专利名称：多功能医疗监护智能轮椅及轮椅控制方法
技术领域：
本发明涉及服务机器人技术领域，具体地指一种多功能医疗监护智能轮椅及轮椅控制方法。
背景技术：
近年来，由于老年人的比例增大，其生活质量和健康状况需要得到社会的关心和照顾，并且医院的隔离病患的生活和康复环节需要耗费大量人力物力。欧美以及日韩等国家对服务类机器人做了大量研究，并生产出了许多成品，有些成品甚至已经市场化。而目前在我国，由于对于服务类机器人领域的研发起步较晚、目标分散、缺乏组织、投入不足，造成在此方面的产品较少。服务机器人典型产品有德国的新一代机器人保姆Care-0-BOt3，主要应用于代替一些有危险、有毒、有害的工作岗位，该机器人高1.5m,全身遍布传感器,能自由移动；胸前的触摸屏具有声控或手势控制能力，还能听懂语音命令和看懂手势命令。美国iRobot公司开发的远程监控机器人ConnectR。用户可以通过此机器人监控家居环境，可以和朋友视频交互，可以监视宠物。ConnectR通过高质量的视频，语音信息提供虚拟参观。用户可以通过能上网的PC控制该机器人，并且通过设置密码，机器人只能让通过认证的人控制和虚拟参观。日本新型的轮椅机器人名叫“RT-Mover”，中岛教授展示它如何轻松爬上高度达25厘米的台阶，而且它的轮子还可以旋转360度。据当今市场调查，大部分机器人具有以下缺点:1、功能比较单一，只能完成反复机械化的动作，例如上面提到的Care-0-BOt3，外形似吸尘器，人们只能通过它胸前的触摸屏控制它，有时手势理解错误，则会进行错误的操作，仅仅只能完成一些简单的工作，而且不能帮助行动不便人士移动。而ConnectR机器人，由于其带有一个高清摄像头和wifi网络，可以进行视频、语音交流，但是仅仅停留在交流上，无法为用户提取日常用品。并且以上两类机器人不具备轮椅类装置，所以不能载人，无法满足一些行动不便人士及老年用户的出行、购物等要求。又如上面的轮椅机器人，虽然爬坡能力强，但是仅仅只能提供载人出行这一项功能。2、以上机器人没有一些人性化的界面和操作方式，一般只有一些按钮和简单的触摸屏，这就必须要专业的操作，才能让机器人相对准确的完成指定的要求，只能由专业人士操作，从而造成了“一对一”式的全天服务，浪费大量人力物力，也给消费者带来巨大的经济压力。综上所述，以上机器人存在功能单一，操作性差等缺点
发明内容
本发明的目的就是要提供一种集移动、交互、服务、监护等多功能于一体，价格合理，操作简单的多功能医疗监护智能轮椅及轮椅控制方法，以缓解当今社会上独居老人和隔离病患者的照顾及费用问题。为实现此目的，本发明所设计的多功能医疗监护智能轮椅，包括具有一对动力轮和转向轮的轮椅本体，设置在轮椅本体上的工业控制计算机、摄像头、激光定位传感器、底层核心控制模块、环境传感器和电能控制模块，其中，所述摄像头和激光定位传感器分别与工业控制计算机连接，环境传感器和电能控制模块分别与底层核心控制模块连接，其特征在于:它还包括平板电脑、设置在轮椅本体上的机械手臂、控制机械手臂动作的机械手臂操作模块、驱动左边动力轮的第一电机、驱动右边动力轮的第二电机、控制第一电机和第二电机的电机同步驱动控制模块、与平板电脑连接的远程信息查询终端、自主导航系统和视频语音交流模块，其中，所述平板电脑通过无线信号连接工业控制计算机，工业控制计算机通过数据总线连接底层核心控制模块，机械手臂操作模块的通信端连接工业控制计算机的通信端，电机同步驱动控制模块的通信端连接底层核心控制模块的通信端。上述技术方案中，它还包括与工业控制计算机的通信端连接的用户健康信息管理系统和亮度传感器。上述技术方案中，它还包括与底层核心控制模块的通信端连接的辅助照明模块。所述环境传感器为温度传感器和湿度传感器。