本發(fā)明涉及智能輪椅領(lǐng)域和機(jī)械臂控制領(lǐng)域，具體是一種能夠完成開(kāi)門(mén)任務(wù)的可自主開(kāi)門(mén)的智能輪椅。
背景技術(shù)：
輪椅是行動(dòng)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(jīng)越來(lái)越重要，但是隨著人越來(lái)越多地涉及到對(duì)物品或工具的操作，如拿取水杯，開(kāi)關(guān)門(mén)窗，傳統(tǒng)的輪椅已經(jīng)無(wú)法滿足需求。而且許多操作對(duì)象往往是受限運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)（如門(mén)、抽屜、開(kāi)關(guān)等），并且由于移動(dòng)定位、目標(biāo)識(shí)別的不確定性，這類機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)模型往往是不確定的，甚至是未知的，加上家居環(huán)境的特殊性，這就使得設(shè)計(jì)一種能夠開(kāi)門(mén)的輪椅有很大的難度。傳統(tǒng)的機(jī)構(gòu)和方法均不能很好地完成智能輪椅成功開(kāi)門(mén)的任務(wù)。
首先，操作機(jī)械臂開(kāi)門(mén)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(mén)模型的動(dòng)力學(xué)相關(guān)，例如門(mén)的慣性，門(mén)合頁(yè)的力特性等；第二種不確定性與門(mén)模型的運(yùn)動(dòng)學(xué)相關(guān)，例如開(kāi)門(mén)的方式（轉(zhuǎn)動(dòng)還是平動(dòng)），門(mén)的尺寸等。
因此，基于以上提到的機(jī)械臂開(kāi)門(mén)的很多特點(diǎn)，目前應(yīng)用比較多的開(kāi)門(mén)方法主要有三種，第一種是基于路徑規(guī)劃的開(kāi)門(mén)策略，其特點(diǎn)是能準(zhǔn)確快速的控制機(jī)械臂開(kāi)門(mén)并且不需要額外傳感器；第二種是基于自適應(yīng)力/力矩速度控制的開(kāi)門(mén)策略，其特點(diǎn)是不需要預(yù)先知道門(mén)的模型，能適應(yīng)很多不同類型的門(mén)模型；第三種是利用特殊機(jī)械結(jié)構(gòu)或者手抓來(lái)進(jìn)行開(kāi)門(mén)，這種開(kāi)門(mén)方法簡(jiǎn)單有效，但是不能適應(yīng)不同種類的門(mén)，而且需要額外輔助設(shè)備或傳感器。
由于考慮到成本因素，很多開(kāi)門(mén)的方法基本上都采用特殊的機(jī)械結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)開(kāi)門(mén)。該方法在針對(duì)特殊的門(mén)的時(shí)候比較有效，但是當(dāng)處于家居環(huán)境不適合安裝特殊執(zhí)行機(jī)構(gòu)時(shí)，或者門(mén)的類型不一致，需要一種通用性的開(kāi)門(mén)方法的時(shí)候，這種方法就不能很好的發(fā)揮作用。尤其是在一種特殊條件下，對(duì)門(mén)的位置以及尺寸都未知的情況下，這種方法都不能有效的完成任務(wù)。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的以上問(wèn)題，本發(fā)明的目的在于提供一種能夠完成開(kāi)門(mén)任務(wù)的可自主開(kāi)門(mén)的智能輪椅及其自主開(kāi)門(mén)方法，結(jié)合智能輪椅的靈活性以及機(jī)械臂的可操作性，解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的上述問(wèn)題。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了一種可自主開(kāi)門(mén)的智能輪椅，包括智能輪椅本體、多自由度機(jī)械臂、多軸力/力矩傳感器、攝像頭、機(jī)械抓手以及機(jī)械臂控制器，其中，所述多自由度機(jī)械臂安裝在智能輪椅本體的側(cè)方，多自由度機(jī)械臂的末端安裝有多軸力/力矩傳感器，所述機(jī)械抓手固接在多軸力/力矩傳感器上，所述攝像頭安裝在機(jī)械臂的末端并位于機(jī)械抓手的上方，所述機(jī)械臂控制器分別與智能輪椅本體的控制系統(tǒng)、多自由度機(jī)械臂、多軸力/力矩傳感器、攝像頭和機(jī)械抓手相連接；
