一种智能轮椅的主动安全控制方法及装置与流程

本发明涉及轮椅领域，尤其涉及一种智能轮椅的主动安全控制方法及装置。

背景技术：

我国人口老龄化趋势加剧，许多老年人在下肢部分技能退化以后，出现了各种类型的问题，其中出行困难是最普遍、最基础的问题，大多数老年人在身体机能退化无法远距离行走，需要借助辅助工具，较多的人群选择了电动轮椅车或智能轮椅车。但是电动轮椅车出行过程中，使用者摔伤的问题偶有发生。特别是上、下坡时向前倾倒、向后倾倒、侧翻的问题，对使用者的身体造成了二次伤害。

现有产品的技术特点如下：

1、一种常见的可折叠型电动轮椅车，可以解决部分不便长距离移动人群的代步问题，后轮为驱动轮，且驱动轮内侧设计有向后的防倾倒轮。其结构相对简单，整体质量较轻，使用者使用时重心位置相对偏后的较多，在爬坡时，容易向后侧倾倒。该电动轮椅车存在向后摔倒的风险。且电动轮椅左、右两侧若发生侧翻时，无规避措施，存在安全隐患。

2、上海威之群机电制品有限公司所生产的电动轮椅车，可以解决部分不便长距离移动人群的代步问题，后轮为驱动轮，考虑到前后轮之间轴心距较短，为防止倾倒在驱动轮内侧设计有向后的防倾倒轮。其结构相对厚重，使用者使用时重心位置接近位于两驱动轮中间。但在爬坡时，仍然容易向后侧倾倒。且电动轮椅左、右两侧若发生侧翻时，无规避措施，存在安全隐患。

3、南京康尼智能技术有限公司研制的一款电动轮椅ks1智能轮椅，该轮椅车相对普通电动轮椅车的，其座位相对靠前，使用者使用时，其重心可位于前、后轮中间位置，其后轮为驱动轮，未设计后侧的防倾倒机构。爬坡时，该轮椅车可依据爬坡的角度进行自适应调整。以确保使用者上下坡时，身体始终处于与地面垂直的姿态。但重心会在上坡时发生较大的改变，向后侧较大范围的移动，存在向后倾倒的隐患。且电动轮椅左、右两侧若发生侧翻时，无规避措施，存在安全隐患。

上述1的电动轮椅车结构简易，使用时中心相对偏后的较多，且整体质量较小，后侧虽设计有防倾倒轮，存在后倾倒的风险。且无左、右两侧侧翻的防护措施或补救措施。

上述2的电动轮椅车结构厚重，但前、后轮之间间距过小。后侧虽设计有防倾倒轮，但仍存在后倾倒的风险。且无左、右两侧侧翻的防护措施或补救措施。

上述3的电动轮椅车设计有上、下坡时座椅的调平功能，但在上坡时，其重心相对变化较大，向后侧移动较多，且后侧未设计防倾倒轮，存在后倾倒的风险。另外该电动轮椅无左、右两侧侧翻的防护措施或补救措施。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种智能轮椅的主动安全控制方法及装置，有效防止侧翻倾倒，提高行驶过程的安全性。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种智能轮椅的主动安全控制方法，包括：

s1，通过四个压力传感器分别实时采集轮椅的底盘部件的四个角端位置的压力数据；

s2、通过控制器对四个压力传感器采集的压力数据进行对比分析，计算座椅部件是否位于重心安全位置；如果计算结果是位于重心安全位置则执行步骤s3，否则执行步骤s4；

s3、控制器控制座椅下方的横向移动部件和纵向移动部件动作，使座椅朝压力小的方向移动以调整座椅的重心位置，使其位于重心安全位置。

s4、完成一次重心位置调整工作或不调整的工作后，数据清零，重新执行上述步骤s1至s3。

进一步的，四个压力传感器分别安装于底盘部件的四个驱动轮-侧的减震机构上。

一种实现上述的智能轮椅的主动安全控制方法的装置，包括底盘部件、纵向移动部件、横向移动部件和控制器；

所述底盘部件包括底盘及分别设置于底盘的四个角端的减震机构，所述减震机构用于与驱动轮的电机轴连接，所述减震机构包括四个压力传感器，四个所述压力传感器分别位于所述底盘的四个角端位置，用于采集四个方位的压力数据；

