CN110812019B - 一种基于多模态控制的智能轮椅 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于多模态控制的智能轮椅，包括轮椅本体、嵌入式控制系统、语音输入装置、图像采集装置、手动键入装置和驱动装置，所述轮椅本体的其中一个座椅扶手上安装有旋调式支臂，语音输入装置和图像采集装置均安装在旋调式支臂上，所述嵌入式控制系统位于旋调式支臂一侧下方的轮椅本体上，嵌入式控制系统与旋调式支臂之间的轮椅本体上设置有用于语音输入装置和图像采集装置连接导线的束线器。本发明通过设置旋调式支臂，将语音输入装置和图像采集装置的信息采集部分安装在旋调式支臂上，旋调式支臂安装在座椅扶手上，不仅便于信息采集，而且能及时调节上臂的位置，以免对使用者移动至座椅上造成干扰或影响。

Description

一种基于多模态控制的智能轮椅

技术领域

本发明涉及康复或辅助器具领域，具体涉及一种基于多模态控制的智能轮椅。

背景技术

为了满足残疾人士的使用需求或使用体验，智能轮椅的出现及成熟应用已成为必然。目前，嵌入式多模态人机交互智能轮椅不仅成功问世，而且广泛应用并服务于对应群体，它是基于嵌入式系统(SPCE061A单片机)的基础上，设计并研制了具有手动控制、语音控制、视觉自主导航等多种功能的多模态智能轮椅。虽然多模态智能轮椅在系统软性控制技术上日渐成熟，但是其功能实现依赖于相应硬件执行，现有的大部分多模态自动控制轮椅在硬件安装规划上存在一定不足，比如手动控制部分以及需要采集语音或图像信息的器件分别分开安装在轮椅的各个部分(座椅、脚托、扶手、靠背等)，有些位置会出现操作不太方便的情况，有些由于需要采集使用者的面部信息及语音信息，其安装位置会影响到使用者攀附或移动至轮椅坐垫上，这就在使用者本就移动不方便的情况下加剧了使用者移动至座椅上的难度，使用体验较差。此外，由于相应硬件安装位置比较分散，导致对应的连接导线比较分散，难以管理。

发明内容

本发明的目的在于克服背景技术提出的问题而提供一种基于多模态控制的智能轮椅。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：一种基于多模态控制的智能轮椅，包括轮椅本体以及安装在轮椅本体上的嵌入式控制系统、语音输入装置、图像采集装置、手动键入装置和驱动装置，所述语音输入装置、图像采集装置、手动键入装置和驱动装置均与嵌入式控制系统相连，所述轮椅本体的其中一个座椅扶手上安装有旋调式支臂，所述语音输入装置和图像采集装置均安装在旋调式支臂上，所述手动键入装置安装在轮椅本体的另一个座椅扶手上，所述嵌入式控制系统位于旋调式支臂一侧下方的轮椅本体上，嵌入式控制系统与旋调式支臂之间的轮椅本体上设置有用于语音输入装置和图像采集装置连接导线的束线器。

进一步地，所述旋调式支臂包括主驱动件、滑动件以及水平设置并呈L型的上臂和下臂，下臂固定在座椅扶手上，所述上臂和下臂一端相互连接并能相对水平转动，上臂和下臂内均设置有安装腔，且上臂的安装腔与下臂的安装腔连通，所述驱动件包括电动伸缩杆、滑块、链条和滑杆，滑块滑动配合在下臂的安装腔内，滑杆滑动配合在上臂的安装腔内，所述链条一端位于上臂的安装腔内并与滑杆一端固定连接，链条另一端位于下臂的安装腔内并与滑块一端固定连接，所述上臂的安装腔和下臂的安装腔内均设置有用于导向并传动链条的链轮，所述电动伸缩杆的推杆伸入至下臂的安装腔内并与滑块固定连接，所述上臂上表面加工有与其安装腔连通的滑槽，所述滑动件滑动设置在滑槽内，滑动件上表面连接有可转动的基板，所述语音输入装置和图像采集装置均安装在基板上，所述滑动件下表面固定有压板，所述上臂的安装腔内固定有隔板，滑杆一端与压板固定连接，另一端活动穿过隔板，所述压板与隔板之间设置有套设在滑杆上的压缩弹簧。

