利用肩膀活动控制的轮椅控制传感器以及轮椅驾驭控制装置 【技术领域】
本发明涉及一种双手无法活动人士使用的轮椅控制传感器，特别涉及一种脊椎伤残人士利用肩膀活动来控制电动轮椅的轮椅控制传感器。另外，本发明还涉及一种利用轮椅控制传感器控制轮椅活动的装置。
技术背景
大多双手无法活动的脊椎伤残人士无法驾驭轮椅，而需要通过他人的帮助来使用轮椅。而且，很难获得具有控制装置的、适合脊椎伤残人士使用的轮椅装置。目前，市场上几乎没有适合双手无法活动的脊椎伤残人士使用的轮椅。
为了便于双手无法活动人士使用，出现了一种轮椅，该轮椅是利用安装在头部的接触式或非接触式开关来进行控制的。另外，由于双手无法活动人士的头部活动范围有限，还出现了另外一种在下颚附近安装有操纵杆的轮椅，其由下颚控制所述操纵杆。
例如，美国专利第4,093,037号，名称为“电池动力轮椅的头部开动控制装置”，揭示了一种通过双手无法活动人士头部动作来控制轮椅的技术。一操纵杆安装在头部，并通过头部动作来控制所述操纵杆；此外，一开关安装在头部，在需要的时候可以启动或停止所述轮椅。
美国专利第4,260,035号，名称为“电动轮椅的下颚控制器系统”，揭示了一种双手无法活动人士利用下颚控制操纵杆来控制轮椅的技术。该专利在双手无法活动人士的脖子后方设有一角度传感器，该角度传感器通过长杆连接在双手无法活动人士的下颚上。当双手无法活动人士活动下颚时，所述长杆的角度根据下颚的活动程度而偏转，从而根据角度的变量控制轮椅。例如，双手无法活动人士的下颚在垂直方向活动，则控制轮椅向前和向后活动。相对应的，双手无法活动人士的下颚在水平方向活动，则控制轮椅横向活动。
虽然利用上述专利技术的轮椅已经投放到市场上，但大多双手无法活动人士必须戴上普通人不需用的特殊装置，从而感觉到不舒适。双手无法活动人士希望使用具有隐蔽的控制装置的轮椅。而且，现有技术中双手无法活动人士需要活动其下颚或头部来控制操纵杆的控制方法十分不便。
【发明内容】
因此，本发明所要解决的技术问题在于，提供一种佩戴在双手无法活动的脊椎伤残人士的上半身的轮椅控制传感器，通过检测肩膀的活动方向和活动量来控制电动轮椅，从而，可以避免控制传感器外露并可方便地控制电动轮椅。
本发明的另一个所要解决的技术问题在于，提供一种控制电动轮椅活动的装置，其可以利用轮椅控制传感器方便地控制轮椅。
为了实现上述目的，本发明解决其技术问题所采用的技术方案是，提供一种利用肩膀活动控制的轮椅控制传感器以及轮椅驾驭控制装置，包括：两壳体，每一壳体包括具有斜面的内腔；两附于所述壳体斜面或与所述斜面相对面上的压敏电阻(Force SensitiveResistor，FSR)传感器；在外力驱使下于所述壳体内腔移动以挤压所述FRS传感器的挤压球；两通过使用者肩膀活动为所述挤压球提供外力的肩带；以及一佩戴在使用者上半身的腰带，所述两壳体间隔的设于所述腰带。
另外，本发明的轮椅驱动控制装置的特点在于，可以接收脊椎伤残人士通过肩膀活动控制电动轮椅的轮椅控制传感器送出的检测信号，以及控制电动轮椅轮子的活动。
利用本发明，可通过检测肩膀的活动方向和活动量来控制电动轮椅，从而使得脊椎伤残人士无需暴露控制装置的情况下可以方便的控制电动轮椅。
【附图说明】
以下将结合附图进一步说明本发明上述以及其他的特性、外形以及优点，其中：
图1是本发明的利用肩膀活动控制的轮椅控制传感器以及轮椅驾驭控制装置的用于感应肩膀移动的控制传感器与脊椎伤残人士间空间关系，及控制装置安装于电动轮椅的示意图；
