CN211067537U - 一种多功能智能轮椅 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种多功能智能轮椅，其包括：一智能轮椅支架，用于保持或改变使用者的姿势；一设置在该支架上的传感器系统，一设置该支架上的驱动系统；一设置在该支架上的控制系统，用于采集传感器模块传来的数据并分析，控制轮椅支架实现前进、后退、左转、右转、停止的动作，以及驱动连杆机构实现四种姿势，并且进行异常识别和控制。本实用新型通过多传感器融合与多方式控制方法提高意图识别的准确性，通过人因工程学的分析提高意图识别的可靠性，解决了单价高而使用率等问题。

Description

一种多功能智能轮椅

技术领域

本实用新型涉及智能轮椅及计算机控制技术，及一种基于云平台的多功能智能轮椅。

背景技术

随着社会的发展和人类文明程度的提高，人们特别是老年人及残疾人愈来愈需要运用现代高新技术来改善他们的生活质量和生活自由度。因为年龄的增长，以及各种交通事故、天灾人祸和种种疾病，每年均有成千上万的人丧失一种或多种行动能力(如行走、动手能力等)。因此，对用于帮助老年人、残障人行走的机器人轮椅的研究已逐渐成为热点。

目前，国外在高档轮椅方面有了很大的发展，特别是在智能轮椅操作方式的多样性上，一方面是基于运动想象的脑机控制方式和基于语音识别的控制方式的两种操作方式的结合得到了较多的研究。另一方面，应用场所也大大扩展，例如IBOT智能轮椅不仅能够轻松平稳地在崎岖和很大坡度的路面行驶，还能够上下楼梯，而且可以利用2个后轮站立或行走。但是，其往往仅关注如何满足轮椅的行走功能而不关注康复训练等相关功能，导致智能轮椅存在价格高而实际使用率低的问题。

轮椅的人因工程分析与人机交互设计也十分关键。最早期的手势识别是需要可穿戴硬件例如数据手套来釆集手的信息，包括使用者的手掌空间位置、移动速度等。目前则开始越来越多的采用计算机视觉技术来捕捉人体手部动作，识别人的意图，并做出相应的控制命令。由于手部动作变化具有高随机性，计算机视觉的手势识别在应对不确定性与用户个性化需求方面具有天然的优势。

Intel近期在其CES上展示了一台基于Pride(美国电动代步车品牌)打造的全新智能轮椅系统。该系统最大特点是，可以根据用户的“表情”来控制轮椅。该电动轮椅前方配备有一个摄像头，它能实时捕捉用户面部表情，当摄像头捕捉到用户面部表情之后，将会传输到电动轮椅所搭载的计算机上，通过Intel所专门研发的人工智能算法，继而通过方向传感器来控制电动轮椅所搭载的方向舵，最后实现对电动轮椅运动姿态的控制；但是这种轮椅系统仍然只是关注使用者的行走问题，功能单一。

目前国内企业生产的电动轮椅性能优良的一般都采用国外进口的电动轮椅控制系统，如作为飞机零件制造供应商的美国柯蒂斯公司(Curtiss)、PG、丹尼贝克公司、日本拓自达公司的控制系统。依赖购买国外进口控制器不利于自主产品的升级和维修，而且导致产品成本居高不下，使得一般性能较好的电动轮椅价格偏贵，不为普通用户接受，进而阻碍了国内电动轮椅市场的发展。由于电动轮椅设计开发涉及到各个学科领域的交叉，如机械工程学、电子信息学、电机控制驱动技术、生物医学技术、产品设计学等支撑，所以其研发设计过程存在周期性长和困难。

现有公开号为CN109106522A、名称为“语音控制自动规划路径智能轮椅系统”的中国发明专利申请，目的在于提供了一种语音控制自动规划路径智能轮椅系统，包括有轮椅本体、驱动控制轮椅本体的轮椅控制系统，以及为轮椅控制系统提供语音控制指令输入的语音采集处理模块；还包括有设于轮椅支架上方的激光雷达定位系统。扶手处设有显示输入模块。使用者需要到达室内地图中某一位置时，通过直接点击地图中的位置后，自动规划路径并控制到达，或语音输入对应位置预设的编号指令后自动规划路径并控制到达，使用方便。

现有公开号为CN108814828A、名称为“一种智能轮椅”的中国发明专利申请，提供了一种多功能智能轮椅，包括车架及设置在车架上的运动部分、控制部分、制动部分、搁脚架部分及背靠部分。控制部分主要是控制台、控制显示器、操作杆及控制线束。通过扶手上安装的传感器可测量使用者的心率等基本参数，通过显示屏显示给使用者。

