CN109350383B - 一种基于陀螺仪的轮椅座姿平衡系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于陀螺仪的轮椅座姿平衡系统，包括座椅，所述座椅两侧设有扶手，所述座椅一侧的扶手前侧固定设有手控控制器，所述座椅后侧设有靠背，所述靠背后侧设有背部电动推杆，所述座椅底部固定设有固定基板和座椅电动推杆，所述固定基板前侧通过弯曲支架连接有脚踏，所述脚踏后侧设有腿部电动推杆，所述固定基板底部设有控制箱。本发明利用轮椅起立复位按钮和轮椅平躺复位按钮的设置，MCU控制座椅电动推杆、背部电动推杆和腿部电动推杆配合使用，能够实现轮椅的站立、平躺功能，并且旋转编码器和陀螺仪配合电机驱动模块使用，能够实现轮椅爬楼梯和爬坡的功能，整个轮椅功能多样，并且调节精度高。

Description

一种基于陀螺仪的轮椅座姿平衡系统
技术领域
本发明涉及轮椅技术领域，特别涉及一种基于陀螺仪的轮椅座姿平衡系统。
背景技术
随着社会科学技术的日益发展，人们的生活水平得到了大大的提升，残疾人士使用上了智能化操控的轮椅，现有的智能化轮椅使用方便，无需人推动即可实现行走，但是还有的一些轮椅角度可调，能够实现轮椅的平躺和起立，但是这种轮椅在调节时，调节精度不高，到时使用不便，以及给残疾人士造成心理上的不适与害怕。
因此，发明一种基于陀螺仪的轮椅座姿平衡系统来解决上述问题很有必要。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于陀螺仪的轮椅座姿平衡系统，通过利用轮椅起立复位按钮和轮椅平躺复位按钮的设置，MCU控制座椅电动推杆、背部电动推杆和腿部电动推杆配合使用，能够实现轮椅的站立、平躺功能，并且旋转编码器和陀螺仪配合电机驱动模块使用，能够实现轮椅爬楼梯和爬坡的功能，整个轮椅功能多样，并且调节精度高，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种基于陀螺仪的轮椅座姿平衡系统，包括座椅，所述座椅两侧设有扶手，所述座椅一侧的扶手前侧固定设有手控控制器，所述座椅后侧设有靠背，所述靠背后侧设有背部电动推杆，所述座椅底部固定设有固定基板和座椅电动推杆，所述固定基板前侧通过弯曲支架连接有脚踏，所述脚踏后侧设有腿部电动推杆，所述固定基板底部设有控制箱，所述控制箱内部设有电机驱动模块和电路板，所述控制箱底部设有底板，所述底板前端两侧设有照明灯，所述底板底部设有四轮驱动系统，所述四轮驱动系统两侧传动连接有轮胎；
所述靠背和座椅活动铰接，所述靠背、座椅和脚踏底部均固定设有陀螺仪或角度传感器；
所述电机驱动模块包括减速电机，所述背部电动推杆、座椅电动推杆和腿部电动推杆均由伺服电机驱动，所述伺服电机和减速电机传动连接的转轴上均设有旋转编码器或霍尔传感器；
所述电路板上设有MCU，所述MCU具体为工业级位ARM处理器，所述ARM处理器基于RISC处理器架构，所述MCU内部设有电路板软件，所述电路板软件采用嵌入式RISC C语言编写。
优选的，所述手控控制器包括操作手柄和控制盒，所述控制盒内部设有电位器，所述座椅一侧的扶手外侧设有主通电开关，所述座椅另一侧的扶手上设有轮椅起立复位按钮、轮椅平躺复位按钮和照明灯按钮，所述照明灯按钮通过继电器与照明灯连接，所述继电器输出端设有吸收电路。
优选的，所述背部电动推杆顶端与靠背活动铰接以及底端与底板活动铰接。
优选的，所述座椅电动推杆顶端贯穿固定基板与座椅固定连接，所述座椅电动推杆底端贯穿控制箱延伸至控制箱内部，且与控制箱固定连接。
