CN108992262B - 一种轮椅座椅自动调平的装置及控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种轮椅座椅自动调平的装置，包括座椅、内环结构、外环结构、底盘、主控板、陀螺仪传感器、第一/二伺服推杆电机、扶手和摇杆控制器。一种轮椅座椅自动调平的装置的控制方法，包括(1)、初始化主控板；(2)、初始化定时器；(3)、初始化陀螺仪传感器；(4)、进行姿态检测并将数据发给主控板；(5)、判断座椅是否水平；(6)、判断座椅的俯仰方向是否水平；(7)、判断座椅的横滚方向是否水平；(8)、计算第二伺服推杆电机伸缩量并控制第二伺服推杆电机完成动作；(9)、计算第一伺服推杆电机伸缩量并控制第一伺服推杆电机完成动作；(10)、计算第一/二伺服推杆电机伸缩量并控制第一/二伺服推杆电机完成动作。
Description
技术领域
本发明属于控制领域，具体涉及一种轮椅座椅自动调平的装置及控制方法。
背景技术
随着社会老龄化进程的加快，每年有数以万计的老人因行动不便开始以轮椅作为主要的代步工具。现有市场上的轮椅样式繁多，但都存在功能单一，传统手动轮椅需要人力推行并且无法调节座椅使其水平。而现有的有些电动轮椅虽然能做到座椅前后水平的调整，但是不能调整轮椅在倾斜路面上座椅左右方向的水平调整。
中国实用新型专利，公开号CN205515257U，公开了一种与爬坡机配套的轮椅坐板水平保持装置，通过轮椅托架倾角调节机构的正反转，驱动一对转轮正反转，带动轮椅托架前后转动，实现轮椅托架的底架俯仰角的调整，使搁置在轮椅托架上的坐板基本保持水平状态，则轮椅的坐板无论是平地行驶还是上下坡，都可以调节至5±1度的角度。但是上述专利的不足之处是需要他人帮助或自行摇动摇把或扳动扳杆进行调节。
中国实用新型专利，公开号CN205198310U，公开了一种智能座椅，包括行走机构、升降机构及座椅，所述升降机构设于行走机构上，所述升降机构上设有随动机构，随动机构的下部与升降机构上部活动连接，座椅设于随动机构上；所述升降机构上设有推拉部件，推拉部件与随动机构活动连接，推拉部件推拉随动机构转动；所述推杆电机连接控制器，控制器连接设于随动机构上的水平传感器。
但是上述两专利均存在以下不足之处：
1.不能多方向调节轮椅座椅
现有技术都只是调节轮椅座椅的俯仰，没有调节横滚的，所以现有技术就只能在一个方向对轮椅座椅的姿态进行调节。
2.不能在两个方向自主调平
现有技术的轮椅只能自动或手动在俯仰方向对轮椅座椅姿态进行调节，不能在两个方向实现自主调平。
发明内容
发明目的：本发明针对上述现有技术存在的问题做出改进，即本发明的第一个目的在于公开一种轮椅座椅自动调平的装置。本发明的第二个目的在于公开了一种轮椅座椅自动调平的装置的控制方法。
技术方案：一种轮椅座椅自动调平的装置，包括
座椅，包括靠背，座椅整体呈L型；
内环结构，其一侧与座椅的底侧通过螺栓固接；
外环结构,其顶侧通过销轴与内环结构的底侧相连；
底盘，其与外环结构的底侧通过销轴固定连接；
主控板，固设于底盘上；
陀螺仪传感器，固设于内环结构上，陀螺仪传感器通过IIC接口与主控板相连，用于实时检测座椅与水平面之间的俯仰角α和横滚角β，并将测出的角度数据实时传给主控板；
第一伺服推杆电机，其底部固设于底盘，第一伺服推杆电机的推杆顶部与外环结构的外环结构支撑点通过销轴相连，用于驱动外环结构围绕外环结构旋转点做俯仰动作，调节座椅的俯仰角α；
第二伺服推杆电机，其底部与外环结构通过销轴连接，第二伺服推杆电机随外环结构运动而被动运动，第二伺服推杆电机的推杆顶部与内环结构的内环结构支撑点通过销轴相连，用来驱动内环结构围绕内环结构旋转点做横滚运动，调节座椅的横滚角β；
两个扶手，通过螺丝安装于座椅的靠背的两侧；
摇杆控制器，通过螺丝固定于一扶手上，摇杆控制器的输出端与主控板的输入端相连。
进一步地，主控板为型号为STM32F103C8T6的32位单片机。
进一步地，陀螺仪传感器的型号为MPU6050。
