CN110420098A - 一种轮椅的路面坡度检测和自动调节的系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种轮椅的路面坡度检测和自动调节的系统，包含轮椅主体和控制系统，其特征在于，所述轮椅主体包含固定架、前轮、后轮、座椅靠背、脚踩踏板、液压杆和减震弹簧支撑杆，所述控制系统包含电机、液压泵、蓄电池、控制器盒和前轮驱动电机；所述控制器盒内装有陀螺仪、加速度计传感器、控制器主板；本发明主要实现：1、通过加速计，陀螺仪检测轮椅所行进路面的倾斜状态；2、根据所检测的路面状态自动调平轮椅,提高乘坐的舒适性和安全性；3、根据轮椅的安全包线、路面坡道状况，自动调整轮椅行驶速度、转弯速度。4、当坡道超过轮椅电机的安全功率之后，自动停止轮椅，保护电机，并避免安全事故的发生；5、通过轮椅自带的喇叭，自动播报轮椅的状态，辅助用户驾驶。

Description

一种轮椅的路面坡度检测和自动调节的系统

技术领域

本发明涉及智能轮椅技术领域，特别涉及一种轮椅的路面坡度检测和自动调节平衡、行驶速度、转弯速度、最大爬坡坡度的系统。

背景技术

轮椅作为一种出行代步工具，可以为老人和腿脚不方便的人群体提供出行便利，但是路面状态一般不是单一的平面，有很多地方有斜坡，如道路和房屋前后都可以有斜坡，在这种上下坡的地方行驶时，人和轮椅很容易会出现前倾或者后仰，影响人乘坐的舒适性是一个方面，另一方面是存在非常大的安全隐患，这种安全隐患尤其对于老人比较明显。

在上坡、下坡、侧方位倾斜的论面，轮椅的行驶速度过快、转弯的速度过快，刹车速度过快，都很容易导致轮椅侧翻、前翻、后翻等严重事故的发生。

由于轮椅电机功率、结构底盘设计最大安全倾角等因素，当超过最大安全角度、就很容易出现轮椅翻转、电机损毁，并进一步导致严重的安全事故的发生。

发明内容

本发明针对以上不足，提出一种轮椅的路面坡度检测和自动调节的系统，消除上下坡过程中的安全隐患。

一种轮椅的路面坡度检测和自动调节的系统，包含轮椅主体和控制系统，所述轮椅主体包含固定架、前轮、后轮、座椅靠背、脚踩踏板、液压杆和减震弹簧支撑杆，所述控制系统包含电机、液压泵、蓄电池、控制器盒和前轮驱动电机；所述控制器盒内装有陀螺仪、加速度计传感器、控制器主板；所述固定架的前侧位置下方安置前轮，所述固定架的后侧位置下方安置后轮，所述固定架的前侧上方安置有两根减震弹簧支撑杆，所述减震弹簧支撑杆支撑所述座椅靠背的前侧底部，所述固定架的后侧有根横梁，横梁的上方设置两根所述液压杆，所述座椅靠背的后侧底部设置一根固定杆，所述液压杆支撑所述座椅靠背的固定杆，所述座椅靠背为人体乘坐的一体式座椅；所述电机和所述液压泵形成一个动力组，安置在固定架的上方，且安置在所述座椅靠背的前侧下方，所述蓄电池安置在所述固定架的上方的后侧，所述控制器盒紧贴所述蓄电池，所述控制器盒也安置在所述座椅靠背，所述前轮驱动电机安置在前轮上，所述前轮有两个，两个前轮分布安置一个所述前轮驱动电机，所述陀螺仪和加速度计传感器设置在所述控制器盒内，所述陀螺仪和加速度计传感器通过IIC总线连接至滤波器，再连接至控制器主板，控制器主板内设有MCU微控制单元和姿态解算单元。

进一步地，基于轮椅自身结构，计算出安全包线，并结合姿态检测，控制轮椅的电机行驶的速度，或通过两个动力的速度的差值，控制轮椅的转弯速度，通常是限制转弯速度速度避免侧翻，

进一步地，控制器主板内设有姿态解算单元，姿态解算单元进行姿态检测，对轮椅行驶的最大坡道进行限制，如果坡度过大，则设定轮椅无法通行。

进一步地，轮椅主体还自带喇叭、蓝牙手机，喇叭、蓝牙手机把轮椅主体的姿态、电池容量、行驶速度等信息播报出来，这个功能主要是通过声音的方式提醒用户。

本发明采用两条独立的方式运行，一条是实现正常的，一条是实现调节功能；对于调节功能，所述陀螺仪和加速度计传感器实施收集轮椅的倾斜角度信息和加速度信信息，通过IIC总线连接到主控的MCU中，在系统运行过程时，主控实时采集传感器原始的加速度和角速度原始数据，进过初步的低通滤波处理，消除原始数据的高频噪声,然后将数据送到姿态解算单元，实时计算出当前轮椅的倾斜角度，然后控制系统根据计算的倾斜角度,计算出相应的液压行程，发送控制命令给液压系统进行调节；

