CN111329196A - 一种自动伸缩式智能拐杖及其智能避障方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自动伸缩式智能拐杖及其智能避障方法。该拐杖包括拐杖头、上杆、下杆以及避障车。上杆的顶端与拐杖头连接，外壁上具有等间距设置的多个凸起块。下杆内部开设有延伸至其顶端且与上杆相配合的滑道，滑道的内壁上开设有多个凹槽。在上杆的底端插入在下杆的顶端中时，凸起块限位在对应的凹槽中。避障车包括机箱、至少三个伺服电机、至少三个麦克纳姆轮、至少三个超声波传感器以及控制板。控制板判断拄杖人与机箱的相对位置一，判断障碍物与机箱的相对位置二，计算偏差角度，判断偏差角度是否大预设角度，否则驱使机箱旋转直至偏差角度大于预设角度。本发明满足不同高度的拄杖人的使用需求，实现避障功能，保证拄杖人的行走安全。

Description

一种自动伸缩式智能拐杖及其智能避障方法

技术领域

本发明涉及拐杖技术领域的一种智能拐杖，尤其涉及一种自动伸缩式智能拐杖，还涉及该拐杖的自动伸缩式智能拐杖的智能避障方法。

背景技术

拐杖是一种辅助行走器械，其通常是一根木制或金属棍子。拐杖的种类和制作取材形形色色，其中以竹、木制的拐杖为最多。拐杖特别是腋下拐杖是一种重要的医疗康复辅助用具，其能够为行动不便的老人、病患等提供支撑，使拄拐人能够自行行走，并得到广泛应用。

现在随着科技的兴旺发达，有越来越多的智能设备在市面上流通。拐杖原本只是个简单而普通的辅助行走工具，随着物联网的兴起，现在市场上的助老性质的功能性机器人已经有较多种类，但是还是存在部分不足的地方，比如有的机器人存在体型大，对于不同高度的拄拐人而言，由于无法调节拐杖的长度而使拐杖应用效果不佳。同时，对于需要拄拐的人而言，其行动一般不灵活，尤其是老人，其视力往往不佳，容易被障碍物绊倒，从而对拄拐人造成伤害。

发明内容

为解决现有的拐杖存在无法调节高度和不能避障的技术问题，本发明提供一种自动伸缩式智能拐杖及其智能避障方法。

本发明采用以下技术方案实现：一种自动伸缩式智能拐杖，其包括：

拐杖头；

上杆，其顶端与拐杖头连接；上杆的外壁上具有等间距设置的多个凸起块；

下杆，其内部开设有延伸至其顶端且与上杆相配合的滑道；滑道的内壁上开设有分别与多个凸起块对应的多个凹槽；在上杆的底端插入在下杆的顶端中时，至少一个凸起块限位在对应的凹槽中；以及

避障车，其包括机箱、至少三个伺服电机、分别与至少三个伺服电机对应的至少三个麦克纳姆轮、分别与至少三个麦克纳姆轮对应的至少三个超声波传感器以及控制板；下杆的底端安装在机箱上；至少三个麦克纳姆轮安装在机箱上，并环绕机箱的上杆的中心轴设置，并能够在转动时使机箱自旋；每个伺服电机用于驱动对应的麦克纳姆轮转动；每个超声波传感器安装在机箱上，并用于检测对应的麦克纳姆轮前进方向上的障碍物，且在检测到障碍物时产生障碍物检测信号；控制板用于先通过拐杖头与机箱的相对旋转角度判断拄杖人与机箱的相对位置一，再根据所述障碍物检测信号，判断所述障碍物与机箱的相对位置二，然后计算所述相对位置一、所述相对位置二同机箱的偏差角度，再然后判断所述偏差角度是否大于一个预设角度，最后在所述偏差角度小于所述预设角度时，通过各个伺服电机驱使对应的麦克纳姆轮转动，使机箱旋转直至所述偏差角度大于所述预设角度。