所述攝像頭獲取門(mén)把手的準(zhǔn)確位置，并傳輸至機(jī)械臂控制器，機(jī)械臂控制器根據(jù)位置信息控制多自由度機(jī)械臂和機(jī)械抓手運(yùn)動(dòng)，所述力/力矩傳感器獲得多自由度機(jī)械臂末端的受力信息，并傳輸至機(jī)械臂控制器，機(jī)械臂控制器根據(jù)受力信息規(guī)劃開(kāi)門(mén)的軌跡后反饋至多自由度機(jī)械臂執(zhí)行開(kāi)門(mén)動(dòng)作；
所述機(jī)械臂控制器與控制系統(tǒng)之間信息共享。
優(yōu)選地，所述機(jī)械臂控制器采用速度控制策略，根據(jù)多軸力/力矩傳感器反饋的多自由度機(jī)械臂末端所受的力/力矩信息，計(jì)算多自由度機(jī)械臂末端的運(yùn)動(dòng)速度，再結(jié)合智能輪椅本體運(yùn)動(dòng)從而帶動(dòng)機(jī)械臂基座運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)速度，得到多自由度機(jī)械臂末端相對(duì)于智能輪椅本體的運(yùn)動(dòng)速度，通過(guò)雅可比矩陣J將多自由度機(jī)械臂末端相對(duì)于智能輪椅本體的運(yùn)動(dòng)速度轉(zhuǎn)換為多自由度機(jī)械臂的關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)速度，進(jìn)而精確控制多自由度機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)。
優(yōu)選地，所述機(jī)械臂控制器對(duì)多自由度機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行控制，所述控制系統(tǒng)對(duì)智能輪椅本體的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行控制，所述機(jī)械臂控制器利用多自由度機(jī)械臂與智能輪椅本體的位置關(guān)系，對(duì)多自由度機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行補(bǔ)償，進(jìn)而避免智能輪椅本體的運(yùn)動(dòng)對(duì)多自由度機(jī)械臂末端的運(yùn)動(dòng)控制造成影響。
優(yōu)選地，所述多自由度機(jī)械臂帶動(dòng)機(jī)械抓手在三維空間內(nèi)運(yùn)動(dòng)。
優(yōu)選地，所述機(jī)械臂控制器采用單板控制器或者工控機(jī)。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下有益效果：
l、本發(fā)明利用機(jī)械臂控制器和控制系統(tǒng)分別對(duì)多自由度機(jī)械臂和智能輪椅本體的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行控制，并通過(guò)兩者之間的坐標(biāo)信息對(duì)多自由度機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)速度進(jìn)行補(bǔ)償，協(xié)調(diào)多自由度機(jī)械臂和智能輪椅本體的運(yùn)動(dòng)，使得智能輪椅本體的運(yùn)動(dòng)不會(huì)對(duì)多自由度機(jī)械臂末端的運(yùn)動(dòng)控制造成影響，實(shí)現(xiàn)智能輪椅本體與多自由度機(jī)械臂協(xié)作進(jìn)行開(kāi)門(mén)的目的。
2、利用多自由度機(jī)械臂末端相對(duì)于機(jī)械臂基座的運(yùn)動(dòng)速度，通過(guò)雅可比矩陣J將多自由度機(jī)械臂末端相對(duì)于機(jī)械臂基座的運(yùn)動(dòng)速度轉(zhuǎn)換為多自由度機(jī)械臂的關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)速度，實(shí)現(xiàn)精確控制多自由度機(jī)械臂的目的。
3、本發(fā)明同時(shí)考慮利用攝像頭采集障礙物信息及多自由度機(jī)械臂操作空間約束信息，并與智能輪椅本體的控制系統(tǒng)共享，保證整個(gè)開(kāi)門(mén)過(guò)程中智能輪椅本體及多自由度機(jī)械臂不與門(mén)發(fā)生碰撞，提高安全性能。
