基于復(fù)合機(jī)構(gòu)的聲控姿態(tài)變換智能輪椅

1、基于復(fù)合機(jī)構(gòu)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(lái)，我國(guó)老齡化趨勢(shì)日漸嚴(yán)峻，老齡人口中很多都有行走方面的問題。為解決老人行動(dòng)問題、提高其生活質(zhì)量，同時(shí)隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，越來(lái)越多老人選擇使用電動(dòng)輪椅。而傳統(tǒng)的電動(dòng)輪椅大多數(shù)僅具有控制自動(dòng)移動(dòng)的功能，其他功能相對(duì)欠缺。對(duì)此，文中探究基于復(fù)合機(jī)構(gòu)的聲控姿態(tài)變換智能輪椅。關(guān)鍵詞智能輪椅;GPS定位;語(yǔ)音控制;多種創(chuàng)新機(jī)構(gòu)融合中圖分類號(hào)R496 文獻(xiàn)標(biāo)志碼A 文章編號(hào)20956487（2022）03004Voice-Controlled Posture Transformation IntelligentWheelcha

2、ir Based on Composite MechanismLi Lan-han，Qian Jun-ze，Cheng Lin-wen，Li Tao，Zhou Min-taoAbstractIn 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

3、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.Keywordsintelligent

4、wheelchair; GPS positioning; Voice control; integration of Various innoVatiVe institutions本文主要設(shè)計(jì)1款增強(qiáng)老年人活動(dòng)能力的多機(jī)構(gòu)融合的電動(dòng)智能輪椅。基于機(jī)械設(shè)計(jì)原理、電控技術(shù)和人體工程學(xué)的輪椅，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)避障、語(yǔ)音控制等智能功能。添加有GPS定位系統(tǒng)，實(shí)時(shí)反饋使用者的位置信息。合理設(shè)計(jì)剪叉式升降機(jī)構(gòu)、齒輪齒條展開模式、推桿抬升機(jī)構(gòu)、蝸輪蝸桿按摩機(jī)構(gòu)等創(chuàng)新機(jī)構(gòu)，智能化集成多種用途，可滿足多種特殊場(chǎng)景使用需求。1 概述我國(guó)人口基數(shù)巨大，社會(huì)老齡化加劇，老年人的出行問題備受關(guān)注。由于生理原因，老年人自身不能

5、滿足日常生活行動(dòng)要求，因此需要1款輔助其出行和日常生活的設(shè)備。目前市場(chǎng)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(chǎng)景仍然需要他人輔助，本次研究的重點(diǎn)就是設(shè)計(jì)1款能夠滿足老年人日常行動(dòng)需求以及一些特殊場(chǎng)景使用需求的聲控姿態(tài)變換智能輪椅。采用多種機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)合的設(shè)計(jì)，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(shí)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(yàn)。2 整體設(shè)計(jì)聲控姿態(tài)變換智能輪椅的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用多種機(jī)構(gòu)復(fù)合的方式，將座板展開機(jī)構(gòu)、剪叉架升降機(jī)構(gòu)、背部按摩機(jī)構(gòu)等機(jī)構(gòu)有機(jī)結(jié)合。座板展開機(jī)構(gòu)與自動(dòng)循跡相結(jié)合，可自動(dòng)行駛至馬桶，展

6、開座板，滿足單人場(chǎng)景下不從輪椅上轉(zhuǎn)移位置而實(shí)現(xiàn)如廁。剪叉架升降機(jī)構(gòu)可通過剪叉架的伸縮，調(diào)整座板的高度，方便從輪椅到床上等不同高度的轉(zhuǎn)移。電子控制方面，該智能輪椅主要由STM32F103主控板、超聲測(cè)距模塊、GPS定位模塊、紅外激光測(cè)距模塊，搖桿控制器等組成。設(shè)有多方向的測(cè)距傳感器，實(shí)時(shí)測(cè)量多個(gè)方向與墻面等障礙物的距離，保證距離較近時(shí)自動(dòng)減速或者自動(dòng)剎車，有效避免移動(dòng)速度過快帶來(lái)的碰撞傷害。同時(shí)將搖桿鍵盤控制和語(yǔ)音控制整合在遙控手柄，可實(shí)現(xiàn)遙控和語(yǔ)音控制輕松切換。3 聲控姿態(tài)變換智能輪椅的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)3.1 剪叉架升降機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)如圖1所示，為剪叉架升降機(jī)構(gòu)示意圖。剪叉架使用了三角形結(jié)構(gòu)，而三角形

