本發(fā)明屬于機器人技術(shù)領域，尤其涉及一種坐式服務機器人及運動方向識別方法。

背景技術(shù)：

隨著高齡人口增加，交通事故增多，導致下肢殘障者數(shù)量逐年增長。如何解決下肢殘障者的日常生活問題，不僅是家庭，也是社會關(guān)心的大事。因此，設計一種坐式服務機器人，依靠下肢殘障者上半身的運動功能實現(xiàn)室內(nèi)移動，幫助殘障者完成日常生活活動具有重要意義。

現(xiàn)有的服務機器人沒有充分利用殘障者身體的殘余功能，未能讓殘障者主動參與生活，這樣殘障者將會逐漸喪失生活的興趣。同時，室內(nèi)空間環(huán)境有限，需要機器人結(jié)構(gòu)緊湊，運動靈活，這樣才能克服已有機器人室內(nèi)實際應用的局限性。到目前為止，還沒有一種依靠殘障者身體殘余功能實現(xiàn)室內(nèi)移動的坐式服務機器人。本發(fā)明設計一種坐式服務機器人，并能識別殘障者的運動意圖方向，對幫助殘障者完成日常生活活動具有重要意義。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明就是針對上述問題，提供一種可解決下肢殘障者日常獨立生活問題的坐式服務機器人及運動方向識別方法。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案，本發(fā)明坐式服務機器人包括全向輪、剎車盤、電源開關(guān)、底座和稱重傳感器，其結(jié)構(gòu)要點底座上端兩側(cè)設置有把手，底座下端設置有固定架，固定架內(nèi)設置有控制裝置、電機座和伺服電機，伺服電機固定在電機座上，伺服電機的軸穿過固定架預留的軸承孔后與固定架外側(cè)的全向輪同軸連接；

所述伺服電機的電源線與控制裝置的驅(qū)動輸出端相連接；

所述剎車盤與全向輪的輪轂通過剎車片連接法蘭固定在一起，固定架外側(cè)相應于剎車盤設置有制動卡鉗，制動卡鉗的控制端通過剎車線與把手上的手剎上的手剎連接線孔連接在一起；

所述電源開關(guān)與控制裝置的電源控制端口相連；

所述稱重傳感器設置在底座上端中部，稱重傳感器的信號輸出端口與控制裝置的檢測信號輸入端口相連；稱重傳感器上端設置有坐墊。

作為一種優(yōu)選方案，本發(fā)明所述全向輪采用QLM-12全向輪。

作為另一種優(yōu)選方案，本發(fā)明所述全向輪為四個，所述固定架為正方形，正方形每邊的中點各設置一個全向輪。

作為另一種優(yōu)選方案，本發(fā)明所述剎車線依次穿過固定架上的第一過線孔、底座上的第二線孔、把手線孔。

作為另一種優(yōu)選方案，本發(fā)明所述電源開關(guān)設置在把手上端一側(cè)，電源開關(guān)通過導線與控制裝置的電源控制端口相連，導線依次穿過把手線孔、底座上的第二線孔。

作為另一種優(yōu)選方案，本發(fā)明所述稱重傳感器粘在底座中部的稱重傳感器卡槽上，稱重傳感器通過導線與控制裝置相連接，導線通過底座上的第三線孔；坐墊嵌在底座上的坐墊卡槽上。

作為另一種優(yōu)選方案，本發(fā)明所述稱重傳感器為兩個，兩個稱重傳感器位于坐墊中心一字排開。

其次，本發(fā)明所述兩個稱重傳感器的間距為18cm。

另外，本發(fā)明所述控制裝置包括慣性導航模塊、信號功率放大器、控制器和動力驅(qū)動模塊，控制器的檢測信號輸入端口分別與信號功率放大器的信號輸出端口、慣性導航模塊的信號輸出端口相連，控制器的驅(qū)動信號輸出端口通過動力驅(qū)動模塊與伺服電機的電源線相連。