优选的，所述弯曲支架并排设置为两个，两个所述弯曲支架后侧设有横杆，所述横杆上设有与两个弯曲支架相配合的嵌槽，所述腿部电动推杆设置为两个且分布于横杆两侧，所述腿部电动推杆前端与横杆活动铰接以及后端与控制箱活动铰接。
优选的，所述电机驱动模块包括转杆，所述转杆两端通过轴承与控制箱固定连接，所述转杆外部套设有从动齿轮，所述从动齿轮前侧设有主动齿轮，所述从动齿轮与主动齿轮啮合连接，所述主动齿轮一侧与减速电机传动连接，所述转杆两侧顶部固定设有连接架，所述连接架顶部对应的控制箱外壁设有预留槽，所述连接架贯穿预留槽与固定基板固定连接。
优选的，所述伺服电机和减速电机均由大电流MOS管驱动，采用PWM无极调速驱动或定速驱动，所述MOS管安装散热片。
优选的，所述MCU设置于电机驱动模块一侧，所述MCU支持1路485通道，兼容Modbus协议，所述MCU外接DC24V独立电源，所述电路板带有电源管理电路，所述电路板内部经过DC/DC产生一个DC5V和DC3.3V的供电，所述电路板输入采用外接端子插座，所述电路板输出采用外接端子插座。
本发明的技术效果和优点：
1、本发明利用轮椅起立复位按钮和轮椅平躺复位按钮的设置，MCU控制座椅电动推杆、背部电动推杆和腿部电动推杆配合使用，能够实现轮椅的站立、平躺功能，并且旋转编码器和陀螺仪配合电机驱动模块使用，能够实现轮椅爬楼梯和爬坡的功能，整个轮椅功能多样，并且调节精度高；
2、电动轮椅上电开机后，调出记忆的减速电机、伺服电机的位置参数作为当前位置的预设值；当平衡电机每次到达该电机的下限位时，电路板软件自动校正平衡电机的零点位置，以保证电机角度的准确性；当伺服电机每次到达该电机的下限位时，电路板软件自动校正伺服电机的零点位置，以保证电机角度的准确性；电路板软件根据板载角度传感器或陀螺仪的数据，经过算法处理、运算，自动调节减速电机和伺服电机的运动，控制PWM脉冲输出进而控制电机的转动速度和行程，通过电机反馈回来的编码信号或霍尔信号计数判断电机的运行角度是否已到预设值，从而使整个轮椅调节精度高。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图。
图2为本发明的控制箱俯视图。
图3为本发明的扶手结构示意图。
图4为本发明的系统结构示意图。
图5为本发明的爬楼梯角度是20°时的腿部电动推杆10结构示意图。
图中：1座椅、2扶手、3手控控制器、4靠背、5背部电动推杆、6固定基板、7座椅电动推杆、8弯曲支架、9脚踏、10腿部电动推杆、11控制箱、12电机驱动模块、13电路板、14底板、15照明灯、16四轮驱动系统、17轮胎、18陀螺仪、19减速电机、20旋转编码器、21MCU、22主通电开关、23轮椅起立复位按钮、24轮椅平躺复位按钮、25照明灯按钮、26电路板软件、27横杆、28转杆、29从动齿轮、30主动齿轮、31连接架、32预留槽。
具体实施方式
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，都属于本发明保护的范围。
实施例1：
根据图1-2所示的一种基于陀螺仪的轮椅座姿平衡系统，包括座椅1，所述座椅1两侧设有扶手2，所述座椅1一侧的扶手2前侧固定设有手控控制器3，所述座椅1后侧设有靠背4，所述靠背4后侧设有背部电动推杆5，所述座椅1底部固定设有固定基板6和座椅电动推杆7，所述固定基板6前侧通过弯曲支架8连接有脚踏9，所述脚踏9后侧设有腿部电动推杆10，所述固定基板6底部设有控制箱11，所述控制箱11内部设有电机驱动模块12和电路板13，所述控制箱11底部设有底板14，所述底板14前端两侧设有照明灯15，所述底板14底部设有四轮驱动系统16，所述四轮驱动系统16两侧传动连接有轮胎17；
