一种新型的移动机器人导盲系统及方法与流程

本发明属于机器人导盲助航技术，涉及一种新型的移动机器人导盲系统及方法。

背景技术：

与普通人相比，由于视觉信息的缺失，盲人和存在视觉障碍的人在行走过程中无法及时有效地获得路况与位置信息，导致其活动受限、行走危险性增加等。同时，当普通人处在一个复杂且视野受限的未知环境中，如何准确到达目的地也是亟待解决的问题。因此，如何获取环境信息成为导盲助航设备研制的关键点。

基于语音提示的导盲助航设备在一定程度上克服了传统导盲手段的缺陷，能够给出导航的方向信息。已有导航技术采用安装在头部的单目摄像头来获取路面图像信息，根据采集图像的灰度大小转换为不同音量的提示声；通过双目摄像头获取路况图像的深度信息和轮廓信息，采用语音提示模式将路况信息提供给使用者。但是，以上几种基于语音的导航助盲设备，在嘈杂的环境下，使用者可能无法及时有效地接收提示信息或者需要刻意集中注意力来保证有效信息的获取，这在一定程度上会增加使用者的心理负担，容易造成使用者听觉疲劳。

申请公布号为CN102048612A的发明专利申请公开了“一种基于机器视觉的导盲机器人”，该装置包括车体，车体下设有底座，头部安装有CCD摄像头，尾部安装有引导杖。其中，车体内设有中央处理模块、传感信息模块、语音模块和电源模块；所述的履带型底座内设有运动控制模块和电气传动装置。该导盲机器人首先由CCD摄像头采集图像，然后由设置在车体内的中央处理模块对图像进行处理，通过图像处理和识别的方法，识别出交通信号灯、导盲线和障碍物等道路上的常见物体，然后将结果通过语音模块告知操作者。本发明能够自动识别人行道上的导盲道，并实时反馈不同路况信息，指引方向。

申请公布号为CN105640748A的发明专利申请公开了“一种振动导盲衣服”，该振动导盲衣服内置有中央处理模块，在袖口位置安装有振动模块、蓝牙耳机模块、智能公交模块、智能城市模块。本发明的振动导盲通过振动模块，蓝牙耳机模块和中央处理模块将道路信息与使用者实时交流，并能通过语音识别模块识别使用者的语音并制定相关行走路线，通过图像识别模块有效识别盲道与公交信息，协助盲人安全独立的出行。

申请公布号为CN105943326A的发明专利申请公开了“一种智能室外导盲设备及控制该设备的导航定位方法”，该方法采用语音对话的交互方式，充分弥补了视觉障碍人群在视觉方面的不足，使用户与系统之间的交互更为便捷，通过和远程服务平台相互通信的结构，解决了盲人室外出行方案以及对盲人的实时监控，并可远程在线控制或指导导盲设备的动作，确保盲人出行的准确性与安全性，通过移动通信技术与卫星定位技术，有效地解决了盲人的通信与定位问题。采用了GPS和RFID联合定位，有效的弥补了GPS的定位误差以及GPS失效时的问题，确保了盲人定位的实时性与准确性。

上述发明利用语音方式与使用者进行交互，对环境要求较高，在嘈杂环境下，使用者可能无法及时有效地获取信息，最终影响导盲效果。

技术实现要素：

本发明目的在于提供一种新型的移动机器人导盲系统及方法，利用移动机器人及需佩戴的振动触觉腕带实现了使用者在移动机器人的引导下，安全准确的到达目的地，有效地解决了移动机器人在导盲时与使用者之间因无法及时有效地交互，从而导致导盲失败的问题。

为解决上述技术问题，本发明采用如下的技术方案：一种新型的移动机器人导盲系统及方法，其中，所述系统包括：移动机器人、上位计算机、Kinect传感器模块、无线通信模块及振动触觉腕带装置；其中，所述上位计算机通过串口与移动机器人相连；所述Kinect传感器模块通过串口与所述上位计算机相连；所述上位计算机通过串口与无线通信模块相连，再通过无线通信模块与振动触觉腕带装置相连。

进一步地，所述移动机器人采用小型履带式移动机器人，主要负责按照预先规划好的路径进行导航，且实时接收上位计算机发来的控制指令进行相应调节。

进一步地，所述Kinect传感器模块安装在小型履带移动机器人上且面向使用者，用于采集使用者的骨骼关节点数据信息并发送给上位计算机。

进一步地，所述无线通信模块采用ZigBee无线模块，用于实现上位计算机与振动触觉腕带装置之间的通信。

进一步地，所述振动触觉腕带装置采用了4个微型纽扣式直流电机作为振子，紧贴手腕内侧皮肤放置，按照预先设定的振动编码来驱动振子，产生振动触觉信号并作用于皮肤。

进一步地，所述上位计算机用于数据的接收、处理以及指令的发送。

所述方法包括：S1，Kinect传感器采集使用者的骨骼关节点数据并发给上位计算机；S2，上位计算机对数据进行计算处理，得出使用者的位姿；S3，上位计算机将相应处理结果同时发送给移动机器人及振动触觉腕带装置；S4，移动机器人及振动触觉腕带装置分别产生各自的响应。

本发明与现有技术相比具有以下的有益效果：

本发明方案利用移动机器人及需佩戴的振动触觉腕带，实现了使用者在移动机器人的引导下，按照预先规划好的路径行走，并通过调节使用者的角速度与机器人的线速度最终使使用者安全准确到达目的地。