所述机械手臂为四自由度机械手臂，所述轮椅本体上设有支架，所述四自由度机械手臂的底端固定在支架上，所述四自由度机械手臂的顶端为机械手臂爪。所述激光定位传感器设置在支架上,所述工业控制计算机通过WIFI (wirelessfidelity)通信平台与平板电脑连接,工业控制计算机通过现场RS485总线与底层核心控制丰吴块连接。一种上述多功能医疗监护智能轮椅的智能轮椅控制方法，其特征在于，它包括如下步骤:步骤1:通过激光定位传感器扫描用户使用环境的结构，并在工业控制计算机中完成地图构建，工业控制计算 机将构建的环境地图映射到平板电脑上；步骤2:用户确定是否需要使用自主导航功能，需要进入步骤3，否则，结束；步骤3:用户在平板电脑上打开环境地图，在环境地图上选择想要达到的位置；步骤4:与平板电脑连接的自主导航系统根据用户选择的目的位置，发出导航控制信号，所述导航控制信号依次通过平板电脑和工业控制计算机传输给底层核心控制模块；步骤5:所述底层核心控制模块通过导航控制信号控制电机同步驱动控制模块，从而驱动第一电机和第二电机，进而带动动力轮转动，使轮椅到达用户指定的位置；步骤6:预先将用户需要的所有用品的图像信息储存在工业控制计算机的数据库内；步骤7:用户操作平板电脑通过工业控制计算机控制摄像头摄取轮椅周围环境用品的图像，并将轮椅周围环境用品的图像传送到平板电脑上显示；步骤8:用户根据自己的需求点击平板电脑上想要拾取用品的图像，平板电脑将该图像传输到工业控制计算机，并与工业控制计算机数据库内存储的用品图像逐一进行比对，当用户选择的图像与工业控制计算机数据库内的图像比对均不一致时，平板电脑报错，当用户选择的图像与工业控制计算机数据库内的图像比对有相同的图像后，进入步骤9 ;步骤9:用户根据步骤3飞的方法控制轮椅到达需要拾取的用品附近，工业控制计算机通过机械手臂操作模块控制机械手臂拾取用品。
所述步骤4中:与平板电脑连接的自主导航系统根据用户选择的目的位置，及环境地图上的各种障碍物，计算出到达该目的位置的最短路线，根据此最短线路发出导航控制信号，所述导航控制信号依次通过平板电脑和工业控制计算机传输给底层核心控制模块。所述环境传感器采集轮椅周边的环境参数，并依次通过底层核心控制模块、工业控制计算机传输到平板电脑。所述平板电脑通过远程信息查询终端与远程计算机实现信息交互。本发明适用于行动不便的老人、残疾人士及医院隔离病患的日常代步、物品搬运、视频交互、远程照看、病患信息采集传输等工作。在独居老人无人监护、残障人士行动不便、隔离病患不易探视的情况下，该机器人能被远程操控或自动控制，实现操作者的指令，满足医疗人员和被看护者的双重需求。本发明采用双驱动轮和双导向轮行走机构，能在导航系统的控制下适应不同地形，可实现自由进退和转弯。另外，机械手臂能够在适当范围内抓取、传送和放置物品，例如帮助用户抓取食物和饮料、帮助医生递送和放置药品。本发明的平板电脑，通过wifi通信平台，可以实现语音交流、视频监测及远程控制。工业控制计算机，在wifi网络条件下完成用户健康信息采集与传输工作并送至平板电脑实时显示；并能通过现场总线RS-485控制智能轮椅的运动状态，实现不同的机械操作。其携带的激光定位传感器及双目摄像头，能准确获取用户健康状态、位置、动作等信息。在被照看者出现异常状态时及时发现并报警。本发明集合有完整的高效的控制系统，其中包含电能控制及管理模块，能监测电池电能状态，对电池充电及过流过压进行保护；电机同步驱动控制模块，实现直流伺服电机同步速度及转向功能。
图1为本发明的立体结构示意图；图2为本发明的原理框图；其中，I一动力轮、2—转向轮、3—轮椅本体、4一摄像头、5—激光定位传感器、6一平板电脑、7—机械手臂、8—第一电机、9 一第二电机、10 一轮椅扶手、11 一支架、12—机械手臂爪、13—辅助照明模块。