7、結(jié)構(gòu)具有穩(wěn)定性，保證了運(yùn)行的平穩(wěn)。該剪叉架升降機(jī)構(gòu)由電動(dòng)推桿和剪刀架機(jī)構(gòu)組成，剪刀架一端為固定支撐，另一端支撐可在滑軌上移動(dòng)，配合電動(dòng)推桿的使用，通過控制電動(dòng)推桿的伸縮，從而實(shí)現(xiàn)剪叉架的抬升與下降，運(yùn)行穩(wěn)定且支撐載荷受力簡(jiǎn)單，應(yīng)力較低，同時(shí)具有結(jié)構(gòu)緊湊、故障率低、維護(hù)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。3.2 座板展開機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)如圖2所示，為座板展開機(jī)構(gòu)示意圖。具有如廁功能是筆者所設(shè)計(jì)的智能輪椅的一大特點(diǎn)。為實(shí)現(xiàn)使用者不離開輪椅就可以解決如廁問題，座板展開機(jī)構(gòu)是其中最重要的一部分。座板開合機(jī)構(gòu)采用了齒輪齒條的傳動(dòng)模式，通過齒輪旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)齒條雙向移動(dòng)，從而實(shí)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

8、阻力，使座板開合時(shí)更流暢，開合速度更快，運(yùn)行更穩(wěn)定。座板是向兩側(cè)開合，無(wú)自身設(shè)計(jì)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(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)如圖3所示，為背板支撐機(jī)構(gòu)示意圖，為實(shí)現(xiàn)輪椅姿態(tài)變換，需要支撐和放下背板，因此設(shè)計(jì)“L形”桿配合推桿及電動(dòng)推桿來(lái)實(shí)現(xiàn)此功能。電動(dòng)推桿連接座板，伸長(zhǎng)推桿帶動(dòng)“L形”桿運(yùn)動(dòng)，“L形”桿通過兩端鉸接傳遞轉(zhuǎn)矩，使得推桿發(fā)力支起背板。放下時(shí)，電動(dòng)推桿收縮，使得“L形”桿方向運(yùn)動(dòng)，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(shè)計(jì)可以節(jié)省座板下部空間，讓動(dòng)力源小距離移動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)背板大范圍轉(zhuǎn)動(dòng)，著力點(diǎn)設(shè)計(jì)恰當(dāng)時(shí)，支撐放下運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠。3.4 收納盒

9、的設(shè)計(jì)考慮到老年人經(jīng)常使用報(bào)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(shè)計(jì)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(yīng)用四連桿機(jī)構(gòu)的死點(diǎn)特性設(shè)計(jì)可收縮式收納盒。收納盒要求實(shí)現(xiàn)收起和放開功能，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，實(shí)用性強(qiáng)?；A(chǔ)原理是借助曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的應(yīng)用，兩個(gè)死點(diǎn)的巧妙運(yùn)用保證了工作狀態(tài)和收納狀態(tài)的穩(wěn)定性。當(dāng)輪椅通過狹窄路況時(shí)，可以暫時(shí)收起收納盒，減小輪椅寬度，提高輪椅使用場(chǎng)景的適配性。3.5 可調(diào)寫字桌的設(shè)計(jì)老年人日常需要用餐，有時(shí)也需要桌子擺放書籍、報(bào)刊等，為方便使用，而且盡量減小對(duì)輪椅其他機(jī)構(gòu)的影響，可以參考飛機(jī)公務(wù)艙的小桌板設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)1個(gè)可收縮

