專利名稱：一種面向智能型室內助動系統的交互控制裝置及方法
技術領域：
本發(fā)明涉及智能控制系統、嵌入式圖像處理以及視覺伺服領域，尤其涉及一種面 向智能型室內助動系統的交互控制系統。
背景技術：
為滿足患者和老年人平躺、站立等不同體位變化的需要，減輕護理人員勞動強度， 設計具備較強功能，滿足日常所需，便于操作與控制的智能助動系統具有較為實際的意義。 目前已有的助動系統所存在的問題有處于輪椅狀態(tài)時的靈活性和操作性不佳等問題；處 于臥姿時，其寬度、高度也不能滿足護理要求，缺乏舒適性；已有助動系統的坐、臥、站體位 之間的轉換過程復雜；控制方式和人機交互方式單一；沒有考慮到對于助動系統智能化的 要求，系統的避障、生理參數監(jiān)測、康復娛樂等必要功能均未進行設計和實現。公開技術分離式助行護理床它包括固定床面部分、分離床面部分、床架、升背機構 和屈腿機構；所述固定床面部分為U形，所述分離床面部分正好可以鑲嵌在固定床面部分 的U形槽內，使固定床面部分與分離床面部分構成一個矩形的整體床面；所述床架包括帶 腳輪的整體支架和通過旋轉連接軸連接于其上的活動支架；所述升背機構由四桿機構和電 動執(zhí)行器構成；所述屈腿機構包括對稱固連于所述整體支架上的左、右支撐，其上分別安裝 有左、右電機，左、右電機的輸出軸分別與左、右齒輪副連接，左、右齒輪副分別與左、右曲柄 的一端連接，左、右曲柄的另一端分別固連在所述固定床面部分上。該公開技術在很大程度 上增強了護理床的靈活性，為其增添了體位變換功能；但其本身僅僅為一護理床，對于乘坐 者的助動功能體現不足，無法變位于輪椅狀態(tài)幫助乘坐者進行戶外活動；同時該護理床的 體位變換在很大程度上依賴于齒輪等機械機構，控制缺乏一定的智能性。

發(fā)明內容
有鑒于此，本發(fā)明的目的在于解決體位變換和室內助動的技術問題，同時能夠以 較高智能為乘坐者提供較為便易的交互操作和床體-輪椅對接方式，將床體和智能輪椅本 體構成室內助動系統，為此，本發(fā)明提供一種面向智能型室內助動系統的交互控制裝置及 方法。為達成所述目的，本發(fā)明第一方面提供一種面向智能型室內助動系統的交互控制 裝置，該裝置解決技術問題的技術方案如下該裝置用于控制智能輪椅本體的坐臥站體位 變換、運動以及輪椅本體與床體的自動對接；所述智能輪椅中含有靠背、護腿板、輪椅靠背 推桿、連桿機構、扶手、左運動控制電機、右運動控制電機、輪椅靠背推桿直流伺服驅動電 機、座椅的左推桿直流伺服驅動電機、座椅的右推桿直流伺服驅動電機、左扶手直流伺服驅 動電機和右扶手直流伺服驅動電機，其特征在于，該裝置包括嵌入式上位機、運動控制單 元、體位變換控制單元、非視覺感知單元、視覺感知和處理單元、人機交互單元，其中人機交互單元輸出端與CAN總線和嵌入式上位機連接，人機交互單元的輸入端用 以接收乘坐者輸入的命令，人機交互單元的輸出端輸出兩路一路經CAN總線輸出運動控制命令信號，另一路發(fā)送體位變換控制命令信號或工作模式切換命令信號；視覺感知和處理單元輸出端與CAN總線連接，視覺感知和處理單元的輸入端獲取 輪椅本體的場景圖像，視覺感知和處理單元的輸出端通過CAN總線輸出引導輪椅本體完成 床體自動駛入對接操作的輪椅位置和姿態(tài)的感知信息；非視覺感知單元輸出端與CAN總線連接，非視覺感知單元的輸入端獲取輪椅本體 周圍環(huán)境信息，非視覺感知單元的輸出端經CAN總線輸出周圍環(huán)境感知信息；運動控制單元輸出端與CAN總線連接，運動控制單元的輸入端通過CAN總線接收 運動控制命令信號，運動控制單元還接收周圍環(huán)境感知信息；運動控制單元的輸出端通過 CAN總線輸出兩路電機驅動信號、運動控制單元的工作狀態(tài)信息；體位變換控制單元的輸出端與CAN總線連接，體位變換控制單元的輸入端接收經 CAN總線發(fā)送來的體位變換控制命令信號，體位變換控制單元的輸出端輸出五路電機驅動 信號、體位變換的工作狀態(tài)信息；嵌入式上位機具有五路輸入端通過CAN總線分別與人機交互單元、運動控制單 元、體位變換控制單元、非視覺感知單元、視覺感知和處理單元和人體生理信號檢測單元連 接，實現所述各單元之間的資源調度和運動模式協調，嵌入式上位機的輸入端接收體位變 換控制命令信號、工作模式切換命令信號、輪椅位姿感知信息、周圍環(huán)境感的知信息、CAN總 線發(fā)送來的所述各單元工作狀態(tài)信息；嵌入式上位機的輸出端輸出周圍環(huán)境感知信息、所 述各單元工作狀態(tài)信息和人體生理信號至人機交互單元用以進行實時監(jiān)控顯示，嵌入式上 位機的輸出端輸出運動控制命令至運動控制單元及輸出體位變換命令至體位變換控制單 元；在上述各單元的協調控制下，智能輪椅本體工作于輪椅助動、體位變換和床體自動駛入 對接三種工作模式在輪椅助動模式下，運動控制單元依據人機交互單元的命令和非視覺感知單元對 周圍環(huán)境的感知信息進行避障行駛和防跌落行駛；左運動控制電機、右運動控制電機分別 接收運動控制單元的電機驅動信號，用于執(zhí)行驅動輪椅本體完成運動控制命令；在體位變換模式下，體位變換控制單元根據人機交互單元輸出的體位變換控制命 令信號對輪椅本體進行體位切換操作；輪椅靠背推桿直流伺服驅動電機、座椅的左推桿直 流伺服驅動電機、座椅的右推桿直流伺服驅動電機、左扶手直流伺服驅動電機和右扶手直 流伺服驅動電機分別接收體位變換控制單元所輸出的電機驅動信號，協調動作完成體位變 換命令的執(zhí)行；在床體自動駛入對接模式下，輪椅本體以實現于視覺感知和處理單元與嵌入式上 位機內的視覺伺服控制機制自主倒退駛入床體的U形區(qū)域內，并在到達設定位置時變換為 臥式體位，從而實現輪椅本體與床體的自動對接。還具備相應的網絡接口，提供網絡和娛樂 服務。