本发明通过上杆和下杆将拐杖的支撑结构拆分，利用上杆的凸起块与下杆的凹槽配合，使上杆能够卡在下杆的滑道中，在拄杖人需要改变拐杖的长度时，其可以通过调节上杆与下杆之间配合的长度而改变拐杖的总长度，从而解决了现有的拐杖存在无法调节高度的技术问题。同时，本发明还在下杆的下方设置避障车，避障车能够支撑拐杖的其他部分，使拐杖的重心更低，进而能够使拐杖更为稳定。而且，避障车的多个超声波传感器能够检测麦克纳姆轮前进方向上是否存在障碍物，控制板先确定拄杖人与机箱的相对位置一，再根据障碍物检测信号确定障碍物与机箱的相对位置二，而这两个相对位置都是基于机箱的，因此控制板可以计算出这两个位置相对机箱的偏差角度，而后判断偏差角度是否满足预设角度，在不满足时驱使伺服电机转动以使机箱旋转，从而使偏差角度大于预设角度，这样拄杖人就可以错开障碍物，尤其可以为盲人或视力不清的拄杖人提供避障方向，进而解决了现有的拐杖不能够避障的功能，并最终得到了长度可调，可以避障的技术效果。

作为上述方案的进一步改进，拐杖头的底端为球形头，上杆的顶端开设有与球形头配合的球形孔洞。

作为上述方案的进一步改进，所述自动伸缩式智能拐杖还包括：

挡块，其在上杆与下杆配合后插入在滑道中，并与所有凹槽位于同一个圆环上。

作为上述方案的进一步改进，下杆的底端开设外螺纹，机箱的顶端中部开设与外螺纹螺纹配合的螺纹孔。

作为上述方案的进一步改进，机箱呈半球形，至少三个麦克纳姆轮分别通过相对应的至少三个定位柱而定位在机箱上，至少三个定位柱的同一端固定在机箱的球心处。

作为上述方案的进一步改进，凸起块与凹槽均呈扇形，凸起块与凹槽的内角均为°。

作为上述方案的进一步改进，拐杖头为中空结构，且沿轴向开设有圆形孔一，沿径向开设有与圆形孔一连通的圆形孔二；上杆沿轴向开设有与圆形孔一连通的圆形孔三，圆形孔三与圆形孔二连通；下杆沿轴向开设有圆形孔四，圆形孔四通过滑道与圆形孔三连通，且连通机箱的内部。

作为上述方案的进一步改进，避障车还包括报警模块和至少一个摄像头；摄像头安装在机箱上，并用于拍摄机箱外的动态图像；在超声波传感器检测到所述障碍物时，控制板还用于根据所述动态图像，先获取所述动态图像中的障碍物轮廓，再将所述障碍物轮廓与一个预设人体倒地轮廓对比，并获得相似度，最后判断所述相似度是否大于一个预设相似程度，并在所述相似度大于所述预设相似程度时驱使所述报警模块发出倒地报警信息。

作为上述方案的进一步改进，拐杖头上开设有按压安装孔；所述自动伸缩式智能拐杖还包括：

按压开关，其安装在按压安装孔中，且按压端凸出拐杖头的外表面；所述按压开关用于打开或关闭避障车的供电系统，所述供电系统用于向伺服电机、超声波传感器以及控制板供电。

本发明还提供一种自动伸缩式智能拐杖的智能避障方法，其应用于上述任意所述的自动伸缩式智能拐杖中，其包括以下步骤：

检测对应的麦克纳姆轮前进方向上的障碍物，且在检测到障碍物时产生障碍物检测信号；

通过拐杖头与机箱的相对旋转角度判断拄杖人与机箱的相对位置一；

根据所述障碍物检测信号，判断所述障碍物与机箱的相对位置二；

计算所述相对位置一、所述相对位置二同机箱的偏差角度；

判断所述偏差角度是否大于一个预设角度；

在所述偏差角度小于所述预设角度时，通过各个伺服电机驱使对应的麦克纳姆轮转动，使机箱旋转直至所述偏差角度大于所述预设角度。

相较于现有的智能拐杖，本发明的自动伸缩式智能拐杖及其智能避障方法具有以下有益效果：

1、该自动伸缩式智能拐杖，其通过上杆和下杆将拐杖的支撑结构拆分，利用上杆的凸起块与下杆的凹槽配合，使上杆能够卡在下杆的滑道中。在拄杖人需要改变拐杖的长度时，其可以通过调节上杆与下杆之间配合的长度而改变拐杖的总长度，从而实现伸缩功能，进而解决现有智能拐杖无法任意调节长度的问题，能够满足不同高度的拄杖人的使用需求，使拐杖的利用率大大提升，提高用户的使用舒适度。

2、该自动伸缩式智能拐杖，其设置了位于下杆的下方的避障车，避障车一方面能够支撑下杆以及下杆上的结构，另一方面由于避障车与地面的接触通过多个麦克纳姆轮实现，接触点分散，使拐杖更加稳定，而且由于避障车的设置，拐杖的重心也会下降，从而使拐杖的重心更低，避免由于拐杖倾倒而使拄杖人侧倒，保证拄杖人的使用安全，进一步提高拐杖的稳定性。

