CN106923979A - 一种结构可调轮椅的智能调控装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种结构可调轮椅的智能调控装置，包括轮椅本体、轮椅控制机构和数据采集单元，数据采集单元包括人体状态信息采集模块、轮椅状态信息采集模块和指令输入模块；轮椅本体包括轮椅支撑架、轮椅坐板、与轮椅坐板摆动连接的轮椅靠背、以及位于轮椅支撑架侧向摆动连接的轮椅支撑腿；轮椅控制机构包括控制器和执行机构；控制器根据数据采集单元采集的信号输出控制指令；执行机构用于控制轮椅靠背相对轮椅坐板成90度到180度之间摆动，和轮椅支撑腿相对轮椅坐板成90度到180度之间摆动的第二执行机构。本发明通过采集人体状态和轮椅状态，实现轮椅状态的调整，提高轮椅使用者的坐姿舒适度，降低对看护人员的依赖，达到辅助轮椅使用者运动的目的。
Description
技术领域
本发明属于智能轮椅领域，具体涉及一种结构可调轮椅的智能调控装置及方法。
背景技术
随着老年化的进程快步向前，对老年人和残障人士的关心越来越获得社会和政府的关注。作为上班族的子女，能放在老年人身上的时间很少；或由于经济条件的原因，社工的人数普遍不足，导致跟不上老年人和残障人士的个性化服务需求。目前，轮椅不能依据人的需求提供实时地智能调控服务。
对于行动不便人士、老年人等需要长期依赖轮椅生活的人群而言，普通的轮椅能满足大部分人群出行的需求，但是久坐轮椅容易带来更多的危害，比如痤疮、腰椎硬化等疾病，同时也不利于肢体残疾人群的康复。通过查阅文献发现，当前智能轮椅主要采用眼电、脑电、生物电、头部运动、嘴唇运动、加速度计等手段实现轮椅的前进、后退、转向、刹车等行驶功能。虽然能满足部分无法用手操作轮椅的人群日常出行需求，但是无法解决久坐带来的危害，同时不利于行动不便人士的康复。一些专利中设计的轮椅可以调节伸缩架等机构，实现轮椅的平躺以及辅助使用者站立，但是基本上采用的都是手动调节，无法自主调节轮椅结构，实现主动智能辅助轮椅使用者康复的目的。另外，还有很多专利设计了人体参数采集装置，用于监测轮椅使用者的生理信息，这种方案虽然可以监测到使用者的生理信息，对异常信息进行预警，提醒轮椅使用者改善坐姿、增加运动等，但是依然需要使用者本人来处理，而对于无法运动的患者来说，相当困难，因此这类人群还需要看护人来处理，这样不仅会增加社会和家庭的负担，而且会给这类人群带来心理上的压力。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：提供一种结构可调轮椅的智能调控装置及方法，达到辅助轮椅使用者运动的目的。
本发明为解决上述技术问题所采取的技术方案为：一种结构可调轮椅的智能调控装置，包括轮椅本体和轮椅控制机构，其特征在于：还包括数据采集单元，数据采集单元包括人体状态信息采集模块、轮椅状态信息采集模块和指令输入模块；
所述的轮椅本体包括轮椅支撑架、固定在轮椅支撑架上的轮椅坐板、与轮椅坐板摆动连接的轮椅靠背、以及位于轮椅支撑架侧向摆动连接的轮椅支撑腿；
所述的轮椅控制机构包括控制器和执行机构；其中所述的数据采集单元的输出端与控制器连接，控制器根据数据采集单元采集的信号进行数据处理，输出控制指令给执行机构；执行机构包括用于控制轮椅靠背相对轮椅坐板成90度到180度之间摆动的第一执行机构，和用于控制轮椅支撑腿相对轮椅坐板成90度到180度之间摆动的第二执行机构。
按上述装置，所述的第一执行机构包括轮椅靠背与轮椅坐板之间的转动轴、连接在轮椅靠背和轮椅支撑架之间的电缸、以及电缸驱动机构。
按上述装置，所述的人体状态信息采集模块包括坐板压力传感器、靠背压力传感器和轮椅支撑腿压力传感器。
按上述装置，所述的轮椅状态信息采集模块包括：轮椅支撑腿角度传感器和靠背角度传感器。
