專利名稱：一種輔助視障人員行走的伴隨機(jī)器人系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域，尤其是一種輔助視障人員行走的伴隨機(jī)器人系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
人類70%的信息都是通過視覺來獲取的，所以視障人員在獨(dú)立行走時(shí)需要其他裝置協(xié)助避障。傳統(tǒng)的方法是利用導(dǎo)盲杖或是電子導(dǎo)盲器。電子導(dǎo)盲器一般是采用超聲波、紅外線探頭等回波測距的原理來設(shè)計(jì)的，也有利用圖像傳感器來進(jìn)行對(duì)障礙物測距的。導(dǎo)盲杖是用它在地面上敲擊，可幫助視障人員發(fā)現(xiàn)O. 5米以內(nèi)的障礙物。它的主 要缺點(diǎn)是不能發(fā)現(xiàn)較遠(yuǎn)一點(diǎn)的障礙物及需要視障人員不斷用導(dǎo)盲杖敲擊地面。超聲波導(dǎo)盲器和紅外線導(dǎo)盲器都是利用回波測距方法探測距離的儀器。該種方法可以較準(zhǔn)確的探測前方障礙物離人的距離，但是因?yàn)樘筋^只能對(duì)某個(gè)方向的障礙物進(jìn)行測距，如果要全部前方空間的探測則需要安裝多路探頭，使得設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不便于控制。電子導(dǎo)盲器通常是采用語音提示或是警告音，因此嘈雜環(huán)境對(duì)其干擾較大，尤其是對(duì)有聽力障礙的視障人員影響更為強(qiáng)烈。某些電子導(dǎo)盲器是穿戴式的，需要穿戴在人的腰部、腿部甚至是頭部。視障人員穿戴這些導(dǎo)盲避障裝置不便于自由活動(dòng)。
發(fā)明內(nèi)容針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足與缺陷，本實(shí)用新型提供一種輔助視障人員行走的伴隨機(jī)器人。本實(shí)用新型基于振動(dòng)觸覺反饋的原理，采用穿戴振動(dòng)觸覺腰帶的方式，在行走過程中解放了視障人員的雙手，可以遠(yuǎn)距離、多方位的檢測視障人員周圍的障礙，采用振動(dòng)反饋提示視障人員障礙所在方位，避免了嘈雜環(huán)境產(chǎn)生的干擾并解決了穿戴不便的問題，能夠較好的輔助視障人員獨(dú)立行走。本實(shí)用新型的目的是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的一種輔助視障人員行走的伴隨機(jī)器人系統(tǒng)，其特征至于包括設(shè)置在視障人員腰部的振動(dòng)觸覺腰帶和設(shè)置在視障人員前后左右四個(gè)正方位上的四個(gè)履帶式機(jī)器人，四個(gè)履帶式機(jī)器人與振動(dòng)觸覺腰帶通過自組網(wǎng)構(gòu)成無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，四個(gè)履帶式機(jī)器人的結(jié)構(gòu)相同、頭部均朝向正前方，每個(gè)履帶式機(jī)器人包括車體和控制模塊，車體采用雙履帶式結(jié)構(gòu)，設(shè)有底座、旋轉(zhuǎn)云臺(tái)及固定架，底座為履帶式機(jī)器人的上表面，旋轉(zhuǎn)云臺(tái)固定在底座的前端，固定架固定在底座的后端；控制模塊包括超聲波測距傳感器、激光測距傳感器、含有電子調(diào)速器及驅(qū)動(dòng)控制電路的運(yùn)動(dòng)控制模塊、無線通信模塊、含有帶擴(kuò)展存儲(chǔ)器的ARM處理器的中央處理模塊及電源，超聲波測距傳感器安裝在固定架的后表面上，其測距傳感方向?yàn)槁膸綑C(jī)器人正后方，激光測距傳感器安裝在旋轉(zhuǎn)云臺(tái)上，其測距傳感方向?yàn)槁膸綑C(jī)器人正前方，運(yùn)動(dòng)控制模塊、無線通信模塊、中央處理模塊及電源設(shè)置在車體內(nèi)，超聲波測距傳感器及激光測距傳感器的輸出均連接中央處理模塊，中央處理模塊的輸出連接運(yùn)動(dòng)控制模塊中的電子調(diào)速器，電子調(diào)速器輸出連接驅(qū)動(dòng)控制電路，驅(qū)動(dòng)控制電路的輸出連接履帶式機(jī)器人的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，中央處理模塊的輸出還雙向連接無線通信模塊，電源分別連接超聲波測距傳感器、激光測距傳感器、運(yùn)動(dòng)控制模塊、無線通信模塊和中央處理模塊；振動(dòng)觸覺腰帶包括腰帶本體以及置于其內(nèi)的振動(dòng)陣列、電源模塊和無線通信及處理模塊，振動(dòng)陣列包括八個(gè)紐扣振動(dòng)電機(jī)，等間距分布在腰帶本體內(nèi)，無線通信及處理模塊采用ZigBee模塊，充當(dāng)自組網(wǎng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)關(guān)，電源模塊連接振動(dòng)陣列和無線通信及處理模塊。