基于总线控制系统和生命体征云端监控的多功能智能轮椅的制作方法

本发明涉及医疗养老机械产品领域，特别涉及一种基于总线控制系统和生命体征云端监控的多功能智能轮椅。

背景技术：

1986年，被世界所公认的第一台智能轮椅于英国诞生，随后，许多国家也纷纷投入资金对智能轮椅进行了研究。

由德国乌尔姆大学研发的轮椅机器人maidm，是较早实现完全自动化的智能轮椅产品之一。日本的taoaide智能轮椅能够通过gps等工具进行数据收集与传递，对轮椅进行实时定位。

受限于经济和科技水平，我国智能轮椅的开发相对欧美国家较晚，但也依然实现了较多的研究成果。2010年，中科院自动化研究所借助计算机图像识别与处理、语音控制等技术，研发了多模态智能轮椅。来自上海交通大学的曾翔等，将声纳、红外线等传感器纳入其设计的智能轮椅。

通过以上综述可以看出，我国的智能轮椅处于试验研究与设计阶段，研究的技术与成果并不能完全符合目标用户的需求，普遍智能性不足。目前国内市场上的轮椅，大多只是人机交互模式，通过人主动去控制轮椅的行动，智能性不足。同时，轮椅的附加价值不多，大多数轮椅只能进行简单的前进和后退等简单功能，不能够充分利用轮椅的特有结构进行设计，其在研究上仍存在大量空间。同时，市面上的轮椅大多采用传统的系统控制模式，导致与新兴的技术不能较好衔接。本发明的研究至少能改善上述某一问题。

技术实现要素：

为了解决上述问题之一，本发明采用如下技术方案实现：

一种基于总线控制系统和生命体征云端监控的多功能智能轮椅，包括：

轮椅机械结构，具有通过变形转换的坐姿、直立及平卧三种状态；

轮椅智能控制系统，通过配备3条mlvds信号通道的um-bus总线与各系统进行连接，用于控制各系统协调运行及轮椅的运动；

体征检测系统，用于检测使用者的体温和脉搏数据，并将所述体温和脉搏数据上传至云端服务器，当轮椅使用者的体征数据超过正常值时，发送短信通知紧急联系人的移动端；

压力传感系统，均匀铺满在坐垫区和两边的扶手区，用于输出所采集的压力数据至所述轮椅智能控制系统。

进一步地，所述的轮椅机械结构包括依次铰接的靠背、坐垫、脚靠板、设置在所述脚靠板上的两个脚踏板，分别与脚靠板、坐垫、靠背驱动连接的第一液压杆、第二液压杆、第三液压杆。

进一步地，所述轮椅智能控制系统包括嵌入式计算机系统和总线控制器，所述嵌入式计算机系统通过总线控制器与um-bus总线信号连接。

进一步地，所述的嵌入式计算机系统采用omap-l138作为所述核心处理器，采用fpga芯片xc6slx16作为um-bus总线协议处理芯片，所述omap-l138与fpga芯片xc6slx16之间通过emifa接口进行通信。

进一步地，所述的um-bus总线采用mlvds线缆。

进一步地，所述体征监测系统包括：体征采集模块，单片机控制模块、gsm模块，wifi模块，安装有相应程序的监测移动端，所述体征采集模块包括体温监测模块与脉搏监测模块，所述体温监测模块与轮椅主体的椅背相连，所述脉搏监测模块放置于把手的凹槽内；所述gsm模块采用tc35i模块，当各体征参数超过定义的一定电信号时，系统将自动发送短信给紧急联系人；所述wifi模块用于实现轮椅监测数据上传至服务器；所述安装有相应程序的监测移动端用于实时接收并显示所述体征采集模块采集到的体征数据；所述单片机控制模块以stm32f103rb单片机为主控芯片，通过通用i/o口与所述体征采集模块相连，并处理所述体征采集模块传入的模拟信号，将其转化为数字信号；所述wifi模块通过串口uart与所述单片机控制模块相连。

进一步地，所述gsm模块采用tc35i模块；所述单片机控制模块以stm32f103rb单片机为主控芯片；脉搏监测模块采用pulsesensor传感器且置于扶手前端；所述体温检测模块包括mf54系列ntc热敏电阻、集成电路，所述mf54系列ntc热敏电阻通过集成电路与所述单片机控制模块相连，用于对人体体温进行实时监测；所述wifi模块采用hf-lpb100嵌入式wifi模组。