两个所述纵向移动部件前端和后端分别固定在所述底盘上；

两个所述横向移动部件通过连接型材分别与两个纵向移动部件的滑块连接固定在一起；

所述横向移动部件的滑块用于连接座椅框架连接件；

所述横向移动部件部件用于经座椅框架连接件带动座椅部件沿横向往复动作；所述纵向移动部件用于经横向移动部件带动座椅部件沿横向往复动作；

所述控制器与所述横向移动部件和所述纵向移动部件的驱动电机以及四个所述压力传感器分别电连接，所述控制器用于控制所述横向移动部件和所述纵向移动部件的动作过程。

进一步的，所述减震机包括构减震连接片，所述减震连接片的下端面上设置有所述压力传感器，所述减震连接片的下端还连接有阻尼压簧，所述阻尼压簧另一端连接电机轴安装座，所述减震机构未安装到驱动轮的电机轴上之前，所述压力传感器与电机轴安装座预留有相对应的位置，所述减震机构装到电机轴上之后，驱动轮与地面接触时减震机构作用，所述压力传感器的触点与电机轴安装座接触。

进一步的，所述纵向移动部件包括驱动电机、柔性联轴器、滑块、丝杠螺母、滑轨、移动部件基座、丝杠、端面固定座，其中所述丝杠-57上套有两组所述滑块和丝杠螺母，其间距固定，方向相同，驱动电机转动时，两个滑块朝着相同的方向进行移动。

进一步的，所述横向移动部件与纵向移动部件结构组成相同，二者的驱动电机的安装方式不同，所述横向移动部件的驱动电机轴与丝杠轴心垂直。

进一步的，所述底盘部件包括所述驱动轮、电池、所述控制器，作为整个智能轮椅的基座，为智能轮椅的代步和姿态调整提供动力，所述底盘部件-1的底盘包括侧边梁和底盘连接板、底盘横梁，所述电池和控制器的电路板分别依次排列在底盘连接板的中间位置。

进一步的，所述控制器包括控制电路板和操纵器，所述控制器电路板上设焊接有单片机和电压采集电路，所述操纵器包括显示屏、电源开关按钮、摇柄、操纵器外壳、操纵器连接件，所述显示屏可以显示运动使用状态下的相关数据以及电池-12电量的多少，所述电源开关按钮控制整个智能轮椅车的供电，所述摇柄用于手动控制整车的运动状态。

进一步的，所述控制器还包括重心调整按钮，所述重心调整按钮用于根据四个压力传感器反馈的压力值计算出安全重心位置后，自动控制所述纵向移动部件和所述纵向移动部件的动作，以调整座椅位于安全重心位置。

进一步的，还包括脚托部件，所述脚托部件包括脚托连接管、护腿板、脚踏板、支撑轮和脚托横梁，所述脚托部件通过铰链连接的方式安装在座椅部件框架前端，通常其支撑轮与地面接触，以便使用者可以平稳的进行上下车，需要行走时脚托部件能够再抬起相应的高度，以确保不会被障碍物所阻挡。

再进一步的，还包括升降立柱，所述升降立柱分别布局在底盘连接板的两端，且所述升降立柱位于纵向移动部件的下方，通过带动所述纵向移动部件的升降进而实现带动座椅部件的升降；同时所述操纵器还包括升降按钮，用于控制升降立柱的升降动作；

所述重心调整按钮根据四个压力传感器反馈的压力值计算出安全重心位置后，自动控制所述纵向移动部件、所述纵向移动部件及升降立柱的动作，以调整座椅位于安全重心位置。

与现有技术相比，本发明的有益技术效果：

本发明的方法及装置能够实现主动进行防护，在风险出现前规避；在使用者出现倾倒隐患前作出判断，对其状态及时进行调整，提高使用者的安全性；降低了使用者倾倒的风险。

本发明的方法及装置使轮椅通常情况下可以视为室外型智能轮椅车作为代步工具进行使用，在经过斜坡路面时，智能轮椅车的主动安全装置会可以依据所检测到的重心偏移的情况，对其进行调整，确保调整后的重心位于整车安全、稳定的位置上。