本實(shí)用新型具有以下優(yōu)點(diǎn)及有益效果1、采用振動(dòng)觸覺腰帶，釋放視障人員雙手并且便于穿戴；2、采用振動(dòng)觸覺反饋，避免了嘈雜環(huán)境對(duì)視障人員語音提示的影響；3、伴隨機(jī)器人分布在視障人員四周，可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離、多方位檢測視障人員周圍的障礙。

圖I是伴隨機(jī)器人系統(tǒng)組成示意圖；圖2是圖I的俯視圖； 圖3是伴隨機(jī)器人的立體圖；圖4是伴隨機(jī)器人的控制系統(tǒng)構(gòu)成框圖；圖5是振動(dòng)觸覺腰帶立體示意圖；圖6是振動(dòng)觸覺腰帶硬件結(jié)構(gòu)框圖；圖7是伴隨機(jī)器人的程序流程圖；圖8是振動(dòng)觸覺腰帶程序流程圖；圖9是視障人員行走避障的一個(gè)實(shí)施例示意圖。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖和實(shí)施例，對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步詳細(xì)說明。如圖I和圖2所示，本實(shí)用新型包括分布在視障人員前后左右四個(gè)正方位上的四個(gè)履帶式機(jī)器人101、102、103、104和穿戴在視障人員腰部的振動(dòng)觸覺腰帶2,建立起一個(gè)以視障人員為中心的檢測圈，可以檢測視障人員周圍的物體及檢測視障人員自身的行走姿態(tài)。履帶式機(jī)器人101、102、103、104按其在行進(jìn)過程中擔(dān)當(dāng)?shù)慕巧謩e擔(dān)任主伴隨機(jī)器人和副伴隨機(jī)器人。主伴隨機(jī)器人負(fù)責(zé)檢測視障人員的行走狀態(tài)以及視障人員后方的障礙，副伴隨機(jī)器人負(fù)責(zé)檢測視障人員前方、左右的障礙，主伴隨機(jī)器人向副伴隨機(jī)器人傳輸控制命令以實(shí)現(xiàn)伴隨機(jī)器人與視障人員的同步運(yùn)動(dòng)。主伴隨機(jī)器人若檢測視障人員轉(zhuǎn)身或行走速度變化，則廣播調(diào)整信號(hào)，自身進(jìn)行運(yùn)動(dòng)調(diào)整；副伴隨機(jī)器人接收到調(diào)整信號(hào)后，即可進(jìn)行運(yùn)動(dòng)調(diào)整，如此，伴隨機(jī)器人群始終與視障人員保持同步運(yùn)動(dòng)。主伴隨機(jī)器人與副伴隨機(jī)器人若檢測到有障礙，將障礙方位信息傳輸?shù)秸駝?dòng)觸覺腰帶2，振動(dòng)觸覺腰帶2處理接收到的障礙信息并產(chǎn)生振動(dòng)反饋以提示視障人員。如圖3和圖4所示，每個(gè)履帶式機(jī)器人設(shè)有機(jī)器人本體和控制模塊，機(jī)器人本體設(shè)有固定架1012、底座1014、旋轉(zhuǎn)云臺(tái)1015。固定架固定在底座1014的后端，用于放置超聲波測距傳感器1013。旋轉(zhuǎn)云臺(tái)1015固定在底座1014的前端，用于放置激光測距傳感器1011?？刂颇K包括激光測距傳感器1011、超聲波測距傳感器1013、運(yùn)動(dòng)控制模塊1016、無線通信模塊1017、電源模塊1018、中央處理模塊1015。激光測距傳感器1011掃描角度為240。，最大測量距離為4米，通過測定激光開始發(fā)射到激光從目標(biāo)反射回來的時(shí)間來測定距離，將測量數(shù)據(jù)傳輸?shù)街醒胩幚砟K1015。超聲波測距傳感器1013利用超聲波回聲的時(shí)間差原理來實(shí)現(xiàn)測量其前方物體或人離小車的距離，也將數(shù)據(jù)傳輸?shù)街醒胩幚砟K1015。運(yùn)動(dòng)控制模塊1016包括相互連接的電子調(diào)速器和驅(qū)動(dòng)控制電路，電子調(diào)速器輸入端與中央處理模塊相連，驅(qū)動(dòng)控制電路的輸出端與電氣傳動(dòng)裝置相連以驅(qū)動(dòng)伴隨機(jī)器人運(yùn)動(dòng)。