本發(fā)明運動方向識別方法，包括以下步驟：

步驟1)將兩個稱重傳感器分別標記為S₁和S₂，同時以兩個傳感器連線為x軸，兩個傳感器連線的垂直平分線為y軸；將運動方向分為右、前、左、后四個方向，并分別表示角度0°、90°、180°、270°；標記傳感器S₁測得的壓力為傳感器S₂測得的壓力為i＝1,2,3,4分別表示使用者上半身重心向0°、90°、180°、270°運動的方向；建立模糊規(guī)則如下：

如果S₁是S₂是那么運動方向D是角度Aⁱ；

其中D表示運動方向，Aⁱ表示運動方向的角度；

步驟2)使用者坐在機器人上，分別往四個運動方向運動三次，采集傳感器S₁的壓力值和傳感器S₂的壓力值并計算每個傳感器三次測得的壓力平均值和標準差SD，其中j＝1,2；利用壓力平均值和標準差SD建立三角形模糊集合，三角形與x軸的交點分別為和并將記為將記為當機器人運動時測得使用者重心運動產(chǎn)生的壓力值為w_j，采用距離型模糊推理方法，計算壓力值w_j與的距離和d_ij，描述如下

步驟3)使用者坐在機器人上按照自己的運動習慣在室內(nèi)移動，采集傳感器S₁和S₂測得的所有壓力值，并將S₁和S₂的壓力值范圍分別記為區(qū)間和獲取這些數(shù)據(jù)之后，使用者上半身重心固定向0°、90°、180°、270°運動，采集傳感器S₁和S₂產(chǎn)生的壓力值，分別將這四個方向的壓力值記為區(qū)間和和和和分別利用四個方向的壓力值區(qū)間和和和和以及所有壓力值區(qū)間和計算使用者向這四個方向運動的概率值，并將這些概率值分別記為和和和和

步驟4)獲得壓力值w_j與的距離和d_ij及使用者對各運動方向的概率值后，計算使用者上半身重心移動產(chǎn)生的運動意圖方向角度如下

其中A表示運動意圖方向角度，aⁱ∈{0°,90°,180°,270°}；

當機器人識別出使用者運動意圖方向角度A后，將識別角度與高精度慣性導航模塊測量的機器人實際方向角度相比較，把偏差角度傳給控制裝置(9)中的控制器，電池(8)給伺服電機(6)供電，伺服電機(6)驅(qū)動全向輪(1)按照識別的方向角度運動，機器人幫助使用者實現(xiàn)室內(nèi)移動。

本發(fā)明有益效果。

本發(fā)明剎車盤與全向輪的輪轂通過剎車片連接法蘭固定在一起，并與固定架外側(cè)制動卡鉗相配合組成碟剎制動系統(tǒng)。碟剎制動系統(tǒng)經(jīng)過第一過線孔、第二過線孔、把手線孔，通過剎車線與手剎上的手剎連接線孔連接在一起，組成完整的碟剎手動制動系統(tǒng)。

本發(fā)明底座起支撐固定作用。

本發(fā)明坐墊可采用符合人體工程學坐姿的坐墊，如直徑為40cm的坐墊。

本發(fā)明高精度慣性導航模塊用于反饋機器人的實際運動角度，功率放大器用于放大稱重傳感器檢測的信號，信號放大后，控制器通過運動方向識別方法識別出意圖方向角度，實際運動角度與識別的意圖方向角度的差值作為控制器輸入，控制器輸出信號傳給動力驅(qū)動模塊，驅(qū)動伺服電機工作，從而使機器人實現(xiàn)室內(nèi)行走。控制裝置固定在底座下表面連接的固定架中，電池為控制裝置提供電源，通過電源開關(guān)控制設備電源的接通與斷開。

使用本發(fā)明時，使用者坐在機器人的坐墊上，通過稱重傳感器檢測上半身重心向右、前、左、后四個方向運動對坐墊產(chǎn)生的壓力，并制定右、前、左、后四個方向分別表示角度0°、90°、180°、270°，同時利用概率描述使用者對四個運動方向的習慣性，結(jié)合模糊推理提出一種運動方向識別方法。機器人識別出使用者運動方向的意圖后，將識別角與高精度慣性導航模塊測量的機器人實際方向角度比較，把偏差角度傳給控制裝置中的控制器，電池給伺服電機和控制裝置供電，伺服電機驅(qū)動全向輪按照使用者的意圖方向角度運動，從而機器人幫助使用者實現(xiàn)室內(nèi)移動。