进一步地，所述的椅背上设置有收纳袋，所述体温检测模块通过伸缩件连接设置在所述收纳袋内。

进一步地，所述压力传感系统包括压力传感器阵列、信号处理模块、数据节点、无线模块、通信单元，所述压力传感器阵列包括若干均匀铺满在坐垫区和两边的扶手区的压力传感器，所述压力传感器用于输出采集的压力数据；所述信号处理模块用于将压力传感器的模拟信号转化为数字信号并进行信号放大；所述数据节点由单片机控制，用于将所述信号处理模块输出的压力信息通过串口发送出去；所述无线模块用于所述数据节点发送数据和云端服务器接受数据；所述通信单元用于将云端服务器侧的无线模块接收的数据发送至云端服务器。

进一步地，所述的压力传感器采用0.1毫米厚度的柔性网格状触觉压力传感器：tekscan压力传感器；所述信号处理模块采用hx711芯片进行信号处理及数模转换。

相比现有技术，本发明有四个主要方面特点：

一、所述机械结构能够控制电机使连杆间发生相应的变化，从而实现让使用者自动站起来，躺下去及其做腿部康复训练的功能。

二、本发明所述的控制系统采用可重构的总线作为各功能模块之间数据传输通道。，通过编写相应的硬件逻辑接口与功能模块进行连接，另一端连接mlvds线缆，实现功能模块的“接入即用”。

三、本发明所述的体征监测系统在轮椅的扶手上增加了一个可以测量脉搏和心跳的传感器，可以记录使用者的体征数据并将其传到服务器云端。在使用时，本发明开发了移动端小程序，其用于监测轮椅使用者的体征数据，并且把数据实时储存在服务器云端中。当轮椅使用者的体征数据超过正常值时，通过gsm通信模块发送短信通知紧急联系人，从而保证使用者可以快速就医。

四、本发明所述的压力传感系统将网格状触觉压力传感器均匀布置于扶手两边及轮椅坐垫上去记录使用者的各种压力特征，在使用时，所述的传感器记录的特征值与单片机相结合，不同的特征值对应着不同的输出，实现轮椅的智能自动控制。

附图说明

图1是本发明实施例的轮椅机构简图；

图2是本发明实施例的坐姿轮椅图；

图3是本发明实施例的平躺原理图；

图4是本发明实施例的站立轮椅图；

图5是本发明实施例的的模块结构图；

图6是本发明实施例的总线硬件结构框图；

图7是本发明实施例的监测系统框架图；

图8是本发明实施例的压力传感系统整体框图，

图9(a)是本发明实施例的压力传感系统的压力数据采集流程示意图。

图9(b)是本发明实施例的压力传感系统采用局部平均法对压力分布数据进行预处理的流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

一种基于总线控制系统和生命体征云端监控的多功能智能轮椅，包括：轮椅机械结构，具有通过变形转换的坐姿、直立及平卧三种状态；轮椅智能控制系统，通过配备3条mlvds信号通道的um-bus总线与各系统进行连接，用于控制各系统协调运行及轮椅的运动；体征检测系统，用于检测使用者的体温和脉搏数据，并将所述体温和脉搏数据上传至云端服务器，当轮椅使用者的体征数据超过正常值时，发送短信通知紧急联系人的移动端；压力传感系统，均匀铺满在坐垫区和两边的扶手区，用于输出所采集的压力数据至所述轮椅智能控制系统。

所述轮椅机械结构的参数包含了座高，座深，座宽，靠背高度，靠背宽度，座面、靠背倾角，扶手高度，头枕高度。

其中，所述座高的实际尺寸=理论＋尺寸修正量（功能和心理），考虑到轮椅支撑脚与地面之间还需要有一定的距离，取座面高度为420mm。

所述座深即座面深度略小于大腿的长度，使人体坐下后膝窝处离椅边还有约5cm的活动空间，取座面深度为350mm。

所述座宽设计参考尺寸是人体臀宽，使用户能够在轮椅上自由调整坐姿，座面宽度应该大于这个尺寸，取座面宽度为420mm。

所述靠背高度、宽度,轮椅靠背的最大高度取决于椅面到肩部的距离，为了使背部下方骶骨和臀部有适当的后凸空间，取靠背高度为410mm,靠背宽度为420mm。

所述座面、靠背倾角，舒适的轮椅座面应有一个后倾角度，有助于防止轮椅使用者臀部向前滑动，减少由肌肉静力收缩来防止这一滑动趋势而造成的生理和心理上的疲劳感；另一方面降低背肌静压。座面倾角以5°~10°为宜，取靠背倾角为100°。

