(12)发明专利申请
(10)申请公布号 CN 112587325 A(43)申请公布日 2021.04.02
(21)申请号 202011429915.6(22)申请日 2020.12.09
(71)申请人 合肥工业大学
地址 230009 安徽省合肥市屯溪路193号(72)发明人 祝安定 刘索轶博 葛星雨 王坤
余平安 张文捷 (74)专利代理机构 合肥中悟知识产权代理事务
所(普通合伙) 34191
代理人 张婉(51)Int.Cl.
A61G 5/06(2006.01)A61G 5/10(2006.01)
权利要求书1页 说明书5页 附图4页
CN 112587325 A(54)发明名称
一种智能避障自平衡轮椅及其控制系统(57)摘要
本发明公开了一种智能避障自平衡轮椅及其控制系统，属于电动轮椅技术领域；一种智能避障自平衡轮椅，包括安装底盘，安装底盘的底面四角上固定连接有伺服电机，伺服电机的输出轴上固定连接有行走轮，安装底盘的上表面固定连接有自平衡机构，自平衡机构上连接有座椅，座椅上固定连接有扶手，安装底盘的上表面还设置有集成控制装置；还提出了一种智能避障自平衡轮椅控制系统，包括有单片机主控系统，单片机主控系统上链接有轮椅自平衡控制系统、轮椅避障控制系统和轮椅安全定位系统；本发明有效解决了老年人和残疾人在使用电动轮椅，由于身体原因或视野盲区，易造成判断失误，进而易导致剐蹭，侧翻，相撞等事故发生的问题。
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权 利 要 求 书
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1.一种智能避障自平衡轮椅，包括安装底盘(1)，其特征在于：所述安装底盘(1)的内部固定安装有蓄电池和变压器，所述安装底盘(1)的底面四角上固定连接有伺服电机(2)，所述伺服电机(2)与蓄电池和变压器电性连接，所述伺服电机(2)的输出轴上固定连接有行走轮(3)，所述安装底盘(1)的上表面固定连接有自平衡机构(4)，所述自平衡机构(4)上连接有座椅(5)，所述座椅(5)上固定连接有扶手(6)，所述安装底盘(1)的上表面还设置有集成控制装置(7)。
2.根据权利要求1所述的一种智能避障自平衡轮椅，其特征在于：所述自平衡机构(4)包括有纵轴方向舵机(401)，所述纵轴方向舵机(401)固定连接在安装底盘(1)的上表面，所述纵轴方向舵机(401)的输出轴上固定连接有横轴方向舵机(402)，所述横轴方向舵机(402)的输出轴上固定连接有固定杆(403)，所述固定杆(403)的顶端与座椅(5)的底面固定连接；所述纵轴方向舵机(401)和横轴方向舵机(402)上固定安装有角度传感器。
3.根据权利要求1所述的一种智能避障自平衡轮椅，其特征在于：所述集成控制装置(7)包括有安装壳，所述安装壳固定连接在安装底盘(1)的上表面，所述安装壳的内部固定安装有单片机控制芯片和GPS定位模块，所述安装壳的前侧壁上固定连接有超声波传感器，所述单片机控制芯片与自平衡机构(4)和超声波传感器电性连接。
4.根据权利要求2或3所述的一种智能避障自平衡轮椅，其特征在于：所述角度传感器的具体型号为MPU6050角度传感器，所述超声波传感器的具体型号为HC‑SR04超声波测距模块。
5.一种智能避障自平衡轮椅控制系统，应用于权利要求1‑5中所述的一种智能避障自平衡轮椅，包括有单片机主控系统，所述单片机主控系统上链接有轮椅自平衡控制系统、轮椅避障控制系统和轮椅安全定位系统；
所述轮椅自平衡控制系统上链接有角度变化检测模块、角度运动数字化处理模块和舵机调节控制模块；
所述轮椅避障控制系统上链接有障碍物自动探测模块、主动避障控制模块和自动避震控制模块；
所述轮椅安全定位系统上链接有轮椅状态监测模块、GPS实时定位模块和数据异常自动报警模块。
6.根据权利要求4或5所述的一种智能避障自平衡轮椅，其特征在于：所述角度变化检测模块与MPU6050角度传感器相匹配，所述角度变化检测模块包括有纵向旋转角度检测单元和横向旋转角度检测单元；所述舵机调节控制模块与自平衡机构(4)相匹配，所述舵机调节控制模块包括有纵轴方向舵机控制单元和横轴方向舵机控制单元。
7.根据权利要求4或5所述的一种智能避障自平衡轮椅，其特征在于：所述障碍物自动探测模块与HC‑SR04超声波测距模块相匹配，所述障碍物自动探测模块包括有超声波发射单元、超声波接收单元和距离判断单元。
