CN104972932A - 一种防晕动座椅及其调节平衡性的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种防晕动座椅及其调节平衡性的方法，包括座椅底盘，及设在座椅底盘上的滚珠丝杠支座和承重环；承重环上放置有半球形座椅，半球形座椅底部设有传感器；沿滚珠丝杠支座之间连接有滚珠丝杠轴和与其正交的滚珠丝杠y轴，滚珠丝杠轴上设有伺服电机；滚珠丝杠y轴上垂直设置有一与承重环底部固定连接的可伸缩平衡轴；座椅底盘上还分别设有与伺服电机相连的主控电路模块、旋转编码器和开关电源，主控电路模块与传感器相连。通过实时采集汽车或船体的晃动姿态，实时地对座椅的高度、倾角进行补偿，使椅子能够抵消外界干扰晃动、减缓突然加速减速对人体造成伤害的同时又能够适应上坡、转弯等本身需要座椅有一定的倾角路况。

Description

一种防晕动座椅及其调节平衡性的方法

技术领域

本发明涉及消除振动干扰的设备，具体地说是一种防晕动座椅及其控制平衡性的方法。

背景技术

交通工具是现代生活中必不可少的一部分，据调查，在四个小时的以下短途旅行中约有6％的乘客会出现晕车晕船现象，在长途旅行中约有18％乘客会出现晕车晕船现象。晕车是指在乘坐车、船时，经受振动、摇晃的刺激，人体内耳迷路不能很好地适应和调节机体的平衡，使交感神经兴奋性增强导致的神经功能紊乱。运输工具不同，可分别称为晕车病、晕船病、晕机病(航空晕动病)以及宇宙晕动病。

目前应用较多的暂时缓解症状或延缓它的发生的方法上有主要有：镇静止吐药，如乘晕宁、东莨菪碱、安定等药物抑制中枢兴奋，缓解消化道痉挛；通过还有就是前庭锻炼方法，如同飞行员训练一样，在相当一段时间内反复刺激前庭，如：旋转椅、秋千、俯虎、荡船等。

而提供一种防止晕动的座椅和控制平衡性的方法成为本领域目前亟待解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种防晕动座椅及其控制平衡性的方法，通过实时采集汽车或船体的晃动姿态，实时地对座椅的高度、倾角进行补偿，通过学习算法下使椅子能够抵消外界干扰晃动、减缓突然加速减速对人体造成伤害的同时又能够适应上坡、转弯等本身需要座椅有一定的倾角路况。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的。

一种防晕动座椅，包括座椅底盘，及设在座椅底盘上的滚珠丝杠支座和一个通过负重杆支撑的承重环；承重环上放置有半球形座椅，半球形座椅底部设有传感器；沿滚珠丝杠支座之间连接有一对平行布置的滚珠丝杠x轴，以及在滚珠丝杠x轴之间滑动设置的滚珠丝杠y轴，滚珠丝杠x轴和滚珠丝杠y轴上设有伺服电机；滚珠丝杠y轴上垂直设置有一与承重环底部固定连接的可伸缩平衡轴；座椅底盘上还分别设有与伺服电机相连的主控电路模块、旋转编码器和开关电源，主控电路模块与传感器相连。

进一步地，所述承重环呈圆盘状，在盘底部固定有万向滚珠，半球形座椅底部放置在万向滚珠上，半球形座椅与盘状承重环形状大小相适应。

进一步地，所述可伸缩平衡轴通过万向节和滚珠丝杠y轴连接。

进一步地，所述主控电路模块分别连接旋转编码器、座椅传感器和电源电路，电源电路连接座椅传感器，旋转编码器连接电机驱动电路，电机驱动电路连接伺服电机；所述座椅传感器包括座椅姿态传感器、座垫姿态传感器和平衡杆长度传感器。

相应地，本发明还给出了一种调节防晕动座椅平衡性的方法，包括下述步骤：

步骤1：接通电源，两根滚珠丝杠x轴和一根滚珠丝杠y轴在伺服电机驱动下伸缩调节，带动万向节联动可伸缩平衡轴调节承重环使半球形座椅产生一个倾角；

步骤2：通过传感器对座姿态采集、座椅姿态采集得到半球形座椅的倾角，然后判断倾角值大大小是否满足条件，不满足倾角值θ_x、θ_y条件，则重复步骤1-2；满足则继续下一步；