電源模塊1018為車載電池，分別與激光測距傳感器1011、超聲波測距傳感器1013、中央處理模塊1015、運(yùn)動(dòng)控制模塊1016、無線通信模塊1017相連，為其提供電能。中央處理模塊1015選用帶擴(kuò)展存儲(chǔ)器的ARM處理器，用于對(duì)獲取的傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。若在有效檢測范圍內(nèi)檢測到障礙，將障礙方位信息傳輸?shù)綗o線通信模塊1017 ;若接收到無線通信模塊1017傳輸?shù)恼{(diào)整信號(hào)，則通過運(yùn)動(dòng)控制模塊1016實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人相關(guān)運(yùn)動(dòng)的調(diào)整。中央處理模塊1015還通過處理激光測距傳感器1011測量的數(shù)據(jù)得到視障人員自身相對(duì)伴隨機(jī)器人的位姿包括距離和角度。具體的實(shí)現(xiàn)方法是中央處理模塊1015在接收到激光測距傳感器1011數(shù)據(jù)后，先進(jìn)行卡爾曼濾波處理以去掉噪聲的影響，得到視障人員相對(duì)機(jī)器人速度的估計(jì)值。利用視障人員相對(duì)機(jī)器人的距離和速度的估計(jì)值，再進(jìn)行后置濾波可得到視障人員的位姿估計(jì)，從而可以判斷視障人員是否轉(zhuǎn)身。所述的卡爾曼濾波是現(xiàn)有技術(shù)，為一 種高效率的遞歸濾波器，它能夠從一系列的不完全及包括噪聲的測量中，估計(jì)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的狀態(tài)，它的一個(gè)典型實(shí)例是從一組有限的，包含噪聲的，對(duì)物體位置的觀察序列預(yù)測出物體的位置的坐標(biāo)及速度。如圖5和圖6所示，振動(dòng)觸覺腰帶包括由振動(dòng)電機(jī)陣列201、腰帶本體202、無線通信及處理模塊203、腰帶電源模塊204。振動(dòng)電機(jī)陣列201設(shè)有八個(gè)小型紐扣振動(dòng)電機(jī)2011，等間隔分布在腰帶本體202上，用以產(chǎn)生振動(dòng)反饋以提示視障人員。腰帶本體202用于放置振動(dòng)電機(jī)陣列201、無線通信模塊203、腰帶電源模塊204。無線通信模塊203采用ZigBee模塊，用于接收和處理伴隨機(jī)器人傳輸?shù)恼系K方位信息，并控制振動(dòng)電機(jī)陣列201中相應(yīng)方位的電機(jī)振動(dòng)。腰帶電源模塊204，采用可充電的鋰電池，具有體積小、重量輕的優(yōu)點(diǎn)。如圖7和8所示分別為履帶式機(jī)器人和振動(dòng)觸覺腰帶的程序流程圖。在其初始化之后，四個(gè)履帶式機(jī)器人101、102、103、104及振動(dòng)觸覺腰帶2通過自組網(wǎng)形成無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。振動(dòng)觸覺腰帶2的無線通信模塊203充當(dāng)網(wǎng)關(guān)，對(duì)接收的障礙方位信息綜合處理。位于視障人員正后方的為履帶式機(jī)器人103在初始化后設(shè)置為主伴隨機(jī)器人。在視障人員行走的過程中，履帶式機(jī)器人進(jìn)行相應(yīng)的角色調(diào)整并不斷將檢測到的障礙方位信息傳輸?shù)秸駝?dòng)觸覺腰帶2。視障人員根據(jù)振動(dòng)反饋提示進(jìn)行避障。如圖9所示為視障人員利用伴隨機(jī)器人行走避障的一個(gè)實(shí)施例示意圖。伴隨機(jī)器人在跟隨視障人員正常前進(jìn)過程中，不斷檢測視障人員周圍物體的距離。副伴隨機(jī)器人101檢測到障礙后，將障礙方位信息傳輸?shù)秸駝?dòng)觸覺腰帶2。振動(dòng)觸覺腰帶2處理接收的障礙方位信息，并控制視障人員正前方位的電機(jī)振動(dòng)，以提示視障人員前方有障礙。視障人員右轉(zhuǎn)以繞開障礙，主伴隨機(jī)器人103檢測并判斷人右轉(zhuǎn)后，廣播角色調(diào)整信號(hào)，履帶式機(jī)器人103、104進(jìn)行角色轉(zhuǎn)換，副隨機(jī)器人104轉(zhuǎn)變?yōu)橹靼殡S機(jī)器人。伴隨機(jī)器人集體轉(zhuǎn)彎以保持與人同步轉(zhuǎn)彎。主伴隨機(jī)器人104檢測并判斷人左轉(zhuǎn)后，廣播角色調(diào)整信號(hào)，履帶式機(jī)器人103、104再次進(jìn)行角色轉(zhuǎn)換，副伴隨機(jī)器人103再次轉(zhuǎn)變?yōu)橹靼殡S機(jī)器人。伴隨機(jī)器人集體再次轉(zhuǎn)彎并始終保持與人同步運(yùn)動(dòng)。如此，視障人員在系統(tǒng)的輔助下躲避障礙。