现有技术中，智能轮椅技术还存在如下问题：

1、智能轮椅的功能单一，无法兼顾使用者的行走和康复训练，尤其是不能帮助使用者实现肢体功能的恢复性康复训练。传统的轮椅的连杆通过焊接或螺钉固定，仅提供坐姿，并且脚靠板与脚踏不能运动以进行腿部的康复运动。轮椅姿势单一，功能单一，用户易疲劳。

2、智能轮椅关键技术还包括使用者意图判断和安全导航技术，现有技术采用的基本方法是靠超声波和红外测距，个别也采用了口令控制。超声波和红外导航的主要不足在于可控测范围有限，视觉导航可以克服这方面的不足。在机器人轮椅中，轮椅的使用者应是整个系统的中心和积极的组成部分。对使用者来说，机器人轮椅应具有与人交互的功能。这种交互功能可以很直观地通过人机语音对话来实现。尽管个别现有的移动轮椅可用简单的口令来控制，但真正具有多种交互功能的智能轮椅尚不多见。

3、现有智能轮椅设计不利于提供持续服务。持续的服务能力已经成为智能轮椅市场竞争的最大砝码。作为大型家用医疗器械中销售占比最大的一个品类，轮椅的售中售后服务一直是各大厂商和经销商头疼的问题，消费者在使用过程中出现的问题不能及时解决，会对企业和产品逐渐丧失信任。谁能更好的解决服务问题，谁就将在激烈的竞争中增加砝码。

4、现有轮椅设计不支持租赁代替购买。由于老人及病患群体往往属于低购买力群体，现有智能轮椅不能从根本上解决轮椅单价高买不起以及利用率低的问题。用租赁代替现有的购买形式，即将成轮椅市场未来的重要发展方向。但是现有的智能轮椅设计没有使用者身份验证、使用授权等功能，并不支持设备规模化的租赁运营和管理。

实用新型内容

本实用新型目的在于，针对现有技术的上述不足，提供一种基于云平台的多功能智能轮椅及其控制方法，以实现兼顾使用者的行走和康复训练的多种功能需求，对使用者意图进行模糊化判断和安全导航，支持通过云平台提供持续服务、和支持设备规模化的租赁运营及管理。

为实现上述目的，本实用新型提供的技术方案为：

一种多功能智能轮椅，其特征在于，其包括：

一智能轮椅支架，用于保持或改变使用者的姿势，其包括一设置在该支架上的连杆机构，用于带动多个部件的转动，以实现对使用者站立、平躺、坐姿、腿部康复四种姿势的调整；

一设置在该支架上的传感器系统，包括使用者人体检测传感模块、环境检测传感模块；其中，使用者人体检测传感模块用于采集轮椅使用者人体姿势与生理参数及所发出的运行指令的意图；环境检测传感模块用于采集智能轮椅所处的环境参数；

一设置该支架上的驱动系统，用于执行运行指令、驱动轮椅运行，保持使用者的姿势，并实现各种功能；

一设置在该支架上的控制系统，用于采集传感器模块传来的数据并分析，控制轮椅支架实现前进、后退、左转、右转、停止的动作，以及驱动连杆机构实现四种姿势，并且进行异常识别和控制。

所述的使用者人体检测传感模块包括压力传感器、微波雷达、脑电波传感器；在所述的轮椅支架的头枕、靠背、坐垫板上分别布设有压力传感器阵列，以同时采集人体头部、背部、臀部对轮椅表面的压力，利用微波雷达以获取使用者的手部动作及运动轨迹数据。

所述的轮椅支架，包括一矩形立方支架、设置在该支架底面上的底板，以及分别设置在该矩形立方支架上、至上而下依次连接的头枕、靠背、坐垫板、连接杆、脚靠板，脚踏板，两端分别设置在设置在靠背、坐垫板上的推拉伸缩杆，两端分别设置在坐垫板、底板上的推拉伸缩杆，两端分别设置在脚靠板、底板上的推拉伸缩杆；其中靠背与坐垫板、坐垫板与脚踏板之间为转动连接。

其中所述的靠背、坐垫板、脚靠板、脚踏板、连接杆、推拉伸缩杆构成实现多姿势调整的连杆机构；脚踏板、坐垫板、靠背、头枕四部件皆是水平时可作为平卧姿势用于睡眠；坐起姿态时靠背与头枕倾斜立起且脚踏板垂直放下；变为站起姿势时四部件皆是垂直立起。

所述的驱动系统，包括分别设置在矩形立方支架上的车轮、以及设置在坐垫板下方的蓄电池、伺服系统；所述的车轮包括两个后驱动轮、一个或两个前轮；所述的伺服系统包括电机减速器与电机。

本实用新型的有益效果为：

1、本实用新型提供的智能轮椅的功能多，可兼顾使用者的行走和康复训练，尤其是可以帮助使用者实现肢体功能的恢复性康复训练，提高设备的使用率。使用者可在轮椅上进行自主康复训练，包括腿部康复训练与姿势切换训练；腿部康复训练通过坐姿时双腿轮流往复运动实现；姿势切换训练通过坐姿与躺姿势切换、坐姿与站姿切换、站姿行走实现人体姿态变化，促进人体运动实现康复。

