[发明专利]一种轮椅姿态调整系统

权利要求书

1.一种轮椅姿态调整系统，包括处理器，传感器电路、电机驱动及反馈电路，其特征在于：电机驱动器及其反馈电路的数量为5个，所述5个电机驱动及反馈电路分别为5个电动推杆供电；电动推杆的设置位置如下：①靠背处设置一个，标记为B1，用于调节靠背的倾斜角度；②座位下设置两个，用于控制上升和倾斜，标记分别为S1和S2；③腿托下设置两个，标记分别为L1和L2，L1抬腿，L2伸缩；

所述电机驱动及反馈电路包括高速光耦隔离单元、电机驱动单元和低速光耦隔离单元，其中：高速光耦隔离单元包括U2芯片及其外围电路元件，U2芯片是HCPL2631芯片，U2芯片管脚1连接处理器输出PWM1的端口，管脚2连接保护电阻R26；管脚4连接处理器输出PWM2的端口，管脚3连接保护电阻R30；管脚5接地同时通过滤波电容C22和+5V电压源连接；管脚7输出PWM1的光耦隔离后的信号，同时通过上拉电阻R19与+5V电压源连接，管脚6输出PWM2的光耦隔离后的信号同时通过上拉电阻R20与+5V电压源连接；管脚8是芯片的电源端，连接+5V电压源；

电机驱动单元包括U6、U7芯片及其外围电路元件，U6、U7芯片是电机驱动芯片IR2104S，U6芯片VCC端管脚1接12V电压；IN端管脚2是输入端；COM端管脚4接地，12V电压和地之间接滤波电容C14；LO端管脚5是低侧栅极驱动输出，HO端管脚7连接22欧的电阻R2的一端，R2的另一端连接MOS管Q4的基极，Q4的集电极连接24V电压源，Q4的发射极与P3的管脚2和Q7的集电极连接；Q4的发射极和集电极之间由二极管D7连接，Q7的基极通过22欧电阻R7与U6的管脚5连接，Q7的发射极和集电极之间由二极管D10连接；U6芯片VS端管脚6是高端浮置电源偏移电压端，连接P3的2端，P3的1端和2端连接电动推杆的两根动力线，P3是电动推杆的驱动电源端，VS端还与自举电容C7的一端连接，C7的另一端与VB端管脚8连接，VB端管脚8连接二极管D3的负极，D3为1N4007，D3的正极连接12V电压，负极接VB端；

U6芯片VB端管脚7是高侧浮动绝对电压端，VB端和12V电压之间连接D3二极管1N4007，D3正极接12V，负极接VB；VB和VS之间连接自举电容C7；Q7的集电极和发射极之间由二极管D10连接，D10为1N4007，D10的正极连接Q7的发射极，负极连接Q7的集电极；

U7芯片VCC端管脚1是逻辑电源电压端，接12V电压；IN端管脚2是输入端；COM端管脚4接地；12V电压和地之间接滤波电容C12，LO端管脚5是低侧栅极驱动输出，HO端管脚7是高侧栅极驱动输出，连接22欧的电阻R4的一端，R4的另一端连接MOS管Q2的基极，Q2的集电极连接24V电压源，Q2的发射极与P3的管脚2和Q8的集电极连接；Q2的发射极和集电极之间由二极管D8连接，Q8的基极通过22欧电阻R8与U7的管脚5连接，Q8的发射极和集电极之间由二极管D11连接；VS端管脚6连接P3的1端，P3是电动推杆的驱动电源端，VS端还与自举电容C8的一端连接，C7的另一端与VB端管脚8连接；VB端管脚8连接二极管D4的负极；Q8的集电极和发射极之间由二极管D11连接；

电阻R22是电流采样电阻，一端接地，另一端接桥式整流电路的电流采样点；R22的电流采样点端还连接电阻R13的第一端，R13另一端连接电阻R14的第一端和电容C27的第一端；R22的接地端还连接电阻R27的第一端，R27另一端接电容C27的另一端和电阻R28的第一端，R28另一端接UP2的管脚4，UP2管脚3连接R14的另一端，还连接电阻R301的第一端，R301的另一端接+1.65V比较电压端；UP2管脚4连接反馈电阻R32的第一端，R32第一端连接R28和UP2管脚4，另一端接UP2管脚1，UP2管脚1输出电流采样值给处理器；UP2管脚1还连接电阻R16的第一端，R16的另一端连接电容C28的第一端和元件BAS70-04的管脚3；元件BAS70-04的管脚1接地，管脚2接+3.3V电压源；

低速光耦隔离单元包括U9芯片、元件UP4和元件UP2，其中U9芯片是低速光耦隔离芯片PC817，元件UP4是电压比较器MCP6022，元件U2是电压比较器MCP6022；

