专利名称：一种辅助视障人员行走的伴随机器人系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及机器人技术领域，尤其是一种辅助视障人员行走的伴随机器人系统。
背景技术：
人类70%的信息都是通过视觉来获取的，所以视障人员在独立行走时需要其他装置协助避障。传统的方法是利用导盲杖或是电子导盲器。电子导盲器一般是采用超声波、红外线探头等回波测距的原理来设计的，也有利用图像传感器来进行对障碍物测距的。导盲杖是用它在地面上敲击，可帮助视障人员发现0.5米以内的障碍物。它的主要缺点是不能发现较远一点的障碍物及需要视障人员不断用导盲杖敲击地面。超声波导盲器和红外线导盲器都是利用回波测距方法探测距离的仪器。该种方法可以较准确的探测前方障碍物离人的距离，但是因为探头只能对某个方向的障碍物进行测距，如果要全部前方空间的探测则需要安装多路探头，使得设备结构复杂，不便于控制。电子导盲器通常是采用语音提示或是警告音，因此嘈杂环境对其干扰较大，尤其是对有听力障碍的视障人员影响更为强烈。某些电子导盲器是穿戴式的，需要穿戴在人的腰部、腿部甚至是头部。视障人员穿戴这些导盲避障装置不便于自由活动。
发明内容
针对现有技术的不足与缺陷，本发明提供一种辅助视障人员行走的伴随机器人系统。本发明基于振动触觉反馈的原理，采用穿戴振动触觉腰带的方式，在行走过程中解放了视障人员的双手，可以远距离、多方位的检测视障人员周围的障碍，采用振动反馈提示视障人员障碍所在方位，避免了嘈杂环境产生的干扰并解决了穿戴不便的问题，能够较好的辅助视障人员独立行走。本发明的目的是通过以下技术方案实现的一种辅助视障人员行走的伴随机器人系统，其特征至于包括设置在视障人员腰部的振动触觉腰带和设置在视障人员前后左右四个正方位上的四个履带式机器人，四个履带式机器人与振动触觉腰带通过自组网构成无线传感器网络，四个履带式机器人的结构相同、头部均朝向正前方，每个履带式机器人包括车体和控制模块，车体采用双履带式结构，设有底座、旋转云台及固定架，底座为履带式机器人的上表面，旋转云台固定在底座的前端，固定架固定在底座的后端；控制模块包括超声波测距传感器、激光测距传感器、含有电子调速器及驱动控制电路的运动控制模块、无线通信模块、含有带扩展存储器的ARM处理器的中央处理模块及电源，超声波测距传感器安装在固定架的后表面上，其测距传感方向为履带式机器人正后方，激光测距传感器安装在旋转云台上，其测距传感方向为履带式机器人正前方，运动控制模块、无线通信模块、中央处理模块及电源设置在车体内，超声波测距传感器及激光测距传感器的输出均连接中央处理模块，中央处理模块的输出连接运动控制模块中的电子调速器，电子调速器输出连接驱动控制电路，驱动控制电路的输出连接履带式机器人的传动机构，中央处理模块的输出还双向连接无线通信模块，电源分别连接超声波测距传感器、激光测距传感器、运动控制模块、无线通信模块和中央处理模块；振动触觉腰带包括腰带本体以及置于其内的振动阵列、电源模块和无线通信及处理模块，振动阵列包括八个纽扣振动电机，等间距分布在腰带本体内，无线通信及处理模块采用ZigBee模块，充当自组网无线传感器网络的网关，电源模块连接振动阵列和无线通信及处理模块。本发明具有以下优点及有益效果1、采用振动触觉腰带，释放视障人员双手并且便于穿戴；2、采用振动触觉反馈，避免了嘈杂环境对视障人员语音提示的影响；3、伴随机器人分布在视障人员四周，可以实现远距离、多方位检测视障人员周围的障碍。
图I是伴随机器人系统组成示意 图2是图I的俯视 图3是伴随机器人的立体 图4是伴随机器人的控制系统构成框 图5是振动触觉腰带立体示意 图6是振动触觉腰带硬件结构框 图7是伴随机器人的程序流程 图8是振动触觉腰带程序流程 图9是视障人员行走避障的一个实施例示意图。