2、本实用新型提供的智能轮椅及其控制方法，提供了先进的基于多元化数据的使用者意图模糊化判断和安全导航。对使用者在使用过程实时检测并保护，包括利用使用者人体检测传感模块识别使用者意图以智能实现行驶与避险功能，也包括利用环境检测传感模块识别环境危险，通过云平台的行驶轨迹数据分析、轮椅高度变化检测、长时进入密闭空间检测，实现路径偏离、跌倒、困于密闭空间等危险情形的识别，保障使用者安全；

3、本实用新型通过多传感器融合与基于多元化数据分析的模糊化控制方法提高意图识别的准确性；利用微波雷达识别手指划动模式，以及利用压力传感器矩阵识别人的身体轮椅枕部、靠背、坐垫板位置的上下、左右压力差异与变化模式，通过多传感器融合对人体的动作进行多通道感应与综合判断，以明确识别使用者意图，提高意图识别的准确性与可靠性；

4、本实用新型通过人因工程学的分析提高意图识别的可靠性。本实用新型基于人体有意识及无意识运作能反映人的意图的原理，通过多传感器读取人体的压力等生物信息，理解人的愿望，满足人的要求。首先，在手势交互方式上，考虑到智控轮椅的使用者是老人、患者或是残疾人，在设计手势交互方式时考虑到他们手部动作的局限性和简单性，也考虑到轮椅的运动仅限于前、后、左、右转动及停车、加速的几种类型，因此采集手指的左右、上下与深度三个维度上的改变，足以判断相应动作意图，降低了系统复杂性并提高可靠性的目标。其次，在人的身体压力识别上，当使用者处于坐姿时，如果人意图前进，则会不自觉地身体前倾，导致上部、中部背位的压力减少，而下部臀位压力重心前移；当人意图向右侧前进时，则会不自觉地身体右转，导致中部腰背位的右侧位置压力增大，而左侧位置压力减少；当处于睡姿时，如人意图坐起，则会不自觉地发力意图坐起，导致下部臀位压力增加，而上部中部压力减少。基于同样的原理可以综合判断人的意图。

5、本实用新型提供的设计出新型的连杆结构，以简洁的机构实现了轮椅连同使用者在内的四种复杂的姿势：睡、坐、站、腿部运动，满足多种用途与应用场景需求。根据人体尺寸分布，以及腰部、臀部三维形态，设计出满足大多数人群尺寸的、符合人因工程学的新型坐垫板与靠背，提高舒适度。本实用新型采用体控的概念与技术，通过脑体混合控制提高控制精度，开发了相应的接口，使该轮椅成为一种开发的平台，方便将最新的脑控、体控技术集成到轮椅上，推动相关技术开发人员构成产业生态系统。

6、本实用新型通过云平台与轮椅的结合，使其适合新的商业模式。本实用新型通过云平台提供大数据分析及远程集中化管理服务，提供基于云平台的远程使用者身份识别、验证、授权管理、计时、计费等管理功能，设备供应商或者服务商基于设备持续提供服务、提升售中售后服务水平，同时，支持设备规模化的租赁运营和管理，支持设备的租赁代替购买，从根本上解决轮椅单价高以及利用率低的问题。

本实用新型还可通过云平台数据存储模块存储的使用者海量数据，进行大数据分析与提供多种增值服务、增加收入，以弥补智能轮椅设备运营成本，同时扩大可提供的服务范围。数据类型与增值服务包括：

1)人群的行为模式规则，包括人体无意识动作与意图的关系规律，可用于轮椅的进一步开发并提高控制精度，提高用户满意度；可为汽车、飞机等复杂产品的人机界面与人机接口的开发提供依据与基础。

2)轮椅使用数据，包括使用量与变化趋势、地域分布与热点、行驶轨迹等，可进行微观的动态监控，为使用者及其家人提供关于改善健康的建议；也可进行宏观的经济分析，提出社会老年化指标，为政府及决策者提供客观的决策依据。因此，其可以支持相应的商业模式的创新，不再将收入完全依赖于轮椅的销售，而更多地依赖于轮椅的售后服务，以及基于大数据的服务。