图2a及图2b分别是本发明利用肩膀活动控制的轮椅控制传感器以及轮椅驾驭控制装置的分解及组装示意图；
图3是本发明图2b所示可显示轮椅控制传感器内部结构的透视图；
图4是图3A-A剖面的剖视图，用于表示图2b所示轮椅控制传感器的工作原理；
图5是在使用控制装置时检测本发明轮椅控制传感器阻力系数的电路原理图；
图6是使用本发明轮椅控制传感器控制电动轮椅方向的示意图；
图7a、7b、7c是使用本发明将轮椅控制传感器检测到的肩膀的活动转换为轮椅的活动的函数关系，以及操纵杆的转换关系曲线对照图；
图8是使用本发明轮椅控制传感器的轮椅驱动控制装置的电路图。
【具体实施方式】
在所述不同的附图中所提及的相同的标号指的是相同或相类似的元件。
下面结合附图对本发明的具体实施例中的利用肩膀活动的轮椅控制传感器以及利用所述轮椅控制传感器来驾驭的轮椅进行具体描述。
图1是本发明的利用肩膀活动控制的轮椅控制传感器以及轮椅驾驭控制装置用于感应肩膀移动的控制传感器与脊椎伤残人士间空间关系，及控制装置安装于电动轮椅的示意图。
如图1所示，轮椅控制传感器10戴在双手无法活动的伤残人士的上衣上，并检测该伤残人士的一只或两只肩膀的活动。控制装置30装设在电动轮椅20上，以有线方式接收轮椅控制传感器10送出的检测信号，并控制电动轮椅20的两个轮子。图1中的电动轮椅20的方向是根据控制装置30接收到的轮椅控制传感器10发送的检测信号进行控制的。
如图3所示，是本发明图2b所示可显示轮椅控制传感器内部结构的透视图。图4是图3A-A剖面的剖视图，用于表示图2b所示轮椅控制传感器的工作原理。
如图2a和图2b所示，轮椅控制传感器10包括两壳体11，每一壳体具有由斜面11a间隔而成的内腔11b；两附于所述壳体11的斜面11a或与所述斜面11a相对表面上压敏电阻(Force SensitiveResistor，FSR)传感器12；连接在肩带13上的挤压球14，所述挤压球14可在外力的带动下于所述壳体11的内腔11b内上下移动以挤压FSR传感器12；以及一腰带15戴在上衣上，并且所述两壳体11以预定间隔装设在腰带上，使得当所述肩带13带动所述挤压球14上下运动时，可以挤压FSR传感器12。
每一壳体11为立方体或六面体，具有内腔11b，所述内腔11b设有一个具有统一宽度和递减倾斜的斜面11a。所述的斜面11a内腔11b内向顶部递减倾斜。因此，内腔11b的上部较下部窄。所述内腔11b的尺寸使得挤压球14在内腔11b的底部进入内腔11b后，不能从内腔11b的顶部脱出。
所述FSR传感器12可以设在所述壳体11的斜面11a或与所述斜面11a相对表面上。一连接线与所述FSR传感器12的一端连接，并伸出所述壳体11，使得信号能够从FSR传感器12输出，并输入到所述的控制装置30。所述FSR传感器12为一薄片状压力传感器，并且具有当施加的外力增加，而阻力系数减小的特性。例如，若施加的压力为F，阻力系数R大概为“aF
b”。其中，系数“a”、“b”是固定不变的，仅与FSR传感器12的特性及所受外力的面积有关。
所述的挤压球14为一具有确定尺寸和重量的球体。在所述挤压球14的中轴线上开设有一贯通的通孔14a，一电线16穿设在所述通孔14a中。所述电线16的一端连接有直径大于所述通孔直径的塞子17，其另一端则与肩带13连接。因此，挤压球14的移动取决于肩带13的活动。