其中，所述運動控制單元包括運動控制器和驅動器，其運動控制器在輪椅助動模 式下采用開環(huán)控制，在床體自動駛入對接模式下采用閉環(huán)控制，實現輪椅本體的速度調節(jié) 和位置調節(jié)，運動控制器的輸出端輸出電機控制信號；驅動器的輸入端與運動控制器的輸 出端連接，驅動器接收電機控制信號，用以依據電機控制信號調整施加于左運動控制電機 和右運動控制電機的實際工作電壓，從而對運動控制命令信號起到功率放大的作用。其中，所述體位變換控制單元包括輪椅靠背推桿控制驅動器、座椅推桿控制驅動器和扶手控制驅動器，其輪椅靠背推桿控制驅動器的輸出端與輪椅靠背推桿直流伺服驅動 電機連接，采用閉環(huán)控制方式控制輪椅靠背推桿做直線運動，輪椅靠背推桿借助于聯接靠 背和護腿板的連桿機構聯動調整輪椅靠背和護腿板姿態(tài)；座椅推桿控制驅動器的輸出端與 座椅的左推桿直流伺服驅動電機、座椅的右推桿直流伺服驅動電機連接，采用閉環(huán)方式對 其進行同步控制，用于調整座椅姿態(tài)；扶手控制驅動器的輸出端分別與左扶手直流伺服驅 動電機和右扶手直流伺服驅動電機連接，對左扶手直流伺服驅動電機和右扶手直流伺服驅 動電機進行閉環(huán)控制，用于調整所述兩個扶手的姿態(tài)，當輪椅本體位于床體外側時調整兩 個扶手位于輪椅靠背前方，在輪椅本體在床體內與床體對接之前調整所述扶手轉向輪椅靠 背的后方。其中，所述非視覺感知單元包括八個超聲傳感器和一個信號處理卡，在輪椅本體 的左側面和右側面各有一個所述超聲傳感器，在輪椅本體的前側面設有兩個所述超聲傳感 器，在輪椅本體后側面設有兩個所述超聲傳感器，在輪椅腳踏板的底面設有兩個所述超聲 傳感器，所述超聲傳感器輸出輪椅周圍環(huán)境的感知信息，所述周圍環(huán)境的感知信息是輪椅 前方、后方、左方、右方的障礙信息以及腳踏板下方的地面突變信息；信號處理卡的輸入端 分別與八個超聲傳感器的輸出端連接，接收八路超聲傳感器輸出的輪椅周圍環(huán)境的感知信 息并對八個超聲傳感器的感知信息進行濾波和數據融合，信號處理卡的輸出端將所述輪椅 周圍環(huán)境的感知信息經CAN總線發(fā)送至嵌入式上位機或運動控制單元。其中，所述視覺感知和處理單元包括一個攝像頭、一塊智能圖像采集處理卡，所述 攝像頭位于輪椅靠背的后側面，攝像頭用于感知輪椅后方的環(huán)境圖像，并利用視頻線輸出 輪椅后部圖像信號；智能圖像采集處理卡與攝像頭連接，用以接收攝像頭發(fā)送來的圖像信 號，并根據圖像信號執(zhí)行床體自動駛入對接工作模式所需的視覺算法和輪椅本體定位算 法，視覺算法和輪椅本體定位算法執(zhí)行所得到的輪椅位置和姿態(tài)信息經CAN總線發(fā)送至嵌 入式上位機。其中，所述人機交互單元包括操縱桿、功能按鍵和觸摸屏三部分，操縱桿接收乘坐 者運動控制命令，并將運動控制命令利用CAN總線直接發(fā)送至運動控制單元；功能按鍵用 以接收輪椅工作模式切換命令信號和輪椅設置命令信號，并將輪椅工作模式切換命令和輪 椅設置命令輸送至嵌入式上位機；觸摸屏一方面接收用戶輸入的體位變換控制命令信號和 輪椅工作模式命令信號并將體位變換控制命令信號和輪椅工作模式命令信號直接輸出至 嵌入式上位機；另一方面接收嵌入式上位機發(fā)送來的輪椅工作狀態(tài)信息、人體生理參數信 息和周圍環(huán)境信息，并對所述的這些信息進行可視化顯示。為達成所述目的，本發(fā)明第二方面提供一種利用面向智能型室內助動系統交互控 制裝置的面向智能型室內助動系統的交互控制方法，該方法解決技術問題的技術方案如 下步驟Sl 利用視覺感知和處理單元的智能圖像采集處理卡中的FPGA對攝像頭所 發(fā)送來的輪椅后部圖像進行畸變校正、Carmy邊緣提取和Hough變換，得到圖像中所蘊含的
直線信息；步驟S2:利用所述智能圖像采集處理卡中的DSP，完成基于U形區(qū)域空間特征線與 特征點的輪椅本體相對于床體的位置和姿態(tài)角定位；步驟S3 嵌入式上位機接收所述智能圖像采集處理卡發(fā)送來的輪椅本體相應于床體的位置和姿態(tài)角信息，完成床體U形區(qū)域自動駛入路徑規(guī)劃；步驟S4 嵌入式上位機依據設計得到的輪椅本體控制率，確定出輪椅的運動速度 和運動方向角并將運動速度和運動方向角利用CAN總線發(fā)送至運動控制單元，運動控制單 元利用輪椅的運動學模型將輪椅的運動速度和運動方向角轉化為兩輪速度，并利用運動控 制單元內部的電機閉環(huán)控制算法實現輪椅本體面向U形區(qū)域的駛入控制；步驟S5 當嵌入式上位機依據輪椅本體的位置信息確定輪椅本體到達U形區(qū)域內 設定位置時，向體位變換控制單元發(fā)送臥姿變換命令，體位變換控制單元借助于扶手電機 控制驅動器將兩個扶手外向旋轉至朝后，然后利用輪椅靠背推桿控制驅動器控制輪椅靠背 推桿直線縮進，靠背平放的同時與靠背相連的連桿機構使護腿板升起，從而完成輪椅本體 與床體的自動對接。其中，所述輪椅本體相對于床體的位置和姿態(tài)角的定位步驟包括步驟S21 利用智能圖像采集處理卡中的FPGA所發(fā)送來的直線信息，確定圖像中 每條直線在圖像平面坐標系下的數學表達為ax+by+c = 0 ；其中，(X，y)為坐標變量，a、b、c為直線方程參數；步驟S22 利用床體坐標系和攝像頭坐標系之間的變換關系，將床體中的床體頂 面方程由床體坐標系轉換至攝像頭坐標系其中β、α、hb和h。分別為攝像頭的俯仰角和橫滾角、床體頂面和攝像頭光心距 離地面的高度，α、β、hb和h。