CN209500102U - 一种室内自主导航物联的智能轮椅车 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种室内自主导航物联的智能轮椅车，具有在无GPS的室内建立环境地图、自主运行、自主探测环境、自主定位、自主导航、自动避障等智能化新功能，除了可替代普通轮椅之外，对于无力手扳车轮、无视力判断环境、无能操控普通电动轮椅的使用人，以及在现场有动态障碍需灵活判断和操控的场合，具有突出的自适应性，还可具有远程监视和操控、与智能家居物联的先进性；该智能轮椅车是以电池为动力、乘坐人自控可平面万向运动(在地面前进、后退、转弯、左右横向移动和原地转动)、可在室内建立环境地图、自主导航和自动避障、而且能够通过互联网遥控以及可物联控制的智能家居。

Description

一种室内自主导航物联的智能轮椅车

技术领域

本实用新型涉及智能家居技术领域，具体涉及一种室内自主导航物联的智能轮椅车。

背景技术

轮椅是残疾人、体力不支的病人和老人的常用设备，但是传统轮椅应用上有许多不足之处：手扳轮椅需乘坐人双手驱动，不能自动运行，费时费力，手功能不全残疾人或体力不支病人、老人难以自己操控；电动轮椅虽然不依靠人力驱动，但在运行中一直需要乘坐人操控速度和方向以及停车，不能根据预设目的地自动驾驶，也无法远程监视和操控；手扳和电动轮椅都不能横向运行和原地转动。

社会对于轮椅的需求量日趋增多，对轮椅的功能性也日趋提高，特别是随着社会进入老龄化阶段，人口红利逐渐丧失，护理劳力日趋紧张。另一方面，随着制造技术和计算机技术、机器人技术、物联网技术的发展，基于这些技术(平面万向运动平台、高集成微型计算机、开源机器人操作系统、激光和视觉/深度及其他环境感知传感器、信息无线传输、互联网等)的创新融合，使自主运行的智能新型轮椅的实现成为可能，并可将此智能轮椅车作为可远程操控智能家居的一个组成部分和物联网大数据的重要数据采集和应用端口。

实用新型内容

本实用新型的目的是为了解决现有技术中的上述缺陷，提供一种室内自主导航物联的智能轮椅车，该智能轮椅车是以电池为动力、乘坐人自控可平面万向运动(在地面前进、后退、转弯、左右横向移动和原地转动)、可在室内建立环境地图、自主导航和自动避障、而且能够通过互联网遥控以及可物联控制的智能家居。

本实用新型的技术目的通过下述技术方案实现：

一种室内自主导航物联的智能轮椅车，所述的智能轮椅车包括：平面万向运动底盘1、座椅组件2、底箱3、环境感知传感器组件4、操控组件5；

其中，所述的平面万向运动底盘1用于承力、提供轮椅车在地面的运动动力、提供所述的座椅组件2和所述的底箱3的安装基础；

所述的平面万向运动底盘1包括万向轮6、闭环伺服电机及驱动器7、旋转编码器8、车架9，所述的万向轮6安装在车架9的底部，由相连的闭环伺服电机及驱动器7和旋转编码器8控制；

所述的平面万向运动底盘1还包括座椅固定安装件10(孔销、螺钉等)和底箱固定安装件11(孔销、螺钉等)；

其中，所述的座椅组件2通过所述的座椅固定安装件10固定安装在所述的平面万向运动底盘1的上方，用于载人并提供所述的环境感知传感器组件4和操控组件5的安装基础；

其中，所述的底箱3通过所述的底箱固定安装件11固定安装在所述的平面万向运动底盘1和所述的座椅组件2的下方，用于提供电能、控制环境传感器采集信息和信息传输、运算处理信息、控制所述的平面万向运动底盘1的运动；

其中，所述的环境感知传感器组件4包括传感器安装器26、激光雷达27、相机28，所述的环境感知传感器组件4通过所述的传感器安装器26固定安装在所述的座椅组件2上，用于获取环境动态信息，所述的激光雷达27和所述的相机28固定在所述的传感器安装器26上；