所述靠背4和座椅1活动铰接，所述靠背4、座椅1和脚踏9底部均固定设有陀螺仪18；
所述电机驱动模块12包括减速电机19，所述背部电动推杆5、座椅电动推杆7和腿部电动推杆10均由伺服电机驱动，所述伺服电机和减速电机19传动连接的转轴上均设有旋转编码器20；
所述电路板13上设有MCU21，所述MCU21具体为工业级32位ARM处理器，所述ARM处理器基于RISC处理器架构，所述MCU21内部设有电路板软件26，所述电路板软件26采用嵌入式RISC C语言编写；
所述电路板软件26用于存储记忆减速电机19、伺服电机的位置参数，正常运动时电路板软件26也存储记忆当前的位置信息，电动轮椅上电开机后，调出记忆的减速电机19、伺服电机的位置参数作为当前位置的预设值；
当减速电机19每次到达该电机的下限位时，电路板软件26自动校正减速电机19的零点位置，以保证电机角度的准确性；
当伺服电机每次到达该电机的下限位时，电路板软件26自动校正推杆电机的零点位置，以保证电机角度的准确性；
电路板软件26根据陀螺仪18的数据，经过算法处理、运算，自动调节减速电机19和推杆电机的运动，控制PWM脉冲输出进而控制电机的转动速度和行程，通过旋转编码器20反馈回来的编码信号计数，判断电机的运行角度是否已到预设值。
通过利用轮椅起立复位按钮23和轮椅平躺复位按钮24的设置，MCU21控制座椅电动推杆7、背部电动推杆5和腿部电动推杆10配合使用，能够实现轮椅的站立、平躺功能，并且旋转编码器20和陀螺仪18配合电机驱动模块12使用，能够实现轮椅爬楼梯和爬坡的功能，整个轮椅功能多样，并且调节精度高。
实施例2：
根据图1所示的一种基于陀螺仪的轮椅座姿平衡系统，所述手控控制器3包括操作手柄和控制盒，所述控制盒内部设有电位器，所述座椅1一侧的扶手2外侧设有主通电开关22；
所述弯曲支架8并排设置为两个，两个所述弯曲支架8后侧设有横杆27，所述横杆27上设有与两个弯曲支架8相配合的嵌槽，所述腿部电动推杆10设置为两个且分布于横杆27两侧，所述腿部电动推杆10前端与横杆27活动铰接以及后端与控制箱11活动铰接；
所述背部电动推杆5顶端与靠背4活动铰接以及底端与底板14活动铰接；
根据图2所示的一种基于陀螺仪的轮椅座姿平衡系统，所述座椅电动推杆7顶端贯穿固定基板6与座椅1固定连接，所述座椅电动推杆7底端贯穿控制箱11延伸至控制箱11内部，且与控制箱11固定连接；
所述电机驱动模块12包括转杆28，所述转杆28两端通过轴承与控制箱11固定连接，所述转杆28外部套设有从动齿轮29，所述从动齿轮29前侧设有主动齿轮30，所述从动齿轮29与主动齿轮30啮合连接，所述主动齿轮30一侧与减速电机19传动连接，所述转杆28两侧顶部固定设有连接架31，所述连接架31顶部对应的控制箱11外壁设有预留槽32，所述连接架31贯穿预留槽32与固定基板6固定连接；
根据图3所示的一种基于陀螺仪的轮椅座姿平衡系统，所述座椅1另一侧的扶手2上设有轮椅起立复位按钮23、轮椅平躺复位按钮24和照明灯按钮25，所述照明灯按钮25通过继电器与照明灯15连接，所述继电器输出端设有吸收电路。
实施例3：
根据图5所示的一种基于陀螺仪的轮椅座姿平衡系统，所述伺服电机和减速电机19均由大电流MOS管驱动，输入驱动信号隔离，增强抗干扰能力，采用PWM无极调速驱动或定速驱动，所述MOS管安装散热片；
所述MCU21设置于电机驱动模块12一侧，所述MCU21支持1路485通道，兼容Modbus协议，所述MCU21外接DC24V独立电源，所述电路板13带有电源管理电路，所述电路板13内部经过DC/DC产生一个DC5V和DC3.3V的供电，所述电路板13输入采用外接端子插座，所述电路板13输出采用外接端子插座；