為固定參數，標定后連同攝像頭內部參數固化于智能圖像采 集處理卡的DSP ROM中，ζ為空間某點在攝像頭坐標系下的Z軸坐標；步驟S23 在攝像頭坐標系下，過光心和圖像平面內某條直線所構成的平面，即直 線光心平面與床體頂面的交線方程確定為其中f為攝像頭焦距；步驟S24 在攝像頭坐標系下，對圖像平面內所有直線所對應的直線光心平面與 床體頂面所確定的交線首先利用空間直線平行條件和垂直條件進行判斷，然后將確定出的 平行線對之間的距離同床體頂面尺寸參數相匹配，從所有交線中確定出床體頂面中的U形 邊界線及U形邊界線的方向矢量，稱按照這種方式計算得到的U形邊界線的方向矢量為檢 測方向矢量；步驟S25 在床體頂面U形邊界線中選擇任意一條邊界線在床體坐標系下的方程 確定出所述任意一條邊界線的方向矢量；再利用床體坐標系和攝像頭坐標系之間的旋轉矩 陣將所述任意一條邊界線的方向矢量轉換至攝像頭坐標系，利用直線平行性條件對轉換后 的U形邊界線的方向矢量和所述任意一條邊界線對應的檢測方向矢量進行計算，得到輪椅 本體相應于床體的姿態(tài)角；步驟S26 在攝像頭坐標系下，求取U形區(qū)域非平行兩條邊界線的交點坐標；同時 利用攝像頭坐標系和床體坐標系之間的轉換方程將所述交點所對應的、事先通過標定已知 的床體坐標系的交點坐標轉換至攝像頭坐標系；利用上述兩種方式交點坐標之間的等價關 xcos β sin α +ycos β cos α -zsin β - (hb~hc) = 0,
χ cos β sina+y cos β cos cc - ζ sin β - (hb — hc) = 0 afa + bjy + cz = 0系求取輪椅本體在床體坐標系下的位置坐標。其中，所述床體U形區(qū)域自動駛入路徑規(guī)劃的步驟包括步驟S31 在床體坐標系下，依據U形區(qū)域兩側平行線方程確定出床體U形區(qū)域的 中心線方程；步驟S32 依據床體布局空間條件確定出輪椅本體可行避碰運行空間；步驟S33 在可行避碰空間內依據輪椅本體的運動學方程和非完整約束條件規(guī)劃 出其趨向U形中心線的有效路徑；步驟S34 利用Backst印ping方法實現輪椅本體路徑跟蹤過程的控制率設計。本發(fā)明的有益效果本發(fā)明由智能輪椅本體和床體兩部分構成，利用智能輪椅本 體實現其運動功能和體位變換功能，同時借助于床體和輪椅本體的對接拓寬用戶臥姿時的 活動空間，且是具備坐臥站體位變換功能的智能型室內助動系統。各單元依據智能輪椅的 結構特點和人體操作便易性原則，以組件形式合理布局于智能輪椅上，可使智能輪椅本體 具備防跌落避障行走功能、體位變換功能、自動駛入床體和對接功能以及良好的系統狀態(tài) 監(jiān)測和乘坐者生理參數監(jiān)控功能以及其它的網絡與娛樂功能等。


圖1為由床體和智能輪椅本體兩部分組成的室內助動系統的結構示意圖；圖2為本發(fā)明所提供的人機交互控制系統的體系結構圖；圖3為輪椅本體結構和人機交互控制系統布局示意圖；圖4為輪椅本體床體自動駛入與對接過程示意圖；圖5為基于視覺伺服的輪椅本體自動床體駛入和對接方法流程。圖中主要部件標記說明嵌入式上位機1運動控制單元2
運動控制器2a驅動器2b
體位變換控制單元3輪椅靠背推桿控制驅動器3a
座椅推桿控制驅動器3b扶手控制驅動器3c
視覺感知和處理單元4攝像頭4a
智能圖像采集處理卡4b非視覺感知單元5
超聲傳感器5a信號處理卡5b
人機交互單元6操縱桿6a
觸摸屏6b功能鍵6c
CAN總線7交互組件8
控制組件9助動組件10
蛇皮管11左右兩個扶手直流伺服驅動電機12
左右兩個座椅推桿13輪椅靠背推桿14
連桿機構15左右兩個運動控制電機16
座椅Bl護腿板B2
腳踏板B3靠背B4
左右兩個扶手B5隨動輪B6
左右兩個驅動輪 B7 床體A輪椅本體B 交互組件盒體8a
具體實施例方式為使本發(fā)明的目的、技術方案和優(yōu)點更加清楚明白，以下結合具體實施例，并參照 附圖，對本發(fā)明進一步詳細說明。本發(fā)明為由床體和智能輪椅本體兩部分所構成的室內助動系統實現具有較強智 能性和較高易操作性的人機交互控制裝置。圖1所示為該類助動系統的結構示意圖，其中 A為床體部分，B為智能輪椅本體部分。床體A為U形中空架構，輪椅本體B駛入U形區(qū)域 與床體A對接后可組合為具有較大寬度的護理床，從而便于用戶(通常為患者或老人)完 成翻身等動作，同時增強了休息時的舒服感；輪椅本體B為用戶提供助動能力，且可在坐、 臥、站三種姿態(tài)之間進行切換。為實現上述助動系統的相關功能，并在一定程度上滿足患 者或老人的便宜操作和生活需求，本發(fā)明提供了一種面向該種助動系統的人機交互控制裝 置。在該人機交互控制裝置的作用下，輪椅本體B在運行過程中具有避障和防跌落功能，能 夠依據用戶需求變更體位姿態(tài)，能夠在無需用戶介入的情況下自動完成床體A的駛入和對 接過程，能夠實時顯示和監(jiān)控系統工作狀態(tài)和用戶生理參數，同時提供一定的網絡和娛樂 功能。圖2所示為本發(fā)明所提供的人機交互控制裝置的體系結構圖。由圖可以看出，該 系統以嵌入式上位機1為核心，輔以運動控制單元2、體位變換控制單元3、視覺感知和處理 單元4、非視覺感知單元5和人機交互單元6，同時可接收外部發(fā)送來的乘坐者生理檢測信 號，各單元之間以及各單元與嵌入式上位機1之間利用CAN總線7實現命令傳輸和信息交 互。所述嵌入式上位機1采用ARM9嵌入式上位機或其它嵌入式微處理器所實現的上位機， 所述視覺感知和處理單元4是基于DSP和FPGA的視覺感知和處理單元。人機交互單元6輸出端與CAN總線7和嵌入式上位機1連接，人機交互單元1的 輸入端用以接收乘坐者輸入的命令，人機交互單元6的輸出端輸出兩路一路經CAN總線輸 出運動控制命令信號，另一路發(fā)送體位變換控制命令信號或工作模式切換命令信號；視覺感知和處理單元4輸出端與CAN總線7連接，視覺感知和處理單元4的輸入 端獲取輪椅本體B的場景圖像，視覺感知和處理單元4的輸出端通過CAN總線7輸出引導 輪椅本體B完成自動駛入床體對接操作的輪椅位置和姿態(tài)的感知信息；非視覺感知單元5輸出端與CAN總線7連接，非視覺感知單元4的輸入端獲取輪 椅本體B周圍環(huán)境信息，非視覺感知單元4的輸出端經CAN總線7輸出周圍環(huán)境感知信息；運動控制單元2輸出端與CAN總線7連接，運動控制單元2的輸入端通過CAN總 線7接收運動控制命令信號，運動控制單元2還接收周圍環(huán)境感知信息；運動控制單元2的 輸出端通過CAN總線7輸出兩路電機驅動信號、運動控制單元2的工作狀態(tài)信息；體位變換控制單元3的輸出端與CAN總線7連接，體位變換控制單元3的輸入端 接收經CAN總線7發(fā)送來的體位變換控制命令信號，體位變換控制單元3的輸出端輸出五 路電機驅動信號、體位變換的工作狀態(tài)信息；嵌入式上位機1具有五路輸入端通過CAN總線7分別與人機交互單元6、運動控制 單元2、體位變換控制單元3、非視覺感知單元5、視覺感知和處理單元4和人體生理信號連
