鐘小游，毛宇菲，黨旭聰，王廷軍，趙忠揚(yáng)，朱凈塵

基于Python的智能控制輪椅的研究與設(shè)計(jì)

鐘小游1，毛宇菲1，黨旭聰2，王廷軍1，趙忠揚(yáng)1，朱凈塵1

（1.上海電機(jī)學(xué)院，上海 201306；2.上海衛(wèi)星裝備研究所，上海 200240）

針對(duì)普通電動(dòng)輪椅功能單一的問(wèn)題，利用Python控制及多傳感器實(shí)現(xiàn)了對(duì)電動(dòng)輪椅的智能控制。Python開(kāi)發(fā)板控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)輪椅的行走和座椅的升降。傾角傳感器、速度傳感器、加速度傳感器、超聲波傳感器實(shí)時(shí)測(cè)量和監(jiān)控行走速度、加速度、座椅傾斜角度、障礙物情況，從而使系統(tǒng)自動(dòng)判斷和控制輪椅速度和剎車(chē)。特別是下坡時(shí)，當(dāng)速度超過(guò)設(shè)定極限值，就自動(dòng)進(jìn)行剎車(chē)減速到適宜的速度。多功能輪椅具有太陽(yáng)能輔助供電、手動(dòng)剪叉式座椅升降、腿部加熱、語(yǔ)音提示、剎車(chē)等多功能模塊，提高了輪椅的舒適性、安全性和多用性。

智能控制輪椅；Python；手動(dòng)剪叉式升降座椅；傾角傳感器；速度傳感器；舒適性；安全性

中國(guó)健康養(yǎng)老產(chǎn)業(yè)發(fā)展報(bào)告（2016）指出，截至2015年底，我國(guó)60歲及以上老年人口占全國(guó)總?cè)丝诘?6.1%，預(yù)測(cè)2050年該比例將達(dá)到28%，2050年中國(guó)老年人口將達(dá)到4.8億。中國(guó)老年人口將向“城鎮(zhèn)多、女性多、失能多、學(xué)歷高、消費(fèi)水平高、空巢多、丁克、康復(fù)醫(yī)療”等方向發(fā)展[1-2]。人口老齡化是當(dāng)今世界很多國(guó)家共同面臨的社會(huì)問(wèn)題，老齡化社會(huì)的城市交通特征變化主要體現(xiàn)在需求總量增加、出行結(jié)構(gòu)和影響因素多樣化、區(qū)域差異顯著等方面[3]。隨著社會(huì)老齡化進(jìn)程的加快以及由于各種疾病、工傷、交通事故等原因造成下肢損傷的人數(shù)的增加，為老年人和殘疾人提供性能優(yōu)越的代步工具已成為整個(gè)社會(huì)重點(diǎn)關(guān)注的問(wèn)題之一[4]。輪椅是服務(wù)機(jī)器人的一種，它很好地解決了此類(lèi)特殊人群的出行問(wèn)題[5]，輪椅的發(fā)展趨勢(shì)主要包括便攜性、功能性、個(gè)性化、電動(dòng)化和智能化[5-11]。

現(xiàn)有輪椅以手動(dòng)和電動(dòng)為主，基于人為操控，結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，功能較少，不夠智能化、人性化，在自主操縱方面也有缺陷。Python語(yǔ)言具有高效、靈活和簡(jiǎn)潔等特點(diǎn)[7]，設(shè)計(jì)一種基于Python板開(kāi)發(fā)的智能控制輪椅，在現(xiàn)有輪椅基礎(chǔ)上，增加更加人性化的智能控制技術(shù)和手動(dòng)剪叉式升降座椅，可以使輪椅具有良好的座椅升降功能和更好的行駛安全性。

1 智能控制輪椅總體設(shè)計(jì)

基于Python開(kāi)發(fā)板的新型智能輪椅，除了具有普通電動(dòng)輪椅的功能外，增加了座椅升降模塊、智能坡面控速模塊、加熱模塊、太陽(yáng)能供電模塊、障礙檢測(cè)模塊等，其工作原理如圖1所示?；赑ython開(kāi)發(fā)的各個(gè)模塊通過(guò)與傳感器的結(jié)合，使得輪椅對(duì)周?chē)h(huán)境的檢測(cè)和自身相關(guān)參數(shù)可以更好地反饋給使用者，用戶(hù)可以根據(jù)這些參數(shù)或者自身感覺(jué)做出判斷并將輪椅調(diào)整到最舒服的狀態(tài)，當(dāng)用戶(hù)來(lái)不及做出反應(yīng)時(shí)，系統(tǒng)在保證使用者安全舒適的條件下自動(dòng)檢測(cè)與智能控制。