3、该自动伸缩式智能拐杖，其避障车的多个超声波传感器能够对机箱周围的障碍物进行检测，在检测障碍物时能够产生障碍物检测信号，而控制板则先确定拄杖人与机箱的相对位置一，再根据障碍物检测信号确定障碍物与机箱的相对位置二，而这两个相对位置都是基于机箱的，因此控制板可以计算出这两个位置相对机箱的偏差角度，而后判断偏差角度是否满足预设角度，在不满足时驱使伺服电机转动以使机箱旋转，从而使偏差角度大于预设角度，使得拐杖自由转弯。如此，拄杖人就可以主动跟随拐杖的旋转而错开障碍物，尤其可以为盲人或视力不清的拄杖人提供避障方向，实现避障功能，保证拄杖人的行走安全。

4、该自动伸缩式智能拐杖，其上杆与下杆所用连接方式类似榫卯结构，结构简单，且具有较强的稳定性。而且，该拐杖含有大量的内部空间，可放置各种传感器等功能器件，满足多种需求。另外，内置的伺服电机提供动力，可以由避障车驱动拐杖以达到协助老人运动的目的。至少三个麦克纳姆轮的设置方式，使得麦克纳姆轮所形成的接触点至少形成一个三角形，能使避障车在任何方向上运动，并可以灵活的改变车轮的速度和方向。

5、该自动伸缩式智能拐杖，其避障车还可以设置报警模块和摄像头，摄像头能够拍摄机箱外的动态图像，尤其可以拍摄到拄杖人侧倒后的图像。控制板可以提取动态图像中的障碍物轮廓，再将障碍物轮廓与预设人体倒地轮廓对比，确定相似度，最后判断相似度是否达到预设相似程度，一旦达到则说明此时的障碍物实际上为拄杖人或其他人员，这样就驱使报警模块进行报警，从而警示周围人员或远程人员对拄杖人进行施救，提供安全服务，从而更好地保护拄杖人，使拐杖更加智能化和人性化。

6、该自动伸缩式智能拐杖，其还设置按压开关，按压开关可以控制避障车的供电系统，这样拄杖人在不需要拐杖提供避障功能使就可以通过按压开关关闭该功能，从而节省更多的电能，也能够在拐杖误报警时及时关闭拐杖的避障功能，使拐杖使用更加便利。

附图说明

图1为本发明实施例1的自动伸缩式智能拐杖的结构示意图。

图2为图1中的自动伸缩式智能拐杖的拐杖头的剖面图。

图3为图1中的自动伸缩式智能拐杖的上杆、下杆和挡块的立体图。

图4为图1中的自动伸缩式智能拐杖的上杆、下杆和挡块的拆分图。

图5为图1中的自动伸缩式智能拐杖的上杆和下杆的剖面图。

图6为图1中的自动伸缩式智能拐杖的上杆的外观图。

图7为图1中的自动伸缩式智能拐杖的上杆的剖面图。

图8为图1中的自动伸缩式智能拐杖的下杆的外观图。

图9为图1中的自动伸缩式智能拐杖的下杆的剖面图。

图10为图1中的自动伸缩式智能拐杖的挡块的立体图。

图11为图1中的自动伸缩式智能拐杖的避障车的俯视图。

图12为图1中的自动伸缩式智能拐杖的避障车的正视图。

图13为本发明实施例1中拄杖人在应用自动伸缩式智能拐杖且遇到障碍物时的示意图，图中区域A表示障碍物，区域B表示智能拐杖，区域C表示拄杖人。

图14为本发明实施例1中拄杖人在应用自动伸缩式智能拐杖避障后的示意图，图中区域A表示障碍物，区域B表示智能拐杖，区域C表示拄杖人。

图15为图1中的自动伸缩式智能拐杖的控制板的控制流程图。

图16为本发明实施例2的自动伸缩式智能拐杖的结构示意图。

符号说明：

1 拐杖头 14 外螺纹

2 按压安装孔 15 滑道

3 梯形凹槽 16 圆形孔四

4 圆形孔一 17 避障车

5 球形头 18 螺纹孔

6 圆形孔二 19 机箱

7 上杆 20 麦克纳姆轮

8 圆形孔三 21 伺服电机

9 球形孔洞 22 超声波传感器

10 凸起块 23 控制板

11 挡块 24 摄像头

12 下杆 25 报警模块

13 凹槽

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

请参阅图1，本实施例提供了一种自动伸缩式智能拐杖。该智能拐杖可以供老人等存在行动障碍的人员使用，也可以供视力存在障碍的人员使用。该智能拐杖在制作时，一般选取质地较轻且硬度较大的材料制成，例如铝合金等。在本实施例中，该智能拐杖包括拐杖头1、上杆7、下杆12以及避障车17，在本实施例中，该拐杖还额外包括挡块11。