8.根据权利要求3或5所述的一种智能避障自平衡轮椅，其特征在于：所述数据异常自动报警模块包括有速度异常监测单元、角度异常监测单元、蜂鸣报警单元和网络通信单元。
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说 明 书
一种智能避障自平衡轮椅及其控制系统
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技术领域
[0001]本发明涉及电动轮椅技术领域，具体为一种智能避障自平衡轮椅及其控制系统。背景技术
[0002]近年来，随着人民生活水平的不断提高，我国电动轮椅的需求市场越来越大，截止到2018年底，全国电动轮椅市场规模已达98.2亿元。但由于道路情况的复杂性，电动轮椅数量的增长也带来了越来越多的交通事故，老年人和残疾人对于轮椅智能化功能的需求不断增加。与此同时，国内外生产的电动轮椅基于安全性的保护仍大体处于被动的方式，目前常见的电动轮椅对于自身的控制还处于人为主观的控制操纵杆或摇杆。[0003]但由于老年人和残疾人的身体原因，因视野盲区和人为判断失误导致的剐蹭，侧翻，相撞等事故频发，这些不可控的人为因素限制了电动轮椅的进一步发展。为了解决这一系列问题，我们提出了一种智能避障自平衡轮椅及其控制系统，在老年人和残疾人群在追求行动自由的同时，全面保障其生命财产安全。发明内容[0004]1、本发明要解决的技术问题
[0005]本发明的目的在于解决老年人和残疾人在使用电动轮椅，由于身体原因或视野盲区，易造成判断失误，进而易导致剐蹭，侧翻，相撞等事故发生的问题。[0006]2、技术方案
[0007]为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：[0008]一种智能避障自平衡轮椅，包括安装底盘，所述安装底盘的内部固定安装有蓄电池和变压器，所述安装底盘的底面四角上固定连接有伺服电机，所述伺服电机与蓄电池和变压器电性连接，所述伺服电机的输出轴上固定连接有行走轮，所述安装底盘的上表面固定连接有自平衡机构，所述自平衡机构上连接有座椅，所述座椅上固定连接有扶手，所述安装底盘的上表面还设置有集成控制装置。[0009]优选的，所述自平衡机构包括有纵轴方向舵机，所述纵轴方向舵机固定连接在安装底盘的上表面，所述纵轴方向舵机的输出轴上固定连接有横轴方向舵机，所述横轴方向舵机的输出轴上固定连接有固定杆，所述固定杆的顶端与座椅的底面固定连接；所述纵轴方向舵机和横轴方向舵机上固定安装有角度传感器。[0010]优选的，所述集成控制装置包括有安装壳，所述安装壳固定连接在安装底盘的上表面，所述安装壳的内部固定安装有单片机控制芯片和GPS定位模块，所述安装壳的前侧壁上固定连接有超声波传感器，所述单片机控制芯片与自平衡机构和超声波传感器电性连接。
[0011]优选的，所述角度传感器的具体型号为MPU6050角度传感器，所述超声波传感器的具体型号为HC‑SR04超声波测距模块。
[0012]一种智能避障自平衡轮椅控制系统，应用于权利要求1‑5中所述的一种智能避障
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自平衡轮椅，包括有单片机主控系统，所述单片机主控系统上链接有轮椅自平衡控制系统、轮椅避障控制系统和轮椅安全定位系统；
[0013]所述轮椅自平衡控制系统上链接有角度变化检测模块、角度运动数字化处理模块和舵机调节控制模块；
[0014]所述轮椅避障控制系统上链接有障碍物自动探测模块、主动避障控制模块和自动避震控制模块；
[0015]所述轮椅安全定位系统上链接有轮椅状态监测模块、GPS实时定位模块和数据异常自动报警模块。[0016]优选的，所述角度变化检测模块与MPU6050角度传感器相匹配，所述角度变化检测模块包括有纵向旋转角度检测单元和横向旋转角度检测单元；所述舵机调节控制模块与自平衡机构相匹配，所述舵机调节控制模块包括有纵轴方向舵机控制单元和横轴方向舵机控制单元。
