专利名称：一种基于rgb-d传感器的助行机器人跟踪系统及方法
技术领域：
本发明涉及自动控制领域，尤其涉及一种基于RGB-D传感器的助行机器人的跟踪系统及方法。
背景技术：
在助老/助残机器人的概念下，智能助行机器人主要是针对行走不便、视弱、盲人等的老年人和残疾人，以日常生活和工作所需要的行走辅助及日常陪护为主要目标。普通的助行器包括拐杖、助步器，是行走困难的老人和残疾人，以及感知困难的视弱和盲人等广泛使用的行走辅助设备，但是这些普通助行器的功能非常简单，舒适性和安全性有限，会在一定程度上限制了老人自主独立出行信心。而智能助行器则可以在提供普通助行器功能的基础上提供更多的服务功能，它能够通过对环境的感知，帮助老人做出一些决定，避免一些危险，而且可以和老人进行交流，对老人的身体状态也有一个时间的监控 功能，将大大提高老人的独立生活的能力，同时通过对老人的陪护能让老人身体更加能保持健康。助行机器人的跟踪功能是当使用者自我感觉体力充沛，离开机器人的搀扶独立行走时，机器人自动跟随在使用者附近，以备使用者随时使用。现有技术中公开了“一种福利友好助行机器人”(中国发明专利申请号200810150388. 8)，该发明通过感知老年人的动态关系及是否有摔跤趋向来改变机器人的运动状态对老年人进行友好扶助。但是当用户体力充沛，离开机器人的搀扶独立行走时，机器人无法自动跟随在使用者附近，从而带来了使用上的不便。现有技术中公开了“一种人体跟踪方法及其装备”(中国发明专利申请号200810116432. 3)，该发明通过将空间位置信息融合到颜色信息中，提高整体的跟踪能力。然而该发明只应用颜色信息进行跟踪，对于光线不充足环境下或是具有相同颜色特征的人体在一起时，跟踪效果将会变差。
发明内容
本发明目的在于针对现有技术的不足，提供一种面向助行机器人的跟踪系统方案，使助行机器人能满足作为老人日常陪护工具的功能。本发明是通过以下技术方案实现的本发明公开了一种基于RGB-D传感器的助行机器人跟踪系统，该系统包括=RGB-D传感器模块、中央控制器、运动控制模块以及助行机器人执行模块，其中，所述RGB-D传感器模块用于获取用户的人体特征值；所述中央控制器根据接收的用户指令，控制所述RGB-D传感器搜索与记忆库中储存的人体特征值相匹配的目标，如果匹配成功则确定所匹配目标的位置值，并发送运动指令至运动控制模块；所述运动控制模块接收该运动指令，控制所述助行机器人执行模块及相关机构实现目标跟踪任务，并反馈相关信号至所述中央控制器。
进一步，所述的RGB-D传感器模块由RGB摄像机和深度传感器组成，其中，所述RGB摄像机捕捉获取用户全身的颜色特征值，建立颜色特征值库；所述深度传感器获得用户全身的三维形状，建立用户形状特征值库。进一步，所述的运动控制模块包括下位机子模块与电机驱动子模块，所述下位机子模块接受来自中央控制器发来的指令信息，通过相关的运动控制算法，输出控制信号给所述电机驱动子模块，所述电机驱动子模块接收来自所述下位机子模块的控制信号，控制所述助行机器人执行模块及相关机构执行目标跟踪任务。进一步，该系统还包括人机交互模块，用于实现用户与助行机器人的交互；能够接收包括用户通过语音交互方式发出的语音指令。进一步，RGB-D传感器模块、中央控制器、运动控制模块、助行机器人执行模块全部安装于助行机器人本体上。本发明还公开了一种基于RGB-D传感器的助行机器人的跟踪方法，该方法包括如下步骤·SI.首先登记用户人体特征值，并记录于中央控制器的记忆库中；S2.当所述中央控制器接收到启动跟踪功能的指令时，控制所述RGB-D传感器进行搜索与记忆库中储存的人体特征值相匹配的目标，如果匹配成功则确定所匹配目标的位置值，向运动控制模块发送运动指令；S3.所述运动控制模块接收该运动指令，控制助行机器人执行模块及相关机构实现目标跟踪任务，并反馈相关信号至中央控制器。进一步，步骤SI中所述人体特征值包括颜色特征值和形状特征值；步骤S2中所述RGB-D传感器进行搜索的过程具体是通过RGB摄像机获得的用户全身的颜色进行RGB阈值分析，进而获得该用户人体的独一无二的颜色特征值，建立颜色特征值库；利用深度传感器获得的用户全身的三维形状，建立用户形状特征值库。进一步，步骤S3具体是运动控制模块接收运动指令后，由下位机子模块通过相关的运动控制算法，输出控制信号给电机驱动子模块，电机驱动子模块接收来自下位机子模块的控制信号，驱动电机及助行机器人执行模块实现目标跟踪任务。进一步，步骤S3中所述反馈相关信号包括相关位置、速度、电流等信号。进一步，步骤S2中，所述接收启动跟踪功能的指令包括接收用户通过语音交互方式发出的语音指令。本发明通过RGB-G传感器的人体跟踪功能的实现，用户可以在不需要辅助行走的时候，使助行机器人跟随其后，以备随时使用，极大地提高了助行机器人的便携性，改善了助行机器人的使用体验。
