CN205215560U - 基于arduino系统自动行驶的可折叠轮毂电机智能轮椅 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了基于arduino系统多模态控制的可折叠轮毂电机轮椅，基于arduino系统控制，可用推杆电机调节轮椅靠背支架、腿部支架角度，以便实现轮椅-床之间的自动变形，并提升舒适度；可用语音控制轮椅实现多种姿态的运动，且可完成语音、自动跟随、遥控、万向手柄四种控制模式的切换；当设定好行驶的路径之后，可实现轮椅GPS定位，能按照预定的路径自动行驶，同时自动避开移动和静止的障碍物，并实时在电子地图上更新其位置，并具有偏离设定活动区域后自动报警的功能。该轮椅还可以实现远程的视频监控和通讯，方便对有特殊需求的老年人进行护理。轮椅上安装了娱乐装置，可播放收音机，还可以对老年人的背部和腿部进行按摩。该轮椅采用轮毂电机后轮驱动方式，减少传统的齿轮或链条传动的复杂机械结构，更加轻便灵巧，可靠性和机械效率较高。

Description

基于arduino系统自动行驶的可折叠轮毂电机智能轮椅

技术领域

本发明属于日常生活用品技术领域，具体设计基于arduino系统自动行驶的可折叠轮毂电机智能轮椅。

背景技术

电动轮椅是诸如残疾人、年迈体弱者、步履艰难者、肢体受伤者和医疗临床康复患者之类的特殊人群代步工具。电动轮椅的整体结构是公知的，具体而言包括车体和电动行走机构。车体包括车架、轮子（一对前轮和一对后轮）、椅座、椅背和扶手；电动行走机构包括电动行走车轮支架、控制器、电源和一对电动行走轮。在公开的中国专利文献中不乏关于电动轮椅的技术信息，如授权公告号CN2745544Y（多功能电动轮椅车），CN201379725Y（避障电动轮椅车）。并非限于举例的上述专利方案，虽然各自具有相应的技术效果，但存在以下不足，电动轮椅电动行走机构一般采用电机连接齿轮或链条驱动动力轮，这种机构结构复杂，增加车体重量，并且链条或齿轮裸露可能造成安全隐患。电动轮椅在运动模式上单一化，仅能遥控或语音控制，速度仅靠经验调节不能自动根据周围环境状况调节，不易满足用户的不同需求。缺少电子辅助系统，可控性较差。轮椅控制系统较为复杂、笨重不能折叠。

由于上述不足，在特殊人群中，同时配置不同功能的轮椅并不多见，而且增加费用，日常储藏也会带来不便，鉴于上述已有技术，有必要加以改进，为此，本申请人作了有益的设计，形成了下面将要介绍的技术方案，并且自行制作了样机，结果证明是切实可行的。

发明内容

基于arduino系统自动行驶的可折叠轮毂电机智能轮椅，其特征包括：车体、电动运动机构、控制系统和娱乐系统。所述车体包括：座椅支架、靠背支架、腿部支架、两个扶手、按摩座椅、按摩靠背和按摩腿部垫。所述电动运动机构包括：一对前万向轮支架、一对导向轮、一对后轮毂电机式车轮、一对前轮轴和一对后轮轴。所述控制系统包括：固定支撑板、电源、主控制箱、一个操作手柄、四个超声传感器、两个超声传感器支架、一个3GWIFI摄像头、一个摄像头“L”型可伸缩固定杆和两个推杆电机。所述娱乐系统包括：收音机模块、MP3模块、按摩模块和固态继电器。

所述主控制箱包括：arduinomega2560单片机、电机控制驱动模块、语音识别模块、语音合成模块、语音输入/输出模块、操作手柄控制模块、视频解码传输模块、9轴姿态传感器和GPS定位模块。

所述车体采用可折叠结构，座椅支架采用交叉折叠杆，靠背支架和腿部支架采用伸缩杆，实现折叠功能，并且采用高强度铝合金空心杆作为车体材料，即可折叠又轻便，可放入车后备箱，方便出行。

所述arduinomega2560单片机系统具有多路数字、模拟IO接口，硬件驱动库函数非常全面，编程简单易于实现，用于控制电动轮椅具有很大优势。

所述一对后轮毂电机式车轮做为轮椅动力驱动轮，arduinomega2560单片机通过电机控制驱动模块，控制后轮毂电机，完成轮椅的驱动，采用后轮毂电机式车轮，简化了齿轮链条传动的复杂机械结构。