[0017]优选的，所述障碍物自动探测模块与HC‑SR04超声波测距模块相匹配，所述障碍物自动探测模块包括有超声波发射单元、超声波接收单元和距离判断单元。[0018]优选的，所述数据异常自动报警模块包括有速度异常监测单元、角度异常监测单元、蜂鸣报警单元和网络通信单元。[0019]3、有益效果[0020](1)本发明是基于市面上的传统电动轮椅，增加了环境感知功能，再结合一套完整避障与自主平衡算法能够实现危险情况下的自主避障与紧急情况下的自主平衡。相较于市面上的传统轮椅，本发明可以借助该自主避障与自主平衡功能，帮助老年人避免一些不必要的剐蹭、磕碰、不适的倾斜感与侧翻，为老年人提供一定舒适度的同时也为老年人提供更加完善的提供安全保障。[0021](2)本发明相较于市面上传统的轮椅更加考虑了老年人的人身安全。老年人的体质通常较弱，在发现意外事故时，通常不能完成自救。如果在意外事故后老年人不能得到及时的救助，他们生命安全就难以得到保障。而本发明提出的设计恰好考虑到这一点，该款轮椅具备GPS定位功能，老年人的亲属可以通过手机端及时的了解到老年人的动向，同时在意外事故发生时，单片机可以通过分析异常的角度信息向亲属的手机发送报警信号，而亲属可以通过装置本体的定位信息，及是赶往事发位置救助老人。附图说明
[0022]图1为本发明提出的一种智能避障自平衡轮椅的结构示意图；[0023]图2为本发明提出的一种智能避障自平衡轮椅的爆炸结构示意图；[0024]图3为本发明提出的一种智能避障自平衡轮椅控制系统的结构示意图；
[0025]图4为本发明提出的一种智能避障自平衡轮椅控制系统的轮椅自平衡控制系统的结构示意图；
[0026]图5为本发明提出的一种智能避障自平衡轮椅控制系统的轮椅避障控制系统的结构示意图；
[0027]图6为本发明提出的一种智能避障自平衡轮椅控制系统的HC‑SR04超声波测距模块工作原理示意图；
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图7为本发明提出的一种智能避障自平衡轮椅控制系统的障碍物自动探测模块工
作原理示意图；
[0029]图8为本发明提出的一种智能避障自平衡轮椅控制系统的轮椅安全定位系统的结构示意图。
[0030]图中标号说明：[0031]1、安装底盘；2、伺服电机；3、行走轮；4、自平衡机构；401、纵轴方向舵机；402、横轴方向舵机；403、固定杆；5、座椅；6、扶手；7、集成控制装置。具体实施方式
[0032]下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。[0033]实施例1：
[0034]请参阅图1‑2，一种智能避障自平衡轮椅，包括安装底盘1，安装底盘1的内部固定安装有蓄电池和变压器，安装底盘1的底面四角上固定连接有伺服电机2，伺服电机2与蓄电
安装底盘1的上表面固定池和变压器电性连接，伺服电机2的输出轴上固定连接有行走轮3，
连接有自平衡机构4，自平衡机构4上连接有座椅5，座椅5上固定连接有扶手6，安装底盘1的上表面还设置有集成控制装置7。
[0035]自平衡机构4包括有纵轴方向舵机401，纵轴方向舵机401固定连接在安装底盘1的上表面，纵轴方向舵机401的输出轴上固定连接有横轴方向舵机402，横轴方向舵机402的输出轴上固定连接有固定杆403，固定杆403的顶端与座椅5的底面固定连接；纵轴方向舵机401和横轴方向舵机402上固定安装有角度传感器。[0036]集成控制装置7包括有安装壳，安装壳固定连接在安装底盘1的上表面，安装壳的内部固定安装有单片机控制芯片和GPS定位模块，安装壳的前侧壁上固定连接有超声波传感器，单片机控制芯片与自平衡机构4和超声波传感器电性连接。[0037]角度传感器的具体型号为MPU6050角度传感器，超声波传感器的具体型号为HC‑SR04超声波测距模块。
[0038]本发明所提出的智能避障自平衡轮椅与现有设计相比，在安装底盘1上固定安装有自平衡机构4，自平衡机构4的纵轴方向舵机401和横轴方向舵机402与单片机控制芯片相匹配，同时本发明提出的智能避障自平衡轮椅上还安装有角度传感器、超声波传感器和GPS定位模块，通过上述设计，相较于传统电动轮椅，增加了环境感知功能，再结合一套完整避障与自主平衡算法能够实现危险情况下的自主避障与紧急情况下的自主平衡；相较于市面上的传统轮椅，本发明可以借助该自主避障与自主平衡功能，帮助老年人避免一些不必要的剐蹭、磕碰、不适的倾斜感与侧翻，为老年人提供一定舒适度的同时也为老年人提供更加完善的提供安全保障；除此之外，本发明相较于市面上传统的轮椅更加考虑了老年人的人身安全；老年人的体质通常较弱，在发现意外事故时，通常不能完成自救；如果在意外事故后老年人不能得到及时的救助，他们生命安全就难以得到保障。而本发明提出的设计恰好考虑到这一点，该款轮椅具备GPS定位功能，老年人的亲属可以通过手机端及时的了解到老