请参阅图2，拐杖头1上开设有按压安装孔2，拐杖头1可以采用现有的拐杖头，其一般呈T字形，并且表面可以设置螺纹等结构，以便于拄杖人拿握。在一般情况下由于拐杖头1的特殊形状，拄杖人与拐杖的相对位置固定，即拄杖人只会位于拐杖的一个大致位置。因此，本实施例中后续的避障功能也是基于此而设置，甚至，为了使拄杖人相对拐杖的位置不变，可以在拐杖头1的结构上进行特殊化处理。例如，可以将拐杖头1的手握部分设置成与人体的手掌拿物体时所产生抓握形状相匹配，这样拄杖人就可在抓握拐杖后按照预设方式位于拐杖的周围的一个特定方向。

在本实施例中，拐杖头1的底端为球形头5。球形头5的底部最细，而越往上越粗，随后急剧变细直至与拐杖头1底部的其他部分一样粗。拐杖头1为中空结构，而且其沿轴向开设有圆形孔一4，摈弃沿径向开设有与圆形孔一4连通的圆形孔二6。圆形孔一4和圆形孔二6可以为拐杖头1内的布线提供空间。拐杖头1内还可以设置两个或更多的梯形凹槽3，扩大空间和方便安装其他器件。拐杖头1的内部可以设置各种器件，例如可以设置红外体温传感器，该红外体温传感器能够感知拐杖头1的温度，尤其可以在拐杖头1被拄拐人抓握后可以及时发现，从而确定拐杖正在使用。这样，在一些实施例中，拐杖头1内部增设的定位模块就可以启动，从而对拐杖的位置进行确定，尤其是当老人或盲人等弱势人群使用时，定位模块可以将实时位置信息通过无线传输模块远程传输至后台的监控中心，使得该拄杖人的家属能够第一时间掌握拄杖人的位置，同时也可以对其行进轨迹进行标记。另外，拐杖头1中还可以增设位置播报模块，位置播报模块可以根据定位模块所定位的信息，对拄杖人的实时位置进行播报，这样拄杖人就可以及时掌握到自己的位置，为拄杖人导向。其中，定位模块可以采用GPS定位模块，北斗卫星定位系统等定位装置，无线传输模块也可以采用现有的无线传输模块。

请参阅图3-7，上杆7的顶端与拐杖头1连接，上杆7的顶端开设有球形孔洞9，球形孔洞9与球形头5配合。在将上杆7与拐杖头1连接时，直接球形头5插入到球形孔洞9中，使拐杖头1恰好定位在球形孔洞9中。其中，上杆7的外壁上具有等间距设置的多个凸起块10。在本实施例中，凸起块10呈扇形，而且凸起块10的内角为90°。作为优选的一种实施例中，凸起块10的数量为八个，八个凸起块10沿上杆7的外壁等距离线性排开。上杆7沿轴向开设有圆形孔三8，圆形孔三8与圆形孔一4连通。圆形孔三8可以供拐杖头1中的器件的走线通过，并进一步延伸至下方的结构，当然也可以减轻拐杖整体的重量。

请参阅图8以及图9，下杆12的内部开设有滑道15，滑道15延伸至下杆12的顶端且与上杆7相配合。滑道15的内壁上开设有多个凹槽13，多个凹槽13分别与多个凸起块10对应。在上杆7的底端插入在下杆12的顶端中时，至少有一个凸起块10限位在对应的凹槽13中。这样，在拄杖人确定位置后旋入凹槽13以达到调节长度的功能，方便不同身高的人使用，提高用户使用的舒适度。在本实施例中，凹槽13呈扇形，而凹槽13的内角为90°。下杆12沿轴向开设有圆形孔四16，圆形孔四16通过滑道15与圆形孔三8连通，而且连通机箱19的内部，这样一方面能够方便拐杖中器件走线，另一方面可以减轻拐杖的重量，方便携带拐杖。

