门禁系统、门禁机器人及其操作方法与流程

本发明涉及智能机器人领域，特别是涉及一种防止盗刷或代刷而提高安全性的门禁系统、门禁机器人及其操作方法。

背景技术：

随着机器人技术的发展，机器人被应用于各个领域，现有的机器人分为两类，即工业机器人和特种机器人。所谓工业机器人就是面向工业领域的多关节机械手或多自由度机器人。而特种机器人则是除工业机器人之外的、用于非制造业并服务于人类的各种先进机器人，包括：水下机器人、娱乐机器人、军用机器人、农业机器人、机器人化机器等。而服务机器人常常用于在银行、商场、酒楼、售房部、酒店等场合迎宾接待、导游服务以及广告宣传等服务性行业，该种服务机器人可以设定迎宾、问询、送餐、结账、娱乐等工作模式，服务机器人具有智能替代人力的特点，此外，具有与人互动的功能，相比生活中的服务员，服务机器人能够更好地取悦和吸引顾客或者客户等，并且能给顾客或者客户带来全新的服务体验，同时服务机器人可以节省商家的人工成本；可以满足长时间工作的同时还能够保证优质服务，避免了人工服务由于长时间工作产生疲倦导致顾客或者客户的满意度下降的情况，大大提高了工作效率。

服务机器人的其中一个重要应用是与门禁系统结合以为场所提供安全保卫功能，也即门禁机器人或安保机器人。现有的门禁系统或门禁机器人通常单纯采用密码或者指纹识别来判断来访者的身份。输入密码的过程中，授权或认证的人员如果不注意主动遮挡输入键区、或者恶意入侵者事先安装偷拍设备，来访者输入的密码很容易被窃取、泄漏。指纹识别技术通过采集、比对来访者的单个或多个指纹能够一定程度上提高该门禁系统的安全性，然而恶意入侵者或者代刷考勤人员仍然能够采用树脂对授权、认证用户的指纹进行倒模而获得用户指纹贴膜从而骗取门禁系统的授信。

另一种门禁系统可以通过人脸识别来判断来访者身份，然而现有的硅胶倒模同样可以针对用户进行设计，利用人脸上少数几个特征点之间的几何位置关系来判断用户身份的方法很容易被硅胶填充物欺骗，安全性仍然不高。

安全性更高的门禁系统可以采用视网膜、虹膜识别、dna识别等先进技术，然而这些技术不仅花费巨大，而且用户需要主动提供更多生理信息，这不利于保护用户的隐私，降低了用户的舒适和信任程度，从另一方面上看也不利于门禁系统的推广。

技术实现要素：

因此，本发明的目的在于以较低的成本提供一种能高效地防止盗刷或代刷而提高安全性的门禁系统、机器人及其操作方法。

本发明提供了一种门禁系统操作方法，包括：

检测到用户手指同时按压了输入面板上一个或多个按键区；

测量并记录各个按键区被用户手指按压的面积；

测量并记录用户手指在各个按键区内的部分指纹；

对于各个按键区，根据测量的部分指纹与被用户手指按压面积组合形成各个按键区的指纹码；

将各个按键区的指纹码串接形成单次按压的总指纹码；

将各次按压的总指纹码串接形成门禁系统的输入密码。

其中，用户手指同时按压最多三个按键区。

其中，按照面积递增或递减的顺序串接各个按键区的指纹码。

其中，单次按压的总指纹码中包含补位码以使得各次总指纹码长度相等。

其中，补位码包括以下的一个或多个：0，1，按压压力平均值与预设参考值的比率，各个按键区面积的归一化数值。

本发明还提供了一种用于执行上述方法的门禁系统，包括：

输入面板，用于显示虚拟键盘并检测用户在按键区内的输入，包含：

压电传感器单元，用于检测用户手指同时按压了输入面板上一个或多个按键区，测量各个按键区被用户手指按压的面积；

光电传感器单元，用于测量用户手指在各个按键区内的部分指纹；以及

处理器，用于根据测量的部分指纹与被用户手指按压面积组合形成各个按键区的指纹码，将各个按键区的指纹码串接形成单次按压的总指纹码，将各次按压的总指纹码串接形成门禁系统的输入密码；