智能控制輪椅通過(guò)Python開(kāi)發(fā)板，控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)輪椅的行走、座椅的升降。采用多種傳感器，實(shí)時(shí)測(cè)量和反饋行走速度、加速度、座椅的傾斜角度、周?chē)系K物情況，并通過(guò)Python開(kāi)發(fā)板實(shí)現(xiàn)對(duì)輪椅的運(yùn)動(dòng)智能控制。當(dāng)速度到達(dá)臨界值時(shí)，自動(dòng)減速；當(dāng)加速度超過(guò)限制值時(shí)，輪椅可能處于下坡超速或者失速狀態(tài)，則控制系統(tǒng)自動(dòng)剎車(chē)狀態(tài)。

圖1 智能控制輪椅工作原理圖

使用者可以用手機(jī)APP通過(guò)藍(lán)牙對(duì)輪椅進(jìn)行無(wú)線控制，也可以通過(guò)輪椅上配備的操縱臺(tái)對(duì)輪椅進(jìn)行控制，通過(guò)傳感器檢測(cè)，基于Python開(kāi)發(fā)板開(kāi)發(fā)的不同模塊將快速判斷并自動(dòng)控制，使輪椅更加智能化和人性化。特別是通過(guò)傾角傳感器實(shí)時(shí)測(cè)量和監(jiān)控座椅的傾斜角度、通過(guò)速度傳感器實(shí)時(shí)測(cè)量和監(jiān)控輪椅的行駛速度，如下坡時(shí)，當(dāng)出現(xiàn)速度過(guò)快，就可以自動(dòng)進(jìn)行剎車(chē)減速到適宜的速度。

2 智能控制輪椅結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 結(jié)構(gòu)組成

如圖2所示，基于Python開(kāi)發(fā)板的新型智能輪椅的主體結(jié)構(gòu)由剪叉機(jī)構(gòu)、動(dòng)力源、升降平臺(tái)和底座構(gòu)成。

2.2 座椅升降結(jié)構(gòu)

為提高輪椅座椅在各種場(chǎng)合使用不同高度要求，采用手動(dòng)剪叉式升降機(jī)構(gòu)來(lái)升降座椅，其工作原理圖如圖3所示。

1.搖桿控制臺(tái) 2.坡度傳感器、雷達(dá)傳感器 3.加熱模塊 4.太陽(yáng)能電板 5.剪切式液壓升降裝置 6.距離傳感器、速度傳感器

圖3 輪椅座椅高度調(diào)節(jié)原理圖

輪椅升降的動(dòng)力源主要由手動(dòng)泵和單作用液壓缸組成，通過(guò)手搖手動(dòng)泵，油壓油經(jīng)過(guò)換向閥、液壓鎖至液壓缸，從而使柱塞伸出推動(dòng)菱架實(shí)現(xiàn)上升功能，當(dāng)扳動(dòng)換向閥至下降位，搖動(dòng)手動(dòng)泵，通過(guò)控制油路打開(kāi)液壓鎖，壓力油回到油箱，座椅下降。

2.3 手動(dòng)液壓剪叉式升降機(jī)構(gòu)

手動(dòng)液壓剪叉式升降機(jī)構(gòu)如圖4所示，通過(guò)液壓的方式驅(qū)動(dòng)，液壓缸的伸縮帶動(dòng)剪叉臂的升降，進(jìn)而帶動(dòng)升降平臺(tái)的升降，實(shí)現(xiàn)座椅的升降。剪叉式液壓升降平臺(tái)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于升降，而且其舉重力度大，足以滿足設(shè)計(jì)需求。該設(shè)計(jì)不僅可以使用戶(hù)獲得更舒適的體驗(yàn)，而且還可以適應(yīng)取高處物體等的需要。

當(dāng)升降座椅處于某一位置狀態(tài)時(shí)，可以通過(guò)三角形結(jié)構(gòu)關(guān)系簡(jiǎn)單地設(shè)計(jì)各部分的結(jié)構(gòu)尺寸，如圖5所示。

圖4 液壓剪叉式升降機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

圖5 液壓剪叉式升降機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

根據(jù)機(jī)構(gòu)的連接關(guān)系，可見(jiàn)：

液壓缸和水平面夾角為：

因此，液壓缸的伸縮長(zhǎng)度為：

2.4 腿部加熱

兩個(gè)腿部加熱模塊分別安裝在左右兩個(gè)掛腳上面，其由太陽(yáng)能板供電。加熱裝置開(kāi)始加熱后，當(dāng)溫度傳感器測(cè)得溫度到達(dá)50℃時(shí)，傳遞信號(hào)至智能Python板接收和處理，實(shí)現(xiàn)智能恒溫與溫度保護(hù)。

