本发明涉及智能轮椅领域和机械臂控制领域，具体是一种能够完成开门任务的可自主开门的智能轮椅及其自主开门方法。
背景技术：
轮椅是行动不便、肢体伤残人群的重要代步工具，随着人口老龄化的加快，这种辅助工具已经越来越重要，但是随着人越来越多地涉及到对物品或工具的操作，如拿取水杯，开关门窗，传统的轮椅已经无法满足需求。而且许多操作对象往往是受限运动机构(如门、抽屉、开关等)，并且由于移动定位、目标识别的不确定性，这类机构的运动模型往往是不确定的，甚至是未知的，加上家居环境的特殊性，这就使得设计一种能够开门的轮椅有很大的难度。传统的机构和方法均不能很好地完成智能轮椅成功开门的任务。首先，操作机械臂开门具有很多不确定性，这种不确定性可以分为两种类型，第一种不确定性与门模型的动力学相关，例如门的惯性，门合页的力特性等；第二种不确定性与门模型的运动学相关，例如开门的方式(转动还是平动)，门的尺寸等。因此，基于以上提到的机械臂开门的很多特点，目前应用比较多的开门方法主要有三种，第一种是基于路径规划的开门策略，其特点是能准确快速的控制机械臂开门并且不需要额外传感器；第二种是基于自适应力/力矩速度控制的开门策略，其特点是不需要预先知道门的模型，能适应很多不同类型的门模型；第三种是利用特殊机械结构或者手抓来进行开门，这种开门方法简单有效，但是不能适应不同种类的门，而且需要额外辅助设备或传感器。由于考虑到成本因素，很多开门的方法基本上都采用特殊的机械结构来实现开门。例如，中国发明专利，公告号CN103434772A[1]，发明了一种开门机构，利用弹簧、容纳弹簧的套筒、弹簧压板、钢丝绳和定滑轮来实现将开门壁板翻转的能量转化为弹簧的能量储存，并且在，需要的时候释放所储存的能量帮助开门。中国发明专利，公告号CN103883199A[2]，发明公开了一种残疾人自动开门装置，通过红外线信号控制电机将门打开。中国发明专利，公告号CN103452418A[3]，发明了一种能够自动开门的执行机构，包括支架、控制箱、转轴、和一系列连杆；当需要执行开关门动作时，控制箱内电机带动减速器，减速器再带动连杆使门关闭或开启。美国发明专利，专利号5555779[4]设计了一种通用的工具，一端带有吸附力的部件，另一端有一个能够钩住把手的工具，能够方便乘坐轮椅的人打开关闭门。上述方法在针对特殊的门的时候比较有效，但是当处于家居环境不适合安装特殊执行机构时，或者门的类型不一致，需要一种通用性的开门方法的时候，这种方法就不能很好的发挥作用。尤其是在一种特殊条件下，对门的位置以及尺寸都未知的情况下，以上的几种方法都不能有效的完成任务。上述方法的缺点具体分析如下：1.需要准确知道门的模型，或者需要预先安装辅助设备。2.机械臂的基座不能移动，因此操作空间受限。使用安装在轮椅上的机械臂开门涉及到对其在3维空间的定位、开门轨迹规划、甚至门把手的抓握等多方面因素，故其常被作为综合性研究对象。传统的开门算法有两种，一种需事先对门建模，然后规划开门的路径，受限于建模的方法，能够被准确建模和成功打开的门的数量和种类有限；如果采用力/力矩传感器的方法来开门，则受限于固定基座，机械臂的操作空间有限，因此没有很高的开门成功率。
技术实现要素：
针对现有技术的以上问题，本发明的目的在于提供一种能够完成开门任务的可自主开门的智能轮椅及其自主开门方法，结合智能轮椅的灵活性以及机械臂的可操作性，解决现有技术中存在的上述问题。本发明是通过一下子技术方案实现的。