CN107536677A - 高位截瘫患者头动控制电动轮椅辅助系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种高位截瘫患者头动控制电动轮椅辅助系统，具有使用者头戴的信号采集及指令发送器和安装于轮椅上的终端控制工作箱，两者间通过无线通讯。信号采集及指令发送器中具有姿态传感器，获取头部位置姿态角；通过发送端主控板生成运动指令信号。终端控制工作箱具有转轴，转轴内安装齿条结构推杆，由舵机驱动横向运动，推动电动轮椅摇杆运动；转轴通过舵机驱动转动，使推杆随之转动，可实现电动轮椅摇杆的推动方向控制。终端控制工作箱根据运动指令信号，生成舵机运动指令，控制舵机运动。本发明可直接安装在电动轮椅上，可与电动轮椅操纵摇杆友好交互，对市面上大部分电动轮椅兼容。

Description

高位截瘫患者头动控制电动轮椅辅助系统

技术领域

本发明提出一种基于头部偏动动作信号捕捉与蓝牙遥控相融合的嵌入式电动轮椅智能辅助控制系统，主要面向高位截瘫患者、严重中风患者等残障人士，属于智能硬件范畴。

背景技术

我国残疾人数量众多，在2007年时就已达8296万人次，其中肢体残疾者数量占比较大，他们的日常出行存在诸多不便。轮椅作为他们出行的代步工具，能满足轻度残疾者自主出行的需求，但对于高位截瘫患者等重度残疾者，常见轮椅无法满足他们的需求。

现代常见轮椅一般有以下几种：

(1)普通轮椅:普通轮椅一般由轮椅架、车轮、刹车装置及座靠四部分组成。手摇轮椅在普通轮椅基础上，增加手摇装置。优点是较为轻便、便宜，但是需要使用者手动转动车轮或监护人辅助推动，比较消耗体力、操作不便。

(2)特殊型轮椅：功能比较齐全，不仅可残疾人代步工具，同时还具备其它功能。它包括：高靠背可躺式轮椅、电动轮椅、座厕轮椅等。其中电动轮椅应用最为普遍，它在普通轮椅基础上配置了电子操控系统后更加便于操作和人性化。

(3)新型智能轮椅：此类轮椅基于脑电波、肌电接口、语音识别、人脸识别、表情识别等方式，旨在提供一种更为友好交互的轮椅，但由于其成本昂贵，目前仍停留在实验室阶段。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提出一种高位截瘫患者头动控制电动轮椅辅助系统，是一种基于头部偏动动作信号捕捉与蓝牙遥控相融合的嵌入式电动轮椅智能辅助控制系统，以其简洁高效的二自由度机械操纵结构，普适用于目前市面上绝大多数电动轮椅，以其友好、准确的双运动控制模式，使得高位截瘫患者、严重中风患者等残障人士可独立自主操纵电动轮椅实现代步功能，也可让监护人通过移动端控制器手机、笔记本与系统连接，实现实时数据交互，完成对轮椅的控制。

本发明高位截瘫患者头动控制电动轮椅辅助系统，包括使用者头戴的信号采集及指令发送器和安装于轮椅上的终端控制工作箱，两者间通过无线通讯。

所述信号采集及指令发送器中具有姿态传感器，获取头部位置姿态角；通过发送端主控板生成运动指令信号。

所述终端控制工作箱具有转轴，转轴内安装有平移驱动电机与齿条结构推杆；推杆端部设计由推板；使推板与电动轮椅摇杆接触。推杆由平移驱动电机通过齿轮齿条驱动方式驱动横向运动，进而推动电动轮椅摇杆运动。转轴由旋转驱动舵机驱动转轴，推杆随转轴一并转动，实现电动轮椅摇杆的推动方向控制。

