一种智能拐杖及其控制方法
技术领域
本申请涉及数据处理技术，更具体的说，是涉及一种智能拐杖及其控制方法。
背景技术
手杖能够为一些行动不便的老年人提供必要的支撑力，使得用户能够相对轻松的完成走路的动作。目前市场上的手杖或存在功能简单，不能为用户提供优质服务体验的问题，或存在功能较多但所具备功能无益于用户行走使用的问题。
发明内容
有鉴于此，本申请提供如下技术方案：
一种智能拐杖，包括：
拐杖本体；
采集组件，设置于所述拐杖本体上，用于采集用户的第一状态数据和/或所述拐杖本体的第二状态数据；
驱动组件，设置于所述拐杖本体的底端，且与所述采集组件连接；
球轮，设置于所述驱动组件上；
其中，所述驱动组件用于根据所述第一状态数据和/或所述第二状态数据，驱动所述球轮运动，以使所述智能拐杖的底端相较于地面运动至目标位置。
可选的，所述驱动组件还用于在所述智能拐杖的底端运动至目标位置后，固定所述球轮。
可选的，所述驱动组件还用于根据所述第二状态数据驱动所述球轮运动，以使所述智能拐杖在脱离所述用户的情况下，能够与所述地面保持平衡状态。
可选的，所述驱动结构包括：
至少三个环绕所述球轮设置的滚筒，且所述滚筒与所述球轮接触；
每一所述滚筒均设有驱动器，所述驱动器用于驱动对应的所述滚筒进行轴向转动；
所述滚筒能够通过自身转动带动所述球轮运动。
可选的，每一所述滚筒的外侧壁上设有滚条，所述滚条环绕所述滚筒设置，所述滚筒通过所述滚条与所述球轮接触。
可选的，拐杖本体上设有伸缩结构，且与所述采集组件连接，所述伸缩结构用于根据所述第一状态数据和/或所述第二状态数据控制所述拐杖本体的长度。
可选的，所述第一状态数据包括步行方向、步行速度、身体姿势、身体重心运动趋势中的至少一个；所述第二状态数据包括拐杖角度、拐杖位置、拐杖长度、球轮移动速度中的至少一个。
可选的，所述采集组件包括陀螺仪传感器、压力传感器、图像传感器、速度传感器、加速度传感器和角度传感器。
可选的，所述采集组件还用于采集地面的路况数据，相应的，所述驱动组件还用于根据所述路况数据和所述第一状态数据、所述第二状态数据中的至少一个控制所述球轮运动；
其中，所述路况数据包括路面状况数据和障碍物状况数据。
一种智能拐杖的控制方法，应用于上述任意一种智能拐杖，包括：
获取采集组件采集的用户的第一状态数据和/或拐杖本体的第二状态数据；
基于所述第一状态数据和/或所述第二状态数据确定驱动组件的控制参数；
将所述控制参数发送至所述驱动组件，以使得所述驱动组件基于所述控制参数驱动球轮相较于地面运动至目标位置。
经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本申请实施例公开了一种智能拐杖及其控制方法，智能拐杖包括：拐杖本体；设置于拐杖本体上的采集组件，用于采集用户的第一状态数据和/或所述拐杖本体的第二状态数据；设置于拐杖本体的底端的驱动组件，且与采集组件连接；球轮，设置于驱动组件上；其中，驱动组件用于根据第一状态数据和/或第二状态数据，驱动球轮运动，以使智能拐杖的底端相较于地面运动至目标位置。所述智能拐杖在应用过程中，可以依据用户的移动状态自动驱动球轮运动到地面上特定的位置，以使得用户在行走过程中，智能拐杖能够为用户提供合适角度的支撑力，帮助用户平衡高效的行走。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本申请实施例公开的一种智能拐杖的结构示意图；
图2为圆弧形手柄的拐杖示意图；
图3为T形手柄的拐杖示意图；
图4为本申请实施例公开的一个智能拐杖的驱动结构的示意图；
图5为本申请实施例公开的一种智能拐杖的控制方法的流程图。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
图1为本申请实施例公开的一种智能拐杖的结构示意图，参见图1所示，智能拐杖可以包括拐杖本体10、采集组件20、驱动组件30和球体40。
其中，采集组件20设置于拐杖本体10上，用于采集用户的第一状态数据和/或所述拐杖本体的第二状态数据。用户的第一状态数据可以为表示用户身体姿态和运动趋势的数据；拐杖本体的第二状态数据可以是表示拐杖本体位置状态和运动状态的数据。