另外，所述腰带15不仅与相互间隔一定距离的(通常，小于成年人的肩宽)的两壳体11连接，还将所述壳体11佩戴在上衣上。即所述腰带15不但使得两壳体11分开设置，使得两肩带可以分别安置在使用者的肩膀上，还可以使得两壳体11可以安装在上衣时，即使肩膀活动两壳体也不会移动。相应的，所述的腰带15还可以以多种形式不移动地固定所述的壳体11在上衣上。
每一肩带13的一端固定在一支撑部分上，其另一端连接所述的挤压球14，所述挤压球14在所述的斜面11a上运动时，挤压所述的FSR传感器12。例如，每一肩带13设有可以将其一端固定在上衣上的夹子，或者直接安装至所述的腰带15上，如图2a和图2b所示。如上所述，所述腰带13可以固定在不同的位置，使得所述的挤压球14可以根据肩膀的活动在所述壳体11的斜面11a上运动，挤压所述的FSR传感器12。
下面描述使用本发明上述的轮椅控制传感器控制电动轮椅的工作原理。
图4是图3中的A-A剖面线的剖视图，用以说明图2b所示的传感器的工作原理。图5是使用控制装置检测本发明轮椅控制传感器阻力系数的电路原理图。
如图4所示，当戴有轮椅控制传感器10的双手无法活动的伤残人士抬起一只或两只肩膀时，设在动作的肩膀上的肩带13随之活动，因此，一个或两个挤压球14在所述的壳体11的内腔11b内运动时，挤压对应的FSR传感器12。由肩带13施加的拉力F
1所产生的反作用力F
2和F
3分别作用在所述的FSR传感器12和斜面11a上。通过所述挤压球14施加在所述FSR传感器12上的压力的大小取决于肩膀提升的范围。由于所述的FSR传感器12为可变电阻传感器，其阻力系数与所述肩带13施加的拉力F
1的大小成比例减少。
本发明的轮椅控制传感器10的FSR传感器12分别设置在所述的两壳体11内，FSR传感器12的阻力系数的变化取决于施加在所述FSR传感器12上的拉力大小(即肩膀提升的范围)，因而，利用所述的阻力系数可以控制电动轮椅的运动方向。
所述FSR传感器12的阻力系数通过分压器传输到控制装置30。如图5所示，FSR传感器12一端经由一固定电阻接地，另一端接5V电压。在本实施例中，当较小的压力施加在所述的FSR传感器12上时，FSR传感器12的电阻系数变大，从而较低的电压被传输到模拟数字(Analog Digital，AD)转换器中。相反，当强的压力施加在所述的FSR传感器12上时，FSR传感器12的电阻系数变小，从而较高的电压被传输到模拟数字转换器中。所述控制装置通过接收到的信号对电动轮椅的方向进行控制。
下面具体描述利用本发明轮椅控制传感器控制电动轮椅的方向。
图6是使用本发明轮椅控制传感器控制电动轮椅方向的示意图。如图6所示，所述轮椅根据戴有本发明轮椅控制传感器10的双手无法活动人士的动作进行运作，详细描述如下。当使用者抬起右边肩膀时，轮椅向左转(如D)；当使用者抬起左边肩膀时，轮椅向右转(如C)；当使用者同时抬起两个肩膀时，轮椅向前(如B)；当使用者放低两肩膀时，轮椅停止或保持停止(如A)。这种运作原理基于汽车驾驶员转动车辆的方向盘的现象，当需要左转时，驾驶员抬起右肩，当需要右转时，驾驶员抬起左肩。
此外，当使用者的肩膀快速的连续抬起两下，则本发明的轮椅向后运动。而且本发明可以同时完成转向以及前进的动作。例如，当左肩完全抬起、右肩抬起一半，轮椅则在转右的同时向前移动。
