多姿态变换声控轮椅车研究.pdf

Chinese ournal of Rehabilitation Medicine, Now.2014, Vol. 29, No.1 1
康复工程
多姿态变换声控轮橋车研究”
陈爽胡鑫』雷般喻洪沆2
摘要
目的:设计一种多姿态变换声控轮椅车,以帮助偏瘫患者或老年人实现高处取物、下肢锻炼、平躺休息。
方法:通过四连杆等机构实现坐、躺、站三种姿态变换,并设计了电动轮枱语音模块的硬件电路,包括语音识别模块
MCU控制模块及电动推杆控制电路。采用模块化思想,完成了多功能电动轮椅驱动控制系统的软件设计与开发,
并联合硬件电路与软件程序进行实验调试。
结果:通过不同语言和特定人员语音命令识別实验,证实本文设计的轮椅可以实现语音控制姿势转换和行驶的功
能,并获得语音控制成功率
结论:机械结构结构与控制系统设计合理,方案可行。
关键词声控;三维建模;模块化;轮椅车
中图分类号:R496文献标识码:B文章编号:1001.(214-1-10704
根据第二次全国残疾人抽样调査的数据公报显示,全国1轮椅的机械结构设计
各类残疾人总数为8296万人,占全国总人口的6.34%。同
本研究设计了一种四边形连杆机构配合电动推杆驱动
时中国将迎来第一个老年人口増长高峰,2013年老年人口数的结构,由站立推杆和平躺推杆分别独立完成站立和平躺换
量突破2亿。元论是老年人还是残疾人,由于肢体功能障姿功能,也可协同控制进行任意位置舒适姿势的转换。
得,他们的日常生活都受到很大的制约,生存质量和生活自
其整体结构由以下主要部件组成:基体车架、座位架子、
由度都有很大程度的降低。不仅给家人带来了护理负担,还靠背架、扶手、腿托架和电动推杆。其中,基体车架是由轮椅
有许多方面需要不断地求助于人。
车支撑架、驱动轮、万向转向轮、驱动电机和电池盒组成,并
轮椅作为一种辅助代步工具,无论是老年人还是肢体功加入避震结构来减少运动状态中的缓冲,以提高舒适度;座
能障碍的残疾人对其的需求都十分迫切。手动轮椅和简单位架包括座位支撑架和坐垫;靠背架包括靠背支撑架、靠背
的电动轮椅由于功能单一已渐渐无法满足使用者的需求。垫和可调节的枕头结构;扶手设计成可调节的结构连接在靠
为了给老年人和残障人土提供性能优越的代步工具,帮助他背架上,方便使用车从轮椅车上转移;腿托架由腿托支撑架
们提高行动自由度,重新融入社会,轮椅的研究更趋向智能和踏板构成,两者由滑槽机构和延伸推杄进行连接,可以实
化。目前的智能轮椅不仅价格昂贵,而且不能由患者自己进现平躺换姿过程中的腿托架长度延仲,提高使用舒适度;腿
行姿势转换及下肢功能康复训练。大多数情況下,如果患者托架下端安装有前方倾倒小轮,解决站立换姿过程中重心前
想要从轮椅转移釗床上或进行下肢功能康复训练,都需要他移的问题,以提高站立状态时轮椅车的结构稳定性、安全性;
人帮助,不仅浪费人力资源,也给患者造成心理负担。国内座位和车架由站立推杆和气动弹簧连接,腿托和车架由平躺
已有大学研究多姿态电动轮椅,如天津科技大学的立卧两用推杆连接,腿托和靠背由联动连杆连接,形成四边形连杆机
电动轮椅和中南大学的可卧立电动轮椅?,但是操作方式构”。患者可以通过控制轮椅车车架上安装的两个电动推
单一,且不方便患者自主操作。因此,研发一-款功能丰富、性杆,快速稳定地完成从坐姿到站立或平躺的换姿过程。利用
能良好、使用便捷的智能轮橋十分重要。本研究设计了一种虚拟样机技术对轮椅车进行三维建模(图1)?。
具有站立与平躺功能的智能轮椅,并设计语音控制模块和基
本机械结构设计的优点在于:①)采用分别独立控制两个
