21；还安装有通过第一电机27保持定值速度运动、第二电机27′减速转动来实现左转的第一电机27，另外又安装通过第一电机27减速转动、第二电机27′保持定值速度运动来实现右转的第二电机27′。

电路控制部分的结构为：控制系统指令信息A2由蓝牙Mic A3收集并且传输给接收器A4，接收器A4将信号传输给语音识别芯片A5，语音识别芯片A5对语音信息进行识别，将识别结果传送给声控单片机A6，将信号进行处理，变为特定的不同引脚高低电平后输出，这些信号传送给主控芯片A1，主控芯片A1根据不同的信号，向第一驱动器A7、第二驱动器B7发出动作控制命令，第一驱动A7分为第一主输入a、第一主输出b、第一控制信号输入c，第一主输入a和DC24V电源A12相连，第一主输出b和第一电机模块A8相连，第一控制信号输入c和主芯片A1相连；根据第一控制信号输入c将第一主输入a的DC24V电源变为第一主输出b的PWM波输出给第一电机模块A8，控制第一电机模块A8的转速；第二驱动B7分为第二主输入a’、第二主输出b’、第二控制信号输入c’，第二主输入a’和DC24V电源A12相连，第二主输出b’和第一电机模块A8相连，第二控制信号输入c’和主芯片A1相连；根据第二控制信号输入c’将第二主输入a’的DC24V电源变为第一主输出b的PWM波输出给第二电机模块B8，从而控制第二电机模块B8的转速；由左、中、右三个部位的光电传感器A11能够检测到不同方向的障碍物，将信息传送到主控芯片A1，主控芯片A1发出停车命令，实行电气制动和动力制动；当障碍物离开的时候能够重新启动向前行驶。

如图1、图2所示，主支撑架17为四方结构，包括底盘25和四根支撑杆，支撑杆上放置座椅；脚踏板固定架7和直杆通过脚踏板支架固定夹8相连，并且通过摩擦力固定紧密，能够调节脚踏板支架固定夹8相对于座椅的位置；脚踏板支撑架9为固定长度，脚踏板固定架7相对于座椅平面的位置保持不变。

如图1、图2、图6所示，前轮采用万向轮形式，支撑架13相对于竖直方向成-15°角度，能够保证方向的稳定性；后轮16采用辐条形式进行支撑；通过后轮锁紧帽16进行锁紧，并且将力矩从第一减速轴28传递给后轮内套49；后轮内胎45采用免充气轮胎。

如图2、图3所示，防倒轮支撑杆31为近直角结构，上面连接一个防倒轮33；防倒轮支撑杆31通过防倒轮连接法兰30固定在底盘25的中部后侧。

如图4、图7所示，第一闭式行星减速器51的输出轴上接有一个第一减速齿轮38，第一减速齿轮38和平行轴的第二减速齿轮36啮合；第二减速齿轮36通过平键和第一减速轴28相连。

如图2、图7所示，第一电机27的后面安装有与其同轴的、用于检测电机轴的转速的第一编码器53，第一电机27的前段接有第一闭式行星减速器51，两者通过第一螺栓52锁紧；第一闭式行星减速器51通过第二螺栓50和配套螺母栓接在第一电机支架29的法兰面上。

如图2、图8所示，第二电机27’的后面安装有与其同轴的、用于检测电机轴的转速的第二编码器53’，第二电机27’的前段接有第二闭式行星减速器51’，两者通过第三螺栓52’锁紧；第二闭式行星减速器51’通过第四螺栓50’和配套螺母栓接在第二电机支架29’的法兰面上。

本发明包括机械部分和电路控制部分，机械部分起到了支撑的作用，考虑到该类轮椅必须能够前进、倒退、停止和灵活转向等需求，在左右两轮各装一个电机分别进行驱动。当左轮电机转速高于右轮电机转速时轮椅向右转，反之则向左转。左右轮两个电机转速的配合就可以实现轮椅的前进、倒退、转弯等功能。智能语音识别助残轮椅系统为四轮结构，其中前面两个车轮为导向的万向轮，由它导引前进方向，故称之为导向轮；后面的两个轮子为驱动轮。

