CN109199802B - 辅助行走车及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供的辅助行走车及其控制方法，在老人辅助行走车的轮上加上电机驱动，来帮助老人来推动辅助车，上坡的时候老人不需要很大的力气去推车，下坡的时候也不需要老人用很大的力气拽车，可以通过智能检测提供不同助力，便于辅助行走车适应不同走路场景，满足用户多种场合的需要，进一步地，本发明的辅助行走车还能在老人突然有跌倒时起到一定的支持作用。

Description

辅助行走车及其控制方法

技术领域

本发明涉及电机控制在辅助类型车辆应用领域，特别涉及一种辅助行走车及其控制方法。

背景技术

随着社会发展，人类寿命越来越长，且受生育思想的影响，导致社会老龄化愈加明显。老人年纪大了，腿脚不便，需要一些辅助工具来帮助行走，简单的就是拐杖，比较高级的有电动轮椅。

电动轮椅虽然方便，但是一旦老人依赖上轮椅，腿部的肌肉更加缺乏锻炼，这是对健康更不利。还有类似于三角梯之类的辅助工具，老人每走一步都要先挪动这个“三角梯”，这个非常麻烦，还耗体力。还有小手推车，老人推着走，可以起一定的支撑辅助作用，还可以帮老人承载一定重物，老人累了还可以坐在手推车内，这个比较受欢迎。缺点是小车是轮式的，前后向支撑不够好，还有在上下坡时不方便。上坡需要花力气推车，下坡需要花力气去拽住车。

发明内容

有鉴于此，本发明实施例提供了一种辅助行走车及其控制方法，可以实现辅助行走的智能控制，使用不同走路场景，满足用户需要。

第一方面，本发明提供一种辅助行走车，包括：

车把；

承载装置；

设置在所述承载装置上用于安装所述车把的连杆；

设置在所述承载装置底部的安装架；

所述安装架末端安装有驱动轮；

用于提供电能的储能单元；

用于提供控制信号的控制器，

用于检测车体的前后倾角的姿态检测组件，所述姿态检测组件、所述驱动轮、所述储能单元分别与所述控制器电连接；

所述控制器用于在所述姿态检测组件检测结果为水平状态时以第一驱动力控制驱动轮，在所述姿态检测组件检测结果为仰起状态时以第二驱动力控制驱动轮，在所述姿态检测组件检测结果为俯下状态时以第三驱动力控制驱动轮，其中所述第三驱动力小于所述第一驱动力，所述第一驱动力小于第二驱动力。

可选地，所述储能单元为电池，所述动力电池与所述控制器可拆卸连接，所述动力电池设置在所述承载装置底部。

可选地，所述承载装置包括座椅、用于检测座椅上承受压力数值的压力计以及支撑架，所述压力计设置在所述座椅和所述支撑架之间。

可选地，所述安装架具有两个前轮和两个后轮，所述两个后轮为所述驱动轮。

可选地，所述连杆为可伸缩连杆，所述可伸缩连杆上设有用于高度调整完成后锁住连杆的锁紧组件。

可选地，所述连杆为电动可伸缩连杆，所述电动可伸缩连杆与所述储能单元电连接。

可选地，所述控制器还具有开关，所述开关具有关机、前进辅助和后退辅助三档。

可选地，所述驱动轮上设有用于检测转速的霍尔传感器，当转速达到一定阈值时所述控制器控制所述驱动轮制动。

第二方面，本发明还提供一种辅助行走车的控制方法，应用于如上述的辅助行走车，所述方法包括：

获取所述辅助行走车的姿态数据；

根据所述姿态数据确定施加在所述辅助行走车的驱动轮上的驱动力大小。

可选地，所述根据所述姿态数据确定施加在所述辅助行走车的驱动轮上的驱动力大小，包括：

当所述姿态数据为水平状态时以第一驱动力控制驱动轮；

当所述姿态数据为仰起状态时以第二驱动力控制驱动轮；

当所述姿态数据为俯下状态时以第三驱动力控制驱动轮，其中所述第三驱动力小于所述第一驱动力，所述第一驱动力小于第二驱动力；

当检测到加速度超过预设阈值时进行制动。

从以上技术方案可以看出，本发明实施例具有以下优点：

在老人辅助行走车的轮上加上电机驱动，来帮助老人来推动辅助车，上坡的时候老人不需要很大的力气去推车，下坡的时候也不需要老人用很大的力气拽车，可以通过智能检测提供不同助力，便于辅助行走车适应不同走路场景，满足用户多种场合的需要。