需要说明的是，采集组件20可包含多个采集传感器，多个采集传感器在拐杖本体10上的设置位置不同，在图中无法一一穷举示出，因此图1中采用一个示意结构示出，该示意结构不对采集组件中采集传感器的数量和设置位置构成固定限制。
驱动组件30设置于拐杖本体的底端，且与采集组件20连接。驱动组件30可基于采集组件20采集到的第一状态数据确定出用户的运动趋势和运动参数，进而确定用户进行下一步行走时应当使智能拐杖处于什么位置，以给用户提供合适角度的支撑力。其中用户的运动趋势可以但不限制为包括运动方向、运动速度；用户的运动参数可以但不限制为包括用户的步长，用户移步的频率等。
球轮40可设置于驱动组件30上，并作为智能拐杖与地面的接触体，设置在驱动组件30的下方。其中，球轮30为万向球轮，其可以基于驱动组件30的驱动控制向任何方向转动。球轮30在转动过程中，由于地面摩擦力的存在，其会在地面上向某个方向移动，使得拐杖本体10与地面之间的夹角发生变化。在拐杖本体10与地面呈现特定角度时，能够为用户提供对应的特定方向的支撑力。本申请实施例中的智能拐杖，即能够根据用户的姿态和运动趋势确定用户下一步需要的合适的支撑力，从而基于用户当前手的位置，确定球轮40应该位于什么位置，使得拐杖本体10能够与地面之间形成合适的夹角，提供有助于用户行走的支撑力。
智能拐杖除上述各组成部分外，还包括便于用户握持的手柄。本申请实施例对手柄的具体实现形式不做固定限制，其可以有多种实现形式，如图1中智能拐杖示意的倒三角形状的手柄，图2中示出的圆弧形状的手柄，图3示出的T形的手柄。
在实际的工作过程中，驱动组件30可以根据前述第一状态数据和/或第二状态数据，驱动所述球轮40运动，以使智能拐杖的底端相较于地面运动至目标位置。需要说明的是，由于智能拐杖是单侧使用，所以上述确定目标位置并控制球轮40移动至目标位置的过程的一个执行周期对应用户行走两步的周期；如用户习惯用右手持拐杖，每当用户右手开始向拐杖施加压力时，用户左腿先迈出一步，这时在用户行走方向上，拐杖与用户身体基本持平，当用户继续迈出右腿时，拐杖就位于用户身后。
在用户使用智能拐杖正常走路的过程中，采集组件20不断的采集用户的第一状态信息，相应的处理单元基于第一状态信息预测出用户在下一个执行周期中的行走方向、步长等信息，进而确定用户走下一步时智能拐杖在地面上的目标位置，即球轮40需要固定的位置点；进而根据拐杖本体10的第二状态数据确定出球轮40的移动方向和距离，控制驱动组件30驱动球轮40转动移动至前述目标位置然后锁死球轮40，使其固定在目标位置；然后用户可以借助拐杖本体10提供给用户的支撑力，完成后续两步的行走。在智能拐杖的每一个执行周期执行过程中或临近结束时，智能拐杖的处理单元已经开始计算下一步的目标位置，然后检测到用户已经在当前执行周期完成两步行走后，迅速控制球轮40移动到下一个目标位置，以为用户提供连续的辅助支撑力。
由于采集组件20实时采集用户的第一状态数据，因此其能实时的确定用户的运动趋势。从而本申请实施例公开的智能拐杖，不仅能够在用户正常走路时为用户提供合适角度的支撑力，在用户突然出现意外情况，如滑倒或站立不稳时，也能够迅速的做出相应反应，为用户提供合适的支撑力。例如，用户由于路面积水脚底向后滑动，其身体会呈现向前的弯曲倾斜体态，且其重心有向前下方移动的趋势，则智能拐杖的处理单元基于对采集组件20采集的第一状态数据迅速确定出能够为用户提供有助于其保持平衡或减缓移动速度的支撑力对应的控制参数，该控制参数可以包括球轮目标位置、拐杖本体长度等。需要说明的是，为了保证智能拐杖的处理控制速度，智能拐杖中的采集组件、处理单元、驱动组件等需要采用高速高精度的组件单元。基于该实现，智能拐杖能够在用户出现意外情况时辅助用户保持身体平衡，避免用户摔倒，或在一定程度上减轻用户摔倒时的力度。
实际应用中，用户手持智能拐杖行走过程中，当身体走到球轮固定的智能拐杖前方后，可以将智能拐杖提起来并移动到身体侧前方，然后放下，使得球轮40再一次接触地面，以辅助下一步行走。但用户放置球轮40的位置很可能与智能拐杖自身确定的目标位置存在偏差，因此，当球轮40被放到地面上时，智能拐杖可自动驱动球轮40向目标位置转动，直至到达准确的目标位置后锁死固定，以为用户提供更合适的支撑力。
