CN205080437U - 一种轮式护理机器人姿态调整控制系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种轮式护理机器人姿态调整控制系统，旨在提供一种可以利用安卓系统和IOS系统客户端软件控制轮式护理机器人的站姿，坐姿，躺姿三种姿态的调整系统，包括机械结构和电气控制系统。其技术方案的要点是，客户端软件发出指令到电气控制系统，电气控制系统操纵与电气控制系统相连接的机械结构动作，实现轮式护理机器人三种姿态的调整。本实用新型适用于下肢残障人士和腿脚活动不便的老年人。

Description

一种轮式护理机器人姿态调整控制系统

技术领域

本实用新型涉及护理机器人领域，具体是一种轮式护理机器人姿态调整控制系统。

背景技术

目前全世界的残障人总数已经超过5亿，而我国的残障人数已经超过8000万，对于那些下肢瘫痪不方便行走的残障人士则需要轮式护理机器人的帮助；我国现阶段正在迈入人口老龄化社会，老年人的数量在急剧增长，老年人到了一定年龄会出现行走不便，他们同样需要轮式护理机器人的帮助。传统的护理机器人往往是只能实现坐姿和躺姿的调整，很少能实现站姿的调整，并且很少能使用客户端对护理机器人进行姿态调整的控制。

实用新型内容本实用新型的目的是提供一种轮式护理机器人姿态调整控制系统，以解决现有技术存在的问题。

为了达到上述目的，本实用新型所采用的技术方案为：

一种轮式护理机器人姿态调整控制系统，其特征在于：包括有机械结构和电气控制系统，其中：

所述机械结构包括水平设置的支架，支架上水平活动设置有椅座，椅座后端向上倾斜铰接连接有椅背，椅座前端向下倾斜铰接连接有腿部支撑，支架底部位于椅座下方铰接安装有椅座推杆电机、位于腿部支撑后方铰接安装有腿部支撑推杆电机，其中椅座推杆电机输出轴倾斜向上铰接在椅座底部，腿部支撑推杆电机输出轴向前铰接在腿部支撑后侧，支架后部位于椅背下方还铰接安装有椅背推杆电机，椅背推杆电机输出轴倾斜向上铰接在椅背后侧；

所述电气控制系统包括主控模块、蓝牙模块、客户端模块、电机驱动模块、电源模块，其中主控模块通过蓝牙模块与客户端模块双向通讯连接，主控模块信号输出端与电机驱动模块信号输入端连接，所述电源模块分别供电至主控模块、蓝牙模块、客户端模块、电机驱动模块，所述电气控制系统通过蓝牙模块与客户端模块进行通讯，主控模块接收客户端模块通过蓝牙模块传来的指令数据，控制各个推杆电机对应的电机驱动模块，从而控制各个推杆电机动作，实现轮式护理机器人的姿态调整。

所述的一种轮式护理机器人姿态调整控制系统，其特征在于：所述主控模块由型号为STC12LE5202AD的芯片U3构建而成，芯片U3的XTAL1引脚、XTAL2引脚之间连接有由晶振Y1、电容C7、电容C8构成的晶振电路，芯片U3的GND引脚接地，芯片U3的P1.6引脚通过电容C6、P1.7引脚通过电容C5分别接地，电源模块提供电源VCC3.3供电至芯片U3的VCC引脚，芯片U3的VCC引脚还通过电容C4接地。

所述的一种轮式护理机器人姿态调整控制系统，其特征在于：所述蓝牙模块包括两块型号分别为HM10的蓝牙通讯板U5、U6，以及单刀双掷拨动选择开关S1，其中蓝牙通讯板U5为安卓系统客户端蓝牙板，蓝牙通讯板U6为IOS系统客户端蓝牙板，两块蓝牙通讯板U5、U6的引脚24共接后依次通过电阻R21、正向的发光二极管LED2接地，两块蓝牙通讯板U5、U6的引脚13分别接地，蓝牙通讯板U5、U6的引脚1共接后通过0欧的电阻Rser与主控模块中芯片U3的RXD/P3.0引脚连接，蓝牙通讯板U5、U6的引脚2共接后通过0欧的电阻Rcom与主控模块中芯片U3的TXD/P3.1引脚连接，选择开关S1输入引脚1、输入引脚3分别与蓝牙通讯板U5、蓝牙通讯板U6的引脚12连接，电源模块提供电源VCC3.3通过电阻R19供电至选择开关S1的引脚2。