具体实施例方式以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明:如图1和2所示的面向CPS(Cyber Physical System,信息物理系统)的多功能医疗监护智能轮椅，包括具有一对动力轮I和转向轮2的轮椅本体3，设置在轮椅本体3上的工业控制计算机、摄像头4、激光定位传感器5、底层核心控制模块、环境传感器和电能控制模块，其中，摄像头4和激光定位传感器5分别与工业控制计算机连接，环境传感器和电能控制模块分别与底层核心控制模块连接，它还包括平板电脑6、设置在轮椅本体3上的机械手臂7、控制机械手臂7动作的机械手臂操作模块、驱动左边动力轮I的第一电机8、驱动右边动力轮I的第二电机9、控制第一电机8和第二电机9的电机同步驱动控制模块、与平板电脑6连接的远程信息查询终端、自主导航系统和视频语音交流模块，其中，平板电脑6通过无线信号连接工业控制计算机，工业控制计算机通过数据总线连接底层核心控制模块，机械手臂操作模块的通信端连接工业控制计算机的通信端，电机同步驱动控制模块的通信端连接底层核心控制模块的通信端。上述平板电脑6选择带android操作系统的拆卸式平板电脑。上述自主导航系统基于最小二乘法的迭代搜索定位算法设计。上述电能控制模块用于控制智能轮椅的电能分配。上述视频语音交流模块实现用于与远端监护人员的视频语音交流，视频图像通过摄像头4获取，语音信号通过平板电脑6自带的麦克风获取。上述技术方案中，它还包括与工业控制计算机的通信端连接的用户健康信息管理系统和亮度传感器、与底层核心控制模块的通信端连接的辅助照明模块13。亮度传感器用于采集周围的光线强弱信息，工业控制计算机根据环境的光线强弱信息输出灯光控制信号给底层核心控制模块，底层核心控制模块控制辅助照明模块13自动打开或关闭。上述技术方案中，环境传感器为温度传感器和湿度传感器。上述技术方案中，机械手臂7为四自由度机械手臂，轮椅本体3上设有支架11，四自由度机械手臂的底端固定在支架11上，四自由度机械手臂的顶端为机械手臂爪12。四自由度机械手臂可以帮助用户提取、传送和放置日常用品、饮料、药品等物品，增强行动不便用户的生活自理能力，实现其家庭助手的功能。上述技术方案中，激光定位传感器5设置在支架11上，工业控制计算机通过WIFI通信平台与平板电脑6连接，工业控制计算机通过现场RS485总线与底层核心控制模块连接。
本发明还配备有与工业控制计算机连接的血压/体温/脉搏传感器，上述传感器能够采集用户相关生理信息参数并传输至工业控制计算机。工业控制计算机通过网络将患者的健康状态和体征信息传送至远程服务器端保存，使医生能够实时监测用户的健康情况，实现辅助医疗功能。上述技术方案中，工业控制计算机采用SQL Server 2008数据库将底层核心控制模块传输的用户健康信息联网传输至远程服务器终端储存，便于用户通过不同设备实时访问查询。上述技术方案中，激光定位传感器5，通过对用户不同的房屋布局结构进行扫描，确定用户的房屋结构，并与自主导航系统及电机同步驱动控制模块一同实现自主定位导航功能，用户可以通过平板电脑和工业控制计算机进行操控。上述技术方案中，轮椅扶手10上设置平板电脑6。上述技术方案中，所述摄像头4优选双目摄像头。