另一个应用中，用户在使用智能拐杖行走的过程中，可以不将智能拐杖提起，即智能拐杖的球轮40自始至终不会离开地面。智能拐杖的球轮40可在一个目标位置锁死固定，在用户行走两步后，驱动球轮40向下一个目标位置转动，并在转动到位后再次锁死固定，这样循环执行。这样的实现相对于现有的用户每走两步需要手动提起向前移动拐杖的实现，具有简便省力的特点。
本实施例所述智能拐杖在应用过程中，可以依据用户的移动状态自动驱动球轮运动到地面上特定的位置，以使得用户在行走过程中，智能拐杖能够为用户提供合适角度的支撑力，帮助用户平衡高效的行走。
上述实施例中，驱动组件还可以用于在所述智能拐杖的底端运动至目标位置后，固定所述球轮。固定球轮的方式可以是驱动组件停止对球轮施加任何驱动力，并通过锁死结构对球轮进行锁死固定。其中的锁死结构可以是直接与球轮接触的驱动组件的部分结构，通过其卡紧作用，使得球轮不能够再向任何方向转动。所述锁死结构也可以是单独存在的一个结构，该结构在球轮需要移动的过程中，处于收起隐藏状态；而在球轮移动至目标位置后，其弹出并抓紧地面，使得球轮停止移动；例如，在球轮移动至目标位置后，从驱动组件中围绕球轮射出几个钢针，这几个钢针可以部分插入地面，从而起到固定球轮的作用。
另外，在具体实现中，为了更好的控制球轮在地面上的转动，可对球轮40表面进行磨砂处理，以增大其与地面之间的摩擦力，防止球轮40与地面之间摩擦力不够而出现空转的情况，影响智能拐杖的控制精度。
前面的实施例中，介绍的为智能拐杖在用户使用期间的实现内容，而智能拐杖也会在上电状态下，存在没有被用户手持使用的情况。这种情况下，智能拐杖中的驱动组件还用于根据所述第二状态数据驱动所述球轮运动，以使所述智能拐杖在脱离所述用户的情况下，能够与所述地面保持平衡状态。
其中的平衡状态即智能拐杖独自立在地面上保持平衡不倒的状态。具体的，驱动组件基于采集组件采集的拐杖本体的相关数据，实时确定拐杖本体的重心移动趋势，并驱动球轮进行相应的转动，使得智能拐杖实现自平衡。具体的，由于球轮可以向任意方向移动，因此控制智能拐杖自平衡可基于倒立摆系统实现。
图4为本申请实施例公开的一个智能拐杖的驱动结构的示意图，参见图4所示，在一个具体实现中，驱动结构30可以包括：
至少三个环绕所述球轮40设置的滚筒31，且所述滚筒31与所述球轮40接触；每一所述滚筒31均设有驱动器，所述驱动器用于驱动对应的所述滚筒31进行轴向转动；所述滚筒31能够通过自身转动带动所述球轮40运动。
其中，每一个所述滚筒的外侧壁上设有滚条32，所述滚条32环绕所述滚筒40设置，所述滚筒31通过所述滚条32与所述球轮40接触。
具体的，至少三个滚筒31中任意两个相邻的滚筒31之间的夹角相同，且该至少三个滚筒31的轴线向斜下方延伸，使得至少三个滚筒31形成的内部空间能够容纳部分的球轮40；其中，每一个滚筒31通过其上设置的滚条32与球轮40的球面接触，通过控制该至少三个滚筒31的滚动状态，能够控制球轮40向任意方向转动。
在其他实现中，智能拐杖的拐杖本体上还可以设有伸缩结构，且与所述采集组件连接，所述伸缩结构用于根据所述第一状态数据和/或所述第二状态数据控制所述拐杖本体的长度。
具体的，结合前述用户行走过程中不会将智能拐杖提起的实现，由于用户手臂长度固定，而球轮在地面上移动的过程中与地面之间的夹角会发生变化，导致其手柄高度会时高时低。这种情况下，为了使用户有更加舒适的使用体验，智能拐杖可依据用户身体姿态和拐杖本体姿态相关数据，自动适应性的调整拐杖本体的伸缩，使得用户的手臂始终处于一个稳定的状态，而不会被动的大幅弯曲或伸直。
上述各个实施例中，所述第一状态数据可以但不限制为包括步行方向、步行速度、身体姿势、身体重心运动趋势中的至少一个；所述第二状态数据可以但不限制为包括拐杖角度、拐杖位置、拐杖长度、球轮移动速度中的至少一个。