4、本發(fā)明解決了在家居環(huán)境中乘坐輪椅之人的開(kāi)門(mén)問(wèn)題；克服了傳統(tǒng)固定基座的機(jī)械臂操作空間的限制，不能打開(kāi)寬度較大的門(mén)的缺點(diǎn)；給行動(dòng)不便者帶來(lái)很大的便利，具有行動(dòng)精準(zhǔn)、安全可靠、方便操作等特點(diǎn)。
附圖說(shuō)明
圖1為本發(fā)明整體結(jié)構(gòu)示意圖。
圖中：l為機(jī)械臂控制器，2為智能輪椅本體，3位多自由度機(jī)械臂，4位多軸力/力矩傳感器，5位機(jī)械抓手，6為攝像頭。
具體實(shí)施方式
本實(shí)施例提供了一種可自主開(kāi)門(mén)的智能輪椅，包括智能輪椅本體、多自由度機(jī)械臂、多軸力/力矩傳感器、攝像頭、機(jī)械抓手以及機(jī)械臂控制器，其中，所述多自由度機(jī)械臂安裝在智能輪椅本體的側(cè)方，多自由度機(jī)械臂的末端安裝有多軸力/力矩傳感器，所述機(jī)械抓手固接在多軸力/力矩傳感器上，所述攝像頭安裝在機(jī)械臂的末端并位于機(jī)械抓手的上方，所述機(jī)械臂控制器分別與智能輪椅本體的控制系統(tǒng)、多自由度機(jī)械臂、多軸力/力矩傳感器、攝像頭和機(jī)械抓手相連接；
所述攝像頭獲取門(mén)把手的準(zhǔn)確位置，并傳輸至機(jī)械臂控制器，機(jī)械臂控制器根據(jù)位置信息控制多自由度機(jī)械臂和機(jī)械抓手運(yùn)動(dòng)，所述力/力矩傳感器獲得多自由度機(jī)械臂末端的受力信息，并傳輸至機(jī)械臂控制器，機(jī)械臂控制器根據(jù)受力信息規(guī)劃開(kāi)門(mén)的軌跡后反饋至多自由度機(jī)械臂執(zhí)行開(kāi)門(mén)動(dòng)作；
所述機(jī)械臂控制器與控制系統(tǒng)之間信息共享。
進(jìn)一步地，所述機(jī)械臂控制器采用速度控制策略，根據(jù)多軸力/力矩傳感器反饋的多自由度機(jī)械臂末端所受的力/力矩信息，計(jì)算多自由度機(jī)械臂末端的運(yùn)功速度，再結(jié)合智能輪椅本體運(yùn)動(dòng)從而帶動(dòng)機(jī)械臂基座運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)速度，得到多自由度機(jī)械臂末端相對(duì)于智能輪椅本體的運(yùn)動(dòng)速度，通過(guò)雅可比矩陣J將多自由度機(jī)械臂末端相對(duì)于智能輪椅本體的運(yùn)動(dòng)速度轉(zhuǎn)換為多自由度機(jī)械臂的關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)速度，進(jìn)而精確控制多自由度機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)。
進(jìn)一步地，所述機(jī)械臂控制器對(duì)多自由度機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行控制，所述控制系統(tǒng)對(duì)智能輪椅本體的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行控制，所述機(jī)械臂控制器利用多自由度機(jī)械臂與智能輪椅本體的位置關(guān)系，對(duì)多自由度機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行補(bǔ)償，進(jìn)而避免智能輪椅本體的運(yùn)動(dòng)對(duì)多自由度機(jī)械臂末端的運(yùn)動(dòng)控制造成影響。
進(jìn)一步地，所述多自由度機(jī)械臂帶動(dòng)機(jī)械抓手在三維空間內(nèi)運(yùn)動(dòng)。
進(jìn)一步地，所述機(jī)械臂控制器采用單板控制器或者工控機(jī)。
本實(shí)施例提供的可自主開(kāi)門(mén)的智能輪椅，簡(jiǎn)單快速，與固定基座的機(jī)械臂開(kāi)門(mén)方法相比有很多優(yōu)點(diǎn)，克服了傳統(tǒng)固定基座的機(jī)械臂操作空間的限制，不能打開(kāi)寬度較大的門(mén)的缺點(diǎn)，能夠給行動(dòng)不便者帶來(lái)很大的便利。
以上對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施例進(jìn)行了描述。需要理解的是，本發(fā)明并不局限于上述特定實(shí)施方式，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以在權(quán)利要求的范圍內(nèi)做出各種變形或修改，這并不影響本發(fā)明的實(shí)質(zhì)內(nèi)容。