基于多源信息融合的床椅機(jī)器人自主對(duì)接技術(shù)和方法研究

房志東，梅瓏，金來(lái)

(1.安徽三聯(lián)機(jī)器人科技有限公司，合肥 230081；2.安徽三聯(lián)學(xué)院，合肥 230601)

1 引言

隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人民生活水平提高，失能臥床人群的照護(hù)需求劇增，尤其交通事故造成的殘疾失能人群以及失能老人照護(hù)問(wèn)題越來(lái)越受到社會(huì)關(guān)注[1]。根據(jù)2020年民政部數(shù)據(jù)，我國(guó)僅有50余萬(wàn)名養(yǎng)老機(jī)構(gòu)護(hù)理員，遠(yuǎn)不能滿(mǎn)足失能人群的照護(hù)需求，同時(shí)相關(guān)的照護(hù)技能和護(hù)理設(shè)備嚴(yán)重缺失[2]。基于機(jī)器人和計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，使代替護(hù)理員的智能康護(hù)機(jī)器人成為可能，一種床椅分離式機(jī)器人護(hù)理床由此創(chuàng)新地提出[3]，此床可以滿(mǎn)足失能人群的移位和部分護(hù)理功能，可由護(hù)工或受護(hù)者操作進(jìn)行護(hù)理和康復(fù)訓(xùn)練，床椅分離后可變成一張多功能移動(dòng)輪椅，進(jìn)行多功能體位變換康護(hù)，可以無(wú)障礙移位外出，輪椅返回可方便與床體對(duì)接合并成整床。然而床椅機(jī)器人的自護(hù)性需要解決床椅柔性、安全和精準(zhǔn)的分離和對(duì)接的難題，目前市場(chǎng)可見(jiàn)分離式護(hù)理床基本全為人工輔助的非智能對(duì)接方式，人工對(duì)接方式一方面費(fèi)時(shí)費(fèi)力，自動(dòng)化程度低，大大增加照護(hù)人員體力負(fù)擔(dān)，另一方面影響受護(hù)者尊嚴(yán)和出行便利性，每次輪椅歸位還要請(qǐng)求護(hù)理人員協(xié)助合并，自主獨(dú)立性弱。為了實(shí)現(xiàn)床椅機(jī)器人的自主對(duì)接，本文擬嘗試采用超聲等多源信息融合與定位導(dǎo)航技術(shù)，依托機(jī)器人伺服系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)床椅機(jī)器人輪轂電機(jī)精準(zhǔn)控制，旨在提升自主對(duì)接的精度和成熟度。

2 方法

床椅機(jī)器人自主對(duì)接首先需要基于通信和控制功能構(gòu)建自主對(duì)接的床、椅硬件系統(tǒng)和單元；然后以床體為參照建立相對(duì)坐標(biāo)系，通過(guò)超聲傳感器組等方式構(gòu)建TOA(Time of Arrival，時(shí)間達(dá)到)定位系統(tǒng)，運(yùn)用輪轂編碼器輸出脈沖信號(hào)對(duì)輪椅運(yùn)動(dòng)狀態(tài)推算，以IMU(Inertial Measurement Unit，慣性測(cè)量單元)加速度角速度信號(hào)進(jìn)行航位解析，通過(guò)EKF(Extended Kalman Filter，擴(kuò)展卡爾曼濾波器)方式進(jìn)行多源定位信號(hào)融合，實(shí)現(xiàn)最優(yōu)精確位姿估計(jì)。其間涉及移動(dòng)輪椅閉環(huán)控制模型以及融合位姿與期望位置校對(duì)，通過(guò)路徑規(guī)劃和運(yùn)動(dòng)控制完成輪椅的精確驅(qū)動(dòng)，最終完成自主對(duì)接。

自主對(duì)接的性能測(cè)試以對(duì)接時(shí)間、對(duì)接間隙、對(duì)接間隙角度，對(duì)接成功率、適應(yīng)性等指標(biāo)進(jìn)行衡量。

