基于Python的智能控制輪椅的研究與設計

鐘小游，毛宇菲，黨旭聰，王廷軍，趙忠揚，朱凈塵

基于Python的智能控制輪椅的研究與設計

鐘小游1，毛宇菲1，黨旭聰2，王廷軍1，趙忠揚1，朱凈塵1

（1.上海電機學院，上海 201306；2.上海衛星裝備研究所，上海 200240）

針對普通電動輪椅功能單一的問題，利用Python控制及多傳感器實現了對電動輪椅的智能控制。Python開發板控制驅動電機、傳動機構，實現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、超聲波傳感器實時測量和監控行走速度、加速度、座椅傾斜角度、障礙物情況，從而使系統自動判斷和控制輪椅速度和剎車。特別是下坡時，當速度超過設定極限值，就自動進行剎車減速到適宜的速度。多功能輪椅具有太陽能輔助供電、手動剪叉式座椅升降、腿部加熱、語音提示、剎車等多功能模塊，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

中國健康養老產業發展報告（2016）指出，截至2015年底，我國60歲及以上老年人口占全國總人口的16.1%，預測2050年該比例將達到28%，2050年中國老年人口將達到4.8億。中國老年人口將向“城鎮多、女性多、失能多、學歷高、消費水平高、空巢多、丁克、康復醫療”等方向發展[1-2]。人口老齡化是當今世界很多國家共同面臨的社會問題，老齡化社會的城市交通特征變化主要體現在需求總量增加、出行結構和影響因素多樣化、區域差異顯著等方面[3]。隨著社會老齡化進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的增加，為老年人和殘疾人提供性能優越的代步工具已成為整個社會重點關注的問題之一[4]。輪椅是服務機器人的一種，它很好地解決了此類特殊人群的出行問題[5]，輪椅的發展趨勢主要包括便攜性、功能性、個性化、電動化和智能化[5-11]。

現有輪椅以手動和電動為主，基于人為操控，結構相對簡單，功能較少，不夠智能化、人性化，在自主操縱方面也有缺陷。Python語言具有高效、靈活和簡潔等特點[7]，設計一種基于Python板開發的智能控制輪椅，在現有輪椅基礎上，增加更加人性化的智能控制技術和手動剪叉式升降座椅，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計

基于Python開發板的新型智能輪椅，除了具有普通電動輪椅的功能外，增加了座椅升降模塊、智能坡面控速模塊、加熱模塊、太陽能供電模塊、障礙檢測模塊等，其工作原理如圖1所示。基于Python開發的各個模塊通過與傳感器的結合，使得輪椅對周圍環境的檢測和自身相關參數可以更好地反饋給使用者，用戶可以根據這些參數或者自身感覺做出判斷并將輪椅調整到最舒服的狀態，當用戶來不及做出反應時，系統在保證使用者安全舒適的條件下自動檢測與智能控制。

智能控制輪椅通過Python開發板，控制驅動電機、傳動機構實現輪椅的行走、座椅的升降。采用多種傳感器，實時測量和反饋行走速度、加速度、座椅的傾斜角度、周圍障礙物情況，并通過Python開發板實現對輪椅的運動智能控制。當速度到達臨界值時，自動減速；當加速度超過限制值時，輪椅可能處于下坡超速或者失速狀態，則控制系統自動剎車狀態。

圖1 智能控制輪椅工作原理圖

使用者可以用手機APP通過藍牙對輪椅進行無線控制，也可以通過輪椅上配備的操縱臺對輪椅進行控制，通過傳感器檢測，基于Python開發板開發的不同模塊將快速判斷并自動控制，使輪椅更加智能化和人性化。特別是通過傾角傳感器實時測量和監控座椅的傾斜角度、通過速度傳感器實時測量和監控輪椅的行駛速度，如下坡時，當出現速度過快，就可以自動進行剎車減速到適宜的速度。

2 智能控制輪椅結構設計

2.1 結構組成

如圖2所示，基于Python開發板的新型智能輪椅的主體結構由剪叉機構、動力源、升降平臺和底座構成。

2.2 座椅升降結構

為提高輪椅座椅在各種場合使用不同高度要求，采用手動剪叉式升降機構來升降座椅，其工作原理圖如圖3所示。

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

圖3 輪椅座椅高度調節原理圖

輪椅升降的動力源主要由手動泵和單作用液壓缸組成，通過手搖手動泵，油壓油經過換向閥、液壓鎖至液壓缸，從而使柱塞伸出推動菱架實現上升功能，當扳動換向閥至下降位，搖動手動泵，通過控制油路打開液壓鎖，壓力油回到油箱，座椅下降。