其中，所述的操控组件5固定安装在所述的座椅组件2上，为使用者提供操控轮椅车的媒介。

进一步地，所述的座椅组件2包括座椅支架12以及分别固定在座椅支架12上的座板13、靠背14、扶手15、踏脚16，所述的座椅支架12上有与座椅固定安装件10的配装结构、固定安装环境感知传感器组件4和操控组件5的结构。

进一步地，所述的万向轮6是4个结构对称的麦克纳姆轮(含悬挂安装件)，每个麦克纳姆轮分别配装一个闭环伺服电机及驱动器7和一个旋转编码器8；或者所述的万向轮6是两个差速轮和一个或两个被动轮，其中，每个差速轮配装一个闭环伺服电机及驱动器7和一个旋转编码器8。

进一步地，所述的激光雷达27是一维线性激光发射器，配装或不配装转动云台，或者是二维线性激光发射器组成的3D扫描雷达；所述的相机28是不可见光深度信息相机或者可见光面阵相机。

进一步地，所述的底箱3包括壳体17、高集成微型计算机(含嵌入式控制器)18、上位计算机19、信息无线传输和网络端口20、电池21，其中，所述的高集成微型计算机18装有开源机器人操作系统22和信息采集与传输装置23以及数据处理与机电控制装置24；所述的上位计算机19装有用户扩展应用装置25和部分信息处理装置；所述的壳体17外表面有与所述的底箱固定安装件11的配装结构。

进一步地，所述的操控组件5包括操作面板29、显示器30、麦克风31、柔性支架32，其中，所述的操作面板29是手指按键式或触摸式(对盲人使用者可以是盲文触摸按键)，安装在座椅支架12的左侧或右侧扶手15上；所述的显示器30和所述的麦克风31安装固定在柔性支架32上(共用一根柔性支架或各自单用一根柔性支架)；所述的柔性支架32上有与座椅支架12配装的结构。

进一步地，当所述的激光雷达27是一维线性激光发射器，轮椅车行进与激光雷达27构成平面扫描，创建室内环境二维平面地图；

当所述的激光雷达27是二维线性激光发射器，轮椅车行进与激光雷达27构成三维扫描，创建室内环境三维立体地图；

上述二维平面地图和三维立体地图上都显示出通道和占位区。

进一步地，所述的智能轮椅车通过所述的信息无线传输和网络端口20与外部网络进行无线连接。

进一步地，一种室内自主导航物联的智能轮椅车的控制方法，所述的控制方法包括下列步骤：

开启智能轮椅车电源，电池21向各个需要用电的器件供电、各装置参数初始化；

在无门槛无台阶的多房间室内，通过操控轮椅车扶手15上的操作面板29使智能轮椅车在室内现场可通行通道行进，去到各室巡航一圈回到起点(对行进速度和路径先后无要求)，行进中环境感知传感器组件4(激光雷达27或相机28单独或两者同时)扫描智能轮椅车前方环境，将信息传送给高集成微型计算机18，同时旋转编码器8也将万向轮6的转动信息传送给高集成微型计算机18，通过开源机器人操作系统22和信息采集与传输装置23以及数据处理与机电控制装置24，快速创建运行环境地图并栅格化分区和标示区号，在显示器30上显示地图生成过程和结果，其中，当所述的激光雷达27是一维线性激光发射器，轮椅车行进与激光雷达27构成平面扫描，创建室内环境二维平面地图，当所述的激光雷达27是二维线性激光发射器，轮椅车行进与激光雷达27构成三维扫描，创建室内环境三维立体地图，上述二维平面地图和三维立体地图上都显示出通道和占位区；

通过操作面板29将轮椅车行进速度调到自感适合的程度，将显示器30的显示屏调节到方便观察位置，然后通过操作面板29或麦克风31指定欲去的区域，按下开始运行键或说出开始运行命令，数据处理与机电控制装置24快速自主规划出轮椅车行进路线，随即轮椅车自动运行；

