基于LabVIEW的助力輪椅車的智能控制及檢測(cè)系統(tǒng)研究

國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作天津中心，天津 300304

一、引言

據(jù)普查數(shù)據(jù)顯示，我國(guó)下肢殘疾人士與老齡人口（60歲以上）占全國(guó)人口總數(shù)比可高達(dá)16.12%。這些人群面臨著出行或者行動(dòng)不便的困境，由此帶來(lái)了一系列的社會(huì)問(wèn)題。在此背景下，智能輪椅發(fā)展迅速，為肢體殘疾與行動(dòng)不變的老人提供了諸多便利[1]，助力輪椅車是其中之一。

助力輪椅車和普通手推輪輪椅操作一樣，但是由電機(jī)為使用者提供助力。使用者只需向前推動(dòng)一下手推輪，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)就會(huì)產(chǎn)生一定的持續(xù)助力來(lái)驅(qū)動(dòng)輪椅前行；通過(guò)對(duì)手推輪剎車，根據(jù)剎車力大小，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)就會(huì)減速或停止。前行過(guò)程中對(duì)某個(gè)車輪進(jìn)行輕輕剎車，就能實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向[2]。此控制方式讓使用者適度活動(dòng)上肢以保持其肩周的健康狀態(tài)，同時(shí)由于有助力的存在又避免使用者肩膀和關(guān)節(jié)的過(guò)度使用而產(chǎn)生疲勞。此外，助力的存在使輪椅快速、輕松行駛在草地、地毯等不良路況之上，而且?guī)椭漭p松爬坡。相比于市場(chǎng)上流行的操控桿式電動(dòng)輪椅，這款產(chǎn)品具有顯著的優(yōu)點(diǎn)：保障驅(qū)動(dòng)動(dòng)力的同時(shí)，在操控方式上的創(chuàng)新，不僅讓使用者肩周得到鍛煉，而且具有一定的休閑性。助力輪椅車整體模型如圖1所示。

由于人手的力不能保證左右手完全相同、有障礙物對(duì)其中一支動(dòng)力輪產(chǎn)生了阻礙、使用者誤操作等原因，左、右兩套獨(dú)立的力覺(jué)傳感系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生不同的力覺(jué)信號(hào)，從而造成應(yīng)該直行的輪椅車轉(zhuǎn)向甚至急速掉頭，給使用者帶來(lái)麻煩，甚至產(chǎn)生事故，對(duì)使用者造成二次傷害。

針對(duì)助力輪椅車存在的不足，介紹了一種基于LabVIEW設(shè)計(jì)的助力輪椅車的智能控制及檢測(cè)系統(tǒng)。系統(tǒng)采用LabVIEW對(duì)兩輪的力覺(jué)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析及顯示，并發(fā)出控制信號(hào)控制左、右輪運(yùn)轉(zhuǎn)。針對(duì)輪椅直線運(yùn)行時(shí)遇到的左右手完全相同、有障礙物對(duì)其中一支動(dòng)力輪產(chǎn)生了阻礙、使用者誤操作等狀況，進(jìn)行力覺(jué)傳感系統(tǒng)和左右驅(qū)動(dòng)輪狀態(tài)的實(shí)時(shí)顯示，并將數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析后將其作為直行的特殊情況寫入控制系統(tǒng)，從而避免了輪椅車的誤動(dòng)作。

二、助力輪椅車的組成及運(yùn)動(dòng)原理

助力輪椅車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)通過(guò)力覺(jué)傳感器系統(tǒng)探測(cè)使用者通過(guò)手推輪給系統(tǒng)的初始力大小、速度大小綜合控制直流驅(qū)動(dòng)電機(jī)的輸出功率，經(jīng)過(guò)一定的運(yùn)算處理后，由控制器產(chǎn)生PWM波形控制直流驅(qū)動(dòng)電機(jī)，合理調(diào)整直流驅(qū)動(dòng)電機(jī)的輸出功率，實(shí)現(xiàn)對(duì)輪椅的綜合驅(qū)動(dòng)[3]。

輪椅助力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)原理示意圖如圖2所示。左、右輪由獨(dú)立的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，當(dāng)F1=F2時(shí)，輪椅直行；當(dāng)F1〉F2時(shí)，輪椅右轉(zhuǎn)；當(dāng)F1＜F2時(shí)，輪椅左轉(zhuǎn)；F1和F2始終具有一個(gè)向前的合力F。

為了實(shí)現(xiàn)助力功能，整個(gè)系統(tǒng)包括以下模塊：力覺(jué)傳感模塊、輪速采集模塊、信號(hào)處理與中心控制模塊、動(dòng)力驅(qū)動(dòng)模塊。系統(tǒng)原理框圖如圖3所示。[4]

