專利名稱：全向智能電動輪椅的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種全向智能電動輪椅。
背景技術：
隨著生活水平的日漸提高，電動輪椅由于能夠彌補中老年人和下肢殘障人士在行走方面的不便，而逐漸受到關注和重視。目前已有多種型號的電動輪椅投入實用。當前銷售的產品多是采用的傳統手動輪椅的結構設計兩個大直徑的后輪作為驅動輪，兩個小直徑的萬向腳輪作為前部的支撐輪，可以實現前后移動及轉動。基于這種設計的輪椅旋轉中心在后輪軸線上，旋轉半徑大，占用的空間也大，不適于在電梯、辦公室等空間受限的地方使用；此外輪椅前部的萬向腳輪既不能輸出動力又不能控制方向，這導致輪椅在不平和有障礙的路面上行動能力和可控性下降。另外，現有電動輪椅的行駛完全依靠使用者手動控制，對使用者的反應速度，距離、速度的判斷能力以及操作準確性要求較高，致使部分老年人不能安全正常使用。申請號為200710173079專利申請，揭示了一種智能輪椅，其在代步功能的基礎上，通過設置具有七個自由度的機械臂，幫助生活自理能力低的老年人或殘疾人完成適用于生活的基本動作，但該智能輪椅在移動過程中，僅具備防撞功能，而無法繞開障礙物，特別是在使用者遇到障礙物而沒及時作出反應時，不能及時避讓障礙物或停止輪椅移動，保證使用者的安全，同時，其所用的移動論也只能實現直線方向的移動，不能作360 度全方位任意方向的移動，因此，難以適應在空間相對較小的地方使用。

發明內容
本發明要解決的技術問題是克服現有技術中之不足，提供一種具有自主避險功能、實現全方位移動的全向智能電動輪椅。本發明解決其技術問題所采用的技術方案是一種全向智能電動輪椅，包括底盤框架、位于底盤框架上方與底盤框架連接的座椅，所述底盤框架下方左右兩側分別鉸接有左右相對應的兩對由直流電機驅動的驅動臂，所述驅動臂上連接有構成一對前輪和一對后輪的麥克納姆輪，座椅下方兩側、座椅前方且位于一對前輪上方分別設有超聲波傳感器，所述麥克納姆輪的外側分別設有紅外傳感器，座椅的扶手上設有控制盒和操作手柄，驅動臂內還設有與直流電機電性連接的驅動控制板，驅動控制板線路連接有DSP處理器。具體說，所述的底盤框架與座椅之間設有可調節座椅升降、由操作手柄控制的升降氣桿，升降氣桿上端與座椅底面固定，升降氣桿下端與底盤框架固定。為消除座椅及乘客在全向移動過程中所產生的傾覆力矩,所述的座椅底面固定有導套，底盤框架上固定有導套座，導套滑動設置在導套座內，升降氣桿安裝在導套內。所述的驅動臂包括殼體、驅動軸，麥克納姆輪固定在驅動軸上，直流電機固定在殼體內，直流電機輸出軸與驅動軸之間設有減速裝置，控制直流電機運轉的驅動控制板固定在殼體內側面上，驅動控制板還線路連接有霍爾傳感器。進一步地，所述的減速裝置包括同步帶減速機構和齒輪減速機構，同步帶減速機構包括安裝在直流電機輸出軸上的小帶輪、與小帶輪通過同步帶連接的大帶輪，齒輪減速機構包括與大帶輪同軸的小齒輪、安裝在驅動軸上與小齒輪嚙合的大齒輪。為實現輪椅的緩沖避震及平衡前、后輪壓力的作用，所述的殼體與底盤框架之間設有可軸向伸縮的避震器，避震器一端與設在殼體上的支架鉸接，避震器另一端與底盤框架鉸接。所述的底盤框架左右兩側分別固定有覆蓋在驅動臂上方的罩殼，超聲波傳感器和紅外傳感器分別固定在罩殼上。本發明的有益效果是與常規的兩輪后驅電動輪椅相比，本發明所述電動輪椅具有如橫向、斜向等全向移動能力，具有更大的運動靈活性，特別適于在空間受限的環境內使用。同時，該電動輪椅能夠通過超聲波傳感器和紅外傳感器檢測輪椅周圍的環境，以此為乘坐者提供可能阻礙輪椅運動的障礙物的信息，并且能夠在乘坐者沒有及時做出反應的情況下，根據傳感器數據自動駕駛輪椅避障或為輪椅制動，提高輪椅的使用安全性。