存储器，用于记录各个按键区的指纹码、单次按压的总指纹码以及输入密码。

其中，输入面板进一步包括多个间隔件，围绕各个按键区。

其中，在所述多个间隔件上和/或下进一步包括另外的压电传感器，以测量多个间隔件受到的压力。

其中，压电传感器单元与光电传感器单元之间具有挡坝。

本发明也提供了一种门禁机器人，采用根据上述任一项所述的门禁系统。

依照本发明的门禁机器人及其操作方法，利用用户的输入习惯，将跨越输入面板上不同键区的指纹按照面积和输入顺序进行组合以得到复合式密码，能高效地防止盗刷或代刷，从而提高安全性。

本发明所述目的，以及在此未列出的其他目的，在本申请独立权利要求的范围内得以满足。本发明的实施例限定在独立权利要求中，具体特征限定在其从属权利要求中。

附图说明

以下参照附图来详细说明本发明的技术方案，其中：

图1显示了根据本发明实施例的门禁机器人系统的示意图；

图2a显示了根据本发明实施例的门禁机器人输入面板的剖视图；

图2b显示了根据本发明实施例的门禁机器人输入密码界面示意图；

图3显示了根据本发明实施例的门禁机器人密码字段结构图；以及

图4显示了根据本发明实施例的门禁机器人系统操作方法的流程图。

具体实施方式

以下参照附图并结合示意性的实施例来详细说明本发明技术方案的特征及其技术效果，公开了能高效地防止盗刷或代刷而提高安全性的门禁系统、机器人及其操作方法。需要指出的是，类似的附图标记表示类似的结构，本申请中所用的术语“第一”、“第二”、“上”、“下”等等可用于修饰各种系统部件或方法步骤。这些修饰除非特别说明并非暗示所修饰系统部件或方法步骤的空间、次序或层级关系。

如图1所示，根据本发明实施例的门禁机器人包括：位于头顶的高灵敏度麦克风1，用于采集或接收周围环境声音信息或人员语音信息；位于额部的高清摄像头2，用于采集或接收人员面部的拓扑结构信息（例如骨骼轮廓）；位于眼部的表情传感器3a和3b，用于捕获人员的面部细节（例如虹膜，视网膜，眉毛或眼角的动态变化，嘴唇或牙齿反映的微笑程度，耳朵或鼻尖的轻微抽动）从而反映人员的生物信息或情绪信息；位于机器人各个部分触摸传感器，包括下巴触摸传感器4、腹部触摸传感器7、头顶触摸传感器10、左耳/右耳触摸传感器12a/12b、后脑触摸传感器13、左肩/右肩触摸传感器15a/15b、臀部触摸传感器17，这些触摸传感器用于识别与用户的触感互动，从而提高对于用户身份或情绪识别的精确度，并且提供与用户肢体接触的应力信息以反馈、修改机器人躯体的移动/转动参数；位于脖颈部的3d深度摄像头5，用于采集周围场景的景深信息；位于胸部的输入面板6，用于显示虚拟的键区（如图2b所示）并且利用面板下内置的光电传感器扫描获得各个按键区内指纹或指纹的一部分；位于下腹部的2d激光雷达8，用于测量用户或场景中其他移动物体与机器人的距离，辅助判定对象的高度、移动速度、肢体静止/行走姿态等；位于足部的全向移动轮9，用于驱动整个机器人沿预存或者实时判定选择的路径移动；位于耳部的扬声器11a/11b，用于向用户传递语音、音频信息；位于后背部的急停开关14，用于紧急停止机器人的移动或动作，便于提高安全性；位于后腰部的开机按钮16，用于人工启动门禁机器人的操作系统以提供接待、咨询服务；位于手部的手部生物传感器18，用于采集用户的指纹、测量用户的皮肤含水量（电阻率）或粗糙度、测量与用户握手的应力、测量用户脉搏或毛细血管的含氧量等；位于腿侧面的充电接口19，以及位于腿背面的电源开关。