按上述装置，所述的指令输入模块包括语音输入模块和键盘输入模块。
一种所述的结构可调轮椅的智能调控装置实现的智能调控方法，其特征在于：它包括：
参数设置，设置康复训练时间阈值T0、轮椅任意状态保持时间T2；
模式选择：通过指令输入选择模式，所述的模式包括轮椅人体状态调整模式和下肢训练模式；
当选择轮椅人体状态调整模式时，对采集的人体状态信息和轮椅状态信息进行处理，判断人体和轮椅分别所处的状态，分别记录人体当前状态所保持的时间T3、和轮椅当前状态所保持的时间T4，当T3≥T1或者T4≥T2时，发出提示指令，在收到输入的确认指令后输出对应的轮椅状态调整指令，给所述的执行机构；
当选择下肢训练模式时，确认轮椅支撑腿上是否有压力信号，若无则提示，若有则按一定的频率摆动轮椅支撑腿，直至达到康复训练时间阈值T0，记录当前时刻对应的人体状态和轮椅状态，退出下肢训练模式并返回模式选择。
按上述方法，参数设置还包括设置轮椅使用者任意状态保持的阈值时间T1；
所述的模式选择步骤中，当轮椅使用者在任意状态保持的时间达到T1，则自动进入轮椅人体状态调整模式。
按上述方法，所述的轮椅状态包括坐直、靠背及腿部支撑、平躺三种。
按上述方法，所述的人体状态包括左倾，前倾，右倾，靠背，平躺，坐直六种。
本发明的有益效果为：通过采集人体状态和轮椅状态，实现轮椅状态的调整，提高轮椅使用者的坐姿舒适度，降低了对看护人员的依赖，达到辅助轮椅使用者运动的目的。
附图说明
图1为本发明一实施例控制对象轮椅的结构示意图。
图2为本发明一实施例的硬件框图。
图3为本发明一实施例的方法流程图。
图4为本发明一实施例的人体状态传感器布局图。
图5为本发明一实施例的人体状态判断方法流程图。
图6为本发明一实施例的轮椅状态判断方法流程图。
图7为本发明一实施例的轮椅默认调整模式框图。
图中：1-轮椅靠背，2-轮椅坐板，3-轮椅支撑腿，4-踏板，5-第一转轴，6-第二转轴，7-扶手，8-第一电缸，9-第二电缸，10-轮椅支撑架，11-车轮，12-靠背压力传感器，13-第一坐板压力传感器，14-第二坐板压力传感器，15-第三坐板压力传感器，16-第四坐板压力传感器，17-左踏板压力传感器，18-右踏板压力传感器。
具体实施方式
下面结合具体实例和附图对本发明做进一步说明。
如图1和图2所示，本发明提供一种结构可调轮椅的智能调控装置，包括轮椅本体、轮椅控制机构和数据采集单元，数据采集单元包括人体状态信息采集模块、轮椅状态信息采集模块和指令输入模块，指令输入模块可以包括语音输入模块和键盘输入模块。另外，还可以增加蓝牙通讯模块和外部接口模块进行远程控制和数据的交互。
所述的轮椅本体包括轮椅支撑架10、固定在轮椅支撑架10上的轮椅坐板2、与轮椅坐板2摆动连接的轮椅靠背1、以及位于轮椅支撑架10侧向摆动连接的轮椅支撑腿3，轮椅支撑腿3的底部还可以设置踏板4；车轮11通过轴承连接在轮椅支撑架10上，轮椅靠背1的两侧还可以设置扶手7。
所述的轮椅控制机构包括控制器和执行机构；其中所述的数据采集单元的输出端与控制器连接，控制器根据数据采集单元采集的信号进行数据处理，输出控制指令给执行机构；执行机构包括用于控制轮椅靠背1相对轮椅坐板2成90度到180度之间摆动的第一执行机构，和用于控制轮椅支撑腿3相对轮椅坐板2成90度到180度之间摆动的第二执行机构。第一执行机构包括轮椅靠背1与轮椅坐板2之间的第一转动轴5、连接在轮椅靠背1和轮椅支撑架10之间的第一电缸8、以及电缸驱动机构。第二执行机构包括轮椅坐板2与轮椅支撑腿3之间的第二转动轴6、连接在轮椅支撑腿3和轮椅支撑架10之间的第二电缸9。