下面結合附圖和實施例對本發明進一步說明。圖I是本發明的斜視結構示意圖。圖2是本發明所述驅動臂的結構示意圖。圖3是圖3中A-A剖視圖。圖4是本發明所述底盤框架與座椅連接處的局部結構示意圖。圖5是本發明的控制原理框圖。圖中I.底盤框架2.座椅3.驅動臂31.直流電機32.驅動控制板33.殼體 34.驅動軸35.霍爾傳感器36.同步帶減速機構37.齒輪減速機構38.小帶輪39.同步帶40.大帶輪41.小齒輪42.大齒輪43.支架4.麥克納姆輪5.超聲波傳感器6.紅外傳感器7.控制盒8.操作手柄9.升降氣桿10.導套11.導套座12.避震器13.罩殼 14.蓄電池15.長銷16.短銷17.磁鋼
具體實施例方式現在結合附圖和優選實施例對本發明作進一步的說明。這些附圖均為簡化的示意圖，僅以示意方式說明本發明的基本結構，因此其僅顯示與本發明有關的構成。如圖I 圖4所示的一種全向智能電動輪椅，包括底盤框架I、位于底盤框架I 上方的座椅2，所述底盤框架I下方兩側分別鉸接有左右相對應的兩對由直流電機31驅動的驅動臂3，所述驅動臂3上連接有構成一對前輪和一對后輪的麥克納姆輪4 (Mecanum Wheel)，利用麥克納姆輪4滾動時能夠產生軸向分力的特點實現輪椅的全向運動；座椅2下方兩側、座椅2前方且位于一對前輪上方分別設有超聲波傳感器5,所述麥克納姆輪4的外側分別設有紅外傳感器6，座椅2的扶手上設有控制盒7和操作手柄8，驅動臂3內還設有與直流電機31電性連接的驅動控制板32，驅動控制板32線路連接有DSP處理器。在底盤框架I與座椅2之間設有可調節座椅2升降、由操作手柄8控制的升降氣桿9，座椅2底面固定有導套10，底盤框架I上固定有導套座11，導套10滑動設置在導套座 11內，可以相對導套座11軸向移動，升降氣桿9安裝在導套10內，升降氣桿9上端與座椅2底面固定，升降氣桿9下端與底盤框架I固定，如此由升降氣桿9為座椅2的上下升降移動及定位提供支承力，而導套10用于消除座椅2及乘客在全向移動過程中所產生的傾覆力矩。操作手柄8,采用三軸式手柄,該操作手柄8的前后、左右及其合成轉動,分別用于控制輪椅的前進后退、左右平移及合成運動；操作手柄8的另外一個軸繞操作手柄8控制桿軸線的轉動，用于控制輪椅的旋轉運動，由此使用一個操作手柄8即可操縱輪椅實現全向運動。驅動臂3，共有四套，分別設在底盤框架I下方左右兩側，其中位于底盤框架I前端左右對應的一對驅動臂3支撐輪椅的前輪部分,位于底盤框架I后端左右對應的一對驅動臂3支撐輪椅的后輪部分。所述驅動臂3包括殼體33、固定在殼體33內的直流電機31 以及驅動軸34，麥克納姆輪4固定在驅動軸34上，在直流電機31的輸出軸與驅動軸34之間設有減速裝置，所述減速裝置包括同步帶減速機構36和齒輪減速機構37，同步帶減速機構36包括安裝在直流電機31輸出軸上的小帶輪38、與小帶輪38通過同步帶39連接的大帶輪40，齒輪減速機構37包括與大帶輪40同軸的小齒輪41、安裝在驅動軸34上與小齒輪 41嚙合的大齒輪42，控制直流電機31運轉的驅動控制板32固定在殼體33內側面上，驅動控制板32還線路連接有霍爾傳感器35。在小帶輪38表面固定有與小帶輪38旋轉軸線同軸的磁鋼17，霍爾傳感器35的電路板通過螺釘固定在直流電機31的機座上，并使焊接在霍爾傳感器35的電路板上的霍爾芯片(型號為AS5040)中心與磁鋼17中心對齊，且保持芯片和磁鋼17相距1mm。驅動控制板32通過螺釘固定在殼體33上，并使驅動控制板32上的MOSFET功率管與殼體33接觸， 驅動控制板32通過導線與直流電機31及霍爾傳感器35芯片連接，形成速度閉環，實現對直流電機31的控制。