机械运动的方式如下：（1）直走：自然状态下，在重力和机构的同时作用下，前面的轮子总是沿着直进方向，这时只要后轮电机同时正转并且保持相同的转速，它就会沿着直线前进。（2）倒车：倒车动作和前进动作恰好相反，后轮电机全都反转，轮椅就会向后运动。（3）左转：左轮电机倒转，后轮电机正转，这时小车就会在左右轮共同作用下朝左侧前进。（4）右转：左轮电机正转，后轮电机反转，这时小车就会在左右轮共同作用下朝右侧前进。

电路控制部分是本发明的核心部分：如图12所示，1、语音控制模式：（1）人的控制指令发出（左转90、右转90、前进等等），经过双Mic降噪系统处理并发送给Ld3320声音识别芯片；（2）声音指令得到识别，找到中断向量号，进入中断子程序，由语音模块输出高低电平给控制板，控制板接受高低电平后根据I/O口的状态，由事先自定的编码表判定要执行什么命令并发送给主控板；（3）根据高低电平的不同，主控板判断后发出不同的动作控制指令；（4）指令经过驱动器放大，输送到伺服电机，电机按照驱动指令进行转动；（5）电机输出轴的编码器将转动的实际值反馈到主控板，主控板根据反馈量进行微调后输出，形成半闭环系统；（6）当红外传感器检测到前方一定距离内有障碍时，主控板发出刹车指令实现减速直至停止。2、手动控制模式：此时主要由控制手柄面板控制轮椅；同时置于轮椅前端的三个光电开关会将前方、左侧和右侧的障碍物情况转化为高低电平，控制板根据I/O口状态判定轮椅的前进路线上是否有障碍物，如果有障碍则屏蔽操纵手柄的输入指令，自动停车，实现轮椅的自动避障。

如图1、2、4所示：本发明的机械部分的机构有动力机构、支撑机构、传动机构。使用时病人坐在坐垫5上，头部可以靠在第一靠背1上，背部靠在第二靠背2上。当轮椅处于某一工作状态时，第一电机27、第二电机27′同时转动，经过减速器51，输出到第一减速齿轮38，带动第二减速齿轮36，其中第二减速齿轮36和第二减速轴37通过键相连，输出轴简支在两个轴承支座26上，第二减速轴37是后轮16的支撑和传动轴，后轮锁紧帽21将第二减速轴37的扭矩传递给后轮16上，后轮转动，即可推动轮椅运动。左转时第一电机27保持一定值速度运动，第二电机27′减速转动，即可实现左转，右转时做对偶运动。

如图3所示当轮椅遇到具有一定坡度的路面时，前轮12升高，整车成一定的角度，这时候很容易产生轮椅的倾翻，所以就需要防倒装置18，防倒装置18由连接法兰30连接在地盘上，防倒轮支撑杆31连接防倒轮叉架32，上面装有轮轴34，支撑防倒轮33，并且通过锁紧螺母35锁紧。当车子倾翻，防倒轮33着地防止了轮椅的倾翻。

如图5所示，（以左边的为例）整个脚蹬部分通过脚踏板支架固定夹5，固定在支撑杆17上，并且通过锁紧螺栓40将其锁紧，应用摩擦力原理防止下滑。脚踏板固定架7由9对其支撑并与座椅形成一定的角度。脚蹬架靠垫22通过脚蹬靠垫锁紧固定夹43、脚蹬靠垫锁紧固定螺栓41固定在支撑杆17上，并且由脚蹬靠垫锁紧固定螺母42锁紧。可以调节一定的角度，适合人腿部的支撑。脚蹬11穿在支撑杆17上并且由脚蹬锁紧螺母44锁紧。