进一步地，主控板通过螺丝连接的方式固设于底盘上。
进一步地，陀螺仪传感器通过螺丝连接的方式固设于内环结构上。
进一步地，所述主控板中设有定时器。
一种轮椅座椅自动调平的装置的控制方法，包括以下步骤：
(1)、初始化主控板，完成后进入步骤(2)；
(2)、初始化定时器，完成后进入步骤(3)；
(3)、初始化陀螺仪传感器，完成后进入步骤(4)；
(4)、陀螺仪传感器对轮椅的座椅进行姿态检测，并将检测数据发送给主控板，进入步骤(5)；
(5)、主控板根据接收到检测数据判断座椅是否水平，若座椅水平，进入步骤4；否则，进入步骤(6)；
(6)、判断座椅的俯仰方向是否水平，若座椅俯仰方向水平，转步骤(8)；否则，转步骤(7)；
(7)、判断座椅的横滚方向是否水平，若横滚方向水平，转步骤(9)；否则，转步骤10；
(8)、计算第二伺服推杆电机的伸缩量，并控制第二伺服推杆电机完成动作，动作完成后，转步骤(4)，其中第二伺服推杆电机的伸缩量d2按下式计算：
d2＝I2sinβ；
I2为第二伺服推杆电机的推杆顶点到内环结构支撑点的距离；
(9)、计算第一伺服推杆电机的伸缩量，并控制第一伺服推杆电机完成动作，动作完成后，转步骤(4)，其中第一伺服推杆电机的伸缩量d1按下式计算：
d1＝I1sinα；
I1为第一伺服推杆电机的推杆顶点到外环结构支撑点的距离；
(10)、计算第一/二伺服推杆电机的伸缩量，并控制第一/二伺服推杆电机完成动作，动作完成后，转步骤(4)，其中：
计算第一/二伺服推杆电机的伸缩量的公式与步骤(9)、步骤(8)中的计算公式相同。
进一步地，步骤(4)中的检测数据包括俯仰角α和横滚角β。
进一步地，步骤(5)中主控板根据接收到检测数据，判断座椅在俯仰方向和横滚方向是否皆水平。
有益效果：本发明公开的一种轮椅座椅自动调平的装置及控制方法具有以下有益效果：
1.轮椅处于上下坡或斜坡时自动调平座椅，重心也相应调整，提高了整体的安全性；
2.姿态调整不需要人工干预，可以自主调节；
3.轮椅座椅可以多方向调节
座椅不仅能调节俯仰，还能调节横滚，有效解决轮椅座椅只能单方向调节的问题；
4.可以适应多种地形
因为加入了俯仰角和横滚角两个方向的调节，使得轮椅不仅能在上下坡使用还能在斜坡上使用。
附图说明
图1为带有本发明公开的一种轮椅座椅自动调平的装置的轮椅结构示意图；
图2为本发明公开的一种轮椅座椅自动调平的装置的俯仰角检测示意图；
图3为本发明公开的一种轮椅座椅自动调平的装置的横滚角检测示意图；
图4a为本发明公开的一种轮椅座椅自动调平的装置的俯视图；
图4b为本发明公开的一种轮椅座椅自动调平的装置的后视图；
图4c为本发明公开的一种轮椅座椅自动调平的装置的左视图；
图4d为本发明公开的一种轮椅座椅自动调平的装置的斜视图；
图5为本发明公开的一种轮椅座椅自动调平的装置的原理示意图；
图6为本发明公开的一种轮椅座椅自动调平的装置的控制方法的控制流程图；
其中：
1-主控板 2-第一伺服推杆电机
3-外环结构 4-座椅
5-内环结构 6-第二伺服推杆电机
7-陀螺仪传感器 8-底盘
9-扶手 10-摇杆控制器
11-外环结构支撑点 12-外环结构旋转点
13-内环结构旋转点 14-内环结构支撑点
具体实施方式：
下面对本发明的具体实施方式详细说明。
如图1～图3、图4a～图4d所示，一种轮椅座椅自动调平的装置，包括
座椅4，包括靠背，座椅4整体呈L型；
内环结构5，其一侧与座椅4的底侧通过螺栓固接；
外环结构3,其顶侧通过销轴与内环结构5的底侧相连；
底盘8，其与外环结构3的底侧通过销轴固定连接；
主控板1，固设于底盘8上；
陀螺仪传感器7，固设于内环结构5上，陀螺仪传感器7通过IIC接口与主控板1相连，用于实时检测座椅4与水平面之间的俯仰角α和横滚角β，并将测出的角度数据实时传给主控板1；
第一伺服推杆电机2，其底部固设于底盘8，第一伺服推杆电机2的推杆顶部与外环结构3的外环结构支撑点11通过销轴相连，用于驱动外环结构3围绕外环结构旋转点12做俯仰动作，调节座椅4的俯仰角α；