(1)對(duì)接時(shí)間測(cè)量：床椅一體機(jī)進(jìn)入可對(duì)接狀態(tài)，移動(dòng)床椅和固定床體1米距離以上，完成對(duì)接前的到達(dá)預(yù)定區(qū)域位置和姿態(tài)準(zhǔn)備，用秒表開(kāi)始計(jì)時(shí)t1，直到移動(dòng)床椅、固定床體完成對(duì)接，并及時(shí)調(diào)整到平躺姿態(tài)，計(jì)時(shí)結(jié)束t2i，則對(duì)接時(shí)間為(t2-t1)，時(shí)間取整到1 s。

(2)對(duì)接間隙距離：測(cè)量床椅一體機(jī)對(duì)接成功后，移動(dòng)床椅和固定床體的中間間隙距離，用游標(biāo)卡尺測(cè)量床頭、床中和床尾三個(gè)地方，取平均值。

(3)對(duì)接間隙角度測(cè)量：床椅一體機(jī)對(duì)接成功后，用角度儀測(cè)量移動(dòng)床椅和固定床體偏斜角度。

(4)對(duì)接成功率：參考對(duì)接時(shí)間測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)，n次對(duì)接實(shí)驗(yàn)，首次成功m次，首次不成功二次成功s次，則一次對(duì)接成功率m/n，二次對(duì)接成功率(m+s)/n,n不小于20。

(5)適應(yīng)性：以不同起始對(duì)接位置和航向角實(shí)驗(yàn)測(cè)試對(duì)接成功率，反應(yīng)系統(tǒng)對(duì)接適應(yīng)的魯棒性。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

整個(gè)床椅電氣控制系統(tǒng)較為復(fù)雜，包括輪椅主控器、床側(cè)主控器、手控器、驅(qū)動(dòng)器、電源轉(zhuǎn)換器和傳感器組、無(wú)線(xiàn)通信裝置等。這里主要探討的是床椅如何對(duì)接，故說(shuō)明電控系統(tǒng)中對(duì)接功能部分的構(gòu)成。

如圖1所示，為床椅機(jī)器人床體完成對(duì)接控制的系統(tǒng)框圖，包括一個(gè)床體處理器單元，和處理器單元連接的核心模塊包括無(wú)線(xiàn)通信收發(fā)模塊U，自研超聲發(fā)射傳感器模塊A、B和C，因?yàn)锽、C和A的內(nèi)部構(gòu)造相同，圖中內(nèi)部構(gòu)造省略。超聲發(fā)射傳感模塊包括信號(hào)產(chǎn)生單元、放大單元和發(fā)射單元，分別由微處理器、放大器和發(fā)射探頭電路連接構(gòu)成；床體處理器單元根據(jù)無(wú)線(xiàn)通信模塊U的超聲控制信息，進(jìn)行邏輯運(yùn)算，控制A、B和C傳感模塊的工作狀態(tài)。無(wú)線(xiàn)通信收發(fā)模塊U，一方面將床體處理器單元產(chǎn)生的數(shù)據(jù)信息發(fā)送給輪椅無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊，另一面給接收輪椅無(wú)線(xiàn)模塊發(fā)送的各類(lèi)狀態(tài)和控制數(shù)據(jù)信息。

圖1 機(jī)器人床體對(duì)接系統(tǒng)組成圖

如圖2所示，為機(jī)器人輪椅部分完成合并的系統(tǒng)組成圖，包括一個(gè)輪椅處理器單元，和輪椅處理器連接的包括無(wú)線(xiàn)通信收發(fā)模塊V，自研超聲接收傳感器模塊L和R；以及紅外激光測(cè)距傳感器模塊G和H。超聲接收傳感器模塊L和R由可以接收床體超聲發(fā)射傳感模塊發(fā)射信號(hào)的接收單元，和對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理單元，經(jīng)過(guò)預(yù)處理的測(cè)距信號(hào)通過(guò)輪椅處理器進(jìn)行分析解算，形成距離信息。紅外激光測(cè)距模塊G、H是一個(gè)發(fā)射和接收一體化模塊，內(nèi)部的發(fā)射模塊完成信號(hào)的產(chǎn)生、放大和發(fā)射，發(fā)射信號(hào)經(jīng)過(guò)外部物體產(chǎn)生反射信號(hào)；內(nèi)部接收模塊接收發(fā)射產(chǎn)生的反射信號(hào)，然后經(jīng)過(guò)放大、增益調(diào)整等預(yù)處理操作產(chǎn)生信號(hào)發(fā)送給輪椅處理器單元，經(jīng)過(guò)邏輯運(yùn)算，得到距離信息。

