CN102715988A

CN102715988A - 人机交互智能轮椅

Info

Publication number: CN102715988A
Application number: CN2012102215013A
Authority: CN
Inventors: 毛振刚
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2012-06-30
Filing date: 2012-06-30
Publication date: 2012-10-10

Abstract

本发明公开了一种人机交互智能轮椅，包括车体、两个驱动后轮、两个随动前轮、蓄电池、两个驱动电机、人机交互设备、操作杆和电机驱动器，车体包括桌面和两个脚踏板；其特征在于：桌面内安装有嵌入式控制系统，其控制器为16位SPCE016A单片机，车体侧部布有超声波自主导航机构，车体上布有语音控制机构和视觉自主导航机构，超声波自主导航机构、语音控制机构和视觉自主导航机构分别与嵌入式控制系统电信连接，嵌入式控制系统还与操作杆及电机驱动器电信连接，蓄电池为驱动电机供电。本发明采用基于嵌入式控制系统的控制器为16位SPCE016A单片机的人机交互智能轮椅较好的解决了采用基于通用计算机控制器所存在的成本高、功耗大以及续航能力差等问题。

Description

人机交互智能轮椅

技术领域

本发明属于电动轮椅领域，特别是一种人机交互智能轮椅。

背景技术

根据联合国预测，1990-2020年世界老龄人口平均年增速度为2.5%，同期我国老龄人口的递增速度为3.3%，老龄化速度快于世界老龄化速度。与其他国家相比，中国社会人口老龄化程度高，已逐步进入老龄化社会，许多大城市，如上海、北京，老年人的比例已接近20%，与此同时还有肢体残疾的人口近6000万。在他们当中，有相当多的因行走不便不得不依靠轮椅才能生活。但对于许多老年人来说，使用普通的轮椅不是十分方便，生活质量受到明显的影响。在欧美经济发达国家，老年人、残疾人专用的手动轮椅和普通电动轮椅已出现被逐步淘汰的趋势，取而代之的是性能优越、操作简便和行驶更加安全可靠的智能电动轮椅。随着我国经济的迅猛发展和人民生活水平的不断提高，预计在不久的将来，我国对高档电动轮椅也将有十分旺盛的需求。

随着我国社会文明的发展进步，保障和提高老年人以及残障人士等弱势群体的生活质量，已经越来越受到社会各界人士的普遍关注。大量研究表明，有效增强老年人以及残障人士的行动能力，不仅使得他们的日常生活变得方便，而且对他们的心理健康、自我评价、精神状态也有着深远的影响。因此，一种能为老年人提供方便的代步轮椅应运而生，并得到了广泛的推广应用。较早的轮椅是手动的，由人转动一个手轮前进，这需要消耗体力，不适合那些体力太弱以及残障人士使用。随后又发明了电动轮椅，这种电动轮椅一般包括车体、前后轮、驱动电机、操作杆和电机驱动器，驱动电机由蓄电池供电，驱动后轮前进，坐在轮椅上的人只需按动操作杆，即可实现轮椅的前进、后退及左右转弯。电动轮椅比手动轮椅有很大的进步，但仍存在一些问题，例如，用车人一般只会从上方观察周围环境，判断自己该如何操纵轮椅，对地面及近地面的情况则较难观察到，一旦碰到障碍物，不能及时采取应对措施，往往造成硬性碰撞，甚至造成翻车事故和人身伤害。另外，对于一部分自理能力较差的老年人及残障人士，一般的电动轮椅他们也操纵不了，需要开发一种操作更加方便、使用更加安全的新型智能轮椅，以满足这部分人的需要，并为更多的人提供一种更加优越的代步工具。

目前在欧美、日本等发达国家中一些公司已经研制开发出智能程度更高、自主能力更强的轮椅机器人产品。例如，美国AetiveMedia公司的Robotscehariot和AppliedALSystems公司的TAO-7，日本AISIN精机和富士通公司共同研制开发的TAOAicle等。但这些智能轮椅产品基本上采用类似于移动机器人的控制系统，采用通用计算机即笔记本电脑或嵌入式工控机作为上位机，驱动控制系统、传感器系统作为下位机，产品体积大、结构复杂、整体成本很高。在目前中国智能轮椅市场中，中科院自动化所和香港力劲集团合作研发的智能轮椅，亦采用了多模态的融合技术，由于目前的智能轮椅基本上采用与移动机器人相同的技术方案，因而成本很高，只有一些特殊人群才能够使用而难以进入普通家庭。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种采用嵌入式控制系统的人机交互智能轮椅，且同时具有超声波自主导航机构、语音控制机构和视觉自主导航机构，其不但很好的解决了采用通用计算机控制器所面临的成本高、功耗大以及续航能力差等问题，同时保证了轮椅精确、稳定的运行。

本发明解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：

一种人机交互智能轮椅，包括车体、两个驱动后轮、两个随动前轮、蓄电池、两个驱动电机、人机交互设备、操作杆和电机驱动器，车体包括桌面和两个脚踏板；其特征在于：桌面内安装有嵌入式控制系统，其控制器为16位SPCE016A单片机，车体侧部布有超声波自主导航机构，车体上布有语音控制机构和视觉自主导航机构，超声波自主导航机构、语音控制机构和视觉自主导航机构分别与嵌入式控制系统电信连接，嵌入式控制系统还与操作杆及电机驱动器电信连接，蓄电池为驱动电机供电。