上述各个实施例中，采集组件可以但不限制为包括陀螺仪传感器、压力传感器、图像传感器、速度传感器、加速度传感器和角度传感器。其中陀螺仪传感器速度传感器、加速度传感器和角度传感器可设置在拐杖本体内部且不外漏；压力传感器可设置在智能拐杖的手柄上，用于检测用户的手掌压力，并用检测到的压力数据辅助目标位置的判断；图像传感器可设置在拐杖本体内部且其图像采集镜头朝向用户侧外漏，以便于采集用户的身体姿态图像。
在一些实现中，图像传感器可以设置两个甚至更多，不同的图像传感器用于采集不同角度的图像。如第一个图像传感器用于采集用户下半身的图像，第二个图像传感器用于采集用户上半身的图像，第三个图像传感器用于采集用户行走方向上一定范围内的路况图像。
需要说明的是，采集组件中的各个传感器的采集频率应当相同，且采集的时间点也应尽量保持一致，以保证在一个采集周期内各个传感器的传感数据的对应匹配。为了满足智能拐杖高精度高实时性的处理要求，采集组件的采集频率应设置的较大。
其他实现中，采集组件还用于采集地面的路况数据，相应的，驱动组件还用于根据所述路况数据和所述第一状态数据、所述第二状态数据中的至少一个控制所述球轮运动；其中，所述路况数据包括路面状况数据和障碍物状况数据。
例如，设置在拐杖本体内部的一个图像传感器采集到的前方的道路上有一个石墩，则智能拐杖可自主规划能够避开石墩的绕行路线。或者，智能拐杖可结合用户的反应，如结合用户的身体姿态、运动方向等判断出用户的绕行方向(向左绕行或向右绕行)，并在该绕行方向的基础上上规划出绕行路线。
一些实现中，智能拐杖还能够发出提示信息。例如，智能拐杖的图像传感器检测到前方为向下的阶梯，则可以发出语音警示，以提醒用户注意安全。语音警示可以是“嘀嘀”的提示音，也可以是与路况信息对应的如“前方有向下台阶，请注意”。
智能拐杖中各项数据的处理以及各组件的电控制可通过智能拐杖的处理器完成，该处理器分别与采集组件和驱动组件连接。智能拐杖的处理器用于基于采集组件获取的多组传感器数据确定当前用户的身体姿态和运动趋势数据，并基于所述身体姿态数据和运动趋势数据确定驱动组件的控制参数。其中的控制参数可以但不限制为包括球轮目标位置、球轮移动方向和主轴目标角度，则驱动组件为控制球轮沿所述球轮移动方向移动至所述球轮目标位置，使拐杖本体与水平面之间的夹角为所述主轴目标角度的驱动组件。
具体的，智能拐杖通过采集组件采集的数据确定用户的人体驱赶、四肢、脚掌等部位的相对中位置，以及用户的运动速度、运动方向、运动加速度等信息，确定出用户人体的重心位置、运动状态和运动趋势，并结合路面状况、障碍物状况等，通过球轮在地面上的全方向快速运动、自身朝向的改变、自身长短的变化、球轮的适时卡死等，综合起来对用户提供最优化的辅助支撑作用，既可以提供平顺流程的行走体验，也可以防止用户意外跌倒。
进一步的，本申请还公开了一种智能拐杖的控制方法，图5为本申请实施例公开的一种智能拐杖的控制方法的流程图，图5所示方法可应用于上述实施例中公开的任意一种智能拐杖，参见图5所示，智能拐杖的控制方法可以包括：
步骤501：获取采集组件采集的用户的第一状态数据和/或拐杖本体的第二状态数据。
步骤502：基于所述第一状态数据和/或所述第二状态数据确定驱动组件的控制参数。
步骤503：将所述控制参数发送至所述驱动组件，以使得所述驱动组件基于所述控制参数驱动球轮相较于地面运动至目标位置。
所述智能拐杖的控制方法在实施中，可以依据用户的移动状态自动驱动球轮运动到地面上特定的位置，以使得用户在行走过程中，智能拐杖能够为用户提供合适角度的支撑力，帮助用户平衡高效的行走，改善用户的行走体验。
智能拐杖的控制方法的具体实现以及其中涉及的各部分结构和各个数据可参见前述智能拐杖实施例中相应部分的内容介绍，在此不再重复赘述。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
结合本文中所公开的实施例描述的方法或算法的步骤可以直接用硬件、处理器执行的软件模块，或者二者的结合来实施。软件模块可以置于随机存储器(RAM)、内存、只读存储器(ROM)、电可编程ROM、电可擦除可编程ROM、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
