轮椅助行器一体机控制方法及系统与流程

1.本发明涉及移位助行辅具技术领域，尤其涉及一种轮椅助行器一体机控制方法及系统。


背景技术：

2.目前中国人口老龄化日趋严峻，中国具有超大规模的老年人口数量，预计到2030年，60岁及以上人口占总人口的比例将超过20％，将成为世界上老龄化程度较高的国家；人口老龄化的快速发展致使老人的生活辅助问题亟待解决。根据第二次全国残疾人抽样调查结果显示，全国各类残疾人总数为8296万人，占全国总人口的6.34％，其中60岁及以上残疾人口为4416万人，占全国残疾人总数的53.24％。已有的研究成果表明，行走失稳或下肢运动功能障碍的老年人和残疾人在使用助行器和轮椅时，能较好的帮助他们进行身体的平衡、支撑和助行，行走移动障碍的老年人群和残疾人群对包括轮椅助行器等在内的移位助行辅具有巨大的需求。
3.在现有技术中，助行器和轮椅普遍的为分体结构；即助行器只具备辅助行走和平衡的功能，一般不具备轮椅功能，并且也不具备上坡助力、下坡增加阻力等智能功能；而轮椅由于其结构和电机控制方式等的限制，一般也不具备助行器的功能。而目前对于同时需要助行器和轮椅的使用者来说，采用集助行器功能和轮椅功能于一体的轮椅助行器一体机是必要的，但是由于目前助行器和轮椅普遍为分体结构，因而还不存在一种可控制轮椅助行器一体机实现轮椅功能和助行器功能的智能控制的控制方法及系统。因此，如何提供一种可使轮椅助行器一体机实现轮椅功能和助行器功能的智能控制的控制方法及系统是亟待解决的技术问题。


技术实现要素：

4.有鉴于此，本发明提供了一种轮椅助行器一体机控制方法及系统，以解决现有技术中存在的一个或多个问题。
5.根据本发明的一个方面，本发明公开了一种轮椅助行器一体机控制方法，所述控制方法包括：
6.获取施加在所述轮椅助行器一体机的手把装置上的压力信号和手刹通断信号；
7.基于获取到的所述压力信号判断所述轮椅助行器一体机的工作模式，所述工作模式包括助行器模式和轮椅模式；
8.在所述工作模式为助行器模式时，获取所述轮椅助行器一体机与水平面之间夹角的角度变化值，并获取所述轮椅助行器一体机与使用者之间的距离，基于获取到的所述压力信号、手刹通断信号、角度变化值以及所述距离控制所述轮椅助行器一体机的运行状态，所述运行状态包括上坡助力状态、下坡增加阻力状态、行驶速度控制状态以及刹车状态；
9.在所述工作模式为轮椅模式时，获取轮椅操纵杆的位置变化信息，基于所述轮椅操纵杆的位置变化信息控制所述轮椅助行器一体机的驱动轮的转速。
10.在本发明的一些实施例中，基于获取到的所述压力信号、手刹通断信号、角度变化值以及所述距离控制所述轮椅助行器一体机的运行状态，包括：
11.判断获取到的所述手刹通断信号的通断状态，在所述手刹通断信号为接通状态下，控制所述轮椅助行器一体机的运行状态为刹车状态；
12.判断获取到的所述压力信号是否大于压力阈值，在大于所述压力阈值的情况下，控制所述轮椅助行器一体机的运行状态为刹车状态；
13.判断获取到的所述角度变化值是否大于预设角度，在大于所述预设角度的情况下，控制所述轮椅助行器一体机的运行状态为下坡增加阻力状态，在小于所述预设角度的情况下，控制所述轮椅助行器一体机的运行状态为上坡助力状态；
14.判断获取到的所述距离是否大于安全距离，在大于所述安全距离的情况下，减小所述轮椅助行器一体机的行驶速度。
15.在本发明的一些实施例中，控制所述轮椅助行器一体机的运行状态为下坡增加阻力状态，包括：
16.减小用于驱动所述轮椅助行器一体机的驱动轮的驱动电机的正向转矩或增大反向转矩；和/或
17.控制所述轮椅助行器一体机的运行状态为上坡助力状态，包括：
18.增大用于驱动所述轮椅助行器一体机的驱动轮的驱动电机的正向转矩。
19.在本发明的一些实施例中，所述轮椅操纵杆为霍尔操纵杆，所述轮椅助行器一体机包括左轮驱动部件和右轮驱动部件；
20.基于所述轮椅操纵杆的位置变化信息控制所述轮椅助行器一体机的驱动轮的转速，包括：
21.获取所述轮椅操纵杆在第一方向上的位置变化数据，第一方向为与所述轮椅助行器一体机的行驶方向垂直的方向；
22.当所述第一方向上的位置变化数据为零时，基于所述霍尔操纵杆的投影直线计算所述轮椅助行器一体机的行驶速度，基于计算得到的所述行驶速度确定所述左轮驱动部件和右轮驱动部件的转速。
23.在本发明的一些实施例中，当所述第一方向上的位置变化数据不为零时，基于所述霍尔操纵杆的投影直线末端的位置坐标计算所述轮椅助行器一体机的转弯角速度以及转弯半径，基于所述转弯角速度以及转弯半径确定所述左轮驱动部件和右轮驱动部件的转速。