具体实施例方式下面结合附图和实施例，对本发明作进一步详细说明。如图I和图2所示，本发明包括分布在视障人员前后左右四个正方位上的四个履带式机器人101、102、103、104和穿戴在视障人员腰部的振动触觉腰带2，建立起一个以视障人员为中心的检测圈，可以检测视障人员周围的物体及检测视障人员自身的行走姿态。履带式机器人101、102、103、104按其在行进过程中担当的角色分别担任主伴随机器人和副伴随机器人。主伴随机器人负责检测视障人员的行走状态以及视障人员后方的障碍，副伴随机器人负责检测视障人员前方、左右的障碍，主伴随机器人向副伴随机器人传输控制命令以实现伴随机器人与视障人员的同步运动。主伴随机器人若检测视障人员转身或行走速度变化，则广播调整信号，自身进行运动调整；副伴随机器人接收到调整信号后，即可进行运动调整，如此，伴随机器人群始终与视障人员保持同步运动。主伴随机器人与副伴随机器人若检测到有障碍，将障碍方位信息传输到振动触觉腰带2，振动触觉腰带2处理接收到的障碍信息并产生振动反馈以提示视障人员。如图3和图4所示，每个履带式机器人设有机器人本体和控制模块，机器人本体设有固定架1012、底座1014、旋转云台1015。固定架固定在底座1014的后端，用于放置超声波测距传感器1013。旋转云台1015固定在底座1014的前端，用于放置激光测距传感器1011。控制模块包括激光测距传感器1011、超声波测 距传感器1013、运动控制模块1016、无线通信模块1017、电源模块1018、中央处理模块1015。激光测距传感器1011扫描角度为240°，最大测量距离为4米，通过测定激光开始发射到激光从目标反射回来的时间来测定距离，将测量数据传输到中央处理模块1015。超声波测距传感器1013利用超声波回声的时间差原理来实现测量其前方物体或人离小车的距离，也将数据传输到中央处理模块1015。运动控制模块1016包括相互连接的电子调速器和驱动控制电路，电子调速器输入端与中央处理模块相连，驱动控制电路的输出端与电气传动装置相连以驱动伴随机器人运动。电源模块1018为车载电池，分别与激光测距传感器1011、超声波测距传感器1013、中央处理模块1015、运动控制模块1016、无线通信模块1017相连，为其提供电能。中央处理模块1015选用带扩展存储器的ARM处理器，用于对获取的传感器数据进行处理。若在有效检测范围内检测到障碍，将障碍方位信息传输到无线通信模块1017 ;若接收到无线通信模块1017传输的调整信号，则通过运动控制模块1016实现对机器人相关运动的调整。中央处理模块1015还通过处理激光测距传感器1011测量的数据得到视障人员自身相对伴随机器人的位姿包括距离和角度。具体的实现方法是中央处理模块1015在接收到激光测距传 感器1011数据后，先进行卡尔曼滤波处理以去掉噪声的影响，得到视障人员相对机器人速度的估计值。利用视障人员相对机器人的距离和速度的估计值，再进行后置滤波可得到视障人员的位姿估计，从而可以判断视障人员是否转身。所述的卡尔曼滤波是现有技术，为一种高效率的递归滤波器，它能够从一系列的不完全及包括噪声的测量中，估计动态系统的状态，它的一个典型实例是从一组有限的，包含噪声的，对物体位置的观察序列预测出物体的位置的坐标及速度。如图5和图6所示，振动触觉腰带包括由振动电机阵列201、腰带本体202、无线通信及处理模块203、腰带电源模块204。振动电机阵列201设有八个小型纽扣振动电机2011，等间隔分布在腰带本体202上，用以产生振动反馈以提示视障人员。腰带本体202用于放置振动电机阵列201、无线通信模块203、腰带电源模块204。无线通信模块203采用ZigBee模块，用于接收和处理伴随机器人传输的障碍方位信息，并控制振动电机阵列201中相应方位的电机振动。腰带电源模块204，采用可充电的锂电池，具有体积小、重量轻的优点。如图7和8所示分别为履带式机器人和振动触觉腰带的程序流程图。