图I为本发明实施例系统组成模块框图；图2为本发明实施例跟踪算法模块工作流程图。
具体实施例方式下面结合附图对本发明的实施例作详细说明本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。图I为本发明实施例所述系统组成模块框图，如图I所示，本发明所述助行机器人跟踪系统包括=RGB-D传感器模块、跟踪算法模块、嵌入式中央控制器、人机交互模块、嵌入式运动控制模块、助行机器人执行模块，其中RGB-D传感器模块、嵌入式中央控制器、嵌入式运动控制模块、助行机器人执行模块全部安装于助行机器人本体上，跟踪算法模块安装于嵌入式中央控制器中，用于实现人体跟踪的软件模块，人机交互模块主要是用于实现用户与助行机器人交互的媒介，嵌入式运动控制模块包括下位机子模块与电机驱动子模块。所述的嵌入式运动控制模块包括下位机子模块与电机驱动子模块。下位机子模块在跟踪功能时接受来自嵌入式中央控制器发来的目标速度指令信息，通过相关的运动控制算法，输出控制信号给电机驱动子模块，电机驱动子模块接收来自下位机子模块的控制信号，驱动电机及相关执行机构进行工作，并反馈回相关位置、速度、电流等信号。所述的RGB-D传感器模块由RGB摄像机和深度传感器组成，RGB-D传感器是一种可以同时获得环境颜色值(RGB)和物体深度值(D印th)的传感器，集合了距离传感器和视觉器的优势，该模块将用户全身的颜色特征通过RGB摄像机捕捉获取，通过深度传感器将·用户全身的立体三维特征建模。图2为本发明实施例跟踪算法模块工作流程图，如图2所示，该方法主要是将RGB摄像机获得的用户全身的颜色进行RGB阈值分析，通过分析统计获得该用户人体的独一无二的颜色特征值，建立颜色特征值库；利用深度传感器获得的用户全身的三维形状，建立用户形状特征值库。在实际应用时，首先进行用户信息记录，即将用户人体的颜色特征值与形状特征值记录于嵌入式中央控制器的存储器中，在启动跟踪功能时，跟踪算法模块开始搜索与记忆库中记录的颜色特征值与形状特征值匹配度最高的人体作为跟踪目标。本实施例中，用户首先利用RGB-D传感器登录自己的特征值，包括颜色特征值与形状特征值，并记录于嵌入式中央控制器的存储器中；当用户需要开启跟踪功能时，通过人机交互界面发出相应的指令，此时嵌入式中央控制器接收到用户指令，控制RGB-D传感器进行搜索与记忆库中储存的人体特征值相匹配的物体，如果匹配成功则确定所匹配物体的位置值，向嵌入式运动控制模块发送运动指令，嵌入式运动控制模块接收到指令后，下位机子模块将接收到的指令转换成驱动电机的控制信号，并将该控制信号输出给电机驱动子模块，电机驱动子模块接收来自下位机子模块的控制信号，驱动电机及相关执行机构进行工作，并反馈回相关位置、速度、电流等信号。所述的人机交互模块在本发明中的主要作用是通过友好界面让用户开启跟踪功能，主要实现方法为语音交互方式，即通过语音识别技术使助行机器人接收用户所发出的语首指令。与现有技术相比，本发明的突出特点是采用RGB-D传感器实现助行机器人的用户跟踪功能，由于采用了用户的颜色特征以及形状特征相结合的方法，用户识别率高，大大提高了跟踪用户的智能化程度，提高了助行机器人的便携性，改善了助行机器人的使用体验。使得当用户在体力充沛不需要助行机器人辅助时，助行机器人可以随时跟随在用户身边，为使用者提供了自由和方便。上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围的内 。
权利要求