所述的一种轮式护理机器人姿态调整控制系统，其特征在于：所述客户端模块包括安卓系统客户端和IOS系统客户端。

所述的一种轮式护理机器人姿态调整控制系统，其特征在于：各个电机的电机驱动模块结构相同，每个电机驱动模块分别采用继电器驱动电路，包括继电器K1和继电器K2，继电器K1引脚4和引脚5之间接有二极管D1，且二极管D1正极与继电器引脚5之间通过导线与二级功率开关保护电路连接，继电器K2引脚4和引脚5之间接有二极管D5，且二极管D5正极与继电器引脚5之间通过导线与二级功率开关保护电路连接，继电器K1、K2的引脚2分别接地，还包括二极管D2、D3、D6、D7构成的二极管整流桥，继电器K1的引脚1通过热敏电阻R5与二极管整流桥输入端连接，二极管整流桥输入、输出端还共同通过两针连接器P2与各个推杆电机连接，所述电源模块提供电源VCC24分别供电至继电器K1的引脚4和引脚3、继电器K2的引脚4和引脚3、二极管整流桥其中一个电源端，二极管整流桥另一端电源端接地。

所述的一种轮式护理机器人姿态调整控制系统，其特征在于：还包括有分别连接在主控模块与各个电机驱动模块之间的两个二级功率开关电路，第一个二级功率开关电路分别包括PNP型三极管Q1和NPN型三极管Q2，电源模块提供电源VCC3.3供电至三极管Q1的发射极，三极管Q1的基极通过电阻R9与主控模块中芯片U3的P1.1引脚连接，三极管Q1的集电极通过电阻R10与三极管Q2的基极连接，三极管Q2的基极还通过电阻R11接地，三极管Q2的发射极接地，三极管Q2的集电极连接至电机驱动模块中继电器K1引脚5与二极管D1正极之间；

第二个二级功率开关电路分别包括PNP型三极管Q3和NPN型三极管Q4，电源模块提供电源VCC3.3供电至三极管Q3的发射极，三极管Q3的基极通过电阻R12与主控模块中芯片U3的P1.0引脚连接，三极管Q3的集电极通过电阻R14与三极管Q4的基极连接，三极管Q4的基极还通过电阻R15接地，三极管Q4的发射极接地，三极管Q4的集电极连接至电机驱动模块中继电器K2引脚5与二极管D5正极之间。

所述的一种轮式护理机器人姿态调整控制系统，其特征在于：还包括电池电量测量电路，电池电量测量电路包括型号为LM358的运算放大器U1A、两针的连接器P1，U1A的输出端与主控模块中芯片U3的P1.6引脚连接，电源模块提供电源VCC5供电至运算放大器U1A的正电源端，运算放大器U1A的负电源端接地，运算放大器U1A的同相输入端接地，运算放大器U1A的反相输入端通过电阻R3与连接器P1的引脚2连接，电阻R3与连接器P1的引脚2之间通过电阻R4接地，运算放大器U1A的反相输入端还通过电阻R6与自身的输出端连接，连接器P1的引脚1通过电阻R1与主控模块中芯片U3的P1.7引脚连接，电阻R1与主控模块之间还通过电阻R2接地，电源模块提供电源VCC24供电至连接器P1的引脚1。

本实用新型涉及轮式护理机器人坐姿，躺姿，站姿三种姿态的调整，可以方便下肢瘫痪残障人士和腿脚不方便的老年人对下肢的保健训练，采用客户端软件控制姿态的调整克服了距离的阻碍，方便了用户的使用。

与现有技术相比，本实用新型的优点是：（1）通过客户端操纵控制实现轮式护理机器的姿态调整，克服了距离的阻碍，使处于轮式护理机器人一定的距离范围内都能实现机器人的姿态调整。（2）通过客户端按键轻松控制护理机器人坐姿，躺姿，站姿的调整，操作简单方便。