10、折疊式寫字桌，不僅能夠有效節(jié)省空間，而且擴(kuò)展了輪椅的功能性。寫字桌結(jié)構(gòu)應(yīng)用圓形滑軌機(jī)構(gòu)，桌子既可以豎直貼在車輪內(nèi)側(cè)，也可以展開使用。利用套筒實(shí)現(xiàn)上下伸縮功能，調(diào)節(jié)合適的高度，適應(yīng)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(jī)，其內(nèi)核為ARM公司Cortex-M3，最高時(shí)鐘頻率為72 MHz，ARM內(nèi)核擁有高速的運(yùn)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(lái)存儲(chǔ)系統(tǒng)的一些參數(shù)，包括GPS定位經(jīng)緯度、心率數(shù)據(jù)、云端下發(fā)命令數(shù)據(jù)等。與傳統(tǒng)的通用DSP+單片

11、機(jī)+A/D芯片的設(shè)計(jì)方案相比，STM32F103彌補(bǔ)DSP芯片在資源和控制方面的不足，不僅簡(jiǎn)單可靠，而且成本低廉。本設(shè)計(jì)采用的是STM32F103ZET6主控制器，具有2個(gè)12位的微秒級(jí)的AD轉(zhuǎn)換器、11個(gè)定時(shí)器，還有豐富的串口資源。該芯片的特點(diǎn)能夠滿足智能輪椅在電子控制方面的各項(xiàng)需求。4.2 測(cè)距方案的選擇4.2.1 超聲波測(cè)距超聲波測(cè)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(gè)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(lái)，在反射回來(lái)的階段，反射波會(huì)被超聲波接收器在第一時(shí)間接收到并且計(jì)時(shí)將立即被停止。根據(jù)時(shí)間差t和聲速v=340m/s，計(jì)算出發(fā)射點(diǎn)距離障礙物的距離S=vt/

12、2，并將測(cè)試距離反饋給控制程序。4.2.2 紅外激光測(cè)距紅外激光測(cè)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(jīng)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(jù)反射光的強(qiáng)弱可以判斷物體的距離，該模塊根據(jù)反射光的強(qiáng)弱產(chǎn)生不同的電壓值，該電壓值可以被單片機(jī)的ADC模擬通道采樣傳感器采集，根據(jù)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(shí)際距離值=（參考距離0.42）cm，即所測(cè)的距離。4.2.3 測(cè)距方案設(shè)計(jì)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(gè)方向分別安裝1組測(cè)距模塊，可同時(shí)檢測(cè)4個(gè)方向障礙物的距離。并將兩種測(cè)距方

13、式相結(jié)合，使兩種測(cè)距方式在距離范圍、精度上的缺點(diǎn)互相彌補(bǔ)，從而得到精確的距離值，并將距離值反饋給控制芯片，當(dāng)實(shí)際距離小于安全距離時(shí)，進(jìn)行自動(dòng)降速或剎車。4.3 搖桿控制搖桿控制是控制輪椅的基礎(chǔ)方式，該控制方式有控制簡(jiǎn)單、反應(yīng)迅速的特點(diǎn)。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(zhuǎn)動(dòng)搖桿可以使x，y方向的電壓值同時(shí)在05 V變化。x，y方向電壓值可被單片機(jī)的兩個(gè)ADC模擬通道采集。根據(jù)搖桿的位置與x，y方向的電壓值的關(guān)系設(shè)計(jì)出相應(yīng)的程序，可以實(shí)現(xiàn)輪椅按照搖桿的方向移動(dòng)，例如向前推搖桿，輪椅向前移動(dòng)。松開搖桿，搖桿自動(dòng)回到原始位置，輪椅停止移動(dòng)。4.4 語(yǔ)音控制LD3320

