可自主開門的智能輪椅及其自主開門方法與流程
2023-09-18 18:31:15 1
本發明涉及智能輪椅領域和機械臂控制領域，具體是一種能夠完成開門任務的可自主開門的智能輪椅及其自主開門方法。
背景技術：
輪椅是行動不便、肢體傷殘人群的重要代步工具，隨著人口老齡化的加快，這種輔助工具已經越來越重要，但是隨著人越來越多地涉及到對物品或工具的操作，如拿取水杯，開關門窗，傳統的輪椅已經無法滿足需求。而且許多操作對象往往是受限運動機構(如門、抽屜、開關等)，並且由於移動定位、目標識別的不確定性，這類機構的運動模型往往是不確定的，甚至是未知的，加上家居環境的特殊性，這就使得設計一種能夠開門的輪椅有很大的難度。傳統的機構和方法均不能很好地完成智能輪椅成功開門的任務。首先，操作機械臂開門具有很多不確定性，這種不確定性可以分為兩種類型，第一種不確定性與門模型的動力學相關，例如門的慣性，門合頁的力特性等；第二種不確定性與門模型的運動學相關，例如開門的方式(轉動還是平動)，門的尺寸等。因此，基於以上提到的機械臂開門的很多特點，目前應用比較多的開門方法主要有三種，第一種是基於路徑規劃的開門策略，其特點是能準確快速的控制機械臂開門並且不需要額外傳感器；第二種是基於自適應力/力矩速度控制的開門策略，其特點是不需要預先知道門的模型，能適應很多不同類型的門模型；第三種是利用特殊機械結構或者手抓來進行開門，這種開門方法簡單有效，但是不能適應不同種類的門，而且需要額外輔助設備或傳感器。由於考慮到成本因素，很多開門的方法基本上都採用特殊的機械結構來實現開門。例如，中國發明專利，公告號CN103434772A[1]，發明了一種開門機構，利用彈簧、容納彈簧的套筒、彈簧壓板、鋼絲繩和定滑輪來實現將開門壁板翻轉的能量轉化為彈簧的能量儲存，並且在，需要的時候釋放所儲存的能量幫助開門。中國發明專利，公告號CN103883199A[2]，發明公開了一種殘疾人自動開門裝置，通過紅外線信號控制電機將門打開。中國發明專利，公告號CN103452418A[3]，發明了一種能夠自動開門的執行機構，包括支架、控制箱、轉軸、和一系列連杆；當需要執行開關門動作時，控制箱內電機帶動減速器，減速器再帶動連杆使門關閉或開啟。美國發明專利，專利號5555779[4]設計了一種通用的工具，一端帶有吸附力的部件，另一端有一個能夠鉤住把手的工具，能夠方便乘坐輪椅的人打開關閉門。上述方法在針對特殊的門的時候比較有效，但是當處於家居環境不適合安裝特殊執行機構時，或者門的類型不一致，需要一種通用性的開門方法的時候，這種方法就不能很好的發揮作用。尤其是在一種特殊條件下，對門的位置以及尺寸都未知的情況下，以上的幾種方法都不能有效的完成任務。上述方法的缺點具體分析如下：1.需要準確知道門的模型，或者需要預先安裝輔助設備。2.機械臂的基座不能移動，因此操作空間受限。使用安裝在輪椅上的機械臂開門涉及到對其在3維空間的定位、開門軌跡規劃、甚至門把手的抓握等多方面因素，故其常被作為綜合性研究對象。傳統的開門算法有兩種，一種需事先對門建模，然後規劃開門的路徑，受限於建模的方法，能夠被準確建模和成功打開的門的數量和種類有限；如果採用力/力矩傳感器的方法來開門，則受限於固定基座，機械臂的操作空間有限，因此沒有很高的開門成功率。
技術實現要素：
針對現有技術的以上問題，本發明的目的在於提供一種能夠完成開門任務的可自主開門的智能輪椅及其自主開門方法，結合智能輪椅的靈活性以及機械臂的可操作性，解決現有技術中存在的上述問題。本發明是通過一下子技術方案實現的。