24.在本发明的一些实施例中，所述轮椅助行器一体机的行驶速度的计算公式为：
[0025][0026]
其中，v为行驶速度，vm为当前档位下的最大行驶速度，(x，y)为所述霍尔操纵杆投影直线末端的位置坐标，(x
max
，y
max
)为所述霍尔操纵杆投影直线末端的最大位置坐标。
[0027]
在本发明的一些实施例中，当所述第一方向上的位置变化数据不为零时，所述左轮驱动部件和右轮驱动部件的转速分别为：
[0028]
[0029][0030]
ω
l
表示左轮驱动部件的转速，ωr表示右轮驱动部件的转速，r表示转弯半径，l表示左驱动轮与右驱动轮之间的间距，r表示左驱动轮和右驱动轮的半径，ω表示所述轮椅助行器一体机的转弯角速度。
[0031]
在本发明的一些实施例中，所述手把装置包括左手把装置和右手把装置。
[0032]
根据本发明的另一方面，还公开了一种轮椅助行器一体机控制系统，所述控制系统包括：
[0033]
压力检测部件，设置在所述轮椅助行器一体机的手把装置上，用于获取施加在所述轮椅助行器一体机的手把装置上的压力信号；
[0034]
刹车部件，设置在所述轮椅助行器一体机的手把装置上，用于获取手刹通断信号；
[0035]
惯性传感器，用于获取所述轮椅助行器一体机与水平面之间的夹角的角度变化值；
[0036]
距离传感器，用于获取所述轮椅助行器一体机与使用者之间的距离；
[0037]
手操器，用于获取轮椅操纵杆的位置变化信息；
[0038]
微处理器，基于获取到的所述压力信号判断所述轮椅助行器一体机的工作模式，基于获取到的所述压力信号、手刹通断信号、角度变化值以及所述距离控制所述轮椅助行器一体机的运行状态，以及基于所述轮椅操纵杆的位置变化信息控制所述轮椅助行器一体机的驱动轮的转速；其中，所述工作模式包括助行器模式和轮椅模式，所述运行状态包括上坡助力状态、下坡增加阻力状态、行驶速度控制状态以及刹车状态。
[0039]
在本发明的一些实施例中，所述控制系统还包括两个电机驱动单元，所述两个电机驱动单元均与所述微处理器连接，所述两个驱动单元基于接收到的所述微处理器发送的控制信号控制所述轮椅助行器一体机的运行状态或所述轮椅助行器一体机的驱动轮的转速。
[0040]
本发明上述实施例所公开的轮椅助行器一体机控制方法及系统，基于施加在手把装置上的压力信号可判断该轮椅助行器一体机的工作模式为助行器模式还是轮椅模式；且在助行器模式时，该控制方法可控制轮椅助行器一体机在助行器模式下的运行状态；在轮椅模式下，该控制方法和系统可控制轮椅助行器一体机的驱动轮的转速。因此，本发明实施例所公开的轮椅助行器一体机控制方法可实现轮椅助行器一体机在助行器模式下和轮椅模式下的智能控制。
[0041]
本发明的附加优点、目的，以及特征将在下面的描述中将部分地加以阐述，且将对于本领域普通技术人员在研究下文后部分地变得明显，或者可以根据本发明的实践而获知。本发明的目的和其它优点可以通过在书面说明及其权利要求书以及附图中具体指出的结构实现到并获得。
[0042]
本领域技术人员将会理解的是，能够用本发明实现的目的和优点不限于以上具体所述，并且根据以下详细说明将更清楚地理解本发明能够实现的上述和其他目的。
附图说明
[0043]
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本技术的一部分，并不
构成对本发明的限定。附图中的部件不是成比例绘制的，而只是为了示出本发明的原理。为了便于示出和描述本发明的一些部分，附图中对应部分可能被放大，即，相对于依据本发明实际制造的示例性装置中的其它部件可能变得更大。在附图中：
[0044]
图1为本发明一实施例的轮椅助行器一体机的结构示意图。
[0045]
图2为本发明一实施例的轮椅助行器一体机控制方法的流程示意图。
[0046]
图3为本发明一实施例的轮椅助行器一体机控制系统的架构示意图。
[0047]
图4为本发明一实施例的轮椅助行器一体机控制方法的工作模式判断的流程示意图。
[0048]
图5为本发明一实施例的轮椅助行器一体机工作在助行器模式下的控制方法的流程示意图。
[0049]
图6为本发明一实施例的轮椅助行器一体机工作在轮椅模式下时霍尔操纵杆的位置示意图。
[0050]
图7为本发明一实施例的轮椅助行器一体机工作在轮椅模式下的控制方法的流程示意图。
[0051]
附图标记：
[0052]
左手把装置110l右手把装置110r手操器120控制器130电池140左驱动装置160l右驱动装置160r左电磁刹车器161左电机编码器162右电磁刹车器163右电机编码器164左电机驱动单元134右电机驱动单元135微处理器131电源管理模块141
