一種輪腿結(jié)構(gòu)的導(dǎo)盲機(jī)器人及其使用方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種輪腿結(jié)構(gòu)的導(dǎo)盲機(jī)器人及其使用方法，包括帶扶手的機(jī)架以及安裝在機(jī)架上的與主控系統(tǒng)電連接的人機(jī)通信模塊、GPS模塊、GMS模塊、避障模塊、電源模塊和驅(qū)動模塊，驅(qū)動模塊包括直流電機(jī)和舵機(jī)組；機(jī)架的下部安裝由舵機(jī)控制的四條腿，每條腿包含三個旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)并由三個舵機(jī)驅(qū)動，每條腿的下部為輪子；扶手上設(shè)有手動切換按鈕，手動切換按鈕用于機(jī)器人行走模式的切換。本發(fā)明可根據(jù)路況在兩種工作模式下自由切換，平坦路段采用輪子行進(jìn)，凹凸不平路段采用四條腿著地行走，可輕松跨越障礙物。
【專利說明】
一種輪腿結(jié)構(gòu)的導(dǎo)盲機(jī)器人及其使用方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及一種導(dǎo)盲機(jī)器人，具體是一種輪腿結(jié)構(gòu)的導(dǎo)盲機(jī)器人及其使用方法。
【背景技術(shù)】
[0002]盲人與有視力障礙的人群出行一直是一件非常困難的事情，在無人引導(dǎo)的情況下不可能獨(dú)自出行，因此，出行困難嚴(yán)重影響了該類人群的社交和日常生活。為了解決盲人和有視力障礙的人群出行，國外多采用訓(xùn)練有素的導(dǎo)盲犬來導(dǎo)盲，但是由于導(dǎo)盲犬的訓(xùn)練周期長、服務(wù)時間有限、費(fèi)用昂貴等因素，無法大面積普及。因此，研究實(shí)用且成本低廉的導(dǎo)盲機(jī)器人是十分必要和具有重大意義的。
[0003]近幾年，國內(nèi)也相繼研發(fā)了多種導(dǎo)盲器具，從應(yīng)用上主要可劃分為三類:一類是導(dǎo)盲杖，在手杖上加裝各種裝置來達(dá)到探測障礙和導(dǎo)盲的作用;第二類是穿戴設(shè)備，在導(dǎo)盲犬或盲人身上穿戴導(dǎo)航設(shè)備進(jìn)行導(dǎo)盲;第三類是機(jī)器人，通過自動或半自動方式導(dǎo)航，實(shí)現(xiàn)一定的控制功能，從而幫助盲人。但以上三種導(dǎo)盲器具均存在一定的不足，導(dǎo)盲手杖受到自身形狀和操作方式的限制，基本只能實(shí)現(xiàn)部分導(dǎo)盲功能；穿戴設(shè)備更是影響人體美觀，造成行動不便，每次使用還需穿上和脫下;現(xiàn)有導(dǎo)盲機(jī)器人，多采用鋪設(shè)專用盲道或在沿途安裝電子標(biāo)簽等方式來實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，成本較高，機(jī)器人在遇到凹凸不平路段或樓梯時行動不便。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]基于上述原因，本發(fā)明提供一種結(jié)構(gòu)簡單、成本較低、可適應(yīng)不同路況且行動靈活的輪腿結(jié)構(gòu)的導(dǎo)盲機(jī)器人。
[0005]為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案為:
一種輪腿結(jié)構(gòu)的導(dǎo)盲機(jī)器人，包括帶扶手的機(jī)架以及安裝在機(jī)架上的與主控系統(tǒng)電連接的人機(jī)通信模塊、GPS模塊、GMS模塊、避障模塊、電源模塊和驅(qū)動模塊，驅(qū)動模塊包括直流電機(jī)和舵機(jī)組;機(jī)架的下部安裝由舵機(jī)控制的四條腿，每條腿包含三個旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)并由三個舵機(jī)驅(qū)動，每條腿的下部為輪子;扶手上設(shè)有手動切換按鈕，手動切換按鈕用于機(jī)器人行走模式的切換。
[0006]作為上述技術(shù)方案的進(jìn)一步設(shè)置:
所述輪子采用麥克納姆輪。
[0007]所述避障模塊包括超聲波雷達(dá)和光電開關(guān)。
[0008]所述人機(jī)通信模塊包括語音識別模塊、藍(lán)牙通訊模塊和按鍵模塊。
[0009]所述按鍵模塊包括工作模式按鍵、電話求助按鍵和速度調(diào)節(jié)按鍵。