附图说明

图1是本实用新型的机构总体架构图。

图2是本实用新型的电气控制总体结构模块图。

图3是本实用新型的电气控制蓝牙模块电路图。

图4是本实用新型的电气控制主控模块电路图。

图5是本实用新型的电气控制二级功率开关保护电路图，其中：

图5a为第一个电气控制二级功率开关保护电路图，图5b为第二个电气控制二级功率开关保护电路图。

图6是本实用新型的电气控制电机驱动模块电路图。

图7是本实用新型的电气控制电池电量检测电路图。

图8是本实用新型的轮式护理机器人躺姿示意图。

图9是本实用新型的轮式护理机器人站姿示意图。

图10是本实用新型的姿态调整过程流程图。

具体实施方式

如图1、图2、图8、图9所示，一种轮式护理机器人姿态调整控制系统，包括有机械结构和电气控制系统，其中：

机械结构包括水平设置的支架7，支架7上水平活动设置有椅座8，椅座8后端向上倾斜铰接连接有椅背1，椅座8前端向下倾斜铰接连接有腿部支撑6，支架7底部位于椅座8下方铰接安装有椅座推杆电机4、位于腿部支撑6后方铰接安装有腿部支撑推杆电机5，其中椅座推杆电机4输出轴倾斜向上铰接在椅座8底部，腿部支撑推杆电机5输出轴向前铰接在腿部支撑6后侧，支架7后部位于椅背1下方还铰接安装有椅背推杆电机3，椅背推杆电机3输出轴倾斜向上铰接在椅背1后侧；

电气控制系统包括主控模块、蓝牙模块、客户端模块、电机驱动模块、电源模块，其中主控模块通过蓝牙模块与客户端模块双向通讯连接，主控模块信号输出端与电机驱动模块信号输入端连接，所述电源模块分别供电至主控模块、蓝牙模块、客户端模块、电机驱动模块，所述电气控制系统通过蓝牙模块与客户端模块进行通讯，主控模块接收客户端模块通过蓝牙模块传来的指令数据，控制电机驱动模块，从而控制各个推杆电机动作，实现轮式护理机器人的姿态调整。

如图4所示，主控模块由型号为STC12LE5202AD的芯片U3构建而成，芯片U3的XTAL1引脚、XTAL2引脚之间连接有由晶振Y1、电容C7、电容C8构成的晶振电路，芯片U3的GND引脚接地，芯片U3的P1.6引脚通过电容C6、P1.7引脚通过电容C5分别接地，电源模块提供电源VCC3.3供电至芯片U3的VCC引脚，芯片U3的VCC引脚还通过电容C4接地。

如图3所示，蓝牙模块包括两块型号分别为HM10的蓝牙通讯板U5、U6，以及单刀双掷拨动选择开关S1，其中蓝牙通讯板U5为安卓系统客户端蓝牙板，蓝牙通讯板U6为IOS系统客户端蓝牙板，两块蓝牙通讯板U5、U6的引脚24共接后依次通过电阻R21、正向的发光二极管LED2接地，两块蓝牙通讯板U5、U6的引脚13分别接地，蓝牙通讯板U5、U6的引脚1共接后通过0欧的电阻Rser与主控模块中芯片U3的RXD/P3.0引脚连接，芯片U5、U6的引脚2共接后通过0欧的电阻Rcom与主控模块中芯片U3的TXD/P3.1引脚连接，选择开关S1输入引脚1、输入引脚3分别与蓝牙通讯板U5、蓝牙通讯板U6的引脚12连接，电源模块提供电源VCC3.3通过电阻R19供电至选择开关S1的引脚2。

客户端模块包括安卓系统客户端和IOS系统客户端。

如图6所示，电机驱动模块采用继电器驱动电路，包括继电器K1和继电器K2，继电器K1引脚4和引脚5之间接有二极管D1，且二极管D1正极与继电器引脚5之间通过导线与主控模块连接，继电器K2引脚4和引脚5之间接有二极管D5，且二极管D5正极与继电器引脚5之间通过导线与主控模块连接，继电器K1、K2的引脚2分别接地，还包括二极管D2、D3、D6、D7构成的二极管整流桥，继电器K1的引脚1通过热敏电阻R5与二极管整流桥输入端连接，二极管整流桥输入、输出端还共同通过两针连接器P2与各个推杆电机连接，所述电源模块提供电源VCC24分别供电至继电器K1的引脚4和引脚3、继电器K2的引脚4和引脚3、二极管整流桥其中一个电源端，二极管整流桥另一端电源端接地。