具体实施方式
[0053]
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合附图对本发明实施例做进一步详细说明。在此，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。
[0054]
在此，需要说明的是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图中仅仅示出了与根据本发明的方案密切相关的结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其他细节。
[0055]
应该强调，术语“包括/包含/具有”在本文使用时指特征、要素、步骤或组件的存在，但并不排除一个或更多个其它特征、要素、步骤或组件的存在或附加。
[0056]
在此，还需要说明的是，本说明书内容中所出现的方位名词是相对于附图所示的位置方向；如果没有特殊说明，术语“连接”在本文不仅可以指直接连接，也可以表示存在中间物的间接连接。直接连接为两个零部件之间不借助中间部件进行连接，间接连接为两个零部件之间借助其他零部件进行连接。
[0057]
在下文中，将参考附图描述本发明的实施例。在附图中，相同的附图标记代表相同或类似的部件，或者相同或类似的步骤。
[0058]
图1为本发明一实施例的轮椅助行器一体机的结构示意图，参考图1，该轮椅助行器一体机至少包括：轮椅主体、手把装置、手操器120、控制器130、电池140以及驱动装置。其中，手把装置包括左手把装置110l和右手把装置110r，左手把装置110l和右手把装置110r均设置在轮椅主体的顶部，驱动装置包括左驱动装置160l和右驱动装置160r，左驱动装置160l和右驱动装置160r均设置在轮椅主体的底部。另外，手操器120、控制器130以及电池
140等也均设置在轮椅主体上。进一步的，左驱动装置160l和右驱动装置160r均包括驱动电机、电磁刹车器和电机编码器，电磁刹车器设置在驱动电机的输出端，电机编码器设置在驱动电机上。控制器130具体的可包括微处理器131(mcu)、距离传感器、惯性传感器、左电机驱动单元134和右电机驱动单元135，惯性传感器用于获取轮椅助行器一体机与水平面之间的夹角的角度变化值，距离传感器用于获取轮椅助行器一体机与使用者之间的距离，左电机驱动单元134和右电机驱动单元135用于基于接收到的微处理器131发送的控制信号控制轮椅助行器一体机的运行状态或轮椅助行器一体机的驱动轮的转速。
[0059]
图2为本发明一实施例的轮椅助行器一体机控制方法的流程示意图，参考图2，该轮椅助行器一体机控制方法至少包括步骤s10至s40。
[0060]
步骤s10：获取施加在所述轮椅助行器一体机的手把装置上的压力信号和手刹通断信号。
[0061]
在该步骤中，采集施加在手把装置上的压力信号是为了判断该轮椅助行器一体机的手把是否被使用者按压，而采集施加在手把装置上的手刹通断信号是为了进一步判断使用者是否对该轮椅助行器一体机进行了刹车操作。
[0062]
步骤s20：基于获取到的所述压力信号判断所述轮椅助行器一体机的工作模式，所述工作模式包括助行器模式和轮椅模式。
[0063]
在该步骤中，是基于在步骤s10中采集到的压力信号判断该轮椅助行器一体机需要工作在智能助行器模式下还是电动轮椅模式下。具体的，通过设置在左手把装置和右手把装置上的压力传感器分别检测施加在左手把装置和右手把装置上的压力信号，进一步的将采集到的压力信号与预设的压力设定值进行比较。当采集到的压力信号大于预设的压力设定值时，则判断得出该轮椅助行器一体机的工作模式为智能助行器模式。可以理解的，在该实施例当检测到左手把装置和右手把装置上的其中一个的压力信号大于预设的压力设定值时，可判断得出该轮椅助行器一体机的工作模式为智能助行器模式；也可在当检测到左手把装置和右手把装置上的压力信号均大于预设的压力设定值时，得出该轮椅助行器一体机的工作模式为智能助行器模式。
[0064]
示例性的，图4为本发明一实施例的轮椅助行器一体机控制方法的工作模式判断的流程示意图，参考图4，该流程为运行在微处理器131中的轮椅助行器一体机软件系统中的一部分，该流程用来判断轮椅助行器一体机是执行智能助行器功能还是电动轮椅功能。
[0065]