[0010]所述扶手上設(shè)有與主控系統(tǒng)電連接的震動提示模塊。
[0011 ]所述機(jī)架上還設(shè)有太陽能光板和太陽能電池，太陽能電池給GPS模塊、GMS模塊、避障模塊、驅(qū)動模塊和主控系統(tǒng)供電。
[0012]所述電源模塊采用帶保護(hù)功能的可充電電池。
[0013]所述機(jī)架上還安裝有與主控系統(tǒng)相連的電子羅盤、里程計(jì)、三軸加速度傳感器和雙目攝像頭。
[0014]所述每條腿的上面兩個關(guān)節(jié)長度大于等于20厘米，舵機(jī)采用380kg*cm扭矩的舵機(jī)。
[0015]本發(fā)明還同時提供一種上述導(dǎo)盲機(jī)器人的使用方法，其包括以下內(nèi)容:首先啟用學(xué)習(xí)模式，對規(guī)劃路線進(jìn)行學(xué)習(xí)并獲得初始數(shù)據(jù)用于初始化和校正，即通過電子羅盤和三軸加速度傳感器來探測盲人行走時的跨步，采用有關(guān)模型估算出步長和步頻，以及通過雙目攝像頭搜索和記憶沿途的特征點(diǎn)；再切換為路徑搜索模式，語音輸入所要到達(dá)的目的地名字，機(jī)器人開始定位當(dāng)前的位置并開始導(dǎo)航;盲人根據(jù)實(shí)時路況語音提醒通過手動切換按鈕自由切換機(jī)器人的行動模式。
[0016]本發(fā)明提供的導(dǎo)盲機(jī)器人具有輪腿結(jié)構(gòu)，可根據(jù)不同的路況自由切換行動模式: 當(dāng)在平坦路段行進(jìn)時，主控系統(tǒng)控制每條腿的兩個舵機(jī)轉(zhuǎn)動，每條腿的上部兩個關(guān)節(jié)可以收縮折疊起來，由主控系統(tǒng)控制直流電機(jī)轉(zhuǎn)動，機(jī)器人可以用輪子行走;當(dāng)遇到凹凸不平路段或需要爬樓梯時，切換成另一個工作模式，主控系統(tǒng)控制每條腿的兩個舵機(jī)反轉(zhuǎn)，將腿全部展開，由舵機(jī)組驅(qū)動四條腿著地行走，可輕松跨越諸如樓梯的障礙物。
[0017]以下通過附圖和【具體實(shí)施方式】對本發(fā)明做進(jìn)一步闡述。
[0018]【附圖說明】:圖1為本發(fā)明的外觀結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本發(fā)明系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理框圖；圖3為本發(fā)明的定位原理圖。
[0019]【具體實(shí)施方式】:如圖1至圖3所示，本發(fā)明提供的具有輪腿結(jié)構(gòu)的導(dǎo)盲機(jī)器人，包括帶扶手2的機(jī)架1以及安裝在機(jī)架1上的與主控系統(tǒng)電連接的人機(jī)通信模塊、GPS模塊、GMS模塊、避障模塊、電源模塊和驅(qū)動模塊;驅(qū)動模塊包括直流電機(jī)和舵機(jī)組;避障模塊包括超聲波雷達(dá)和光電開關(guān)， 當(dāng)遇到障礙物時，光電開關(guān)或超聲波雷達(dá)作出避障反應(yīng)，將信號傳送給主控系統(tǒng)處理，并通過人機(jī)通信模塊給盲人佩戴的藍(lán)牙耳機(jī)發(fā)出語音提示，使盲人做好轉(zhuǎn)向或停車準(zhǔn)備;人機(jī)通信模塊包括語音識別模塊、藍(lán)牙通訊模塊和按鍵模塊，語音識別模塊是為了方便盲人選擇目的地進(jìn)行路線規(guī)劃，盲人只需對話筒說出目的地名字，就能進(jìn)行語音識別并控制機(jī)器人選擇前進(jìn)路線;按鍵模塊包括工作模式按鍵、電話求助按鍵和速度調(diào)節(jié)按鍵，盲人可自由調(diào)節(jié)機(jī)器人的行進(jìn)速度，以適合自己的步距和步頻，當(dāng)遇到緊急情況需要求助時，可按下電話求助按鍵通過GMS模塊向所綁定的電話進(jìn)行求助，工作模式包括學(xué)習(xí)模式和路徑搜索模式。
[0020]考慮到機(jī)器人可在不同的路況下均能靈活自如的行進(jìn)，在機(jī)架1的下部安裝由舵機(jī)控制的四條腿，每條腿包含三個旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)并由三個舵機(jī)驅(qū)動，即上關(guān)節(jié)41由舵機(jī)31和舵機(jī)32控制，中關(guān)節(jié)42由舵機(jī)32和舵機(jī)33控制，腿與地面接觸部位可看作是球關(guān)節(jié)，球關(guān)節(jié)43 由舵機(jī)33控制，三個旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)均為主動關(guān)節(jié)，則每條腿具有六個自由度，這樣可靈活自如的行動，每條腿的下部為輪子，四個輪子均采用麥克納姆輪，方便轉(zhuǎn)向。