1.一种基于RGB-D传感器的助行机器人跟踪系统,其特征在于，该系统包括RGB_D传感器模块、中央控制器、运动控制模块以及助行机器人执行模块，其中，所述RGB-D传感器模块用于获取用户的人体特征值；所述中央控制器根据接收的用户指令，控制所述RGB-D传感器搜索与记忆库中储存的人体特征值相匹配的目标，如果匹配成功则确定所匹配目标的位置值，并发送运动指令至运动控制模块；所述运动控制模块接收该运动指令，控制所述助行机器人执行模块及相关机构实现目标跟踪任务，并反馈相关信号至所述中央控制器。
2.根据权利要求I所述的基于RGB-D传感器的助行机器人跟踪系统，其特征在于，所述的RGB-D传感器模块由RGB摄像机和深度传感器组成，其中，所述RGB摄像机捕捉获取用户全身的颜色特征值，建立颜色特征值库；所述深度传感器获得用户全身的三维形状，建立用户形状特征值库。
3.根据权利要求I所述的基于RGB-D传感器的助行机器人跟踪系统，其特征在于，所述的运动控制模块包括下位机子模块与电机驱动子模块，所述下位机子模块接受来自中央控制器发来的指令信息，通过相关的运动控制算法，输出控制信号给所述电机驱动子模块，所述电机驱动子模块接收来自所述下位机子模块的控制信号，控制所述助行机器人执行模块及相关机构执行目标跟踪任务。
4.根据权利要求I所述的基于RGB-D传感器的助行机器人跟踪系统，其特征在于，该系统还包括人机交互模块，用于实现用户与助行机器人的交互；能够接收包括用户通过语音交互方式发出的语音指令。
5.根据权利要求I至4之一所述的基于RGB-D传感器的助行机器人跟踪系统，其特征在于，RGB-D传感器模块、中央控制器、运动控制模块、助行机器人执行模块全部安装于助行机器人本体上。
6.一种基于RGB-D传感器的助行机器人的跟踪方法，其特征在于，该方法包括如下步骤 51.首先登记用户人体特征值，并记录于中央控制器的记忆库中； 52.当所述中央控制器接收到启动跟踪功能的指令时，控制所述RGB-D传感器进行搜索与记忆库中储存的人体特征值相匹配的目标，如果匹配成功则确定所匹配目标的位置值，向运动控制模块发送运动指令； 53.所述运动控制模块接收该运动指令，控制助行机器人执行模块及相关机构实现目标跟踪任务，并反馈相关信号至中央控制器。
7.根据权利要求6所述的基于RGB-D传感器的助行机器人的跟踪方法，其特征在于，步骤SI中所述人体特征值包括颜色特征值和形状特征值；步骤S2中所述RGB-D传感器进行搜索的过程具体是通过RGB摄像机获得的用户全身的颜色进行RGB阈值分析，进而获得该用户人体的独一无二的颜色特征值，建立颜色特征值库；利用深度传感器获得的用户全身的三维形状，建立用户形状特征值库。
8.根据权利要求6所述的基于RGB-D传感器的助行机器人的跟踪方法，其特征在于，步骤S3具体是运动控制模块接收运动指令后，由下位机子模块通过相关的运动控制算法，输出控制信号给电机驱动子模块，电机驱动子模块接收来自下位机子模块的控制信号，驱动电机及助行机器人执行模块实现目标跟踪任务。
9.根据权利要求6所述的基于RGB-D传感器的助行机器人的跟踪方法，其特征在于，步骤S3中所述反馈相关信号包括相关位置、速度、电流等信号。
10.根据权利要求6至9之一所述的基于RGB-D传感器的助行机器人的跟踪方法，其特征在于，步骤S2中，所述接收启动跟踪功能的指令包括接收用户通过语音交互方式发出的语音指令。
全文摘要
本发明公开了一种基于RGB-D传感器的助行机器人跟踪系统及方法，其特征在于，包括RGB-D传感器模块、中央控制器、运动控制模块以及助行机器人执行模块，RGB-D传感器模块用于获取用户的人体特征值；中央控制器根据接收的用户指令，控制RGB-D传感器搜索与记忆库中储存的人体特征值相匹配的目标，如果匹配成功则确定所匹配目标的位置值，并发送运动指令至运动控制模块；运动控制模块接收运动指令，控制助行机器人执行模块及相关机构实现目标跟踪任务，并反馈相关信号至中央控制器。本发明通过RGB-G传感器的人体跟踪功能的实现，用户可以在不需要辅助行走的时候，使助行机器人跟随其后，以备随时使用，极大地提高了助行机器人的便携性，改善了助行机器人的使用体验。
文档编号A61H3/00GK102895093SQ20111041393
公开日2013年1月30日 申请日期2011年12月13日 优先权日2011年12月13日
发明者冷春涛, 李宝顺, 黄怡 申请人:冷春涛, 李宝顺, 黄怡