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年人的动向，同时在意外事故发生时，单片机可以通过分析异常的角度信息向亲属的手机发送报警信号，而亲属可以通过装置本体的定位信息，及是赶往事发位置救助老人。[0039]实施例2：
[0040]请参阅图3‑4，结合实施例1的基础有所不同之处在于，一种智能避障自平衡轮椅控制系统，应用于权利要求1‑5中的一种智能避障自平衡轮椅，其特征在于：包括有单片机主控系统，单片机主控系统上链接有轮椅自平衡控制系统、轮椅避障控制系统和轮椅安全定位系统；
[0041]轮椅自平衡控制系统上链接有角度变化检测模块、角度运动数字化处理模块和舵机调节控制模块；
[0042]轮椅避障控制系统上链接有障碍物自动探测模块、主动避障控制模块和自动避震控制模块；
[0043]轮椅安全定位系统上链接有轮椅状态监测模块、GPS实时定位模块和数据异常自动报警模块。[0044]角度变化检测模块与MPU6050角度传感器相匹配，角度变化检测模块包括有纵向旋转角度检测单元和横向旋转角度检测单元；舵机调节控制模块与自平衡机构4相匹配，舵机调节控制模块包括有纵轴方向舵机控制单元和横轴方向舵机控制单元。[0045]在日常的生活，老年人在驾驶轮椅时经常会遇见下坡、上坡以及凹凸不平面的路段，在路经这些路段时，通常会给老年人带来不适倾斜感以及颠簸感，本发明与MPU6050角度传感器相结合，能够获取安装底盘1实时的角度信息，单片机对实时的角度进行判断，如果倾斜角度在可调节范围内，则向方向舵机传输相应的脉冲维持座椅5的平衡，从而为老年人以及残疾人解决了不适的倾斜感以及颠簸感。[0046]实施例3：
[0047]请参阅图5‑7，基于实施例1‑2但有所不同之处在于，障碍物自动探测模块与HC‑SR04超声波测距模块相匹配，障碍物自动探测模块包括有超声波发射单元、超声波接收单元和距离判断单元。
[0048]本发明采用能够满足功能需求且价格较低的HC‑SR04超声波传感器作为周围环境的感知模块，通过单片机给脉冲触发引脚输入一个长为20微秒的高电平方波，该超声波测距传感器自动向周围环境发射8个40KHz的超声波，再通过单片机中的中断系统可以测得超声波被反弹回的时间，最后通过超声波的传递速度可以计算周边障碍物的距离，从而实现对周围环境障碍物距离的测量；若与障碍物的距离范围达到危险范围，如果老年人或者残疾人士能及时做出正确的避障反应，则不启动自动避障算法，仅在驾驶者的避障操作下完成避障过程，进入安全行驶范围；如果老年人因为反应迟钝没有采取及时的避让措施。单片机将不再接受老年人的遥控指令，而采用自身的一套避障算法调节左右电机的转速差，完成对障碍物的避让，当进入安全范围后，单片机开始再次接受老年人的遥控指令。[0049]实施例4：[0050]请参阅图8，基于实施例1‑3但有所不同之处在于，数据异常自动报警模块包括有速度异常监测单元、角度异常监测单元、蜂鸣报警单元和网络通信单元。[0051]在大多情况下，老年人一般时独自外出。对于市面上传统的轮椅，家中亲属不能远程监控轮椅的状态以及定位信息，这会导致家中的亲属及时得知紧急情况以及意外事故的
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发生，可能会使老年人错失最佳的就是时期。而本发明能够通过MPU6050角度传感器时刻获取轮椅底盘的倾斜角度，并将角度数据传递给亲属的手机端，同时当角度异常时，轮椅会向亲属的手机发送报警信号。此时亲属可以通过轮椅传回的定位信息并及时了解家中老年人的状况。
[0052]以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其改进构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围内。
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