进一步地，所述滑槽为上下双层槽体式结构，所述滑动件包括主轴以及套装在主轴上的两个滑动轴承，两个滑动轴承分别位于滑槽的两层槽体中，下方的滑动轴承与下层槽体的槽壁滚动接触，上方的滑动轴承与上层槽体的槽壁未接触，所述基板下表面与上方轴承的上端面通过螺栓固定连接，所述压板固定在主轴的下端，所述隔板位于滑槽靠近链轮一侧的下方处。

进一步地，所述下臂与上臂连接的端部成型有大径外筒体，大径外筒体内紧嵌有转动轴承，所述上臂与下臂连接的端部成型有小径内筒体，小径内筒体的端部外壁与转动轴承的内孔过渡配合或过盈配合，且小径内筒体的中部外壁成型有一圈用于密封转动轴承端面的密封压环。

进一步地，所述密封压环的下端面上加工有一个磁石槽，磁石槽内设置有磁体，所述大径外筒体的上端面内加工有三个嵌槽，三个嵌槽内均设置有金属块，且三个嵌槽在大径外筒的上端面呈半圆弧形均匀分布。

进一步地，所述束线器位于上臂与下臂连接处的正下方，束线器包括收卷筒以及分别可拆卸连接在收卷筒两端的上盖和下盖，收卷筒固定在嵌入式控制系统与旋调式支臂之间的轮椅本体上，且收卷筒内壁上加工有与连接导线适配的螺旋槽，所述上盖和下盖上均加工有用于连接导线穿过的限位孔，上盖和下盖上均固定有拉环。

本发明通过设置旋调式支臂，将语音输入装置和图像采集装置的信息采集部分安装在旋调式支臂上，旋调式支臂安装在座椅扶手上，不仅便于信息采集，而且能及时调节上臂的位置，以免对使用者移动至座椅上造成干扰或影响，当使用者就位后，便能对上臂继续调节成所需状态，功能多样化，增加用户使用体验；同时通过设置束线器，能够将对应的连接导线整理在一起，避免过于分散而造成难以管理或者对使用者造成一定干扰影响。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明中旋调式支臂的结构示意图；

图3为本发明中旋调式支臂的内部结构示意图；

图4为图3的另一使用状态示意图；

图5为本发明中束线器的内部结构示意图。

图中标记：1-轮椅本体；2-嵌入式控制系统；3-驱动装置；4-手动键入装置；5-图像采集装置；6-语音输入装置；7-束线器；8-旋调式支臂；71-收卷筒；72-上盖；73-下盖；74-螺旋槽；75-拉环；81-下臂；82-上臂；83-电动伸缩杆；84-基板；811-下臂横臂；812-安装腔；813-滑块；814-链轮；815-链条；816-转动轴承；817-金属块；818-磁体；821-上臂横臂；822-安装腔；823-滑杆；824-压缩弹簧；825-隔板；826-滑动件；827-下层槽体；828-上层槽体。

具体实施方式

如图1～图5所示，本实施例提供的基于多模态控制的智能轮椅包括轮椅本体1以及安装在轮椅本体1上的嵌入式控制系统2、语音输入装置6、图像采集装置5、手动键入装置4和驱动装置3，所述语音输入装置6、图像采集装置5、手动键入装置4和驱动装置3均与嵌入式控制系统2相连以实现多模态控制。本实施例中，嵌入式控制系统2、语音输入装置6、图像采集装置5、手动键入装置4和驱动装置3均采用现有成熟的产品和技术，将各成熟部分集成于轮椅本体1上以构成多模态控制的智能轮椅。本申请着重于在硬件构造及安装位置上进行改进，以提高目前智能轮椅的人性化设计和使用体验，具体地，所述轮椅本体1的其中一个座椅扶手上安装有旋调式支臂8，所述语音输入装置6和图像采集装置5均安装在旋调式支臂8上，旋调式支臂8可以改变其工作状态，以便于符合使用者的使用需求。所述手动键入装置4安装在轮椅本体1的另一个座椅扶手上，这样可便于使用者的手动操作，在双手范围内便能完成所有键入或者手动控制操作，并且设计位置合理，不会对使用者上椅或下椅移动造成过多干扰影响，影响使用体验。为了便于相应连接导线的归束管理，防止连接导线相互盘绕或缠绕至轮椅本体1或使用者上，所述嵌入式控制系统2位于旋调式支臂8一侧下方的轮椅本体1上，所述手动键入装置4的连接导线竖直垂下并从座椅下表面穿过再与嵌入式控制系统2连接。所述语音输入装置6和图像采集装置5的连接导线合并为一束并通过设置在嵌入式控制系统2与旋调式支臂8之间轮椅本体1上的束线器7进行归束整理。