導(dǎo)盲機(jī)器人的腿主要用于跨越馬路牙子或上下樓梯等高低起伏的路段，因此，參考我國馬路牙子和樓梯臺階的高度設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，將機(jī)器人的腿關(guān)節(jié)41和關(guān)節(jié)42的長度設(shè)計(jì)為大于馬路牙子和樓梯臺階的高度，即大于等于20厘米，舵機(jī)采用380kg*cm扭矩的舵機(jī)，這樣可以輕松跨越障礙物和上下樓梯。
[0021]上述方案中的機(jī)器人具有兩種行進(jìn)模式，模式一為平坦路況模式，模式二為高低起伏路況模式，在扶手2上設(shè)置手動切換按鈕，可用于兩種模式之間的自由切換。當(dāng)啟用模式一時，主控系統(tǒng)先控制每條腿的舵機(jī)31和舵機(jī)32轉(zhuǎn)動，將每條腿的關(guān)節(jié)41和關(guān)節(jié)42收縮折疊起來，主控系統(tǒng)控制直流電機(jī)轉(zhuǎn)動，導(dǎo)盲設(shè)備用四個輪子行走；當(dāng)切換成模式二時，主控系統(tǒng)控制每條腿的舵機(jī)31和舵機(jī)32反轉(zhuǎn)，將關(guān)節(jié)41和關(guān)節(jié)42展開，主控系統(tǒng)控制舵機(jī)組將機(jī)器人變成四條腿走路，可以輕松跨越障礙物或上下樓梯。
[0022]遇到障礙物時，除了通過語音進(jìn)行提示，還可以通過設(shè)置在扶手2上與主控系統(tǒng)電連接的震動提示模塊予以提醒。
[0023]為了防止機(jī)器人在使用過程中因電量不足而影響正常導(dǎo)航，本發(fā)明設(shè)計(jì)的導(dǎo)盲機(jī)器人提供兩個電源，在機(jī)架I上安裝太陽能光板和太陽能電池，在陽光充足的戶外，太陽能光板將太陽能轉(zhuǎn)換成電能并儲存至太陽能電池中，由太陽能電池給GPS模塊、GMS模塊、避障模塊、驅(qū)動模塊和主控系統(tǒng)供電。當(dāng)太陽能電池電量不足或在室內(nèi)，可啟用另外一個電源模塊供電，該電源模塊可通過220V交流電充電，具有充電結(jié)束后自動切斷電源的保護(hù)功能。
[0024]進(jìn)一步，為了提升該機(jī)器人在室內(nèi)外導(dǎo)航的定位精度，本發(fā)明除采用GPS定位外，還采用多傳感融合的行人定位技術(shù)，實(shí)現(xiàn)行人在室內(nèi)外環(huán)境中較高精度的無縫定位，實(shí)現(xiàn)定位誤差小于2%。即在機(jī)架上安裝與主控系統(tǒng)相連的電子羅盤、里程計(jì)、三軸加速度傳感器和雙目攝像頭。三軸加速度傳感器可根據(jù)使用者的移動特征獲取其步長和步頻等初始化信息，在導(dǎo)航時通過電子羅盤和三軸加速度傳感器獲得使用者的每一步行走方向，結(jié)合其步長可以實(shí)時更新其所在的位置，結(jié)合其步頻可以實(shí)時播報距離目的地的距離和所需要的時間，使盲人獲得更加直觀的位置變化信息。雙目攝像頭用于拍攝規(guī)劃路段中的所有便于記憶的特征點(diǎn)，在導(dǎo)航前需通過工作模式按鍵切換成學(xué)習(xí)模式，并進(jìn)行初始化記錄，導(dǎo)航時，雙目攝像頭通過搜索模式不斷搜索沿途路徑的記憶特征點(diǎn)，主要解決人行道的搜索，以達(dá)到更好的導(dǎo)航效果。
[0025]應(yīng)用上述結(jié)構(gòu)的導(dǎo)盲機(jī)器人的方法為:首先啟用學(xué)習(xí)模式，對規(guī)劃路線進(jìn)行學(xué)習(xí)并獲得初始數(shù)據(jù)用于初始化和校正，即通過電子羅盤和三軸加速度傳感器來探測盲人行走時的跨步，采用有關(guān)模型估算出步長和步頻，以及通過雙目攝像頭搜索和記憶沿途的特征點(diǎn);再切換為路徑搜索模式，語音輸入所要到達(dá)的目的地名字，機(jī)器人開始定位當(dāng)前的位置并開始導(dǎo)航;盲人根據(jù)實(shí)時路況語音提醒通過手動切換按鈕自由切換機(jī)器人的行動模式。