11述各單元之間的資源調度和運動模式協調，嵌入式上位機1的輸入端接收體位 變換控制命令信號、工作模式切換命令信號、輪椅位姿感知信息、周圍環(huán)境感的知信息、CAN 總線7發(fā)送來的所述各單元工作狀態(tài)信息；嵌入式上位機1的輸出端輸出周圍環(huán)境感知信 息、所述各單元工作狀態(tài)信息和人體生理信號至人機交互單元6用以進行實時監(jiān)控顯示， 嵌入式上位機1的輸出端輸出運動控制命令至運動控制單元2及輸出體位變換命令至體位 變換控制單元3 ；在上述各單元的協調控制下，智能輪椅本體B工作于輪椅助動、體位變換 和床體自動駛入對接三種工作模式在輪椅助動模式下，運動控制單元2依據人機交互單元6的命令和非視覺感知單 元5對周圍環(huán)境的感知信息進行避障行駛和防跌落行駛；左運動控制電機、右運動控制電 機分別接收運動控制單元2的電機驅動信號，用于執(zhí)行驅動輪椅本體B完成運動控制命 令；在體位變換模式下，體位變換控制單元3根據人機交互單元6輸出的體位變換控 制命令信號對輪椅本體B進行體位切換操作；輪椅靠背推桿直流伺服驅動電機、座椅的左 推桿直流伺服驅動電機、座椅的右推桿直流伺服驅動電機、左扶手直流伺服驅動電機和右 扶手直流伺服驅動電機分別接收體位變換控制單元3所輸出的電機驅動信號，協調動作完 成體位變換命令的執(zhí)行；在床體A自動駛入對接模式下，輪椅本體B以實現于視覺感知和處理單元4與嵌 入式上位機1內的視覺伺服控制機制自主倒退駛入床體A的U形區(qū)域內，并在到達設定位 置時變換為臥式體位，從而實現輪椅本體B與床體A的自動對接。各單元具體實施描述如下1)嵌入式上位機嵌入式上位機1為裝置核心，用以實現所述各單元之間的資源調度和運動模式協 調，具有五路輸入，分別為人機交互單元6直接發(fā)送來的體位變換控制命令、視覺感知和處 理單元4經CAN總線發(fā)送來的輪椅位姿信息、非視覺感知單元5經由CAN總線7傳送來的 周圍環(huán)境感知信息、運動控制單元2和體位變換控制單元3經由CAN總線7發(fā)送來的輪椅 工作狀態(tài)信息；三路輸出分別為輸出環(huán)境感知信息、輪椅工作狀態(tài)信息和人體生理信號 至人機交互單元6用以進行監(jiān)控顯示，輸出運動控制命令至運動控制單元2，輸出體位變換 命令至體位變換控制單元3。嵌入式上位機1采用三星公司基于ARM920T內核的S3C2410ARM9微處理器，也可 采用其它形式的嵌入式微處理器，操作系統為基于LinuX2. 6內核的實時多任務操作系統。2)運動控制單元運動控制單元2包括運動控制器2a和驅動器2b，其中運動控制器采用DSP，也可 采用單片機等其它形式的微處理器，運動控制器2a在輪椅助動模式下接收操縱桿6a的命 令和非視覺感知信息，并利用開環(huán)方式實現輪椅本體B的避障和防跌落行駛；在床體A自動 駛入對接模式下接收嵌入式上位機1發(fā)送來的控制命令，并采用閉環(huán)控制實現輪椅本體B 的速度調節(jié)和位置調節(jié)。運動控制器2a直接輸出電機控制命令至驅動器2b，驅動器2b接 收到該命令后調整施加于兩直流伺服運動電機的實際工作電壓，即起到功率放大的作用。3)體位變換控制單元體位變換控制單元3包括輪椅靠背推桿控制驅動器3a、座椅推桿控制驅動器3b和
12扶手控制驅動器3c，輸入為嵌入式上位機1經CAN總線7發(fā)送來的體位變換命令。輪椅靠 背推桿控制驅動器3a的輸出端與輪椅靠背推桿14的直流伺服驅動電機連接，采用閉環(huán)控 制方式控制輪椅靠背推桿14做直線運動，輪椅靠背推桿14借助于連桿機構15聯動調整靠 背B5和護腿板B2姿態(tài)；座椅推桿控制驅動器3b的輸出端與左右兩個座椅推桿13的驅動 電機連接，采用閉環(huán)方式對左右兩個座椅推桿13進行同步控制，用于調整座椅Bl姿態(tài)；扶 手控制驅動器3c的輸出端與左右兩個扶手直流伺服驅動電機12連接，通過對這兩個扶手 直流伺服驅動電機12進行閉環(huán)控制調整兩個扶手B4姿態(tài)在床體A外側時扶手B4指向輪 椅靠背B5前方，在床體A內與床體對接之間前轉向輪椅靠背B5后方。4)基于DSP和FPGA的視覺感知和處理單元視覺感知和處理單元4包括攝像頭4a和智能圖像采集處理卡4b，其中攝像頭4a 用于感知輪椅后部的環(huán)境圖像，并將輪椅后部環(huán)境的環(huán)境圖像利用視頻線發(fā)送至智能圖像 采集處理卡4b ；智能圖像采集處理卡4b為基于DSP和FPGA設計，用以接收攝像頭4a發(fā)送 來的圖像信號，并據此實現床體A自動駛入對接工作模式所需的視覺算法和輪椅本體B的 定位算法，處理后的結果經CAN總線7發(fā)送至嵌入式上位機1。5)非視覺感知單元非視覺感知單元5包括超聲傳感器5a和信號處理卡5b，超聲傳感器5a用以檢測 周圍障礙信息和地面突變信息；信號處理卡5b基于DSP設計，也可采用單片機等其它形式 的微處理器，接收超聲傳感器5a信號并對超聲傳感器信號進行濾波和信息融合，輸出超聲 傳感器信號經CAN總線7發(fā)送至嵌入式上位機1或運動控制單元2。