运行中数据处理与机电控制装置24根据激光雷达27或相机28动态采集到的环境信息给出轮椅实时定位，在显示器30上显示轮椅车运行轨迹和定位的动态变化；

当探测到将通行路径上有新障碍时，智能轮椅车自动放慢行走速度或停止，对周围环境进行探测，自动判断和找到可绕行通道，重新规划路线，然后自动继续朝目标点行进，直到到达目的地，并停止在规定方位。

进一步地，所述的控制方法还包括下列步骤：

当需要就地控制智能轮椅车精确运动时，通过操作面板29或麦克风31给出操控指令，所述的操控指令包括“前移”、“后退”、“左移”、“右移”、“左转”、“右转”，轮椅车将一步步执行指令，到达使用者指定的精确位置；如果在轮椅车上配置鼠标或触控显示屏，则通过操作鼠标或触控显示屏来指定欲达精确方位。

本实用新型相对于现有技术具有如下的优点及效果：

1)、本实用新型提出一种室内自主导航物联的智能轮椅车，具有在无GPS的室内建立环境地图、自主运行、自主探测环境、自主定位、自主导航、自动避障等智能化新功能，除了可替代普通轮椅之外，对于无力手扳车轮、无视力判断环境、无能操控普通电动轮椅的使用人，以及在现场有动态障碍需灵活判断和操控的场合，具有突出的自适应性，还可具有远程监视和操控、与智能家居物联的先进性；

2)、本实用新型提出的智能轮椅车可以应用在家庭室内环境、也可以是养老院、医院室内环境，包括内走廊和升降式电梯环境；

3)、本实用新型可带来智能轮椅车使用者增强个人在室内运动的自助自控能力并增大其安全性、减少陪护人员、监护人可远程监视和操控等显著效益。

附图说明

图1是本实用新型公开的智能轮椅车结构图；

图2是本实用新型中的平面万向运动底盘结构图；

图3是本实用新型中的座椅组件结构图；

图4是本实用新型中的底箱结构图；

图5是本实用新型中的环境感知与操控组件结构图；

图6是多居室套房平面布置图；

图7是室内运行环境栅格地图；

图8是自主规划出轮椅车从当前位置到目标区的行进路线图。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

实施例

本实施例公开了一种智能轮椅车，其本质是一种智能移动机器人，由如图1所示的平面万向运动底盘1、座椅组件2、底箱3、环境感知传感器组件4、操控组件5等五大部分(模块)组成。

平面万向运动底盘1由如图2所示的万向轮6、闭环伺服电机及驱动器及驱动器7、旋转编码器8、车架9组成，其中万向轮6是4个结构对称的麦克纳姆轮(含悬挂安装件)，每个麦克纳姆轮分别配装一个闭环伺服电机及驱动器7和一个旋转编码器8；万向轮6也可以是两个差速轮和两个被动轮，每个差速轮配装一个闭环伺服电机及驱动器7和一个旋转编码器8；车架9包括座椅固定安装件10(孔销、螺钉等)、底箱固定安装件11(孔销、螺钉等)。

座椅组件2由如图3所示的座椅支架12、座板13、靠背14、扶手15、踏脚16等构成，座椅支架12上有与座椅固定安装件10的配装结构、固定安装环境感知传感器组件4和操控组件5的结构。

底箱3由如图4所示的壳体17、高集成微型计算机(含嵌入式控制器)18、上位计算机19、信息无线传输和网络端口20、电池21组成，其中高集成微型计算机18装有开源机器人操作系统22和信息采集与传输装置23以及数据处理与机电控制装置24；上位计算机19装有用户扩展应用装置25和部分信息处理装置；壳体17外表面有与底箱固定安装件11的配装结构。

环境感知传感器组件4包括传感器安装器26、激光雷达27、相机28，还可以包括其他环境感知传感器如超声波雷达；传感器安装器26上有安装固定激光雷达27和相机28的结构、与座椅支架12配装的结构；激光雷达27可以是一维线性激光发射器，配装或不配装转动云台，也可以是二维线性激光发射器组成的3D扫描雷达；相机28可以是不可见光深度信息相机或者可见光面阵相机。