步骤3：通过倾角值θ_x、θ_y和半球形座椅底座倾角值大小，计算可伸缩平衡轴需要调整量；

步骤4：根据可伸缩平衡轴在坐标系中的目标位置x₁和y₁，和当前可伸缩平衡轴位置计算出其偏移量Δ_x、Δ_y；并利用PID算法得到可伸缩平衡轴输出量；

步骤5：将可伸缩平衡轴输出量Output_Pich和Output_Roll输出到旋转编码器进行控制输出：

步骤6：根据电机的转速V_x和V_y值分别驱动两个电机转动；

步骤7：根据调整完毕后判断用户是否已发出停止指令，是，则座椅停止工作；否，则继续重复步骤1至5。

进一步地，所述判断倾角值大大小是否满足的条件为：

θ_x≥k或θ_y≥k

其中，θ_x为座椅平面的翻滚角，θ_y为座椅平面的俯仰角，k为防抖阈值。

进一步地，所述计算可伸缩平衡轴需要调整量，可伸缩平衡轴的目标位置满足以下条件：

$x_1=\frac{x_0}{\cos {\mathrm{\α}}_x}$

$y_1=\frac{y_0}{\cos {\mathrm{\α}}_y}$

其中，x₁、y₁为可伸缩平衡轴在坐标系中的目标位置；x₀、y₀为半球形座椅底面平衡且座椅平衡时的初始平衡杆位置；α_x、α_y分别为实时采集到的半球形座椅底座的横向翻滚角和纵向俯仰角值大小。

进一步地，所述可伸缩平衡轴位置偏移量Δ_x、Δ_y为：

Δ_x＝x-x₁

Δ_y＝y-y₁

其中，Δ_x为可伸缩平衡轴横向翻滚角偏移量，Δ_y为可伸缩平衡轴纵向俯仰角偏移量，(x,y)为当前平衡杆位置。

进一步地，利用PID算法得到输出量可伸缩平衡轴输出量，满足以下关系式；

${\mathrm{Output}}_{\mathrm{Roll}}=\mathrm{KP}*{\mathrm{\Δ}}_x+{\mathrm{Flag}}_k*\mathrm{KI}*{\mathrm{\Δ}}_{x_{{\mathrm{Integral}}_x}}+\mathrm{KD}*({\mathrm{\Δ}}_x-{\mathrm{\Δ}}_x\_\mathrm{last}\_x)*\mathrm{MPU}\_\mathrm{HZ};$

${\mathrm{Output}}_{\mathrm{Pich}}=\mathrm{KP}*{\mathrm{\Δ}}_y+{\mathrm{Flag}}_k*\mathrm{KI}*{\mathrm{\Δ}}_{y_{{\mathrm{Integral}}_y}}+\mathrm{KD}*({\mathrm{\Δ}}_y-{\mathrm{\Δ}}_y\_\mathrm{last}\_y)*\mathrm{MPU}\_\mathrm{HZ};$

其中，Output_Roll，Output_Pich分别为翻滚角和俯仰角输出量，KP为比例系数，KI为积分系数，KD为微分系数，为翻滚角积分值，为俯仰角积分值，Δ_x_last_x为上一次平衡杆横向翻滚角偏移量，Δ_y_last_y为上一次平衡杆纵向俯仰角偏移量，MPU_HZ为姿态传感器的采样频率。

进一步地，电机的转速V_x和V_y值通过下式得到：

$V_x=\frac{\frac{{\mathrm{Output}}_{\mathrm{Roll}}}{d}}{\mathrm{MPU}\_\mathrm{HZ}}$

$V_y=\frac{\frac{{\mathrm{Output}}_{\mathrm{Roll}}}{d}}{\mathrm{MPU}\_\mathrm{HZ}}$