如图5所示，还包括有分别连接在主控模块与各个电机驱动模块之间的两个二级功率开关电路，第一个二级功率开关电路分别包括PNP型三极管Q1和NPN型三极管Q2，电源模块提供电源VCC3.3供电至三极管Q1的发射极，三极管Q1的基极通过电阻R9与主控模块中芯片U3的P1.1引脚连接，三极管Q1的集电极通过电阻R10与三极管Q2的基极连接，三极管Q2的基极还通过电阻R11接地，三极管Q2的发射极接地，三极管Q2的集电极连接至电机驱动模块中继电器K1引脚5与二极管D1正极之间；

第二个二级功率开关电路分别包括PNP型三极管Q3和NPN型三极管Q4，电源模块提供电源VCC3.3供电至三极管Q3的发射极，三极管Q3的基极通过电阻R12与主控模块中芯片U3的P1.0引脚连接，三极管Q3的集电极通过电阻R14与三极管Q4的基极连接，三极管Q4的基极还通过电阻R15接地，三极管Q4的发射极接地，三极管Q4的集电极连接至电机驱动模块中继电器K2引脚5与二极管D5正极之间。

如图7所示，还包括电池电量测量电路，电池电量测量电路包括型号为LM358的运算放大器U1A、两针的连接器P1，U1A的输出端与主控模块中芯片U3的P1.6引脚连接，电源模块提供电源VCC5供电至运算放大器U1A的正电源端，运算放大器U1A的负电源端接地，运算放大器U1A的同相输入端接地，运算放大器U1A的反相输入端通过电阻R3与连接器P1的引脚2连接，电阻R3与连接器P1的引脚2之间通过电阻R4接地，运算放大器U1A的反相输入端还通过电阻R6与自身的输出端连接，连接器P1的引脚1通过电阻R1与主控模块中芯片U3的P1.7引脚连接，电阻R1与主控模块之间还通过电阻R2接地，电源模块提供电源VCC24供电至连接器P1的引脚1。

本实用新型中，如图1，图8，图9所示，椅背推杆电机3输出轴端铰接安装在椅背1上，椅背推杆电机3另一端铰接安装在安装在椅座8下方的支架7上，椅座推杆电机4输出轴端铰接安装在椅座8上，椅座推杆电机4另一端铰接安装在椅座8下方的支架7上，腿部支撑推杆电机5输出轴端铰接安装在腿部支撑6后侧，腿部支撑推杆电机5另一端安装在椅座8下方的支架7上，所述基于单片机的轮式护理机器人姿态调整系统一般情况处于坐姿状态下，如图1所示；腿部支撑推杆电机5动作，以支架7为支点，推动腿部支撑6以腿部支撑6与椅座8铰接轴为转动轴转动，直至腿部支撑6转动到水平位置，椅背推杆电机3动作，以椅背支架为支点，推动椅背1以椅背1与椅座8铰接轴为转动轴转动，直至椅背1转动到水平位置，即实现了基于单片机的轮式护理机器人由坐姿到躺姿的调整，如图8所示；椅座推杆电机4动作，以支架7为支点，推动椅座8以椅座8与腿部支撑6铰接轴为转动轴转动，椅背推杆电机3以椅背支架为支点，推动椅背1以椅背1与椅座8铰接轴为转动轴转动，椅座推杆电机4和椅背推杆电机3配合动作，直至椅座与椅背与竖直方向成一定角度向后倾斜的位置，即实现了基于单片机的轮式护理机器人由坐姿到站姿的调整，如图9所示。

本实用新型中，如图2和图10所示，所述轮式护理机器人电气控制系统包括客户端模块、主控模块、蓝牙模块、电机驱动模块和电源模块，客户端模块中的客户端软件通过蓝牙技术向蓝牙模块发送轮式护理机器人姿态调整指令，蓝牙模块客户端系统选择开关S1根据客户端软件系统选择好相应的客户端系统蓝牙板接收指令传给主控模块的主控芯片STC单片机（如图4所示），主控芯片经过综合分析后，向电机驱动模块发出驱动指令，通过二级功率开关电路和继电器电路来驱动推杆电机3、推杆电机4、推杆电机5动作，从而实现轮式护理机器人姿态调整，如图1、8、9所示。电源模块主要用于为蓝牙模块、主控模块、电机驱动模块供电，其中蓝牙模块供电电源为VCC3.3，主控模块供电电源为VCC3.3，电机驱动模块供电电源为VCC24和VCC3.3，电池电量检测电路供电电压为VCC5。