按照如下转换公式转换，取当液压杆行程为0时为轮椅正常的水平状态；

初始角度参数R1，通过陀螺仪获取的倾斜角度R，液压行程K，液压杆的额定行程边界为K1和-K1;

当R>R1或R=R1，K=k1; 即当倾斜过大时，采用最大行程距离；

当R<R1且R>-R1; K = K1*R/R1 ;但是当R小于5度或者R大于负5度，则K=0，即如果只是小角度的颠簸，则不动作，否则按比例动作；

当R小于或者等于-R，K=-K1；

初始角度参数R1的确定，将轮椅放置在水平线上，液压杆形成的最大额定行程K1时，座椅靠背的角度与水平线的角度差是A，当液压杆行程为0时，座椅靠背的角度与水平线的角度差值是B。

R1=|A-B|；

本质上，R1由设备的液压杆的性能和轮椅的尺寸决定。

对于轮椅的驱动功能，由两个前轮驱动电机驱动运动，此部分比较好理解，此部不分解开来。

本发明的主要作用是实现轮椅的自平衡，进而提高轮椅的安全性能。

附图说明

图1是本发明实施例的一种轮椅结构示意图。

图2是本发明实施例的一种轮椅结构另外一个角度的示意图。

图3是本发明实施例的一种轮椅侧视结构状态图。

图4是本发明实施例的一种轮椅侧视结构状态图。

具体实施方式

以下将结合具体实施例和附图对本发明进行详细说明。

本发明针对以上不足，提出一种轮椅的路面坡度检测和自动调节的系统，消除上下坡过程中的安全隐患。

请参阅图1-2，一种轮椅100，包含轮椅主体1和控制系统2，轮椅主体1包含固定架11、前轮12、后轮13、座椅靠背15、脚踩踏板16、液压杆17和减震弹簧支撑杆18，所述控制系统2包含电机21、液压泵22、蓄电池23、控制器盒24和前轮驱动电机25；所述控制器盒24内装有陀螺仪、加速度计传感器、控制器主板；所述固定架11的前侧位置下方安置前轮12，所述固定架11的后侧位置下方安置后轮13，所述固定架11的前侧上方安置有两根减震弹簧支撑杆18，所述减震弹簧支撑杆18支撑所述座椅靠背的前侧底部，所述固定架11的后侧有根横梁111，横梁111的上方设置两根所述液压杆17，所述座椅靠背15的后侧底部设置一根固定杆151，所述液压杆151支撑所述座椅靠背15的固定杆151，所述座椅靠背15为人体乘坐的一体式座椅；所述电机21和所述液压泵22形成一个动力组，液压泵22设置有液压油管221，液压油管221连接至液压杆17,电机21和所述液压泵22安置在固定架11的上方，且安置在所述座椅靠背15的前侧下方，所述蓄电池23安置在所述固定架11的上方的后侧，所述控制器24盒紧贴所述蓄电池11，所述控制器盒24也安置在所述座椅靠背15，所述前轮驱动电机25安置在前轮12上，所述前轮12有两个，两个前轮12分布安置一个所述前轮驱动电机25，所述陀螺仪和加速度计传感器设置在所述控制器盒24内，所述陀螺仪和加速度计传感器通过IIC总线接至控制器主板，控制器主板内设有MCU微控制单元和姿态解算单元。

轮椅主体1主要是作用是用来乘坐，控制系统2主要用来行驶和调整。减震弹簧支撑杆18具有支撑及减震作用。

由于蓄电池23安装在座椅靠背15，需将蓄电池23设置成扁平形状，以便让座椅靠背15有调整空间，而且电机21和所述液压泵22应设置成小型，体积竟可能小，而液压泵22的设计动力应能支撑75kg左右重量，正常情况下减震弹簧支撑杆18能承受一部分重量，因此液压泵22需承受人体一部分的重量，将液压泵22设计成能支撑75kg左右重量比较合理。

本发明的系统采用两条独立的方式运行，一条是实现正常的行驶系统，一条是实现调节功能的调节系统；

对于调节系统，所述陀螺仪和加速度计传感器实施收集轮椅的倾斜角度信息和加速度信信息，通过IIC总线连接到主控的MCU中，在系统运行过程时，主控实时采集传感器原始的加速度和角速度原始数据，进过初步的低通滤波处理，消除原始数据的高频噪声,然后将数据送到姿态解算单元，实时计算出当前轮椅的倾斜角度，然后控制系统根据计算的倾斜角度,计算出相应的液压行程，发送控制命令给液压系统进行调节；