于闭环与模糊比例-积分-微分( proportion integration differ-电动的控制方式,分别独立控制实现站立、平躺功能,不仅解
entiation,PID)控制的轮椅控制系统。
决患者因长期坐姿而引发的压疮、血管压迫、肌肉萎缩等病
DOI:10.3969isn.1001-1242.2014._1.014
基金项目:上海市科委产学研医合作项目(12DZ1941002、12DZ1941003、12DZ191004)
上海理工大学医疗器械与食品学院,200333:2通讯作者
作者简介:陈爽,女,硕士研究生;收稿日期:2013-11-14
1070 ow.rehabi. com.cn
中复医2014年,第29卷,第11期
图1多功能电动轮椅三维模型
图2多功能电动轮椅控制系统总体方案结构
语音模块操纵杆按键[人机界面
电机张动模块『电动推杆}电流检測芯片
驱动电机
角速度传感器
电源管理块
现轮椅驱动行驶,1个电动推杆实现轮椅站立功能,1个电动
患的问题,同时方便患者进行站立高处取物、平躺休息等日
推杆实现轮椅平躺功能,1个电动推杆在轮椅平躺换姿过程
常生活活动,以及进行承重下肢康复训练。(2采用四边形连
中延长腿托槊。2个直流驱动电机需要进行调速控制,所以
杆机构配合链的机械结构设计,这种机械结构现有加工技在控制系统中需要加入电机驱动电路:3个电动推杆不需要
术纯熟,能够在满足保证产品稳定性及安全性的条件下实现进行调速控制.可仅通过电子开关的通断进行张动。在控制
其机械结构上的站立、平躺功能。③电动推杄控制轮椅坐
系统的优化上,本课题的多功能电动轮椅的控制系统,加入
姿-站姿、坐姿-平躺的任意转换,操作方便,可由患者在无需了监测模块,实时监測轮椅车的运动状态,构成闭环控制。
帮助的情况下自行使用。独立控制两个电动推杆实现姿态
另外,本课题的多功能电动轮椅还加入了语音模块,使得使
的转换,可分别完成坐姿-站姿和坐姿-平躺的姿态转换,满足
用者可以在无需看抑人员及家人的帮助下自行操作轮椅车。
患者进行站立高处取物、进行下肢康复训练,或者进行平躺
休息等需求。④在腿托的结构设计上采用另一个四边形连
3语音模块研制
杆机构、在电动分别独立控制的条件下.两个平行四边形形
为了让車残患者在无需看抑人员帮肋的情况下自主对
成联动,使得防前倾倒小轮由坐姿状态的腾空转变为站立状
轮椅进行控制,本设计采用语音控制轮倚的驱动以及站立、
态的着地,这从产品稳定性、安全性方面给予了保障,解決了
平躺姿势的转换。语音模块设计包插语音模块硬件设计和
轮椅站立换姿过程中因重心前移可能导致轮椅前翻的安全
语音模块软件设计。本语音模块对使用者输人的语言种类
隐患。平躺姿态转换过程中,延伸推杆运动,以延长腿托架
没有特別要求,可以是英语、汉语、家乡话,以3个字为宜。
的长度,提高了平躺换姿过程中使用者的新适度。⑤除了满使用时要求发音尽量接近训练时的语调,音量需根将用户与
足站立、平躺等功能以外,扶手可调节的设计方便患者在任麦克
麦克风的距离调整,靠近时音量相应减小。
意状态下上下轮椅车。头枕的可调节设计拆卸方便,有利于3.1语音模块硬件设计
患者头部活动,避免长时间压迫导致的颈椎疲劳,同时方便
语音识别模块组成结构如图3所示。蓄电池的电压为
患者洗头
24V,经DCDC芯片降压后可以得到6V电压,再经LDO芯片
降为RSC4128语音识别处理器的工作电压.即2.4-3.6V
2总体控制系统设计
RSC4128语音识別处理器的程序代码存储在外部 Flash中
多功能电动轮椅的机械结构是执行机构,控制系统就是通过Fh编程器将程序下载到系统代