一种根据上述多功能医疗监护智能轮椅的智能轮椅控制方法，它包括如下步骤:步骤1:通过激光定位传感器5扫描用户使用环境的结构，并在工业控制计算机中完成地图构建，工业控制计算机将构建的环境地图映射到平板电脑6上；步骤2:用户确定是否需要使用自主导航功能，需要进入步骤3，否则，结束；步骤3:用户在平板电脑6上打开环境地图，在环境地图上选择想要达到的位置；步骤4:与平板电脑6连接的自主导航系统根据用户选择的目的位置，发出导航控制信号，导航控制信号依次通过平板电脑6和工业控制计算机传输给底层核心控制模块；步骤5:底层核心控制模块通过导航控制信号控制电机同步驱动控制模块，从而驱动第一电机8和第二电机9，进而带动动力轮I转动，使轮椅到达用户指定的位置；步骤6:预先将用户需要的所有用品的图像信息储存在工业控制计算机的数据库内；步骤7:用户操作平板电脑6通过工业控制计算机控制摄像头4摄取轮椅周围环境用品的图像，并将轮椅周围环境用品的图像传送到平板电脑6上显示；步骤8:用户根据自己的需求点击平板电脑6上想要拾取用品的图像，平板电脑6将该图像传输到工业控制计算机，并与工业控制计算机数据库内存储的用品图像逐一进行比对，当用户选择的图像与工业控制计算机数据库内的图像比对均不一致时，平板电脑6报错，当用户选择的图像与工业控制计算机数据库内的图像比对有相同的图像后，进入步骤9 ;上述图像的比对使用人工神经网络模式识别系统进行一对一匹配比较，若相似程度高于给定临界值时，则被认为可以识别，进一步提醒用户是否抓取该物品，若相似程度低于给定临界值时，则认为无法识别；步骤9:用户根据步骤3飞的方法控制轮椅到达需要拾取的用品附近，工业控制计算机通过机械手臂操作模块控制机械手臂7拾取用品。上述技术方案的步骤4中:与平板电脑6连接的自主导航系统根据用户选择的目的位置，及环境地图上的各种障碍物，计算出到达该目的位置的最短路线，根据此最短线路发出导航控制信号，导航控制信号依次通过平板电脑6和工业控制计算机传输给底层核心控制模块。当所有能够到达目的位置的路线均被挡住时，平板电脑6便会提醒用户是否达到该房间的门被关了或其他可能的原因。上述技术方案中，环境传感器采集轮椅周边的温度和湿度等环境参数，并依次通过底层核心控制模块、工业控制计算机传输到平板电脑6供用户掌握。上述技术方案中，平板电脑6通过远程信息查询终端与远程计算机实现信息交互。
本说明书未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
权利要求
1.一种多功能医疗监护智能轮椅，包括具有一对动力轮(I)和转向轮(2)的轮椅本体(3)，设置在轮椅本体(3)上的工业控制计算机、摄像头(4)、激光定位传感器(5)、底层核心控制模块、环境传感器和电能控制模块，其中，所述摄像头(4)和激光定位传感器(5)分别与工业控制计算机连接，环境传感器和电能控制模块分别与底层核心控制模块连接，其特征在于:它还包括平板电脑(6)、设置在轮椅本体(3)上的机械手臂(7)、控制机械手臂(7)动作的机械手臂操作模块、驱动左边动力轮(I)的第一电机(8)、驱动右边动力轮(I)的第二电机(9)、控制第一电机(8)和第二电机(9)的电机同步驱动控制模块、与平板电脑(6)连接的远程信息查询终端、自主导航系统和视频语音交流模块，其中，所述平板电脑(6)通过无线信号连接工业控制计算机，工业控制计算机通过数据总线连接底层核心控制模块，机械手臂操作模块的通信端连接工业控制计算机的通信端，电机同步驱动控制模块的通信端连接底层核心控制模块的通信端。
2.根据权利要求1所述的多功能医疗监护智能轮椅，其特征在于:它还包括与工业控制计算机的通信端连接的用户健康信息管理系统和亮度传感器。
3.根据权利要求2所述的多功能医疗监护智能轮椅，其特征在于:它还包括与底层核心控制模块的通信端连接的辅助照明模块(13)。
4.根据权利要求1所述的多功能医疗监护智能轮椅，其特征在于:所述环境传感器为温度传感器和湿度传感器。