图7 a、7b、7c是使用本发明将轮椅控制传感器检测到的肩膀的活动转换为轮椅的活动的函数关系，以及操纵杆的转换关系曲线对照图。图7a是本发明轮椅控制传感器检测到的肩膀移动量与轮椅移动量的转换函数关系曲线，其中，X轴为左肩抬起的高度，Y轴为右肩抬起的高度。图7b是本发明轮椅控制传感器检测到的肩膀移动量表现为电动轮椅移动量的关系曲线，其中，X轴为电动轮椅左轮的移动速度，Y轴为电动轮椅右轮的移动速度。图7c是根据操作现有操纵杆操纵的轮椅的活动曲线图。
如图7a和图7b所示的直线①，当两肩膀同时抬起时，轮椅向前移动。肩膀抬起越高，轮椅移动越快。
如图7c中所示曲线中，假设在Y轴方向推动操纵杆(即直线①’)，轮椅向前移动，轮椅向前移动的速度由操纵杆被推动的程度决定。
图7a和图7b中所示的直线②为右肩保持不动，抬起左肩的曲线。此时，电动轮椅向右转。为了向右转，轮椅的左轮必须向前滚动，而右轮必须向后滚动，因此，X轴变量增大、Y轴变量减少形成一曲线。
如图7c所示的曲线，假设向X轴正向推动操纵杆(即直线②’)，轮椅向右转，轮椅向右转动的速度由操纵杆被推动的程度决定。
如上所述，本发明使用了操纵杆的运作原理。操纵杆的水平移动控制电动轮椅的角速度，而操纵杆的垂直移动控制电动轮椅的向前的速度，因此可以得到下面的方程1和方程2。
Jx＝Sleft-Sright(1)
Jy＝Sleft*Sright(2)
在上述方程1和方程2中，Jx为操纵杆的水平坐标，Jy为操纵杆的纵坐标，Sleft为左肩抬起的程度，Sright为右肩抬起的程度。上述参数的范围在0至1之间。鉴于在本发明中，肩膀的移动量的测量范围在0至1之间，使轮椅向后移动的信号无法产生。因此，当电动轮椅需要向后移动时，一种方法是改变模式，利用肩膀快速的连续抬起两次来产生使轮椅向后移动的信号。
利用上述说明的轮椅控制传感器的控制驾驭电动轮椅的装置在下面进行详细描述。
图8是使用本发明轮椅控制传感器的轮椅驱动控制装置的电路图。如图8所示，除了本发明的检测信号输入是来自轮椅控制传感器10代替现有的利用操作操纵杆输入信号外，本发明的轮椅驱动控制装置30与现有的轮椅驱动控制装置相同。在本发明轮椅驱动控制装置30中，用于控制电动轮椅的输入信号是基于挤压挤压球12的方向和程度产生的。
轮椅驱动控制装置30包括通过分压器输入轮椅控制传感器10的FSR传感器12的阻力系数的FSR信号输入装置31，利用预定义的运算法则分析从信号输入装置31输入的FSR信号、并产生适当的轮椅驱动控制信号的微控制器32，将微控制器32产生的轮椅控制信号转换成适合电动轮椅控制规范的信号的轮椅接口装置33。本发明的轮椅驱动控制装置30还包括具有液晶显示面板并可使使用者能够确认传送到电动轮椅的信号的信号显示装置34，为控制计算机提供设置微控制器32功能的控制计算机接口装置35。本发明的轮椅驱动控制装置30还可以包括根据轮椅驱动信号驱动电动轮椅的轮子转动的轮子驱动装置36，提供电源的供电装置37，以及可以在紧急状态使轮椅停下的紧急停止开关装置38。
以上描述的本发明的轮椅驱动控制装置30利用轮椅控制传感器10输出的信号对电动轮椅进行控制，而上述其他的元器件则与现有的轮椅驱动控制装置相同。
如上所述，根据本发明，将一轮椅控制传感器戴在双手无法活动的脊椎伤残人士的上衣，通过检测肩膀的活动方向和活动量来控制电动轮椅，从而使得脊椎伤残人士无需暴露控制装置的情况下可以方便的控制电动轮椅。
通过揭露本发明的优选实施方式示例性地描述了本发明的意图。通过以上描述，本领域的技术人员可轻易在不脱离如权利要求所述的发明范围和精神内对上述实施例进行修改、增加和替换。