如图4所示，所述的人体状态信息采集模块包括坐板压力传感器13-16、靠背压力传感器12、轮椅支撑腿压力传感器17-19。坐板压力传感器包括4个均布在坐板上的第一坐板压力传感器13、第二坐板压力传感器14、第三坐板压力传感器15和第四坐板压力传感器16，所采集的压力值分别对应为F1、F2、F3、F4；靠背压力传感器12设置在靠背的中间，采集的压力值为F；轮椅支撑腿压力传感器包括设置在踏板4上的左踏板压力传感器17和右踏板压力传感器18，采集的压力值分别对应为为F5、F6。
轮椅状态信息采集模块包括：轮椅支撑腿角度传感器和靠背角度传感器。轮椅支撑腿3与轮椅支撑架10初始状态为相互垂直，设此时轮椅支撑腿角度传感器采集的角度αn为0度，轮椅支撑腿3与轮椅支撑架10在同一直线上时αn为90度。轮椅靠背1与轮椅坐板2初始状态为相互垂直，设此时靠背角度传感器采集的角度αm为0度，轮椅靠背1与轮椅坐板2在同一直线上时αm为90度。
一种所述的结构可调轮椅的智能调控装置实现的智能调控方法，如图3所示，它包括：
参数设置，设置康复训练时间阈值T0、轮椅使用者任意状态保持的阈值时间T1、轮椅任意状态保持时间T2；以上参数可根据轮椅使用者的身体状态、训练承受能力等，由护理人员进行设置。
模式选择：所述的模式包括轮椅人体状态调整模式和下肢训练模式；通常是通过指令输入选择模式；若长时间没有进行指令输入，例如当轮椅使用者在任意状态保持的时间达到T1，也可以自动进入轮椅人体状态调整模式；还可以根据往常的训练记录，或者护理人员对训练时间进行预约，到达预约的时间即进行下肢训练模式。
当选择轮椅人体状态调整模式时，对采集的人体状态信息和轮椅状态信息进行处理，判断人体和轮椅分别所处的状态，分别记录人体当前状态所保持的时间T3、和轮椅当前状态所保持的时间T4，当T3≥T1或者T4≥T2时，发出提示指令，在收到输入的确认指令后输出对应的轮椅状态调整指令，给所述的执行机构。调整到位后，返回模式选择。
人体状态判断的具体方法如图5所示：首先进行数据预处理，压电传感器进行滤波，A/D转换，计算各压力值。记P1＝F1-F2；P2＝F2-F3；P3＝F3-F4；P4＝F4-F1，fm(m∈N*)为判断人体状态的阈值，所述的人体状态包括左倾，前倾，右倾，靠背，平躺，坐直六种。确保安全，需要把腿放在踏板4上，则F5、F6均需要大于零。当人体左、右倾时，人体此时没有靠在后背，此时靠背力F的值为零；前倾时，因为F1，F2值变大，P4大于一定的阈值f5,P2的阈值大于f6；靠背时，因为F3，F4值变大，P4阈值分别为-f5,且P2的阈值-f6,其中负号表示符号；坐直时，坐垫四个力对称承受近似相同，且后背压力为零。平躺时，此时靠背力F的最小阈值为f7。
轮椅状态判断的具体方法如图6所示，对角度传感器进行滤波，A/D转换，计算角度传感器αm,αn值大小。轮椅的状态包括：坐直、靠背及腿部支撑、平躺三种。当αm＝αn＝90°，表示的直坐状态；0°＜αm＝αn＜90°时，轮椅表示的状态时靠背倾斜，此时人体可以自动选择轮椅靠背与腿部支撑的角度大小；αm＝αn＝0°且靠背压力值F≥f7时，表示的是平躺状态。
若长时间没有进行指令输入，自动进入轮椅人体状态调整模式，或者发出提示指令后长时间没有收到确认指令，则根据预设的调整顺序进行自动轮换调整，如图7所示，在轮椅进行调整时，当轮椅使用者没有确认调整哪一种情况时，默认的调整对应方式为坐直→靠背→平躺→靠背→坐直。
当选择下肢训练模式时，确认轮椅支撑腿3上是否有压力信号，本实施例中确认踏板4上有没有压力信号，即判断腿是否准确的放置好，若无则提示，若有则开始下肢训练，即按一定的频率摆动轮椅支撑腿，摆动频率可以自行设置，直至达到康复训练时间阈值T0，记录当前时刻对应的人体状态和轮椅状态，可以为以后的训练提供数据参考，退出下肢训练模式并返回模式选择。