在图4所示实施例中，首先进行ad采样，即检测电池140的电量，并判断电池140电量是否过低，若检测到的电池140的电量低于设定电量值，则电量指示灯闪烁报警，若检测到的电池140的电量大于设定电量值，则执行手把传感器数据的采集，即获取左手把装置110l和右手把装置110r上的压力传感器采集的压力数据，若左手把装置110l和右手把装置110r上的压力传感器采集的压力数据均小于压力设定值，则此时表明左手把装置110l和右手把装置110r均没被按压，则执行电动轮椅功能；而若当左手把装置110l和/或右手把装置110r上的压力传感器采集的压力数据大于压力设定值，且小于设定的压力阈值时，则表示左手把装置110l和右手把装置110r被按下，此时则执行智能助行器功能。
[0066]
步骤s30：在所述工作模式为助行器模式时，获取所述轮椅助行器一体机与水平面之间的夹角的角度变化值，并获取所述轮椅助行器一体机与使用者之间的距离，基于获取到的所述压力信号、手刹通断信号、角度变化值以及所述距离控制所述轮椅助行器一体机
的运行状态，所述运行状态包括上坡助力状态、下坡增加阻力状态、行驶速度控制状态以及刹车状态。
[0067]
该步骤是为了实现轮椅助行器一体机在智能助行器模式下的智能控制，即该控制方法可控制助行器模式下的轮椅助行器一体机工作在上坡助力状态、下坡增加阻力状态、行驶速度控制状态以及刹车状态等。其中，获取轮椅助行器一体机与水平面之间的夹角的角度变化值通过惯性传感器实现，即基于惯性传感器获取到的轮椅助行器一体机与水平面之间的夹角的角度变化值判断助行器模式下的轮椅助行器一体机是处于上坡路况、下坡路况还是处于平路路况。当处于上坡路况时，控制助行器的运行状态为上坡助力状态；当为下坡路况时，则控制助行器的运行状态为下坡增加阻力状态。另外，获取所述轮椅助行器一体机与使用者之间的距离是为了进一步的控制助行器的行驶速度，如当轮椅助行器一体机与使用者之间的距离较大时，则进一步的减小轮椅助行器一体机的行驶速度。在该步骤中，通过获取到的手刹通断信号还可进一步的判断操作者是否按下了左手把装置110l或右手把装置110r中的手刹开关，当其中一个手刹通断信号处于接通状态下时，则左驱动装置160l中的左电磁刹车器161和右驱动装置160r中的右电磁刹车器163均同时吸合，以保持助行器处于刹车状态，从而确保轮椅助行器一体机起到稳定支撑的作用。
[0068]
进一步的，基于获取到的所述压力信号、手刹通断信号、角度变化值以及所述距离控制所述轮椅助行器一体机的运行状态，包括：判断获取到的所述手刹通断信号的通断状态，在所述手刹通断信号为接通状态下，控制所述轮椅助行器一体机的运行状态为刹车状态；判断获取到的所述压力信号是否大于压力阈值，在大于所述压力阈值的情况下，控制所述轮椅助行器一体机的运行状态为刹车状态；判断获取到的所述角度变化值是否大于预设角度，在大于所述预设角度的情况下，控制所述轮椅助行器一体机的运行状态为下坡增加阻力状态，在小于所述预设角度的情况下，控制所述轮椅助行器一体机的运行状态为上坡助力状态；判断获取到的所述距离是否大于安全距离，在大于所述安全距离的情况下，减小所述轮椅助行器一体机的行驶速度。
[0069]
在一实施例中，控制所述轮椅助行器一体机的运行状态为下坡增加阻力状态，具体包括：减小用于驱动所述轮椅助行器一体机的驱动轮的驱动电机的正向转矩或增大正向转矩；控制所述轮椅助行器一体机的运行状态为上坡助力状态，具体包括：增大用于驱动所述轮椅助行器一体机的驱动轮的驱动电机的正向转矩。具体的，在下坡增加阻力状态中，若当前助行器的行驶速度较快或下坡的坡度较小时，则此时减小用于驱动所述轮椅助行器一体机的驱动轮的驱动电机的正向转矩即可；而若当前助行器的行驶速度较慢或下坡的坡度较大时，为了为助行器的下坡提供阻力，则此时使驱动电机输出反向力矩，而为了进一步的增加下坡时的阻力，则此时相应的增大驱动电机输出的反向力矩即可。
[0070]
图5为本发明一实施例的轮椅助行器一体机工作在助行器模式下的控制方法的流程示意图，该流程是运行在微处理器131中的轮椅助行器一体机软件系统中的一部分，该流程用于使轮椅助行器一体机执行助行器功能，且在助行器模式下周期性重复运行。
[0071]
如图5所示，在该实施例中首先检测左手把装置110l和右手把装置110r的两个手刹开关的通断情况，若检测到其中一个的手刹通断信号为通时，则表明使用者握紧了两个手刹部件中的其中一个，进而左电磁刹车器161吸合，右电磁刹车器163也吸合，即将助行器的运行状态控制为刹车状态。若两个手刹通断信号均为断时，则表明使用者未握紧手刹部
件，此时进一步判断左手把装置110l和右手把装置110r的两个压力传感器检测到的压力数据是否突然增大，即是否超过压力阈值，若两个压力传感器中的任何一个突然增大超过压力阈值时，则判定助行器出现异常，此时左电磁刹车器161和右电磁刹车器163也均吸合，进行刹车，以确保使用者的使用安全。
