CN116077283A - 一种带机械臂的自平衡轮椅 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种带机械臂的自平衡轮椅，属于医疗器械领域。包括轮椅椅背、底座、扶手、车轮、脚托、六自由度机械臂、操作摇杆、麦克风、摄像头、电气盒和电池，通过电机驱动轮椅和机械臂进行运动，保持轮椅自平衡状态，同时，加入语音识别模块、路径规划模块，使用者可选择全自主驱动模式或半自主驱动模式，全自主驱动模式即语音控制轮椅和机械臂运动，半自主模式即操作摇杆控制轮椅和机械臂的运动，摄像头和路径规划模块辅助完成精准抓取和轮椅避障任务。丰富了轮椅功能的多样性，提高了使用者的自理能力，解决了现有技术中轮椅功能单一的问题。

Description

一种带机械臂的自平衡轮椅
技术领域
本发明属于医疗器械领域，具体地说，本发明设计一种带机械臂的自平衡轮椅。
背景技术
目前，随着老年人和残疾人数量的不断增加，轮椅作为代步工具受到广泛关注。普通轮椅需要使用者自己转动把手或者需要他人帮助使用，使用者行动受限、较为不便，因此安全、智能化的轮椅就显得格外重要。人们尝试设计了不同智能轮椅，并进行了有益探索：
彭海军等人(参考文献：彭海军,杨朝中,杨浩.一种带有连续型机械臂的养老辅助智能轮椅[P].辽宁省：CN114587806A,2022-06-07.)采用电动四轮轮椅和连续型机械臂帮助老年人完成指定位置抓取物品等日常生活操作。郑柏阳等人(参考文献：郑柏阳,张天海,姚丽,陈少克,陈思源,陈志勇,宋盼盼,李志杰,刘万鑫,刘俊杰,耿至锴.一种智能轮椅[P].广东省：CN114392067A,2022-04-26.)在轮椅中增加摄像头和语音识别模块，使用人工智能算法识别用户指令，并生成控制指令，用户通过下达指令即可完成轮椅运动。
上述方法多采用四轮轮椅，遇到地面坑洼以及上下台阶问题时，无法有效保持其稳定性；通过指令控制轮椅运动，无法完成自主避障等；上述方法或通过语音指令进行全自主控制，或直接使用轮椅操纵杆进行半自主控制，使用时都有一定局限性。
不同于上述方法，本专利使用两轮轮椅可以实现上下台阶，自平衡系统保证轮椅时刻处于稳定平衡状态，通过机械臂代替人手完成一系列操作，实现轮椅智能化，选择全自主控制和半自主控制相结合的控制方法，为使用者提供更多的选择，使用者可以随时切换操作方式，提高了使用者的自理能力，极好地满足老年人和残疾人的出行需求。
发明内容
本发明的目的在于，克服现有技术存在的缺陷，在轮椅上集成机械臂，加入视觉导航定位系统，改变传统四轮电动轮椅为两轮自平衡轮椅，采用智能控制技术辅助使用者的移动和操作，提供一种带机械臂的自平衡轮椅。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种带机械臂的自平衡轮椅，包括底座1、椅背2、扶手3、车轮4、可伸缩杆5、脚托6、电气盒7、第一电机8、第二电机9、操作摇杆10、六自由度机械臂11、两指型操作手12、摄像头A13、摄像头B14、电池15、麦克风16和倾角传感器17；
所述椅背2设置在底座1后侧，所述车轮4共两个，分别通过第一支撑杆连接设置在底座1下方，所述扶手3竖直设置在底座1两侧，所述脚托6通过可伸缩杆5连接在底座1前侧下方，所述六自由度机械臂11连接于右侧的扶手3末端，六自由度机械臂11垂直于扶手3设置，所述操作摇杆10连接在右侧的扶手3上，位于六自由度机械臂11的前侧，所述麦克风16设置在右侧的扶手3上，位于操作摇杆10前侧，所述电气盒7设置在底座1下方的第一支撑杆上，所述摄像头B14设置在左侧的扶手3下侧，所述电池15设置于椅背2的背部，所述倾角传感器17设置于底座1的下侧，两指型操作手12设置于六自由度机械臂11的末端；两指型操作手12与六自由度机械臂11的连接处设置摄像头A13。
所述的电气盒7分别与第一电机8、第二电机9、操作摇杆10、六自由度机械臂11、两指型操作手12、摄像头A13、摄像头B14、电池15、麦克风16、倾角传感器17相连，电气盒7用来控制设备中各个部件的运行；电气盒7包括操作摇杆接收模块、语音识别模块、角度测量模块、路径规划模块和控制单元。
操作摇杆接收模块用于接收自操作摇杆10的运动信号，并将运动信号传输给控制单元，电气盒与第一电机8、第二电机9相连，第一电机8与车轮4相连，第二电机9与六自由度机械臂11相连，控制单元读取操作摇杆接收模块的控制信号，分别控制第一电机8和第二电机9使车轮4和六自由度机械臂11运动；