终端控制工作箱根据运动指令信号，生成平移驱动舵机与旋转驱动舵机运动指令，控制平移驱动舵机与旋转驱动舵机运动。

本发明的优点和积极效果在于：

(1)本发明高位截瘫患者头动控制电动轮椅辅助系统，普适应性高，可通过固定装置直接安装在电动轮椅上，可与电动轮椅操纵摇杆友好交互，对市面上大部分电动轮椅兼容。

(2)本发明高位截瘫患者头动控制电动轮椅辅助系统，具有2自由度的独创机械结构，结构简洁高效、可靠性高；

(3)本发明高位截瘫患者头动控制电动轮椅辅助系统，具有友好、准确的双运动控制模式，实现使用者独立控制与蓝牙辅助控制快速切换。

附图说明

图1为本发明高位截瘫患者头动控制电动轮椅辅助系统的信号采集及指令发送器结构示意图；

图2为本发明高位截瘫患者头动控制电动轮椅辅助系统的终端控制工作箱壳体结构示意图；

图3为终端控制工作箱壳体中转轴装配腔示意图；

图4为本发明高位截瘫患者头动控制电动轮椅辅助系统的终端控制工作箱转轴结构示意图；

图5为终端控制工作箱转轴的上轴结构示意图；

图6为终端控制工作箱转轴的下轴结构示意图。

图中：

101-主控机箱 102-电池 103-发送端主控板

104-无线发送模块 105-发送端蜂鸣器 106-姿态传感器

107-开关 201-壳体 202-转轴

203-无线接收模块 204-终端控制板 201a-上壳

201b-中壳 201c-下壳 202a-上轴

202b-下轴 202c-平移驱动舵机 202d-旋转驱动舵机

202e-推杆 202f-上齿轮盘 202g-下齿轮盘

202h-凹槽A 202i-凹槽B 202j-凹槽C

202k-凹槽D 202l-推板 202m-通口

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作进一步的详细说明。

本发明高位截瘫患者头动控制电动轮椅辅助系统，包括信号采集及指令发送器和终端控制工作箱。其中信号采集及指令发送器，安装于头戴物上，如眼镜、帽子等。终端控制工作箱通过固定装置支架安装于电动轮椅操纵面板上。

所述信号采集及指令发送器包括主控机箱101、电池102、发送端主控板103、无线发送模块104、发送端蜂鸣器105、姿态传感器106与开关107，如图1所示。其中，主控机箱101具有箱体与箱盖；主控机箱101的前端开口由箱盖实现密封。电池102、蜂鸣器105、无线发送模块104、姿态传感器106与发送端主控板103均安装于主控箱体101内；其中，姿态传感器106为MPU6050传感器，置于主控机箱101内部正上方，通过螺钉与主控机箱101壁面固定；且在信号采集及指令发送器1安装后，保证姿态传感器106的正方向与轮椅使用者头部前向方向相同；姿态传感器用来采集头部偏动动作信号，通过DMP运动引擎计算和降噪处理后获取头部位置姿态角。发送端主控板103为ATmega128单片机，无线发送模块104为工业级蓝牙模块。发送端主控板103利用姿态传感器获取的头部位置姿态角；并按通信协议生成相应的轮椅前后左右方向的运动指令信号，并通过无线发送模块104将运动指令信号传输到终端控制工作箱，实现信号采集和指令生成及发送。所述蜂鸣器105与开关107均置于主控机箱101的正前方，固定安装于箱盖外壁面上；开关107用来控制电路的接通与断开，实现信号采集及指令发送器1的开关控制；蜂鸣器105用来在信号采集及指令发送器出现故障时发出蜂鸣警报。电池102为7.4V 150mAh的锂电池，经降压和稳压后的输出电压为5V，工作电压为5V。上述电池102、发送端主控板103、无线发送模块104、蜂鸣器105和姿态传感器106在主控机箱101内部的布局可根据具体需求进行调整。