[0072]
若两个压力传感器检测到的压力数据均小于压力阈值，则此时进一步的获取惯性传感器检测到的轮椅助行器一体机与水平面之间的夹角的角度变化值，在该实施例中，水平面可理解为轮椅助行器一体机在平坦路况上行驶时的平坦路面，即该实施例基于惯性传感器采集到的轮椅助行器一体机与平坦路面之间的角度θ的变化来判断路况情况，即判断路况为上坡、下坡还是平路。从图5中可以看出，当θ＞90
°
时，则判断得出该轮椅助行器一体机处于下坡路况，此时微处理器131通过θ角度在下坡时一体机重力和使用者施加手把装置上的力沿下坡前进方向的分量，计算出左轮驱动部件和右轮驱动部件需减少的转矩，从而计算出两个驱动部件需减少的电流；当一体机的左轮驱动部件和右轮驱动部件的转速很低或接近零时，需向左轮驱动部件和右轮驱动部件输出反向电流，从而使得一体机在下坡时增加阻力，保障使用安全。当θ＜90
°
时，则判断得出该轮椅助行器一体机处于上坡路况，此时微处理器131通过θ角度在上坡时一体机重力和使用者施加手把装置上的力沿上坡前进方向的分量，进而计算出左轮驱动部件和右轮驱动部件需增加的转矩，从而计算出两个驱动部件需增加的电流，从而实现该轮椅助行器一体机在上坡时的助力。当θ＝90
°
时，则判断得出该轮椅助行器一体机在平路路况上运行，则此时保持左轮驱动部件和右轮驱动部件的电流不变。进一步的，驱动部件均可为驱动电机，则此时左轮驱动部件为左驱动电机，而右轮驱动部件为右驱动电机。
[0073]
进一步的，通过距离传感器采集到的数据计算轮椅助行器一体机和使用者之间的距离l，并判断距离l是否处于安全距离的区间范围内；当l大于安全距离的最大值时，则微处理器131控制左驱动电机和右驱动电机的转速降低；当距离l小于安全距离的最小值时，则微处理器131控制左驱动电机和右驱动电机的转速增加；从而使一体机和使用者的距离始终保持在安全距离的区间范围内，从而进一步的提高一体机在助行器模式下的安全性。另外，当距离l处于安全距离的区间范围内时，微处理器131根据左电机编码器162和右电机编码器164发送的左驱动电机和右驱动电机的转速信息，实时控制左电机驱动单元134和右电机驱动单元135，实现实时跟随作业任务。
[0074]
步骤s40：在所述工作模式为轮椅模式时，获取轮椅操纵杆的位置变化信息，基于所述轮椅操纵杆的位置变化信息控制所述轮椅助行器一体机的驱动轮的转速。
[0075]
在轮椅助行器一体机处于电动轮椅模式时，则操作者通过操作操作器中的轮椅操纵杆即可控制轮椅的行驶方向以及行驶速度等。
[0076]
示例性的，轮椅操纵杆可为霍尔操纵杆，而基于所述轮椅操纵杆的位置变化信息控制所述轮椅助行器一体机的驱动轮的转速，包括：获取所述轮椅操纵杆在第一方向上的位置变化数据，第一方向为与所述轮椅助行器一体机的行驶方向垂直的方向；当所述第一方向上的位置变化数据为零时，基于所述霍尔操纵杆的投影直线计算所述轮椅助行器一体机的行驶速度，基于计算得到的所述行驶速度确定所述左轮驱动部件和右轮驱动部件的转速。当所述第一方向上的位置变化数据不为零时，基于所述霍尔操纵杆的投影直线末端的位置坐标计算所述轮椅助行器一体机的转弯角速度以及转弯半径，基于所述转弯角速度以
及转弯半径确定所述左轮驱动部件和右轮驱动部件的转速。在该实施例中，第一方向可理解为与轮椅助行器一体机的行驶方向互相垂直的方向，如以水平面为行驶平面，且轮椅助行器一体机的行驶方向为水平面内的与y轴平行的方向，则此时第一方向为x轴方向。
[0077]
在上述实施例中，通过操纵手操器120的霍尔操纵杆可控制轮椅的行驶方向以及行驶速度，图6为本发明一实施例的轮椅助行器一体机工作在轮椅模式下时霍尔操纵杆的位置示意图，参考图6，霍尔操纵杆可以绕原点在任意方向上做转动运动，当霍尔操纵杆转动时，其转动停止时所处的位置与其在由x轴、y轴以及原点所组成的xoy平面上投影直线所决定，且投影直线为过原点的直线。图5所示的霍尔操纵杆的投影位于第一象限内，且图中的虚线代表霍尔操纵杆的投影直线的末端边界。基于上述内容可知，在xoy平面中，投影直线的末端坐标不同则表示投影直线不同，并且不同的投影直线分别与不同的输出电压一一对应，即不同的投影直线末端坐标(x，y)分别与不同的输出电压一一对应。
[0078]
示例性的，轮椅助行器一体机的行驶速度的计算公式为：
[0079][0080]
其中，v为行驶速度，vm为当前档位下的最大行驶速度，(x，y)为所述霍尔操纵杆投影直线末端的位置坐标，(x
max
，y
max
)为所述霍尔操纵杆投影直线末端的最大位置坐标。
[0081]