为了适应语音输入和视觉导航两种模态，需要对语音输入装置6和图像采集装置5在对应模态控制下进行位置调整，这就要求旋调式支臂8具有多种调节心态，从而适应不同的使用需求。具体地，所述旋调式支臂8包括主驱动件、滑动件826以及水平设置的上臂82和下臂81，下臂81固定在嵌入式控制系统2一侧的座椅扶手上，本实施例中，上臂82和下臂81均采用L型结构，上臂横臂821和下臂横臂811相互平行且均呈水平状态，所述上臂82的竖臂和下臂81的竖臂相互连接并能相对水平转动，具体地，所述下臂81的竖臂端部成型有大径外筒体，大径外筒体表示直径大于下臂81竖臂直径的筒形体，大径外筒体内紧嵌(过渡或过盈配合)有转动轴承816，所述上臂82的竖臂端部成型有小径内筒体，小径内筒体的端部外壁与转动轴承816的内孔过渡配合或过盈配合，且小径内筒体的中部外壁成型有一圈用于密封转动轴承816端面的密封压环，该结构可保证上臂82相对下臂81在水平面内进行自由转动，为上臂82的多种调节状态提供结构基础。

为了实现语音输入装置6和图像采集装置5位置改变的控制功能，所述上臂82内设置有与其形状适配的安装腔822，所述下臂81内设置有与其形状适配的安装腔812，上臂82的安装腔822与下臂81的安装腔812相互连通。所述驱动件包括电动伸缩杆83、滑块813、链条815和滑杆823，滑块813滑动配合在下臂81的安装腔812内，滑杆823滑动配合在上臂82的安装腔822内，所述链条815一端位于安装腔822内并与滑杆823一端固定连接，链条815另一端位于安装腔812内并与滑块813一端固定连接，实现滑杆823与滑块813的同步传动，所述上臂82的安装腔822和下臂81的安装腔812内均设置有用于导向并传动链条815的链轮814和链轮829，链轮814和链轮829的链齿均与链条815的链节相互卡接以实现稳定传动。所述电动伸缩杆83的推杆伸入至下臂81的安装腔812内并与滑块813固定连接，通过控制电动伸缩杆83的推杆伸出或回缩，来控制滑块813的前移或后移滑动。

所述上臂82的上表面加工有水平且与其安装腔822连通的滑槽，所述滑动件826滑动设置在滑槽内，且滑动件826上表面连接有可转动的基板84，本实施例中，所述滑槽为上下双层槽体式结构，所述滑动件826包括主轴以及套装在主轴上的两个滑动轴承，两个滑动轴承分别位于滑槽的上层槽体828和下层槽体827中，下方的滑动轴承与下层槽体827的槽壁滚动接触，以实现滑动的目的，上方的滑动轴承与上层槽体828的槽壁未接触，且上方的滑动轴承的上端面加工有多个螺孔，所述基板84下表面与上方轴承的上端面通过多颗螺栓固定连接，所述主轴下表面固定有竖直的压板，所述安装腔822内固定有竖直的隔板825，隔板825位于滑槽靠近链轮829一侧的下方处，所述滑杆823一端与压板固定连接，另一端活动穿过隔板825，所述压板与隔板825之间设置有套设在滑杆823上的压缩弹簧824，所述语音输入装置6和图像采集装置5均安装在基板84上，当滑块813前移时，在压缩弹簧824的回复力作用下，滑动件826跟随移动，从而实现基板84一侧方向的移动，当滑块813后移时，链条815拉动滑杆823移动，使压缩弹簧824持续压缩，实现基板84另一侧方向的移动。

