基于復合機構的聲控姿態(tài)變換智能輪椅

李嵐涵 錢俊澤 程林文 李濤 周敏濤

[摘 ? ?要]近年來，我國老齡化趨勢日漸嚴峻，老齡人口中很多都有行走方面的問題。為解決老人行動問題、提高其生活質量，同時隨著科學技術的發(fā)展，越來越多老人選擇使用電動輪椅。而傳統(tǒng)的電動輪椅大多數(shù)僅具有控制自動移動的功能，其他功能相對欠缺。對此，文中探究基于復合機構的聲控姿態(tài)變換智能輪椅。

[關鍵詞]智能輪椅;GPS定位;語音控制;多種創(chuàng)新機構融合

[中圖分類號]R496 [文獻標志碼]A [文章編號]2095–6487（2022）03–0–04

Voice-Controlled Posture Transformation Intelligent

Wheelchair Based on Composite Mechanism

Li Lan-han，Qian Jun-ze，Cheng Lin-wen，Li Tao，Zhou Min-tao

[Abstract]In recent years， the aging of our country has become more and more serious， and many of the aging population haVe problems in walking. In order to solVe the mobility problem of the elderly and improVe the quality of life， and with the deVelopment of science and technology， more and more elderly people choose to use electric wheelchairs. Most of the traditional electric wheelchairs only haVe the function of controlling automatic moVement， and other functions are relatiVely lacking.

[Keywords]intelligent wheelchair; GPS positioning; Voice control; integration of Various innoVatiVe institutions

本文主要設計1款增強老年人活動能力的多機構融合的電動智能輪椅?；跈C械設計原理、電控技術和人體工程學的輪椅，可實現(xiàn)自動避障、語音控制等智能功能。添加有GPS定位系統(tǒng)，實時反饋使用者的位置信息。合理設計剪叉式升降機構、齒輪齒條展開模式、推桿抬升機構、蝸輪蝸桿按摩機構等創(chuàng)新機構，智能化集成多種用途，可滿足多種特殊場景使用需求。

1 概述

我國人口基數(shù)巨大，社會老齡化加劇，老年人的出行問題備受關注。由于生理原因，老年人自身不能滿足日常生活行動要求，因此需要1款輔助其出行和日常生活的設備。目前市場上的智能輪椅大多僅有控制行駛以及一些附帶功能，而在一些特殊場景仍然需要他人輔助，本次研究的重點就是設計1款能夠滿足老年人日常行動需求以及一些特殊場景使用需求的聲控姿態(tài)變換智能輪椅。采用多種機械結構復合的設計，以滿足不同情況下輪椅的姿態(tài)變化和一些輔助功能的執(zhí)行。同時采用聲控、遙控的操作方式以滿足不同情況下的操作需求，從而保證老年人能有最佳的使用體驗。

2 整體設計

聲控姿態(tài)變換智能輪椅的機械結構設計采用多種機構復合的方式，將座板展開機構、剪叉架升降機構、背部按摩機構等機構有機結合。座板展開機構與自動循跡相結合，可自動行駛至馬桶，展開座板，滿足單人場景下不從輪椅上轉移位置而實現(xiàn)如廁。剪叉架升降機構可通過剪叉架的伸縮，調整座板的高度，方便從輪椅到床上等不同高度的轉移。

電子控制方面，該智能輪椅主要由STM32F103主控板、超聲測距模塊、GPS定位模塊、紅外激光測距模塊，搖桿控制器等組成。設有多方向的測距傳感器，實時測量多個方向與墻面等障礙物的距離，保證距離較近時自動減速或者自動剎車，有效避免移動速度過快帶來的碰撞傷害。同時將搖桿鍵盤控制和語音控制整合在遙控手柄，可實現(xiàn)遙控和語音控制輕松切換。

3 聲控姿態(tài)變換智能輪椅的機械結構設計

3.1 剪叉架升降機構的設計

如圖1所示，為剪叉架升降機構示意圖。剪叉架使用了三角形結構，而三角形結構具有穩(wěn)定性，保證了運行的平穩(wěn)。該剪叉架升降機構由電動推桿和剪刀架機構組成，剪刀架一端為固定支撐，另一端支撐可在滑軌上移動，配合電動推桿的使用，通過控制電動推桿的伸縮，從而實現(xiàn)剪叉架的抬升與下降，運行穩(wěn)定且支撐載荷受力簡單，應力較低，同時具有結構緊湊、故障率低、維護簡單等優(yōu)點。

3.2 座板展開機構的設計

如圖2所示，為座板展開機構示意圖。具有如廁功能是筆者所設計的智能輪椅的一大特點。為實現(xiàn)使用者不離開輪椅就可以解決如廁問題，座板展開機構是其中最重要的一部分。座板開合機構采用了齒輪齒條的傳動模式，通過齒輪旋轉帶動齒條雙向移動，從而實現(xiàn)座板的開合。座板兩端固定于滑軌上，齒條固定于座板上，減小了摩擦阻力，使座板開合時更流暢，開合速度更快，運行更穩(wěn)定。座板是向兩側開合，無自身設計和人體的阻擋，更加適合于使用者的正常體位。