圖2 機(jī)器人輪椅對(duì)接系統(tǒng)組成圖

3.2 融合定位方法

3.2.1 室內(nèi)坐標(biāo)標(biāo)定模型

以俯視角度，對(duì)位置空間進(jìn)行簡(jiǎn)化，將床椅機(jī)器人床體部分簡(jiǎn)化為一個(gè)L型，輪椅部分簡(jiǎn)化成矩形，另因床體和輪椅同處在一個(gè)地面，垂直方向上誤差基本可以忽略，因此簡(jiǎn)化為二維水平面上幾何解算關(guān)系。如圖3所示，以L(fǎng)型床體部分內(nèi)測(cè)邊緣交叉點(diǎn)為原點(diǎn)O，以長(zhǎng)邊為y軸，短邊為x軸，建立以床體為參考的坐標(biāo)系。床體部分，固定安裝了自研發(fā)的超聲發(fā)射模塊A、B和C，坐標(biāo)分別為A(a1，b1)、B(a2，b2)、C(a3，b3)，各模塊的位置因設(shè)備組裝完成而確定。移動(dòng)輪椅部分，以朝床體方向前方分別固定安裝兩個(gè)可以接收床體超聲發(fā)射信號(hào)的自研超聲接收模塊L和R，記LR的中點(diǎn)M，定義坐標(biāo)分別為L(zhǎng)(xl，yl)、R(xr、yr)、M(xm，ym)；同時(shí)在輪椅右側(cè)安裝兩個(gè)紅外激光測(cè)距模塊G和H，坐標(biāo)為G(xg，yg)和H(xh，yh)。AB、AC之間距離在床椅機(jī)器人中為固定常數(shù)，記為dab和dac。

圖3 床椅機(jī)器人坐標(biāo)系構(gòu)建

3.2.2 超聲傳感器定位

超聲定位系統(tǒng)下輪椅的位姿以M點(diǎn)坐標(biāo)和輪椅航向角確定。床體控制器通過(guò)無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊U和輪椅無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊V通信，當(dāng)輪椅發(fā)出全局定位指令，在得到輪椅側(cè)傳過(guò)來(lái)的確認(rèn)信息后，以特定周期規(guī)律Ts循環(huán)控制發(fā)射模塊A、B、C發(fā)射信號(hào)，A、B、C發(fā)射互斥，Ts較小通常為十毫秒級(jí)。例如收到指令后，啟動(dòng)A，關(guān)閉B，此時(shí)A發(fā)射信號(hào)被輪椅側(cè)接收模塊L和R接收，經(jīng)過(guò)輪椅處理單元解算完成傳輸時(shí)間tal、tar提取，得AR的距離dar和AL的距離dal。

Ts時(shí)間之后，床體控制器通過(guò)無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊U和輪椅無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊V通信，通知即將關(guān)閉A開(kāi)啟B，在得到輪椅傳過(guò)來(lái)的確認(rèn)信息后，啟動(dòng)B關(guān)閉A。此時(shí)B發(fā)射的信號(hào)被輪椅側(cè)接收模塊L和R接收，經(jīng)過(guò)硬件信號(hào)調(diào)理，進(jìn)入輪椅處理器完成傳輸時(shí)間tbl、tbr提取，得到BR的距離dbr和BL的距離dbl表達(dá)式如(1)和(2)所示。

(1)

(2)

c=331.5+0.607K

(3)

