基于麥克納姆輪和LPC 芯片控制的智能輪椅

李哲林，張倩倩，王子涵，朱聰強(qiáng)，李春華

（合肥工業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)與信息學(xué)院，安徽宣城 242000）

0 引言

隨著老齡化問題的日益嚴(yán)重，養(yǎng)老逐漸成為影響國(guó)家經(jīng)濟(jì)、政治以及社會(huì)發(fā)展的重要問題。在這樣的大環(huán)境下，輪椅行業(yè)開始發(fā)揮出越來(lái)越重要的作用：當(dāng)老年人在家康復(fù)訓(xùn)練時(shí)，出門時(shí)，外出鍛煉活動(dòng)時(shí)，輪椅都是他們重要的移動(dòng)工具。對(duì)于癱瘓、中風(fēng)以及體弱的老年人，輪椅更是可以幫他們改善生活自理能力，使他們重獲希望從而早日回歸社會(huì)，它在塑造積極向上的態(tài)度方面具有非常積極的意義。在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)出一款集安全、舒適、便捷于一身的新型智能輪椅，其中與麥克納姆輪和云端監(jiān)測(cè)技術(shù)的結(jié)合是它最大的亮點(diǎn)。

1 電動(dòng)輪椅優(yōu)缺點(diǎn)

電動(dòng)輪椅問世以來(lái)，受到絕大多數(shù)消費(fèi)者的好評(píng)，但其中自然也不乏非。對(duì)此進(jìn)行過長(zhǎng)期市場(chǎng)調(diào)研，發(fā)現(xiàn)其受眾相對(duì)較廣，但電池大都以鉛酸蓄電池為主，雖然可以回收，但是容量太小，因而輪椅體積都較大，移動(dòng)性、轉(zhuǎn)向性都大打折扣。而最近幾年出現(xiàn)的鋰電池驅(qū)動(dòng)輪椅，相較而言價(jià)格又過高，在短期內(nèi)這個(gè)情況還很難改變。同時(shí)，現(xiàn)有的電動(dòng)輪椅既沒有與WiFi 通信相接軌，也沒有GPS 定位，更沒有引進(jìn)更便于移動(dòng)的麥克納姆輪。

綜上我們認(rèn)為，可以站在保障老年人群體與殘障人士切身利益的角度，用創(chuàng)新的眼光和思維，將麥克納姆輪與APP、WiFi通信等專業(yè)技術(shù)相匹配、結(jié)合，在已有輪椅構(gòu)架的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)出更安全、更便捷、更多功能、更適合消費(fèi)者的智能輪椅。

2 控制系統(tǒng)原理構(gòu)成

2.1 系統(tǒng)構(gòu)件的選擇

使用NXP 推出基于ARMRCortexR-M4 內(nèi)核、帶有高級(jí)外設(shè)的節(jié)能型MCU（LPC546xx MCU Family）設(shè)計(jì)輪椅功能。該器件DSP 功能在數(shù)據(jù)密集型應(yīng)用中支持復(fù)雜算法。能夠靈活地適應(yīng)各種設(shè)計(jì)要求變化。智能輪椅需要4 個(gè)麥克納姆輪，4 個(gè)電機(jī)，4個(gè)編碼器測(cè)速，LPC54606 可以完成此設(shè)計(jì)。

2.2 麥克納姆輪移動(dòng)原理概述

麥克納姆輪的特點(diǎn)是每個(gè)輪子都有自己獨(dú)立的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，在驅(qū)動(dòng)力和摩擦力共同作用下，車體可以實(shí)現(xiàn)向任意方向移動(dòng)。這種全方位移動(dòng)方式是基于一個(gè)有許多位于機(jī)輪周邊的輪軸的中心輪的原理上，通過機(jī)輪間力的轉(zhuǎn)化，同時(shí)依靠各自機(jī)輪的方向和速度，這些力的最終合成在任何要求的方向上產(chǎn)生一個(gè)合力矢量從而保證了這個(gè)平臺(tái)在最終的合力矢量的方向上能自由地移動(dòng)，而不改變機(jī)輪自身的方向。在它的輪緣上斜向分布著許多小滾子，故輪子可以橫向滑移。小滾子的母線很特殊，當(dāng)輪子繞著固定的輪心軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，各個(gè)小滾子的包絡(luò)線為圓柱面，所以該輪能夠連續(xù)地向前滾動(dòng)。麥克納姆輪結(jié)構(gòu)緊湊，運(yùn)動(dòng)靈活，是很成功的一種全方位輪。有4 個(gè)這種新型輪子進(jìn)行組合，可以更靈活方便的實(shí)現(xiàn)全方位移動(dòng)功能。