第二伺服推杆电机6，其底部与外环结构3通过销轴连接，第二伺服推杆电机6随外环结构3运动而被动运动，第二伺服推杆电机6的推杆顶部与内环结构5的内环结构支撑点14通过销轴相连，用来驱动内环结构5围绕内环结构旋转点13做横滚运动，调节座椅4的横滚角β；
两个扶手9，通过螺丝安装于座椅4的靠背的两侧；
摇杆控制器10，通过螺丝固定于一扶手9上，摇杆控制器10的输出端与主控板1的输入端相连。
进一步地，主控板1为型号为STM32F103C8T6的32位单片机。
进一步地，陀螺仪传感器7的型号为MPU6050。
进一步地，主控板1通过螺丝连接的方式固设于底盘8上。
进一步地，陀螺仪传感器7通过螺丝连接的方式固设于内环结构5上。
进一步地，主控板1中设有定时器。
图5和图6所示，一种轮椅座椅自动调平的装置的控制方法，包括以下步骤：
(1)、初始化主控板，完成后进入步骤(2)；
(2)、初始化定时器，完成后进入步骤(3)；
(3)、初始化陀螺仪传感器，完成后进入步骤(4)；
(4)、陀螺仪传感器对轮椅的座椅进行姿态检测，并将检测数据发送给主控板，进入步骤(5)；
(5)、主控板根据接收到检测数据判断座椅是否水平，若座椅水平，进入步骤4；否则，进入步骤(6)；
(6)、判断座椅的俯仰方向是否水平，若座椅俯仰方向水平，转步骤(8)；否则，转步骤(7)；
(7)、判断座椅的横滚方向是否水平，若横滚方向水平，转步骤(9)；否则，转步骤10；
(8)、计算第二伺服推杆电机的伸缩量，并控制第二伺服推杆电机完成动作，动作完成后，转步骤(4)，其中第二伺服推杆电机的伸缩量d2按下式计算：
d2＝I2sinβ；
I2为第二伺服推杆电机的推杆顶点到内环结构支撑点的距离；
(9)、计算第一伺服推杆电机的伸缩量，并控制第一伺服推杆电机完成动作，动作完成后，转步骤(4)，其中第一伺服推杆电机的伸缩量d1按下式计算：
d1＝I1sinα；
I1为第一伺服推杆电机的推杆顶点到外环结构支撑点的距离；
(10)、计算第一/二伺服推杆电机的伸缩量，并控制第一/二伺服推杆电机完成动作，动作完成后，转步骤(4)，其中：
计算第一/二伺服推杆电机的伸缩量的公式与步骤(9)、步骤(8)中的计算公式相同。
进一步地，步骤(4)中的检测数据包括俯仰角α和横滚角β。
进一步地，步骤(5)中主控板根据接收到检测数据，判断座椅在俯仰方向和横滚方向是否皆水平。
一种轮椅座椅自动调平的装置的自主调整功能及过程说明如下：
该轮椅座椅自动调平的装置用到陀螺仪传感器、主控板、第一/二伺服推杆电机等，陀螺仪传感器装在座椅的底部，用来测出轮椅与水平面之间的夹角数据，轮椅的脚踏和座椅是一体的，座椅有双层结构，底层结构用第一伺服推杆电机驱动，调整轮椅座椅的俯仰角。上层结构是固定在底层结构之上，利用第二伺服推杆电机驱动，调整轮椅的横滚角。在两个伺服推杆电机联动的情况下可以实现在几个自由度对轮椅座椅姿态的调整。
使用时，当电动轮椅在上坡时，座椅俯仰角发生变化，陀螺仪传感器就可以传递角度数据给主控板，主控板通过控制第一伺服推杆电机的推杆向下运动，第二伺服推杆电机的推杆不动，而座椅不发生相对位移，直至陀螺仪传感器测得的角度处于合适的区间之间，与此同时，也调整了轮椅的重心位置，使得上坡过程中座椅的重心前移，这样就避免了上坡时重心向后倾倒的趋势。
使用时，当电动轮椅在下坡时，座椅俯仰角发生变化，陀螺仪传感器就可以传递角度数据给主控板，主控板通过控制第一伺服推杆电机的推杆向上运动，第二伺服推杆电机的推杆不动，而座椅不发生相对位移，直至陀螺仪传感器测得的角度处于合适的区间之间，与此同时，也调整了轮椅的重心位置，使得下坡过程中座椅的重心后移，这样就避免了下坡时重心向前倾倒的趋势。
使用时，当电动轮椅处在斜坡时，座椅横滚角发生变化，陀螺仪传感器就可以传递角度数据给主控板，主控板通过控制第一伺服推杆电机的推杆不动，第二伺服推杆电机的推杆向下/上运动，直至陀螺仪传感器测得的角度处于合适的区间之间，保证座椅在左右方向上可以自主调平。