按照如下转换公式转换，取当液压杆行程为0时为轮椅正常的水平状态；

初始角度参数R1，通过陀螺仪获取的倾斜角度R0，液压行程K，液压杆的额定行程边界为K1和-K1;上坡时，运算值R=R0，下坡运算值R=-R0。

当R>R1或R=R1，K=k1; 即当倾斜过大时，采用最大行程距离；

当R<R1且R>-R1; K = K1*R/R1 ;但是当R小于5度或者R大于负5度，则K=0，即如果只是小角度的颠簸，则不动作，否则按比例动作；

当R小于或者等于-R，K=-K1；

初始角度参数R1的确定，将轮椅放置在水平线上，液压杆形成的最大额定行程K1时，座椅靠背的角度与水平线的角度差是A，当液压杆行程为0时，座椅靠背的角度与水平线的角度差值是B。

R1=|A-B|；

本质上，R1由设备的液压杆的性能和轮椅的尺寸决定。

对于轮椅的驱动功能，由两个前轮驱动电机驱动25运动，此部分比较好理解，因此不分解开来。

图3和图4展示轮椅的状态图，如图3，轮椅在水平面上，座椅靠背的角度与水平线的角度差是A，本实施例设定初始角度参数R1为20度，

如图4，当下坡时，坡度为R0=15度，小于20度，此时，陀螺仪和加速度计传感器收集到轮椅的倾斜角度信号，计算出角度倾斜角度R= -15度，液压行程K = K1*R/R1= -K1*15/20=0.75*-K1,也就是下降最大负行程的0.75倍，假如电机正转2秒钟可以实现最大负行程，那么只需让电机正转1.5秒。对于人体来说，乘坐的人没有产生很大变化，因为座椅靠背往后倾斜了，正好抵消掉下坡坡度，而人体的重心依然在轮椅上，因此安全性能得到了保障，尤其对于年纪比较大的老年人，其可以获得比较好的安全感。

本发明的实施步骤为，通过陀螺仪和加速度计传感器实施收集轮椅的倾斜角度信息和加速度信信息，通过IIC总线连接到主控的MCU中，在系统运行过程时，主控实时采集传感器原始的加速度和角速度原始数据，进过初步的低通滤波处理，消除原始数据的高频噪声,然后将数据送到姿态解算单元，实时计算出当前轮椅的倾斜角度，然后控制系统根据计算的倾斜角度,计算出相应的液压行程，发送控制命令给液压系统进行调节。

本发明的主要作用是实现轮椅的自平衡，动态控制轮椅安全行驶速度和转弯速度，并结合电机的功率限定最大爬坡坡度，进而提高轮椅的安全性能。因为自平衡的调节系统与行驶系统独立，因此可以将调节系统直接安装在普通轮椅上。

以上所揭露的仅为本发明一种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。

Claims (5)

1.一种轮椅的路面坡度检测和自动调节的系统，包含轮椅主体和控制系统，其特征在于，所述轮椅主体包含固定架、前轮、后轮、座椅靠背、脚踩踏板、液压杆和减震弹簧支撑杆，所述控制系统包含电机、液压泵、蓄电池、控制器盒和前轮驱动电机；所述控制器盒内装有陀螺仪、加速度计传感器、控制器主板；所述固定架的前侧位置下方安置前轮，所述固定架的后侧位置下方安置后轮，所述固定架的前侧上方安置有两根减震弹簧支撑杆，所述减震弹簧支撑杆支撑所述座椅靠背的前侧底部，所述固定架的后侧有根横梁，横梁的上方设置两根所述液压杆，所述座椅靠背的后侧底部设置一根固定杆，所述液压杆支撑所述座椅靠背的固定杆，所述座椅靠背为人体乘坐的一体式座椅；所述电机和所述液压泵形成一个动力组，安置在固定架的上方，且安置在所述座椅靠背的前侧下方，所述蓄电池安置在所述固定架的上方的后侧，所述控制器盒紧贴所述蓄电池，所述控制器盒也安置在所述座椅靠背，所述前轮驱动电机安置在前轮上，所述前轮有两个，两个前轮分布安置一个所述前轮驱动电机，所述陀螺仪和加速度计传感器设置在所述控制器盒内，所述陀螺仪和加速度计传感器通过IIC总线连接至滤波器，再连接至控制器主板，控制器主板内设有MCU微控制单元和姿态解算单元。

2.根据权利要求1所述的轮椅的路面坡度检测和自动调节的系统，其特征在于，基于轮椅自身结构，计算出安全包线，并结合姿态检测，控制轮椅的电机行驶的速度，或通过两个动力的速度的差值，控制轮椅的转弯速度。

3.根据权利要求1所述的轮椅的路面坡度检测和自动调节的系统，其特征在于，控制器主板内设有姿态解算单元，姿态解算单元进行姿态检测，对轮椅行驶的最大坡道进行限制。

4.根据权利要求1所述的轮椅的路面坡度检测和自动调节的系统，其特征在于，轮椅主体还自带喇叭、蓝牙手机，喇叭、蓝牙手机把轮椅主体的姿态、电池容量、行驶速度等信息播报出来。

5.根据权利要求1所述的一种轮椅的路面坡度检测和自动调节的系统，在下坡时，座椅靠背往后仰，上坡时，座椅靠背往前倾。