3.3 背板支撐機構的設計

如圖3所示，為背板支撐機構示意圖，為實現(xiàn)輪椅姿態(tài)變換，需要支撐和放下背板，因此設計“L形”桿配合推桿及電動推桿來實現(xiàn)此功能。電動推桿連接座板，伸長推桿帶動“L形”桿運動，“L形”桿通過兩端鉸接傳遞轉矩，使得推桿發(fā)力支起背板。放下時，電動推桿收縮，使得“L形”桿方向運動，傳遞力矩使得推桿有垂直于背板的作用力，讓背板放下。此設計可以節(jié)省座板下部空間，讓動力源小距離移動來實現(xiàn)背板大范圍轉動，著力點設計恰當時，支撐放下運動平穩(wěn)，機構簡單可靠。

3.4 收納盒的設計

考慮到老年人經常使用報紙、文具、放大鏡等小型雜物，而隨身攜帶的空間極為有限，可以設計1種放置雜物及收納的盒子?？紤]到便于拿取及不影響輪椅通過狹窄空間等多種因素，可以應用四連桿機構的死點特性設計可收縮式收納盒。收納盒要求實現(xiàn)收起和放開功能，結構簡單，實用性強?；A原理是借助曲柄搖桿機構的應用，兩個死點的巧妙運用保證了工作狀態(tài)和收納狀態(tài)的穩(wěn)定性。當輪椅通過狹窄路況時，可以暫時收起收納盒，減小輪椅寬度，提高輪椅使用場景的適配性。

3.5 可調寫字桌的設計

老年人日常需要用餐，有時也需要桌子擺放書籍、報刊等，為方便使用，而且盡量減小對輪椅其他機構的影響，可以參考飛機公務艙的小桌板設計。設計1個可收縮折疊式寫字桌，不僅能夠有效節(jié)省空間，而且擴展了輪椅的功能性。寫字桌結構應用圓形滑軌機構，桌子既可以豎直貼在車輪內側，也可以展開使用。利用套筒實現(xiàn)上下伸縮功能，調節(jié)合適的高度，適應不同老年人的坐姿體態(tài)，更加人性化，提高舒適性。

4 聲控姿態(tài)變換智能輪椅的電子控制

4.1 主控板的選擇

筆者所研究的智能輪椅主控制器采用的是STM32F103ZET6單片機，其內核為ARM公司Cortex-M3，最高時鐘頻率為72 MHz，ARM內核擁有高速的運算能力及豐富的串口及控制功能，方便外接各類模塊，還可利用FLASH來存儲系統(tǒng)的一些參數(shù)，包括GPS定位經緯度、心率數(shù)據、云端下發(fā)命令數(shù)據等。與傳統(tǒng)的通用DSP+單片機+A/D芯片的設計方案相比，STM32F103彌補DSP芯片在資源和控制方面的不足，不僅簡單可靠，而且成本低廉。本設計采用的是STM32F103ZET6主控制器，具有2個12位的微秒級的AD轉換器、11個定時器，還有豐富的串口資源。該芯片的特點能夠滿足智能輪椅在電子控制方面的各項需求。

4.2 測距方案的選擇

4.2.1 超聲波測距

超聲波測距的原理是通過超聲波發(fā)射器將超聲波發(fā)送到某1個方向，超聲波在發(fā)送過程中一旦遇到空氣中的障礙將立即被反射回來，在反射回來的階段，反射波會被超聲波接收器在第一時間接收到并且計時將立即被停止。根據時間差t和聲速v=340m/s，計算出發(fā)射點距離障礙物的距離S=v×t/2，并將測試距離反饋給控制程序。

4.2.2 紅外激光測距

紅外激光測距模塊利用了反射能量法的原理。紅外發(fā)射電路的紅外發(fā)光管發(fā)出紅外光，經障礙物反射后，由紅外接收電路的光敏接收管接收前方物體反射光，根據反射光的強弱可以判斷物體的距離，該模塊根據反射光的強弱產生不同的電壓值，該電壓值可以被單片機的ADC模擬通道采樣傳感器采集，根據電壓值與距離的特性曲線即可算出發(fā)射端與障礙物的距離，該距離為參考距離，實際距離值=（參考距離–0.42）cm，即所測的距離。

4.2.3 測距方案設計

在智能輪椅使用過程中，為保證避免碰撞，需要在前后左右4個方向分別安裝1組測距模塊，可同時檢測4個方向障礙物的距離。并將兩種測距方式相結合，使兩種測距方式在距離范圍、精度上的缺點互相彌補，從而得到精確的距離值，并將距離值反饋給控制芯片，當實際距離小于安全距離時，進行自動降速或剎車。