本实用新型中，如图3所示，蓝牙模块包括两块蓝牙通讯板，分别适用于安卓系统客户端和IOS系统客户端，其中U5为安卓系统客户端蓝牙板，U6为IOS系统客户端蓝牙板，S1为切换安卓系统和IOS系统切换开关，在串口通讯信号线上串接0欧姆的电阻Rser和Rcom来抗窄脉冲，从而保护主控芯片。

本实用新型中，如图4所示，主控模块主要为主控芯片STC12LE5202AD单片机最小系统，主控模块控制三台推杆电机。串口通讯为双用接口，一方面用于蓝牙模块通讯，另一方面用于控制驱动程序的烧写。

本实用新型中，如图5所示，主控芯片与电机驱动电路中间串接二级功率开关电路，所述二级功率开关电路包括两个三极管，其中Q1为PNP型三极管，Q2为NPN型三极管,所述二级功率开关电路一方面降低电机驱动模块消耗的功率，另一方面保护整个电气控制系统上电复位时电机不启动，来保护电机不被烧坏。

本实用新型中，如图6所示，电机驱动模块采用继电器驱动电路，既能很好的保护电机，又可方便有效的驱动直流电机，实现了小电流驱动大电流的功能。肖特基二极管D1和D5用于保护继电器线圈，消耗由于二级功率开关电路瞬时关断时产生的瞬时电动势，肖特基二极管D2、D3、D6、D7用于保护直流电机不被烧坏，其中D2、D6安装并保护M1A支路，D3、D7安装并保护M1B支路。

本实用新型中，如图7所示，电池电量的测量电路采用LM358双运算放大器，采用反相放大原理，并设定基准参考电压AD1便于AD2模拟电压的AD转换，小值电阻R4用于检测电池电量的备用电路，所述电池电量测量电路简单实用性强。

Claims (7)

1.一种轮式护理机器人姿态调整控制系统，其特征在于：包括有机械结构和电气控制系统，其中：

所述机械结构包括水平设置的支架，支架上水平活动设置有椅座，椅座后端向上倾斜铰接连接有椅背，椅座前端向下倾斜铰接连接有腿部支撑，支架底部位于椅座下方铰接安装有椅座推杆电机、位于腿部支撑后方铰接安装有腿部支撑推杆电机，其中椅座推杆电机输出轴倾斜向上铰接在椅座底部，腿部支撑推杆电机输出轴向前铰接在腿部支撑后侧，支架后部位于椅背下方还铰接安装有椅背推杆电机，椅背推杆电机输出轴倾斜向上铰接在椅背后侧；

所述电气控制系统包括主控模块、蓝牙模块、客户端模块、电机驱动模块、电源模块，其中主控模块通过蓝牙模块与客户端模块双向通讯连接，主控模块信号输出端与电机驱动模块信号输入端连接，所述电源模块分别供电至主控模块、蓝牙模块、客户端模块、电机驱动模块，所述电气控制系统通过蓝牙模块与客户端模块进行通讯，主控模块接收客户端模块通过蓝牙模块传来的指令数据，控制各个推杆电机对应的电机驱动模块，从而控制各个推杆电机动作，实现轮式护理机器人的姿态调整。

2.根据权利要求1所述的一种轮式护理机器人姿态调整控制系统，其特征在于：所述主控模块由型号为STC12LE5202AD的芯片U3构建而成，芯片U3的XTAL1引脚、XTAL2引脚之间连接有由晶振Y1、电容C7、电容C8构成的晶振电路，芯片U3的GND引脚接地，芯片U3的P1.6引脚通过电容C6、P1.7引脚通过电容C5分别接地，电源模块提供电源VCC3.3供电至芯片U3的VCC引脚，芯片U3的VCC引脚还通过电容C4接地。