其中V_x为电机Ⅰ的转速，单位rad/s,V_y为电机Ⅱ的转速，单位rad/s,d为滚珠丝杠的牙距。

本发明同现有技术相比，有以下几个优点：

本座椅通过实时的动态的调节座椅的倾角，从根源上主动无创地减缓甚至解决交通出行过程中汽车或轮船在外界环境干扰下带来的上下左右的不同幅度的晃动对具有运动病人群带来的出行不便的问题，具有较广的应用性和使用性；同时可以通过算法的调节得到符合人体工程学的调节过程，使乘客在旅途更加舒适。

附图说明

图1是本发明防晕动座椅整体外观示意图；

图2是本防晕动座椅侧主视示意图；

图3是本防晕动座椅左视示意图；

图4是控制电路结构框图；

图5是控制平衡性方法结构框图。

图中：1.半球形座椅座垫，2.座椅底盘，3.负重杆，4.伺服电机，5.滚珠丝杠支座，6.承重环，7.滚珠丝杠x轴，8.可伸缩平衡轴，9.滚珠丝杠y轴，10.万向节，11.万向滚珠，12.开关电源，13.旋转编码器，14.主控电路模块。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的说明。

图1结合图2、图3所示，是本发明防晕动座椅整体外观示意图，包括座椅底盘2，及设在座椅底盘2上的滚珠丝杠支座5和一个通过负重杆3支撑的承重环6；承重环6上放置有半球形座椅1，半球形座椅1底部设有传感器；沿滚珠丝杠支座5之间连接有一对平行布置的滚珠丝杠x轴7，以及在两根滚珠丝杠x轴7之间滑动设置的滚珠丝杠y轴9，滚珠丝杠x轴7和滚珠丝杠y轴9上设有伺服电机4；滚珠丝杠y轴9上垂直设置有一与承重环6底部固定连接的可伸缩平衡轴8；座椅底盘2上还分别设有与滚珠丝杠x轴7、滚珠丝杠y轴9上的伺服电机4相连的主控电路模块14、旋转编码器13和开关电源12。主控电路模块14与传感器相连。

其中，承重环6呈圆盘状，在盘底部固定有万向滚珠11，半球形座椅1底部放置在万向滚珠11上，半球形座椅1与盘状承重环6形状大小相适应。可伸缩平衡轴8通过万向节10和滚珠丝杠y轴9连接。

本防晕座椅半球形座椅1直接与万向滚珠接触，万向滚珠固定在承重环6上；滚珠丝杠x轴7通过滚珠丝杠支座5固定在座椅底座2上。滚珠丝杠x轴7和滚珠丝杠y轴9由伺服电机4驱动；主控电路模块14主要功能是采集座椅状态信息并进行一定的数字计算得到控制指令，控制指令传递给旋转编码器13，最终控制伺服电机4的转动；开关电源12为整个系统提供电能。

图2是本防晕动座椅主视示意图，主要包括可伸缩平衡轴8和承重环6，图中可以看出承重环6和半球形座椅1直接连接，因此两者的运动具有同向性；通过滚珠丝杠在平面内的移动带动平衡杆运动，由于半球形平衡座椅运动和可伸缩平衡杆具有同向性，我们可以通过调节可伸缩平衡杆的位置来达到调节半球形座椅平面。

图3是本防晕动座椅左视示意图，主要包含万向节10、滚珠丝杠y轴9和滚珠丝杠固定支座5，可伸缩平衡轴8通过万向节10和滚珠丝杠y轴9连接，滚珠丝杠支座5用于固定滚珠丝杠。

本发明还包括用于防晕动座椅的控制器，控制器电路框图如图4所示：

控制器包括电源电路、座姿态采集、座垫姿态采集、平衡杆高度测量、CortexM4主控制器、电机驱动电路六个部分。所述主控电路模块14分别连接旋转编码器13、座椅传感器和电源电路，电源电路连接座椅传感器，旋转编码器13连接电机驱动电路，电机驱动电路连接伺服电机4。