进一步地，本发明的辅助行走车还能在老人突然有跌倒时起到一定的支持作用。

附图说明

图1是本发明实施例中的辅助行走车的结构示意图；

图2是本发明实施例中的辅助行走车在斜披上的受力示意图；

图3是本发明实施例中的辅助行走车的控制方法的流程图。

附图标记：车把1，开关11，连杆2，承载装置3，姿态检测组件31，储能单元32，控制器33，驱动轮4，安装架5。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的实施例能够以除了在这里图示或描述的内容以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

结合图1所示，本发明的一种实施例提供一种辅助行走车，包括：

车把1；

承载装置3；

设置在所述承载装置上用于安装所述车把的连杆2；

设置在所述承载装置3底部的安装架5；

所述安装架末端安装有驱动轮4；

用于提供电能的储能单元32；

用于提供控制信号的控制器33，

用于检测车体的前后倾角的姿态检测组件31，所述姿态检测组件31、所述驱动轮4、所述储能单元32分别与所述控制器33电连接；

所述控制器33用于在所述姿态检测组件31检测结果为水平状态时以第一驱动力控制驱动轮4，在所述姿态检测组件31检测结果为仰起状态时以第二驱动力控制驱动轮4，在所述姿态检测组件31检测结果为俯下状态时以第三驱动力控制驱动轮4，其中所述第三驱动力小于所述第一驱动力，所述第一驱动力小于第二驱动力。

本发明提供的辅助行走车，在老人辅助行走车的轮上加上电机驱动，来帮助老人来推动辅助车，上坡的时候老人不需要很大的力气去推车，下坡的时候也不需要老人用很大的力气拽车，可以通过智能检测提供不同助力，便于辅助行走车适应不同走路场景，满足用户多种场合的需要，进一步地，本发明的辅助行走车还能在老人突然有跌倒时起到一定的支持作用。

姿态检测组件31可以采用陀螺仪，用于检测车体前后倾角，通过检测陀螺仪与辅助行走车之间的角度可以确定辅助行走车的姿态，如在水平路面、上坡或下坡，陀螺仪与辅助行走车之间的角度数据是不相同的。

本发明采用直流无刷电机作为驱动轮4的驱动电机，使用霍尔信号检测速度。

可选地，所述储能单元为电池，所述动力电池与所述控制器可拆卸连接，所述动力电池设置在所述承载装置底部。

可选地，所述承载装置包括座椅、用于检测座椅上承受压力数值的压力计以及支撑架，所述压力计设置在所述座椅和所述支撑架之间，压力计可以测量放置在座位上的物体的重量。

可选地，所述安装架5具有两个前轮和两个后轮，所述两个后轮为所述驱动轮4，采用直流无刷电机作为轮子的驱动电机，使用霍尔信号检测速度。

可选地，所述连杆2为可伸缩连杆，所述可伸缩连杆上设有用于高度调整完成后锁住连杆的锁紧组件，通过调整连杆的高度可以方便不同身高的用户使用，使得设计更人性化，提升用户的使用体验。

可选地，所述连杆2为电动可伸缩连杆，所述电动可伸缩连杆与所述储能单元32电连接，通过调整连杆的高度可以方便不同身高的用户使用，使得设计更人性化，提升用户的使用体验。

可选地，所述控制器33还具有开关11，所述开关11具有关机、前进辅助和后退辅助三档，车子的开关设计在车把处，方便老人开关，驱动轮有手动锁死，锁死后会有信号给与控制器，电机不输出辅助力，三相短接。

可选地，所述驱动轮4上设有用于检测转速的霍尔传感器，使用霍尔信号检测速度，当转速达到一定阈值时所述控制器33控制所述驱动轮4制动。

结合图2所示，针对辅助行走车的使用提供应用场景，便于对本发明的技术方案加以了解。

辅助行走车启动后，控制器33开始工作，驱动电机，使用PWM方式模拟调节控制电机的母线电压。给与一定的驱动电压之后，目的是让电机输出一个转矩，核算力矩是一个稍稍小于能使车子动起来的力。这样老人在推车子前进时，只需要很小的力就能推动车子前进。

当车子平地空载时，此电压值通过实测获得，即为电压a,设车体重量为mg，此电压施加到电机上形成的水平方向力用于克服摩擦力，由此计算一个摩擦力克服系数factor0＝a/mg。由电机参数和轮子参数，可以计算出电机抱死时，电压与水平方向输出力的关系因子factor1。当车子的座位上有负载或者车子前后倾角不为0时，此驱动电压需要改变。当老人将重物放置在座位上时，压力计测得值为F0。设此时车体在坡上，陀螺仪测得车体倾角为θ。则此重物重力应为F0/cosθ，重物引起的沿坡方向分力为F0*tanθ。车体本身沿坡重力分量为mg*sinθ,车体本身垂直坡重力分量mg*cosθ。则车体上坡时电压给与(F0*tanθ+mg*sinθ)*factor1+(F0+mg*cosθ)*factor0，车体下坡时电压给与(F0*tanθ+mg*sinθ)*factor1-(F0+mg*cosθ)*factor0。