在其初始化之后，四个履带式机器人101、102、103、104及振动触觉腰带2通过自组网形成无线传感器网络。振动触觉腰带2的无线通信模块203充当网关，对接收的障碍方位信息综合处理。位于视障人员正后方的为履带式机器人103在初始化后设置为主伴随机器人。在视障人员行走的过程中，履带式机器人进行相应的角色调整并不断将检测到的障碍方位信息传输到振动触觉腰带2。视障人员根据振动反馈提示进行避障。如图9所示为视障人员利用伴随机器人行走避障的一个实施例示意图。伴随机器人在跟随视障人员正常前进过程中，不断检测视障人员周围物体的距离。副伴随机器人101检测到障碍后，将障碍方位信息传输到振动触觉腰带2。振动触觉腰带2处理接收的障碍方位信息，并控制视障人员正前方位的电机振动，以提示视障人员前方有障碍。视障人员右转以绕开障碍，主伴随机器人103检测并判断人右转后，广播角色调整信号，履带式机器人103、104进行角色转换，副随机器人104转变为主伴随机器人。伴随机器人集体转弯以保持与人同步转弯。主伴随机器人104检测并判断人左转后，广播角色调整信号，履带式机器人103、104再次进行角色转换，副伴随机器人103再次转变为主伴随机器人。伴随机器人集体再次转弯并始终保持与人同步运动。如此，视障人员在系统的辅助下躲避障碍。
权利要求
1.一种辅助视障人员行走的伴随机器人系统，其特征至于包括设置在视障人员腰部的振动触觉腰带和设置在视障人员前后左右四个正方位上的四个履带式机器人，四个履带式机器人与振动触觉腰带通过自组网构成无线传感器网络，四个履带式机器人的结构相同、头部均朝向正前方，每个履带式机器人包括车体和控制模块，车体采用双履带式结构，设有底座、旋转云台及固定架，底座为履带式机器人的上表面，旋转云台固定在底座的前端，固定架固定在底座的后端；控制模块包括超声波测距传感器、激光测距传感器、含有电子调速器及驱动控制电路的运动控制模块、无线通信模块、含有带扩展存储器的ARM处理器的中央处理模块及电源，超声波测距传感器安装在固定架的后表面上，其测距传感方向为履带式机器人正后方，激光测距传感器安装在旋转云台上，其测距传感方向为履带式机器人正前方，运动控制模块、无线通信模块、中央处理模块及电源设置在车体内，超声波测距传感器及激光测距传感器的输出均连接中央处理模块，中央处理模块的输出连接运动控制模块中的电子调速器，电子调速器输出连接驱动控制电路，驱动控制电路的输出连接履带式机器人的传动机构，中央处理模块的输出还双向连接无线通信模块，电源分别连接超声波测距传感器、激光测距传感器、运动控制模块、无线通信模块和中央处理模块；振动触觉腰带包括腰带本体以及置于其内的振动阵列、电源模块和无线通信及处理模块，振动阵列包括八个纽扣振动电机，等间距分布在腰带本体内，无线通信及处理模块采用ZigBee模块，充当自组网无线传感器网络的网关，电源模块连接振动阵列和无线通信及处理模块。
全文摘要
一种辅助视障人员行走的伴随机器人系统,包括设置在视障人员腰部的振动触觉腰带和位于视障人员前后左右的四个履带式机器人，四个履带式机器人与振动触觉腰带通过自组网构成无线传感器网络，每个履带式机器人包括车体和控制模块，控制模块包括超声波测距传感器、激光测距传感器、运动控制模块、无线通信模块、中央处理模块及电源，激光测距传感器及超声波测距传感器分别设置于车体的前后端，输出均连接中央处理模块，中央处理模块的输出连接运动控制模块，中央处理模块的输出还双向连接无线通信模块，振动触觉腰带包括腰带本体以及置于其内的纽扣振动电机、电源模块和ZigBee无线通信及处理模块。
文档编号A61H3/06GK102614068SQ20121006326
公开日2012年8月1日 申请日期2012年3月12日 优先权日2012年3月12日
发明者乔贵方, 吴涓, 孙洪涛, 宋光明, 宋爱国, 张军 申请人:东南大学