为更清楚地阐述本实用新型的结构特征和功效，下面结合附图与具体实施例来对其进行详细说明。

附图说明

图1是本实用新型智能轮椅的整体模块组成结构示意图；

图2是本实用新型智能轮椅控制方法的流程示意图；

图3是图2中多传感器模糊融合方法的流程示意图；

图4是本实用新型智能轮椅的整体外形结构示意图；

图5是本实用新型智能轮椅的连杆机构的结构示意图；

图6是本实用新型智能轮椅的坐姿状态结构示意图；

图7是本实用新型智能轮椅的躺姿状态结构示意图；

图8是本实用新型智能轮椅的站姿状态结构示意图；

图9是智能轮椅使用者转向意图的人因工程学分析示意图；

图10是智能轮椅使用者坐起意图的人因工程学分析示意图。

图中：1、靠背，2、坐垫板，3、脚靠板，4、脚踏板，5、6、7：推拉伸缩杆，8、连接杆，9、矩形立方支架，10、底板，11、头枕；14、后驱动轮；15、前轮；17、扶手；18、微波雷达。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。

参见附图1～10，本实用新型提供的一种基于云平台的多功能智能轮椅，可供行动能力丧失能力轻、中、重三个级别的使用者使用，尤其适合于丧失部分行动能力、且需要进行肢体康复训练的使用者使用。

一种多功能智能轮椅，其包括：

一智能轮椅支架，用于保持或改变使用者的姿势，其包括一设置在该支架上的连杆机构，用于带动多个部件的转动，以实现对使用者站立、平躺、坐姿、腿部康复四种姿势的调整；

一设置在该支架上的传感器系统，包括使用者人体检测传感模块、环境检测传感模块；其中，使用者人体检测传感模块用于采集轮椅使用者人体姿势与生理参数及所发出的运行指令的意图；环境检测传感模块用于采集智能轮椅所处的环境参数；

一设置该支架上的驱动系统，用于执行运行指令、驱动轮椅运行，保持使用者的姿势，并实现各种功能；

一设置在该支架上的控制系统，用于采集传感器模块传来的数据并分析，控制轮椅支架实现前进、后退、左转、右转、停止的动作，以及驱动连杆机构实现四种姿势，并且进行异常识别和控制。

所述的使用者人体检测传感模块包括压力传感器、微波雷达18、脑电波传感器；在所述的轮椅支架的头枕、靠背、坐垫板上分别布设有压力传感器阵列，以同时采集人体头部、背部、臀部对轮椅表面的压力，利用微波雷达以获取使用者的手部动作及运动轨迹数据。

所述的轮椅支架，包括一矩形立方支架9、设置在该支架底面上的底板 10，以及分别设置在该矩形立方支架9上、至上而下依次连接的头枕11、靠背1、坐垫板2、连接杆8、脚靠板3，脚踏板4，两端分别设置在设置在靠背、坐垫板2上的推拉伸缩杆7，两端分别设置在坐垫板2、底板10上的推拉伸缩杆6，两端分别设置在脚靠板3、底板10上的推拉伸缩杆5；其中靠背(1)与坐垫板2、坐垫板2与脚踏板4之间为转动连接。

其中所述的靠背1、坐垫板2、脚靠板3、脚踏板4、连接杆8、推拉伸缩杆5、6、7构成实现多姿势调整的连杆机构；脚踏板4、坐垫板2、靠背1、头枕11四部件皆是水平时可作为平卧姿势用于睡眠；坐起姿态时靠背与头枕倾斜立起且脚踏板垂直放下；变为站起姿势时四部件皆是垂直立起。

所述的驱动系统，包括分别设置在矩形立方支架9上的车轮15、14，以及设置在坐垫板2下方的蓄电池、伺服系统；所述的车轮包括两个后驱动轮 14、两个前轮15；所述的伺服系统包括电机减速器与电机。

所述智能轮椅的控制方法，具体包括如下步骤：

(1)设置一智能轮椅，设置一远程支持该智能轮椅运行的云平台；该智能轮椅设有支架，以及设置在该支架上的控制系统、传感器系统及驱动系统；该云平台设有用户管理模块、数据存储模块、数据分析模块、异常识别模块及异常处理模块；

(2)启动智能轮椅：通电、启动多功能智能轮椅内置的控制系统，使其与远程云平台建立并保持网络连接，然后对智能轮椅进行自检，自检通过后进入下一步操作；

(3)使用对象识别：控制系统通过设置在多功能智能轮椅上的传感器系统的使用者人体检测传感模块，对使用对象的身份、生理参数进行感知，并将数据发送到云平台上进行识别和验证，验证通过后、提示使用者轮椅进入可使用状态；

(4)使用场景识别：控制系统通过设置在多功能智能轮椅上的传感器系统的环境检测传感模块，对该轮椅所处的地理位置、高度、温度、湿度、气压、周边空间及建筑物信息进行感知，并将数据发送到云平台上进行精确识别，以判定其当前所处的工作场景、工作环境条件；

(5)安全导航与驱动控制：控制系统通过设置在多功能智能轮椅上的传感器系统的，对使用者发出的运行指令意图进行感知，然后发送给云平台同步进行模糊化识别，云平台根据步骤(2)、(3)的数据进行分析，并制定安全导航规划，由云平台发回明确的运行指令给控制系统，交付驱动系统执行；