请参阅图10，挡块11在上杆7与下杆12配合后插入在滑道15中，并与所有凹槽13位于同一个圆环上。挡块11为四分之一圆筒形结构，其能够阻止凸起块10在滑道15中转动，提高结构的稳定性。挡块11能够使上杆7与下杆12之间配合更加紧密，可以防止上杆7与下杆12之间出现横向偏移。当然，在其他实施例中，挡块11可以替换为其他结构，其设置目的是使上杆7与下杆12紧密配合，使上杆7与下杆12连接更加牢靠。

请参阅图11以及图12，避障车17包括机箱19、伺服电机21、麦克纳姆轮20、超声波传感器22以及控制板23。机箱19呈半球形，而且球面朝上设置。下杆12的底端安装在机箱19上，并且定位在机箱19的球面上。具体而言，下杆12的底端可以开设外螺纹14，而机箱19的顶端中部开设螺纹孔18。螺纹孔18与外螺纹14螺纹配合，在安装时只需要将下杆12螺接在机箱19上即可。机箱19的制造材料可以采用轻便的材料，例如铝合金材料，这样保证机箱19的体积的同时还能够减轻机箱19的重量，方便拄杖人提拿。

伺服电机21的数量至少为三个，而且伺服电机21固定在机箱19上。伺服电机21可以采用现有的电机，其尺寸一般不会太大，这样可以减轻拐杖的整体重量。麦克纳姆轮20的数量与伺服电机21的数量相同，麦克纳姆轮20安装在机箱19上，并环绕机箱19的上杆7的中心轴设置，并能够在转动时使机箱19自旋。其中，每个伺服电机21用于驱动对应的麦克纳姆轮20转动。麦克纳姆轮20是一个灵活方便的可全方位移动的全向轮，主要由轮毂和其轮缘上斜向分布的滚子组成，使轮子可以横向滑移。同时当轮子绕着固定的轮心轴转动时，小滚子的包络线为圆柱面，使轮子可以连续地向前滚动。这样的结构使作用于车轮上的所有力转化为任意方向上的合力，带动避障车17自由移动。

在本实施例中，至少三个麦克纳姆轮20分别通过相对应的至少三个定位柱而定位在机箱19上，至少三个定位柱的同一端固定在机箱19的球心处，这样可以保证麦克纳姆轮20的最低点位于同一个水平面上，使拐杖更加平稳。所有麦克纳姆轮20在转动时，其只能够使拐杖整体发生自旋，而不会出现横向移动，这样可以保证拐杖在使用时不会发生水平偏差，进而避免拄杖人由于拐杖偏离而发生倾倒。同时，由于机箱21会发生自旋，因而拄杖人在使用时则可以跟随着转动，而这个转动的过程不能过快，也不能过慢，这可以根据实际需要进行设定，甚至，在一些实施例中可以专门增设转速调节模块，通过转速调节模块调节各个伺服电机21的转速，从而改变机箱19的转速。

超声波传感器22的数量至少为三个，当然，在其他实施例中数量可以更多。至少三个超声波传感器22分别与至少三个麦克纳姆轮20对应。每个超声波传感器22安装在机箱19上，并用于检测对应的麦克纳姆轮20前进方向上的障碍物，而且在检测到障碍物时产生障碍物检测信号。超声波传感器22的工作过程中，其会发出超声波，在无障碍物时其不会接收到发出的超声波，而当出现障碍物时，其很快就会接收到从障碍物上反射回来的超声波，从而就能够产生相关的检测信号。超声波传感器22之所以与麦克纳姆轮20对应，这是因为麦克纳姆轮20可能会遮挡超声波，同时又因为麦克纳姆轮20为驱动结构，其旋转朝向的方向上可能会存在障碍物，进而能够对其进行检测。同时，当超声波传感器22的数量较多时，其检测区域也会增大，避免出现检测盲区。

控制板23用于先通过拐杖头1与机箱19的相对旋转角度判断拄杖人与机箱19的相对位置一，再根据障碍物检测信号，判断障碍物与机箱19的相对位置二，然后计算相对位置一、相对位置二同机箱19的偏差角度，再然后判断偏差角度是否大于一个预设角度，最后在偏差角度小于预设角度时，通过各个伺服电机21驱使对应的麦克纳姆轮20转动，使机箱19旋转直至偏差角度大于预设角度。其中，相对位置一的确定可以根据拐杖头1与机箱19之间预置的角度进行确定，这个角度是通过拐杖头1的形状确定的。相对位置二则是根据超声波传感器22所处于的位置所决定，由于超声波传感器22的数量至少为三个，这样在任意径向上的超声波传感器22产生检测信号时都能确定该方向上存在障碍物，同时能够确定障碍物所在的大致方位。