[0026]以上實(shí)施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員對本發(fā)明的技術(shù)方案所做的其他修改或者等同替換，只要不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的精神和范圍，均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍中。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種輪腿結(jié)構(gòu)的導(dǎo)盲機(jī)器人，其特征在于:包括帶扶手的機(jī)架以及安裝在機(jī)架上的 與主控系統(tǒng)電連接的人機(jī)通信模塊、GPS模塊、GMS模塊、避障模塊、電源模塊和驅(qū)動模塊，驅(qū) 動模塊包括直流電機(jī)和舵機(jī)組;機(jī)架的下部安裝由舵機(jī)控制的四條腿，每條腿包含三個旋 轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)并由三個舵機(jī)驅(qū)動，每條腿的下部為輪子;扶手上設(shè)有手動切換按鈕，手動切換按鈕 用于機(jī)器人行走模式的切換。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種輪腿結(jié)構(gòu)的導(dǎo)盲機(jī)器人，其特征在于:所述輪子采用麥克 納姆輪。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種輪腿結(jié)構(gòu)的導(dǎo)盲機(jī)器人，其特征在于:所述避障模塊包括 超聲波雷達(dá)和光電開關(guān)。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種輪腿結(jié)構(gòu)的導(dǎo)盲機(jī)器人，其特征在于:所述人機(jī)通信模塊 包括語音識別模塊、藍(lán)牙通訊模塊和按鍵模塊，所述按鍵模塊包括工作模式按鍵、電話求助 按鍵和速度調(diào)節(jié)按鍵。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種輪腿結(jié)構(gòu)的導(dǎo)盲機(jī)器人，其特征在于:所述扶手上設(shè)有與 主控系統(tǒng)電連接的震動提示模塊。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種輪腿結(jié)構(gòu)的導(dǎo)盲機(jī)器人，其特征在于:所述機(jī)架上還設(shè)有 太陽能光板和太陽能電池，太陽能電池給GPS模塊、GMS模塊、避障模塊、驅(qū)動模塊和主控系 統(tǒng)供電。7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種輪腿結(jié)構(gòu)的導(dǎo)盲機(jī)器人，其特征在于:所述電源模塊采用 帶保護(hù)功能的可充電電池。8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種輪腿結(jié)構(gòu)的導(dǎo)盲機(jī)器人，其特征在于:所述機(jī)架上還安裝 有與主控系統(tǒng)相連的電子羅盤、里程計(jì)、三軸加速度傳感器和雙目攝像頭。9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種輪腿結(jié)構(gòu)的導(dǎo)盲機(jī)器人，其特征在于:所述每條腿的上面 兩個關(guān)節(jié)長度大于等于20厘米，舵機(jī)采用380kg*cm扭矩的舵機(jī)。10.如權(quán)利要求1至9任一一種輪腿結(jié)構(gòu)的導(dǎo)盲機(jī)器人的使用方法，其特征在于:包括以 下內(nèi)容:首先啟用學(xué)習(xí)模式，對規(guī)劃路線進(jìn)行學(xué)習(xí)并獲得初始數(shù)據(jù)用于初始化和校正，即通 過電子羅盤和三軸加速度傳感器來探測盲人行走時的跨步，采用有關(guān)模型估算出步長和步 頻，以及通過雙目攝像頭搜索和記憶沿途的特征點(diǎn);再切換為路徑搜索模式，語音輸入所要 到達(dá)的目的地名字，機(jī)器人開始定位當(dāng)前的位置并開始導(dǎo)航;盲人根據(jù)實(shí)時路況語音提醒 通過手動切換按鈕自由切換機(jī)器人的行動模式。
【文檔編號】A61H3/06GK105997447SQ201610270811
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年4月27日
【發(fā)明人】石松泉, 王小奇, 朱文彬, 周園, 鄭罄婷, 賈永凱, 周祎軍, 陳坤
【申請人】紹興文理學(xué)院