(6)姿态控制：控制系统将使用者发出的姿态变化指令或者云平台发出的姿态变化指令，发送给驱动系统执行，驱动轮椅前进和/或同时进行轮椅运行姿态进行调整，以实现系统整体重心稳定、智能轮椅运行状态可控、使用者安全、及完成特定的康复训练动作；

(7)重复步骤(4)～(6)，直至完成运载使用者安全到达目的地、或者完成使用者的康复训练计划。

所述的步骤(5)，包括还如下步骤：

(51)异常识别：控制系统通过设置在多功能智能轮椅上的传感器系统，采集使用对象、使用场景、导航及驱动控制过程的实时变化数据，对使用者的当前姿态的重心进行感知、同时结合智能轮椅的系统质量、结构、运动速度、轨迹和惯性数据，与内置数据对比、进行异常识别，同时将数据上传到云平台与云端数据对比，由控制系统与云平台同步进行异常识别；

(52)异常控制：云平台及控制系统确定异常后，通过驱动系统调整对智能轮椅的驱动控制、同时通过连杆机构改变使用者的姿态，使使用者连同智能轮椅的重心系统始终维持在平衡状态，实现对异常的控制。

所述的步骤(1)中的云平台，是基于5G的物联网云端平台，与智能轮椅的控制系统通过网络连接后，进行用户管理、数据存储、数据分析、异常识别及异常处理，向智能轮椅的控制系统远程下达运行指令。

所述智能轮椅的康复运动姿势包括腿部康复训练与整体姿势切换训练等。

所述的推拉伸缩杆5、6、7，均为电动推拉伸缩杆。

本实用新型实施例中智能轮椅的通过调节连杆结构、实现轮椅连同使用者在内的多姿势变化的主要操作过程是：(1)初始状态下，轮椅默认的是使用者为坐姿状态；(2)当使用者要卧姿睡觉休息时，推拉伸缩杆6使坐垫板 2保持当前的水平形态，而推拉伸缩杆7缩短使靠背1转动至水平；(3)当使用者要站立时，推拉伸缩杆6伸长使坐垫板2与地面垂直，推拉伸缩杆7 缩短使靠背1也与地面垂直，在6伸长的同时带动杆8拉伸带动脚靠板3也与地面垂直；(4)当使用者需要利用坐姿或睡姿进行腿部康复运动时，当推拉伸缩杆5伸长时，带动脚踏板4向上，实现伸展运动，反之推拉伸缩杆5 缩短时实现屈膝运动。腿部通过脚靠板3的前后伸展与屈膝交替实现康复。随着对所述连杆机构状态的调整，可以上实现4种姿势、分别对应使用者的 4种应用场景，以满足使用者的需求。

本实用新型提供的智能轮椅在使用者变为平躺姿态后，人体的重心仍处于轮子中心的前方位置，重心前后位置几乎没有变化，使得只需在前方增加两个从动轮子，即可保持稳定。

本实用新型用一副关联的连杆机构即可实现四种运动姿势，根据人的肢体的关联性将部件相关联，实现单一指令控制轮椅姿势，而非对各部件作独立操作，提高易操作性，并减少了电机的数量。

所述的步骤(1)中的驱动系统，包括分别设置在矩形立方支架9上的车轮、以及设置在坐垫板2下方的蓄电池、伺服系统；所述的车轮包括两个后驱动轮14、一个或两个前轮15；所述的伺服系统包括电机减速器与电机；该电机为无刷电机。

本实用新型采用减速齿轮组件作为电机减速器，用于将无刷电机的动力传递至驱动轮，其具有相互啮合的主动齿轮与被动齿轮，被动齿轮的直径远大于主动齿轮的直径，因此可以将每分钟3千转以上的高速转动的驱动电机输出转化为每分钟1次转动以下的低速平稳转动，同时实现转动力矩的增加，满足轮椅姿势的平稳调整需求，以较小的电机达到将83KG重的人体进行搬扶所需的力。99百分位的人体重量为83KG。本实用新型还设有电磁刹车器，用于对所述无刷电机进行制动，电磁刹车器与无刷驱动电机控制器连接。

智能轮椅的整体结构如图4所示，其机械结构主要包括头枕(及其中设置有脑电波传感器)、驱动姿势变化的连杆机构、双驱动轮14、靠背1、坐垫板2、左右独立运动的腿康复机构(脚靠板3、脚踏板4、推拉伸缩杆5、连接杆8)、布设于坐垫板2下方的电机及其减速器(图中未示出)。