3.根据权利要求1或2所述的一种轮式护理机器人姿态调整控制系统，其特征在于：所述蓝牙模块包括两块型号分别为HM10的蓝牙通讯板U5、U6，以及单刀双掷拨动选择开关S1，其中蓝牙通讯板U5为安卓系统客户端蓝牙板，蓝牙通讯板U6为IOS系统客户端蓝牙板，两块蓝牙通讯板U5、U6的引脚24共接后依次通过电阻R21、正向的发光二极管LED2接地，两块蓝牙通讯板U5、U6的引脚13分别接地，蓝牙通讯板U5、U6的引脚1共接后通过0欧的电阻Rser与主控模块中芯片U3的RXD/P3.0引脚连接，蓝牙通讯板U5、U6的引脚2共接后通过0欧的电阻Rcom与主控模块中芯片U3的TXD/P3.1引脚连接，选择开关S1输入引脚1、输入引脚3分别与蓝牙通讯板U5、蓝牙通讯板U6的引脚12连接，电源模块提供电源VCC3.3通过电阻R19供电至选择开关S1的引脚2。

4.根据权利要求1所述的一种轮式护理机器人姿态调整控制系统，其特征在于：所述客户端模块包括安卓系统客户端和IOS系统客户端。

5.根据权利要求1或2所述的一种轮式护理机器人姿态调整控制系统，其特征在于：各个电机的电机驱动模块结构相同，每个电机驱动模块分别采用继电器驱动电路，包括继电器K1和继电器K2，继电器K1引脚4和引脚5之间接有二极管D1，且二极管D1正极与继电器引脚5之间通过导线与二级功率开关保护电路连接，继电器K2引脚4和引脚5之间接有二极管D5，且二极管D5正极与继电器引脚5之间通过导线与二级功率开关保护电路连接，继电器K1、K2的引脚2分别接地，还包括二极管D2、D3、D6、D7构成的二极管整流桥，继电器K1的引脚1通过热敏电阻R5与二极管整流桥输入端连接，二极管整流桥输入、输出端还共同通过两针连接器P2与各个推杆电机连接，所述电源模块提供电源VCC24分别供电至继电器K1的引脚4和引脚3、继电器K2的引脚4和引脚3、二极管整流桥其中一个电源端，二极管整流桥另一端电源端接地。

6.根据权利要求5所述的一种轮式护理机器人姿态调整控制系统，其特征在于：还包括有分别连接在主控模块与各个电机驱动模块之间的两个二级功率开关电路，第一个二级功率开关电路分别包括PNP型三极管Q1和NPN型三极管Q2，电源模块提供电源VCC3.3供电至三极管Q1的发射极，三极管Q1的基极通过电阻R9与主控模块中芯片U3的P1.1引脚连接，三极管Q1的集电极通过电阻R10与三极管Q2的基极连接，三极管Q2的基极还通过电阻R11接地，三极管Q2的发射极接地，三极管Q2的集电极连接至电机驱动模块中继电器K1引脚5与二极管D1正极之间；

第二个二级功率开关电路分别包括PNP型三极管Q3和NPN型三极管Q4，电源模块提供电源VCC3.3供电至三极管Q3的发射极，三极管Q3的基极通过电阻R12与主控模块中芯片U3的P1.0引脚连接，三极管Q3的集电极通过电阻R14与三极管Q4的基极连接，三极管Q4的基极还通过电阻R15接地，三极管Q4的发射极接地，三极管Q4的集电极连接至电机驱动模块中继电器K2引脚5与二极管D5正极之间。

7.根据权利要求1或2所述的一种轮式护理机器人姿态调整控制系统，其特征在于：还包括电池电量测量电路，电池电量测量电路包括型号为LM358的运算放大器U1A、两针的连接器P1，U1A的输出端与主控模块中芯片U3的P1.6引脚连接，电源模块提供电源VCC5供电至运算放大器U1A的正电源端，运算放大器U1A的负电源端接地，运算放大器U1A的同相输入端接地，运算放大器U1A的反相输入端通过电阻R3与连接器P1的引脚2连接，电阻R3与连接器P1的引脚2之间通过电阻R4接地，运算放大器U1A的反相输入端还通过电阻R6与自身的输出端连接，连接器P1的引脚1通过电阻R1与主控模块中芯片U3的P1.7引脚连接，电阻R1与主控模块之间还通过电阻R2接地，电源模块提供电源VCC24供电至连接器P1的引脚1。