所述两个推杆电机用于调节靠背支架和腿部支架的倾斜角度，arduinomega2560单片机通过电机控制驱动模块，控制两个推杆电机，实现椅-床变形。

所述GPS定位模块实时确定轮椅所在位置，并且利用9轴运动姿态传感器，感应轮椅的运动速度、方向和倾角。当检测出运动姿态超出安全范围时，反馈给arduinomega2560单片机，控制电机控制驱动模块做出相应的调整，防止轮椅侧翻。

所述语音识别模块、语音合成模块、语音输入/输出模块用于识别、合成语音命令并作出相应指令。

所述视频解码传输模块，收集3G-WIFI摄像头拍摄的影像，可为远程遥控操作者提供影像信息。

所述娱乐系统是用户可通过语音或按键输入指令，通过语音识别模块、语音合成模块、语音输入/输出模块或者操作手柄控制模块将指令传递给arduinomega2560单片机，arduinomega2560单片机控制固态继电器完成收音机、按摩和MP3功能。

所述GPS定位模块、9轴姿态传感器，结合超声传感器，通过arduinomega2560单片机处理运算，可实现动态路径规划及多目标避障。

所述电机控制驱动模块通过脉宽调控制方式，来控制两个后轮毂式电动机和两个推杆电机工作。

所述基于arduino系统自动行驶的可折叠轮毂电机智能轮椅，其特征在于：可选择语音控制、手动控制、随动控制和遥控控制四种不同控制模式。

所述操作手柄具有一个摇杆、四个物理按键和一个麦克风，安装在左侧扶手的最前端。

所述四个超声传感器分别安装在两个超声传感器支架上，每一个超声传感器的扫面角度为15度。

所述一个3G-WIFI摄像头安装在摄像头支架上，位于轮椅最高处，角度保持与水平面成28度角。

附图说明

图1为轮椅整体结构图。

1.3GWIFI摄像头2.“L”型可伸缩固定杆3.按摩靠背垫4.靠背支架5.扶手6.推杆电机7.后铰链8.超声传感器9.超声传感器支架10.后轮毂电机式车轮11.座椅支架12.主控制箱13.交叉折叠杆14.腿部支架15.导向轮支架16.导向轮17.脚蹬18.按摩腿部垫19.前铰链20.按摩座垫21.操作手柄

图2为语音控制流程图。

图3为自动导航流程图。

图4为娱乐功能流程图。

图5为椅-床变形功能流程图。

具体实施方式

本发明是为了提供基于arduino系统自动行驶的可折叠轮毂电机智能轮椅，而满足用户灵活需求的电动轮椅。

基于arduino系统自动行驶的可折叠轮毂电机智能轮椅，其特征在于：包括电动行走机构、车体、控制系统和娱乐系统，如配图1。所述车体包括座椅支架、靠背支架、腿部支架、两个扶手、按摩座椅、按摩靠背和按摩腿部垫。所述座椅支架由两根上顶面侧面支撑杆、两根竖直前支撑杆、两根竖直后支撑杆、一根下底面后支撑杆、两根下底面侧面支撑杆、四根交叉折叠杆、两个前铰链和两个后铰链组成。一根下底面后支撑杆和两根下底面侧面支撑杆互相垂直焊接；两根下底面侧面支撑杆的一端分别与两根竖直前支撑杆焊接，两根竖直后支撑杆分别与下底面后支撑杆和下底面侧面支撑杆相交处焊接；两根上顶面侧面支撑杆分别连接两侧竖直支撑杆并焊接，两个前铰链分别焊接在座椅支架的左右前端，两个后铰链分别焊接在座椅支架的左右后端；13四根交叉折叠杆分别与两根上顶面支撑杆和两根下底面支撑杆连接。