6)人機交互單元人機交互單元6用以接收乘坐者命令輸入，包括操縱桿6a、觸摸屏6b和輔助功能 鍵6c，人機交互單元6中的操縱桿6a用以接收乘坐者運動控制命令輸入，經CAN總線7后 發(fā)送至運動控制單元2 ；功能鍵6c用以接收系統工作模式切換命令和系統設置命令，并將 系統工作模式切換命令和系統設置命令輸送至嵌入式上位機1 ；觸摸屏6b —方面可以接收 用戶輸入的體位變換命令和輪椅工作模式命令并將體位變換命令和輪椅工作模式命令直 接輸出至嵌入式上位機1，另一方面可以接收嵌入式上位機1發(fā)送來的系統工作狀態(tài)信息、 人體生理參數信息和周圍環(huán)境信息，并對這些信息進行可視化顯示，同時提供一定的網絡 娛樂功能。7) CAN 總線除視覺信息輸入外，其它各所述單元之間以及所述各單元同嵌入式上位機1之間 均利用CAN總線7進行信息交流和命令傳送。系統上述各單元的各個組成部分依據功能需求和便宜性條件相互交織以組件形 式布局于智能輪椅本體上。圖3給出了輪椅本體B結構和交互控制裝置的布局示意圖，其 中輪椅本體B包括座椅Bi，護腿板B2，腳踏板B3和左右兩個扶手B4、靠背B5、左右兩個隨 動輪B6和左右兩個驅動輪B7 ；本發(fā)明所述的交互控制裝置包括交互組件8、控制組件9、助 動組件10、超聲傳感器5a和攝像頭4a，圖中其它相關表示為具有一定硬度的蛇皮管11， 左右兩個扶手電機12，左右兩個座椅推桿13，輪椅靠背推桿14，連桿機構15，左右兩個輪轂 電機16。交互組件8包括智能圖像采集處理卡4b、基于ARM的嵌入式上位機1、觸摸屏6b、交互組件盒體8a以及功能鍵6c。智能圖像采集處理卡4b同基于ARM的嵌入式上位機1采 用疊裝方式和插針式連接以保證其不會由于傳輸距離較遠而產生干擾問題，二者固定于盒 體內；觸摸屏6b嵌入至盒體上表面，觸摸屏6b的左側安裝固定有功能鍵6c，功能鍵6c的 作用為防止用戶誤操作觸摸屏6b而導致相應的危險動作。交互組件8通過蛇皮管11固定 于輪椅靠背B5的右上側，交互組件8和蛇皮管11高度高于人體頭部。蛇皮管11具有一定 硬度，用以保證能夠支撐交互組件8，同時具有一定柔性，以保證用戶對交互組件8的角度 進行方便調節(jié)。交互組件8的相關線纜經蛇皮管11內部連至其它組件?？刂平M件9包括運動控制器2a及其驅動器2b、輪椅靠背推桿控制驅動器3a、座椅 推桿控制驅動器3b、扶手控制驅動器3c、非視覺感知單元5中的信號處理卡5b以及輔之于 本發(fā)明的生理信號采集系統和電源處理模塊，所有上述組成部分的相關板卡合理布局后安 裝固定于一金屬的盒體內，所述盒體旁側有開槽以保證相關線纜引至其它組件?？刂平M件 9固定于座椅Bl下面右側。助動組件10采用類似于電動輪椅控制器的外形設計，以保證用戶操作過程的舒 適感，助動組件10上安裝有操縱桿6a、速度調節(jié)按鍵和電量顯示LED，助動組件10內部封 裝有相關的信號處理電路。該助動組件10通常固定于右手扶手B4前端，亦可根據用戶需 要安裝于左側扶手B4，助動組件10后部有線纜引出并就近進入扶手B4的鋼管后連至其它 組件。超聲組件包括八個超聲傳感器5a 在輪椅本體的左側面和右側面各有一個所述 超聲傳感器5a，在輪椅本體的前側面有兩個所述超聲傳感器5a，在輪椅本體的后側面有兩 個所述超聲傳感器5a，上述六個超聲傳感器5a用以感知周圍環(huán)境中的障礙信息；另外兩個 盲區(qū)較小的超聲傳感器5a安裝于腳踏板B3下側，用以感知地面狀況作為防跌落超聲傳感 器5a使用。攝像頭4a為具有較寬視野的攝像頭，安裝固定于輪椅靠背B5后側面上方中央位 置，稍向下傾斜以保證攝像頭4a在一定范圍內能夠檢測到床體A的U形區(qū)域。采用以上結構和布局方式的人機交互控制裝置可控制輪椅本體B工作于輪椅助 動模式、體位變換模式和床體自動駛入對接模式1)輪椅助動模式在該模式下，運動控制單元2依據超聲傳感器5a信息和操縱桿 6a信息、通過協調控制左右兩個運動控制電機16實現輪椅本體B的運動控制，且在必要時 能夠進行相應的避障操作和防跌落操作。在該模式下，由于系統對反應速度要求較高而對 精度要求較低，運動控制器2a采用簡單的開環(huán)控制策略；同時，運動過程不受嵌入式上位 機1控制，嵌入式上位機1只通過觸摸屏6b顯示傳感器信息和生理信號檢測信息，必要時 進行報警。2)體位變換模式用戶通過觸摸屏6b功能按鍵切換至體位變換模式，并依據用戶 觸摸命令經嵌入式上位機1和CAN總線7將相應的體位變換指令發(fā)送至體位變換控制單元 3。體位變換控制單元3通過對兩個座椅推桿13的電機進行同步閉環(huán)控制實現座椅Bl的 姿態(tài)調節(jié)，通過對一個輪椅靠背推桿14的直流伺服驅動電機進行閉環(huán)控制、并借助于連桿 機構15實現輪椅靠背B5和護腿板B2的聯動姿態(tài)調節(jié)，通過控制左右兩個扶手直流電機12 改變扶手B4的方向當輪椅本體B在床體A外面時，扶手B4指向輪椅本體B的前方；當輪 椅本體B駛入床體后與床體進行對接之前轉向靠背B5后方；在體位變換控制單元3的控制
14下，借助于觸摸屏6b命令輸入可實現輪椅本體在坐、臥、站三種位姿之間進行切換，同時也 可對輪椅靠背B5、座椅Bl以及護腿板B2等環(huán)節(jié)進行局部角度連續(xù)調節(jié)。3)床體自動駛入對接模式在該模式下，利用攝像頭4a檢測得到的圖像和固化于 智能圖像采集處理卡4b中的DSP與FPGA內部的相關算法實現對于床體U形區(qū)域的三維空 間檢測和輪椅本體的自定位，以此作為輸入并利用實現于嵌入式上位機1中的視覺伺服控 制算法、借助于運動控制單元2的閉環(huán)控制功能實現輪椅本體B的床體A的U形區(qū)域自主 駛入和對接功能。該工作模式通常需要用戶將輪椅本體B利用輪椅助動模式運動至床體A 前向。除上述三種控制模式外，所述裝置借助于良好的人機界面實現人體生理參數曲 線、系統工作狀態(tài)的實時動態(tài)顯示和監(jiān)控，必要時可以通過網絡系統向監(jiān)護中心發(fā)送報警 信息。