在一实施例中，当所述第一方向上的位置变化数据不为零时，所述左轮驱动部件和右轮驱动部件的转速分别为：
[0082][0083][0084]
ω
l
表示左轮驱动部件的转速，ωr表示右轮驱动部件的转速，r表示转弯半径，l表示左驱动轮与右驱动轮之间的间距，r表示左驱动轮和右驱动轮的半径，ω为所述轮椅助行器一体机的转弯角速度。
[0085]
图7为本发明一实施例的轮椅助行器一体机工作在轮椅模式下的控制方法的流程示意图，该流程为运行在微处理器131中的轮椅助行器一体机软件系统中的一部分，该流程用于使轮椅助行器一体机执行电动轮椅功能，且该流程在执行轮椅功能时周期性重复运行。
[0086]
参考图7，首先获取霍尔操纵杆的电压信号以计算出霍尔操纵杆在图6所示的平面内的投影直线的末端坐标(x，y)，当计算得出霍尔操纵杆的投影直线的末端坐标(x，y)之后，进一步的根据霍尔操纵杆的投影直线的末端坐标变化情况判断电动轮椅是沿直线方向前进还是转弯。
[0087]
示例性的，霍尔操纵杆沿y轴方向变化时，此时霍尔操纵杆位置变化后相对于位置变化前的投影直线的末端x坐标的变化值为0，则该轮椅助行器一体机沿y轴方向直线移动，此时进一步的计算霍尔操纵杆在xoy平面上投影直线的长度d，x为霍尔操纵杆位置变化后的投影直线的末端坐标的x值，y为霍尔操纵杆位置变化后的投影直线的末端坐标的y值。进一步的基于霍尔操纵杆的投影直线的末端坐标计算一体机的行驶速度v，
[0088][0089]
其中，vm为手操器120的当前档位对应的速度最大值，(x，y)为霍尔操纵杆位置变化后的投影直线的当前末端坐标，(x
max
，y
max
)为霍尔操纵杆的投影直线的最大末端坐标。
[0090]
在计算得到速度v之后，进一步的计算左驱动电机和右驱动电机的转速(角速度)，其中r为两个驱动轮的半径，ω
l
＝ωr＝v/πr，ω
l
为左轮驱动部件转速，ωr为右轮驱动部件转速。
[0091]
上述的霍尔操纵杆位置变化后相对于位置变化前的投影直线的末端x坐标的变化值为0时对应的为轮椅直行的行驶状态，而当霍尔操纵杆位置变化后相对于位置变化前的投影直线的末端x坐标的变化值不为0时则对应的为轮椅转弯的行驶状态。此时首先计算转弯角速度ω，转弯角速度与霍尔操纵杆的投影直线的末端坐标有关，即ω＝f(x/y)。在计算得到转弯角速度ω后，则进一步的计算一体机的转弯半径r，转弯半径与转弯角速度ω类似的，均与霍尔操纵杆的投影直线的末端坐标有关，即r＝f(x/y)，(x，y)表示霍尔操纵杆的投影直线的末端位置坐标。在计算得到转弯角速度ω和转弯半径r之后，进一步的计算左驱动电机和右驱动电机的转速(角速度)。ω
l
表示左轮驱动部件的转速，ωr表示右轮驱动部件的转速，r表示转弯半径，l表示左驱动轮与右驱动轮之间的间距，r表示两个驱动轮的半径，ω为所述轮椅助行器一体机的转弯角速度。
[0092]
在计算得到ω
l
和ωr之后，微处理器131根据计算得出的左轮驱动部件的转速和右轮驱动部件的转速，通过左驱动单元和右驱动单元实现对一体机的速度和方向的控制。
[0093]
相应的，本发明还提供了一种轮椅助行器一体机控制系统，该系统至少包括：压力检测部件、刹车部件、惯性传感器、距离传感器、手操器120以及微处理器131。压力检测部件，设置在所述轮椅助行器一体机的手把装置上，用于获取施加在所述轮椅助行器一体机的手把装置上的压力信号；刹车部件设置在所述轮椅助行器一体机的手把装置上，用于获取手刹通断信号；惯性传感器用于获取所述轮椅助行器一体机与水平面之间的夹角的角度变化值；距离传感器，用于获取所述轮椅助行器一体机与使用者之间的距离；手操器120用于获取轮椅操纵杆的位置变化信息；微处理器131基于获取到的所述压力信号判断所述轮椅助行器一体机的工作模式，基于获取到的所述压力信号、手刹通断信号、角度变化值以及所述距离控制所述轮椅助行器一体机的运行状态，以及基于所述轮椅操纵杆的位置变化信息控制所述轮椅助行器一体机的驱动轮的转速；其中，所述工作模式包括助行器模式和轮椅模式，所述运行状态包括上坡助力状态、下坡增加阻力状态、行驶速度控制状态以及刹车状态。
[0094]
在另一实施例中，控制系统还包括两个电机驱动单元，所述两个电机驱动单元均与所述微处理器131连接，所述两个驱动单元基于接收到的所述微处理器131发送的控制信号控制所述轮椅助行器一体机的运行状态或所述轮椅助行器一体机的驱动轮的转速。
[0095]