14、A語(yǔ)音模塊內(nèi)置1塊LD3320芯片，是1個(gè)專用于語(yǔ)音識(shí)別的芯片，該芯片在設(shè)計(jì)時(shí)注重高效與節(jié)能，直接集成了語(yǔ)音識(shí)別處理模塊和外部電路，如麥克風(fēng)接口、語(yǔ)音輸出接口、AD/DA轉(zhuǎn)換器等，使其可以實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音識(shí)別、聲音控制等功能。該模塊內(nèi)置型號(hào)為STC11L16XE單片機(jī)，可預(yù)先編輯50條指令作為語(yǔ)音命令的候選語(yǔ)音。LD3320語(yǔ)音識(shí)別芯片采用的是非特定人語(yǔ)音識(shí)別技術(shù)，已經(jīng)可以做到不分年齡、性別和音調(diào)特征，只要收到的語(yǔ)音信息能夠與語(yǔ)音識(shí)別庫(kù)中的指令匹配，就可以根據(jù)指令做出相應(yīng)的輸出反應(yīng)，其識(shí)別效率高達(dá)95%。語(yǔ)音模塊收到輸入指令后，通過串口輸出反饋信號(hào)至主控單片機(jī)，主控單片機(jī)再根據(jù)串口輸入的反饋信號(hào)控制其

15、他電子模塊，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)輪椅的控制。4.5 電機(jī)控制與驅(qū)動(dòng)4.5.1 PID控制原理PID控制系統(tǒng)對(duì)控制偏差e（t）進(jìn)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(duì)象中，形成完整的閉環(huán)控制。PID控制原理如圖4所示。根據(jù)PID控制原理，結(jié)合數(shù)學(xué)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(diào)節(jié)為PID控制器的核心內(nèi)容。這3個(gè)參數(shù)的設(shè)定直接影響著PID控制器的控制效果。4.5.2 PWM電機(jī)控制為實(shí)現(xiàn)輪椅的移動(dòng)，剪叉架的升降，座板的開合，需要單片機(jī)控制多個(gè)電

16、機(jī)的運(yùn)動(dòng)。工作過程中，單片機(jī)產(chǎn)生占空比受PID算法控制的PWM脈沖，并將該脈沖輸入至驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)器將輸入信號(hào)放大為能夠驅(qū)動(dòng)電機(jī)的信號(hào)，從而控制電機(jī)的旋轉(zhuǎn)。同時(shí)利用光電傳感器或者電磁傳感器將電機(jī)轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換成脈沖頻率反饋到單片機(jī)中。單片機(jī)根據(jù)反饋信息再調(diào)節(jié)控制信號(hào)，形成閉環(huán)控制系統(tǒng)，從而保證電機(jī)能夠勻速穩(wěn)定的運(yùn)轉(zhuǎn)，或者按照特定的加速度變速運(yùn)轉(zhuǎn)。5 總體使用流程輪椅上電后單片機(jī)自動(dòng)初始化，并自動(dòng)檢測(cè)各個(gè)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(yùn)動(dòng)。選擇語(yǔ)音的控制方式后，可通過語(yǔ)音控制輪椅的運(yùn)動(dòng)。且設(shè)有緊急制動(dòng)按鍵，可在緊急情況下實(shí)現(xiàn)按下制動(dòng)。在各個(gè)模塊自檢通過后，測(cè)距模塊便開始工作，在任何模式下都會(huì)實(shí)時(shí)反饋距離信息，以保證任何時(shí)刻都可根據(jù)距離自動(dòng)避免碰撞風(fēng)險(xiǎn)。在需要如廁時(shí)，可控制輪椅行駛至廁所，輪椅自動(dòng)根據(jù)軌跡線行駛到馬桶上，再通過按鍵實(shí)現(xiàn)座板打開。在需要從輪椅轉(zhuǎn)移至床上時(shí)，先控制剪叉架升降機(jī)構(gòu)抬升至于床面統(tǒng)一高度后，再自行進(jìn)行轉(zhuǎn)移。GPS定位模塊獨(dú)立于單片機(jī)系統(tǒng)，需要另外接入電源供電，即使輪椅電池沒電時(shí)也能正常工作，全天實(shí)時(shí)反饋位置信息。6 結(jié)語(yǔ)筆者設(shè)計(jì)的這款聲控姿態(tài)變換智能輪椅，能實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音控制