所述座椅传感器包括座椅姿态传感器、座垫姿态传感器和平衡杆长度传感器。

本发明座椅主要包括半球形座椅、承重部分、动态调节部分、姿态检测、电源电路、电机驱动部分、主控和减震部分。

在本发明装置中，座椅为一个半球形结构，承重部分是通过座椅下面的半球体结构承重，半球体通过小钢球轮阵(万向滚珠)和半球形座椅底座连接；动态调节部分通过三个直流推杆电机动态伸缩调节三个调节点相对比底面的高低来保存椅子上平面的水平或根据路况使椅子产生一个特定的倾角；姿态检测部分可以通过多个位于座椅底部的加速度传感器和陀螺仪来实现；电源部分为24V和5V输出的开关电源，最大电流7.5A；电机驱动部分接受主控电路模块的控制指令调节电机的转动方向和速度；实现用弱电控制强电效果；主控部分主要功能是将采集到传感器信息进行处理，输出相应的控制指令，其内部包含倾角变化到三个直流推杆电机高度变化的数学模型转换；减震部分主要过直流电机和底面支撑承重环的负重杆顶部连接的三个带轴心减震弹簧和小钢球轮阵的弹性来消除较小幅度的外部震动干扰。

本发明还给出了一种调节防晕动座椅平衡性的方法，如图5，方法步骤如下：

步骤1：接通电源，两根滚珠丝杠x轴和一根滚珠丝杠y轴在伺服电机驱动下伸缩调节，带动万向节联动可伸缩平衡轴调节承重环使半球形座椅产生一个特定的倾角；

步骤2：通过传感器对座姿态采集、座椅姿态采集得到半球形座椅的倾角，然后判断倾角值大大小，判断倾角值是否满足以下条件：

θ_x≥k或θ_y≥k

其中，θ_x为座椅平面的翻滚角，θ_y为座椅平面的俯仰角，k为防抖阈值，在本发明中k＝0.5；

判断θ_x、θ_y是否满足上述条件，不满足则重复步骤1-2；满足则继续下一步；

步骤3：通过θ_x、θ_y和半球形座椅底座倾角值大小，计算可伸缩平衡轴需要调整量；

一般地，船体或汽车的横向摇晃是以汽车的横向中心轴为轴，纵向摇晃是以汽车的纵向中心轴为轴，在本系统中以座椅底座平面建立xy坐标系，以船体或汽车的横纵向中心轴的交点为坐标原点；

为了达到平衡状态，可伸缩平衡轴的目标位置满足以下条件：

$x_1=\frac{x_0}{\cos {\mathrm{\α}}_x}$

$y_1=\frac{y_0}{\cos {\mathrm{\α}}_y}$

其中，x₁、y₁为可伸缩平衡轴在坐标系中的目标位置；x₀、y₀为半球形座椅底面平衡且座椅平衡时的初始平衡杆位置；α_x、α_y分别为实时采集到的半球形座椅底座的横向翻滚角和纵向俯仰角值大小；

步骤4：根据可伸缩平衡轴在坐标系中的目标位置x₁和y₁，和当前可伸缩平衡轴位置计算出其偏移量；

Δ_x＝x-x₁

Δ_y＝y-y₁

其中，Δ_x为可伸缩平衡轴横向翻滚角偏移量，Δ_y为可伸缩平衡轴纵向俯仰角偏移量，(x,y)为当前平衡杆位置；

PID算法输出量满足以下关系式；

${\mathrm{Output}}_{\mathrm{Roll}}=\mathrm{KP}*{\mathrm{\Δ}}_x+{\mathrm{Flag}}_k*\mathrm{KI}*{\mathrm{\Δ}}_{x_{I{\mathrm{ntegral}}_x}}+\mathrm{KD}*({\mathrm{\Δ}}_x-{\mathrm{\Δ}}_x\_\mathrm{last}\_x)*\mathrm{MPU}\_\mathrm{HZ};$

${\mathrm{Output}}_{\mathrm{Pich}}=\mathrm{KP}*{\mathrm{\Δ}}_y+{\mathrm{Flag}}_k*\mathrm{KI}*{\mathrm{\Δ}}_{y_{{\mathrm{Integral}}_y}}+\mathrm{KD}*({\mathrm{\Δ}}_y-{\mathrm{\Δ}}_y\_\mathrm{last}\_y)*\mathrm{MPU}\_\mathrm{HZ};$