附图说明

图1是本发明的新型的移动机器人导盲系统结构框图。

图2是使用者处于Kinect视野中的区域分布图(单位:cm)。

图3是Kinect骨骼关节点分布图。

图4是领导者-跟随者控制模型。

图5是机器人为人导航控制模型。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明进行更加详细与完整的说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。

参照图1，本发明的一种新型的移动机器人导盲系统及方法，其中，所述系统包括：移动机器人、上位计算机、Kinect传感器模块、无线通信模块及振动触觉腕带装置；其中，所述上位计算机通过串口与移动机器人相连；所述Kinect传感器模块通过串口与所述上位计算机相连；所述上位计算机通过串口与无线通信模块相连，再通过无线通信模块与振动触觉腕带装置相连。

其中，所述移动机器人采用小型履带式移动机器人，具有体积小、环境适应性好和负载能力强等优点，主要负责按照预先规划好的路径进行导航，且实时接收上位计算机发来的控制指令进行线速度的调节。

所述Kinect传感器是微软公司开发的一款体感设备，能采集使用者20个关节点。该传感器安装在小型履带移动机器人上且面向使用者，用于采集使用者的骨骼关节点数据信息并发给上位计算机。

所述无线通信模块采用ZigBee无线模块，由发送端与接收端组成，用于实现上位计算机与振动触觉腕带装置之间的通信，通信时间间隔为100ms。发送端与上位计算机通过串口连接，接收端作为振动触觉腕带装置的处理器，负责接收上位计算机的指令并转化为触觉信息。发送端ZigBee无线模块与接收端ZigBee无线模块组成点对点的通信网络，进行使用者和移动机器人之间信息的交换。

所述振动触觉腕带装置采用了4个微型纽扣式直流电机作为振子，紧贴手腕内侧皮肤放置，按照预先设定的振动编码来驱动振子，产生振动触觉信号并作用于皮肤，向使用者传达下位机的控制信息。

本发明将4个振动电机均匀分布在边长为80mm的正方形顶点上，以确保任意2个振动电机之间的距离远大于35mm。

表1振动电机编码与使用者所在区域关系

如上表所示，采用二进制0和1对电机工作状态进行编码，1表示电机振动，0表示电机不振动，用4个电机不同组合形式来表示使用者处于Kinect视野中的不同区域。

使用者的区域分布图如图2所示。将边长为20cm的正方形区域设置为区域0，即使用者处在理想区域内，该区域内使用者能较好地跟随移动机器人轨迹行走，此时4个电机均不发生振动；其余区域表示使用者偏离理想区域，其中，区域1、区域2、区域3、区域4分别表示向前、右、后、左偏离理想区域，区域5、区域6、区域7、区域8分别表示向右前、右后、左后、左前偏离理想区域，此时电机按照相应的编码振动，从而提醒使用者调节自身位姿。

上位计算机用于数据的接收、处理以及指令的发送。

所述方法包括：

S1，Kinect传感器采集使用者的骨骼关节点数据并发给上位计算机；S2，上位计算机对数据进行计算处理，得出使用者的位姿；

参照图3，本发明选用使用者在行走过程中摆动幅度较小的肩膀中间、右肩、左肩、脊椎中段、臀部中间、右臀、左臀多个关节点，采样周期为100ms，并处理相邻2次采样数据，得到使用者的运动状态和位置信息。

S3，上位计算机将相应处理结果同时发送给移动机器人及振动触觉腕带装置；S4，移动机器人及振动触觉腕带装置分别产生各自的响应；所采用的导航策略为改进型领导者-跟随者控制模型。

参照图4，由领导者跟随者控制模型可列出如下关于距离l₁₂和角度γ₁₂变化量的运动学方程：

式中，v_i，ω_i(i＝1，2)分别表示机器人1、机器人2的线速度与角速度；l₁₂为机器人1与机器人2之间的实际测量距离；γ₁₂为机器人1的前进方向与l₁₂之间的实际测量夹角；ψ₁₂为机器人2前进方向与l₁₂之间的实际测量夹角。

由式(1)可得出控制模型的矩阵方程为

将式(2)整理可得

z＝{l₁₂,γ₁₂}^T,u₁＝{v₁,ω₁}^T,u₂＝{v₂,ω₂}^T

此控制模型的输出量u₁为

式中，k₁和k₂(k₁，k₂＞0)是根据系统确定的参数为机器人1前进方向与l₁₂之间的固定角度；为机器人1与机器人2之间的固定距离。

参照图5，本发明中提出的机器人导盲助航是为了提高使用者的自主性与舒适性。使用者的线速度是根据使用者自身运动能力所决定的，不受到机器人运动状态的限制，但是使用者的角速度则根据振动触觉反馈信息和导航算法进行动态调节。机器人的运动线路是给定路径，用于引导使用者的运动轨迹，机器人的运动角速度是根据给定路径来确定的，而线速度则根据使用者的运动状态进行动态调节。通过调节使用者的角速度与机器人的线速度使使用者和机器人的相对距离和相对角度收敛到给定值，在机器人的引导下，按照给定路径实现机器人为人导航的功能。

由式(1)可以推导出适合机器人导盲助航控制模型的矩阵公式，即

整理得

式中，

q＝{γ₁₂,l₁₂}^T，u₁＝{ω₂,v₁}^T，u₂＝{v₂,ω₁}^T

此机器人导盲助航系统模型的输出量u₂为

以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域技术人员而言，本发明可以有各种改动和变化。凡在本发明的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。