操控组件5包括如图5所示的操作面板29、显示器30、麦克风31、柔性支架32；操作面板29可以是手指按键式或触摸式(对盲人使用者可以是盲文触摸按键)，可以安装在座椅的左侧或右侧扶手15上；显示器30和麦克风31安装固定在柔性支架32上(共用一根柔性支架或各自单用一根柔性支架)，柔性支架32上有与座椅支架12配装的结构。

平面万向运动底盘1的主要功能是承力、提供轮椅车在地面的运动、提供座椅组件2和底箱3的安装基础；座椅组件2的主要功能是载人和提供安装环境感知传感器组件4和操控组件5的基础；底箱3的主要功能是提供电能、控制环境传感器采集信息和信息传输、运算处理信息、控制底盘1运动；环境感知传感器组件4的主要功能是获取环境动态信息；操控组件5的主要功能是为使用者提供操控轮椅车的媒介；需用电的器件之间以及与电池之间有线连接。

本实施例公开的一种室内自主导航物联的智能轮椅车的工作流程的开始是创建室内环境地图。开启轮椅车电源，电池21向各个需要用电的器件供电、各装置参数初始化；在无门槛无台阶的多房间室内，乘轮椅车者本人或者其他人先通过轮椅车扶手15上的操作面板29使轮椅车在室内现场可通行通道行进，去到各室巡航一圈回到起点(对行进速度和路径先后无要求)，行进中环境感知传感器组件4(激光雷达27或相机28单独或两者同时)扫描轮椅车前方环境，将信息传送给高集成微型计算机18，同时旋转编码器8也将万向轮6的转动信息传送给高集成微型计算机18，通过开源机器人操作系统22和信息采集与传输装置23以及数据处理与机电控制装置24，快速创建运行环境地图并栅格化分区和标示区号，在显示器30上可视地图生成过程和结果；如果安装的激光雷达27是一维激光线性的，轮椅车行进与激光雷达27构成平面扫描，创建的是室内环境平面地图；如果安装的激光雷达27是二维线性的，或者装有相机28，则轮椅车运动与之合成三维扫描，创建的是室内环境三维地图；二维和三维地图上都可显示出通道和占位区。

创建室内环境地图之后就可以使用轮椅车自主运行。使用者先通过操作面板29将轮椅车行进速度调到自感适合的程度，将显示屏调节到方便观察位置；然后通过操作面板29或麦克风31指定欲去的区域，按下开始运行键或说出开始运行命令，数据处理与机电控制装置24快速自主规划出轮椅车行进路线，随即轮椅车自动运行；运行中数据处理与机电控制装置24根据激光雷达27或相机28动态采集到的环境信息给出轮椅实时定位，在显示器30上可视轮椅车运行轨迹和定位的动态变化；当探测到将通行路径上有新障碍时，轮椅车自动放慢行走速度或停止，对周围环境进行探测，自动判断和找到可绕行通道，重新规划路线，然后自动继续朝目标点行进，直到到达目的地，并停止在规定方位。

当使用者需要就地控制轮椅车精确运动，可以通过操作面板29或麦克风31给出操控指令，如“前移”、“后退”、“左移”、“右移”、“左转”、“右转”，轮椅车将一步步执行指令，到达使用者指定的精确位置；如果在轮椅车上配置电脑鼠标或触控显示屏，使用者也可以通过操作鼠标或触控显示屏来指定欲达精确方位。

以上创建室内环境地图和轮椅车自主运行过程并不要求室内具有无线通讯和网络条件；当需要远程监视和操控轮椅车，或者需要操控其他智能物联家居设施和智能医用仪设，才需要WiFi条件，要用到信息无线传输和网络端口20、上位计算机19和用户扩展应用装置25及部分信息处理装置；上位机19可脱离轮椅车放置在室内任何供他人方便操作的地方，开源机器人操作系统22使高集成微型计算机18与上位机19可以WiFi进行通讯；借助于互联网，室外远程监视和操控人还可通过远程计算机或采用移动终端APP实现对轮椅车的远程监视和操控。