根據本發明的一個方面，提供了一種可自主開門的智能輪椅，包括智能輪椅本體、多自由度機械臂、多軸力/力矩傳感器、攝像頭、機械抓手以及機械臂控制器，其中，所述多自由度機械臂安裝在智能輪椅本體的側方，多自由度機械臂的末端安裝有多軸力/力矩傳感器，所述機械抓手固接在多軸力/力矩傳感器上，所述攝像頭安裝在機械臂的末端並位於機械抓手的上方，所述機械臂控制器分別與智能輪椅本體的控制系統、多自由度機械臂、多軸力/力矩傳感器、攝像頭和機械抓手相連接；所述攝像頭獲取門把手的準確位置，並傳輸至機械臂控制器，機械臂控制器根據位置信息控制多自由度機械臂和機械抓手運動，所述力/力矩傳感器獲得多自由度機械臂末端的受力信息，並傳輸至機械臂控制器，機械臂控制器根據受力信息規劃開門的軌跡後反饋至多自由度機械臂執行開門動作；所述機械臂控制器與控制系統之間信息共享。優選地，所述機械臂控制器採用速度控制策略，根據多軸力/力矩傳感器反饋的多自由度機械臂末端所受的力/力矩信息，計算多自由度機械臂末端的運動速度，再結合智能輪椅本體運動從而帶動機械臂基座運動的運動速度，得到多自由度機械臂末端相對於智能輪椅本體的運動速度，通過雅可比矩陣J將多自由度機械臂末端相對於智能輪椅本體的運動速度轉換為多自由度機械臂的關節運動速度，進而精確控制多自由度機械臂運動。優選地，所述機械臂控制器對多自由度機械臂的運動進行控制，所述控制系統對智能輪椅本體的運動進行控制，所述機械臂控制器利用多自由度機械臂與智能輪椅本體的位置關係，對多自由度機械臂的運動進行補償，進而避免智能輪椅本體的運動對多自由度機械臂末端的運動控制造成影響。優選地，所述多自由度機械臂帶動機械抓手在三維空間內運動。優選地，所述機械臂控制器採用單板控制器或者工控機。優選地，根據本發明的另一個方面，提供了一種上述可自主開門的智能輪椅的自主開門方法，包括以下步驟：步驟1，機械臂控制器通過安裝在多自由度機械臂末端的攝像頭獲取門把手的準確位置；步驟2，機械臂控制器根據門把手的位置信息，控制多自由度機械臂末端運動到門把手處，並控制閉合機械抓手抓取門把手；步驟3，機械臂控制器通過多自由度機械臂末端的多軸力/力矩傳感器獲取多自由度機械臂末端受力數據進而判斷開門方向，並規劃開門的軌跡，控制多自由度機械臂末端向打開門的方向運動；步驟4，當多自由度機械臂末端與智能輪椅本體之間距離小於設定閾值時，控制系統控制智能輪椅移動，同時，機械臂控制器根據智能輪椅本體的運動調整多自由度機械臂末端運動速度及方向；步驟5，當門打開到設定角度時，機械臂控制器控制打開機械抓手；同時，機械臂控制器根據攝像頭反饋的障礙物位置信息，規劃一條無碰撞的路徑，並控制多自由度機械臂將關節位置運動至初始狀態。優選地，所述步驟4中，在智能輪椅本體的運動過程中，機械臂控制器利用攝像頭同時採集障礙物位置信息，通過關節運動位置計算獲取多自由度機械臂的操作空間約束信息，並共享至智能輪椅本體的控制系統，進而保證整個開門過程中智能輪椅本體及多自由度機械臂不與門發生碰撞。與現有技術相比，本發明具有如下有益效果：1、本發明利用機械臂控制器和控制系統分別對多自由度機械臂和智能輪椅本體的運動進行控制，並通過兩者之間的坐標信息對多自由度機械臂的運動速度進行補償，協調多自由度機械臂和智能輪椅本體的運動，使得智能輪椅本體的運動不會對多自由度機械臂末端的運動控制造成影響，實現智能輪椅本體與多自由度機械臂協作進行開門的目的。2、利用多自由度機械臂末端相對於機械臂基座的運動速度，通過雅可比矩陣J將多自由度機械臂末端相對於機械臂基座的運動速度轉換為多自由度機械臂的關節運動速度，實現精確控制多自由度機械臂的目的。3、本發明同時考慮利用攝像頭採集障礙物信息及多自由度機械臂操作空間約束信息，並與智能輪椅本體的控制系統共享，保證整個開門過程中智能輪椅本體及多自由度機械臂不與門發生碰撞，提高安全性能。4、本發明解決了在家居環境中乘坐輪椅之人的開門問題；克服了傳統固定基座的機械臂操作空間的限制，不能打開寬度較大的門的缺點；給行動不便者帶來很大的便利，具有行動精準、安全可靠、方便操作等特點。附圖說明通過閱讀參照以下附圖對非限制性實施例所作的詳細描述，本發明的其它特徵、目的和優點將會變得更明顯：圖1為本發明整體結構示意圖。