所述扶手、头枕，扶手的间距和高度取决于人体两肘之间宽度、坐姿肘高。取扶手间距为500mm；取扶手高度为256mm。头枕的高度设计应以人体坐姿颈椎点高为参考依据，取头枕高度为650mm；取头枕宽度为290mm。

具体地，如图1和图2所示，所述的轮椅机械结构包括依次铰接的靠背1、坐垫2、脚靠板3、设置在所述脚靠板3上的两个脚踏板4，分别与脚靠板3、坐垫2、靠背1驱动连接的第一液压杆5、第二液压杆6、第三液压杆7。

如图4所示，站立动作时，以坐姿状态为轮椅原始状态，当要实现站立功能时，所述第一液压杆5收缩使所述的脚靠板3回收至与地面接近垂直，同时所述第二液压杆6也拉伸使所述坐垫2绕a点旋转至与地面接近垂直，同时所述第三液压杆7收缩使所述靠背1也与地面相垂直，如此便实现如图4所示的站姿变化，反之则可返回坐姿状态。

如图3所示，平躺动作时，以图2的坐姿状态为轮椅原始状态，若要实现平躺状态，以坐姿状态为轮椅原始状态，所述液压杆5使所述脚靠板3绕b点旋转至与水平面平行，所述液压杆7收缩使所述靠背1绕c点旋转至与坐垫平行，最后使所述靠背1、坐垫2、脚靠板3在同一平面上，实现如图3所示的平躺功能，反之亦可返回坐姿状态。

当轮椅处于s201站立动作时，通过图1轮椅机构简图所示的所述脚踏板4实现腿部的上下受力，从而达到运动康复功能。

所述轮椅智能控制系统包括嵌入式计算机系统和总线控制器，所述嵌入式计算机系统通过总线控制器与um-bus总线信号连接。采用可重构的总线作为各功能模块之间数据传输通道，如图5智能轮椅系统的新型体系结构图所示，包括主控节点，总控制器，核心处理器。

将嵌入式计算机系统作为所述主控节点，从节点主要包括运动控制、人机交互和其它功能模块，所述主、从节点通过总线控制器接入系统中。

所述总线控制器的一端通过编写相应的硬件逻辑接口与功能模块进行连接，另一端连接mlvds线缆。

所述总线控制器电路包括协议处理，与总线驱动两部分。um-bus总线配备3条mlvds信号通道，实现冗余度为2、传输速率最高为600mb/s的串行总线，可实现系统2条数据通道的动态冗余容错，提高整个系统的可靠性。主控节点的硬件结构框图如图6所示。

选择omap-l138作为所述核心处理器，fpga芯片xc6slx16作为um-bus总线协议处理芯片，包括周围相关外设的搭建。omap-l138与fpga两者之间通过emifa接口进行通信。

如图7所示，所述体征监测系统包括：体征采集模块，单片机控制模块、gsm模块，wifi模块，安装有相应程序的监测移动端，所述体征采集模块分为体温监测模块与脉搏监测模块，所述体温监测模块与轮椅主体的椅背相连。所述脉搏监测模块放置于把手的凹槽内。

具体的，所述体温检测模块包括mf54系列ntc热敏电阻、集成电路，所述热敏电阻通过集成电路与所述单片机控制模块相连，用于对人体体温进行实时监测。并且利用恒流源特性将电阻与温度转换为一一对应的关系，再利用均值算法对此关系进行校正；实现测温范围为32.0~42.0℃，精度小于±0.1℃。

所述脉搏检测模块包括pulsesensor传感器采用光电容积法进行脉搏测量，将pulsesensor传感器置于扶手前端。pulsesensor传感器由光源和光电变换器两部分组成。pulsesensor传感器光源发出一定波长(500nm~700nm)光束，当光束透过人体外周血管由于动脉搏动充血容积变化导致这束光的透光率发生改变，此时由光电变换器接收经人体组织反射的光线，转变为电信号并将其放大和输出。由于脉搏是随心脏的搏动而周期性变化的信号，动脉血管容积也周期性变化，因此光电变换器的电信号变化周期就是脉搏率。pulsesensor传感器可将采集到的模拟信号传输给单片机，使用单片机的自身a/d转换功能，将模拟信号转换为数字信号，再通过单片机简单计算后可以得到脉搏数值。

