一种面向智能型室内助动系统的交互控制装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术为一种面向智能型室内助动系统的交互控制装置及方法，用于控制智能轮椅本体的坐卧站体位变换、运动以及轮椅本体与床体的自动对接，该装置包括嵌入式上位机、运动控制单元、体位变换控制单元、非视觉感知单元、视觉感知和处理单元、人机交互单元。在上述各单元的协调控制下，智能轮椅本体可工作于轮椅助动、体位变换和床体自动驶入对接三种工作模式，同时能够对轮椅工作状态信息、人体生理参数信息和周围环境信息进行可视化显示和监控。利用上述交互控制装置，本发明专利技术还公开了一种基于视觉伺服的智能轮椅自动驶入床体的对接方法。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及智能控制系统、嵌入式图像处理以及视觉伺服领域，尤其涉及一种面 向智能型室内助动系统的交互控制系统。
技术介绍
为满足患者和老年人平躺、站立等不同体位变化的需要，减轻护理人员劳动强度， 设计具备较强功能，满足日常所需，便于操作与控制的智能助动系统具有较为实际的意义。 目前已有的助动系统所存在的问题有处于轮椅状态时的灵活性和操作性不佳等问题；处 于卧姿时，其宽度、高度也不能满足护理要求，缺乏舒适性；已有助动系统的坐、卧、站体位 之间的转换过程复杂；控制方式和人机交互方式单一；没有考虑到对于助动系统智能化的 要求，系统的避障、生理参数监测、康复娱乐等必要功能均未进行设计和实现。公开技术分离式助行护理床它包括固定床面部分、分离床面部分、床架、升背机构 和屈腿机构；所述固定床面部分为U形，所述分离床面部分正好可以镶嵌在固定床面部分 的U形槽内，使固定床面部分与分离床面部分构成一个矩形的整体床面；所述床架包括带 脚轮的整体支架和通过旋转连接轴连接于其上的活动支架；所述升背机构由四杆机构和电 动执行器构成；所述屈腿机构包括对称固连于所述整体支架上的左、右支撑，其上分别安装 有左、右电机，左、右电机的输出轴分别与左、右齿轮副连接，左、右齿轮副分别与左、右曲柄 的一端连接，左、右曲柄的另一端分别固连在所述固定床面部分上。该公开技术在很大程度 上增强了护理床的灵活性，为其增添了体位变换功能；但其本身仅仅为一护理床，对于乘坐 者的助动功能体现不足，无法变位于轮椅状态帮助乘坐者进行户外活动；同时该护理床的 体位变换在很大程度上依赖于齿轮等机械机构，控制缺乏一定的智能性。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术的目的在于解决体位变换和室内助动的技术问题，同时能够以 较高智能为乘坐者提供较为便易的交互操作和床体-轮椅对接方式，将床体和智能轮椅本 体构成室内助动系统，为此，本专利技术提供一种面向智能型室内助动系统的交互控制装置及 方法。为达成所述目的，本专利技术第一方面提供一种面向智能型室内助动系统的交互控制 装置，该装置解决技术问题的技术方案如下该装置用于控制智能轮椅本体的坐卧站体位 变换、运动以及轮椅本体与床体的自动对接；所述智能轮椅中含有靠背、护腿板、轮椅靠背 推杆、连杆机构、扶手、左运动控制电机、右运动控制电机、轮椅靠背推杆直流伺服驱动电 机、座椅的左推杆直流伺服驱动电机、座椅的右推杆直流伺服驱动电机、左扶手直流伺服驱 动电机和右扶手直流伺服驱动电机，其特征在于，该装置包括嵌入式上位机、运动控制单 元、体位变换控制单元、非视觉感知单元、视觉感知和处理单元、人机交互单元，其中人机交互单元输出端与CAN总线和嵌入式上位机连接，人机交互单元的输入端用 以接收乘坐者输入的命令，人机交互单元的输出端输出两路一路经CAN总线输出运动控制命令信号，另一路发送体位变换控制命令信号或工作模式切换命令信号；视觉感知和处理单元输出端与CAN总线连接，视觉感知和处理单元的输入端获取 轮椅本体的场景图像，视觉感知和处理单元的输出端通过CAN总线输出引导轮椅本体完成 