以图6所示的多居室套房为例说明本实用新型智能轮椅车的使用方法和流程。智能轮椅车置于室内任意方位空白地面，譬如从楼道进室内的门口A处；开启轮椅车电源，轮椅车初始化各项参数；从A处开始，乘轮椅车者本人或者其他人通过轮椅车扶手15上的操作面板29使轮椅车在室内走廊和各间房/厅的可通行通道巡航一遍(对行进速度和路径先后无要求)，然后回到A处，巡航中激光雷达27和/或相机28扫描轮椅车前方环境，将信息传送给高集成微型计算机18，同时旋转编码器8也将万向轮6的转动信息传送给高集成微型计算机18，数据处理与机电控制装置24将快速创建好先以A为原点的整个室内运行环境地图，再将原点移至地图顶点O(如图7所示)，地图中的区域与室内实际各项设施占位和通道相对应，并将整个室内区域划分若干行列栅格小区域，标示出以O为原点的各个栅格小区域行列编号，使用人在显示器30上可观察地图和区域编号；然后使用人通过操作面板29将轮椅车行进速度调到自感适合的程度，将显示屏调节到方便观察位置，就可以乘坐轮椅车自主运行；通过操作面板29输入或麦克风31指定欲去的区域标号(譬如主卧房外的阳台，区域C，栅格标号1301)，按下开始运行键或说出“开始”命令，数据处理与机电控制装置24就会快速自主规划出轮椅车从当前所在区域(譬如厨房，区域B，栅格标号0509)到目标区域的行进路线(如图8所示)，随即轮椅车朝指定区域自动运行；运行中数据处理与机电控制装置24根据激光雷达27、相机28连续动态采集的轮椅车附近环境信息实时给出轮椅车位置和控制轮椅车运行轨迹，使用人在显示器30上可视轮椅车运行轨迹和定位的动态变化；当探测到将通行路径上有新障碍时，譬如猫狗站或卧在通道上，轮椅车自动放慢行走速度或停止，对周围环境进行探测，自动判断和找到可绕行通道，重新规划路线，然后自动继续朝目标区域C行进，直到到达区域C，并停止在规定方位；当使用者认为需要更精确地达到附近某个方位，可以通过操作面板29或麦克风31给出“前移”、“后退”、“左移”、“右移”、“左转”、“右转”等操控指令，轮椅车将一步步自动调整运行，到达使用者指定的精确位置；如果在轮椅车上配置了电脑鼠标或触控显示屏，使用者在运行前就可通过操作鼠标或触控显示屏来指定欲达精确方位。

以上的实施例子并不要求室内具有无限通讯和网络条件。但当乘坐轮椅人本身缺乏操控能力而需要监护人远程监视和操控轮椅车时，或者乘坐轮椅人需要操控其他智能物联家居设施和智能医用仪设，譬如坐在轮椅上开关房间可遥控照明灯或空调、连接物联心率仪、血压器等智能仪器时，就需要室内有WiFi条件，会用到轮椅上的信息无线传输和网络端口20，上位计算机19中安装相应用户扩展应用软件和信息处理软件；借助于互联网，室外远程监视和操控人可通过远程计算机或采用移动终端APP实现对智能轮椅车的远程监视和操控。

上述实施例为本实用新型较佳的实施方式，但本实用新型的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本实用新型的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种室内自主导航物联的智能轮椅车，其特征在于，所述的智能轮椅车包括：平面万向运动底盘(1)、座椅组件(2)、底箱(3)、环境感知传感器组件(4)、操控组件(5)；

其中，所述的平面万向运动底盘(1)用于承力、提供轮椅车在地面的运动动力、提供所述的座椅组件(2)和所述的底箱(3)的安装基础；

所述的平面万向运动底盘(1)包括万向轮(6)、闭环伺服电机及驱动器(7)、旋转编码器(8)、车架(9)，所述的万向轮(6)安装在车架(9)的底部，由相连的闭环伺服电机及驱动器(7)和旋转编码器(8)控制；