上述集成式的安裝形式，結構簡單緊湊，利于裝配維護及屏蔽外界干擾信號。輪椅運動采用蓄電池14作為動力源，兩節蓄電池14固定在底盤框架I內，同時相應的如繼電器、接線板、控制板、開關等電器元件也均固定在底盤框架I內，通過導線分別與四套驅動臂3和控制盒7連接，并為各驅動臂3上的直流電機31提供能量。驅動臂3與底盤框架I通過長銷15鉸接，同時驅動臂3的殼體33與底盤框架I 之間設有避震器12，避震器12 —端與設在殼體33上的支架43通過銷釘鉸接，避震器12另一端與底盤框架I上的短銷16鉸接。避震器12可以軸向伸縮，受壓后可以在其內部彈簧的作用下回彈，以此實現驅動臂3繞底盤框架I上的長銷15擺動，從而實現緩沖避震及平衡前、后輪壓力的作用。所述的底盤框架I左右兩側分別通過六個螺釘固定有覆蓋在驅動臂3上方的罩殼 13，超聲波傳感器5和紅外傳感器6分別固定在罩殼13上。具體說，罩殼13上安裝有八個超聲波傳感器5和四個紅外傳感器6,其中六個超聲波傳感器5分別安裝在座椅2下方左右兩邊的罩殼13上，每邊三個，用螺釘將其電路板固定在罩殼13上，其發射和接收元件穿過罩殼13上的預留孔，朝向兩側方向，用于檢測輪椅左右兩側I. 5米范圍內的物體；另外兩個超聲波傳感器5以相同方式分別安裝在兩個前輪上方的罩殼13上,朝向前方,用于檢測輪椅正前方I. 5米范圍內的物體。四個紅外傳感器6通過罩殼13上的螺紋孔分別固定在四個麥克納姆輪4外側旁，并向下傾斜30°，用于檢測輪椅移動時前輪前方、后輪后方O. 5米內路面的高低變化。當超聲波傳感器5或紅外傳感器6檢測到附近距離內其他物體可能阻礙輪椅運動后，通過控制盒7上的指示燈和揚聲器對乘坐者進行提示和警告，若乘坐者沒有做出正確反應，則由輪椅的DSP處理器接收超聲波傳感器5或紅外傳感器6的信號,發出指令，實現自動駕駛輪椅避障或為輪椅制動。與常規的兩輪后驅電動輪椅相比，本發明所述電動輪椅采用四個麥克納姆輪4作為驅動輪，具備如橫向、斜向等全向移動能力，具有更大的運動靈活性，特別適于在空間受限的環境內使用。同時，該電動輪椅能夠通過超聲波傳感器5和紅外傳感器6檢測輪椅周圍的環境，以此為乘坐者提供可能阻礙輪椅運動的障礙物的信息，并且能夠在乘坐者沒有及時做出反應的情況下，DSP處理器根據傳感器數據發出指令，自動駕駛輪椅避障或為輪椅制動，從而提高了輪椅的使用安全性。參見圖5，以自動導航及避障過程來簡述工作過程如下當輪椅處于某未知環境時，使用自身的多個超聲波傳感器5 (每個超聲波模塊有一個發射端和一個接收端，通過測量接收到的反射信號與發射信號的時間差，來測量距離) 探測周圍環境，獲得障礙物的位置信息。經過多個超聲波傳感器5反復探測，可以建立障礙位置地圖。地圖信息通過RS232總線發送給DSP處理器。同時控制操作手柄8或語音控制端口的操縱指令經過RS232發送給DSP處理器。DSP處理器將應用路徑規劃算法，結合障礙地圖，生成滿足乘客要求的路徑，并將路徑轉換為各驅動輪的轉速信息，通過RS232總線發送到驅動控制板32，驅動控制板32與霍爾傳感器35構成閉環，可以控制直流電機31的轉速。紅外傳感器6的探測目標為地面的起伏，結果數據的處理及利用方式與超聲波傳感器 5相同。該輪椅還可對乘坐者進行生理指標監測，利用可穿戴的生理指標檢測傳感器，對乘客的心率、血壓、血氧等信息進行實時監測，并將信息發送給DSP處理器。DSP處理器與內置的專家系統(程序)進行比對，得到乘客身體健康狀態的結果，如果預測到危險，則通過聲音或顯示的方式發出預警。上述實施例只為說明本發明的技術構思及特點，其目的在于讓熟悉此項技術的人士能夠了解本發明的內容并加以實施，并不能以此限制本發明的保護范圍，凡根據本發明精神實質所作的等效變化或修飾，都應涵蓋在本發明的保護范圍內。