附图说明

下面结合附图说明对本发明作进一步说明。

图1为本发明智能轮椅的主动安全控制方法的控制流程图；

图2为本发明智能轮椅的主动安全装置的主视结构示意图；

图3为图2的仰视结构示意图；

图4为底盘部件的结构示意图；

图5为减震机构结构示意图；

图6为纵向移动部件结构示意图；

图7为横向移动部件结构示意图；

图8为脚托部件的结构示意图；

图9为操纵器结构示意图；

图10为重心平面坐标模型图；

附图标记说明：1-底盘部件，11-驱动轮，12-电池，13-控制器，14-侧边梁，15-底盘连接板，16-底盘横梁,17-减震机构，171-减震连接片，172-阻尼压簧，173-压力传感器，174-电机轴安装座；2-脚托部件，21-脚托连接管，22-护腿板，23-脚踏板，24-支撑轮，25-脚托横梁；3-座椅部件，4-操纵器，41-显示屏，42-电源开关按钮，43-重心调整按钮，44-摇柄，45-操纵器外壳，46-操纵器连接件；5-纵向移动部件，51-前后调节丝杠驱动电机，52-柔性联轴器，53-丝杠滑块，54-丝杠螺母，55-滑轨，56-移动部件基座，57-丝杠，58-端面固定座；6-横向移动部件，61-左右调节丝杠电机；7-升降立柱，8-座椅框架连接件。

具体实施方式

如图1所示，一种智能轮椅的主动安全控制方法，包括：

s1、通过四个压力传感器分别实时采集轮椅的底盘部件的四个角端位置的压力数据；

s2、通过控制器对四个压力传感器采集的压力数据进行对比分析，计算座椅是否位于重心安全位置；如果计算结果是位于重心安全位置则执行步骤s3，否则执行步骤s4s4；

s3、控制器控制座椅下方的横向移动部件和纵向移动部件动作，使座椅朝压力小的方向移动以调整座椅的重心位置，使其位于重心安全位置，即调整座椅重心位置；

s4、控制器控制座椅下方的横向移动部件和纵向移动部件动作停止动作，既不调整座椅重心位置；

s5、完成一次重心位置调整工作或不调整的工作后，数据清零，重新执行上述步骤s1、s2和s3或步骤s1、s2、s4。

如图10所示，轮椅车的重心的平面坐标模型图，压力传感器所在位置间距x轴方向为60cm,y轴方向间距为80cm，g1、g2、g3、g4分别为压力传感器测得的压力值，(x1,y1)、(x2,y2)、(x3,y3)、(x4,y4)为四个压力传感器的坐标位置，则根据压力传感器的检测值计算得到重心位置坐标(x0，y0)；

x0＝(g1x1+g2x2+g3x3+g4x4)/(g1+g2+g3+g4)

y0＝(g1y1+g2y2+g3y3+g4y4)/(g1+g2+g3+g4)

经实验测量图中浅色(以中心为原点，40cm为半径的圆)区域为安全区，超出此区域则需要调整座椅位置使重心处在浅色区域内即x0²+y0²＜40²，以保证安全。

一种实现上述智能轮椅的主动安全控制方法的装置：

如图2至9所示，智能轮椅的前、后轮均为驱动轮11，通过其输出轴直接穿过在底盘部件1的侧边横梁固定在电机轴安装座174上，驱动轮11的电机轴分别与其对应的电机轴安装座174固定连接。电池12和控制器13分别通过螺钉固定于底盘中间位置。脚托部件2固定连接在座椅部件3的前端铰链孔上。两个纵向移动部件5的前端和后端分别固定在地盘梁上。两个横向移动部件6通过连接型材分别与两个纵向移动部件5上连接固定在一起。在两个横向移动部件6的四个滑块上分别固定在座椅框架连接件8，再通过座椅部件连接板与座椅部件3固定到一起。操纵器4通过连杆固定在座椅部件3的扶手上，操纵器4的输出端与控制器13的输入端通过导线连接，通过驱动摇杆(或操纵器4上的重心调整按钮43)控制整个智能轮椅的运动。