在本实施例中，控制板23安装在机箱19上，其可以通过防水罩等方式进行防水。控制板23所计算出偏差角度能够为障碍物与拄杖人之间的一种夹角，该夹角只是相对于机箱19而言的，而该夹角又能够为拄杖人避障提供基础数据。当夹角非常小的时候，同时超声波传感器又能够检测到障碍物，说明此时障碍物距离拐杖非常近，这时候就需要进行避障，而避障的过程如图13和图14所示。图中A代表障碍物，B代表本实施例的拐杖，C代表拄杖人。当A和C相对于B的夹角为a时，a的角度小于预设角度，此时A和C的距离非常近。因此，控制板23就会驱使机箱19转动，拄杖人跟随着转动，并且使得A和C的夹角达到b，可以看出，此时A和C的距离拉远，这样拄杖人就很难碰到障碍物了，实现避障的功能。

请参阅图15，控制板23可以为arduino控制板，控制伺服电机21从而对麦克纳姆轮20进行控制调速，可以实现避障车17的旋转、侧向移动等运动，使小车能在各种情况下使用。arduino控制板可以先对采集信号进行去噪，滤波等预处理，而后将处理后的信号传给arduino微控制器，随后arduino微控制器对信号进行分析，最后arduino微控制器在分析结束后，命令伺服电机21做出如停止、加速等动作，从而使避障车17(小车)灵活转弯。

综上所述，相较于现有的智能拐杖，本发明的自动伸缩式智能拐杖具有以下有益效果：

1、该自动伸缩式智能拐杖，其通过上杆7和下杆12将拐杖的支撑结构拆分，利用上杆7的凸起块与下杆12的凹槽配合，使上杆7能够卡在下杆12的滑道中。在拄杖人需要改变拐杖的长度时，其可以通过调节上杆7与下杆12之间配合的长度而改变拐杖的总长度，从而实现伸缩功能，进而解决现有智能拐杖无法任意调节长度的问题，能够满足不同高度的拄杖人的使用需求，使拐杖的利用率大大提升，提高用户的使用舒适度。

2、该自动伸缩式智能拐杖，其设置了位于下杆12的下方的避障车17，避障车17一方面能够支撑下杆7以及下杆12上的结构，另一方面由于避障车17与地面的接触通过多个麦克纳姆轮20实现，接触点分散，使拐杖更加稳定，而且由于避障车17的设置，拐杖的重心也会下降，从而使拐杖的重心更低，避免由于拐杖倾倒而使拄杖人侧倒，保证拄杖人的使用安全，进一步提高拐杖的稳定性。

3、该自动伸缩式智能拐杖，其避障车17的多个超声波传感器22能够对机箱19周围的障碍物进行检测，在检测障碍物时能够产生障碍物检测信号，而控制板23则先确定拄杖人与机箱19的相对位置一，再根据障碍物检测信号确定障碍物与机箱19的相对位置二，而这两个相对位置都是基于机箱19的，因此控制板23可以计算出这两个位置相对机箱19的偏差角度，而后判断偏差角度是否满足预设角度，在不满足时驱使伺服电机21转动以使机箱19旋转，从而使偏差角度大于预设角度，使得拐杖自由转弯。如此，拄杖人就可以主动跟随拐杖的旋转而错开障碍物，尤其可以为盲人或视力不清的拄杖人提供避障方向，实现避障功能，保证拄杖人的行走安全。

4、该自动伸缩式智能拐杖，其上杆7与下杆12所用连接方式类似榫卯结构，结构简单，且具有较强的稳定性。而且，该拐杖含有大量的内部空间，可放置各种传感器等功能器件，满足多种需求。另外，内置的伺服电机21提供动力，可以由避障车17驱动拐杖以达到协助老人运动的目的。至少三个麦克纳姆轮20的设置方式，使得麦克纳姆轮20所形成的接触点至少形成一个三角形，能使避障车17在任何方向上运动，并可以灵活的改变车轮的速度和方向。