3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

Arduino是一款便捷靈活、方便上手的開(kāi)源電子平臺(tái)，具有跨平臺(tái)、簡(jiǎn)單清晰、開(kāi)放性、發(fā)展迅速的優(yōu)點(diǎn)。本產(chǎn)品采用基于Python語(yǔ)言開(kāi)發(fā)的Arduino電路板作為控制系統(tǒng)：

（1）通過(guò)Arduino電路板與各傳感器進(jìn)行實(shí)時(shí)通訊，獲取傳感器收集到的信息，實(shí)現(xiàn)多傳感器感知；

（2）通過(guò)Python編程，檢測(cè)到坡度時(shí)向電機(jī)發(fā)送信號(hào)，實(shí)現(xiàn)自主控速下坡；

（3）通過(guò)Arduino電路板，控制電機(jī)，實(shí)現(xiàn)減速，方便快捷

基于Arduino電路板的智能輪椅控制流程如圖6所示。

圖6 智能輪椅控制原理圖

3.1 多傳感器融合

本輪椅有多個(gè)雷達(dá)傳感器、傾角傳感器、速度傳感器，實(shí)現(xiàn)對(duì)周?chē)系K物、座椅傾斜角度、行駛速度的實(shí)時(shí)測(cè)量和監(jiān)控，供輪椅運(yùn)動(dòng)控制等需要。

采用雷達(dá)傳感器發(fā)射雷達(dá)波來(lái)判斷前方出現(xiàn)的物體大小、距離和移動(dòng)速度，與輪椅制動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行配合，避免輪椅與前方物體相撞。

傾角傳感器用于測(cè)量行駛時(shí)輪椅的俯仰角度，與輪椅制動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行配合，當(dāng)輪椅的俯仰角度超出設(shè)定值，提前預(yù)警。

速度傳感器用來(lái)檢測(cè)輪椅速度，將采集到的信號(hào)反饋至Python開(kāi)發(fā)板處進(jìn)行處理。

3.2 自動(dòng)檢測(cè)與智能控制

由電磁剎車(chē)、Python開(kāi)發(fā)板、傳感器等部分組成，通過(guò)自動(dòng)檢測(cè)與智能控制，可自動(dòng)分析路況、輪椅速度，速度到達(dá)臨界值或者加速度超過(guò)限制值時(shí)，通過(guò)傳感器檢測(cè)并且反饋，基于Python開(kāi)發(fā)板開(kāi)發(fā)的控制模塊控制剎車(chē)，實(shí)現(xiàn)自主對(duì)輪椅實(shí)現(xiàn)減速，有效制動(dòng)，提高輪椅的安全性。

4 結(jié)束語(yǔ)

基于Python開(kāi)發(fā)的智能控制輪椅，結(jié)合當(dāng)前智能控制技術(shù)，打破傳統(tǒng)輪椅功能單一、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，將智能控制、座椅手動(dòng)剪叉式升降、腿部加熱、傳感器檢測(cè)、剎車(chē)緩沖裝置與輪椅結(jié)合，使輪椅功能多樣化，使用更加人性化，出行更加安全，使殘障人士及老人等行動(dòng)不便的群體生活更加平等和自由。

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Research and Design of Intelligent Control Wheelchair Based on Python

ZHONG Xiaoyou1，MAO Yufei1，DANG Xucong2，WANG Tingjun1，ZHAO Zhongyang1，ZHU Jingchen1

( 1.Shanghai Dianji University, Shanghai 201306, China; 2.Shanghai Satellite Equipment Research Institute, Shanghai 200240, China )

Ordinary electric wheelchair has a single function. This uses Python control and multiple sensors to realize intelligent control of electric wheelchair. The Python development board controls the drive motor and transmission mechanism to realize wheelchair walking and chair lifting. Tilt sensor, speed sensor, acceleration sensor, ultrasonic sensor real-time measure and monitor walking speed, acceleration, seat tilt Angle, obstacles, so that the system automatically judge and control wheelchair speed and brake. Especially downhill, when the speed exceeds the set limit, it will automatically brake and slow down to the appropriate speed. The multi-function wheelchair is equipped with solar energy auxiliary power supply, manual fork chair lifting, leg heating, voice hint, brake and other multi-function modules, which improves the comfort, safety and versatility of the wheelchair.

intelligent control wheelchair；Python；manual scissor type lift seat；angle sensor；speed sensor；comfort；security

TH69

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2020.03.014

1006－0316 (2020) 03－0077－04

2019－10－08

2019年上海市大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目

鐘小游（1998－），男，江西瑞金人，本科，主要研究方向?yàn)闄C(jī)械設(shè)計(jì)制造。