而且，所述的视觉自主导航机构由检测系统、控制决策系统和动力系统三个部分组成。

而且，所述的检测系统采用CMOS图像传感器。

而且，所述的超声波自主导航机构采用超声波传感器。

而且，所述的人机交互设备包括扬声器、LCD和LED灯，且人机交互设备与嵌入式控制系统相连。

而且，所述的语音控制机构采用MIC进行声音录入。

本发明的优点和积极效果是：

1、本发明简便易用是人机交互智能轮椅高效运行的基础，语音控制机构将控制指令简化为五个，并在嵌入式控制系统的基础上实现了语音的在线训练，新用户只需花上几分钟的时间进行语音训练便可实现对智能轮椅的语音控制。

2、本发明采用基于嵌入式控制系统的控制器为16位SPCE016A单片机的人机交互智能轮椅较好的解决了采用基于通用计算机控制器所存在的成本高、功耗大以及续航能力差等问题，这就使人机交互智能轮椅向产业化方向迈进了一大步。

3、本发明是一种性能优越的代步工具，具有自动行走、避障、以及目标跟踪等功能，与传统的轮椅相比，人机交互智能轮椅更加安全可靠、易于操作，可满足一部分老年人以及残障人士等弱势群体的需要，提高他们的生活质量。

4、本发明设计合理，采用人机交互设备可以使使用者很直观的了解到人机交互智能轮椅的工作状态。

附图说明

图1是本发明实施例的系统结构框图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明实施例做进一步详述：

结合图1，阐述本发明的工作原理：MIC将语音信号转化为电信号，通过SPCE016A单片机的AD通道进行采集；扬声器用于播放语音提示，实现轮椅和用户之间的语音交互，LCD用于显示当前轮椅自身状态信息，LED灯用于指示轮椅当前各种状态。

对于轮椅的控制，语音控制机构采用16位单片机SPCE061A作为系统核心，先通过MIC训练语音命令，提取出特征参数并导入到FLASH中构成语音模型库。识别过程中，利用库函数将待测语音信号与语音模型库中的模型进行相似度比较，识别成功智能轮椅则进行相应的运动。

超声波自主导航机构能够完成到指定目标的路径规划，实现了轮椅的安全避障。将超声波避障和语音播报技术融合，轮椅能够自动判断是否能够安全的执行用户给定的命令，并通过扬声器语音播报的形式将信息反馈给用户。使得智能轮椅人机交互性更强，运行更加安全可靠。

超声波自主导航机构采用超声波传感器实现轮椅避障控制，由于轮椅要实现安全避障首先要对外部环境进行充分认识，所以该机构采用分布在不同方向上的多路超声波传感器对环境进行感知。超声波由发射端发出，遇到障碍物返回，接收器将超声波信号变成电信号，电信号经过放大、带通滤波和整形送入单片机SPCE061A。通过测量从发射超声波到接收超声波的间隔时间计算出轮椅距离障碍物的距离，再通过采用适当的控制策略来实现轮椅的实时避障。

视觉自主导航机构由检测系统、控制决策系统和动力系统三个部分组成。其中检测系统采用CMOS图像传感器；控制决策系统采用单片机SPCE061A作为主控制芯片；动力系统主要是控制模拟操作感产生的四路模拟电压信号来控制直流电机的转速。整体的流程为：检测系统采集路径信息，经过控制决策系统分析和判断，由动力系统控制直流电机给出合适的转速，从而控制智能轮椅精确、稳定的行驶。

智能轮椅在使用过程中，通过将不同的模态融合起来，能够达到更好地实际效果。通过将超声波自主避障机构与语音控制机构、视觉自主导航机构和嵌入式控制系统融合，人机交互智能轮椅在执行手动控制、语音控制和视觉自主导航这三种模态指令之前能够自动判断轮椅是否能够安全的执行这些指令，并通过扬声器语音播报的形式将信息反馈给用户，从而使得智能轮椅的行驶更加安全可靠。

需要强调的是，本发明所述的实施例是说明性的，而不是限定性的，因此本发明并不限于具体实施方式中所述的实施例，凡是由本领域技术人员根据本发明的技术方案得出的其他实施方式，同样属于本发明保护的范围。

Claims

1.一种人机交互智能轮椅，包括车体、两个驱动后轮、两个随动前轮、蓄电池、两个驱动电机、人机交互设备、操作杆和电机驱动器，车体包括桌面和两个脚踏板；其特征在于：桌面内安装有嵌入式控制系统，其控制器为16位SPCE016A单片机，车体侧部布有超声波自主导航机构，车体上布有语音控制机构和视觉自主导航机构，超声波自主导航机构、语音控制机构和视觉自主导航机构分别与嵌入式控制系统电信连接，嵌入式控制系统还与操作杆及电机驱动器电信连接，蓄电池为驱动电机供电。

2.根据权利要求1所述的人机交互智能轮椅，其特征在于：所述的视觉自主导航机构由检测系统、控制决策系统和动力系统三个部分组成。

3.根据权利要求1或2所述的人机交互智能轮椅，其特征在于：所述的检测系统采用CMOS图像传感器。

4.根据权利要求1所述的人机交互智能轮椅，其特征在于：所述的超声波自主导航机构采用超声波传感器。

5.根据权利要求1所述的人机交互智能轮椅，其特征在于：所述的人机交互设备包括扬声器、LCD和LED灯，且人机交互设备与嵌入式控制系统相连。

6.根据权利要求1所述的人机交互智能轮椅，其特征在于：所述的语音控制机构采用MIC进行声音录入。