实施例2

请参阅图16，本实施例提供了一种自动伸缩式智能拐杖，该拐杖在实施例1的基础上增加部分结构。其中，避障车17还包括报警模块25和至少一个摄像头24。摄像头24安装在机箱19上，并用于拍摄机箱19外的动态图像。在超声波传感器22检测到障碍物时，控制板23还用于根据动态图像，先获取动态图像中的障碍物轮廓，再将障碍物轮廓与一个预设人体倒地轮廓对比，并获得相似度，最后判断相似度是否大于一个预设相似程度，并在相似度大于预设相似程度时驱使报警模块发出倒地报警信息。这样，在判断相似度达到预设相似程度时，则说明此时的障碍物实际上为拄杖人或其他人员，这样就驱使报警模块进行报警，从而警示周围人员或远程人员对拄杖人进行施救，提供安全服务，从而更好地保护拄杖人，使拐杖更加智能化和人性化。

实施例3

本实施例提供了一种自动伸缩式智能拐杖，其在实施例1的基础上增加了按压开关。按压开关安装在按压安装孔2中，而且按压端凸出拐杖头1的外表面；按压开关用于打开或关闭避障车17的供电系统，供电系统用于向伺服电机21、超声波传感器22以及控制板23供电。由于按压开关可以控制避障车的供电系统，这样拄杖人在不需要拐杖提供避障功能使就可以通过按压开关关闭该功能，从而节省更多的电能，也能够在拐杖误报警时及时关闭拐杖的避障功能，使拐杖使用更加便利。

实施例4

本实施例提供了一种自动伸缩式智能拐杖的智能避障方法，该方法应用在实施例1-3中所提供的任意一种自动伸缩式智能拐杖中。其中，本实施例的智能避障方法包括以下这些步骤。

第一步，检测对应的麦克纳姆轮20前进方向上的障碍物，且在检测到障碍物时产生障碍物检测信号。本步骤可以通过自动伸缩式智能拐杖的超声波传感器22实现，也可以通过靠近传感器等其他种类的传感器实现。

第二步，通过拐杖头1与机箱19的相对旋转角度判断拄杖人与机箱19的相对位置一。相对位置一的确定可以根据拐杖头1与机箱19之间预置的角度进行确定，这个角度是通过拐杖头1的形状确定的。

第三步，根据障碍物检测信号，判断障碍物与机箱19的相对位置二。相对位置二则是根据超声波传感器22所处于的位置所决定，由于超声波传感器22的数量至少为三个，这样在任意径向上的超声波传感器22产生检测信号时都能确定该方向上存在障碍物，同时能够确定障碍物所在的大致方位。

第四步，计算相对位置一、相对位置二同机箱19的偏差角度。相对位置一和相对位置二实际上就相当于两个点，而机箱19的中轴线在水平面的映射点则为参照点，从而能够构成一个三角形，而偏差角度则为参照点所在的角度。

第五步，判断偏差角度是否大于一个预设角度。预设角度可以根据实际需要进行确定，可以设置为15度，也可以设置为20度，这需要根据超声波传感器22的检测距离以及拄杖人与机箱19之间的距离进行确定。

第六步，在偏差角度小于预设角度时，通过各个伺服电机21驱使对应的麦克纳姆轮20转动，使机箱19旋转直至偏差角度大于预设角度。这样，在偏差角度较小就可以直接使拐杖旋转，拄杖人也能够跟随转动，从而避开障碍物，这对于盲人等弱视人群具有重要的导向避障作用。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种自动伸缩式智能拐杖，其特征在于，其包括：

拐杖头(1)；

上杆(7)，其顶端与拐杖头(1)连接；上杆(7)的外壁上具有等间距设置的多个凸起块(10)；

下杆(12)，其内部开设有延伸至其顶端且与上杆(7)相配合的滑道(15)；滑道(15)的内壁上开设有分别与多个凸起块(10)对应的多个凹槽(13)；在上杆(7)的底端插入在下杆(12)的顶端中时，至少一个凸起块(10)限位在对应的凹槽(13)中；以及