本发明中，通过PWM占空比来供给电机的电压，在占空比的高电平期间，根据霍尔信号来开通相应的上桥臂和下桥臂，在占空比的低电平期间，关断所有桥臂，避免反电动势形成反向电流起到制动作用。

本发明中电机辅助都是以力的大小来衡量的，但是电机的控制并不使用电流闭环控制。在PWM恒定的条件下，PWM占空比的高电平期间，车子被推的越快，反电动势越大，那么电流越小，电机形成辅助输出的力就越小，这是因为辅助车的目的是给老人使用，不推荐快速的运动，本发明中推的越快，辅助力就越小。而且一般静摩擦力是大于动摩擦力，如果使用电流闭环，可能导致推起来之后不用推也停不下来。再有如果使用电流闭环，所需的驱动电流是很小的，采集电流反馈的噪声对控制也很不利。

本发明使用霍尔信号来评估电机速度，当电机速度变化量过大时，即认为有老人倾倒危险，此时不再给电机驱动电压，而且短接电机UVW，利用反电动势产生电流来制动，此时通过配置的扩音器可以给出循环的语音提示。使用者需要关机再开机来恢复使用。

本发明中以上说明都是预设给与向前行进的辅助力，当使用者将开关拨至后向辅助时，给与电压的计算公式变化，克服摩擦力的部分的计算符号变化。车体上坡时电压给与(F0*tanθ+mg*sinθ)*factor1-(F0+mg*cosθ)*factor0，车体下坡时电压给与(F0*tanθ+mg*sinθ)*factor1+(F0+mg*cosθ)*factor0。

辅助行走车开机之后，假设处于平地上，陀螺仪测量倾角为0。车上载有使用者个人物品，压力计侧得F0，则给与电机电压(F0+mg)*factor0。此时车子未动，使用者推动车子，车子前进。控制器通过电机霍尔信号变化检测车子速度，同时计算加速度，当使用者有向前跌倒动作时，由于使用者前倾会导致车子突然加速，控制器监测到加速度大于设定值，将电机UVW三相短接，利用反向电动势制动，保护用户的安全。

结合图3所示，对应地，本发明还提供一种辅助行走车的控制方法，应用于如上述的辅助行走车，所述方法包括：

S301、获取所述辅助行走车的姿态数据；

S302、根据所述姿态数据确定施加在所述辅助行走车的驱动轮上的驱动力大小。

进一步地，所述S302中，根据所述姿态数据确定施加在所述辅助行走车的驱动轮上的驱动力大小，包括：

当所述姿态数据为水平状态时以第一驱动力控制驱动轮；

当所述姿态数据为仰起状态时以第二驱动力控制驱动轮；

当所述姿态数据为俯下状态时以第三驱动力控制驱动轮，其中所述第三驱动力小于所述第一驱动力，所述第一驱动力小于第二驱动力；

当检测到加速度超过预设阈值时进行制动。

在老人辅助行走车的轮上加上电机驱动，来帮助老人来推动辅助车，上坡的时候老人不需要很大的力气去推车，下坡的时候也不需要老人用很大的力气拽车，可以通过智能检测提供不同助力，便于辅助行走车适应不同走路场景，满足用户多种场合的需要，进一步地，本发明的辅助行走车还能在老人突然有跌倒时起到一定的支持作用。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统，装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统，装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。

所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。

本领域普通技术人员可以理解上述实施例的各种方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序可以存储于一计算机可读存储介质中，存储介质可以包括：只读存储器(ROM，Read Only Memory)、随机存取存储器(RAM，RandomAccess Memory)、磁盘或光盘等。

以上对本发明所提供的一种辅助行走车及其控制方法进行了详细介绍，对于本领域的一般技术人员，依据本发明实施例的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (8)