为了将语音输入装置6和图像采集装置5的连接导线整理在一起，所述束线器7位于上臂82与下臂81连接处的正下方，束线器7包括收卷筒71以及分别可拆卸连接在收卷筒71两端的上盖72和下盖73，可拆卸连接的方式优选为卡接的方式，上盖72和下盖73内侧均成型有与收卷筒71内孔壁紧配合(间隙配合)的凸台，利用凸台与收卷筒71内孔壁的相互卡接以实现上盖72、下盖73与收卷筒71的可拆卸连接。所述收卷筒71焊接固定在嵌入式控制系统2与旋调式支臂8之间的轮椅本体1座椅扶手支架上，所述收卷筒71内壁上加工有与收束连接导线适配的螺旋槽74，所述上盖72和下盖73上均加工有用于该连接导线穿过的限位孔，且上盖72和下盖73上均固定有拉环75，以便于手动拉出。所述基板84内加工有走线腔，将语音输入装置6和图像采集装置5的连接导线穿入至基板84的走线腔内并穿出基板84后再通过绝缘橡胶套合并缠绕为一束，归为一束的连接导线从上盖71的限位孔穿入并通过螺旋槽74跟随绕置为螺旋盘绕状，最后从下盖73的限位孔穿出并连接至嵌入式控制系统2内的控制板上。

旋调式支臂8的三种使用状态说明：第一种状态是将上臂82转动至与下臂81同方向的形态，使整个旋调式支臂8呈现为U型臂的结构，即如图2或图3所示，将座椅和脚托之间的空间打开，以便于使用者移动至座椅上，此时，智能轮椅可选择语音切入模态，控制电动伸缩杆83伸出，让基板84滑行至靠近使用者的位置，能够清晰地接收到使用者的语音输入指令，从而控制轮椅移动；第二种状态为上臂82转动至与下臂81反方向的形态，使整个旋调式支臂8呈现为Z型臂的结构，即如图4所示，继续调整基板84的位置，使图像采集装置5能够采集使用者上半身的图像信息，从而判断使用者的侧身转向、低头以及一些手势指挥等动作，最终与储存库的动作进行对比来驱动轮椅的走向；第三种状态是将上臂82继续转动至与下臂81相互垂直的形态，让整个上臂82横栏至座椅的上方，一方面对使用者进行一定隔拦防护，另一方面继续调整基板84的位置，使图像采集装置5能够采集使用者整个脸部的图像信息(针对上胸椎或颈椎的受伤患者，无法做出一些侧身转向动作)，从而根据脸部表情判断来控制轮椅的走向。

为了使上述三种状态调节更顺畅，所述密封压环的下端面上加工有一个磁石槽，磁石槽内设置有磁体818，所述大径外筒体的上端面内加工有三个嵌槽，三个嵌槽内均设置有金属块817，且三个嵌槽在大径外筒的上端面呈半圆弧形均匀分布，即三个嵌槽构成弧的弧度为1.5π，以适应三个形态所需要上臂82转动的角度。当上臂82需要从图3所示形态转动至图4所示形态时，取下上盖72，将上臂82转动180°，即磁体818跟随旋转动180°后与另一金属块磁接，语音输入装置6和图像采集装置5合并的连接导线跟随转动，将收卷筒71内最上层的螺旋圈层缓慢解开，转动到位后，然后再盖上上盖72，使限位孔为合并的连接导线进行限位，防止合并的连接导线继续解开。当需要调整至上臂82与下臂81相互垂直的第三种状态时，同样取下上盖72，继续转动上臂82，磁体818跟继续随旋转动90°后再与最后一个金属块磁接，转动到位后，盖上上盖72防止连接导线继续解开，收卷筒71的螺旋缠绕形式一方面可防止连接导线过于分散不便管理，另一方面避免了在转动上臂82时，连接导线公转的同时伴随自转，导致连接处因长期严重扭转而破损。当需要将上臂82转回归位时，打开上盖72，先将上臂82转动归位，再将连接导线手动盘绕一圈后盖上上盖72即可。