所述MCU21输入端设有陀螺仪18、旋转编码器20、轮椅起立复位按钮23、轮椅平躺复位按钮24，所述MCU21输出端设有手控控制器3、背部电动推杆5、座椅电动推杆7、腿部电动推杆10和减速电机19，所述手控控制器3输出端与四轮驱动系统16输入端连接，能够通过MCU21控制整个装置的运行。
实施例4：
所述靠背4和座椅1活动铰接，所述靠背4、座椅1和脚踏9底部均固定设有角度传感器，所述角度传感器型号设置为SCA610-CA1H1G；
所述电机驱动模块12包括减速电机19，所述背部电动推杆5、座椅电动推杆7和腿部电动推杆10均由伺服电机驱动，所述伺服电机和减速电机19传动连接的转轴上均设有霍尔传感器，所述霍尔传感器型号设置为SS491B；
电路板软件26根据角度传感器的数据，经过算法处理、运算，自动调节减速电机19和推杆电机的运动，控制PWM脉冲输出进而控制电机的转动速度和行程，通过霍尔传感器反馈回来的霍尔信号计数，判断电机的运行角度是否已到预设值。
本发明工作原理：
参照说明书附图1-3和图5，使用时，按下轮椅起立复位按钮23，轮椅进行起立时，座椅1下面的座椅电动推杆7伸长一定距离，靠背4后的背部电动推杆5再开始伸长，腿部电动推杆10保持不变，轮椅完成起立后，座椅1下面的座椅电动推杆7先缩短一段距离，背部电动推杆5再缩短；
轮椅平躺时，按下轮椅平躺复位按钮24，靠背4后的背部电动推杆5先伸长一定距离，两个腿部电动推杆10再同时伸长，轮椅完成平躺后，腿部电动推杆10先缩短一定距离，背部电动推杆5再缩短；
参照说明书附图4，
倾斜角度调整通过旋转编码器20或霍尔传感器反馈给减速电机19，根据反馈电机需要进行对应角度的旋转；
陀螺仪18或角度传感器同时反馈给踏脚9处的腿部电动推杆10，根据倾斜的角度，腿部电动推杆10同时增加一个长度值(上楼加，下楼零)；
当爬楼梯的角度是20°时，通过陀螺仪18反馈给减速电机19，减速电机19根据20°带动转杆28进行旋转达到平衡，同时腿部电动推杆10伸长L1，L1的长度等于旋转20°的伸长长度。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于陀螺仪的轮椅座姿平衡系统，包括座椅(1)，其特征在于：所述座椅(1)两侧设有扶手(2)，所述座椅(1)一侧的扶手(2)前侧固定设有手控控制器(3)，所述座椅(1)后侧设有靠背(4)，所述靠背(4)后侧设有背部电动推杆(5)，所述座椅(1)底部固定设有固定基板(6)和座椅电动推杆(7)，所述固定基板(6)前侧通过弯曲支架(8)连接有脚踏(9)，所述脚踏(9)后侧设有腿部电动推杆(10)，所述固定基板(6)底部设有控制箱(11)，所述控制箱(11)内部设有电机驱动模块(12)和电路板(13)，所述控制箱(11)底部设有底板(14)，所述底板(14)前端两侧设有照明灯(15)，所述底板(14)底部设有四轮驱动系统(16)，所述四轮驱动系统(16)两侧传动连接有轮胎(17)；
所述靠背(4)和所述座椅(1)活动铰接，所述靠背(4)、所述座椅(1)和所述脚踏(9)底部均固定设有陀螺仪(18)或角度传感器；
所述电机驱动模块(12)包括减速电机(19)，所述背部电动推杆(5)、座椅电动推杆(7)和腿部电动推杆(10)均由伺服电机驱动，所述伺服电机和减速电机(19)传动连接的转轴上均设有旋转编码器(20)或霍尔传感器；
所述电路板(13)上设有MCU(21)，所述MCU(21)具体为工业级32位ARM处理器，所述ARM处理器基于RISC处理器架构，所述MCU(21)内部设有电路板软件(26)，所述电路板软件(26)采用嵌入式RISC C语言编写；