其中，Output_Roll，Output_Pich分别为翻滚角和俯仰角输出量，KP为比例系数，KI为积分系数，KD为微分系数，为翻滚角积分值，为俯仰角积分值，Δ_x_last_x为上一次平衡杆横向翻滚角偏移量，Δ_y_last_y为上一次平衡杆纵向俯仰角偏移量，MPU_HZ为姿态传感器的采样频率。在本发明中，KP＝0.82，KI＝0，KD＝0.02，MPU_HZ＝100；

步骤5：将Output_Pich和Output_Roll输出到旋转编码器进行控制输出：

$V_x=\frac{\frac{{\mathrm{Output}}_{\mathrm{Roll}}}{d}}{\mathrm{MPU}\_\mathrm{HZ}}$

$V_y=\frac{\frac{{\mathrm{Output}}_{\mathrm{Roll}}}{d}}{\mathrm{MPU}\_\mathrm{HZ}}$

其中V_x为电机Ⅰ的转速，单位为rad/s，V_y为电机Ⅱ的转速，单位为rad/s，d为滚珠丝杠的牙距；

步骤6：根据V_x和V_y值分别驱动两个电机转动；

步骤7：根据调整完毕后判断用户是否已发出停止指令，是，则座椅停止工作；否，则继续重复步骤1至5。

本系统优点：因为承重不在电机上，使整个系统响应速度非常快，可以满足较高频率晃动下的动态平衡；成本低，只需要两个电机进行驱动。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，图中为了描述方便所画的尺寸不为实际尺寸，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种防晕动座椅，其特征在于，包括座椅底盘(2)，及设在座椅底盘(2)上的滚珠丝杠支座(5)和一个通过负重杆(3)支撑的承重环(6)；承重环(6)上放置有半球形座椅(1)，半球形座椅(1)底部设有传感器；沿滚珠丝杠支座(5)之间连接有一对平行布置的滚珠丝杠x轴(7)，以及在滚珠丝杠x轴(7)之间滑动设置的滚珠丝杠y轴(9)，滚珠丝杠x轴(7)和滚珠丝杠y轴(9)上设有伺服电机(4)；滚珠丝杠y轴(9)上垂直设置有一与承重环(6)底部固定连接的可伸缩平衡轴(8)；座椅底盘(2)上还分别设有与伺服电机(4)相连的主控电路模块(14)、旋转编码器(13)和开关电源(12)，主控电路模块(14)与传感器相连。

2.根据权利要求1所述的防晕动座椅，其特征在于，所述承重环(6)呈圆盘状，在盘底部固定有万向滚珠(11)，半球形座椅(1)底部放置在万向滚珠(11)上，半球形座椅(1)与盘状承重环(6)形状大小相适应。

3.根据权利要求1所述的防晕动座椅，其特征在于，所述可伸缩平衡轴(8)通过万向节(10)和滚珠丝杠y轴(9)连接。

4.根据权利要求3所述的防晕动座椅，其特征在于，所述主控电路模块(14)分别连接旋转编码器(13)、座椅传感器和电源电路，电源电路连接座椅传感器，旋转编码器(13)连接电机驱动电路，电机驱动电路连接伺服电机(4)；所述座椅传感器包括座椅姿态传感器、座垫姿态传感器和平衡杆长度传感器。

5.一种调节防晕动座椅平衡性的方法，其特征在于，包括下述步骤：

步骤1：接通电源，两根滚珠丝杠x轴和一根滚珠丝杠y轴在伺服电机驱动下伸缩调节，带动万向节联动可伸缩平衡轴调节承重环使半球形座椅产生一个倾角；

步骤2：通过传感器对座姿态采集、座椅姿态采集得到半球形座椅的倾角，然后判断倾角值大大小是否满足条件，不满足倾角值θ_x、θ_y条件，则重复步骤1-2；满足则继续下一步；