倾角传感器17检测轮椅的倾斜角度，角度测量模块用于接收来自倾角传感器17检测的倾斜角度信号，并传递信息至控制单元，控制单元通过倾斜角度信号来判断车轮4的加速或减速，进而控制第一电机8使车轮4加速或减速；
麦克风16接收使用者发出的语音指令，语音识别模块用于接收来自麦克风16的语音信号，语音识别模块将语音信号转换成电信号，并处理输出不同的动作指令信号，不同的动作指令信号传递信息至控制单元，控制单元分别控制第一电机8和第二电机9使车轮4和六自由度机械臂11运动；
摄像头A13用于采集两指型操作手12的动作图像，摄像头B14用于采集轮椅前方的情景图像；路径规划模块接收来自摄像头A13、摄像头B14的图像，经过图像处理、识别、定位，生成合理的路径规划方案，控制单元分别控制第一电机8和第二电机9使车轮4和六自由度机械臂11运动；
本发明的有益效果是：本发明提供了一种带机械臂的自平衡轮椅，包括轮椅椅背、底座、扶手、车轮、脚托、六自由度机械臂、操作摇杆、麦克风、摄像头、电气盒和电池，通过电机驱动轮椅和机械臂进行运动，保持轮椅自平衡状态，同时，加入语音识别模块、路径规划模块，使用者可选择全自主驱动模式或半自主驱动模式，全自主驱动模式即语音控制轮椅和机械臂运动，半自主模式即操作摇杆控制轮椅和机械臂的运动，摄像头和路径规划模块辅助完成精准抓取和轮椅避障任务。丰富了轮椅功能的多样性，提高了使用者的自理能力，解决了现有技术中轮椅功能单一的问题。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单说明。
图1是本发明的结构示意图；
图2是电气盒运行模块示意图；
图中：1底座，2椅背，3扶手，4车轮，5可伸缩杆，6脚托，7电气盒，8第一电机，9第二电机，10操作摇杆，11六自由度机械臂，12两指型操作手，13摄像头A，14摄像头B，15电池，16麦克风，17倾角传感器。
具体实施方式
以下将结合实施例和附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果进行清楚、完整地描述，以充分地理解本发明的目的、特征和效果。显然，所描述的实施例只是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例，基于本发明的实施例，本领域的技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的其他实施例，均属于本发明保护的范围。
实施例1，参考图1和图2，提供一种带机械臂的自平衡轮椅，包括底座1、椅背2、扶手3、车轮4、可伸缩杆5、脚托6、电气盒7、第一电机8、第二电机9、操作摇杆10、六自由度机械臂11、两指型操作手12、摄像头A13、摄像头B14、电池15、麦克风16和倾角传感器17；所述椅背2设置在底座1后侧，所述车轮4共两个，分别通过第一支撑杆连接设置在底座1下方，所述扶手3竖直设置在底座1两侧，所述脚托6通过可伸缩杆5连接在底座1一侧下方，所述六自由度机械臂11连接于右侧的扶手3末端，六自由度机械臂11垂直于扶手3设置，所述操作摇杆10连接在右侧的扶手3上，位于六自由度机械臂11的前侧，所述麦克风16设置在右侧的扶手3上，位于操作摇杆10前侧，所述电气盒7设置在底座1下方的第一支撑杆上，所述摄像头B14设置在左侧的扶手3下侧，所述电池15设置于椅背2的背部，所述倾角传感器17设置于底座1的下侧，两指型操作手12设置于六自由度机械臂11的末端；两指型操作手12与六自由度机械臂11的连接处设置摄像头A13。
本实施例中，电气盒7为400mm×300mm×150mm的铸铝箱体，内置InterNUC迷你电脑，InterNUC包括操作摇杆接收模块、语音识别模块、角度测量模块、路径规划模块和控制单元，各模块接收轮椅各部件信息，运行程序处理部件信息，控制单元读取各模块信息，通过基于主模型的自平衡控制算法和基于自适应控制方法计算电机扭矩，控制电机的启动和暂停，当操作摇杆10或麦克风16的语音指令控制轮椅和六自由度机械臂11运动时，第一电机8驱动车轮4转动，第二电机9驱动六自由度机械臂11运动。
本实施例中，操作摇杆为KUKA 6D鼠标00-100-782遥杆，控制上下、左右、前后方向，操作摇杆信息传递至Inter NUC的操作摇杆接收模块，控制单元读取操作摇杆接收模块信息，控制轮椅行进和六自由度机械臂11运动，通过语音指令切换操作摇杆10对轮椅和六自由度机械臂11的控制，操作摇杆10控制轮椅行进时，使用者通过在前后左右四个方向推拉操作摇杆10，实现轮椅前后运动、左右转向；操作摇杆10控制六自由度机械臂11运动时，使用者通过在前后左右四个方向推拉操作摇杆10，以及在向上和向下两个方向拉按操作摇杆10，实现六自由度机械臂11六个方向的运动。