如图6所示，后轮16中，车圈47上有密封内胎45、外胎46。车圈通过辐条48固定在内套49上，其中辐条还能起到减震的作用。内套49中有轴承滚珠，支撑在减速轴28上。并且通过后轮锁紧帽19中的半圆键结构和减速轴28键接，将扭矩传递给内套49，后轮便可以转动。

如图9、10所示：地盘25上有轴承架安装孔56、57、58、59、60、61、62、63等用来安装轴承座。64、65用来固定右电机左电机支架，66、67用来安装左电机支架，电路盒支板68用来固定电路布置盒24。电路盒支架70支撑电路盒支板68。前万向轮安装法兰孔69，通过螺栓固定前轮支撑帽14，支撑前轮12。

如图11所示：指令信息A2右由蓝牙MicA3收集并且传输给接收器A4，接收器将信号传输给语音识别芯片LD3320 A5，语音识别芯片LD3320 A5对语音信息进行识别，将识别结果传送给声控单片机A6，将信号进行处理，变为特定的不同引脚电平高低的输出。这些信号传送给主控芯片A1，主控芯片A1根据不同的信号，为了能控制车轮的转速，采取PWM调速法，即由单片机的I/OB8、I/OB9输出一系列频率固定的方波，再通过功率放大来驱动电机，在单片机中编程改变输出方波的占空比就可以改变加到电机上的平均电压，从而可以改变电机的转速，同时也可以控制轮子转动的角度。左右轮两个电机转速的配合就可以实现轮椅的前进、倒退、转弯等功能。编码器B9将电机的实际输出转速反馈给主控芯片A1，构成半闭环系统。光电传感器A11识别前方的障碍，并且将障碍信息传给主控芯片A1，A1将发出紧急停车命令。电源A12为整个控制电路提供电能。

实现对轮椅的转动角度和行驶速度的控制，能够及时地自动避开障碍，能够在遇到紧急情况时自动停车，这种控制方式既可以作为手动控制装置的一种临时辅助，也可作为主要的控制方式。此外，在不使用声控时本系统即为手控电动轮椅系统。

Claims (7)

1.智能语音识别助残轮椅系统，由机械部分和电路控制部分组成，机械部分包括动力机构、支撑机构、传动机构，其特征在于在支撑机构由座椅支撑结构、脚踏板支撑结构、前后轮系支撑结构组成，座椅支撑结构由主支撑架（17）、底盘（25）和四根支撑杆（17），支撑杆（17）上放置供病人乘坐的座椅坐垫（5），用于枕靠头部的第一靠背（1），用于枕靠背部的第二靠背（2）；脚踏板支撑结构由脚踏板支撑架（9），脚踏板固定架（7），脚踏板支架固定夹（8）组成；前后轮系统支撑结构中，前轮系统有支撑架（13），后轮中有后轮（16）、锁紧帽（19）、后轮内套（49），起到支撑作用的第一减速轴（28）；后轮轮毂上有内胎（45）、外胎（46）；在防倒轮机构中：防倒轮支撑杆（31）连接一个防倒轮（33），防倒轮支撑杆（31）通过防倒轮连接法兰（30）；在动力机构中，电机输出的扭矩经过第一闭式行星减速器（51）输出到第一减速齿轮（38），驱动第二减速齿轮（36），其中第二减速齿轮（36）和第二减速轴（37）通过键相连，输出轴简支在两个轴承支座（26）上，第二减速轴（37）是后轮（16）的支撑和传动轴，还有能够将第二减速轴（37）的扭矩传递到后轮（16）上的后轮锁紧帽（21）；还安装有通过第一电机（27）保持定值速度运动、第二电机（27′）减速转动来实现左转的第一电机（27），另外又安装通过第一电机（27）减速转动、第二电机（27′）保持定值速度运动来实现右转的第二电机（27′）；