所述的步骤(4)中的运行指令，是基于使用者意图、指示智能轮椅运行的多传感器感知的模糊化信息，包括采用语音、按键、肢体变化、脑电波变化等发出的，指示轮椅计划到达的目标位置、场所、建筑物或物品的模糊化信息，或者姿态变化过程及结果的模糊化信息，由控制系统及云平台融合传感器系统的多种传感器采集的实时数据，对其进行模糊识别、分析后，再输出给智能轮椅的可执行的、符合安全规范的运行指令。

所述的控制系统或云平台通过使用者人体检测传感模块，进行使用者运行指令意图的模糊化识别步骤为：

(A)在坐垫板2、靠背1、头枕11三个部件中，每个部件布设两个压力传感器，两个压力传感器对称地布设于左、右两侧；

(B)控制系统采集压力传感器数据，计算得到坐垫板2、靠背1、头枕 11左右两侧的压力差异及变化；

(C)控制系统采集压力传感器数据，计算得到坐垫板2、靠背1、头枕 11三种部件之间的压力差异及变化；

(D)如果头枕11压力变小而靠背1压力变大，或靠背1压力变小而坐垫板2压力变大，则认为使用者意图为坐起，如果当前姿势已经为坐姿，则认为使用者意图为站立。

参见附图3，所述的控制系统或云平台融合传感器系统的手势传感器、脑电波传感器采集的实时数据、对其进行模糊识别、分析后，再输出给智能轮椅的明确的、符合安全规范的运行指令的具体步骤为：

(1)数据采集机器视觉传感器采集手势图像，获得图像后对其进行模数转换、使其成为数字信号；同时脑电波传感器对脑电波进行采样，并使其成为数字信号；

(2)控制系统将两路信号同时发送给云平台，该平台在云端进行归一化数列运算，进行特征提取(具体为小波变换运算)运算获得特征向量数据，再经过模糊分类运算(具体为欧氏距离运算)进行使用者意图模糊综合判断；

(3)与预先设置的安全规则算法对比、校验后，将获得的运行指令发送给智能轮椅的控制系统交付执行。

本实用新型采用的脑电波模式识别模块接口，简称脑机接口。将电极贴于轮椅的软性或有弹性的头枕，当人的头部后靠时，头枕凹下，头枕上的电极则与头部的左中、右中、左后、右后接触。左、右中央位置代表肢体的运动感觉区，包含人在想象对侧肢体手运动时最丰富的信息，而且记录了运动时大脑状态的变化，在左中、右中正下方的左后、右后是作为对应手部动作的最佳置放点。按照国际标准脑电采集电极位置依次是C3、C4、P3、P4。作为脚部动作对应点的Cz位置也是重点考虑的电极放置点。头枕与头部应能紧密接触，使脑电极与头皮的阻抗保持在5k以下。可以将电极设计于弹性突起物之上，使电极与头皮能有较大接触压力。基于四个位置的电极，可检测到相应的脑波数据，通过研究出的算法，将杂音过滤并将数据通过蓝牙模块传输过来，再通过设计算法分析传输过来的数据包，得到对应的数值，将数值与特定的功能对应，例如前进、后退，提高脑控的精度。脑机接口包含脑电采集和记录模块、外设与接口传输模块、数据处理模块和决策反馈模块四个部分。采用Neuroscan Scan4.3采集系统进行脑电采集，采样频率为500Hz，并采用0.1～75Hz带通滤波器和50Hz陷波器对数据进行预处理。信号采集记录后传输到家庭的计算机上，计算机安装本研究开发的数据处理模块，进行数据分析与模式识别后判断人的意图，将决策反馈回轮椅，完成自动操作。进一步地，可以将数据传输至云平台，进行大数据分析，得到更深层次的规律，支持更宏观的决策。

在所述的环境检测传感模块设置气压传感器；所述的控制系统通过该气压传感器，进行智能轮椅跌倒与密闭空间异常识别的步骤分别为：

步骤1：在所述头枕11上布设气压传感器；

步骤2：通过气压传感器获取头枕11所处的海拔高度；

步骤3：如果头枕11所处的海拔高度突然降低，则判断为轮椅跌倒，进而向控制系统发出报警信息；

判断密闭空间异常识别的步骤为：

步骤1：通过气压传感器获取轮椅受到的气体压力波动；

步骤2：如果轮椅受到的第一次气体压力波动发生后，在预先设定的时间内，仍未感知到第二次气体压力波动，则判断为轮椅进入密闭空间；如果之后没有在预先设定的合理时间内离开该密闭空间，则控制系统判断为使用者状态为异常、触发异常处理操作；如果在预先设定的时间感知到第二次气体压力波动，则判断使用者状态为安全。

一种实施上述方法的多功能智能轮椅，其包括：

一智能轮椅支架，用于保持或改变使用者的姿势，其包括一设置在该支架上的连杆机构，用于带动多个部件的转动，以实现对使用者站立、平躺、坐姿、腿部康复四种姿势的调整；

一设置在该支架上的传感器系统，包括使用者人体检测传感模块、环境检测传感模块；其中，使用者人体检测传感模块用于采集轮椅使用者人体姿势与生理参数及所发出的运行指令的意图；环境检测传感模块用于采集智能轮椅所处的环境参数。