所述电路板软件(26)，存储记忆所述减速电机(19)、所述伺服电机的位置参数，正常运动时所述电路板软件(26)存储记忆当前的位置信息，初始运动时，调出记忆的减速电机(19)、伺服电机的位置参数作为当前位置的预设值；
当所述减速电机(19)到达其下限位时，所述电路板软件(26)自动校正所述减速电机(19)的零点位置；
当所述伺服电机到达其下限位时，所述电路板软件(26)自动校正所述伺服电机的零点位置；
所述电路板软件(26)根据所述陀螺仪(18)的数据，经过算法处理、运算，自动调节所述减速电机(19)和所述伺服电机的运动，控制PWM脉冲输出进而控制所述减速电机(19)和所述伺服电机的转动速度和行程，通过所述旋转编码器(20)反馈回来的编码信号计数，判断所述减速电机(19)和所述伺服电机的运行速度和角度是否已到预设值。
2.根据权利要求1所述的一种基于陀螺仪的轮椅座姿平衡系统，其特征在于：所述手控控制器(3)包括操作手柄和控制盒，所述控制盒内部设有电位器，所述座椅(1)一侧的扶手(2)外侧设有主通电开关(22)，所述座椅(1)另一侧的扶手(2)上设有轮椅起立复位按钮(23)、轮椅平躺复位按钮(24)和照明灯按钮(25)，所述照明灯按钮(25)通过继电器与照明灯(15)连接，所述继电器输出端设有吸收电路。
3.根据权利要求1所述的一种基于陀螺仪的轮椅座姿平衡系统，其特征在于：所述背部电动推杆(5)顶端与靠背(4)活动铰接以及底端与底板(14)活动铰接。
4.根据权利要求1所述的一种基于陀螺仪的轮椅座姿平衡系统，其特征在于：所述座椅电动推杆(7)顶端贯穿固定基板(6)与座椅(1)固定连接，所述座椅电动推杆(7)底端贯穿控制箱(11)延伸至控制箱(11)内部，且与控制箱(11)固定连接。
5.根据权利要求1所述的一种基于陀螺仪的轮椅座姿平衡系统，其特征在于：所述弯曲支架(8)并排设置为两个，两个所述弯曲支架(8)后侧设有横杆(27)，所述横杆(27)上设有与两个弯曲支架(8)相配合的嵌槽，所述腿部电动推杆(10)设置为两个且分布于横杆(27)两侧，所述腿部电动推杆(10)前端与横杆(27)活动铰接以及后端与控制箱(11)活动铰接。
6.根据权利要求1所述的一种基于陀螺仪的轮椅座姿平衡系统，其特征在于：所述电机驱动模块(12)包括转杆(28)，所述转杆(28)两端通过轴承与控制箱(11)固定连接，所述转杆(28)外部套设有从动齿轮(29)，所述从动齿轮(29)前侧设有主动齿轮(30)，所述从动齿轮(29)与主动齿轮(30)啮合连接，所述主动齿轮(30)一侧与减速电机(19)传动连接，所述转杆(28)两侧顶部固定设有连接架(31)，所述连接架(31)顶部对应的控制箱(11)外壁设有预留槽(32)，所述连接架(31)贯穿预留槽(32)与固定基板(6)固定连接。
7.根据权利要求1所述的一种基于陀螺仪的轮椅座姿平衡系统，其特征在于：所述伺服电机和减速电机(19)均由大电流MOS管驱动，采用PWM无极调速驱动或定速驱动，所述MOS管安装散热片。
8.根据权利要求1所述的一种基于陀螺仪的轮椅座姿平衡系统，其特征在于：所述MCU(21)设置于电机驱动模块(12)一侧，所述MCU(21)支持1路485通道，兼容Modbus协议，所述MCU(21)外接DC24V独立电源，所述电路板(13)带有电源管理电路，所述电路板(13)内部经过DC/DC产生一个DC5V和DC3.3V的供电，所述电路板(13)输入采用外接端子插座，所述电路板(13)输出采用外接端子插座。
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