床体自动驶入对接操作的轮椅位置和姿态的感知信息；非视觉感知单元输出端与CAN总线连接，非视觉感知单元的输入端获取轮椅本体 周围环境信息，非视觉感知单元的输出端经CAN总线输出周围环境感知信息；运动控制单元输出端与CAN总线连接，运动控制单元的输入端通过CAN总线接收 运动控制命令信号，运动控制单元还接收周围环境感知信息；运动控制单元的输出端通过 CAN总线输出两路电机驱动信号、运动控制单元的工作状态信息；体位变换控制单元的输出端与CAN总线连接，体位变换控制单元的输入端接收经 CAN总线发送来的体位变换控制命令信号，体位变换控制单元的输出端输出五路电机驱动 信号、体位变换的工作状态信息；嵌入式上位机具有五路输入端通过CAN总线分别与人机交互单元、运动控制单 元、体位变换控制单元、非视觉感知单元、视觉感知和处理单元和人体生理信号检测单元连 接，实现所述各单元之间的资源调度和运动模式协调，嵌入式上位机的输入端接收体位变 换控制命令信号、工作模式切换命令信号、轮椅位姿感知信息、周围环境感的知信息、CAN总 线发送来的所述各单元工作状态信息；嵌入式上位机的输出端输出周围环境感知信息、所 述各单元工作状态信息和人体生理信号至人机交互单元用以进行实时监控显示，嵌入式上 位机的输出端输出运动控制命令至运动控制单元及输出体位变换命令至体位变换控制单 元；在上述各单元的协调控制下，智能轮椅本体工作于轮椅助动、体位变换和床体自动驶入 对接三种工作模式在轮椅助动模式下，运动控制单元依据人机交互单元的命令和非视觉感知单元对 周围环境的感知信息进行避障行驶和防跌落行驶；左运动控制电机、右运动控制电机分别 接收运动控制单元的电机驱动信号，用于执行驱动轮椅本体完成运动控制命令；在体位变换模式下，体位变换控制单元根据人机交互单元输出的体位变换控制命 令信号对轮椅本体进行体位切换操作；轮椅靠背推杆直流伺服驱动电机、座椅的左推杆直 流伺服驱动电机、座椅的右推杆直流伺服驱动电机、左扶手直流伺服驱动电机和右扶手直 流伺服驱动电机分别接收体位变换控制单元所输出的电机驱动信号，协调动作完成体位变 换命令的执行；在床体自动驶入对接模式下，轮椅本体以实现于视觉感知和处理单元与嵌入式上 位机内的视觉伺服控制机制自主倒退驶入床体的U形区域内，并在到达设定位置时变换为 卧式体位，从而实现轮椅本体与床体的自动对接。还具备相应的网络接口，提供网络和娱乐 服务。其中，所述运动控制单元包括运动控制器和驱动器，其运动控制器在轮椅助动模 式下采用开环控制，在床体自动驶入对接模式下采用闭环控制，实现轮椅本体的速度调节 和位置调节，运动控制器的输出端输出电机控制信号；驱动器的输入端与运动控制器的输 出端连接，驱动器接收电机控制信号，用以依据电机控制信号调整施加于左运动控制电机 和右运动控制电机的实际工作电压，从而对运动控制命令信号起到功率放大的作用。其中，所述体位变换控制单元包括轮椅靠背推杆控制驱动器、座椅推杆控制驱动器和扶手控制驱动器，其轮椅靠背推杆控制驱动器的输出端与轮椅靠背推杆直流伺服驱动 电机连接，采用闭环控制方式控制轮椅靠背推杆做直线运动，轮椅靠背推杆借助于联接靠 背和护腿板的连杆机构联动调整轮椅靠背和护腿板姿态；座椅推杆控制驱动器的输出端与 座椅的左推杆直流伺服驱动电机、座椅的右推杆直流伺服驱动电机连接，采用闭环方式对 其进行同步控制，用于调整座椅姿态；扶手控制驱动器的输出端分别与左扶手直流伺服驱 动电机和右扶手直流伺服驱动电机连接，对左扶手直流伺服驱动电机和右扶手直流伺服驱 动电机进行闭环控制，用于调整所述两个扶手的姿态，当轮椅本体位于床体外侧时调整两 个扶手位于轮椅靠背前方，在轮椅本体在床体内与床体对接之前调整所述扶手转向轮椅靠 背的后方。