终端控制工作箱2包括壳体201、转轴202、无线接收模块203与终端控制板204，如图 2、图3所示。其中，壳体201为柱体，整体前部曲率半径较大，后部曲率半径较小，前后由直切线相连，通体圆滑，棱边大部分倒圆角。壳体201由上壳201a、中壳201b和下壳201c 构成；上壳201a和中壳201b之间，以及中壳201b与下壳201c之间边缘线紧密扣合，均通过螺钉连接；且在上壳201a和中壳201b之间，以及中壳201b与下壳201c之间形成上腔与下腔。其中，上壳201a顶面后部开有四个圆孔，为一个蜂鸣器装配孔，三个LED灯装配孔；且蜂鸣器装配孔孔径大于LED灯装配孔；通过在蜂鸣器装配孔处安装终端蜂鸣器205，实现终端控制工作箱2出现故障时的蜂鸣警报。通过在LED灯装配孔处安装LED灯206，实现终端控制工作箱2工作状态提示。三个LED灯颜色不同，采用蓝色LED灯、黄色LED灯与黄色 LED灯；当无线接收模块203与无线发送模块104连接正常时，蓝色LED灯亮起；当轮椅正在运动时，黄色灯亮起；当终端控制工作箱2出现故障时，红色灯亮起，同时蜂鸣器发出蜂鸣警报。上壳201a前侧壁与中壳201b前侧壁边缘对应位置开有半圆形通孔，在上壳201a与中壳201b固定后，上壳201a和中壳201b上的半圆形通孔配和，形成两个与上腔相通的圆形孔，作为超声波传感器装配孔；在超声波传感器装配孔处安装超声波传感器，实现轮椅使用中的避障功能。下壳201c后部侧壁上开两个船型开关矩形装配孔，用来安装船型开关207，分别为终端控制工作箱2的供电控制开关，以及模式选择开关；当模式选择开关开启时，仅超声波传感器工作，电动轮椅处于使用者主动控制模式；当关闭模式选择开关时，超声波传感器、无线接收模块203、终端控制板204均工作，电动轮椅处于头动控制模式。下壳内，前部设计有圆柱形的空腔，作为转轴装配腔208，如图4所示。终端控制板204采用ATmega328p 单片机，用来根据无线接收模块203接收到的来自采集及指令发送器的运动指令信号，控制终端控制工作箱中的舵机进行相应的运动，最终控制电动轮椅进行相应运动。

所述转轴202包括上轴202a、下轴202b、平移驱动舵机202c、旋转驱动舵机202d、推杆202e、上齿轮盘202f和下齿轮盘202g。其中，上轴202a和下轴202b为内部圆柱状结构，上下同轴设置，上轴202a底面与下轴202b顶面间贴合，两者间通过螺钉固定。如图5、图6 所示，上轴202a底面与下轴202b顶面设计有沿x轴方向的凹槽A202h，共同形成舵机槽。上轴202a底面与下轴202b顶面均设计有沿y轴方向的凹槽B202i，共同形成摇杆安装槽。下轴202b顶面的凹槽B202i底面设计有沿y轴的摇杆通口202m。上轴202a底面还设计有凹槽C202j，作为齿轮盘安装槽；下轴202b顶面上还设计有沿x轴方向的凹槽D202k，作为推杆安装槽。上述舵机槽尺寸与舵机B匹配，内部设置平移驱动舵机202c，保证平移驱动舵机 202c安装后的稳定，不产生晃动；平移驱动舵机202c采用ES08MAⅡ舵机。推杆安装槽内放置推杆202e，该推杆202e设计为齿条结构，且一端设计有弧形推板202l，该推板202l设置于遥杆安装槽内，且摇杆安装槽与推板安装槽相接的一端端部设计为收缩口，收缩口处壁面圆弧过渡，使推板外壁与收缩口壁面贴合，实现推杆202e的限位，防止推杆202e由推杆安装槽内脱出。齿轮盘安装槽内放置下齿轮盘202g，下齿轮盘202g同轴固定与平移驱动舵机 202c输出轴上，同时下齿轮202g与推杆202e啮合。摇杆安装槽内用来设置电动轮椅的摇杆，电动轮椅的摇杆经摇杆安装槽底面通口202m穿入摇杆安装槽内，且摇杆外壁与推杆202e的推板202k内壁配合接触，如图4所示。由此，通过平移驱动舵机202c带动下齿轮盘202g转动，通过齿轮齿条传动，使推杆202e产生径向运动，最终由推杆202e的推板202l推动电动轮椅的操纵摇杆，实现电动轮椅运动控制。所述旋转驱动舵机202d采用PDI6221 360°舵机，固定安装于壳体201的上腔内，旋转驱动舵机202d的输出轴穿过中壳201b上开设的通口后与上轴202a顶面同轴固定的上齿轮盘202f固连。由此，通过旋转驱动舵机202d带动上轴 202a与下轴202b一并旋转，使推杆202e随下轴202b旋转，实现电动轮椅摇杆的推动方向控制，实现电动轮椅转向功能。