一设置该支架上的驱动系统，用于执行运行指令、驱动轮椅运行，保持使用者的姿势，并实现各种功能；

一设置在该支架上的控制系统，用于采集传感器模块传来的数据并分析，与云平台同步对使用者发出的运行指令意图进行模糊化判断，识别异常环境，控制轮椅支架实现前进、后退、左转、右转、停止的动作，以及驱动连杆机构实现四种姿势，并且进行异常识别和控制。

所述的使用者人体检测传感模块包括压力传感器、微波雷达、脑电波传感器(脑电极)；在所述的轮椅支架的头枕11、靠背1、坐垫板2上分别布设有压力传感器阵列，以同时采集人体头部、背部、臀部对轮椅表面的压力，并利用该压力传感器得到的数据判断使用者的身体姿势及所发出的运行指令意图；利用微波雷达18以获取使用者的手部动作及运动轨迹数据，并利用该数据判断使用者的身体姿势及所发出的运行指令意图。

本实用新型采用的传感器系统所组成的网络，分为上、中、下三种位置，并对称布置；当使用者处于坐姿时，如果人意图前进，则会不自觉地身体前倾，导致上部、中部背位的压力减少，而下部臀位压力重心前移；当人意图向右侧前进时，则会不自觉地身体右转，导致中部腰背位的右侧位置压力增大，而左侧位置压力减少。当传感器网络读取到压力的变化时，可结合脑电的检测，判断人的意图，进而自动操作相应功能，实现脑体综合控制，提高轮椅的适应性与精度。

本实用新型提供的控制方法，基于人体有意识及无意识运作能反映人的意图的原理，通过多传感器读取人体的压力等生物信息，综合判断人的愿望，满足人的要求。具体地有两种方式：一是在坐垫板2及靠背1安装压力传感器阵列，传感器网络分为上、中、下三种位置，并对称布设，识别人体在左、右、上、下方向产生的压力变化，最终识别使用者的转向、进退的意图；二是在扶手17安装微波雷达18，识别使用者的五种手势，包括向左、右、后、前(或伸掌)的划动，或握拳，分别对应实现左转、右转、后退、前进、停止的五种意图。通过人体压力变化与手部动作检测相结合，综合判断人的意图，进而自动操作相应功能。

本实用新型实施例采用的微波雷达18使用小功率红外线雷达，安装于右侧或左侧的扶手17上，位于手指便于接触的扶手17前端。微波雷达18在扶手17上方安装，便于使用者的手握持微波雷达18，因此手势的识别清晰，动作自然，使得手势交互具有实时性、稳定性与易学性。

本实用新型提供的控制方法及设备，考虑到智控轮椅的使用者是老人或是残疾人，在设计手势交互方式时考虑到目标使用者手部动作的局限性和简单性，也考虑到轮椅的运动仅限于前、后、左、右转动及停车、加速的几种类型，因此采集手指的左右、前后与深度三个维度上的改变，足以判断相应动作意图，降低了系统复杂性并提高可靠性的目标。

所述的压力传感器分别在坐垫板2、靠背1、头枕11的中部左右对称地布设，共布设6至15个压力传感器。

本实用新型实施例的控制系统，基于模糊隶属度函数设置权重，融合压力传感器矩阵、微波雷达18的数据对人的意图进行模糊识别，综合判断前进、后退、左转、右转、停止共5种意图。压力传感器与微波雷达18都以一个5 参数的矢量表示所述的5种意图，矢量值都是0至9的自然数，0表示绝对没有该意图，9表示绝对有该意图。在轮椅开始使用时，两个矢量各以0.5 的权重进行加权平均，得到综合的判断。在使用过程中，根据使用者动作的频次对权重进行调整，例如使用者手部姿势多于躯体姿势，则基于微波雷达 18的判断结果有较大权重。两种传感器的权重之比等于对应的动作次数之比。使得控制系统随着使用时长的增加不断根据用户特性进行自适应调整。

本实用新型的控制系统使用UM-BUS总线。UM-BUS总线上的传感器设备通过总线线缆接入方式与控制器进行连接，UM-BUS总线作为各功能模块之间数据传输通道。

本实用新型的控制系统将采集到的数据传输并存储于云平台，可以采用 Wi-Fi的方式将数据传输至位置家庭侧的计算机，再通过有线网络传到平台的云端，也可以利用2～5G的远距离无线传输技术直接将数据传输到平台的云端。