所述靠背支架由两根靠背支撑杆和一根水平伸缩杆组成。两根靠背支撑杆通过7后铰链与座椅支架铰接并通过螺栓螺母固定，两根靠背支撑杆另一端通过水平伸缩杆固定连接。

所述腿部支架由两根腿部支撑杆、一根水平伸缩杆和两个脚踏组成。两根腿部支撑杆通过两个19前铰链与座椅支架铰接并通过螺栓螺母固定，两根腿部支撑杆通过水平伸缩杆固定连接，两个脚踏分别安装在两根腿部支撑杆的下端。

所述扶手由两根摇杆和扶手组成，两根摇杆安装在座椅支架一侧，摇杆上端用扶手连接，扶手另一端通过螺钉固定在靠背支架上。所述按摩座椅、按摩靠背和按摩腿部垫通过水平伸缩杆分别固定在座椅支架、靠背支架和腿部支架上。

所述电动行走系统由一对前万向导向轮支架、一对导向轮、一对后轮毂电机式车轮、一对前轮轴和一对后轮轴组成。一对前万向导向轮支架固定连接在座椅支架的两根竖直前支撑杆下端，一对导向轮通过前轮轴安装在导向轮支架上，一对后轮毂电机式车轮通过后轮轴安装在座椅支架的两根竖直后支撑杆上，位置关系保证轮椅的水平。

所述控制系统包括：固定支撑板、稳压电源系统、主控制箱、一个操作手柄、四个超声传感器、两个超声传感器支架、一个3GWIFI摄像头、一个摄像头“L”型可伸缩固定杆和两个推杆电机。

所述固定支撑板安装在座椅支架的右侧下底面支撑杆和右侧上顶面支撑杆所在的平面上，提供系统固定平面。

所述稳压电源系统稳压器电路由12V电源电路、电压检测控制电路、过电压保护组成，安装在固定支撑板上，提供轮椅所需电力。

所述主控制箱由arduinomega2560单片机、电机控制驱动模块、语音识别模块、语音合成模块、语音输入/输出模块、操作手柄控制模块、视频解码传输模块、9轴姿态传感器和GPS定位模块组成。采用arduino系统搭建控制平台可简化系统，主控制箱固定安装在固定支撑板上。

所述语音识别模块、语音合成模块、语音输入/输出模块用于识别、合成语音命令并作出相应指令，如当用户发出前进口令时，麦克风将口令传递给语音识别模块，语音识别模块将口令转化为响应的电信号，语音控制模块接受到电信号，将命令传递给电机控制模块，电机控制模块控制一对后轮轮毂式电机同时工作，轮椅向前运动，如配图2。

所述操作手柄，安装在轮椅左侧扶手最前端，上面设有一个摇杆、四个物理按键和一个麦克风，作为使用者命令的输入端。所述操作手柄控制模块是识别用户通过操作手柄下达的指令。

所述四个超声传感器分别安装在左右两个超声传感器支架上，保证每个超声传感器与水平面平行，扫描角度为90度，采集轮椅周围360度的障碍信息。所述超声传感器支架一端固定在座椅支架竖直后支撑杆上，另一端通过螺栓固定在后轮轴上。所述9轴姿态传感器固定在固定支撑板上，采集轮椅的运动姿态。

所述GPS定位模块、9轴姿态传感器，结合超声传感器，通过arduinomega2560单片机处理运算，可实现动态路径规划及多目标避障，如配图3。

所述娱乐系统是用户可通过语音或按键输入指令，通过语音识别模块、语音合成模块、语音输入/输出模块或者操作手柄控制模块将指令传递给arduinomega2560单片机，arduinomega2560单片机控制固态继电器完成收音机、按摩和MP3功能，如配图4。

所述GPS定位模块实时确定轮椅所在位置，并且利用9轴运动姿态传感器，感应轮椅的运动速度、方向和倾角。当检测出运动姿态超出安全范围时，反馈给arduinomega2560单片机，控制电机控制驱动模块做出相应的调整，防止轮椅侧翻。

所述视频解码传输模块，收集3G-WIFI摄像头拍摄的影像，可为远程遥控操作者提供影像信息。所述摄像头通过摄像头固定杆安装在轮椅左侧靠背支撑杆上，采集轮椅周围的视景信息。所述3G-WIFI摄像头固定杆为“L”型伸缩杆，一端固定在左侧靠背支撑杆上。3G-WIFI摄像头保证与水平面呈28度。