上式(3)中c為聲速，等式表達(dá)了當(dāng)前時(shí)刻環(huán)境溫度K的聲速c的補(bǔ)償關(guān)系。

R、L傳感器中點(diǎn)的坐標(biāo)，以及輪椅的航向角，就可以準(zhǔn)確測(cè)算相對(duì)床體輪椅的位姿。定義x軸負(fù)向逆時(shí)針與RL中垂線(xiàn)夾角定義為輪椅航向角θ。在RAB三點(diǎn)組成的三角形RAL中，由幾何關(guān)系得

(4)

(5)

令y軸正向順時(shí)針與AB邊與夾角為α，y軸正向順時(shí)針與AR與夾角為β，同時(shí)結(jié)合床椅機(jī)器人已確定傳感器的位置分布，可得

α=∠RAB+β

(6)

(7)

(8)

于是得到R(xr,yr)為

(9)

同理得到L(xl,yl)位置為

<1)，且各件產(chǎn)品是否為不合格品相互獨(dú)立．

(10)

于是得到位姿觀(guān)測(cè)量

(11)

3.2.3 IMU定位原理

基于IMU航位推算是一種以牛頓力學(xué)為基礎(chǔ)的相對(duì)定位方法，六軸IMU包括三軸加速度和三軸角速度信息，對(duì)加速度的一次積分得到速度，二次積分得到相對(duì)位移，角速度一次積分可以獲得旋轉(zhuǎn)角度。利用角度和速度信息計(jì)算得到載體坐標(biāo)系下的位姿。基于IMU的位置推算不受外部環(huán)境影響，更新速率快短時(shí)間精度高，全天侯定位，在超聲定位非視距誤差較大情況下，可以對(duì)系統(tǒng)的位姿進(jìn)行校正，當(dāng)超聲定位置信度較高，可以校準(zhǔn)航位推算的初始值。

(12)

其中C1、C2、C3分別為

(13)

3.2.4 編碼器信號(hào)定位實(shí)現(xiàn)

編碼器是一種精確的位移信號(hào)測(cè)量傳感器，在左右驅(qū)動(dòng)輪各安裝一高精度編碼器，輪轂轉(zhuǎn)動(dòng)會(huì)輸出密集編碼脈沖信號(hào)，通過(guò)對(duì)單位時(shí)間編碼信號(hào)測(cè)量，即可推算出移動(dòng)輪椅的的位置和航向信息。設(shè)左右驅(qū)動(dòng)輪編碼器參數(shù)為K線(xiàn)/圈，驅(qū)動(dòng)輪半徑為已知量Rd，左右驅(qū)動(dòng)輪橫向間距D。定義k時(shí)刻輪椅位姿為(xm(k)，ym(k)，θ(k))，Δt時(shí)間即k+1時(shí)刻后位姿為(xm(k+1)，ym(k+1)，θ(k+1))，Δt時(shí)間左右輪里程計(jì)輸出脈沖分別為Nl(k)，Nr(k)，依據(jù)運(yùn)動(dòng)學(xué)推算得Δt時(shí)間左右輪移動(dòng)距離ΔS1(k)、ΔSr(k)和線(xiàn)速度v(k)、ω(k)旋轉(zhuǎn)角速度(k)、分別為

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輪椅的移動(dòng)距離ΔS1r,旋轉(zhuǎn)角度Δθ(k)和旋轉(zhuǎn)半徑R(k)為

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由數(shù)學(xué)知識(shí)可得Δt時(shí)間輪椅位姿變化量Δxm(k)、Δym(k)

(16)

3.2.5 擴(kuò)展卡爾曼多源信息融合定位

基于超聲波定位方式存在干擾和非視距誤差等因素，特別目前越來(lái)越多電子設(shè)備的應(yīng)用，超聲工作頻率附近的干擾源將直接導(dǎo)致定位系統(tǒng)失靈，致使定位精度下降或直接不能定位。編碼器脈沖定位相對(duì)可靠，也存在重要缺陷，例如輪轂打滑將產(chǎn)生較大位移、角度推算誤差，同時(shí)也是一種相對(duì)定位方法。通常一種定位方法很難考慮周全，通過(guò)采用超聲、IMU、輪轂編碼器脈沖以及紅外多傳感器融合方式進(jìn)行組合導(dǎo)航，為連續(xù)、可靠和精確的定位提供可能。常用多傳感融合方法有加權(quán)平均法、貝葉斯歸納推理、模糊邏輯、卡爾曼濾波(含擴(kuò)展型)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法等，可以對(duì)測(cè)距信息、全局定位信息融合，實(shí)現(xiàn)被測(cè)對(duì)象的全面環(huán)境感知和描述。