图3为本发明一实施例的轮椅助行器一体机控制系统的架构示意图，如图3所示，该控制系统具体的包括左手把装置110l、右手把装置110r、手操器120、控制器130、电池140、左驱动电机、右驱动电机，左驱动电机上连接有左电磁刹车器161和左电机编码器162，右驱动电机上连接有右电磁刹车器163和右电机编码器164。控制器130具体包括：微处理器
131、距离传感器、惯性传感器、左驱动单元和右驱动单元。电池140为控制系统提供能源，电池140具体的可为各种锂电池或铅酸电池。在该实施例中，电池140通过电源管理模块141分别供电给左电机驱动单元、右电机驱动单元、微处理器131和手操器120。左电机驱动单元用于驱动左驱动电机，右电机驱动单元由于驱动右驱动电机。左手把装置110l和右手把装置110r向微处理器131提供手把压力信号和手把手刹通断信号，距离传感器在助行器功能时向微处理器131提供助行器距离使用者的距离信号，惯性传感器向微处理器131提供传感器的角度信号，手操器120在电动轮椅功能时通过其上的霍尔操纵杆位置的变化向微处理器131提供一体机行驶的速度和方向信号；微处理器131通过计算处理上述信号后向左电机驱动单元和右电机驱动单元发送速度指令驱动电机转动或停止，并接收来自左电机编码器162和右电机编码器164的电机转速信号。
[0096]
进一步的，驱动电机可为有刷直流电机或无刷直流电机，而在轮椅功能下，轮椅助行器一体机的速度和方向的信号输入除了采用霍尔操纵杆之外，还可以采用语音输入、使用者姿势变化输入以及电子屏幕输入等。
[0097]
通过上述实施例可以发现，本发明的轮椅助行器一体机控制方法及系统可使轮椅助行器一体机即具备电动轮椅功能，也具备智能助行器功能，从而可更好满足老年人和残疾人对移位助行的需求。另外，该轮椅助行器一体机控制方法及系统可智能识别轮椅助行器的工作模式，并实现助行器功能或轮椅功能的智能控制；在执行电动轮椅功能时，采用霍尔摇杆和速度档位进行轮椅的行驶方向和速度控制，符合普通电动轮椅的操控习惯，并且利用电机速度、轮椅转弯半径和轮椅转弯角速度的关系，计算差速驱动的两驱动电机的转速，从而基于差速驱动方法提升了轮椅转弯行驶时的柔顺性和舒适性。在执行助行器功能时，通过惯性传感器检测到一体机路况(上下坡等)，通过算法自动补偿电机的驱动力矩，从而实现了助行器的上坡助力、下坡增加阻力；另外，通过距离传感器检测到一体机相对于使用者的距离，从而基于一体机与使用者之间的距离控制一体机的行驶速度；从而该轮椅助行器一体机控制方法及系统还提高了助行器工作模式下的安全性及稳定性。
[0098]
还需要说明的是，本发明中提及的示例性实施例，基于一系列的步骤或者装置描述一些方法或系统。但是，本发明不局限于上述步骤的顺序，也就是说，可以按照实施例中提及的顺序执行步骤，也可以不同于实施例中的顺序，或者若干步骤同时执行。
[0099]
本发明中，针对一个实施方式描述和/或例示的特征，可以在一个或更多个其它实施方式中以相同方式或以类似方式使用，和/或与其他实施方式的特征相结合或代替其他实施方式的特征。
[0100]
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明实施例可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种轮椅助行器一体机控制方法，其特征在于，所述控制方法包括：获取施加在所述轮椅助行器一体机的手把装置上的压力信号和手刹通断信号；基于获取到的所述压力信号判断所述轮椅助行器一体机的工作模式，所述工作模式包括助行器模式和轮椅模式；在所述工作模式为助行器模式时，获取所述轮椅助行器一体机与水平面之间夹角的角度变化值，并获取所述轮椅助行器一体机与使用者之间的距离，基于获取到的所述压力信号、手刹通断信号、角度变化值以及所述距离控制所述轮椅助行器一体机的运行状态，所述运行状态包括上坡助力状态、下坡增加阻力状态、行驶速度控制状态以及刹车状态；在所述工作模式为轮椅模式时，获取轮椅操纵杆的位置变化信息，基于所述轮椅操纵杆的位置变化信息控制所述轮椅助行器一体机的驱动轮的转速。2.根据权利要求1所述的轮椅助行器一体机控制方法，其特征在于，基于获取到的所述压力信号、手刹通断信号、角度变化值以及所述距离控制所述轮椅助行器一体机的运行状态，包括：判断获取到的所述手刹通断信号的通断状态，在所述手刹通断信号为接通状态下，控制所述轮椅助行器一体机的运行状态为刹车状态；判断获取到的所述压力信号是否大于压力阈值，在大于所述压力阈值的情况下，控制所述轮椅助行器一体机的运行状态为刹车状态；判断获取到的所述角度变化值是否大于预设角度，在大于所述预设角度的情况下，控制所述轮椅助行器一体机的运行状态为下坡增加阻力状态，在小于所述预设角度的情况下，控制所述轮椅助行器一体机的运行状态为上坡助力状态；判断获取到的所述距离是否大于安全距离，在大于所述安全距离的情况下，减小所述轮椅助行器一体机的行驶速度。