所述两个推杆电机，前推杆电机一端安装在座椅支架的左侧水平支撑杆上，另一端安装在腿部支撑架的左侧腿部支撑杆上；后推杆电机一端安装在座椅支架的左侧水平支撑杆上，另一端安装在靠背支架的左侧靠背支撑杆上。用于靠背和腿部支撑的角度调节。

所述电机驱动控制模块是控制一对后轮轮毂式电机和两个推杆电机工作，可实现轮椅运动方向、车速以及靠背和腿部倾斜角度的调节，如配图5。

特别需要指出，对于本领域的普通技术人员来说，在本实用新型的教导下所作的针对本实用新型的等效变化，仍应包含在本实用新型申请专利范围所主张的范围中。

Claims (10)

1.基于arduino系统自动行驶的可折叠轮毂电机智能轮椅，其特征包括：车体、轮毂电机驱动机构、控制系统和娱乐系统。所述车体包括：11座椅支架、4靠背支架、14腿部支架、5两个扶手、20按摩座垫、3按摩靠背垫和18按摩腿部垫。所述轮毂电机驱动机构包括：15一对前导向轮支架、16一对导向轮、10一对后轮毂电机式车轮、一对前轮轴和一对后轮轴。所述控制系统包括：固定支撑板、电源、12主控制箱、21一个操作手柄、8四个超声传感器、9两个超声传感器支架、1一个3GWIFI摄像头、2一个摄像头“L”型可伸缩固定杆和6两个推杆电机。所述娱乐系统包括：收音机模块、MP3模块、按摩垫模块和固态继电器。

2.权利要求1所述的基于arduino系统自动行驶的可折叠轮毂电机智能轮椅，其特征在于：所述主控制箱包括：arduinomega2560单片机、电机控制驱动模块、语音识别模块、语音合成模块、语音输入/输出模块、操作手柄控制模块、视频解码传输模块、9轴姿态传感器和GPS定位模块。

3.权利要求1所述的基于arduino系统自动行驶的可折叠轮毂电机智能轮椅，其特征在于：所述车体采用可折叠结构，并且采用高强度铝合金空心杆作为车体材料，即可折叠又轻便，可放入车后备箱，方便出行。

4.权利要求1所述的基于arduino系统自动行驶的可折叠轮毂电机智能轮椅，其特征在于：所述一对后轮毂电机式车轮做为轮椅动力驱动轮，简化齿轮或链条传动的复杂机械结构。

5.权利要求1所述的基于arduino系统自动行驶的可折叠轮毂电机智能轮椅，其特征在于：所述两个推杆电机用于调节靠背支架和腿部支架的倾斜角度至平躺，实现椅-床变形。

6.权利要求2所述的主控制箱，其特征在于：所述GPS定位模块实时确定轮椅所在位置，并且利用9轴运动姿态传感器，测量轮椅的运动速度、方向和倾角，实施特定目标的运动控制，并防止轮椅侧翻；所述GPS定位模块、9轴姿态传感器，结合超声传感器，通过arduinomega2560单片机编程来控制电动机的特定运动，可实现动态路径规划及多目标避障；所述四个超声传感器分别安装在超声传感器支架上，每一个超声传感器的扫面角度为15度。

7.权利要求2所述的主控制箱，其特征在于：所述视频解码传输模块，收集3G-WIFI摄像头拍摄的影像，可为远程遥控操作者提供影像信息；所述一个3G-WIFI摄像头安装在摄像头支架上，位于轮椅最高处，角度保持与水平面成28度角。

8.权利要求1所述的基于arduino系统自动行驶的可折叠轮毂电机智能轮椅，其特征在于：所述娱乐系统是用户通过输入指令，通过arduinomega2560单片机控制固态继电器完成收音机、按摩和MP3功能；其特征在于：可选择语音控制、手动控制、随动控制和遥控控制四种不同控制模式。

9.权利要求2所述的主控制箱，其特征在于：所述arduinomega2560单片机系统具有支持多种硬件模块的库文件，因此用来搭建系统非常简单方便，易于编程，极大的减低了软件开发的人力成本，用于控制电动轮椅具有很大的技术和成本优势。

10.权利要求2所述的主控制箱，其特征在于：所述电机控制驱动模块通过脉冲波宽调控制方式，来控制两个后轮毂式电动机和两个推杆电机工作。