如圖4所示采用EKF方案的基于多傳感器融合定位方法原理圖，超聲模組構(gòu)建TOA定位系統(tǒng)，輸出基于測(cè)距信息獲得的位置、速度等位姿信息，激光紅外傳感器輸出測(cè)距信息，IMU傳感器輸出的加速度、角速度信息，經(jīng)過(guò)捷聯(lián)解算模塊獲得輪椅位置、速度、航向角等參量，輪轂編碼器脈沖信號(hào)經(jīng)過(guò)推算輸出位姿信息，同時(shí)將IMU和編碼器輸出的測(cè)距變量做比較后輸出偽距率信息，以上各類(lèi)信息進(jìn)入卡爾曼濾波器進(jìn)行濾波運(yùn)算融合，最終輸出最優(yōu)定位結(jié)果。此外，EKF濾波器輸出位姿補(bǔ)償信息需要對(duì)編碼器位姿解算和IMU推算模塊進(jìn)行反饋補(bǔ)償。

圖4 基于EKF的融合定位框圖

3.3 運(yùn)動(dòng)控制設(shè)計(jì)

3.3.1 控制模型

移動(dòng)輪椅相對(duì)位姿可通過(guò)多傳感器測(cè)算融合獲取，輪椅已知位姿情況下導(dǎo)航到目標(biāo)位置還需要精準(zhǔn)對(duì)接控制方法，也應(yīng)具有一定的魯棒性，整個(gè)系統(tǒng)核心部分是對(duì)接控制器和融合定位算法。如圖5所示為閉環(huán)對(duì)接控制模型框圖，采用雙閉環(huán)控制策略，系統(tǒng)期望的輪椅位姿與融合定位系統(tǒng)輸出的觀(guān)測(cè)位姿量進(jìn)行比較，比較量輸入到對(duì)接控制器，對(duì)接控制器包括路徑規(guī)劃和運(yùn)動(dòng)控制算法，路徑規(guī)劃模塊獲得位姿比較量，輸出下一目標(biāo)位姿參考量，運(yùn)動(dòng)控制算法模塊接收位姿參考量，運(yùn)用基于PID的多閉環(huán)控制策略，應(yīng)用inv-park、park進(jìn)行電壓變換、clark進(jìn)行電流變換等運(yùn)算方法[5]，輸出旋轉(zhuǎn)空間PWM信號(hào)量驅(qū)動(dòng)輪轂電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，通過(guò)安裝在電機(jī)上的編碼器反饋的編碼脈沖信號(hào)，一方面與超聲紅外傳感器系統(tǒng)、IMU進(jìn)行組合融合定位輸出觀(guān)測(cè)位姿量，一方面輸入到對(duì)接控制器，及時(shí)參與電機(jī)的閉環(huán)控制。最終完成超低速狀態(tài)下，簡(jiǎn)潔可靠的高精準(zhǔn)對(duì)接。

圖5 對(duì)接閉環(huán)控制模型圖

閉環(huán)控制模型的核心在于對(duì)接控制器，對(duì)接控制器主要包括路徑規(guī)劃和運(yùn)動(dòng)控制算法。路徑規(guī)劃算法有人工勢(shì)場(chǎng)、柵格法、蟻群法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法等[6]，柵格法包括Dijkstra、A-star和D-star。床椅機(jī)器人對(duì)接的環(huán)境相對(duì)不復(fù)雜，規(guī)劃區(qū)域空間較小，路徑規(guī)劃可采用正向搜索方式的A-star算法比較合適，A-star是一種啟發(fā)式搜索算法，是目前最穩(wěn)定和高效的算法之一。運(yùn)動(dòng)控制模塊采用伺服技術(shù)，應(yīng)用基于PID算法的位置、速度、電流三環(huán)控制，PID參數(shù)的整定方法對(duì)控制精度和穩(wěn)定性影響很大?；谏瞎?jié)編碼器脈沖信號(hào)反饋的推算公式，對(duì)公式進(jìn)行微分和拉式變換，可得輪椅的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型[7]，根據(jù)運(yùn)動(dòng)學(xué)模型進(jìn)行反饋控制。