3.根据权利要求2所述的轮椅助行器一体机控制方法，其特征在于，控制所述轮椅助行器一体机的运行状态为下坡增加阻力状态，包括：减小用于驱动所述轮椅助行器一体机的驱动轮的驱动电机的正向转矩或增大反向转矩；和/或控制所述轮椅助行器一体机的运行状态为上坡助力状态，包括：增大用于驱动所述轮椅助行器一体机的驱动轮的驱动电机的正向转矩。4.根据权利要求1所述的轮椅助行器一体机控制方法，其特征在于，所述轮椅操纵杆为霍尔操纵杆，所述轮椅助行器一体机包括左轮驱动部件和右轮驱动部件；基于所述轮椅操纵杆的位置变化信息控制所述轮椅助行器一体机的驱动轮的转速，包括：获取所述轮椅操纵杆在第一方向上的位置变化数据，第一方向为与所述轮椅助行器一体机的行驶方向垂直的方向；当所述第一方向上的位置变化数据为零时，基于所述霍尔操纵杆的投影直线计算所述轮椅助行器一体机的行驶速度，基于计算得到的所述行驶速度确定所述左轮驱动部件和右轮驱动部件的转速。5.根据权利要求4所述的轮椅助行器一体机控制方法，其特征在于，当所述第一方向上的位置变化数据不为零时，基于所述霍尔操纵杆的投影直线末端的位置坐标计算所述轮椅
助行器一体机的转弯角速度以及转弯半径，基于所述转弯角速度以及转弯半径确定所述左轮驱动部件和右轮驱动部件的转速。6.根据权利要求5所述的轮椅助行器一体机控制方法，其特征在于，所述轮椅助行器一体机的行驶速度的计算公式为：其中，v为行驶速度，v
m
为当前档位下的最大行驶速度，(x，y)为所述霍尔操纵杆投影直线末端的位置坐标，(x
max
，y
max
)为所述霍尔操纵杆投影直线末端的最大位置坐标。7.根据权利要求5所述的轮椅助行器一体机控制方法，其特征在于，当所述第一方向上的位置变化数据不为零时，所述左轮驱动部件和右轮驱动部件的转速分别为：的位置变化数据不为零时，所述左轮驱动部件和右轮驱动部件的转速分别为：ω
l
表示左轮驱动部件的转速，ω
r
表示右轮驱动部件的转速，r表示转弯半径，l表示左驱动轮与右驱动轮之间的间距，r表示左驱动轮和右驱动轮的半径，ω表示所述轮椅助行器一体机的转弯角速度。8.根据权利要求1至7中任意一项所述的轮椅助行器一体机控制方法，其特征在于，所述手把装置包括左手把装置和右手把装置。9.一种轮椅助行器一体机控制系统，其特征在于，所述控制系统包括：压力检测部件，设置在所述轮椅助行器一体机的手把装置上，用于获取施加在所述轮椅助行器一体机的手把装置上的压力信号；刹车部件，设置在所述轮椅助行器一体机的手把装置上，用于获取手刹通断信号；惯性传感器，用于获取所述轮椅助行器一体机与水平面之间的夹角的角度变化值；距离传感器，用于获取所述轮椅助行器一体机与使用者之间的距离；手操器，用于获取轮椅操纵杆的位置变化信息；微处理器，基于获取到的所述压力信号判断所述轮椅助行器一体机的工作模式，基于获取到的所述压力信号、手刹通断信号、角度变化值以及所述距离控制所述轮椅助行器一体机的运行状态，以及基于所述轮椅操纵杆的位置变化信息控制所述轮椅助行器一体机的驱动轮的转速；其中，所述工作模式包括助行器模式和轮椅模式，所述运行状态包括上坡助力状态、下坡增加阻力状态、行驶速度控制状态以及刹车状态。10.根据权利要求9所述的轮椅助行器一体机控制系统，其特征在于，所述控制系统还包括两个电机驱动单元，所述两个电机驱动单元均与所述微处理器连接，所述两个驱动单元基于接收到的所述微处理器发送的控制信号控制所述轮椅助行器一体机的运行状态或所述轮椅助行器一体机的驱动轮的转速。

技术总结
本发明提供一种轮椅助行器一体机控制方法及系统，包括：获取施加在手把装置上的压力信号和手刹通断信号；基于压力信号判断轮椅助行器一体机的工作模式，工作模式包括助行器模式和轮椅模式；在助行器模式时，获取轮椅助行器一体机与水平面之间夹角的角度变化值，获取轮椅助行器一体机与使用者之间的距离，基于压力信号、手刹通断信号、角度变化值及距离控制轮椅助行器一体机的运行状态，运行状态包括上坡助力状态、下坡增加阻力状态、行驶速度控制状态以及刹车状态；在轮椅模式时，获取轮椅操纵杆的位置变化信息，基于位置变化信息控制轮椅助行器一体机的驱动轮的转速。该控制方法可实现轮椅助行器一体机在助行器模式下和轮椅模式下的智能控制。模式下的智能控制。模式下的智能控制。


技术研发人员：兰陟 王强 白雪 王丽 单新颖
受保护的技术使用者：国家康复辅具研究中心
技术研发日：2023.05.18
技术公布日：2023/8/23