由上述可知，本發(fā)明機器人結(jié)構(gòu)設計緊湊、運動靈活，能充分利用殘障者上半身的運動功能，幫助下肢殘障者實現(xiàn)室內(nèi)移動。機器人能夠識別殘障者的運動意圖方向，有效提高了機器人的智能性；充分利用殘障者身體的殘余功能，殘障者能積極參與生活；殘障者坐在機器人上能獨立完成日常生活活動。

附圖說明

下面結(jié)合附圖和具體實施方式對本發(fā)明做進一步說明。本發(fā)明保護范圍不僅局限于以下內(nèi)容的表述。

圖1為本發(fā)明整體結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為本發(fā)明整體側(cè)仰視結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3為本發(fā)明連接機構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖。

圖4為本發(fā)明底座上表面結(jié)構(gòu)示意圖。

圖5為本發(fā)明運動方向檢測平臺組裝結(jié)構(gòu)示意圖。

圖6為本發(fā)明把手結(jié)構(gòu)示意圖。

圖7為本發(fā)明QLM‐12全向輪與剎車片結(jié)構(gòu)示意圖。

圖8為本發(fā)明稱重傳感器三角形模糊集合圖。

圖9為本發(fā)明坐式服務機器人系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。

圖10為本發(fā)明控制裝置內(nèi)各模塊工作流程框圖。

附圖標記說明：

1.QLM‐12全向輪，2.制動卡鉗，3.剎車盤，4.固定架，5.電機座，6.伺服電機，7.第一過線孔，8.電池，9.控制裝置，10.把手安裝座，11.第二過線孔，12.坐墊卡槽，13.稱重傳感器卡槽，14.第三線孔，15.底座，16.電源開關(guān)，17.把手，18.手剎，19.把手線孔，20.剎車線孔，21.手剎連接線孔，22.手剎與把手主體連接孔，23.稱重傳感器，24.坐墊，25.剎車片連接法蘭。

具體實施方式

如圖所示，本發(fā)明坐式服務機器人包括全向輪、剎車盤、電源開關(guān)、底座(15)和稱重傳感器(23)，底座(15)上端兩側(cè)設置有把手，底座(15)下端設置有固定架(4)，固定架(4)內(nèi)設置有控制裝置(9)、電機座(5)和伺服電機(6)，伺服電機(6)固定在電機座(5)上，伺服電機的軸穿過固定架(4)預留的軸承孔后與固定架外側(cè)的全向輪(1)同軸連接；

所述伺服電機(6)的電源線與控制裝置的驅(qū)動輸出端相連接；

所述剎車盤(3)與全向輪(1)的輪轂通過剎車片連接法蘭(25)固定在一起，固定架(4)外側(cè)相應于剎車盤(3)設置有制動卡鉗，制動卡鉗的控制端通過剎車線與把手上的手剎(18)上的手剎連接線孔(21)連接在一起；

所述電源開關(guān)與控制裝置(9)的電源控制端口相連；

所述稱重傳感器(23)設置在底座上端(15)中部，稱重傳感器(23)的信號輸出端口與控制裝置(9)的檢測信號輸入端口相連；稱重傳感器(23)上端設置有坐墊(24)。

所述全向輪采用QLM-12全向輪。

所述全向輪為四個，所述固定架(4)為正方形，正方形每邊的中點各設置一個全向輪。

所述剎車線依次穿過固定架(4)上的第一過線孔(7)、底座上的第二線孔(11)、把手線孔。

所述電源開關(guān)設置在把手上端一側(cè)，電源開關(guān)通過導線與控制裝置(9)的電源控制端口相連，導線依次穿過把手線孔、底座上的第二線孔(11)。

所述稱重傳感器(23)粘在底座(15)中部的稱重傳感器卡槽(13)上，稱重傳感器通過導線與控制裝置(9)相連接，導線通過底座上的第三線孔(14)；坐墊(24)嵌在底座上的坐墊卡槽(12)上。