电路控制部分的结构为：控制系统指令信息（A2）由蓝牙Mic（A3）收集并且传输给接收器（A4），接收器（A4）将信号传输给语音识别芯片（A5），语音识别芯片（A5）对语音信息进行识别，将识别结果传送给声控单片机（A6），将信号进行处理，变为特定的不同引脚高低电平后输出，这些信号传送给主控芯片（A1），主控芯片（A1）根据不同的信号，向第一驱动器（A7）、第二驱动器（B7）发出动作控制命令，第一驱动（A7）分为第一主输入（a）、第一主输出（b）、第一控制信号输入（c），第一主输入（a）和DC24V电源（A12）相连，第一主输出（b）和第一电机模块（A8）相连，第一控制信号输入（c）和主芯片（A1）相连；根据第一控制信号输入（c）将第一主输入（a）的DC24V电源变为第一主输出（b）的PWM波输出给第一电机模块（A8），控制第一电机模块（A8）的转速；第二驱动（B7）分为第二主输入（a’）、第二主输出（b’）、第二控制信号输入（c’），第二主输入（a’）和DC24V电源（A12）相连，第二主输出（b’）和第一电机模块（A8）相连，第二控制信号输入（c’）和主芯片（A1）相连；根据第二控制信号输入（c’）将第二主输入（a’）的DC24V电源变为第一主输出（b）的PWM波输出给第二电机模块（B8），从而控制第二电机模块（B8）的转速；由左、中、右三个部位的光电传感器（A11）能够检测到不同方向的障碍物，将信息传送到主控芯片（A1），主控芯片（A1）发出停车命令，实行电气制动和动力制动；当障碍物离开的时候能够重新启动向前行驶。

2.根据权利要求书1所述的智能语音识别助残轮椅系统，其特征在于：主支撑架（17）为四方结构，包括底盘（25）和四根支撑杆，支撑杆上放置座椅；脚踏板固定架（7）和直杆通过脚踏板支架固定夹（8）相连，并且通过摩擦力固定紧密，能够调节脚踏板支架固定夹（8）相对于座椅的位置；脚踏板支撑架（9）为固定长度，脚踏板固定架（7）相对于座椅平面的位置保持不变。

3.根据权利要求书1所述的智能语音识别助残轮椅系统，其特征在于：前轮采用万向轮形式，支撑架（13）相对于竖直方向成-15°角度，能够保证方向的稳定性；后轮（16）采用辐条形式进行支撑；通过后轮锁紧帽（16）进行锁紧，并且将力矩从第一减速轴（28）传递给后轮内套（49）；后轮内胎（45）采用免充气轮胎。

4.根据权利要求书1所述的智能语音识别助残轮椅系统，其特征在于：防倒轮支撑杆（31）为近直角结构，上面连接一个防倒轮（33）；防倒轮支撑杆（31）通过防倒轮连接法兰（30）固定在底盘（25）的中部后侧。

5.根据权利要求书1所述的智能语音识别助残轮椅系统，其特征在于：第一闭式行星减速器（51）的输出轴上接有一个第一减速齿轮（38），第一减速齿轮（38）和平行轴的第二减速齿轮（36）啮合；第二减速齿轮（36）通过平键和第一减速轴（28）相连。

6.根据权利要求1所述的智能语音识别助残轮椅系统，其特征在于：第一电机（27）的后面安装有与其同轴的、用于检测电机轴的转速的第一编码器（53），第一电机（27）的前段接有第一闭式行星减速器（51），两者通过第一螺栓（52）锁紧；第一闭式行星减速器（51）通过第二螺栓（50）和配套螺母栓接在第一电机支架（29）的法兰面上。

7.根据权利要求1所述的智能语音识别助残轮椅系统，其特征在于：第二电机（27’）的后面安装有与其同轴的、用于检测电机轴的转速的第二编码器（53’），第二电机（27’）的前段接有第二闭式行星减速器（51’），两者通过第三螺栓（52’）锁紧；第二闭式行星减速器（51’）通过第四螺栓（50’）和配套螺母栓接在第二电机支架（29’）的法兰面上。