力覺(jué)傳感系統(tǒng)的主要方式[2-6]：

（1）為了采集使用者作用在手推輪上的力矩大小，因?yàn)橛蠪=ma，加速度正比于力，所以可以通過(guò)采集加速度替代力的采集，所以選取了角加速度傳感器實(shí)時(shí)采集使用者推動(dòng)輪椅時(shí)產(chǎn)生的加速度，角加速度傳感器與輪椅助力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的直流驅(qū)動(dòng)電機(jī)連接在一起，以實(shí)現(xiàn)同步運(yùn)轉(zhuǎn)，實(shí)時(shí)采集加速度的變化，作為輸入信號(hào)；

（2）采用扭矩傳感器直接采集使用者施加在手推輪上的力，通過(guò)傳送器傳送至信號(hào)處理中心進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)力覺(jué)采集；

（3）采用角度傳感器將手推輪相對(duì)于車輪的偏轉(zhuǎn)角度作為使用者施力的信號(hào)進(jìn)行采集，通過(guò)傳送器傳送至信號(hào)處理中心進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)力覺(jué)采集；

（4）通過(guò)壓力傳感器采集手推輪相對(duì)于車輪的偏轉(zhuǎn)時(shí)作用在輪轂內(nèi)的力作為使用者施力的信號(hào)進(jìn)行采集，通過(guò)傳送器傳送至信號(hào)處理中心進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)力覺(jué)采集。

輪速采集系統(tǒng)速度采集并傳送至計(jì)算機(jī)后，此速度數(shù)據(jù)一方面?zhèn)鬏斨粱贚abVIEW的助力輪椅車的智能控制及檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行顯示、分析、處理，另一方面實(shí)時(shí)監(jiān)控輪椅車的運(yùn)轉(zhuǎn)速度，當(dāng)輪速超過(guò)10km/h后，啟動(dòng)保護(hù)程序，對(duì)輪椅進(jìn)行降速處理。

三、基于LabVIEW的控制及檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、系統(tǒng)構(gòu)成

測(cè)試平臺(tái)總體結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集、控制利用LabVIEW應(yīng)用軟件，通過(guò)NI數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行。整個(gè)系統(tǒng)包括七個(gè)控制對(duì)象，分別是：左、右力覺(jué)傳感模塊、電機(jī)控制模塊、轉(zhuǎn)速采集模塊、電池電量采集模塊、DC程控電源模塊。

2、前面板

系統(tǒng)的前面板如圖5所示，具有模擬控制輸入部分和顯示部分。模擬控制輸入部分包括系統(tǒng)的啟動(dòng)和停止按鈕，左、右輪的模擬力輸入。輪的模擬力輸入分為旋鈕式和數(shù)字輸入式輸入，數(shù)字輸入式輸入可以輸入精確的模擬力從而可以用來(lái)調(diào)試電機(jī)的控制，旋鈕式輸入可以逼真的模擬助力輪椅車的力量輸入，可以更好地模擬實(shí)際人力輸入。顯示部分包括左、右輪車速顯示、力覺(jué)系統(tǒng)采集到的信號(hào)顯示、電池電量顯示和運(yùn)行狀態(tài)指示燈。車速顯示分為曲線顯示和儀表顯示。

3、主程序設(shè)計(jì)

主程序流程如圖6所示。主程序的流程通過(guò)事先驅(qū)動(dòng)的方式調(diào)用其他的模塊。當(dāng)主程序運(yùn)行時(shí)，首先進(jìn)入前面板界面，點(diǎn)擊“開(kāi)始”按鈕后，經(jīng)過(guò)一系列初始化后，系統(tǒng)開(kāi)始運(yùn)行，當(dāng)用戶開(kāi)始使用輪椅車，數(shù)據(jù)采集模塊同步采集信號(hào)，系統(tǒng)響應(yīng)并對(duì)輪椅進(jìn)行相應(yīng)的控制，同時(shí)將檢測(cè)結(jié)果在前面板顯示并自動(dòng)存入數(shù)據(jù)庫(kù)；當(dāng)通過(guò)操作前面板上的旋鈕或數(shù)字輸入窗口時(shí)，即可調(diào)用模擬控制輸入系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)模擬實(shí)際人力輸入進(jìn)而完成輪椅車的控制。

四、結(jié)語(yǔ)

研制的基于LabVIEW的助力輪椅車的控制及檢測(cè)系統(tǒng)，通過(guò)實(shí)時(shí)顯示，針對(duì)輪椅直線運(yùn)行時(shí)遇到的左右手完全相同、有障礙物對(duì)其中一支動(dòng)力輪產(chǎn)生了阻礙、使用者誤操作等狀況進(jìn)行力覺(jué)傳感系統(tǒng)和左右驅(qū)動(dòng)輪狀態(tài)的實(shí)時(shí)顯示并將數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析后將其作為直行的特殊情況寫入控制系統(tǒng)，有效地解決了因受力不均而產(chǎn)生的兩輪動(dòng)力不平衡，避免了輪椅車誤動(dòng)作對(duì)使用者造成二次傷害的問(wèn)題，而且 操作方式與普通手動(dòng)輪椅的方式相同，操作簡(jiǎn)單，使用戶的上肢得到一定的鍛煉，可以有效緩解殘障用戶的上肢萎縮的癥狀，具有良好的市場(chǎng)應(yīng)用前景。