5.根据权利要求1所述的多功能医疗监护智能轮椅，其特征在于:所述机械手臂(7)为四自由度机械手臂，所述轮椅本体(3)上设有支架(11)，所述四自由度机械手臂的底端固定在支架(11)上，所述四自由度机械手臂的顶端为机械手臂爪(12)。
6.根据权利要求5所述的多功能医疗监护智能轮椅，其特征在于:所述激光定位传感器(5 )设置在支架(11)上，所述工业控制计算机通过WIFI通信平台与平板电脑(6 )连接，工业控制计算机通过现场RS485总线与底层核心控制模块连接。
7.根据权利要求1飞任一项所述的多功能医疗监护智能轮椅，其智能轮椅的控制方法包括如下步骤: 步骤1:通过激光定位传感器(5)扫描用户使用环境的结构，并在工业控制计算机中完成地图构建，工业控制计算机将构建的环境地图映射到平板电脑(6)上； 步骤2:用户确定是否需要使用自主导航功能，需要进入步骤3，否则，结束； 步骤3:用户在平板电脑(6)上打开环境地图，在环境地图上选择想要达到的位置； 步骤4:与平板电脑(6)连接的自主导航系统根据用户选择的目的位置，发出导航控制信号，所述导航控制信号依次通过平板电脑(6)和工业控制计算机传输给底层核心控制模块； 步骤5:所述底层核心控制模块通过导航控制信号控制电机同步驱动控制模块，从而驱动第一电机(8)和第二电机(9)，进而带动动力轮(I)转动，使轮椅到达用户指定的位置； 步骤6:预先将用户需要的所有用品的图像信息储存在工业控制计算机的数据库内； 步骤7:用户操作平板电脑(6)通过工业控制计算机控制摄像头(4)摄取轮椅周围环境用品的图像，并将轮椅周围环境用品的图像传送到平板电脑(6)上显示； 步骤8:用户根据自己的需求点击平板电脑(6)上想要拾取用品的图像，平板电脑(6)将该图像传输到工业控制计算机，并与工业控制计算机数据库内存储的用品图像逐一进行比对，当用户选择的图像与工业控制计算机数据库内的图像比对均不一致时，平板电脑(6)报错，当用户选择的图像与工业控制计算机数据库内的图像比对有相同的图像后，进入步骤9; 步骤9:用户根据步骤3飞的方法控制轮椅到达需要拾取的用品附近，工业控制计算机通过机械手臂操作模块控制机械手臂(7)拾取用品。
8.根据权利要求7所述的智能轮椅控制方法，其特征在于:所述步骤4中:与平板电脑(6)连接的自主导航系统根据用户选择的目的位置，及环境地图上的各种障碍物，计算出到达该目的位置的最短路线，根据此最短线路发出导航控制信号，所述导航控制信号依次通过平板电脑(6)和工业控制计算机传输给底层核心控制模块。
9.根据权利要求7所述的智能轮椅控制方法，其特征在于:所述环境传感器采集轮椅周边的环境参数，并依次通过底层核心控制模块、工业控制计算机传输到平板电脑(6)。
10.根据权利要求7所述的智能轮椅控制方法，其特征在于:所述平板电脑(6)通过远程信息查询终端与远程计算机实现信息交互。
全文摘要
本发明所设计的多功能医疗监护智能轮椅，包括轮椅本体、工业控制计算机、摄像头、激光定位传感器、底层核心控制模块、环境传感器和电能控制模块，它还包括平板电脑、机械手臂、机械手臂操作模块、驱动左边动力轮的第一电机、驱动右边动力轮的第二电机、控制电机的电机同步驱动控制模块、与平板电脑连接的远程信息查询终端、自主导航系统和视频语音交流模块，平板电脑连接工业控制计算机，工业控制计算机连接底层核心控制模块，机械手臂操作模块连接工业控制计算机，电机同步驱动控制模块连接底层核心控制模块。本发明集移动、服务、交互和监护等多功能于一体。能缓解当今社会上独居老人和隔离病患者的照顾及费用问题。
文档编号A61G5/04GK103110485SQ201310059100
公开日2013年5月22日 申请日期2013年2月25日 优先权日2013年2月25日
发明者钟毅, 刘泉, 朱宜琳, 王傲 申请人:武汉理工大学