權利要求
1.一種全向智能電動輪椅，包括底盤框架(I)、位于底盤框架(I)上方與底盤框架(I) 連接的座椅(2)，其特征是底盤框架(I)下方左右兩側分別鉸接有左右相對應的兩對由直流電機(31)驅動的驅動臂(3)，所述驅動臂(3)上連接有構成一對前輪和一對后輪的麥克納姆輪(4),座椅(2)下方兩側、座椅(2)前方且位于一對前輪上方分別設有超聲波傳感器(5)，所述麥克納姆輪(4)的外側分別設有紅外傳感器￠)，座椅(2)的扶手上設有控制盒(7)和操作手柄(8)，驅動臂(3)內還設有與直流電機(31)電性連接的驅動控制板(32)，驅動控制板(32)線路連接有DSP處理器。
2.根據權利要求I所述的全向智能電動輪椅，其特征是所述的底盤框架(I)與座椅(2)之間設有可調節座椅(2)升降、由操作手柄(8)控制的升降氣桿(9)，升降氣桿(9)上端與座椅(2)底面固定，升降氣桿(9)下端與底盤框架(I)固定。
3.根據權利要求2所述的全向智能電動輪椅，其特征是所述的座椅(2)底面固定有導套(10)，底盤框架(I)上固定有導套座(11)，導套(10)滑動設置在導套座(11)內，升降氣桿(9)安裝在導套(10)內。
4.根據權利要求I所述的全向智能電動輪椅，其特征是所述的驅動臂(3)還包括殼體(33)、驅動軸(34)，麥克納姆輪(4)固定在驅動軸(34)上，直流電機(31)固定在殼體 (33)內，直流電機(31)輸出軸與驅動軸(34)之間設有減速裝置，控制直流電機(31)運轉的驅動控制板(32)固定在殼體(33)內側面上，驅動控制板(32)還線路連接有霍爾傳感器(35)。
5.根據權利要求4所述的全向智能電動輪椅，其特征是所述的減速裝置包括同步帶減速機構(36)和齒輪減速機構(37)，同步帶減速機構(36)包括安裝在直流電機(31)輸出軸上的小帶輪(38)、與小帶輪(38)通過同步帶(39)連接的大帶輪(40)，齒輪減速機構(37)包括與大帶輪(40)同軸的小齒輪(41)、安裝在驅動軸(34)上與小齒輪(41)嚙合的大齒輪(42) ο
6.根據權利要求4所述的全向智能電動輪椅，其特征是所述的殼體(33)與底盤框架(I)之間設有可軸向伸縮的避震器(12)，避震器(12) —端與設在殼體(33)上的支架(43) 鉸接，避震器(12)另一端與底盤框架(I)鉸接。
7.根據權利要求I所述的全向智能電動輪椅，其特征是所述的底盤框架(I)左右兩側分別固定有覆蓋在驅動臂(3)上方的罩殼(13)，超聲波傳感器(5)和紅外傳感器(6)分別固定在罩殼(13)上。
全文摘要
本發明公開了一種全向智能電動輪椅，包括底盤框架、座椅，底盤框架下方兩側分別鉸接有左右相對應的驅動臂，驅動臂上連接有構成一對前輪和一對后輪的麥克納姆輪，座椅下方兩側、座椅前方且位于一對前輪上方分別設有超聲波傳感器，麥克納姆輪的外側分別設有紅外傳感器，座椅的扶手上設有控制盒和操作手柄，驅動臂內還設有驅動控制板，驅動控制板線路連接有DSP處理器。本發明與常規的兩輪后驅電動輪椅相比，具有如橫向、斜向等全向移動能力，具有更大的運動靈活性，通過超聲波傳感器和紅外傳感器檢測輪椅周圍的環境，以此為乘坐者提供可能阻礙輪椅運動的障礙物的信息，實現自動駕駛輪椅避障或為輪椅制動，提高輪椅的使用安全性。
文檔編號A61G5/04GK102600026SQ20121006089
公開日2012年7月25日 申請日期2012年3月9日 優先權日2012年3月9日
發明者胡建軍 申請人:常州漢迪機器人科技有限公司