所述的平面万向运动底盘(1)还包括座椅固定安装件(10)和底箱固定安装件(11)；

其中，所述的座椅组件(2)通过所述的座椅固定安装件(10)固定安装在所述的平面万向运动底盘(1)的上方，用于载人并提供所述的环境感知传感器组件(4)和操控组件(5)的安装基础；

其中，所述的底箱(3)通过所述的底箱固定安装件(11)固定安装在所述的平面万向运动底盘(1)和所述的座椅组件(2)的下方，用于提供电能、控制环境传感器采集信息和信息传输、运算处理信息、控制所述的平面万向运动底盘(1)的运动；

其中，所述的环境感知传感器组件(4)包括传感器安装器(26)、激光雷达(27)、相机(28)，所述的环境感知传感器组件(4)通过所述的传感器安装器(26)固定安装在所述的座椅组件(2)上，用于获取环境动态信息，所述的激光雷达(27)和所述的相机(28)固定在所述的传感器安装器(26)上；

其中，所述的操控组件(5)固定安装在所述的座椅组件(2)上，为使用者提供操控轮椅车的媒介。

2.根据权利要求1所述的一种室内自主导航物联的智能轮椅车，其特征在于，所述的座椅组件(2)包括座椅支架(12)以及分别固定在座椅支架(12)上的座板(13)、靠背(14)、扶手(15)、踏脚(16)，所述的座椅支架(12)上有与座椅固定安装件(10)的配装结构、固定安装环境感知传感器组件(4)和操控组件(5)的结构。

3.根据权利要求1所述的一种室内自主导航物联的智能轮椅车，其特征在于，所述的万向轮(6)是4个结构对称的麦克纳姆轮，每个麦克纳姆轮分别配装一个闭环伺服电机及驱动器(7)和一个旋转编码器(8)；或者所述的万向轮(6)是两个差速轮和一个或两个被动轮，其中，每个差速轮配装一个闭环伺服电机及驱动器(7)和一个旋转编码器(8)。

4.根据权利要求1所述的一种室内自主导航物联的智能轮椅车，其特征在于，所述的激光雷达(27)是一维线性激光发射器或者是二维线性激光发射器组成的3D扫描雷达；所述的相机(28)是不可见光深度信息相机或者可见光面阵相机。

5.根据权利要求1所述的一种室内自主导航物联的智能轮椅车，其特征在于，所述的底箱(3)包括壳体(17)、高集成微型计算机(18)、上位计算机(19)、信息无线传输和网络端口(20)、电池(21)，其中，所述的高集成微型计算机(18)装有开源机器人操作系统(22)和信息采集与传输装置(23)以及数据处理与；所述的上位计算机(19)装有用户扩展应用装置(25)和部分信息处理装置；所述的壳体(17)外表面有与所述的底箱固定安装件(11)的配装结构。

6.根据权利要求2所述的一种室内自主导航物联的智能轮椅车，其特征在于，所述的操控组件(5)包括操作面板(29)、显示器(30)、麦克风(31)、柔性支架(32)，其中，所述的操作面板(29)是手指按键式或触摸式，安装在座椅支架(12)的左侧或右侧扶手(15)上；所述的显示器(30)和所述的麦克风(31)安装固定在柔性支架(32)上；所述的柔性支架(32)上有与座椅支架(12)配装的结构。

7.根据权利要求4所述的一种室内自主导航物联的智能轮椅车，其特征在于，当所述的激光雷达(27)是一维线性激光发射器，轮椅车行进与激光雷达(27)构成平面扫描，创建室内环境二维平面地图；

当所述的激光雷达(27)是二维线性激光发射器，轮椅车行进与激光雷达(27)构成三维扫描，创建室内环境三维立体地图；

上述二维平面地图和三维立体地图上都显示出通道和占位区。

8.根据权利要求5所述的一种室内自主导航物联的智能轮椅车，其特征在于，所述的智能轮椅车通过所述的信息无线传输和网络端口(20)与外部网络进行无线连接。