根据本发明的一个方面，提供了一种可自主开门的智能轮椅，包括智能轮椅本体、多自由度机械臂、多轴力/力矩传感器、摄像头、机械抓手以及机械臂控制器，其中，所述多自由度机械臂安装在智能轮椅本体的侧方，多自由度机械臂的末端安装有多轴力/力矩传感器，所述机械抓手固接在多轴力/力矩传感器上，所述摄像头安装在机械臂的末端并位于机械抓手的上方，所述机械臂控制器分别与智能轮椅本体的控制系统、多自由度机械臂、多轴力/力矩传感器、摄像头和机械抓手相连接；所述摄像头获取门把手的准确位置，并传输至机械臂控制器，机械臂控制器根据位置信息控制多自由度机械臂和机械抓手运动，所述力/力矩传感器获得多自由度机械臂末端的受力信息，并传输至机械臂控制器，机械臂控制器根据受力信息规划开门的轨迹后反馈至多自由度机械臂执行开门动作；所述机械臂控制器与控制系统之间信息共享。优选地，所述机械臂控制器采用速度控制策略，根据多轴力/力矩传感器反馈的多自由度机械臂末端所受的力/力矩信息，计算多自由度机械臂末端的运动速度，再结合智能轮椅本体运动从而带动机械臂基座运动的运动速度，得到多自由度机械臂末端相对于智能轮椅本体的运动速度，通过雅可比矩阵J将多自由度机械臂末端相对于智能轮椅本体的运动速度转换为多自由度机械臂的关节运动速度，进而精确控制多自由度机械臂运动。优选地，所述机械臂控制器对多自由度机械臂的运动进行控制，所述控制系统对智能轮椅本体的运动进行控制，所述机械臂控制器利用多自由度机械臂与智能轮椅本体的位置关系，对多自由度机械臂的运动进行补偿，进而避免智能轮椅本体的运动对多自由度机械臂末端的运动控制造成影响。优选地，所述多自由度机械臂带动机械抓手在三维空间内运动。优选地，所述机械臂控制器采用单板控制器或者工控机。优选地，根据本发明的另一个方面，提供了一种上述可自主开门的智能轮椅的自主开门方法，包括以下步骤：步骤1，机械臂控制器通过安装在多自由度机械臂末端的摄像头获取门把手的准确位置；步骤2，机械臂控制器根据门把手的位置信息，控制多自由度机械臂末端运动到门把手处，并控制闭合机械抓手抓取门把手；步骤3，机械臂控制器通过多自由度机械臂末端的多轴力/力矩传感器获取多自由度机械臂末端受力数据进而判断开门方向，并规划开门的轨迹，控制多自由度机械臂末端向打开门的方向运动；步骤4，当多自由度机械臂末端与智能轮椅本体之间距离小于设定阈值时，控制系统控制智能轮椅移动，同时，机械臂控制器根据智能轮椅本体的运动调整多自由度机械臂末端运动速度及方向；步骤5，当门打开到设定角度时，机械臂控制器控制打开机械抓手；同时，机械臂控制器根据摄像头反馈的障碍物位置信息，规划一条无碰撞的路径，并控制多自由度机械臂将关节位置运动至初始状态。优选地，所述步骤4中，在智能轮椅本体的运动过程中，机械臂控制器利用摄像头同时采集障碍物位置信息，通过关节运动位置计算获取多自由度机械臂的操作空间约束信息，并共享至智能轮椅本体的控制系统，进而保证整个开门过程中智能轮椅本体及多自由度机械臂不与门发生碰撞。与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：1、本发明利用机械臂控制器和控制系统分别对多自由度机械臂和智能轮椅本体的运动进行控制，并通过两者之间的坐标信息对多自由度机械臂的运动速度进行补偿，协调多自由度机械臂和智能轮椅本体的运动，使得智能轮椅本体的运动不会对多自由度机械臂末端的运动控制造成影响，实现智能轮椅本体与多自由度机械臂协作进行开门的目的。2、利用多自由度机械臂末端相对于机械臂基座的运动速度，通过雅可比矩阵J将多自由度机械臂末端相对于机械臂基座的运动速度转换为多自由度机械臂的关节运动速度，实现精确控制多自由度机械臂的目的。3、本发明同时考虑利用摄像头采集障碍物信息及多自由度机械臂操作空间约束信息，并与智能轮椅本体的控制系统共享，保证整个开门过程中智能轮椅本体及多自由度机械臂不与门发生碰撞，提高安全性能。4、本发明解决了在家居环境中乘坐轮椅之人的开门问题；克服了传统固定基座的机械臂操作空间的限制，不能打开宽度较大的门的缺点；给行动不便者带来很大的便利，具有行动精准、安全可靠、方便操作等特点。