本发明装置使用前，将所述体温检测模块放置于所述收纳袋内。检测体温时，打开收纳袋，取出体温监测模块，利用伸缩件调节所述体温监测模块的位置，将监测端放置于腋下，进行腋下体温的测量。脉搏测量时，取出把手凹槽中所述的脉搏监测模块将检测端套于手指上，进行皮肤表微动脉的搏动信号监测。

所述单片机控制模块的数据采集端以stm32f103rb单片机为主控芯片。基于体温监测模块与脉搏监测模块通过通用i/o口与stm32f103rb单片机单片机相连，并处理传感器传入的模拟信号，将其转化为数字信号。wifi无线收发模块通过串口uart与stm32f103rb单片机单片机相连。

所述gsm模块采用tc35i模块，以实现各种无线通信功能。当输入的各体征参数超过定义的一定电信号时，系统将自动发送短信给紧急联系人，达到监护老人的作用。

所述wifi模块采用hf-lpb100嵌入式wifi模组进行数据传输实现轮椅监测数据上传至服务器。

设置所述安装有相应程序的监测移动端时，用户通过扫描轮椅上处张贴的二维码图片，可进行微信小程序端的使用并且之后可以实时观看轮椅体征采集到的监测数据。

微信小程序用于监测轮椅使用者的体征数据，并且把数据实时传送给紧急联系人。同时会保存过去一段时间内的数据，当使用者体征异常时，医生可以观看以往数据从而做出正确病情的判断。当轮椅使用者的体征数据超过正常值时，云端会通过gsm模块发送短信通知紧急联系人，从而保证使用者可以快速就医。

所述的微信小程序具体为：操作系统环境：windows系统，开发环境：微信web开发者工具，前端开发：js文件开发，wxml文件开发，wxss文件开发。js文件开发，使用javascript语言；wxml文件开发，使用html语言；wxss文件开发，使用css语言。

如图8所示，所述压力传感系统包括压力传感器阵列、信号处理模块、数据节点、无线模块、通信单元，所述压力传感器阵列采用柔性极好且只有0.1毫米厚度的网格状触觉压力传感器：tekscan压力传感器。本实施例将10个压力传感器均匀铺满在坐垫区和两边的扶手区，压力传感器输出采集的压力数据。

所述压力传感系统将网络状触觉压力传感器均匀布置于扶手两边及轮椅坐垫上去记录使用者的各种压力特征值。在使用时，所述的传感器记录的特征值与单片机相结合，不同的特征值对应着不同的输出。本发明定义了六种特征值，分别对应转向及其本发明设计的特有的躺下，站起功能。本发明通过对于压力传感内容的设计，实现了轮椅更加智能化的目的。

常见坐姿定义包括：身体前倾，身体后仰，身体左倾，身体右倾，正常坐姿，无人状态。身体前倾时，传感器阵列中靠前的传感器压力变化值较大，使单片机输出相应电平驱动轮椅液压杆动作，使轮椅进入站立姿势；身体后仰，传感器阵列中靠后的传感器压力变化值较大，使单片机输出相应电平驱动轮椅液压杆动作，使轮椅进入平躺姿势；身体左倾，传感器阵列中左边扶手及靠左的传感器有明显的压力变化，使单片机输出相应电平驱动轮椅前轮（转向轮）动作，使前轮（转向轮）向左转动；身体右倾，传感器阵列中右边扶手及靠右的传感器有明显的压力变化，使单片机输出相应电平驱动轮椅前轮（转向轮）动作，使前轮（转向轮）向右转动；正常姿势，传感器阵列的压力量分布正常，输出电信号保持单片机处于开通状态，轮椅进入工作状态；无人姿势，传感器阵列没有感应到压力量，无电信号输出使单片机处于关断状态，轮椅进入关机状态。

所述信号处理模块用于将传感器的模拟信号转化为数字信号并进行信号放大，本实施例使用hx711芯片进行信号处理及数模转换。

所述数据节点由单片机控制，用于将hx711输出的压力信息通过串口发送出去。

所述无线模块用于所述数据节点发送数据和云端服务器接受数据；

所述通信单元用于将云端服务器侧的无线模块接收的数据发送至云端服务器。

如图9(a)所示，当使用者坐在轮椅上时，传感器会记录产生的圧力分布，即可分析压力分布数据。如图9(b)所示，为了避免传感器内部或外部的压力干扰，采用局部平均法对压力分布数据进行预处理，并通过实验采集样本数据定义相关的常见姿势，实现智能化的操作系统，更方便用户的使用。

上述实施例为本发明其中一个的实施方式，但本发明的实施方式并不受所述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。