其中，所述非视觉感知单元包括八个超声传感器和一个信号处理卡，在轮椅本体 的左侧面和右侧面各有一个所述超声传感器，在轮椅本体的前侧面设有两个所述超声传感 器，在轮椅本体后侧面设有两个所述超声传感器，在轮椅脚踏板的底面设有两个所述超声 传感器，所述超声传感器输出轮椅周围环境的感知信息，所述周围环境的感知本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种面向智能型室内助动系统的交互控制装置，该装置用于控制智能轮椅本体的坐卧站体位变换、运动以及轮椅本体与床体的自动对接；所述智能轮椅中含有靠背、护腿板、轮椅靠背推杆、连杆机构、扶手、左运动控制电机、右运动控制电机、轮椅靠背推杆直流伺服驱动电机、座椅的左推杆直流伺服驱动电机、座椅的右推杆直流伺服驱动电机、左扶手直流伺服驱动电机和右扶手直流伺服驱动电机，其特征在于，该装置包括：嵌入式上位机、运动控制单元、体位变换控制单元、非视觉感知单元、视觉感知和处理单元、人机交互单元，其中：人靠背推杆直流伺服驱动电机、座椅的左推杆直流伺服驱动电机、座椅的右推杆直流伺服驱动电机、左扶手直流伺服驱动电机和右扶手直流伺服驱动电机分别接收体位变换控制单元所输出的电机驱动信号，协调动作完成体位变换命令的执行；在床体自动驶入对接模式下，轮椅本体以实现于视觉感知和处理单元与嵌入式上位机内的视觉伺服控制机制自主倒退驶入床体的Ｕ形区域内，并在到达设定位置时变换为卧式体位，从而实现轮椅本体与床体的自动对接。机交互单元输出端与ＣＡＮ总线和嵌入式上位机连接，人机交互单元的输入端用以接收乘坐者输入的命令，人机交互单元的输出端输出两路：一路经ＣＡＮ总线输出运动控制命令信号，另一路发送体位变换控制命令信号或工作模式切换命令信号；视觉感知和处理单元输出端与ＣＡＮ总线连接，视觉感知和处理单元的输入端获取轮椅本体的场景图像，视觉感知和处理单元的输出端通过ＣＡＮ总线输出引导轮椅本体完成床体自动驶入对接操作的轮椅位置和姿态的感知信息；非视觉感知单元输出端与ＣＡＮ总线连接，非视觉感知单元的输入端获取轮椅本体周围环境信息，非视觉感知单元的输出端经ＣＡＮ总线输出周围环境感知信息；运动控制单元输出端与ＣＡＮ总线连接，运动控制单元的输入端通过ＣＡＮ总线接收运动控制命令信号，运动控制单元还接收周围环境感知信息；运动控制单元的输出端通过ＣＡＮ总线输出两路电机驱动信号、运动控制单元的工作状态信息；体位变换控制单元的输出端与ＣＡＮ总线连接，体位变换控制单元的输入端接收经ＣＡＮ总线发送来的体位变换控制命令信号，体位变换控制单元的输出端输出五路电机驱动信号、体位变换的工作状态信息；嵌入式上位机具有五路输入端通过ＣＡＮ总线分别与人机交互单元、运动控制单元、体位变换控制单元、非视觉感知单元、视觉感知和处理单元和人体生理信号检测单元连接，实现所述各单元之间的资源调度和运动模式协调，嵌入式上位机的...

【技术特征摘要】
一种面向智能型室内助动系统的交互控制装置，该装置用于控制智能轮椅本体的坐卧站体位变换、运动以及轮椅本体与床体的自动对接；所述智能轮椅中含有靠背、护腿板、轮椅靠背推杆、连杆机构、扶手、左运动控制电机、右运动控制电机、轮椅靠背推杆直流伺服驱动电机、座椅的左推杆直流伺服驱动电机、座椅的右推杆直流伺服驱动电机、左扶手直流伺服驱动电机和右扶手直流伺服驱动电机，其特征在于，该装置包括嵌入式上位机、运动控制单元、体位变换控制单元、非视觉感知单元、视觉感知和处理单元、人机交互单元，其中人机交互单元输出端与CAN总线和嵌入式上位机连接，人机交互单元的输入端用以接收乘坐者输入的命令，人机交互单元的输出端输出两路一路经CAN总线输出运动控制命令信号，另一路发送体位变换控制命令信号或工作模式切换命令信号；视觉感知和处理单元输出端与CAN总线连接，视觉感知和处理单元的输入端获取轮椅本体的场景图像，视觉感知和处理单元的输出端通过CAN总线输出引导轮椅本体完成床体自动驶入对接操作的轮椅位置和姿态的感知信息；非视觉感知单元输出端与CAN总线连接，非视觉感知单元的输入端获取轮椅本体周围环境信息，非视觉感知单元的输出端经CAN总线输出周围环境感知信息；运动控制单元输出端与CAN总线连接，运动控制单元的输入