附图说明通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：图1为本发明整体结构示意图。图中：1为机械臂控制器，2为智能轮椅本体，3位多自由度机械臂，4位多轴力/力矩传感器，5位机械抓手，6为摄像头。具体实施方式下面对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。本实施例提供了一种可自主开门的智能轮椅，包括智能轮椅本体、多自由度机械臂、多轴力/力矩传感器、摄像头、机械抓手以及机械臂控制器，其中，所述多自由度机械臂安装在智能轮椅本体的侧方，多自由度机械臂的末端安装有多轴力/力矩传感器，所述机械抓手固接在多轴力/力矩传感器上，所述摄像头安装在机械臂的末端并位于机械抓手的上方，所述机械臂控制器分别与智能轮椅本体的控制系统、多自由度机械臂、多轴力/力矩传感器、摄像头和机械抓手相连接；所述摄像头获取门把手的准确位置，并传输至机械臂控制器，机械臂控制器根据位置信息控制多自由度机械臂和机械抓手运动，所述力/力矩传感器获得多自由度机械臂末端的受力信息，并传输至机械臂控制器，机械臂控制器根据受力信息规划开门的轨迹后反馈至多自由度机械臂执行开门动作；所述机械臂控制器与控制系统之间信息共享。进一步地，所述机械臂控制器采用速度控制策略，根据多轴力/力矩传感器反馈的多自由度机械臂末端所受的力/力矩信息，计算多自由度机械臂末端的运动速度，再结合智能轮椅本体运动从而带动机械臂基座运动的运动速度，得到多自由度机械臂末端相对于智能轮椅本体的运动速度，通过雅可比矩阵J将多自由度机械臂末端相对于智能轮椅本体的运动速度转换为多自由度机械臂的关节运动速度，进而精确控制多自由度机械臂运动。进一步地，所述机械臂控制器对多自由度机械臂的运动进行控制，所述控制系统对智能轮椅本体的运动进行控制，所述机械臂控制器利用多自由度机械臂与智能轮椅本体的位置关系，对多自由度机械臂的运动进行补偿，进而避免智能轮椅本体的运动对多自由度机械臂末端的运动控制造成影响。进一步地，所述多自由度机械臂带动机械抓手在三维空间内运动。进一步地，所述机械臂控制器采用单板控制器或者工控机。上述可自主开门的智能轮椅，其自主开门方法，包括以下步骤：步骤1，机械臂控制器通过安装在多自由度机械臂末端的摄像头获取门把手的准确位置；步骤2，机械臂控制器根据门把手的位置信息，控制多自由度机械臂末端运动到门把手处，并控制闭合机械抓手抓取门把手；步骤3，机械臂控制器通过多自由度机械臂末端的多轴力/力矩传感器获取多自由度机械臂末端受力数据进而判断开门方向，并规划开门的轨迹，控制多自由度机械臂末端向打开门的方向运动；步骤4，当多自由度机械臂末端与智能轮椅本体之间距离小于设定阈值时，控制系统控制智能轮椅移动，同时，机械臂控制器根据智能轮椅本体的运动调整多自由度机械臂末端运动速度及方向；步骤5，当门打开到设定角度时，机械臂控制器控制打开机械抓手；同时，机械臂控制器根据摄像头反馈的障碍物位置信息，规划一条无碰撞的路径，并控制多自由度机械臂将关节位置运动到初始状态。进一步地，所述步骤4中，在智能轮椅本体的运动过程中，机械臂控制器利用摄像头同时采集障碍物位置信息，通过关节运动位置计算获取多自由度机械臂的操作空间约束信息，并共享至智能轮椅本体的控制系统，进而保证整个开门过程中智能轮椅本体及多自由度机械臂不与门发生碰撞。下面结合附图对本实施例进一步描述。如图1所示，1为机械臂控制器，可以为单板控制器或者工控机；2为智能轮椅本体，可以提供手动控制和自动控制等功能；3为多自由度机械臂，用于抓取或者操作；4为多轴力/力矩传感器，用于感知机械臂末端所受的力和力矩；5为机械抓手，可以通过控制器来控制抓手的开闭；6为摄像头，用于获取门把手的位置。