所述稱重傳感器(23)為兩個，兩個稱重傳感器(23)位于坐墊中心一字排開。

所述兩個稱重傳感器(23)的間距為18cm。提供對試驗者的坐姿的體壓分布測量，獲得的最佳稱重傳感器(23)的間距。

所述固定架(4)通過螺絲與底座(15)固定在一起。

所述控制裝置(9)包括慣性導航模塊、信號功率放大器、控制器和動力驅(qū)動模塊，控制器的檢測信號輸入端口分別與信號功率放大器的信號輸出端口、慣性導航模塊的信號輸出端口相連，控制器的驅(qū)動信號輸出端口通過動力驅(qū)動模塊與伺服電機(6)的電源線相連。

所述高精度慣性導航模塊采用JY-901高精度慣性導航模塊，控制器采用Intel Bay Trail J1900控制器。

本發(fā)明運動方向識別方法，包括以下步驟：

步驟1)將兩個稱重傳感器分別標記為S₁和S₂，同時以兩個傳感器連線為x軸，兩個傳感器連線的垂直平分線為y軸；將運動方向分為右、前、左、后四個方向，并分別表示角度0°、90°、180°、270°；標記傳感器S₁測得的壓力為傳感器S₂測得的壓力為i＝1,2,3,4分別表示使用者上半身重心向0°、90°、180°、270°運動的方向；建立模糊規(guī)則如下：

如果S₁是S₂是那么運動方向D是角度Aⁱ；

其中D表示運動方向，Aⁱ表示運動方向的角度；

步驟2)使用者坐在機器人上，分別往四個運動方向運動三次，采集傳感器S₁的壓力值和傳感器S₂的壓力值并計算每個傳感器三次測得的壓力平均值和標準差SD，其中j＝1,2；利用壓力平均值和標準差SD建立三角形模糊集合，三角形與x軸的交點分別為和并將記為將記為當機器人運動時測得使用者重心運動產(chǎn)生的壓力值為w_j，采用距離型模糊推理方法，計算壓力值w_j與的距離和d_ij，描述如下

步驟3)使用者坐在機器人上，往往有一種向某個方向運動的習慣，比如為了躲避障礙物，存在多種運動方向可選擇的前提下，使用者更傾向于某一個習慣性的運動方向。為了刻畫這種運動習慣性，提出利用使用者在各運動方向的概率值進行描述，具體方法如下：

使用者坐在機器人上按照自己的運動習慣在室內(nèi)移動，采集傳感器S₁和S₂測得的所有壓力值，并將S₁和S₂的壓力值范圍分別記為區(qū)間和獲取這些數(shù)據(jù)之后，使用者上半身重心固定向0°、90°、180°、270°運動，采集傳感器S₁和S₂產(chǎn)生的壓力值，分別將這四個方向的壓力值記為區(qū)間和和和和分別利用四個方向的壓力值區(qū)間和和和和以及所有壓力值區(qū)間和計算使用者向這四個方向運動的概率值，并將這些概率值分別記為和和和和

步驟4)獲得壓力值w_j與的距離和d_ij及使用者對各運動方向的概率值后，計算使用者上半身重心移動產(chǎn)生的運動意圖方向角度如下

其中A表示運動意圖方向角度，aⁱ∈{0°,90°,180°,270°}；

當機器人識別出使用者運動意圖方向角度A后，將識別角度與高精度慣性導航模塊測量的機器人實際方向角度相比較，把偏差角度傳給控制裝置(9)中的控制器，電池(8)給伺服電機(6)供電，伺服電機(6)驅(qū)動全向輪(1)按照識別的方向角度運動，機器人幫助使用者實現(xiàn)室內(nèi)移動。

可以理解的是，以上關(guān)于本發(fā)明的具體描述，僅用于說明本發(fā)明而并非受限于本發(fā)明實施例所描述的技術(shù)方案，本領域的普通技術(shù)人員應當理解，仍然可以對本發(fā)明進行修改或等同替換，以達到相同的技術(shù)效果；只要滿足使用需要，都在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。