所述处理器判断上下坡，座椅系统倾斜，适应路况变化的具体方式如下：轮椅的传感器模块测定轮椅在X、Y、Z三个方向有角度变化，则判断助行器有倾倒危险，传感器模块包括陀螺仪、信号采集单元；所述信号采集单元通过陀螺仪将角度转化为模拟电压信号并输出，所述处理器获取所述信号采集单元X、Y和Z三个方向输出的模拟电压信号，并将所述模拟电压信号转换为表征加速度的数字信号Ax、Ay和Az，判断是否向前倾斜和向后倾斜需要X、Z两个方向的输出的信号，

根据如下公式并计算前后X方向上的倾角，X方向的倾角即为陀螺仪X轴与水平面X轴倾角α：

设α＝arctan^-1(Ax/Az)，

判断是否向前倾斜和向后倾斜，Ax＞0时，α＞0，向前倾斜；Ax＜0时，α＜0向后倾斜；倾角的第一阈值不大于8°、第二阈值不大于12°、第三阈值不大于20°；

(1)当α绝对值小于等于8°时的座椅倾斜：

推杆S1和S2伸长或收缩，推动座位的倾斜，推杆S1靠近前端，S2靠近后端，推杆S1伸长即向后倾斜，推杆S2伸长即向前倾斜；

设定时器5为电动推杆S1的腿托调整姿态提供PWM频率，定时器6为电动推杆S2的腿托调整姿态提供PWM频率，设此时电动推杆S1的PWM控制频率为：3500Hz，电动推杆S2的PWM控制频率为：3500Hz；

电动推杆S1位置反馈信息的起点和终点为：0和120×sin8°mm；120×sin8°mm为电动推杆S1倾斜8°的位置反馈信息，电动推杆S2位置反馈信息的起点和终点为：0和120×sin8°mm；120×sin8°mm为电动推杆S2倾斜8°的位置反馈信息，即电动推杆S1伸缩范围从0到120×sin8°mm，电动推杆S2伸缩范围从0到120×sin8°mm；

设定向后倾斜时，电动推杆S1伸长参数为S1正转；从向后倾斜回位时，电动推杆S1收缩参数为S1反转；

设定向前倾斜时，电动推杆S2伸长参数为S2正转；从向前倾斜回位时，电动推杆S2收缩参数为S2反转；

在轮椅靠背姿态为坐直、腿托放下的情况下，电动推杆S1、S2为初始状态，即电动推杆收缩至最短，此时位置反馈信息为：电动推杆S1为0，电动推杆S2为0；

当α＞0°时，座椅向前倾斜，先判断座椅是否为倾斜状态，即判断S1位置反馈信息是否等于0，判断S2位置反馈信息是否等于0，如果S1位置反馈信息大于0，或者如果S2位置反馈信息大于0，判断座椅处于倾斜状态，首先要将座椅回到原位，电动推杆S2的PWM频率为：3500Hz，电动推杆状态为S2正转，即S2伸长，当座椅向前倾斜到达向前倾斜8度角位置，即S2达到120×sin8°mm时，电动推杆S2停止；

当α＜0°时，座椅向后倾斜，先判断座椅是否为倾斜状态，即判断S1位置反馈信息是否等于0，判断S2位置反馈信息是否等于0，如果S1位置反馈信息大于0，或者如果S2位置反馈信息大于0，判断座椅处于倾斜状态，首先要将座椅回到原位，电动推杆S1的PWM频率3500Hz，电动推杆状态为S1反转，即S1回缩，如果S2位置反馈信息等于0，判断座椅在原位，电动推杆S1的PWM频率为3500Hz，电动推杆状态为S1正转，即S1伸长；当座椅向后倾斜到达向后倾斜8度角位置，即S1到达120×sin8°mm时，电动推杆S1停止；

(2)当8°＜α绝对值＜12°时的座椅倾斜：

推杆S1和S2伸长或收缩，推动座位的倾斜，推杆S1靠近前端，S2靠近后端，推杆S1伸长即向后倾斜，推杆S2伸长即向前倾斜；

设定时器5为电动推杆S1的腿托调整姿态提供PWM频率，定时器6为电动推杆S2的腿托调整姿态提供PWM频率；

设此时电动推杆S1的PWM控制频率为：3500Hz，电动推杆S2的PWM控制频率为：3500Hz；

电动推杆S1位置反馈信息的起点和终点为：0和120×sin12°；120×sin12°为电动推杆S1倾斜12°的位置反馈信息，电动推杆S2位置反馈信息的起点和终点为：0和120×sin12°；S2_QS_F2_12为电动推杆S2倾斜12°的位置反馈信息；即电动推杆S1伸缩范围从0到120×sin12°，电动推杆S2伸缩范围从0到120×sin12°；