同時該裝置還為用戶提供了相應的網絡服務和娛樂功能?；谏鲜鲅b置的功能和應用特點，考慮到用戶純粹依靠手動操作完成床體對接時 存在較大難度，本發(fā)明提供了一種基于視覺伺服的智能輪椅自動床體駛入與對接方法，該 方法的具體實施描述如下設自動駛入過程中床體A與輪椅本體B之間的相對位置關系如圖4所示，其中平 面Pn代表輪椅靠背B5，Pg和Pb分別表示地平面和床體平面，Pi為攝像頭4a的成像平面， I1^ 12、I3和I4為床體A的U形區(qū)域在床體A的平面上的四條邊直線，w為U形區(qū)域寬度，b 為U形區(qū)域底線與床頭線之間的距離，hb為床體A的高度，h。為攝像頭4a的光心距地面的 高度，β為攝像頭4a的俯仰角，此處為表述清楚假設在實施過程中攝像頭4a通過精心固 定其橫搖角較小，對其不予考慮。w、b、hb、h。、β以及攝像頭4a的焦距f可事先通過測量 和標定得到，而攝像頭4a的光心Oe假定位于輪椅本體B的中心軸線上。定義床體坐標系坐標原點Ow為床頭線地面投影與U形區(qū)域縱向中線地面投影的 交點，Xw軸指向床體左側，Y1^S向上，Zw軸沿床體方向；定義攝像頭坐標系坐標原點0。位 于攝像頭4a的光心位置，Zc軸沿攝像頭4a的光心線方向，X。垂直于Z。軸且與地面平行，Yc 軸與其它兩軸滿足右手系原則。步驟Sl 利用視覺感知和處理單元4中智能圖像采集處理卡4b中的FPGA對圖像 進行畸變校正Sl 1、邊緣檢測S12和并行Hough變換S13 ；步驟S2 基于U形區(qū)域空間特征線與特征點視覺檢測的輪椅本體B定位算法，所 述定位算法由視覺感知和處理單元4中智能圖像采集處理卡4b上的DSP實現，所述定位算 法步驟為S21 對智能圖像采集處理卡4b中的FPGA所檢測得到的每條直線，確定在圖像平 面坐標系下的方程為ax+by+c = 0(1)其中，a、b、c為直線方程系數，x、y為坐標變量；S22 利用床體坐標系和攝像頭坐標系之間的變換關系，將床體A的頂面方程由床 體坐標系轉換至攝像頭坐標系。設攝像頭4a (表征輪椅本體)在床體坐標系下的位姿為(Xr，h。，Zr，Θ)，其中Xr和 Z^分為床體坐標系的輪椅本體X軸坐標和Z軸坐標，θ為輪椅本體的姿態(tài)角，則某點由床 體坐標系表達X轉換至攝像頭坐標系表達X'的方程為
其中旋轉矩陣R =
，平移矢量T = 由圖4可得床體A的頂面在攝像頭坐標系下的平面方程為 ycos β-zsin^-(hb-hc) =0
⑶其中β、hb和h。分別為攝像頭的俯仰角、床體頂面和攝像頭光心距離地面的高度， β、hb和h。為固定參數，標定后連同攝像頭內部參數固化于智能圖像采集處理卡的DSP ROM 中，ζ為Z軸坐標變量。S23:在攝像頭坐標系下，確定直線光心平面，即過圖像平面內某條直線與攝像頭 4a光心的平面與床體A的頂面之間的交線方程及所述交線的方向矢量。根據式(1)和圖4可確定出過圖像平面內某條直線和攝像頭4a的光心的三維空 間平面在攝像頭坐標系下的方程為 afx+bfy+cz = 0
⑷其中，f為攝像頭焦距，X、y、ζ為平面方程坐標變量；根據式(3)和(4)可得所述平面與床體A的頂面平面的交線(即對應于該成像直 線的床體頂面A的直線)方程為
{ycosβ -zsinβ -(hb -hc) = 0 [afic + bfy + cz = 0
根據上述直線方程可確定出所述直線的方向矢量(k，m，n)為
Nly
5
k-
bf c cos β -sin β
=—bf sin β-c cos β
6 (
m =
c af -smp 0
=af sin β V =R(X+T)(2)
cos00 -sin0
sin β sin θ cos β sin β cos θ cos β ηθ - sin β cos β cos θ η =
8 /VN
Op
S O
C
/
af bf 0 cosj0S24:在攝像頭坐標系下，對圖像平面內所有直線所對應的直線光心平面與床體平 面所確定的交線利用空間直線平行條件和垂直條件進行判斷，同時借助于平行線對之間的 距離信息和床體結構參數信息確定出床體U形邊界線，然后將確定出的平行線對之間的距 離同床體頂面尺寸參數相匹配，從所有交線中確定出床體頂面中的U形邊界線及U形邊界 線的方向矢量，由此得到的U形邊界線的方向矢量稱之為檢測方向矢量。設圖像平面內檢測得到的兩條直線的方程參數分別為(a1; bi; C1)和(a2，b2，c2)， 利用式(5)_(8)確定所述兩條直線所對應的空間直線及其方向矢量，依據空間直線的平行 條件如果該兩條直線平行則滿足(agbfa^) fsin β+Ca2Cfa1C2) cos β = 0(9)依據空間直線的垂直條件如果該兩條直線垂直則滿足(bifsin β +C1Cos β ) (b2fsin β +c2cos β ) +a^f2 = 0 (10)利用上述平行和垂直關系可以減少圖像中Hough變換直線的數量，從中根據床體CN 101950170 A
說明書
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A的頂面的尺寸參數可進一步通過簡單匹配方法得到對應于床體A的U形區(qū)域的空間直線。步驟S25 在床體A的頂面U形區(qū)域邊界線中選擇任意一條邊界線，利用這條邊界 線在床體坐標系下的方程確定出這條邊界線的方向矢量；再利用床體坐標系和攝像頭坐標 系之間的旋轉矩陣將所述方向矢量轉換至攝像頭坐標系；利用直線平行性條件對上述轉換 至攝像頭坐標系后的邊界線方向矢量和上述任意選擇的邊界線所對應的檢測方向矢量進 行計算，得到輪椅本體相應于床體的姿態(tài)角。在床體坐標系下的U形區(qū)域床面邊界直線Ip 12、I3和I4的空間方程及其方向矢 量可以方便地根據床體實際參數得到，而該四條直線在攝像頭坐標系下的空間方程及其方 向矢量可以根據式(5) (8)計算得到。由此得到了同幾條直線(至少三條，攝像頭4a的 較寬視野對此進行了保證)在不同坐標系的表達。假設某條直線在床體坐標系下的方向矢 量為(kw，mw, nw)，在攝像頭坐標系下的方向矢量為(k。，m。，η。)，令中間方向矢量(km，mffl, nffl) 為
