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多功能智能轮椅

2015-3-19 16:16| 发布者: dzly| 查看: 506| 评论: 0|原作者: 梁桥锋 李 烁 关贵平

摘要: 本项目主体为一款搭载了机械手的腿残(瘫)人专用多功能智能轮椅。它通过驱动装置、超声波传感器、光电传感器、无线通信模块等借助arduino开源平台控制相关电机和舵机,以遥控和自动两种模式实现"床椅转换"、"行走"、"机械手控制"以及自动"识别交通指示灯"、自动"驱障和清障"、自动"报警"等功能。除此外,本项创意设计内容还包括附带的以Arduino UNO模块为核心处理器的遥控器和智能交通灯
  0 引言
  医疗卫生行业在轮椅研发方面存有一定的缺陷,不但影响了残疾人的正常行动,并且从科学性层面上也不能满足日常行为的需求。现阶段笔者对原有轮椅做出规划整改,其中包括:科学性、先进性以及实用性,都比原有的结构方式简单化,并且又能满足残疾人的生活需求。
  1 多功能智能轮椅优势特点
  1.1 科学性、先进性、实用性
  科学性:考虑腿残(瘫)人的健康及其他状况,“行走”、机械手控制和床椅互变均设遥控和自动控制两种模式,且两者切换简单,拥有三自由度机械手, 适合障残人士使用。自动巡线”行走”时,设置有遇障蜂鸣并延时再自动清障, 能自动识别交通指示灯,还有进医院后再蜂鸣( 叫医生)并自动椅变床等功能,适应了自动巡线”行走”的实际情况, 体现了科学性。先进性:采用当今流行的Arduino 模块作为智能轮椅、遥控器和交通灯的核心部件, 采用 Arduino 和nrf24L01无线模块来实现稳定遥控控制. 利用3D 打印技术,设计并生产机械结构部件。实用性:本项目可开发成机器人玩具和机器人竞赛项目, 也可以开发成腿残(瘫)人的实用生活伙伴, 具有实用性。
  1.2 项目的创新性
  “行走”、“机械手控制”和“床椅互变”均设有遥控和自动控制两种模式,还具有自动“识别交通指示灯”、自动“驱障扫障”和自动“报警”功能;Arduino 开源平台作为机器人、遥控器和交通灯的核心处理装置, 其中遥控控制和交通灯自动识别是通过nrf24L01无线模块发送和接收信号,再通过Arduino 模块的控制实现相关功能;其次还利用了3D 打印技术设计并生产相关机械结构部件。
  2 多功能智能轮椅组成结构
  2.1 机械部件
  除轮胎外,机械手、床椅装置、托盘、按装底盘等机械部件主要利用3D 打印技术设计并生产。
  2.2 电路结构
  其中智能轮椅以Arduino 2560为核心处理器,连接的外设有4 个舵机(其中
  3 个舵机用于机械手、另外1 个舵机用于
  变形椅)、蜂鸣器(用于鸣叫报警)、L298N驱动模块(用于驱动电机)、超声波模块(用于检测障碍物)、光电传感器(用于巡线)、nrf24L01无线通讯模块(用于无线通讯, 接受遥控器信号和交通灯信号)。
  具体电路如下图示。

  遥控器和交通灯均以Arduino UNO为核心处理器,其中遥控器用于操纵机器人前进左右、机械手3 个自由度的动作、
  微动开关共10个,模式切换和变形采用2P 拨码开关; nrf24L01无线模块用于实时发送信息给机器人。交通灯有红灯和绿灯和用于倒计数的7 段数码管;nrf24L01
  无线通讯模块用于实时发送红绿灯信息给机器人。
  3 智能轮椅方案演示及效果分析
  智能轮椅方案测评: 两平方米场地分室内和室外两部分,室内设计有两物品分别为垃圾和食物(饭盒),室外设置巡黑线路径到医院,路途分别设置有障碍物、垃圾场、又一障碍物、红绿灯。假设老人精神状态良好,先遥控床变椅,预示一天的开始,它可以在室内遥控自由行走,然后还可以通过遥控机械手检拾食物(饭盒)和垃圾上车;若瘫痪老人生病时,切换到自动巡线模式自动送老人到医院,路途中,它先遇到一个障碍物,蜂鸣停几秒给障碍物让路时间,再用机械手拨开障碍物,接着经过垃圾场,可遥控扔掉垃圾和空饭盒,再遇到另一个障碍物,蜂鸣停几秒给障碍物让路时间,再用机械手拨开障碍物,还接着路经交通指示灯,通过nrf24L01无线模块接收色光信号(由0 和1 表示),
  经arduino 模块实现绿灯走红灯停;到医院前(门口)先停再前进(进到医院)蜂鸣(叫医生)再自动”椅变床”,结束任务。
  方案分析: 机器人、交通灯和摇控器均采用开源的arduino 模块为主控制芯片,其中机械手由三舵机控制,实现捡拾、扔除物品和清除路障功能;床椅变换由一舵机控制;遥控功能和红绿灯信号识别均由nrf24L01无线模块发送和接收信号再由Arduino 模块实现控制,在障碍物、垃圾场、医院等处均通过光电传感器识别标记实现停车。
  智能轮椅演示效果:经过反复调试,实验能较好完成项目方案的相关任务, 展示好设定的各项功能, 达到预期效果。 具体有: 室内先遥控”床变椅”,预示一天的开始,它可以在室内遥控自由行走,然后还可以通过遥控机械手检拾食物(饭盒)和垃圾上车;若瘫痪老人生病时,切换到自动巡线模式自动送老人到医院,路途中,它先遇到一个障碍物,蜂鸣停几秒给障碍物让路时间,再用机械手拨开障碍物,接着经过垃圾场,可遥控扔掉垃圾和空饭盒,再遇到另一个障碍物,蜂鸣停几秒给障碍物让路时间,再用机械手拨开障碍物,还接着路经交通指示灯,通过nrf24L01无线模块接收色光信号(由0 和1 表示),经arduino 模块实现
  绿灯走红灯停;到医院前(门口)先停再前进(进到医院)蜂鸣(叫医生)再自动”椅变床”,结束任务。
  4 结语
  本项目团队成员2014年参加过广州大学主办的arduino 技术和三D 打印技术培训,还参加过2014年度广东科学中心创意机器人特训营的培训活动,代码的设计和机械部件的三D 打印在广州大学机器人实验室师生帮助下完成。
  【参考文献】
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  [2] 面向智能轮椅脑机导航的高频组合编码稳态视觉诱发电位技术研究
  [J]. 机械工程学报,2013,31(26):17-18.
  [3] 张毅,代凌凌. 基于SEMG 控制的智能轮椅无障碍人机交互系统[J].华中科技大学学报,2011,02(27):81-82.
  [4] 陶永,王田苗. 基于分层POMDP 的智能轮椅行为控制方法[J]. 高技术通讯,2010,12(06):22-23.
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