步骤3：通过倾角值θ_x、θ_y和半球形座椅底座倾角值大小，计算可伸缩平衡轴需要调整量；

步骤4：根据可伸缩平衡轴在坐标系中的目标位置x₁和y₁，以及当前可伸缩平衡轴位置，计算出其偏移量Δ_x、Δ_y；并利用PID算法得到可伸缩平衡轴输出量；

步骤5：将可伸缩平衡轴输出量Output_Pich和Output_Roll输出到旋转编码器进行控制输出：

步骤6：根据电机的转速V_x和V_y值分别驱动两个电机转动；

步骤7：根据调整完毕后判断用户是否已发出停止指令，是，则座椅停止工作；否，则继续重复步骤1至5。

6.根据权利要求5所述的调节防晕动座椅平衡性的方法，其特征在于，所述判断倾角值大大小满足的条件为：

θ_x≥k或θ_y≥k

其中，θ_x为座椅平面的翻滚角，θ_y为座椅平面的俯仰角，k为防抖阈值。

7.根据权利要求5所述的调节防晕动座椅平衡性的方法，其特征在于，所述计算可伸缩平衡轴需要调整量，可伸缩平衡轴的目标位置满足以下条件：

$x_1=\frac{x_0}{\cos {\mathrm{\α}}_x}$

$y_1=\frac{y_0}{\cos {\mathrm{\α}}_y}$

其中，x₁、y₁为可伸缩平衡轴在坐标系中的目标位置；x₀、y₀为半球形座椅底面平衡且座椅平衡时的初始平衡杆位置；α_x、α_y分别为实时采集到的半球形座椅底座的横向翻滚角和纵向俯仰角值大小。

8.根据权利要求5所述的调节防晕动座椅平衡性的方法，其特征在于，所述可伸缩平衡轴位置偏移量Δ_x、Δ_y为：

Δ_x＝x-x₁

Δ_y＝y-y₁

其中，Δ_x为可伸缩平衡轴横向翻滚角偏移量，Δ_y为可伸缩平衡轴纵向俯仰角偏移量，(x,y)为当前平衡杆位置。

9.根据权利要求5所述的调节防晕动座椅平衡性的方法，其特征在于，利用PID算法得到可伸缩平衡轴输出量，满足以下关系式；

${\mathrm{Output}}_{\mathrm{Roll}}=\mathrm{KP}*{\mathrm{\Δ}}_x+{\mathrm{Flag}}_x*\mathrm{KI}*{\mathrm{\Δ}}_{x{\mathrm{Integral}}_x}+\mathrm{KD}*({\mathrm{\Δ}}_x-{\mathrm{\Δ}}_{x-}\mathrm{last}\_x)*\mathrm{MPU}\_\mathrm{HZ};$

${\mathrm{Output}}_{\mathrm{Pich}}=\mathrm{KP}*{\mathrm{\Δ}}_y+{\mathrm{Flag}}_x*\mathrm{KI}*{\mathrm{\Δ}}_{y_{{\mathrm{Integral}}_y}}+\mathrm{KD}*({\mathrm{\Δ}}_y-{\mathrm{\Δ}}_{y-}\mathrm{last}\_y)*\mathrm{MPU}\_\mathrm{HZ};$

其中，Output_Roll，Output_Pich分别为翻滚角和俯仰角输出量，KP为比例系数，KI为积分系数，KD为微分系数，为翻滚角积分值，为俯仰角积分值，Δ_x-last_x为上一次平衡杆横向翻滚角偏移量，Δ_y-last_y为上一次平衡杆纵向俯仰角偏移量，MPU_HZ为姿态传感器的采样频率。

10.根据权利要求5所述的调节防晕动座椅平衡性的方法，其特征在于，电机的转速V_x和V_y值通过下式得到：

$V_x=\frac{\frac{{\mathrm{Output}}_{\mathrm{Roll}}}{d}}{\mathrm{MPU}\_\mathrm{HZ}}$

$V_y=\frac{\frac{{\mathrm{Output}}_{\mathrm{Roll}}}{d}}{\mathrm{MPU}\_\mathrm{HZ}}$

其中，V_x为电机Ⅰ的转速，V_y为电机Ⅱ的转速，单位为rad/s，d为滚珠丝杠的牙距。