圖中：1為機械臂控制器，2為智能輪椅本體，3位多自由度機械臂，4位多軸力/力矩傳感器，5位機械抓手，6為攝像頭。具體實施方式下面對本發明的實施例作詳細說明：本實施例在以本發明技術方案為前提下進行實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程。應當指出的是，對本領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明構思的前提下，還可以做出若干變形和改進，這些都屬於本發明的保護範圍。本實施例提供了一種可自主開門的智能輪椅，包括智能輪椅本體、多自由度機械臂、多軸力/力矩傳感器、攝像頭、機械抓手以及機械臂控制器，其中，所述多自由度機械臂安裝在智能輪椅本體的側方，多自由度機械臂的末端安裝有多軸力/力矩傳感器，所述機械抓手固接在多軸力/力矩傳感器上，所述攝像頭安裝在機械臂的末端並位於機械抓手的上方，所述機械臂控制器分別與智能輪椅本體的控制系統、多自由度機械臂、多軸力/力矩傳感器、攝像頭和機械抓手相連接；所述攝像頭獲取門把手的準確位置，並傳輸至機械臂控制器，機械臂控制器根據位置信息控制多自由度機械臂和機械抓手運動，所述力/力矩傳感器獲得多自由度機械臂末端的受力信息，並傳輸至機械臂控制器，機械臂控制器根據受力信息規劃開門的軌跡後反饋至多自由度機械臂執行開門動作；所述機械臂控制器與控制系統之間信息共享。進一步地，所述機械臂控制器採用速度控制策略，根據多軸力/力矩傳感器反饋的多自由度機械臂末端所受的力/力矩信息，計算多自由度機械臂末端的運動速度，再結合智能輪椅本體運動從而帶動機械臂基座運動的運動速度，得到多自由度機械臂末端相對於智能輪椅本體的運動速度，通過雅可比矩陣J將多自由度機械臂末端相對於智能輪椅本體的運動速度轉換為多自由度機械臂的關節運動速度，進而精確控制多自由度機械臂運動。進一步地，所述機械臂控制器對多自由度機械臂的運動進行控制，所述控制系統對智能輪椅本體的運動進行控制，所述機械臂控制器利用多自由度機械臂與智能輪椅本體的位置關係，對多自由度機械臂的運動進行補償，進而避免智能輪椅本體的運動對多自由度機械臂末端的運動控制造成影響。進一步地，所述多自由度機械臂帶動機械抓手在三維空間內運動。進一步地，所述機械臂控制器採用單板控制器或者工控機。上述可自主開門的智能輪椅，其自主開門方法，包括以下步驟：步驟1，機械臂控制器通過安裝在多自由度機械臂末端的攝像頭獲取門把手的準確位置；步驟2，機械臂控制器根據門把手的位置信息，控制多自由度機械臂末端運動到門把手處，並控制閉合機械抓手抓取門把手；步驟3，機械臂控制器通過多自由度機械臂末端的多軸力/力矩傳感器獲取多自由度機械臂末端受力數據進而判斷開門方向，並規劃開門的軌跡，控制多自由度機械臂末端向打開門的方向運動；步驟4，當多自由度機械臂末端與智能輪椅本體之間距離小於設定閾值時，控制系統控制智能輪椅移動，同時，機械臂控制器根據智能輪椅本體的運動調整多自由度機械臂末端運動速度及方向；步驟5，當門打開到設定角度時，機械臂控制器控制打開機械抓手；同時，機械臂控制器根據攝像頭反饋的障礙物位置信息，規劃一條無碰撞的路徑，並控制多自由度機械臂將關節位置運動到初始狀態。進一步地，所述步驟4中，在智能輪椅本體的運動過程中，機械臂控制器利用攝像頭同時採集障礙物位置信息，通過關節運動位置計算獲取多自由度機械臂的操作空間約束信息，並共享至智能輪椅本體的控制系統，進而保證整個開門過程中智能輪椅本體及多自由度機械臂不與門發生碰撞。下面結合附圖對本實施例進一步描述。如圖1所示，1為機械臂控制器，可以為單板控制器或者工控機；2為智能輪椅本體，可以提供手動控制和自動控制等功能；3為多自由度機械臂，用於抓取或者操作；4為多軸力/力矩傳感器，用於感知機械臂末端所受的力和力矩；5為機械抓手，可以通過控制器來控制抓手的開閉；6為攝像頭，用於獲取門把手的位置。