3.3.2 床椅對(duì)接設(shè)計(jì)

由于床椅對(duì)接的特點(diǎn)是對(duì)接環(huán)境可靠簡(jiǎn)單無(wú)障礙物，對(duì)接精度要求非常高，一般不用考慮中間障礙物或不同房間非可視定位線(xiàn)路規(guī)劃問(wèn)題。根據(jù)需要可采用不同對(duì)接控制策略，分別對(duì)效果進(jìn)行評(píng)估。本研究依據(jù)對(duì)接環(huán)境的特點(diǎn)，提出一種多目標(biāo)點(diǎn)區(qū)間分段對(duì)接的簡(jiǎn)潔高效方案，以{x=d1，y=d2，d1和d2為設(shè)定正常數(shù)}將對(duì)接區(qū)域分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)選取已知的6個(gè)較小圓形目標(biāo)區(qū)域Wi(Ni，ri)(i=1,2,…,6)，Ni為預(yù)設(shè)坐標(biāo)點(diǎn)，ri為區(qū)域半徑。開(kāi)始自動(dòng)對(duì)接區(qū)域的起始條件M需滿(mǎn)足x>d1(Ⅰ和Ⅳ)。整個(gè)對(duì)接區(qū)域被分為W1W2、W2W3、W3W4、W4W5、W5W6五個(gè)區(qū)間段。對(duì)接基本過(guò)程描述如下。

(1)起始位姿檢測(cè)：輪椅接收用戶(hù)的指令，以ABRL和ACRL傳感器組循環(huán)組合定位，因傳感器角度無(wú)法定位時(shí)可旋轉(zhuǎn)左右驅(qū)動(dòng)輪，直至有一組可靠位置結(jié)果輸出。判讀輪椅所處區(qū)域位置是否為Ⅰ和Ⅳ。

(2)航向調(diào)整：所處區(qū)域?yàn)棰魰r(shí)，對(duì)接控制系統(tǒng)開(kāi)始工作，輪椅自主移動(dòng)到W1區(qū)域并調(diào)整航向角滿(mǎn)足(0，π/2)，即M點(diǎn)在W1內(nèi)(下同)進(jìn)入下一步。當(dāng)所處區(qū)域位于Ⅰ時(shí)直接進(jìn)入下一步。

(3)自主循跡導(dǎo)航：對(duì)接控制系統(tǒng)持續(xù)工作，輪椅自主導(dǎo)航移動(dòng)到W2區(qū)域(N2橫坐標(biāo)xw2=d1)，然后自主導(dǎo)航移動(dòng)到W3，再移動(dòng)到W4區(qū)域(N4縱坐標(biāo)yw2=d2)，然后繼續(xù)自主移動(dòng)到W5。

(4)橫向末程對(duì)接：在W5區(qū)域，輪椅側(cè)邊已經(jīng)很接近床體側(cè)邊，航向角接近90度，此時(shí)過(guò)大或滯后調(diào)整輪轂運(yùn)動(dòng)，將可能導(dǎo)致輪椅床體碰擦。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，此時(shí)應(yīng)微調(diào)G、H與床體側(cè)面的距離值為主要目標(biāo)，通過(guò)控制輪轂達(dá)到較為理想的效果。設(shè)d3、d4為合適距離常數(shù)，ε1、ε2為合適較小誤差正常數(shù)，控制輪椅滿(mǎn)足下式持續(xù)移動(dòng)。