權(quán)利要求1.一種輔助視障人員行走的伴隨機(jī)器人系統(tǒng)，其特征至于包括設(shè)置在視障人員腰部的振動(dòng)觸覺腰帶和設(shè)置在視障人員前后左右四個(gè)正方位上的四個(gè)履帶式機(jī)器人，四個(gè)履帶式機(jī)器人與振動(dòng)觸覺腰帶通過自組網(wǎng)構(gòu)成無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，四個(gè)履帶式機(jī)器人的結(jié)構(gòu)相同、頭部均朝向正前方，每個(gè)履帶式機(jī)器人包括車體和控制模塊，車體采用雙履帶式結(jié)構(gòu)，設(shè)有底座、旋轉(zhuǎn)云臺(tái)及固定架，底座為履帶式機(jī)器人的上表面，旋轉(zhuǎn)云臺(tái)固定在底座的前端，固定架固定在底座的后端；控制模塊包括超聲波測距傳感器、激光測距傳感器、含有電子調(diào)速器及驅(qū)動(dòng)控制電路的運(yùn)動(dòng)控制模塊、無線通信模塊、含有帶擴(kuò)展存儲(chǔ)器的ARM處理器的中央處理模塊及電源，超聲波測距傳感器安裝在固定架的后表面上，其測距傳感方向?yàn)槁膸綑C(jī)器人正后方，激光測距傳感器安裝在旋轉(zhuǎn)云臺(tái)上，其測距傳感方向?yàn)槁膸綑C(jī)器人正前方，運(yùn)動(dòng)控制模塊、無線通信模塊、中央處理模塊及電源設(shè)置在車體內(nèi)，超聲波測距傳感器及激光測距傳感器的輸出均連接中央處理模塊，中央處理模塊的輸出連接運(yùn)動(dòng)控制模塊中的電子調(diào)速器，電子調(diào)速器輸出連接驅(qū)動(dòng)控制電路，驅(qū)動(dòng)控制電路的輸出連接履帶式機(jī)器人的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，中央處理模塊的輸出還雙向連接無線通信模塊，電源分別連接超聲波測距傳感器、激光測距傳感器、運(yùn)動(dòng)控制模塊、無線通信模塊和中央處理模塊；振動(dòng)觸 覺腰帶包括腰帶本體以及置于其內(nèi)的振動(dòng)陣列、電源模塊和無線通信及處理模塊，振動(dòng)陣列包括八個(gè)紐扣振動(dòng)電機(jī)，等間距分布在腰帶本體內(nèi)，無線通信及處理模塊采用ZigBee模塊，充當(dāng)自組網(wǎng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)關(guān)，電源模塊連接振動(dòng)陣列和無線通信及處理模塊。
專利摘要一種輔助視障人員行走的伴隨機(jī)器人系統(tǒng),包括設(shè)置在視障人員腰部的振動(dòng)觸覺腰帶和位于視障人員前后左右的四個(gè)履帶式機(jī)器人，四個(gè)履帶式機(jī)器人與振動(dòng)觸覺腰帶通過自組網(wǎng)構(gòu)成無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，每個(gè)履帶式機(jī)器人包括車體和控制模塊，控制模塊包括超聲波測距傳感器、激光測距傳感器、運(yùn)動(dòng)控制模塊、無線通信模塊、中央處理模塊及電源，激光測距傳感器及超聲波測距傳感器分別設(shè)置于車體的前后端，輸出均連接中央處理模塊，中央處理模塊的輸出連接運(yùn)動(dòng)控制模塊，中央處理模塊的輸出還雙向連接無線通信模塊，振動(dòng)觸覺腰帶包括腰帶本體以及置于其內(nèi)的紐扣振動(dòng)電機(jī)、電源模塊和ZigBee無線通信及處理模塊。
文檔編號(hào)A61F9/08GK202568760SQ20122008933
公開日2012年12月5日 申請(qǐng)日期2012年3月12日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月12日
發(fā)明者吳涓, 孫洪濤, 宋光明, 喬貴方, 張軍, 宋愛國 申請(qǐng)人:東南大學(xué)