本實施例提供的可自主開門的智能輪椅：包括一臺智能輪椅本體、一個多自由度機械臂、一個多軸力/力矩傳感器，一個攝像頭以及一個機械抓手。將多自由度機械臂安裝在智能輪椅本體側方，然後在機械臂的末端安裝多軸力/力矩傳感器，最後將機械抓手固定在力/力矩傳感器另一端。這樣整個智能輪椅本體運動帶動機械臂移動，機械臂可以靈活控制抓手在三維空間的運動，抓手可以張開閉合，從而能夠握住門把手；力/力矩傳感器獲得機械臂末端的受力信息，從而可以規劃開門的軌跡；攝像頭安裝在機械臂的末端，抓手上方，這樣可以通過攝像頭獲取門把手的準確位置，從而控制機械臂去抓取門把手。分別對智能輪椅本體與多自由度機械臂的運動進行控制，然後通過考慮智能輪椅本體與多自由度機械臂的坐標關係，對多自由度機械臂的運動速度進行修正補償，使得智能輪椅本體的運動不會對多自由度機械臂末端的控制造成影響，從而達到智能輪椅本體與多自由度機械臂協作進行開門或者操作帶約束的機構的目的。智能輪椅本體所採用的控制策略為速度控制，考慮的約束為躲避運動過程中的障礙物或者使多自由度機械臂的運動一直保持在操作空間內，並且多自由度機械臂動作儘可能流暢。而多自由度機械臂的控制同樣採用速度控制，根據末端力傳感器的反饋信息能夠計算出多自由度機械臂末端的運動速度，再結合智能輪椅本體運動從而帶動機械臂基座的運動速度，得到多自由度機械臂末端相對於機械臂基座(智能輪椅本體)的運動速度，通過雅可比矩陣J將機械臂末端相對於基座(智能輪椅本體)的運動速度轉換為機械臂的關節運動速度，從而能精確控制多自由度機械臂開門。上述可自主開門的智能輪椅，其自主開門方法，包括如下步驟：步驟1，通過安裝在機械臂末端的攝像頭獲取門把手的位置；步驟2，控制機械臂末端運動到門把手處，閉合機械臂抓手；機械臂控制器控制智能輪椅運動到門旁邊，使機械臂的操作空間覆蓋到門框，從而能使機械臂抓手能夠握住門把手；規劃智能輪椅本體的運動軌跡，從而保證智能輪椅本體移動過程中能躲避障礙物或者使機械臂的操作儘可能順暢，並且門把手始終處於機械臂的操作空間內；步驟3，通過末端力傳感器的數據判斷開門方向，控制機械臂末端向打開門的方向運動；機械臂控制器對智能輪椅本體進行速度控制，同時根據機械臂末端力/力矩傳感器反饋對機械臂末端的運動方向進行估計，然後控制多自由度機械臂末端按照打開門的方向運動；步驟4，當機械臂末端與輪椅距離小於一定閾值時，控制智能輪椅移動，同時機械臂末端根據智能輪椅的運動調整運動速度方向；智能輪椅運動的時候考慮避障和機械臂的操作空間等約束，並且保證整個開門過程中門不會與輪椅發生碰撞；對機械臂末端期望速度與智能輪椅移動速度進行處理，從而得出機械臂末端相對於移動的輪椅基座的速度，然後根據機械臂雅可比矩陣求出機械臂對應關節速度；步驟5，當門打開到合適角度時，打開機械臂抓手，機械臂通過一條無碰撞的路徑將關節位置運動到初始狀態；根據計算出的關節速度控制機械臂運動。重複步驟3-5，直到開門任務完成。本實施例提供的可自主開門的智能輪椅及其自主開門方法，用於解決在家居環境中乘坐輪椅的人的開門問題。分別對智能輪椅本體和多自由度機械臂末端的速度進行控制，從而使整個智能輪椅能夠流暢地操作門這種運動受限機構。智能輪椅本體在控制的時候可以考慮附加約束，例如考慮避障，從而使智能輪椅在移動過程中不會碰到障礙物。多自由度機械臂的控制量則可以通過末端的力/力矩傳感器反饋得到，然後根據智能輪椅的直線速度和轉動速度進行修正補償，進而控制，從而達到配合智能輪椅進行流暢開門的目的。本實施例提供的可自主開門的智能輪椅及其自主開門方法，簡單快速，與固定基座的機械臂開門方法相比有很多優點，克服了傳統固定基座的機械臂操作空間的限制，不能打開寬度較大的門的缺點，能夠給行動不便者帶來很大的便利。以上對本發明的具體實施例進行了描述。需要理解的是，本發明並不局限於上述特定實施方式，本領域技術人員可以在權利要求的範圍內做出各種變形或修改，這並不影響本發明的實質內容。