4.3 搖桿控制

搖桿控制是控制輪椅的基礎方式，該控制方式有控制簡單、反應迅速的特點。該模塊采用5 V供電，原始狀態(tài)下x，y方向的電壓值均為2.5 V，轉動搖桿可以使x，y方向的電壓值同時在0～5 V變化。x，y方向電壓值可被單片機的兩個ADC模擬通道采集。根據搖桿的位置與x，y方向的電壓值的關系設計出相應的程序，可以實現(xiàn)輪椅按照搖桿的方向移動，例如向前推搖桿，輪椅向前移動。松開搖桿，搖桿自動回到原始位置，輪椅停止移動。

4.4 語音控制

LD3320A語音模塊內置1塊LD3320芯片，是1個專用于語音識別的芯片，該芯片在設計時注重高效與節(jié)能，直接集成了語音識別處理模塊和外部電路，如麥克風接口、語音輸出接口、AD/DA轉換器等，使其可以實現(xiàn)語音識別、聲音控制等功能。

該模塊內置型號為STC11L16XE單片機，可預先編輯50條指令作為語音命令的候選語音。LD3320語音識別芯片采用的是非特定人語音識別技術，已經可以做到不分年齡、性別和音調特征，只要收到的語音信息能夠與語音識別庫中的指令匹配，就可以根據指令做出相應的輸出反應，其識別效率高達95%。

語音模塊收到輸入指令后，通過串口輸出反饋信號至主控單片機，主控單片機再根據串口輸入的反饋信號控制其他電子模塊，從而實現(xiàn)對輪椅的控制。

4.5 電機控制與驅動

4.5.1 PID控制原理

PID控制系統(tǒng)對控制偏差e（t）進行比例、積分、微分線性組合，得到輸出控制量u（t）再次輸入到被控對象中，形成完整的閉環(huán)控制。PID控制原理如圖4所示。

根據PID控制原理，結合數(shù)學公式，PID控制原理公式就，見公式1：

（1）

式中，控制誤差e（t）=x（t）-y（t），KP為比例常數(shù)，T1為積分系數(shù)，TD為微分函數(shù)。

PID控制器中，KP、T1、TD調節(jié)為PID控制器的核心內容。這3個參數(shù)的設定直接影響著PID控制器的控制效果。

4.5.2 PWM電機控制

為實現(xiàn)輪椅的移動，剪叉架的升降，座板的開合，需要單片機控制多個電機的運動。工作過程中，單片機產生占空比受PID算法控制的PWM脈沖，并將該脈沖輸入至驅動器，驅動器將輸入信號放大為能夠驅動電機的信號，從而控制電機的旋轉。同時利用光電傳感器或者電磁傳感器將電機轉速轉換成脈沖頻率反饋到單片機中。單片機根據反饋信息再調節(jié)控制信號，形成閉環(huán)控制系統(tǒng)，從而保證電機能夠勻速穩(wěn)定的運轉，或者按照特定的加速度變速運轉。

5 總體使用流程

輪椅上電后單片機自動初始化，并自動檢測各個模塊的狀態(tài)信息。自檢通過后，通過按鍵可以選擇控制方式。選擇搖桿控制的方式后，可通過手柄上的搖桿控制輪椅的運動。選擇語音的控制方式后，可通過語音控制輪椅的運動。且設有緊急制動按鍵，可在緊急情況下實現(xiàn)按下制動。

在各個模塊自檢通過后，測距模塊便開始工作，在任何模式下都會實時反饋距離信息，以保證任何時刻都可根據距離自動避免碰撞風險。在需要如廁時，可控制輪椅行駛至廁所，輪椅自動根據軌跡線行駛到馬桶上，再通過按鍵實現(xiàn)座板打開。

在需要從輪椅轉移至床上時，先控制剪叉架升降機構抬升至于床面統(tǒng)一高度后，再自行進行轉移。GPS定位模塊獨立于單片機系統(tǒng)，需要另外接入電源供電，即使輪椅電池沒電時也能正常工作，全天實時反饋位置信息。

6 結語

筆者設計的這款聲控姿態(tài)變換智能輪椅，能實現(xiàn)語音控制和搖桿控制兩種方式控制輪椅運動，能夠自動制動與緊急制動，有效避免碰撞風險。還具有自動循跡如廁的功能，并且座板可以開合，無需從輪椅上轉移;座板高度可調節(jié)，方便床椅的轉移;GPS實時定位。該智能輪椅運行穩(wěn)定，使用體驗良好。主要適用于老年人以及行動不便的人，能夠有效應對日常生活中的一些特殊場景，提升使用者的生活質量。未來也可以根據需要添加一些模塊或者傳感器，提升輪椅的智能化，給用戶更好的使用體驗。

參考文獻

[1] 萬昔源.基于RGB&D傳感器的手勢與人臉識別智能輪椅控制系統(tǒng)[J].河北軟件職業(yè)技術學院學報，2021，23（4）：11-15.