[發明專利]具有定位導航與多模態人機交互功能的智能輪椅及控制方法

在審

• 申請號: 202211045945.6
• 申請日: 2022-08-30
• 公開（公告）號: CN115399950A
• 公開（公告）日: 2022-11-29
• 發明（設計）人: 駱海濤;孫嘉澤;高鵬宇;李玉新;曹軒;孔祥峰
• 申請（專利權）人: 中國科學院沈陽自動化研究所
• 主分類號: A61G5/04
• 分類號: A61G5/04;A61G5/10;G05D1/02;G06F3/01;G06V40/16
• 代理公司: 沈陽科苑專利商標代理有限公司 21002
• 代理人: 周宇

本發明公開了具有定位導航與多模態人機交互功能的智能輪椅及控制方法，包括輪椅本體和設在其上的控制系統：處理器工控機和與其分別連接的指令輸入單元、激光雷達自主導航模塊、單片機，以及與單片機連接的運動感知模塊和電機驅動單元；通過激光雷達定位輪椅在地圖上的位置；結合地圖和輪椅當前位置規劃路徑、輸出速度指令給單片機驅動輪椅轉輪移動，從而實現自動導航；通過多模態人機交互步驟，檢測面部表情關鍵點和手勢關鍵點，創建手部，面部姿態去進行手勢識別，對應實際輪椅驅動指令，實現對輪椅的行進控制。本發明可以有效降低用戶駕駛疲憊感，顯著地提高用戶體驗、減輕勞動節省體力，并且滿足不同用戶的需求，提高智能輪椅的應用范圍。

技術領域

本發明屬于智能控制領域，尤其涉及一種具有定位導航與多模態人機交互方面的智能輪椅及控制方法。

背景技術

根據權威統計，近年來全球老年人口和殘疾人口數量占比不斷上升，行動障礙者越來越成為社會的一大群體，行動障礙會對人造成嚴重的生理負擔和心理負擔，提高老年人和殘疾人生活行動的便捷性，已經成為必須解決的社會問題，傳統的手動輪椅需要依靠自己或他人力量手動驅動輪椅，極大的消耗了體力，不適合體力弱以及殘障人士使用，隨后發明了電動輪椅，這種輪椅一般由車體、驅動電機、操作桿、電機驅動器、蓄電池組成，使用者可以通過搖桿控制輪椅前進及轉向，但長時間使用會造成駕駛疲勞，并且速度過快存在安全隱患，另外對一部分自理能力較差的人，電動輪椅也滿足不了日常出行需求。因此需要開發一種操作更加方便、使用更加安全的新型智能輪椅，以滿足這部分人的需要，并為更多人提供一種更加優越的代步工具。

發明內容

針對上述問題，本發明的目的在于提供一種具有自主導航與多模態人機交互功能的智能輪椅及控制方法，用戶在障礙物或者人多的環境下可以使用輪椅自主導航功能到達目標點，在人少的地方可以切換為使用面部、手勢、語音功能驅動輪椅前進，增加了用戶的參與感和駕駛體驗樂趣。

為了實現上述目的，本發明采用以下技術方案：

具有自主導航與多模態人機交互功能的智能輪椅，包括：

輪椅本體和設在其上的控制系統，所述控制系統包括：處理器工控機和與其分別連接的指令輸入單元、激光雷達自主導航模塊、單片機，以及與單片機連接的運動感知模塊和電機驅動單元；

所述指令輸入單元，包括語音控制模塊、鍵盤和手柄控制模塊、視覺識別模塊，用于識別用戶輸入的語音指令、鍵盤和手柄指令、動作指令并輸出給處理器工控機；

所述激光雷達自主導航模塊，用于掃描周圍環境生成地圖發送給處理器工控機；

所述運動感知模塊，用于實時檢測輪椅運動數據并通過單片機發送給處理器工控機；

所述處理器工控機，1)根據輪椅運動數據，結合地圖定位輪椅在地圖上的位置；2)結合地圖和輪椅當前位置規劃路徑、輸出速度指令給單片機；3)根據指令輸入單元的用戶指令輸出實際輪椅驅動指令；

所述單片機，用于根據處理器工控機輸出的速度指令進一步分解成電機驅動指令；

所述電機驅動單元，包括電機驅動器、驅動電機，電機驅動器接收單片機的電機驅動指令控制驅動電機轉動，從而帶動輪椅車輪旋轉，實現自主導航。

所述語音控制模塊為麥克風，用于采集輪椅用戶的語音指令；所述視覺識別模塊為深度相機，用于采集輪椅用戶的手勢和面部表情。

所述處理器工控機，2)結合地圖和輪椅當前位置規劃路徑、輸出速度指令給單片機，是通過如下各單元實現的：

a.改進的全局路徑規劃器，在傳統的RRT*規劃器進行如下改進：

修剪RRT*規劃器的冗余的路徑節點；

通過啟發式約束采樣方法和人工勢場中引力場方法減少路徑搜索時間；通過約束路徑的轉彎曲率，使其生成的路徑更加符合輪椅行走；