2.3 手動液壓剪叉式升降機構

手動液壓剪叉式升降機構如圖4所示，通過液壓的方式驅動，液壓缸的伸縮帶動剪叉臂的升降，進而帶動升降平臺的升降，實現座椅的升降。剪叉式液壓升降平臺結構簡單、易于升降，而且其舉重力度大，足以滿足設計需求。該設計不僅可以使用戶獲得更舒適的體驗，而且還可以適應取高處物體等的需要。

當升降座椅處于某一位置狀態時，可以通過三角形結構關系簡單地設計各部分的結構尺寸，如圖5所示。

圖4 液壓剪叉式升降機構的結構簡圖

圖5 液壓剪叉式升降機構的結構簡圖

根據機構的連接關系，可見：

液壓缸和水平面夾角為：

因此，液壓缸的伸縮長度為：

2.4 腿部加熱

兩個腿部加熱模塊分別安裝在左右兩個掛腳上面，其由太陽能板供電。加熱裝置開始加熱后，當溫度傳感器測得溫度到達50℃時，傳遞信號至智能Python板接收和處理，實現智能恒溫與溫度保護。

3 控制系統設計

Arduino是一款便捷靈活、方便上手的開源電子平臺，具有跨平臺、簡單清晰、開放性、發展迅速的優點。本產品采用基于Python語言開發的Arduino電路板作為控制系統：

（1）通過Arduino電路板與各傳感器進行實時通訊，獲取傳感器收集到的信息，實現多傳感器感知；

（2）通過Python編程，檢測到坡度時向電機發送信號，實現自主控速下坡；

（3）通過Arduino電路板，控制電機，實現減速，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

本輪椅有多個雷達傳感器、傾角傳感器、速度傳感器，實現對周圍障礙物、座椅傾斜角度、行駛速度的實時測量和監控，供輪椅運動控制等需要。

采用雷達傳感器發射雷達波來判斷前方出現的物體大小、距離和移動速度，與輪椅制動系統進行配合，避免輪椅與前方物體相撞。

傾角傳感器用于測量行駛時輪椅的俯仰角度，與輪椅制動系統進行配合，當輪椅的俯仰角度超出設定值，提前預警。

速度傳感器用來檢測輪椅速度，將采集到的信號反饋至Python開發板處進行處理。

3.2 自動檢測與智能控制

由電磁剎車、Python開發板、傳感器等部分組成，通過自動檢測與智能控制，可自動分析路況、輪椅速度，速度到達臨界值或者加速度超過限制值時，通過傳感器檢測并且反饋，基于Python開發板開發的控制模塊控制剎車，實現自主對輪椅實現減速，有效制動，提高輪椅的安全性。

4 結束語

基于Python開發的智能控制輪椅，結合當前智能控制技術，打破傳統輪椅功能單一、結構簡單的特點，將智能控制、座椅手動剪叉式升降、腿部加熱、傳感器檢測、剎車緩沖裝置與輪椅結合，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不便的群體生活更加平等和自由。

[1]吳玉韶，黨俊武，劉芳，等. 中國老齡產業發展報告（2014）[M]. 北京：社會科學文獻出版社，2014.

[2]中健聯盟產業研究中心. 中國健康養老產業發展報告（2016）[R]. 中國生態養老發展高峰論壇，2016.

[3]于曉萍，夏海山. 老年友好城市建設中城市交通設施改善的國際經驗借鑒[J]. 城市建筑，2018（4）：47-50.

[4]魯濤，原魁，朱海兵. 智能輪椅研究現狀及發展趨勢[J]. 機器人技術與應用，2008（3）：1-5.

[5]陳世超，林光春，黃亞太，等. 一種可折疊電動輪椅的設計[J]. 機械，2019（8）：62-70.

[6]上海互邦醫療器械有限公司. 輪椅發展的歷程和趨勢[J]. 中國殘疾人，2012（2）：68.

[7]黃建軍，李宥謀，劉婧，等. 基于Python語言的自動化測試系統的設計與實現[J]. 現代電子技術，2017（2）：39-43.

[8]王宏臣，盛定高，黃銀花. 新型多功能電動輪椅的研制[J]. 機械，2008（9）：72-74.

[9]任怡，張峻霞，薛強，等. 可站立式電動輪椅機構設計及運動學仿真[J]. 機械設計，2009（3）：43-45.

[10]陳建楓，周丹，董祖陽. 多功能助殘專用輪椅的設計與有限元分析[J]. 機械研究與應用，2018（6）：71-73.

[11]王淑坤，陳輝，黃玉德，等. 一種多功能智能輪椅結構設計與仿真分析[J]. 機械傳動，2019（1）：40-43.

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年上海市大學生創新創業訓練計劃項目

鐘小游（1998－），男，江西瑞金人，本科，主要研究方向為機械設計制造。