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(5)縱向末程對(duì)接：設(shè)d5為合適距離常數(shù)，ε3為合適較小誤差正常數(shù)，當(dāng)輪椅狀態(tài)測(cè)量參數(shù)滿(mǎn)足下式，輪轂電機(jī)停止運(yùn)動(dòng)，物理剎車(chē)裝置啟動(dòng)，對(duì)接結(jié)束。

|dbr+dbl-2d5|≤ε3

(18)

(6)結(jié)束：通過(guò)輪椅向床體發(fā)出關(guān)閉尾門(mén)指令，床體關(guān)門(mén)，輪椅自動(dòng)變形和床體合為整體，完成整個(gè)合體過(guò)程。

4 系統(tǒng)驗(yàn)證

以多傳感器信息融合定位的方法提高了定位精度和定位可用性，對(duì)接精度可達(dá)厘米級(jí)；以雙閉環(huán)控制策略完成了移動(dòng)輪椅和床體柔性、安全和精準(zhǔn)的自主對(duì)接。為驗(yàn)證導(dǎo)航定位精度和對(duì)接控制效果的可行性，研究人員準(zhǔn)備了硬件和結(jié)構(gòu)驗(yàn)證平臺(tái)，實(shí)驗(yàn)在研發(fā)部門(mén)開(kāi)發(fā)的樣機(jī)上進(jìn)行，如圖6實(shí)物圖，建立以床體為參考的坐標(biāo)系，將移動(dòng)輪椅置于表1所示的不同起始位置和航向角做了8組實(shí)驗(yàn)，用秒表對(duì)時(shí)間進(jìn)行計(jì)時(shí)，用角度儀測(cè)量起始航向角和對(duì)接間隙，利用卡尺對(duì)橫向和縱向誤差進(jìn)行測(cè)量。表1為對(duì)接實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，對(duì)接完成時(shí)間能很好保證2 min以?xún)?nèi)，且橫向和縱向?qū)泳榷歼_(dá)到了厘米級(jí)。本次8組實(shí)驗(yàn)全部一次對(duì)接成功，此外大量測(cè)試結(jié)果表明，一次對(duì)接成功率能達(dá)到90%以上。

圖6 對(duì)接驗(yàn)證平臺(tái)實(shí)物圖

表1 床椅機(jī)器人對(duì)接實(shí)驗(yàn)結(jié)果

5 討論

床椅自主對(duì)接可研究的定位方式還包括基于磁導(dǎo)航循跡、基于圖像標(biāo)記識(shí)別、激光雷達(dá)建圖定位等。(1)基于磁導(dǎo)航定位技術(shù)[8]在傳統(tǒng)AGV定位中應(yīng)用較為成熟，一般定位精度良好，但對(duì)場(chǎng)地環(huán)境部署要求非常高，應(yīng)用在床椅機(jī)器人中需在地面貼磁性條狀物，在輪椅的前向和后向均需安裝磁導(dǎo)航控制器識(shí)別引導(dǎo)床椅進(jìn)行合并，很大程度上解決了人工輔助的合并問(wèn)題，但問(wèn)題也比較突出，一，貼在地面的磁性條狀物和床體發(fā)生相對(duì)位置偏移時(shí)，將無(wú)法保證輪椅順利合并，甚至出現(xiàn)碰撞風(fēng)險(xiǎn)；二，移動(dòng)輪椅移動(dòng)到導(dǎo)航磁條的起始端也是非常的難，依靠受護(hù)人在看不見(jiàn)地面磁條位置的情況下移動(dòng)到起始端效率非低下；另外磁導(dǎo)航傳感器和磁導(dǎo)航控制器本身成本也較高。(2)基于圖像識(shí)別定位導(dǎo)航的方式在目前應(yīng)用也比較廣泛，某高校研究所將其在床椅機(jī)器人中進(jìn)行應(yīng)用，此方案一般都需要在地面貼顯著性易識(shí)別的標(biāo)記物，如純色的條帶、二維碼[9]等，采用攝像頭識(shí)別明顯標(biāo)記物，然后采用基于圖像處理定位和導(dǎo)航控制算法，完成輪椅和床的自動(dòng)合并，這種技術(shù)和磁導(dǎo)航技術(shù)一樣，一存在標(biāo)記物和床體發(fā)生相對(duì)位移，無(wú)法完成床椅自動(dòng)合并；另一方面，基于圖像識(shí)別的定位精準(zhǔn)度可靠度可用性也滿(mǎn)足不了要求，如采用高分辨率的專(zhuān)用相機(jī)，算力要求較高，相機(jī)和處理器的成本也相對(duì)較高。(3)采用激光雷達(dá)傳感器以slam(Simultaneous localization and mapping，同步定位與建圖)定位技術(shù)方案[10]，需要采用激光雷達(dá)等硬件成本高，且需事先建圖使用受限，另外其精度約5cm，不能達(dá)到對(duì)接精度要求，還需要依賴(lài)其它傳感器輔助。

