[发明专利]可自主开门的智能轮椅及其自主开门方法

说明书

技术领域

本发明涉及智能轮椅领域和机械臂控制领域，具体是一种能够完成开门任务的可自主开门的智能轮椅及其自主开门方法。

背景技术

轮椅是行动不便、肢体伤残人群的重要代步工具，随着人口老龄化的加快，这种辅助工具已经越来越重要，但是随着人越来越多地涉及到对物品或工具的操作，如拿取水杯，开关门窗，传统的轮椅已经无法满足需求。而且许多操作对象往往是受限运动机构(如门、抽屉、开关等)，并且由于移动定位、目标识别的不确定性，这类机构的运动模型往往是不确定的，甚至是未知的，加上家居环境的特殊性，这就使得设计一种能够开门的轮椅有很大的难度。传统的机构和方法均不能很好地完成智能轮椅成功开门的任务。

首先，操作机械臂开门具有很多不确定性，这种不确定性可以分为两种类型，第一种不确定性与门模型的动力学相关，例如门的惯性，门合页的力特性等；第二种不确定性与门模型的运动学相关，例如开门的方式(转动还是平动)，门的尺寸等。

因此，基于以上提到的机械臂开门的很多特点，目前应用比较多的开门方法主要有三种，第一种是基于路径规划的开门策略，其特点是能准确快速的控制机械臂开门并且不需要额外传感器；第二种是基于自适应力/力矩速度控制的开门策略，其特点是不需要预先知道门的模型，能适应很多不同类型的门模型；第三种是利用特殊机械结构或者手抓来进行开门，这种开门方法简单有效，但是不能适应不同种类的门，而且需要额外辅助设备或传感器。

由于考虑到成本因素，很多开门的方法基本上都采用特殊的机械结构来实现开门。例如，中国发明专利，公告号CN103434772A[1]，发明了一种开门机构，利用弹簧、容纳弹簧的套筒、弹簧压板、钢丝绳和定滑轮来实现将开门壁板翻转的能量转化为弹簧的能量储存，并且在，需要的时候释放所储存的能量帮助开门。中国发明专利，公告号CN103883199A[2]，发明公开了一种残疾人自动开门装置，通过红外线信号控制电机将门打开。中国发明专利，公告号CN103452418A[3]，发明了一种能够自动开门的执行机构，包括支架、控制箱、转轴、和一系列连杆；当需要执行开关门动作时，控制箱内电机带动减速器，减速器再带动连杆使门关闭或开启。美国发明专利，专利号5555779[4]设计了一种通用的工具，一端带有吸附力的部件，另一端有一个能够钩住把手的工具，能够方便乘坐轮椅的人打开关闭门。

上述方法在针对特殊的门的时候比较有效，但是当处于家居环境不适合安装特殊执行机构时，或者门的类型不一致，需要一种通用性的开门方法的时候，这种方法就不能很好的发挥作用。尤其是在一种特殊条件下，对门的位置以及尺寸都未知的情况下，以上的几种方法都不能有效的完成任务。

上述方法的缺点具体分析如下：

1.需要准确知道门的模型，或者需要预先安装辅助设备。

2.机械臂的基座不能移动，因此操作空间受限。

使用安装在轮椅上的机械臂开门涉及到对其在3维空间的定位、开门轨迹规划、甚至门把手的抓握等多方面因素，故其常被作为综合性研究对象。传统的开门算法有两种，一种需事先对门建模，然后规划开门的路径，受限于建模的方法，能够被准确建模和成功打开的门的数量和种类有限；如果采用力/力矩传感器的方法来开门，则受限于固定基座，机械臂的操作空间有限，因此没有很高的开门成功率。

发明内容

针对现有技术的以上问题，本发明的目的在于提供一种能够完成开门任务的可自主开门的智能轮椅及其自主开门方法，结合智能轮椅的灵活性以及机械臂的可操作性，解决现有技术中存在的上述问题。

本发明是通过一下子技术方案实现的。

根据本发明的一个方面，提供了一种可自主开门的智能轮椅，包括智能轮椅本体、多自由度机械臂、多轴力/力矩传感器、摄像头、机械抓手以及机械臂控制器，其中，所述多自由度机械臂安装在智能轮椅本体的侧方，多自由度机械臂的末端安装有多轴力/力矩传感器，所述机械抓手固接在多轴力/力矩传感器上，所述摄像头安装在机械臂的末端并位于机械抓手的上方，所述机械臂控制器分别与智能轮椅本体的控制系统、多自由度机械臂、多轴力/力矩传感器、摄像头和机械抓手相连接；

所述摄像头获取门把手的准确位置，并传输至机械臂控制器，机械臂控制器根据位置信息控制多自由度机械臂和机械抓手运动，所述力/力矩传感器获得多自由度机械臂末端的受力信息，并传输至机械臂控制器，机械臂控制器根据受力信息规划开门的轨迹后反馈至多自由度机械臂执行开门动作；

所述机械臂控制器与控制系统之间信息共享。