本实施例中，语音识别模块引用王斐等人(参考文献：王斐,刘鑫,丁鹏.一种新型服务机器人语音识别方法[P].辽宁：CN108847238A,2018-11-20.)处理语音指令信号，进行语音分离，文本筛选，当识别文本包含前、后、左、右、停时，轮椅做出响应，未指定速度情况下，车轮以1m/s的速度运动，最高速度2m/s，未指定角度情况下，车轮差速运动转弯45°；当识别文本包含抓、取时，路径规划模块识别定位目标物体，六自由度机械臂11和两指型操作手12做出响应；当识别文本包含轮椅、车轮4时，操作摇杆10切换控制对象为车轮4，即控制单元读取操作摇杆10接收模块信息，控制第一电机8；当识别文本包含六自由度机械臂11时，操作摇杆10切换控制对象为六自由度机械臂11和两指型操作手12，即控制单元读取操作摇杆10接收模块信息，控制第二电机9。
本实施例中，倾角传感器17为陀螺仪MPU6050，水平安装在底座1的下侧，测量轮椅的俯仰角度和角速度，传递数据至角度测量模块，若使用者身体前倾、轮椅速度减小或轮椅刹车时导致轮椅前倾，控制单元读取角度测量模块的数据，基于轮椅俯仰角度和角速度计算第一电机8扭矩，控制第一电机8使车轮4转速减小，从而使轮椅向后倾倒达到平衡状态；若使用者身体后仰、轮椅速度增加或轮椅启动时导致轮椅后仰，控制单元接收倾角传感器测量数据，基于轮椅俯仰角度计算第一电机8扭矩，控制第一电机8使车轮4转速增加，从而使轮椅向前倾倒达到平衡。
本实施例中，脚托设置在轮椅下方，其中，当第一电机8处于停止状态，即轮椅处于静止状态时，连接脚托的伸缩杆处于伸直状态，支撑轮椅防止断电后倾倒；当第一电机8处于驱动状态，即轮椅处于运动状态时，伸缩杆处于收缩状态，防止脚托触地。
本实施例中，摄像头B14为Intel realsense D455深度摄像头，设置在左侧扶手下侧，摄像头与Inter NUC连接，摄像头B14获取轮椅前方的情景图像，将图像传递至InterNUC中的路径规划模块，通过已有的SSD目标检测算法识别轮椅的行进方向的障碍物，进行点云建图，引用邓威耀(参考文献：邓威耀.室内移动机器人路径规划与跟踪控制研究[D].燕山大学,2021.)RRT算法规划轮椅的运动路径，控制单元读取路径规划模块信息，通过基于主模型的自平衡控制算法控制轮椅运动：其中，使用者采取全自主模式，下达语音指令控制轮椅运动，Inter NUC运行相关程序，实现轮椅的前进、后退、转弯等操作；使用者采取半自主模式，使用操作摇杆控制轮椅运动，通过摄像头B14和路径规划模块判断轮椅的行进方向有无障碍物，若有障碍物，及时发出障碍物预警提示，停止轮椅行进，辅助完成运动。
本实施例中，所述六自由度机械臂11为KinovaGen3机械臂，所述两指型操作手12为robotiq自适应2指夹持器，最大负载为5kg，抓取力在20-235N范围内，替代使用者完成抓取物体活动。两指型操作手12与六自由度机械臂11的连接处设置Intel realsense D455深度摄像头13，摄像头13获取两指型操作手前方图像，将图像传递至Inter NUC中的路径规划模块，路径规划模块通过已有的SSD目标检测算法识别定位目标物体，获得目标物体的位置信息，进行点云建图，采用王江(参考文献：王江.多关节机械臂路径规划和控制方法研究[D].北京化工大学,2020.)RRT算法规划六自由度机械臂11的运动路径，控制单元基于自适应PD控制方法机械臂进行精确抓取：其中，使用者采用全自主模式时，即通过语音指令控制机械臂，Inter NUC运行相关程序，实现六自由度机械臂11抓取操作；使用者采用半自主模式时，即通过操作摇杆10控制六自由度机械臂11运动过程中，摄像头和路径规划模块起辅助定位的作用，帮助调节机械臂位姿，辅助完成精确抓取。
本实施例中，所述基于主模型的自平衡控制算法，首先建立动力学模型。状态空间方程为：
Figure BDA0003884191180000051
其中，q1为轮椅运动位移，q2为轮椅倾角，mc为轮椅质量，mp为使用者的重量，L为人体重心到车轮轴心的竖直距离，d1、d2为轮椅位移和车轮与连杆之间的阻尼系数。