上面对本发明的实施方式做了详细说明。但是本发明并不限于上述实施方式，在所属技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。
Claims (7)
1.一种轮椅座椅自动调平的装置，座椅包括靠背，座椅整体呈L型，其特征在于，所述轮椅座椅自动调平的装置包括：
内环结构，其一侧与座椅的底侧通过螺栓固接；
外环结构,其顶侧通过销轴与内环结构的底侧相连；
底盘，其与外环结构的底侧通过销轴固定连接；
主控板，固设于底盘上；
陀螺仪传感器，固设于内环结构上，陀螺仪传感器通过IIC接口与主控板相连，用于实时检测座椅与水平面之间的俯仰角α和横滚角β，并将测出的角度数据实时传给主控板；
第一伺服推杆电机，其底部固设于底盘，第一伺服推杆电机的推杆顶部与外环结构的外环结构支撑点通过销轴相连，用于驱动外环结构围绕外环结构旋转点做俯仰动作，调节座椅与水平面之间的俯仰角α；
第二伺服推杆电机，其底部与外环结构通过销轴连接，第二伺服推杆电机随外环结构运动而被动运动，第二伺服推杆电机的推杆顶部与内环结构的内环结构支撑点通过销轴相连，用来驱动内环结构围绕内环结构旋转点做横滚运动，调节座椅与水平面之间的横滚角β；
两个扶手，通过螺丝安装于座椅的靠背的两侧；
摇杆控制器，通过螺丝固定于一扶手上，摇杆控制器的输出端与主控板的输入端相连。
2.根据权利要求1所述的一种轮椅座椅自动调平的装置，其特征在于，主控板通过螺丝连接的方式固设于底盘上。
3.根据权利要求1所述的一种轮椅座椅自动调平的装置，其特征在于，陀螺仪传感器通过螺丝连接的方式固设于内环结构上。
4.根据权利要求1所述的一种轮椅座椅自动调平的装置，其特征在于，所述主控板中设有定时器。
5.一种权利要求4所述的轮椅座椅自动调平的装置的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)、初始化主控板，完成后进入步骤(2)；
(2)、初始化定时器，完成后进入步骤(3)；
(3)、初始化陀螺仪传感器，完成后进入步骤(4)；
(4)、陀螺仪传感器对轮椅的座椅进行姿态检测，并将检测数据发送给主控板，进入步骤(5)；
(5)、主控板根据接收到检测数据判断座椅是否水平，若座椅水平，进入步骤(4)；否则，进入步骤(6)；
(6)、判断座椅的俯仰方向是否水平，若座椅俯仰方向水平，转步骤(8)；否则，转步骤(7)；
(7)、判断座椅的横滚方向是否水平，若横滚方向水平，转步骤(9)；否则，转步骤(10)；
(8)、计算第二伺服推杆电机的伸缩量，并控制第二伺服推杆电机完成动作，动作完成后，转步骤(4)，其中第二伺服推杆电机的伸缩量d2按下式计算：
d2＝I2sinβ，其中：
β为座椅与水平面之间的横滚角；
I2为第二伺服推杆电机的推杆顶点到内环结构支撑点的距离；
(9)、计算第一伺服推杆电机的伸缩量，并控制第一伺服推杆电机完成动作，动作完成后，转步骤(4)，其中第一伺服推杆电机的伸缩量d1按下式计算：
d1＝I1sinα，其中：
α为座椅与水平面之间的俯仰角；
I1为第一伺服推杆电机的推杆顶点到外环结构支撑点的距离；
(10)、计算第一伺服推杆电机和第二伺服推杆电机的伸缩量，并控制第一伺服推杆电机和第二伺服推杆电机完成动作，动作完成后，转步骤(4)，其中：
计算第一伺服推杆电机和第二伺服推杆电机的伸缩量的公式与步骤(9)、步骤(8)中的计算公式相同。
6.根据权利要求5所述的一种轮椅座椅自动调平的装置的控制方法，其特征在于，步骤(4)中的检测数据包括座椅与水平面之间的俯仰角α和座椅与水平面之间的横滚角β。
7.根据权利要求5所述的一种轮椅座椅自动调平的装置的控制方法，其特征在于，步骤(5)中主控板根据接收到检测数据，判断座椅在俯仰方向和横滚方向是否皆水平。
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