通过本发明高位截瘫患者头动控制电动轮椅辅助系统，当使用者头部偏动后，由信号采集及指令发送器中姿态传感器106采集该信号后通过发送端主控板103生成指令，经无线发送模块104发送运动指令信号到终端控制工作箱中无线接收模块203，进一步由终端控制板204对运动指令信号进行应答生成控制平移驱动舵机202c与旋转驱动舵机202d运动的指令，通过平移驱动舵机202c的转动控制推杆转动到相应角度，随后通过旋转驱动舵机202d的转动控制推杆产生横向位移以推动电动轮椅摇杆操纵器偏动，从而控制电动轮椅运动。

Claims (6)

1.高位截瘫患者头动控制电动轮椅辅助系统，其特征在于：包括使用者头戴的信号采集及指令发送器和安装于轮椅上的终端控制工作箱，两者间通过无线通讯；

所述信号采集及指令发送器中具有姿态传感器，获取头部位置姿态角；通过发送端主控板生成运动指令信号；

所述终端控制工作箱具有转轴，转轴内安装有平移驱动电机与齿条结构推杆；推杆端部设计由推板；使推板与电动轮椅摇杆接触；推杆由平移驱动电机通过齿轮齿条驱动方式驱动横向运动，进而推动电动轮椅摇杆运动；转轴由旋转驱动舵机驱动转轴，推杆随转轴一并转动，实现电动轮椅摇杆的推动方向控制；

终端控制工作箱根据运动指令信号，生成平移驱动舵机与旋转驱动舵机运动指令，控制平移驱动舵机与旋转驱动舵机运动。

2.如权利要求1所述高位截瘫患者头动控制电动轮椅辅助系统，其特征在于：转轴具有上轴与下轴，两者之间设计有舵机安装槽、齿轮盘安装槽、推杆安装槽与遥杆安装槽；分别用来安装平移驱动舵机、齿轮盘、推杆与电动轮椅摇杆；其中，齿轮盘同轴固定于平移驱动舵机输出轴上，并与推杆啮合；电动摇杆由摇杆安装槽底面通口穿入摇杆安装槽内，与推杆的推板接触。

3.如权利要求1所述高位截瘫患者头动控制电动轮椅辅助系统，其特征在于：推杆的推板为弧形板，位于摇杆安装槽内，与摇杆安装槽和推杆安装槽相接一端设计的弧形面配合定位。

4.如权利要求1所述高位截瘫患者头动控制电动轮椅辅助系统，其特征在于：终端控制工作箱的壳体分为两层，转轴置于下层，旋转驱动舵机置于上层；旋转驱动舵机输出轴与转轴同轴相连。

5.如权利要求1所述高位截瘫患者头动控制电动轮椅辅助系统，其特征在于：信号采集及指令发送器与终端控制工作箱中还具有蜂鸣器，当发生故障时发出峰鸣警报。

6.如权利要求1所述高位截瘫患者头动控制电动轮椅辅助系统，其特征在于：终端控制工作响上安装有三个LED灯；三个LED灯发光颜色不同，分别对应通讯故障、轮椅运动进行时以及终端控制工作箱故障三种状态亮起。