图2a显示了根据本发明实施例的门禁机器人输入面板的剖视图，图2b显示了根据本发明实施例的门禁机器人输入密码界面示意图。

具体地，对于图1所示的输入面板6，其包括底部的玻璃或塑料基板6a，顶部的塑料或树脂材料的透明柔性盖板6c，以及在基板6a和盖板6c之间由黑色树脂等不透明/吸光材料形成的多个间隔件6b（用于提供基板、盖板之间的支撑，同时还防止光电传感器受到相邻按键区的干扰）。间隔件将输入面板分割为多个按键区，例如图2b所示的标准键盘上的英文字母或符号，也即图2b所示方框之外空白部分的下方对应于间隔件6b，而方框之内字母或字符部分对应于间隔件6b、基板6a、盖板6c围成的按键区空间。每个按键区内包含由压电传感器6d的矩阵/行列构成的密码检测单元，以及由光电传感器6e（优选与未示出的led或激光器集成以便于提高指纹检测精度）的矩阵构成的指纹检测单元。为了方便示意，图2a中每个按键区内仅示出一组6d/6e，实际上每个按键区内包含n×n个像素，n为大于1的自然数，例如128×128、256×256个像素，每个像素至少包含一个光电传感器6e以便于提高指纹检测精度，而每n个像素（例如一列或一行，或者n个像素围成的区块）至少包含一个压电传感器6d以权衡字符检测精度与成本。此外，每个像素还包括oled及其驱动电路（未示出），以用于显示虚拟按键。压电传感器6d的矩阵能够利用人员手指按压键区导致电容极板之间距离的变化而检测到某个按键受到按压从而输出相应的字符。而光电传感器6e的矩阵能够利用指纹的凹凸不平导致反射光（反射的环境光，或者led、激光器主动发光所反射的光）变化来测量用户的指纹或局部指纹。每个像素内，在压电传感器6d、光电传感器6e和oled/驱动电路之间还可以包括透明树脂构成的挡坝（未示出）以提供机械支撑。优选地，间隔件6b底部或顶部还包含压电传感器（未示出）以测量间隔件6b所受的压力。输入面板的其他结构例如层间绝缘层、钝化层、金属互联线、电源等在图2a中并未示出。

如图2b所示，在图1的门禁机器人的输入面板6上显示虚拟的标准键盘，包括多个字母、数字、符号。虚线椭圆代表用户输入密码时手指按压的范围和顺序，其中1号虚线椭圆代表用户首先按压了j、u、i三个字母的交叉区域，2号虚线椭圆代表用户接着按压了r、f两个字母的交叉区域，3号虚线椭圆代表用户继续按压了字母y……（后续密码输入过程未示出）。通过设计虚拟键盘的按键区大小，例如增大按键区之间空白区域也即间隔件6b的尺寸，可以使得用户的单个手指最多能同时按压三个相邻的按键区，并且单个指纹在三个相邻按键区之间的分布面积存在差异。例如对于第一次按压而言，字母j所占面积最大，字母u所占面积居中，而字母i所占面积最小。对于第二次按压而言，字母r所占面积较大，字母f所占面积较小。而对于第三次按压而言，指纹主要分布在字母y范围内，其余位于间隔件6b上。

由此，输入面板6通过采用图4所示的门禁机器人操作方法来检测、编译并合成用户密码，如图3的门禁机器人密码字段结构图所示。

首先，检测到用户手指同时按压了一个或多个按键区。由每个按键区内的压电传感器6d构成的检测单元测量按键区内是否存在压力变化，也即手指按压导致电容极板之间间距改变引起的电容变化是否超过预设的阈值，如果超过阈值则判定在该按键区内存在手指按压。例如图3上部所示，第一次检测到用户手指同时按压了三个按键区j、u、i；中部所示，第二次检测到用户手指同时按压了两个按键区r、f；下部所示第三次检测到用户仅按压了y。