基于麥克納姆輪新型技術(shù)的全方位運(yùn)動(dòng)設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)前行、橫移、斜行、旋轉(zhuǎn)及其組合等多種運(yùn)動(dòng)方式。在此基礎(chǔ)上通過其研制的設(shè)備非常適合轉(zhuǎn)運(yùn)空間較有限、作業(yè)通道狹窄的室內(nèi)外環(huán)境。

2.3 系統(tǒng)原理組成

圖1 為項(xiàng)目所研究的實(shí)物智能輪椅，該實(shí)物僅搭建了主要的機(jī)械骨架以及控制電路和相關(guān)的傳感器。項(xiàng)目研究使用其實(shí)現(xiàn)了下面所述的相關(guān)功能，該實(shí)物僅為驗(yàn)證思路的載體。

智能輪椅控制系統(tǒng)主要由信息顯示部分、無(wú)線通信部分、傳感部分和執(zhí)行機(jī)構(gòu)部分四大部分組成。

圖1 智能輪椅實(shí)物

圖2 顯示了控制系統(tǒng)的方框圖，其中信息顯示部分的功能主要由觸摸顯示屏發(fā)揮作用，該觸摸顯示屏（以下簡(jiǎn)稱操作屏）通過數(shù)據(jù)總線與控制器LPC54606 連接，從而實(shí)現(xiàn)指令的輸入和相關(guān)信息的顯示，以達(dá)到人機(jī)交互的目的。

無(wú)線通信部分采用了廣州機(jī)智云公司的機(jī)智云平臺(tái)，使用ESP8266-12F WiFi 芯片作為通信載體，其工作原理是通過串行通信與控制器進(jìn)行通信，以獲取相應(yīng)的數(shù)據(jù)信息（如環(huán)境感知模塊里的GPS 定位坐標(biāo)數(shù)據(jù)等），該芯片再將獲取的數(shù)據(jù)通過連接路由器發(fā)送到機(jī)智云平臺(tái)的服務(wù)器里面，這樣監(jiān)管者移動(dòng)端就可以調(diào)用相應(yīng)的接口去獲取數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)存放到相應(yīng)設(shè)備標(biāo)識(shí)碼的數(shù)據(jù)庫(kù)中去。

圖2 控制系統(tǒng)原理方框

傳感部分主要是由一些采集模塊所組成，其中包含GPS 定位模塊、超聲波傳感器和攝像頭模塊等。該部分需要對(duì)使用者位置信息進(jìn)行采集，以及對(duì)使用者的視頻監(jiān)控，去確保使用者的安全。另外超聲波模塊和編碼器傳感器地使用以確保系統(tǒng)安全可靠的運(yùn)行，其中超聲波模塊對(duì)障礙進(jìn)行感知，編碼器對(duì)輪椅的車速進(jìn)行控制。

執(zhí)行機(jī)構(gòu)部分是實(shí)現(xiàn)輪椅運(yùn)動(dòng)的關(guān)鍵部件，其由4 路直流電機(jī)和麥克納姆輪構(gòu)成，通過操作屏或者操縱桿使用移動(dòng)端的控制，發(fā)送控制命令給控制器，繼而控制器再對(duì)直流電機(jī)進(jìn)行控制，這樣就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)麥克納姆輪的控制，已實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)，從而避開障礙，靈活移動(dòng)。

以上就是對(duì)系統(tǒng)原理組成的詳細(xì)闡述，總的來(lái)說(shuō)，該智能輪椅的系統(tǒng)原理構(gòu)成較為簡(jiǎn)潔，可能在實(shí)際使用過程中還需要不斷修正和校對(duì)，但在實(shí)驗(yàn)階段其已基本實(shí)現(xiàn)了上面所闡述的功能。

3 移動(dòng)端APP 開發(fā)

智能輪椅除了操作屏和操作桿可以控制輪椅以外，還配備了藍(lán)牙通信，可實(shí)現(xiàn)輪椅使用者使用手機(jī)通過藍(lán)牙連接輪椅進(jìn)行控制，以實(shí)現(xiàn)更多的功能。

圖3 使用者移動(dòng)端

圖4 監(jiān)管者移動(dòng)端

圖5 使用者移動(dòng)端APP 開發(fā)框架

所提到的移動(dòng)端包含使用者移動(dòng)端和監(jiān)管者移動(dòng)端兩部分，該移動(dòng)端的開發(fā)語(yǔ)言均采用C++計(jì)算機(jī)語(yǔ)言，調(diào)用Qt5 跨平臺(tái)開發(fā)庫(kù)接口，完成移動(dòng)端APP 的開發(fā)。在設(shè)計(jì)中，每一個(gè)輪椅都將會(huì)有獨(dú)一無(wú)二設(shè)備標(biāo)識(shí)碼，該設(shè)備標(biāo)識(shí)碼分別用于使用者移動(dòng)端的登錄和監(jiān)管者移動(dòng)端的登錄，另外該設(shè)備標(biāo)識(shí)碼也被用于在使用者沒用使用移動(dòng)端的時(shí)候，用于驗(yàn)證輪椅的用戶信息，以便可以通過操作屏，利用ESP8266 物聯(lián)網(wǎng)芯片將數(shù)據(jù)進(jìn)行上傳到相應(yīng)設(shè)備標(biāo)識(shí)碼的數(shù)據(jù)庫(kù)中，這樣監(jiān)管者移動(dòng)端也就可以訪問請(qǐng)求的數(shù)據(jù)。