本实用新型实施例由云平台进行大数据分析，实现如下功能：(1)异常识别：当轮椅高度差超过10CM时，瞬时发生的气压差异与振荡被气压传感器捕获，通过计算高度差判断是否发生轮椅跌倒事件，或者判断轮椅进入了密闭空间例如卫生间或关闭门窗的房间(因为关门产生气压冲击)，并长时间没有出来(没有发生第二次气压差异与振荡)，则发出相应手机通知信息，包括短信、微信或移动端小程序通知；(2)远程操作与报警：识别出异常之后，云平台远程下达指令，使轮椅作出相应操作；云端会自动发信息给紧急联系人的用户终端或移动端(手机APP)，从而能够监控轮椅使用者的安全； (3)大数据分析：通过云平台存储使用者海量数据，进行大数据分析提供轨迹分析等增值服务。

所述的驱动系统包括车轮、蓄电池、伺服系统。所述的车轮包括两个后驱动轮14、两个前轮15。根据99百分位体重的使用者(体重为83KG)的需求计算，所述的蓄电池选用24伏、容量为90000毫安小时以上的储能型锂电池，包括一个充电器接口和一个电源输出接口，使用家用电(220V)进行充电，将锂电池平铺于座椅下方，续航里程设计值为30公里以上，前进速度最高为6.0km/h。所述的伺服系统包括电机驱动器与电机。

本实用新型重点将人因工程、脑体控技术、多传感器融合、新型机械结构设计、云计算等技术有机结合，提供了具有多姿势多功能、远程监控运维、脑体控与多传感器融合的智能控制轮椅及其控制方法，满足行动不便的老年人、残疾人的日常多种生活行动需要，具有良好的市场前景和潜在的社会、经济效益。

以上结合附图实施例对本实用新型进行了详细说明，本领域中普通技术人员可根据上述说明对本实用新型做出种种变化例。因而，实施例中的某些细节不应构成对本实用新型的限定，本实用新型将以所附权利要求书界定的范围作为本实用新型的保护范围。

Claims (5)

1.一种多功能智能轮椅，其特征在于，其包括：

一智能轮椅支架，用于保持或改变使用者的姿势，其包括一设置在该支架上的连杆机构，用于带动多个部件的转动，以实现对使用者站立、平躺、坐姿、腿部康复四种姿势的调整；

一设置在该支架上的传感器系统，包括使用者人体检测传感模块、环境检测传感模块；其中，使用者人体检测传感模块用于采集轮椅使用者人体姿势与生理参数及所发出的运行指令的意图；环境检测传感模块用于采集智能轮椅所处的环境参数；

一设置该支架上的驱动系统，用于执行运行指令、驱动轮椅运行，保持使用者的姿势；

一设置在该支架上的控制系统，用于采集传感器模块传来的数据并分析，控制轮椅支架实现前进、后退、左转、右转、停止的动作，以及驱动连杆机构实现四种姿势，并且进行异常识别和控制。

2.根据权利要求1所述的多功能智能轮椅，其特征在于：所述的使用者人体检测传感模块包括压力传感器、微波雷达、脑电波传感器；在所述的轮椅支架的头枕、靠背、坐垫板上分别布设有压力传感器阵列，以同时采集人体头部、背部、臀部对轮椅表面的压力，利用微波雷达以获取使用者的手部动作及运动轨迹数据。

3.根据权利要求1所述的多功能智能轮椅，其特征在于，所述的轮椅支架，包括一矩形立方支架(9)、设置在该支架底面上的底板(10)，以及分别设置在该矩形立方支架(9)上、至上而下依次连接的头枕(11)、靠背(1)、坐垫板(2)、连接杆(8)、脚靠板(3)，脚踏板(4)，两端分别设置在设置在靠背(1)、坐垫板(2)上的推拉伸缩杆(7)，两端分别设置在坐垫板(2)、底板(10)上的推拉伸缩杆(6)，两端分别设置在脚靠板(3)、底板(10)上的推拉伸缩杆(5)；其中靠背(1)与坐垫板(2)、坐垫板(2)与脚踏板(4)之间为转动连接。

4.根据权利要求3所述的多功能智能轮椅，其特征在于，其中所述的靠背(1)、坐垫板(2)、脚靠板(3)、脚踏板(4)、连接杆(8)、推拉伸缩杆(5、6、7)构成实现多姿势调整的连杆机构；脚踏板(4)、坐垫板(2)、靠背(1)、头枕(11)四部件皆是水平时可作为平卧姿势用于睡眠；坐起姿态时靠背与头枕倾斜立起且脚踏板垂直放下；变为站起姿势时四部件皆是垂直立起。

5.根据权利要求1所述的多功能智能轮椅，其特征在于，所述的驱动系统，包括分别设置在矩形立方支架(9)上的车轮、以及设置在坐垫板(2)下方的蓄电池、伺服系统；所述的车轮包括两个后驱动轮(14)、一个或两个前轮(15)；所述的伺服系统包括电机减速器与电机。

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