智能輪椅和傳感器

在運動(dòng)過(guò)程中，輪椅既需要接受用戶(hù)的指令，又需結合環(huán)境信息啟動(dòng)自身避障、導航等功能模塊，與移動(dòng)機器人不同的是，在使用過(guò)程中，輪椅與用戶(hù)成為一個(gè)協(xié)同工作的系統。這就要求在設計之初就把人這個(gè)因素納入考慮之中，所以，安全、舒適和容易操作應成為智能輪椅設計中最重要的因素;使用者身體能力的差異決定了智能輪椅需被設計為一個(gè)功能多元化，能滿(mǎn)足多種層次需要的電子系統，而模塊化最能體現系統多功能化的特征，每個(gè)用戶(hù)都能根據其自身殘障類(lèi)型和程度選擇適當的模塊集成，且設計者可以在現有基礎上通過(guò)增添功能模塊，很方便地對輪椅功能進(jìn)行改進(jìn)。

智能輪椅的總功能可以分為以下幾個(gè)子功能：環(huán)境感知及導航功能、控制功能、驅動(dòng)功能和人機交互功能。通過(guò)對智能輪椅的功能分析和模塊劃分，再結合具體的研究?jì)热莺推谕刂颇繕?，本系統主要由傳感器模塊、驅動(dòng)控制模塊和人機交互模塊3部分組成，硬件系統結構如圖1所示。其中傳感器模塊主要有內部狀態(tài)感知和外部環(huán)境感知兩部分構成，通過(guò)姿態(tài)傳感器確定輪椅自身的位姿信息;通過(guò)編碼器的位移速度和距離獲得自定位信息;視覺(jué)、超聲波和接近開(kāi)關(guān)主要負責持續獲得周?chē)h(huán)境和障礙物的距離信息。驅動(dòng)控制模塊我們采用后輪驅動(dòng)的方式，每一個(gè)后輪配置一個(gè)電動(dòng)機，在控制器的操作下實(shí)現電動(dòng)輪椅的前進(jìn)、后退和轉向。人機交互界面由操作桿和個(gè)人電腦界面數據輸入兩種方式，實(shí)現基本的人機交互功能。

智能輪椅有2個(gè)獨立的驅動(dòng)輪，各自配備一個(gè)電機碼盤(pán)。由2個(gè)電機碼盤(pán)的實(shí)時(shí)檢測數據構成了里程計式的相對定位傳感器，同時(shí)安裝了傾角傳感器和陀螺儀來(lái)測量輪椅在行進(jìn)過(guò)程中的姿態(tài)狀態(tài)。超聲波傳感器和接近開(kāi)關(guān)被用于感知周?chē)h(huán)境信息。為獲取更大范圍內的障礙物信息，本系統配備了8個(gè)紅外傳感器和8個(gè)超聲波傳感器。另外安裝了一個(gè)CCD攝像頭用于判斷前方行進(jìn)路程中的深度信息。

能夠僅僅依靠?jì)蓚€(gè)輪子完成車(chē)體的平衡。這個(gè)顯著(zhù)特征要求它有特殊的結構，基本的設計思想為：保持兩個(gè)輪子分別由獨立的直流電動(dòng)機驅動(dòng)，并且在一條軸線(xiàn)上，車(chē)體的重心保持在輪軸以上，使用檢測車(chē)體傾斜角度的傳感器實(shí)時(shí)地獲取車(chē)體的姿態(tài)信息，機器人的處理器將傳感器信號進(jìn)行處理，按照一定的控制算法計算出控制量控制電動(dòng)機的轉速和轉向，驅動(dòng)機器人前進(jìn)或后退，完成車(chē)體的平衡。

智能輪椅采用一個(gè)傾角傳感器和一個(gè)陀螺儀的組合構成姿態(tài)傳感器來(lái)檢測車(chē)體平臺的運行姿態(tài)。傾角傳感器用來(lái)測量輪椅偏離豎直方向的角度，陀螺儀用來(lái)測量角速度。