床椅機(jī)器人應(yīng)用對(duì)象是失能或需康復(fù)人群，對(duì)接后需要是一張完整可靠的床，因此使用安全性和對(duì)接精度要求非常高。自主對(duì)接的精度和安全性關(guān)鍵在于導(dǎo)航定位持續(xù)可用性、運(yùn)動(dòng)控制策略適配以及電機(jī)的精準(zhǔn)控制。本文對(duì)基于多源傳感器信息融合定位技術(shù)進(jìn)行研究，應(yīng)用超聲傳感器、紅外激光、脈沖編碼器、民用IMU等多類(lèi)低成本傳感器進(jìn)行多系統(tǒng)融合定位，提高了定位系統(tǒng)輸可用性和定位精度；研究了雙閉環(huán)對(duì)接控制方法，使床椅對(duì)接更加柔性、安全、可靠，具有跟隨床體移動(dòng)的對(duì)接系統(tǒng)成功率更高。相對(duì)于上述磁導(dǎo)航、圖像識(shí)別、激光slam等技術(shù)方案，本研究技術(shù)方法在對(duì)接成本、性能和魯棒性都具有優(yōu)勢(shì)：(1)采用的是普通超聲模組、紅外以及民用級(jí)IMU等低成本傳感器完成機(jī)器狀態(tài)的感測(cè)和定位，沒(méi)有激光雷達(dá)、專(zhuān)用攝像頭、高性能處理器等，方案成本低；(2)相對(duì)于slam定位精度不能滿(mǎn)足要求，采用多源融合定位方式，定位結(jié)果可靠性、可用性和精度高，能滿(mǎn)足使用要求；(3)相對(duì)于磁導(dǎo)航控制和基于圖像識(shí)別方式，不在床椅、地面之外的環(huán)境添加額外的標(biāo)記物、設(shè)備等，對(duì)地面設(shè)施部署要求點(diǎn)，適用環(huán)境要求低，場(chǎng)景適用性強(qiáng)；(4)具有優(yōu)秀的魯棒適應(yīng)性，以床體為參考系，移動(dòng)輪椅隨床體位置移動(dòng)而自適應(yīng)調(diào)整軌跡，對(duì)于床體位置經(jīng)常有移動(dòng)的場(chǎng)景，仍然可以完成高精度、高成功率的自動(dòng)對(duì)接，大大提高了對(duì)接的可用性。

6 結(jié)語(yǔ)

本文采用超聲、紅外激光、IMU、編碼器脈沖等傳感器信息進(jìn)行多傳感融合的定位解算，以床體為參考坐標(biāo)系完成輪椅的位姿推算，通過(guò)輪轂控制器實(shí)現(xiàn)床椅自主對(duì)接。此種床椅機(jī)器人自主對(duì)接技術(shù)和方法，有效降低了算法復(fù)雜度和系統(tǒng)硬件成本，提高了系統(tǒng)響應(yīng)實(shí)時(shí)性。床椅機(jī)器人的廣泛應(yīng)用，將大大提升失能人群的康護(hù)水平，有效緩解社會(huì)康養(yǎng)護(hù)理員的人力資源缺口，對(duì)促進(jìn)我國(guó)全人群健康質(zhì)量和幸福指數(shù)具有重要的社會(huì)意義。