[發明專利]一種智能輪椅床系統的床椅自動對接方法

有效

• 申請號: 201410682694.1
• 申請日: 2014-11-24
• 公開（公告）號: CN104382710A
• 公開（公告）日: 2015-03-04
• 發明（設計）人: 魯濤;原魁;任亞楠
• 申請（專利權）人: 中國科學院自動化研究所
• 主分類號: A61G7/05
• 分類號: A61G7/05;A61G5/10
• 代理公司: 北京博維知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 11486
• 代理人: 方振昌

技術領域

本發明涉及視覺伺服及運動控制領域，特別涉及智能輪椅床控制系統的床椅自動對接方法。

背景技術

隨著社會老齡化問題的日益嚴峻，各類殘疾人和長期臥床病人大量存在并持續增長，使醫療和護理工作面臨前所未有的壓力，助老助殘問題正日益成為一個重大的社會問題。基于床椅一體化設計的智能輪椅床系統，能夠為老年人和殘疾人提供更強的獨立生活能力，降低護理人員的工作強度，對于提高老年人和殘疾人的生活質量，確保社會持續穩定發展具有重要的現實意義。

智能輪椅床系統中的一個關鍵性問題是智能輪椅與輔助床體的對接問題。根據采用方法的不同，可以分為機械式和自動對接式。機械式對接方法主要是依靠特定的機械導向機構，完成智能輪椅與床體的對接。小飛哥電動車公司開發的一種智能輪椅床系統，其床體采用U形開口設計，在床體下端安裝對接導軌。智能輪椅后部下端安裝了導向輪，在對接時用戶操作輪椅緩慢倒向床體，在導向輪進入導軌之后，即可順利完成床椅對接。這種對接方式實現起來比較簡單，但是用戶在倒向床體的過程中，無法看到后方的具體情況，很難順利控制導向輪進入導軌，因此實用度不高。

發明內容

為了解決上述問題，本發明基于具有人工路標和視覺感知系統的智能輪椅床系統，提出了一種面向智能輪椅床系統的床椅自動對接方法，該方法通過智能輪椅的自主定位和運動規劃實現床椅對接，具有較高的自主性和魯棒性。

本發明技術方案基于以下智能輪椅床系統而提出的：在輔助床體上安裝人工路標，在智能輪椅后方安裝視覺感知系統；由視覺感知系統識別固定在輔助床體上的人工路標，并將信息傳輸給嵌入式上位機。嵌入式上位機根據人工路標信息完成智能輪椅自主定位和運動規劃，并控制智能輪椅電機驅動單元完成與輔助床體的自主對接。其中人工路標由紅外發光二極管組成，安裝于輔助床體床頭正下方，固定在床體上。視覺感知系統包括一個攝像機、一塊智能圖像采集處理卡，所述攝像機設置有濾光片用于濾除紅外光以外的有色光，安裝于輪椅后部下方。攝像機用于感知輪椅后方的環境圖像；智能圖像采集處理卡通過視頻線與攝像機連接，用以接收攝像機發送來的圖像信號，并根據圖像信號識別出輔助床體上的人工路標信息，發送至嵌入式上位機。

本發明面向智能輪椅床系統的床椅自動對接方法，包括以下步驟：

步驟1：在輔助床體上安裝人工路標，在智能輪椅后方安裝用于識別人工路標的視覺感知系統；

步驟2：通過視覺感知系統采集輪椅后部圖像，并進行閾值分割和連通域分析，得到圖像中人工路標的圖像坐標；

步驟3:依據人工路標的圖像坐標，通過智能輪椅的嵌入式上位機計算出智能輪椅相對于人工路標的位置和姿態角；

步驟4：智能輪椅的嵌入式上位機依據智能輪椅相對于人工路標的位置和姿態角，進行自動對接路徑規劃；

步驟5：根據自動對接路徑規劃，通過智能輪椅的嵌入式上位機設計出智能輪椅自動對接運動的運動學模型，采用閉環控制算法實現智能輪椅與輔助床體的對接。

優選的，智能輪椅相對于人工路標的位置和姿態角的計算，包括以下步驟：

步驟31：在人工路標上建立世界坐標系，通過測量獲得人工路標在世界坐標系下的坐標，標定攝像機內參；

步驟32：利用點透視問題的解法計算出攝像機外參；

步驟32：標定攝像機坐標系與智能輪椅坐標系之間的單應性矩陣，依據攝像機外參計算出智能輪椅在世界坐標系下的位置和姿態角。

優選的，對接運動步驟包括：

步驟A1：通過對人工路標的識別計算智能輪椅初始位置坐標，設定輔助床體邊緣中心點位置坐標后，進行路徑規劃，通過閉環控制算法運動至輔助床體縱向邊緣中心點位置坐標處；

步驟A2：構建一個處于對接狀態下的虛擬智能輪椅，建立其延輔助床體縱中軸線勻速移出的運動模型，計算出移出過程中各時刻采集點下智能輪椅的位姿信息；

步驟A3：利用上述的位姿信息計算智能輪椅當前位置和姿態角的反饋誤差，控制智能輪椅平滑運動到虛擬智能輪椅移出后的位置坐標；

步驟A4：再次通過對人工路標進行識別計算智能輪椅當前位置坐標，消除之前航跡推演導航階段的累積誤差；

步驟A5：進行自動對接路徑規劃，采用閉環控制算法實現智能輪椅與輔助床體的對接。

優選的，人工路標設置于輔助床體床頭正下方。

優選的，人工路標由紅外發光二極管組成。

優選的，紅外發光二極管有三個，分別設置于一個邊長為10cm的等腰直角三角形的頂點。