如图3至4所示，底盘部件1包括驱动轮11、电池12、控制器13，作为整个智能轮椅的基座，为智能轮椅的代步和姿态调整提供动力。底盘部件1的主框架主要由侧边梁14、底盘连接板15、底盘横梁16组合而成。电池12和控制器13的电路板分别依次排列在底盘连接板15的中间位置。

如图5所示，减震机构17包括减震连接片171、阻尼压簧172、压力传感器173和电机轴安装座174。当减震机构17未安装到驱动轮11的电机轴上之前，压力传感器173与电机轴安装座174预留有相对应的位置。装到电机轴上之后，驱动轮11与地面接触减震机构17作用，压力传感器173的触点与电机轴安装座174接触。

如图6所示，纵向移动部件5包括前后调节丝杠驱动电机51、柔性联轴器52、丝杠滑块53、丝杠螺母54、滑轨55、移动部件基座56、丝杠57、端面固定座58组成。其中，丝杠57上套有两组丝杠滑块53和丝杠螺母54，其间距固定，方向相同。驱动电机51转动时，两个丝杠滑块53朝着相同的方向进行移动。

如图7所示，横向移动部件6与纵向移动部件5结构组成相同，除驱动电机的安装方式不同，横向移动部件6的左右调节丝杠驱动电机轴61与丝杠57轴心垂直。

如图8所示，脚托部件2包括脚托连接管21、护腿板22、脚踏板23、支撑轮24和脚托横梁25组成。脚托部件2通过铰链连接的方式安装在座椅部件3框架前端。通常支撑轮24与地面接触，以便使用者可以平稳的进行上下车。需要行走时脚托部件2会在抬起相应的高度，以确保不会被障碍物所阻挡。

如图9所示，操纵器4包括显示屏41、电源开关按钮42、摇柄44、操纵器外壳45、操纵器连接件46。显示屏41可以显示运动使用状态下的相关数据，以及电池12电量的多少。电源开关按钮42控制整个智能轮椅车的供电。

根据需要，如图3所示，底盘组件1还包括升降立柱7，所述升降立柱7分别布局在底盘连接板15的两端，且所述升降立柱位于纵向移动部件5的下方，通过带动所述纵向移动部件5的升降进而实现带动座椅部件3的升降；同时所述操纵器4还包括升降按钮，用于控制升降立柱7的升降动作；所述重心调整按钮43根据四个压力传感器反馈的压力值计算出安全重心位置后，自动控制所述纵向移动部件5、所述纵向移动部件6及升降立柱7的动作，以调整座椅位于安全重心位置。控制器(单片机)采集压力传感器压力值，根据压力值通过算法计算，控制升降立柱电机驱动器动作，使得四个压力传感器压力均衡。

升降立柱7主要作为为降低重心高度，在重心发生偏移的情况下，优先降低重心距离地面的高度，其次在通过横向移动部件6和所述纵向移动部件5的动作对其进行调整确保其安全，相当于保护措施的优先反馈。升降立柱7底部与底盘连接板固定连接(前后两端各一个)，顶部分别与左右两侧的纵向移动部件基座固定连接。

制器13的电路板上设焊接有单片机和电压采集电路，控制器的单片机分别采集四个压力传感器173的数值进而进行计算比较，进而调节纵向移动部件5、横向移动部件6和升降立柱7，完成对座椅重心位置进行调整，以确保智能轮椅的重心处在安全范围内。

重心调整按钮43的主要工作模式为：

①当智能轮椅行驶到坡道前，需要爬坡或者下坡时，按下操纵器4上的重心调整按钮43。此时，控制器13将对底盘部件1的驱动轮11内侧的减震机构17上所安装的4个压力传感器173的数据进行对比、分析。实时的(通过升降立柱7、纵向移动部件5和横向移动部件6)调整座椅部件3的高度，以及前后左右的位置状态，以确保整车的重心在坡道上处于相对安全的状态。

②当智能轮椅行驶到起伏路面时，也可以先按下操纵器4上的重心调整按钮43。由控制器13将对对底盘部件1驱动轮11内侧的减震机构17上所安装的4个压力传感器173的数据进行对比、分析。实时的调整座椅部件3的高度，以及前后左右的位置状态，以确保整车的重心在该路面上处于相对安全的状态。

以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。