基于主模型的自平衡控制算法把轮椅相关状态变量及微分加入到状态反馈，完成轮椅倾角及行进的控制，通过状态反馈增益矩阵K使成本代价函数J取最小值。成本代价函数为：
Figure BDA0003884191180000052
其中，x(t)为状态向量，u(t)输入向量，Q和R为加权矩阵，Q为半正定矩阵，R为正定矩阵。
对模型进行离散化；
状态方程：x(k+1)＝x(k)+[Ax(k)+Bu(k)]δt
成本代价函数：
Figure BDA0003884191180000061
其中，
Figure BDA0003884191180000062
定义最优值函数为：
Figure BDA0003884191180000063
对最优值函数泰勒展开：
Figure BDA0003884191180000064
整理得：
Figure BDA0003884191180000065
假设值函数为:V*＝xTPx，其中P为对称正定矩阵。代入方程为：
Figure BDA0003884191180000066
方程
Figure BDA0003884191180000067
有解时，存在输入量u*使得成本代价函数J得到最小值：u*＝-R-1BTPx＝-Kx，其中，PA+ATP-PBR-1BTP+Q＝0。
以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (1)

1.一种带机械臂的自平衡轮椅，其特征在于，包括底座(1)、椅背(2)、扶手(3)、车轮(4)、可伸缩杆(5)、脚托(6)、电气盒(7)、第一电机(8)、第二电机(9)、操作摇杆(10)、六自由度机械臂(11)、两指型操作手(12)、摄像头A(13)、摄像头B(14)、电池(15)、麦克风(16)和倾角传感器(17)；
所述椅背(2)设置在底座(1)后侧，所述车轮(4)共两个，分别通过第一支撑杆连接设置在底座(1)下方，所述扶手(3)竖直设置在底座(1)两侧，所述脚托(6)通过可伸缩杆(5)连接在底座(1)前侧下方，所述六自由度机械臂(11)连接于右侧的扶手(3)末端，六自由度机械臂(11)垂直于扶手(3)设置，所述操作摇杆(10)连接在右侧的扶手(3)上，位于六自由度机械臂(11)的前侧，所述麦克风(16)设置在右侧的扶手(3)上，位于操作摇杆(10)前侧，所述电气盒(7)设置在底座(1)下方的第一支撑杆上，所述摄像头B(14)设置在左侧的扶手(3)下侧，所述电池(15)设置于椅背(2)的背部，所述倾角传感器(17)设置于底座(1)的下侧，两指型操作手(12)设置于六自由度机械臂(11)的末端；两指型操作手(12)与六自由度机械臂(11)的连接处设置摄像头A(13)；
所述的电气盒(7)分别与第一电机(8)、第二电机(9)、操作摇杆(10)、六自由度机械臂(11)、两指型操作手(12)、摄像头A(13)、摄像头B(14)、电池(15)、麦克风(16)、倾角传感器(17)相连，电气盒(7)用来控制设备中各个部件的运行；电气盒(7)包括操作摇杆接收模块、语音识别模块、角度测量模块、路径规划模块和控制单元；
操作摇杆接收模块用于接收自操作摇杆(10)的运动信号，并将运动信号传输给控制单元，电气盒与第一电机(8)、第二电机(9)相连，第一电机(8)与车轮(4)相连，第二电机(9)与六自由度机械臂(11)相连，控制单元读取操作摇杆接收模块的控制信号，分别控制第一电机(8)和第二电机(9)使车轮(4)和六自由度机械臂(11)运动；
倾角传感器(17)检测轮椅的倾斜角度，角度测量模块用于接收来自倾角传感器(17)检测的倾斜角度信号，并传递信息至控制单元，控制单元通过倾斜角度信号来判断车轮(4)的加速或减速，进而控制第一电机(8)使车轮(4)加速或减速；
麦克风(16)接收使用者发出的语音指令，语音识别模块用于接收来自麦克风(16)的语音信号，语音识别模块将语音信号转换成电信号，并处理输出不同的动作指令信号，不同的动作指令信号传递信息至控制单元，控制单元分别控制第一电机(8)和第二电机(9)使车轮(4)和六自由度机械臂(11)运动；
摄像头A(13)用于采集两指型操作手(12)的动作图像，摄像头B(14)用于采集轮椅前方的情景图像；路径规划模块接收来自摄像头A(13)、摄像头B(14)的图像，经过图像处理、识别、定位，生成合理的路径规划方案，控制单元分别控制第一电机(8)和第二电机(9)使车轮(4)和六自由度机械臂(11)运动。
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