權利要求
一種面向智能型室內助動系統的交互控制裝置，該裝置用于控制智能輪椅本體的坐臥站體位變換、運動以及輪椅本體與床體的自動對接；所述智能輪椅中含有靠背、護腿板、輪椅靠背推桿、連桿機構、扶手、左運動控制電機、右運動控制電機、輪椅靠背推桿直流伺服驅動電機、座椅的左推桿直流伺服驅動電機、座椅的右推桿直流伺服驅動電機、左扶手直流伺服驅動電機和右扶手直流伺服驅動電機，其特征在于，該裝置包括嵌入式上位機、運動控制單元、體位變換控制單元、非視覺感知單元、視覺感知和處理單元、人機交互單元，其中人機交互單元輸出端與CAN總線和嵌入式上位機連接，人機交互單元的輸入端用以接收乘坐者輸入的命令，人機交互單元的輸出端輸出兩路一路經CAN總線輸出運動控制命令信號，另一路發(fā)送體位變換控制命令信號或工作模式切換命令信號；視覺感知和處理單元輸出端與CAN總線連接，視覺感知和處理單元的輸入端獲取輪椅本體的場景圖像，視覺感知和處理單元的輸出端通過CAN總線輸出引導輪椅本體完成床體自動駛入對接操作的輪椅位置和姿態(tài)的感知信息；非視覺感知單元輸出端與CAN總線連接，非視覺感知單元的輸入端獲取輪椅本體周圍環(huán)境信息，非視覺感知單元的輸出端經CAN總線輸出周圍環(huán)境感知信息；運動控制單元輸出端與CAN總線連接，運動控制單元的輸入端通過CAN總線接收運動控制命令信號，運動控制單元還接收周圍環(huán)境感知信息；運動控制單元的輸出端通過CAN總線輸出兩路電機驅動信號、運動控制單元的工作狀態(tài)信息；體位變換控制單元的輸出端與CAN總線連接，體位變換控制單元的輸入端接收經CAN總線發(fā)送來的體位變換控制命令信號，體位變換控制單元的輸出端輸出五路電機驅動信號、體位變換的工作狀態(tài)信息；嵌入式上位機具有五路輸入端通過CAN總線分別與人機交互單元、運動控制單元、體位變換控制單元、非視覺感知單元、視覺感知和處理單元和人體生理信號檢測單元連接，實現所述各單元之間的資源調度和運動模式協調，嵌入式上位機的輸入端接收體位變換控制命令信號、工作模式切換命令信號、輪椅位姿感知信息、周圍環(huán)境感的知信息、CAN總線發(fā)送來的所述各單元工作狀態(tài)信息；嵌入式上位機的輸出端輸出周圍環(huán)境感知信息、所述各單元工作狀態(tài)信息和人體生理信號至人機交互單元用以進行實時監(jiān)控顯示，嵌入式上位機的輸出端輸出運動控制命令至運動控制單元及輸出體位變換命令至體位變換控制單元；在上述各單元的協調控制下，智能輪椅本體工作于輪椅助動、體位變換和床體自動駛入對接三種工作模式在輪椅助動模式下，運動控制單元依據人機交互單元的命令和非視覺感知單元對周圍環(huán)境的感知信息進行避障行駛和防跌落行駛；左運動控制電機、右運動控制電機分別接收運動控制單元的電機驅動信號，用于執(zhí)行驅動輪椅本體完成運動控制命令；在體位變換模式下，體位變換控制單元根據人機交互單元輸出的體位變換控制命令信號對輪椅本體進行體位切換操作；輪椅靠背推桿直流伺服驅動電機、座椅的左推桿直流伺服驅動電機、座椅的右推桿直流伺服驅動電機、左扶手直流伺服驅動電機和右扶手直流伺服驅動電機分別接收體位變換控制單元所輸出的電機驅動信號，協調動作完成體位變換命令的執(zhí)行；在床體自動駛入對接模式下，輪椅本體以實現于視覺感知和處理單元與嵌入式上位機內的視覺伺服控制機制自主倒退駛入床體的U形區(qū)域內，并在到達設定位置時變換為臥式體位，從而實現輪椅本體與床體的自動對接。
2.根據權利要求1所述的面向智能型室內助動系統的交互控制裝置，其特征在于，還 具備相應的網絡接口，提供網絡和娛樂服務。
3.根據權利要求1所述的面向智能型室內助動系統的交互控制裝置，其特征在于，所 述運動控制單元包括運動控制器和驅動器，其中運動控制器在輪椅助動模式下采用開環(huán)控制，在床體自動駛入對接模式下采用閉環(huán)控 制，實現輪椅本體的速度調節(jié)和位置調節(jié)，運動控制器的輸出端輸出電機控制信號；驅動器的輸入端與運動控制器的輸出端連接，驅動器接收電機控制信號，用以依據電 機控制信號調整施加于左運動控制電機和右運動控制電機的實際工作電壓，從而對運動控 制命令信號起到功率放大的作用。
4.根據權利要求1所述的面向智能型室內助動系統的交互控制裝置，其特征在于，所 述體位變換控制單元包括輪椅靠背推桿控制驅動器、座椅推桿控制驅動器和扶手控制驅動 器，其中輪椅靠背推桿控制驅動器的輸出端與輪椅靠背推桿直流伺服驅動電機連接，采用閉環(huán) 控制方式控制輪椅靠背推桿做直線運動，輪椅靠背推桿借助于聯接靠背和護腿板的連桿機 構聯動調整輪椅靠背和護腿板姿態(tài)；座椅推桿控制驅動器的輸出端與座椅的左推桿直流伺服驅動電機、座椅的右推桿直流 伺服驅動電機連接，采用閉環(huán)方式對其進行同步控制，用于調整座椅姿態(tài)；扶手控制驅動器的輸出端分別與左扶手直流伺服驅動電機和右扶手直流伺服驅動電 機連接，對左扶手直流伺服驅動電機和右扶手直流伺服驅動電機進行閉環(huán)控制，用于調整 所述兩個扶手的姿態(tài)，當輪椅本體位于床體外側時調整兩個扶手位于輪椅靠背前方，在輪 椅本體在床體內與床體對接之前調整所述扶手轉向輪椅靠背的后方。
5.根據權利要求1所述的面向智能型室內助動系統的交互控制裝置，其特征在于，所 述非視覺感知單元包括八個超聲傳感器和一個信號處理卡，其中在輪椅本體的左側面和右側面各有一個所述超聲傳感器，在輪椅本體的前側面設有兩 個所述超聲傳感器，在輪椅本體后側面設有兩個所述超聲傳感器，在輪椅腳踏板的底面設 有兩個所述超聲傳感器，所述超聲傳感器輸出輪椅周圍環(huán)境的感知信息，所述周圍環(huán)境的 感知信息是輪椅前方、后方、左方、右方的障礙信息以及腳踏板下方的地面突變信息；信號處理卡的輸入端分別與八個超聲傳感器的輸出端連接，接收八路超聲傳感器輸出 的輪椅周圍環(huán)境的感知信息并對八個超聲傳感器的感知信息進行濾波和數據融合，信號處 理卡的輸出端將所述輪椅周圍環(huán)境的感知信息經CAN總線發(fā)送至嵌入式上位機或運動控 制單元。