1.一种辅助行走车，其特征在于，包括：

车把；

承载装置；

设置在所述承载装置上用于安装所述车把的连杆；

设置在所述承载装置底部的安装架；

所述安装架末端安装有驱动轮；

用于提供电能的储能单元；

用于提供控制信号的控制器，

用于驱动所述驱动轮的驱动电机，所述驱动电机被设置由所述控制器控制驱动，所述控制器使用PWM方式模拟调节控制所述驱动电机的电压，从而驱动控制所述驱动轮；

用于检测车体的前后倾角的姿态检测组件，所述姿态检测组件、所述驱动轮、所述储能单元分别与所述控制器电连接；

所述控制器用于在所述姿态检测组件检测结果为水平状态时以第一驱动力控制驱动轮，在所述姿态检测组件检测结果为仰起状态时以第二驱动力控制驱动轮，在所述姿态检测组件检测结果为俯下状态时以第三驱动力控制驱动轮，所述驱动轮使用霍尔信号检测速度，所述控制器通过霍尔信号变化检测所述辅助行走车的速度，同时计算加速度，并通过PWM占空比来给所述驱动电机供给电压，在占空比的高电平期间，根据霍尔信号来开通相应的上桥臂和下桥臂，在占空比的低电平期间，关断所有桥臂，避免反电动势形成反向电流起到制动作用；在所述控制器监测到加速度大于设定值时，所述控制器停止给所述驱动电机供给电压，将所述驱动电机UVW三相短接，利用反电动势产生电流来制动，其中所述第三驱动力小于所述第一驱动力，所述第一驱动力小于第二驱动力；

所述承载装置包括座椅、用于检测座椅上承受压力数值的压力计以及支撑架，所述压力计设置在所述座椅和所述支撑架之间，所述辅助行走车在给与向前行进的辅助力时，车体上坡电压给与为(F0*tanθ+mg*sinθ)*factor1+(F0+mg*cosθ)*factor0，车体下坡时电压给与为(F0*tanθ+mg*sinθ)*factor1-(F0+mg*cosθ)*factor0，其中，F0为所述压力计实时测得的压力值，θ为霍尔传感器实时测得的车体倾角，mg为车体重量，factor0为摩擦力克服系数，factor0＝a/mg，式中a为实测获得的电压值，factor1为所述驱动电机抱死时电压与水平方向输出力的关系因子。

2.根据权利要求1所述的辅助行走车，其特征在于，所述储能单元为动力电池，所述动力电池与所述控制器可拆卸连接，所述动力电池设置在所述承载装置底部。

3.根据权利要求1所述的辅助行走车，其特征在于，所述安装架具有两个前轮和两个后轮，所述两个后轮为所述驱动轮。

4.根据权利要求1所述的辅助行走车，其特征在于，所述连杆为可伸缩连杆，所述可伸缩连杆上设有用于高度调整完成后锁住连杆的锁紧组件。

5.根据权利要求1所述的辅助行走车，其特征在于，所述连杆为电动可伸缩连杆，所述电动可伸缩连杆与所述储能单元电连接。

6.根据权利要求1所述的辅助行走车，其特征在于，所述控制器还具有开关，所述开关具有关机、前进辅助和后退辅助三档。

7.根据权利要求1所述的辅助行走车，其特征在于，所述驱动轮上设有用于检测转速的霍尔传感器，当转速达到一定阈值时所述控制器控制所述驱动轮制动。

8.一种辅助行走车的控制方法，其特征在于，应用于如权利要求1至7中任一项所述的辅助行走车，所述方法包括：

获取所述辅助行走车的姿态数据；

根据所述姿态数据确定施加在所述辅助行走车的驱动轮上的驱动力大小，使用PWM方式模拟调节控制驱动电机母线电压，从而控制所述驱动轮，并使用霍尔信号检测所述驱动轮的速度，控制器通过霍尔信号变化检测所述辅助行走车的速度，同时计算加速度，并通过PWM占空比来给所述驱动电机供给电压，在占空比的高电平期间，根据霍尔信号来开通相应的上桥臂和下桥臂，在占空比的低电平期间，关断所有桥臂，避免反电动势形成反向电流起到制动作用；在所述控制器监测到加速度大于设定值时，所述控制器停止给所述驱动电机供给电压，将所述驱动电机UVW三相短接，利用反电动势产生电流来制动；

所述根据所述姿态数据确定施加在所述辅助行走车的驱动轮上的驱动力大小，包括：

当所述姿态数据为水平状态时以第一驱动力控制驱动轮；

当所述姿态数据为仰起状态时以第二驱动力控制驱动轮；

当所述姿态数据为俯下状态时以第三驱动力控制驱动轮，其中所述第三驱动力小于所述第一驱动力，所述第一驱动力小于第二驱动力；

当检测到加速度超过预设阈值时进行制动；

所述辅助行走车在给与向前行进的辅助力时，车体上坡电压给与为(F0*tanθ+mg*sinθ)*factor1+(F0+mg*cosθ)*factor0，车体下坡时电压给与为(F0*tanθ+mg*sinθ)*factor1-(F0+mg*cosθ)*factor0，其中，F0为压力计实时测得的压力值，θ为霍尔传感器实时测得的车体倾角，mg为车体重量，factor0为摩擦力克服系数，factor0＝a/mg，式中a为实测获得的电压值，factor1为所述驱动电机抱死时电压与水平方向输出力的关系因子。

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