圖3 顯示了所設(shè)計(jì)的使用者移動(dòng)端APP 界面，特別要說(shuō)明的是，這里的用戶名與設(shè)備標(biāo)識(shí)碼等同，界面首先會(huì)進(jìn)行身份驗(yàn)證，以確保信息安全以及對(duì)數(shù)據(jù)的上傳。進(jìn)入控制界面之后，采用虛擬方向輪作為控制輪椅的構(gòu)件，方向設(shè)定完畢以后，在運(yùn)行過程中也可以通過加減速按鈕，從而進(jìn)行對(duì)輪椅運(yùn)動(dòng)速度的控制。在設(shè)置界面，提供緊急呼叫、位置定位和與輪椅通信的藍(lán)牙連接設(shè)置等服務(wù)，但由于前期開發(fā)比較粗糙，在功能上還比較單一。

圖4 顯示了所設(shè)計(jì)的監(jiān)管者移動(dòng)端APP，和使用者移動(dòng)端類似，監(jiān)管端也采用設(shè)備標(biāo)識(shí)碼作為用戶名進(jìn)行登錄，以保證信息的對(duì)稱，監(jiān)管端APP 的功能目前主要用兩種功能：一方面是接收使用端所發(fā)出的警報(bào)，另一方面是接收使用端的位置信息。

圖5 和圖6 分別顯示了該系統(tǒng)使用端和監(jiān)管端APP 的開發(fā)框架。

在整個(gè)系統(tǒng)開發(fā)中，為每一個(gè)智能輪椅都建立了唯一設(shè)備標(biāo)識(shí)碼所對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)庫(kù)，用來(lái)存放其用戶信息、位置信息和狀態(tài)信息等，這樣就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)智能輪椅的云監(jiān)管和智能控制?？偠灾?，兩移動(dòng)端基本上已經(jīng)滿足了初步設(shè)計(jì)的需求。

4 創(chuàng)新點(diǎn)和應(yīng)用價(jià)值

采用麥克納姆輪，能夠解決傳統(tǒng)輪椅轉(zhuǎn)彎、掉頭極其不便利的問題，使坐在輪椅上的人可以同正常人一樣自由水平移動(dòng)，當(dāng)遇到直角轉(zhuǎn)彎的時(shí)候，可以直接水平移動(dòng)，免去繞直角轉(zhuǎn)動(dòng)。掉頭的時(shí)候也免去繞一大圈運(yùn)動(dòng)，可以直接原地掉頭，這樣一來(lái)便可以讓殘障人士享受身體健全者的待遇。

輪椅APP 中包含GPS 定位和緊急呼救等多方面功能，既方便監(jiān)護(hù)人對(duì)家屬的位置監(jiān)控，也便利于獨(dú)處時(shí)遇到危急時(shí)刻，使用者能夠自主求救。

使用人機(jī)交互操作屏、操作桿以及移動(dòng)端控制三種方式控制輪椅運(yùn)動(dòng)，使得系統(tǒng)操作更加靈活方便。

5 結(jié)束語(yǔ)

作為創(chuàng)新型實(shí)用訓(xùn)練項(xiàng)目，采用新一代麥克納姆輪作為驅(qū)動(dòng)輪，使得輪椅結(jié)構(gòu)變得更加緊湊。智能輪椅系統(tǒng)采用LPC54606 控制芯片、ESP8266WiFi 芯片和藍(lán)牙技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了軟硬件的交互，使得智能輪椅具有環(huán)境信息捕獲、對(duì)信息的處理、對(duì)數(shù)據(jù)的上傳和存儲(chǔ)等基本功能，另外還采用了人機(jī)交互操作屏、操作桿以及移動(dòng)端控制三種方式控制輪椅運(yùn)動(dòng)，使得系統(tǒng)操作更加靈活方便；另外輪椅與移動(dòng)客戶端相連實(shí)現(xiàn)了云監(jiān)測(cè)，采用監(jiān)管端APP 對(duì)輪椅的狀況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，從而有力地確保了輪椅使用者的安全。該智能輪椅的實(shí)際應(yīng)用將可為廣大殘障人士帶來(lái)更好的服務(wù)，系統(tǒng)經(jīng)過初步驗(yàn)證已達(dá)到了設(shè)計(jì)基本的目的。

圖6 監(jiān)管者移動(dòng)端APP 開發(fā)框架