本发明可采用市场上已有的结构可调的轮椅，避免了轮椅的重新设计，缩短设计周期。面向不同的轮椅使用者，任意选择人体信息采集处理模块和轮椅状态信息采集处理模块，提高了系统的适应性，同时有助于降低产品的价格。结合使用者身体状态和健康康复训练要求，自主规划设计轮椅的状态模式，实现轮椅状态的自动调整，提高轮椅使用者的坐姿舒适度，降低了对看护人员的依赖，有利于增强轮椅使用者的自理能力和信心。监测轮椅状态和人体状态，语音提示纠正不良坐姿,并根据用户历史记录，根据某种人体状态，推荐轮椅状态，预防久坐带来不良的影响。根据轮椅使用者设置轮椅调整时间，状态保持时间，腿部下肢训练时间，可以自适应根据需求自动的调整轮椅。
以上实施例仅用于说明本发明的设计思想和特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，本发明的保护范围不限于上述实施例。所以，凡依据本发明所揭示的原理、设计思路所作的等同变化或修饰，均在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种结构可调轮椅的智能调控装置，包括轮椅本体和轮椅控制机构，其特征在于：还包括数据采集单元，数据采集单元包括人体状态信息采集模块、轮椅状态信息采集模块和指令输入模块；
所述的轮椅本体包括轮椅支撑架、固定在轮椅支撑架上的轮椅坐板、与轮椅坐板摆动连接的轮椅靠背、以及位于轮椅支撑架侧向摆动连接的轮椅支撑腿；
所述的轮椅控制机构包括控制器和执行机构；其中所述的数据采集单元的输出端与控制器连接，控制器根据数据采集单元采集的信号进行数据处理，输出控制指令给执行机构；执行机构包括用于控制轮椅靠背相对轮椅坐板成90度到180度之间摆动的第一执行机构，和用于控制轮椅支撑腿相对轮椅坐板成90度到180度之间摆动的第二执行机构。
2.根据权利要求1所述的结构可调轮椅的智能调控装置，其特征在于：所述的第一执行机构包括轮椅靠背与轮椅坐板之间的转动轴、连接在轮椅靠背和轮椅支撑架之间的电缸、以及电缸驱动机构。
3.根据权利要求1所述的结构可调轮椅的智能调控装置，其特征在于：所述的人体状态信息采集模块包括坐板压力传感器、靠背压力传感器和轮椅支撑腿压力传感器。
4.根据权利要求1所述的结构可调轮椅的智能调控装置，其特征在于：所述的轮椅状态信息采集模块包括：轮椅支撑腿角度传感器和靠背角度传感器。
5.根据权利要求1所述的结构可调轮椅的智能调控装置，其特征在于：所述的指令输入模块包括语音输入模块和键盘输入模块。
6.一种利用权利要求1所述的结构可调轮椅的智能调控装置实现的智能调控方法，其特征在于：它包括：
参数设置，设置康复训练时间阈值T0、轮椅任意状态保持时间T2；
模式选择：通过指令输入选择模式，所述的模式包括轮椅人体状态调整模式和下肢训练模式；
当选择轮椅人体状态调整模式时，对采集的人体状态信息和轮椅状态信息进行处理，判断人体和轮椅分别所处的状态，分别记录人体当前状态所保持的时间T3、和轮椅当前状态所保持的时间T4，当T3≥T1或者T4≥T2时，发出提示指令，在收到输入的确认指令后输出对应的轮椅状态调整指令，给所述的执行机构；
当选择下肢训练模式时，确认轮椅支撑腿上是否有压力信号，若无则提示，若有则按一定的频率摆动轮椅支撑腿，直至达到康复训练时间阈值T0，记录当前时刻对应的人体状态和轮椅状态，退出下肢训练模式并返回模式选择。
7.根据权利要求6所述的智能调控方法，其特征在于：参数设置还包括设置轮椅使用者任意状态保持的阈值时间T1；
所述的模式选择步骤中，当轮椅使用者在任意状态保持的时间达到T1，则自动进入轮椅人体状态调整模式。
8.根据权利要求6或7所述的智能调控方法，其特征在于：所述的轮椅状态包括坐直、靠背及腿部支撑、平躺三种。
9.根据权利要求6或7所述的智能调控方法，其特征在于：所述的人体状态包括左倾，前倾，右倾，靠背，平躺，坐直六种。
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