本实施例提供的可自主开门的智能轮椅：包括一台智能轮椅本体、一个多自由度机械臂、一个多轴力/力矩传感器，一个摄像头以及一个机械抓手。将多自由度机械臂安装在智能轮椅本体侧方，然后在机械臂的末端安装多轴力/力矩传感器，最后将机械抓手固定在力/力矩传感器另一端。这样整个智能轮椅本体运动带动机械臂移动，机械臂可以灵活控制抓手在三维空间的运动，抓手可以张开闭合，从而能够握住门把手；力/力矩传感器获得机械臂末端的受力信息，从而可以规划开门的轨迹；摄像头安装在机械臂的末端，抓手上方，这样可以通过摄像头获取门把手的准确位置，从而控制机械臂去抓取门把手。分别对智能轮椅本体与多自由度机械臂的运动进行控制，然后通过考虑智能轮椅本体与多自由度机械臂的坐标关系，对多自由度机械臂的运动速度进行修正补偿，使得智能轮椅本体的运动不会对多自由度机械臂末端的控制造成影响，从而达到智能轮椅本体与多自由度机械臂协作进行开门或者操作带约束的机构的目的。智能轮椅本体所采用的控制策略为速度控制，考虑的约束为躲避运动过程中的障碍物或者使多自由度机械臂的运动一直保持在操作空间内，并且多自由度机械臂动作尽可能流畅。而多自由度机械臂的控制同样采用速度控制，根据末端力传感器的反馈信息能够计算出多自由度机械臂末端的运动速度，再结合智能轮椅本体运动从而带动机械臂基座的运动速度，得到多自由度机械臂末端相对于机械臂基座(智能轮椅本体)的运动速度，通过雅可比矩阵J将机械臂末端相对于基座(智能轮椅本体)的运动速度转换为机械臂的关节运动速度，从而能精确控制多自由度机械臂开门。上述可自主开门的智能轮椅，其自主开门方法，包括如下步骤：步骤1，通过安装在机械臂末端的摄像头获取门把手的位置；步骤2，控制机械臂末端运动到门把手处，闭合机械臂抓手；机械臂控制器控制智能轮椅运动到门旁边，使机械臂的操作空间覆盖到门框，从而能使机械臂抓手能够握住门把手；规划智能轮椅本体的运动轨迹，从而保证智能轮椅本体移动过程中能躲避障碍物或者使机械臂的操作尽可能顺畅，并且门把手始终处于机械臂的操作空间内；步骤3，通过末端力传感器的数据判断开门方向，控制机械臂末端向打开门的方向运动；机械臂控制器对智能轮椅本体进行速度控制，同时根据机械臂末端力/力矩传感器反馈对机械臂末端的运动方向进行估计，然后控制多自由度机械臂末端按照打开门的方向运动；步骤4，当机械臂末端与轮椅距离小于一定阈值时，控制智能轮椅移动，同时机械臂末端根据智能轮椅的运动调整运动速度方向；智能轮椅运动的时候考虑避障和机械臂的操作空间等约束，并且保证整个开门过程中门不会与轮椅发生碰撞；对机械臂末端期望速度与智能轮椅移动速度进行处理，从而得出机械臂末端相对于移动的轮椅基座的速度，然后根据机械臂雅可比矩阵求出机械臂对应关节速度；步骤5，当门打开到合适角度时，打开机械臂抓手，机械臂通过一条无碰撞的路径将关节位置运动到初始状态；根据计算出的关节速度控制机械臂运动。重复步骤3-5，直到开门任务完成。本实施例提供的可自主开门的智能轮椅及其自主开门方法，用于解决在家居环境中乘坐轮椅的人的开门问题。分别对智能轮椅本体和多自由度机械臂末端的速度进行控制，从而使整个智能轮椅能够流畅地操作门这种运动受限机构。智能轮椅本体在控制的时候可以考虑附加约束，例如考虑避障，从而使智能轮椅在移动过程中不会碰到障碍物。多自由度机械臂的控制量则可以通过末端的力/力矩传感器反馈得到，然后根据智能轮椅的直线速度和转动速度进行修正补偿，进而控制，从而达到配合智能轮椅进行流畅开门的目的。本实施例提供的可自主开门的智能轮椅及其自主开门方法，简单快速，与固定基座的机械臂开门方法相比有很多优点，克服了传统固定基座的机械臂操作空间的限制，不能打开宽度较大的门的缺点，能够给行动不便者带来很大的便利。以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。