其次，测量并记录用户手指按压的各个按键区的面积。如上所述，单个按键区内n×n个像素中的压电传感器6d构成了行列矩阵，其中m个压电传感器位于用户手指下方引起了超过阈值的电容变化，则可以用m/n²来表示手指在按键区内所占的面积比率。对于第一次按键而言，字母j对应于m1，字母u对应于m2，字母i对应于m3，且m1>m2>m3。依次类推，对于每次用户手指按压的按键区面积大小进行排序，例如第二次r对应的m1大于f对应的m2等等。

接着，检测并记录用户手指在各个按键区内的部分指纹。如上所述，采用各个按键区内光电传感器6e构成的矩阵测量用户的指纹。具体地，对于每个按键区内n×n个像素，在每个像素中的单个光电传感器6e接收环境光或者led或者激光器发光被指纹凹凸表面反射光，通过比较参照光强与反射光强（依据传感器电流而确定）从而反映指纹的凹凸程度，例如，以[0,2^k-1]（k为正整数，例如k为2～8）也即k位二进制编码表示单个像素内指纹的凹凸程度也即灰度。将按键区内各个像素上采集到的指纹信息也即灰度存储到存储器中。

随后，对于每个按键区，根据检测到的部分指纹与手指按压的面积组合形成各个按键区的指纹码。具体地，对于每个按键区逐行扫描得到的mi个指纹灰度（每个为k位二进制编码），采用golomb－rice压缩编码，以每个按键区的面积mi（或其归一化数值）为编码参数，依次得到第一、第二、第三按键区指纹码。此外，还可以采用其他压缩算法，例如面积归一化数值作为品质因子的jpeg-ls、面积归一化因子作为参数的jbig、rle等算法。

接着，各个按键区的指纹码串接形成单次按压的总指纹码，优选地剩余不足的部分采用补位码填充。补位码例如均为0或均为1，或者为相邻间隔件6b顶部或底部压电传感器测量得到按压压力平均值与预设参考值的比率以进一步反映按压力度，或者存储各个按键区面积mi的归一化数值。

最后，将多次按压得到的总指纹码串接形成最终密码，并存储在门禁系统的存储器中。

用户输入的密码与系统中预存的密码进行逐段比对，对于每个按键区的指纹码以及补位码，仅当差异小于预定阈值（例如5％或8％）时才判定输入密码正确，用户为授权或信任的用户。

如此，用户在输入密码时无需进行任何遮挡动作，仅凭习惯性动作进行盲打即可获得与用户指纹、敲击位置、敲击力度密切相关的唯一性密码作为身份验证的凭据，极大提高了门禁系统的安全性。非授权用户例如入侵者或第三方即便获取了用户的指纹倒模，在没有获悉用户敲击区域的分布（也即图2b中跨键区位置和面积大小）以及力度（图2a中间隔件6b上或下压电传感器测得压力）的前提下，无法进行盗刷或代刷，门禁系统的安全性提高，同时与利用视网膜、dna等其他生理参数的门禁系统相比，成本大规模降低。进一步，由于对于用户输入的区域、顺序没有任何限制，门禁系统的友好度和易用性也大幅提高，有利于门禁系统的推广和大规模应用。

依照本发明的门禁机器人及其操作方法，利用用户的输入习惯，将跨越输入面板上不同键区的指纹按照面积和输入顺序进行组合以得到复合式密码，能高效地防止盗刷或代刷，从而提高安全性。

尽管已参照一个或多个示例性实施例说明本发明，本领域技术人员可以知晓无需脱离本发明范围而对系统、方法做出各种合适的改变和等价方式。此外，由所公开的教导可做出许多可能适于特定情形或材料的修改而不脱离本发明范围。因此，本发明的目的不在于限定在作为用于实现本发明的最佳实施方式而公开的特定实施例，而所公开的系统和方法将包括落入本发明范围内的所有实施例。