智能轮椅床项目交叉冗余控制系统的实现

发布时间：2020-06-06 09:18

【摘要】：伴随着中国人口老龄化程度的加快,以及各种因疾病、交通事故等导致的肢体伤残人数的增加,老年人及下肢残疾人士的医疗和护理问题给家庭和社会都带来了巨大的负担。本文设计的智能轮椅床作为室内助老助残型服务机器人,机械结构上主要由轮椅移动平台、变形平台、床基平台和控制平板组成。其中轮椅移动平台由四个麦克纳姆轮独立驱动,能实现平面内全向运动;变形平台能通过电动推杆实时调节椅背等多关节位姿;床基平台能通过与轮椅单元的对接为用户提供宽敞的护理床平台,避免出现用户的肢体转移问题。控制系统上,本文设计开发了一套基于TCP/IP协议Socket通信的上下位机通讯架构。通过多线程架构的建立,下位机固高控制器能实现与控制平板、床基Wido单片机的实时Socket通信,以及与轮椅Mega单片机的RS232通信;上位机采用远程平板和车载平板两个控制终端,利用互斥对象实现两线程的同步,并通过增设优先级判别环节实现两平板的控制权切换,搭建起交叉冗余的控制系统。此外,本文基于WinForm设计开发了一套完整的控制终端软件及界面。功能实现上,本文设计的系统除具有运动控制、轮椅手动/自动变形、障碍检测等功能,还针对轮椅单元的返回对接问题,设计了基于多传感器信息融合的自主返回算法。通过超声波传感器实现轮椅单元在Y向的定位。在X方向的定位上,利用NEC协议来实现红外发射编码及分区,用作X方向辅助定位;基于人工路标匹配法,通过对床基对接面上Y向“突变点”的识别来实现X方向的精确定位,并通过初步定位和精确定位两个过程的配合简化返回路径,实现轮椅单元的局部自主返回充电功能。同时利用打滑补偿算法减少因打滑现象造成的对轮椅单元运动精度的影响,改善自主返回、对接效果。
【图文】：

图 1-1 VAHM 智能轮椅Fig.1-1 VAHM Intelligent Wheelchair麻省理工学院于 1992 年开发出了半自主的智能轮椅 Wheelesly[7]。主要包括 2 部分：轮椅系统及人机界面，其中轮椅系统实现运动方避障，人机界面用于指令输入进行高级控制。Wheelesly 通过 4 个、12 个红外传感器和 2 个编码器来构建环境感知系统，能实现室内航。智能轮椅设置了菜单、操纵杆和用户界面 3 种控制方式。在菜器人根据菜单命令行进；在操纵杆模式下，轮椅用户通过操控旋杆动方向从而进行避障；而在用户界面模式下，用户使用鹰眼系统，睛运动来控制轮椅。

图 1-1 VAHM 智能轮椅Fig.1-1 VAHM Intelligent Wheelchair美国麻省理工学院于 1992 年开发出了半自主的智能轮椅 Wheelesly[7]。该轮椅机器人主要包括 2 部分：轮椅系统及人机界面，其中轮椅系统实现运动方向控制和行走避障，，人机界面用于指令输入进行高级控制。Wheelesly 通过 4 个超声波传感器、12 个红外传感器和 2 个编码器来构建环境感知系统，能实现室内的局部自主导航。智能轮椅设置了菜单、操纵杆和用户界面 3 种控制方式。在菜单模式下，机器人根据菜单命令行进；在操纵杆模式下，轮椅用户通过操控旋杆来控制轮椅运动方向从而进行避障；而在用户界面模式下，用户使用鹰眼系统，即能只通过眼睛运动来控制轮椅。
【学位授予单位】：上海交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TH789

【参考文献】

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本文编号：2699474