设定向后倾斜时，电动推杆S1伸长参数为S1正转；从向后倾斜回位时，电动推杆S1收缩参数为S1反转；

设定向前倾斜时，电动推杆S2伸长参数为S2正转；从向前倾斜回位时，电动推杆S2收缩参数为S2反转；

在轮椅靠背姿态为坐直、腿托放下的情况下，电动推杆S1、S2为初始状态，即电动推杆收缩至最短，此时位置反馈信息为：电动推杆S1为0，电动推杆S2为0；

当α＞0°时，座椅向前倾斜，先判断座椅是否为倾斜状态，即判断S1位置反馈信息是否等于0，判断S2位置反馈信息是否等于0，如果S1位置反馈信息大于0，或者如果S2位置反馈信息大于0，判断座椅处于倾斜状态，首先要将座椅回到原位，电动推杆S2的PWM频率3500Hz，电动推杆状态为S2正转，即S2伸长，当座椅向前倾斜到达向前倾斜12度角位置，即S2达到120×sin12°时，电动推杆S2停止；

当α＜0°时，座椅向后倾斜，先判断座椅是否为倾斜状态，即判断S1位置反馈信息是否等于0，判断S2位置反馈信息是否等于0，如果S1位置反馈信息大于0，或者如果S2位置反馈信息大于0，判断座椅处于倾斜状态，首先要将座椅回到原位，电动推杆S1的PWM频率3500Hz，电动推杆状态为S1反转，即S1回缩，如果S2位置反馈信息等于0，判断座椅在原位，电动推杆S1的PWM频率3500Hz，电动推杆状态为S1正转，即S1伸长；当座椅向后倾斜到达向后倾斜12度角位置，即S1到达120×sin12°时，电动推杆S1停止；

(3)当12°＜α绝对值＜20°时的座椅倾斜：

推杆S1和S2伸长或收缩，推动座位的倾斜，推杆S1靠近前端，S2靠近后端，推杆S1_；伸长即向后倾斜，推杆S2伸长即向前倾斜；

设定时器5为电动推杆S1的腿托调整姿态提供PWM频率，定时器6为电动推杆S2的腿托调整姿态提供PWM频率；设此时电动推杆S1的PWM控制频率为：3500Hz，电动推杆S2的PWM控制频率为：3500Hz；

电动推杆S1位置反馈信息的起点和终点为：0和120×sin20°；120×sin20°为电动推杆S1倾斜20°的位置反馈信息，电动推杆S2位置反馈信息的起点和终点为：0和120×sin20°；120×sin20°为电动推杆S2倾斜20°的位置反馈信息；

即电动推杆S1伸缩范围从0到120×sin20°，电动推杆S2伸缩范围从0到120×sin20°；

设定向后倾斜时，电动推杆S1伸长参数为S1正转；从向后倾斜回位时，电动推杆S1收缩参数为S1反转；

设定向前倾斜时，电动推杆S2伸长参数为S2正转；从向前倾斜回位时，电动推杆S2收缩参数为S2反转；

在轮椅靠背姿态为坐直、腿托放下的情况下，电动推杆S1、S2为初始状态，即电动推杆收缩至最短，此时位置反馈信息为：电动推杆S1为0，电动推杆S2为0；

当α＞0时，座椅向前倾斜，先判断座椅是否为倾斜状态，即判断S1位置反馈信息是否等于0，判断S2位置反馈信息是否等于0，如果S1位置反馈信息大于0，或者如果S2位置反馈信息大于0，判断座椅处于倾斜状态，首先要将座椅回到原位，电动推杆S2的PWM频率3500Hz，电动推杆状态为S2正转，即S2伸长，当座椅向前倾斜到达向前倾斜20度角位置，即S2达到120×sin20°时，电动推杆S2停止；

当α＜0时，座椅向后倾斜，先判断座椅是否为倾斜状态，即判断S1位置反馈信息是否等于0，判断S2位置反馈信息是否等于0，如果S1位置反馈信息大于0，或者如果S2位置反馈信息大于0，判断座椅处于倾斜状态，首先要将座椅回到原位，电动推杆S1的PWM频率3500Hz，电动推杆状态为S1反转，即S1回缩，如果S2位置反馈信息等于0，判断座椅在原位，电动推杆S1的PWM频率3500Hz，电动推杆状态为S1正转，即S1伸长；当座椅向后倾斜到达向后倾斜20度角位置，即S1到达120×sin20°时，电动推杆S1停止；

(4)当α绝对值≥20°时，轮椅禁止，座椅禁止倾斜：

(5)当轮椅驶离坡道，轮椅座位复原，电动推杆S1、S2回到初始状态，此时位置反馈信息为：电动推杆S1为0，电动推杆S2为0。