端通过CAN总线接收运动控制命令信号，运动控制单元还接收周围环境感知信息；运动控制单元的输出端通过CAN总线输出两路电机驱动信号、运动控制单元的工作状态信息；体位变换控制单元的输出端与CAN总线连接，体位变换控制单元的输入端接收经CAN总线发送来的体位变换控制命令信号，体位变换控制单元的输出端输出五路电机驱动信号、体位变换的工作状态信息；嵌入式上位机具有五路输入端通过CAN总线分别与人机交互单元、运动控制单元、体位变换控制单元、非视觉感知单元、视觉感知和处理单元和人体生理信号检测单元连接，实现所述各单元之间的资源调度和运动模式协调，嵌入式上位机的输入端接收体位变换控制命令信号、工作模式切换命令信号、轮椅位姿感知信息、周围环境感的知信息、CAN总线发送来的所述各单元工作状态信息；嵌入式上位机的输出端输出周围环境感知信息、所述各单元工作状态信息和人体生理信号至人机交互单元用以进行实时监控显示，嵌入式上位机的输出端输出运动控制命令至运动控制单元及输出体位变换命令至体位变换控制单元；在上述各单元的协调控制下，智能轮椅本体工作于轮椅助动、体位变换和床体自动驶入对接三种工作模式在轮椅助动模式下，运动控制单元依据人机交互单元的命令和非视觉感知单元对周围环境的感知信息进行避障行驶和防跌落行驶；左运动控制电机、右运动控制电机分别接收运动控制单元的电机驱动信号，用于执行驱动轮椅本体完成运动控制命令；在体位变换模式下，体位变换控制单元根据人机交互单元输出的体位变换控制命令信号对轮椅本体进行体位切换操作；轮椅靠背推杆直流伺服驱动电机、座椅的左推杆直流伺服驱动电机、座椅的右推杆直流伺服驱动电机、左扶手直流伺服驱动电机和右扶手直流伺服驱动电机分别接收体位变换控制单元所输出的电机驱动信号，协调动作完成体位变换命令的执行；在床体自动驶入对接模式下，轮椅本体以实现于视觉感知和处理单元与嵌入式上位机内的视觉伺服控制机制自主倒退驶入床体的U形区域内，并在到达设定位置时变换为卧式体位，从而实现轮椅本体与床体的自动对接。2.根据权利要求1所述的面向智能型室内助动系统的交互控制装置，其特征在于，还 具备相应的网络接口，提供网络和娱乐服务。3.根据权利要求1所述的面向智能型室内助动系统的交互控制装置，其特征在于，所 述运动控制单元包括运动控制器和驱动器，其中运动控制器在轮椅助动模式下采用开环控制，在床体自动驶入对接模式下采用闭环控 制，实现轮椅本体的速度调节和位置调节，运动控制器的输出端输出电机控制信号；驱动器的输入端与运动控制器的输出端连接，驱动器接收电机控制信号，用以依据电 机控制信号调整施加于左运动控制电机和右运动控制电机的实际工作电压，从而对运动控 制命令信号起到功率放大的作用。4.根据权利要求1所述的面向智能型室内助动系统的交互控制装置，其特征在于，所 述体位变换控制单元包括轮椅靠背推杆控制驱动器、座椅推杆控制驱动器和扶手控制驱动 器，其中轮椅靠背推杆控制驱动器的输出端与轮椅靠背推杆直流伺服驱动电机连接，采用闭环 控制方式控制轮椅靠背推杆做直线运动，轮椅靠背推杆借助于联接靠背和护腿板的连杆机 构联动调整轮椅靠背和护腿板姿态；座椅推杆控制驱动器的输出端与座椅的左推杆直流伺服驱动电机、座椅的右推杆直流 伺服驱动电机连接，采用闭环方式对其进行同步控制，用于调整座椅姿态；扶手控制驱动器的输出端分别与左扶手直流伺服驱动电机和右扶手直流伺服驱动电 机连接，对左扶手直流伺服驱动电机和右扶手直流伺服驱动电机进行闭环控制，用于调整 所述两个扶手的姿态，当轮椅本体位于床体外侧时调整两个扶手位于轮椅靠背前方，在轮 椅本体在床体内与床体对接之前调整所述扶手转向轮椅靠背的后方。5.根据权利要求1所述的面向智能型室内助动系统的交互控制...

【专利技术属性】
技术研发人员：邹伟，原魁，鲁涛，何文浩，叶爱学，任亚楠，
申请(专利权)人：中国科学院自动化研究所，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]