6.根據權利要求1所述的面向智能型室內助動系統的交互控制裝置，其特征在于，所 述視覺感知和處理單元包括一個攝像頭、一塊智能圖像采集處理卡，所述攝像頭位于輪椅 靠背的后側面，其中攝像頭用于感知輪椅后方的環(huán)境圖像，并利用視頻線輸出輪椅后部圖像信號；智能圖像采集處理卡與攝像頭連接，用以接收攝像頭發(fā)送來的圖像信號，并根據圖像 信號執(zhí)行床體自動駛入對接工作模式所需的視覺算法和輪椅本體定位算法，視覺算法和輪椅本體定位算法執(zhí)行所得到的輪椅位置和姿態(tài)信息經CAN總線發(fā)送至嵌入式上位機。
7.根據權利要求1所述的面向智能型室內助動系統的交互控制裝置，其特征在于，所 述人機交互單元包括操縱桿、功能按鍵和觸摸屏三部分，其中操縱桿接收乘坐者運動控制命令，并將運動控制命令利用CAN總線直接發(fā)送至運動控 制單元；功能按鍵用以接收輪椅工作模式切換命令信號和輪椅設置命令信號，并將輪椅工作模 式切換命令和輪椅設置命令輸送至嵌入式上位機；觸摸屏一方面接收用戶輸入的體位變換控制命令信號和輪椅工作模式命令信號并將 體位變換控制命令信號和輪椅工作模式命令信號直接輸出至嵌入式上位機；另一方面接收 嵌入式上位機發(fā)送來的輪椅工作狀態(tài)信息、人體生理參數信息和周圍環(huán)境信息，并對所述 的這些信息進行可視化顯示。
8.一種利用權利要求1所述面向智能型室內助動系統交互控制裝置的基于視覺伺服 的智能輪椅自動駛入床體的對接方法，其特征在于，該方法包括步驟Sl 利用視覺感知和處理單元的智能圖像采集處理卡中的FPGA對攝像頭所發(fā)送 來的輪椅后部圖像進行畸變校正、Carmy邊緣提取和Hough變換，得到圖像中所蘊含的直線 fn息；步驟S2 利用所述智能圖像采集處理卡中的DSP，完成基于U形區(qū)域空間特征線與特征 點的輪椅本體相對于床體的位置和姿態(tài)角定位；步驟S3 嵌入式上位機接收所述智能圖像采集處理卡發(fā)送來的輪椅本體相應于床體 的位置和姿態(tài)角信息，完成床體U形區(qū)域自動駛入路徑規(guī)劃；步驟S4 嵌入式上位機依據設計得到的輪椅本體控制率，確定出輪椅的運動速度和運 動方向角并將運動速度和運動方向角利用CAN總線發(fā)送至運動控制單元，運動控制單元利 用輪椅的運動學模型將輪椅的運動速度和運動方向角轉化為兩輪速度，并利用運動控制單 元內部的電機閉環(huán)控制算法實現輪椅本體面向U形區(qū)域的駛入控制；步驟S5 當嵌入式上位機依據輪椅本體的位置信息確定輪椅本體到達U形區(qū)域內設定 位置時，向體位變換控制單元發(fā)送臥姿變換命令，體位變換控制單元借助于扶手電機控制 驅動器將兩個扶手外向旋轉至朝后，然后利用輪椅靠背推桿控制驅動器控制輪椅靠背推桿 直線縮進，靠背平放的同時與靠背相連的連桿機構使護腿板升起，從而完成輪椅本體與床 體的自動對接。
9.根據權利要求8所述基于視覺伺服的智能輪椅自動駛入床體的對接方法，其特征在 于，所述輪椅本體相對于床體的位置和姿態(tài)角的定位步驟包括步驟S21 利用智能圖像采集處理卡中的FPGA所發(fā)送來的直線信息，確定圖像中每條 直線在圖像平面坐標系下的數學表達為 ax+by+c = 0 ；其中，(X，y)為坐標變量，a、b、c為直線方程參數；步驟S22 利用床體坐標系和攝像頭坐標系之間的變換關系，將床體中的床體頂面方 程由床體坐標系轉換至攝像頭坐標系xcos β sin α +ycos β cos α -zsin β -(hb_hc) = 0，其中β、α、hb和h。分別為攝像頭的俯仰角和橫滾角、床體頂面和攝像頭光心距離地固定參數，標定后連同攝像頭內部參數固化于智能圖像采集處 理卡的DSP ROM中，ζ為空間某點在攝像頭坐標系下的Z軸坐標；步驟S23 在攝像頭坐標系下，過光心和圖像平面內某條直線所構成的平面，即直線光 心平面與床體頂面的交線方程確定為
10.根據權利要求8所述基于視覺伺服的智能輪椅自動駛入床體的對接方法，其特征 在于，所述床體U形區(qū)域自動駛入路徑規(guī)劃的步驟包括步驟S31 在床體坐標系下，依據U形區(qū)域兩側平行線方程確定出床體U形區(qū)域的中心 線方程；步驟S32 依據床體布局空間條件確定出輪椅本體可行避碰運行空間； 步驟S33 在可行避碰空間內依據輪椅本體的運動學方程和非完整約束條件規(guī)劃出其 趨向U形中心線的有效路徑；步驟S34 利用Backstepping方法實現輪椅本體路徑跟蹤過程的控制率設計。
全文摘要
本發(fā)明為一種面向智能型室內助動系統的交互控制裝置及方法，用于控制智能輪椅本體的坐臥站體位變換、運動以及輪椅本體與床體的自動對接，該裝置包括嵌入式上位機、運動控制單元、體位變換控制單元、非視覺感知單元、視覺感知和處理單元、人機交互單元。在上述各單元的協調控制下，智能輪椅本體可工作于輪椅助動、體位變換和床體自動駛入對接三種工作模式，同時能夠對輪椅工作狀態(tài)信息、人體生理參數信息和周圍環(huán)境信息進行可視化顯示和監(jiān)控。利用上述交互控制裝置，本發(fā)明還公開了一種基于視覺伺服的智能輪椅自動駛入床體的對接方法。
文檔編號G05B19/418GK101950170SQ20101027812
公開日2011年1月19日 申請日期2010年9月10日 優(yōu)先權日2010年9月10日
發(fā)明者任亞楠, 何文浩, 原魁, 葉愛學, 鄒偉, 魯濤 申請人:中國科學院自動化研究所