以上所述仅是本发明优选的实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何基于本发明所提供的技术方案和发明构思进行的改造和替换都应涵盖在本发明的保护范围内。应当注意，在附图中所图示的结构或部件不一定按比例绘制，同时本发明省略了对公知组件和处理技术及工艺的描述，以避免不必要地限制本发明。

Claims (5)

1.一种基于多模态控制的智能轮椅，包括轮椅本体以及安装在轮椅本体上的嵌入式控制系统、语音输入装置、图像采集装置、手动键入装置和驱动装置，所述语音输入装置、图像采集装置、手动键入装置和驱动装置均与嵌入式控制系统相连，其特征在于：所述轮椅本体的其中一个座椅扶手上安装有旋调式支臂，所述语音输入装置和图像采集装置均安装在旋调式支臂上，所述手动键入装置安装在轮椅本体的另一个座椅扶手上，所述嵌入式控制系统位于旋调式支臂一侧下方的轮椅本体上，嵌入式控制系统与旋调式支臂之间的轮椅本体上设置有用于语音输入装置和图像采集装置连接导线的束线器；

所述旋调式支臂包括主驱动件、滑动件以及水平设置并呈L型的上臂和下臂，下臂固定在座椅扶手上，所述上臂和下臂一端相互连接并能相对水平转动，上臂和下臂内均设置有安装腔，且上臂的安装腔与下臂的安装腔连通，所述主驱动件包括电动伸缩杆、滑块、链条和滑杆，滑块滑动配合在下臂的安装腔内，滑杆滑动配合在上臂的安装腔内，所述链条一端位于上臂的安装腔内并与滑杆一端固定连接，链条另一端位于下臂的安装腔内并与滑块一端固定连接，所述上臂的安装腔和下臂的安装腔内均设置有用于导向并传动链条的链轮，所述电动伸缩杆的推杆伸入至下臂的安装腔内并与滑块固定连接，所述上臂上表面加工有与其安装腔连通的滑槽，所述滑动件滑动设置在滑槽内，滑动件上表面连接有可转动的基板，所述语音输入装置和图像采集装置均安装在基板上，所述滑动件下表面固定有压板，所述上臂的安装腔内固定有隔板，滑杆一端与压板固定连接，另一端活动穿过隔板，所述压板与隔板之间设置有套设在滑杆上的压缩弹簧。

2.根据权利要求1所述的基于多模态控制的智能轮椅，其特征在于：所述滑槽为上下双层槽体式结构，所述滑动件包括主轴以及套装在主轴上的两个滑动轴承，两个滑动轴承分别位于滑槽的两层槽体中，下方的滑动轴承与下层槽体的槽壁滚动接触，上方的滑动轴承与上层槽体的槽壁未接触，所述基板下表面与上方轴承的上端面通过螺栓固定连接，所述压板固定在主轴的下端，所述隔板位于滑槽靠近链轮一侧的下方处。

3.根据权利要求2所述的基于多模态控制的智能轮椅，其特征在于：所述下臂与上臂连接的端部成型有大径外筒体，大径外筒体内紧嵌有转动轴承，所述上臂与下臂连接的端部成型有小径内筒体，小径内筒体的端部外壁与转动轴承的内孔过渡配合或过盈配合，且小径内筒体的中部外壁成型有一圈用于密封转动轴承端面的密封压环。

4.根据权利要求3所述的基于多模态控制的智能轮椅，其特征在于：所述密封压环的下端面上加工有一个磁石槽，磁石槽内设置有磁体，所述大径外筒体的上端面内加工有三个嵌槽，三个嵌槽内均设置有金属块，且三个嵌槽在大径外筒的上端面呈半圆弧形均匀分布。

5.根据权利要求1～3中任一项权利要求所述的基于多模态控制的智能轮椅，其特征在于：所述束线器位于上臂与下臂连接处的正下方，束线器包括收卷筒以及分别可拆卸连接在收卷筒两端的上盖和下盖，收卷筒固定在嵌入式控制系统与旋调式支臂之间的轮椅本体上，且收卷筒内壁上加工有与连接导线适配的螺旋槽，所述上盖和下盖上均加工有用于连接导线穿过的限位孔，上盖和下盖上均固定有拉环。

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