避障车(17)，其包括机箱(19)、至少三个伺服电机(21)、分别与至少三个伺服电机(21)对应的至少三个麦克纳姆轮(20)、分别与至少三个麦克纳姆轮(20)对应的至少三个超声波传感器(22)以及控制板(23)；下杆(12)的底端安装在机箱(19)上；至少三个麦克纳姆轮(20)安装在机箱(19)上，并环绕机箱(19)的上杆(7)的中心轴设置，并能够在转动时使机箱(19)自旋；每个伺服电机(21)用于驱动对应的麦克纳姆轮(20)转动；每个超声波传感器(22)安装在机箱(19)上，并用于检测对应的麦克纳姆轮(20)前进方向上的障碍物，且在检测到障碍物时产生障碍物检测信号；控制板(23)用于先通过拐杖头(1)与机箱(19)的相对旋转角度判断拄杖人与机箱(19)的相对位置一，再根据所述障碍物检测信号，判断所述障碍物与机箱(19)的相对位置二，然后计算所述相对位置一、所述相对位置二同机箱(19)的偏差角度，再然后判断所述偏差角度是否大于一个预设角度，最后在所述偏差角度小于所述预设角度时，通过各个伺服电机(21)驱使对应的麦克纳姆轮(20)转动，使机箱(19)旋转直至所述偏差角度大于所述预设角度。

2.如权利要求1所述的自动伸缩式智能拐杖，其特征在于，拐杖头(1)的底端为球形头(5)，上杆(7)的顶端开设有与球形头(5)配合的球形孔洞(9)。

3.如权利要求1所述的自动伸缩式智能拐杖，其特征在于，所述自动伸缩式智能拐杖还包括：

挡块(11)，其在上杆(7)与下杆(12)配合后插入在滑道(15)中，并与所有凹槽(13)位于同一个圆环上。

4.如权利要求1所述的自动伸缩式智能拐杖，其特征在于，下杆(12)的底端开设外螺纹(14)，机箱(19)的顶端中部开设与外螺纹(14)螺纹配合的螺纹孔(18)。

5.如权利要求1所述的自动伸缩式智能拐杖，其特征在于，机箱(19)呈半球形，至少三个麦克纳姆轮(20)分别通过相对应的至少三个定位柱而定位在机箱(19)上，至少三个定位柱的同一端固定在机箱(19)的球心处。

6.如权利要求1所述的自动伸缩式智能拐杖，其特征在于，凸起块(10)与凹槽(13)均呈扇形，凸起块(10)与凹槽(13)的内角均为90°。

7.如权利要求1所述的自动伸缩式智能拐杖，其特征在于，拐杖头(1)为中空结构，且沿轴向开设有圆形孔一(4)，沿径向开设有与圆形孔一(4)连通的圆形孔二(6)；上杆(7)沿轴向开设有与圆形孔一(4)连通的圆形孔三(8)，圆形孔三(8)与圆形孔二(6)连通；下杆(12)沿轴向开设有圆形孔四(16)，圆形孔四(16)通过滑道(15)与圆形孔三(8)连通，且连通机箱(19)的内部。

8.如权利要求1所述的自动伸缩式智能拐杖，其特征在于，避障车(17)还包括报警模块(25)和至少一个摄像头(24)；摄像头(24)安装在机箱(19)上，并用于拍摄机箱(19)外的动态图像；在超声波传感器(22)检测到所述障碍物时，控制板(23)还用于根据所述动态图像，先获取所述动态图像中的障碍物轮廓，再将所述障碍物轮廓与一个预设人体倒地轮廓对比，并获得相似度，最后判断所述相似度是否大于一个预设相似程度，并在所述相似度大于所述预设相似程度时驱使所述报警模块发出倒地报警信息。

9.如权利要求1所述的自动伸缩式智能拐杖，其特征在于，拐杖头(1)上开设有按压安装孔(2)；所述自动伸缩式智能拐杖还包括：

按压开关，其安装在按压安装孔(2)中，且按压端凸出拐杖头(1)的外表面；所述按压开关用于打开或关闭避障车(17)的供电系统，所述供电系统用于向伺服电机(21)、超声波传感器(22)以及控制板(23)供电。

10.一种自动伸缩式智能拐杖的智能避障方法，其应用于如权利要求1-9中任意一项所述的自动伸缩式智能拐杖中，其特征在于，其包括以下步骤：

检测对应的麦克纳姆轮(20)前进方向上的障碍物，且在检测到障碍物时产生障碍物检测信号；

通过拐杖头(1)与机箱(19)的相对旋转角度判断拄杖人与机箱(19)的相对位置一；

根据所述障碍物检测信号，判断所述障碍物与机箱(19)的相对位置二；

计算所述相对位置一、所述相对位置二同机箱(19)的偏差角度；

判断所述偏差角度是否大于一个预设角度；

在所述偏差角度小于所述预设角度时，通过各个伺服电机(21)驱使对应的麦克纳姆轮(20)转动，使机箱(19)旋转直至所述偏差角度大于所述预设角度。

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