基于foc的减震智能轮椅

 基于foc的减震智能轮椅

严雪,董佳兴,余胤翔

辽宁科技大学 辽宁省鞍山市 110325

摘要：伴随着人们物质生活的不断提高，在很多领域方面的生产制造有了更好的突破。在未来的市场发展中，多功能轮椅能够给残疾人和老年人带来更加良好的生活体验。轮椅的应用并不只是在残疾人中使用，中国作为一个人口老龄化严重的大国，人口老龄化的困境和趋势更加严重，在多功能智能轮椅方面上的需求消费在不断的上升，甚至已经将轮椅推进至中高端市场发展。多功能轮椅发展的过程中已经有了一定的进展，各种先进的技术投入到多功能轮椅和制作中，其主要目的都是提升轮椅在使用过程中的舒适程度和便捷程度，更好的给用户带来相应的体验。本文章将会介绍一种减震轮椅类型的设计，以及在工作原理和特性上的简介，给当前的市场带来一种多功能轮椅的创新思路。

关键词：多功能轮椅；foc；自适应调节

前言

全球智能轮椅方面上的研究起步较晚,世界上第一辆智能轮椅一直到20世纪末期才在英国诞生,经过研究人员通过几十年的研究发展,有了更多的国家和技术人员涌入到智能轮椅的设计制作领域中。我国直到近几年来才开始重视这方面的研究设计，以此来提升老年群体和残障人士的社会福利与关怀。除了相关的研究人员之外，国家也在这方面投入了一定的精力与金钱，国家科研部门与高校进行合作针对多功能智能轮椅展开了相应的研究，已经开启了我国在智能轮椅方面上的研发之路，降低成本、更加智能、提高体验舒适度、提供多功能服务等等，都是未来所需要达到的工作目标。

一、FOC工作原理概述

foc技术该智能轮椅在工作过程中所需要依靠的重要技术，可以通过电磁定向转换的方式来维持智能轮椅行进过程中的稳定与减震。其工作原理主要是依靠电机中的转子受到两个力的作用：由空间平行电流施加的拉力与空间垂直电流施加的压力，拉力会阻碍电机的运动。FOC的核心思路就是通过坐标转换的方式来直接控制空间平行电流和空间垂直电流，实现电磁的定向控制。

二、减震智能轮椅的特性

（一）安全性

对于老年人群体和残疾人群体来说，智能轮椅给他们带来的是日常生活的便捷，但是我们也应该重视智能轮椅在使用过程中的安全性。智能轮椅在使用的过程中是有一定的工作速度的，如果以较快的速度通过颠簸的区域就会有跌倒的风险。通过foc原理制作而成的减震能够很好的避免这种情况的发生，电磁减震装置能够有效的减少伦理颠簸的幅度，并且在伦理的多个位置都设计相应的环抱减震带，使用人群可以通过自己的调整与电磁减震装置进行相互配合，保证了轮椅在通过颠簸区域的安全性。

（二）自适应调节性

自适应调节性对于智能轮椅来说是十分重要的，也是智能轮椅在设计制作方面上的一大突破。传统的智能轮椅也拥有一定的减震作用，但是减震的程度和减震装置不能够通过自动调节提供更加舒适的体验。通过foc实现的电磁减震智能轮椅，能够针对地面的颠簸程度进行自适应调节。为了能够实现这一功能，在轮椅方面上配备了相应的传感器，能够检测地面凹凸不平的情况以及人体在通过某一区域时的颠簸程度，然后调节自身的电磁强度而控制轮椅的减震程度，确保轮椅能够在颠簸的路上也能够进行平稳行驶，降低能源消耗、节约成本的同时还能够达到最佳的减震效果。

（三）创新性

这个减震智能轮椅在创新性方面上主要有四个较大的突破：第一，本作品利用舵机与无刷电机的配合使用，利用foc控制，采用mpu6050作为传感器，区别于传统减震系统仅通过机械结构进行的简单减震，可以达到更为优秀的减震效果。第二，轮椅是特殊群体保持生活尊严、扩大生活范围、提升生活品质甚至重新就业的重要工具。升降功能是我们多功能轮椅的特点，不仅让用户能够平等地与健全人对话，还可满足他们不同场景生活、工作的需求。第三，作为家居环境中的智能设备，智能轮椅不仅作为代步工具为用户提供便利，还具备安全监测以及用户健康监护等功能为用户安全提供必要的保障。

三、设计方案

（一）机械设计结构

减震智能轮椅的机械结构主要包括舵机、轮椅架、车轮、刹车装置、坐背靠椅以及直流无刷机等等。与传统的弹簧减震方式不同，这样的机械设计结构能够使用得更为长久，自适应程度更强。减震智能轮椅的压力传感器也是重要的机械设计结构之一，压力传感器的设计位置要能够针对前方地面进行准确的检测，这样才能够给予控制系统快速的传出相应的信号，方便控制系统自动调节电磁的强度，进而达到最佳的减震效果和舒适程度。智能轮椅在电路结构方面上采用模块化设计，能够满足不同用户的实际需求，通过电路的结构调节来，更好的为电池进行供电，确保电流稳定才能够确保智能轮椅的减震功能能够正常使用，降低电路连线在使用过程中造成的错误概率，而且模块化设计可实现定制化配置，用户要求加装小桌板放置电脑办公，或者加装其他设备，都很方便。。

（二）软件控制

减震智能轮椅的主控系统采取树莓派4B 4代linux的开发板及stm32的交替使用，以达到模块化目的。视觉方面采用openmv来进行深度学习，以此来识别障碍物以及实现安全监测；通信方面通过树莓派用串口连接GPS+BD模块获取位置信息，使老年及残障等用户的家人在突发情况下对用户进行追踪定位；直流无刷电机及舵机控制中采用foc，foc主要是通过对电机电流的控制实现对电机转矩(电流)、速度、位置的控制。通常是电流作为最内环，速度是中间环，位置作为最外环。轮椅通过树莓派与stm32对数据进行综合处理，根据环境信息和用户需求以及mpu6050所获得的传感信息计算舵机的旋转角度与直流无刷电机的所需旋转速度，通过foc实现控制，配合蓝牙模块达到稳定减震和电动遥控的需求。而由openmv采集的外界环境信息会传回主控系统，再由主控系统对运动结构发送指令，达到识别红绿灯和避障等功能。。

四、结语

综上所述，基于foc原理进行设计的减震智能轮椅在工作效果方面上较为突出，能够保证轮椅在通过颠簸路段过程中仍然能够很好的进行平稳运行，而且电磁减震的方式在降低成本和工作稳定性方面上都能够得到良好的保障。伴随着其他技术的不断加速，减震智能轮椅的控制发展将会变得更加的方便快捷，甚至在控制减震程度方面上都能够得到良好的改善，实现轮椅工作方面上的功能多元化，更好的为老年群体和残疾人群提供良好的服务体验。

参考文献：

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指导老师：高闯

单位：辽宁科技大学

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