一种轮腿结构的导盲机器人及其使用方法
【专利摘要】本发明涉及一种轮腿结构的导盲机器人及其使用方法，包括带扶手的机架以及安装在机架上的与主控系统电连接的人机通信模块、GPS模块、GMS模块、避障模块、电源模块和驱动模块，驱动模块包括直流电机和舵机组；机架的下部安装由舵机控制的四条腿，每条腿包含三个旋转关节并由三个舵机驱动，每条腿的下部为轮子；扶手上设有手动切换按钮，手动切换按钮用于机器人行走模式的切换。本发明可根据路况在两种工作模式下自由切换，平坦路段采用轮子行进，凹凸不平路段采用四条腿着地行走，可轻松跨越障碍物。
【专利说明】
一种轮腿结构的导盲机器人及其使用方法
技术领域
[0001]本发明涉及一种导盲机器人，具体是一种轮腿结构的导盲机器人及其使用方法。
【背景技术】
[0002]盲人与有视力障碍的人群出行一直是一件非常困难的事情，在无人引导的情况下不可能独自出行，因此，出行困难严重影响了该类人群的社交和日常生活。为了解决盲人和有视力障碍的人群出行，国外多采用训练有素的导盲犬来导盲，但是由于导盲犬的训练周期长、服务时间有限、费用昂贵等因素，无法大面积普及。因此，研究实用且成本低廉的导盲机器人是十分必要和具有重大意义的。
[0003]近几年，国内也相继研发了多种导盲器具，从应用上主要可划分为三类:一类是导盲杖，在手杖上加装各种装置来达到探测障碍和导盲的作用;第二类是穿戴设备，在导盲犬或盲人身上穿戴导航设备进行导盲;第三类是机器人，通过自动或半自动方式导航，实现一定的控制功能，从而帮助盲人。但以上三种导盲器具均存在一定的不足，导盲手杖受到自身形状和操作方式的限制，基本只能实现部分导盲功能；穿戴设备更是影响人体美观，造成行动不便，每次使用还需穿上和脱下;现有导盲机器人，多采用铺设专用盲道或在沿途安装电子标签等方式来实现导航，结构较复杂，成本较高，机器人在遇到凹凸不平路段或楼梯时行动不便。
【发明内容】
[0004]基于上述原因，本发明提供一种结构简单、成本较低、可适应不同路况且行动灵活的轮腿结构的导盲机器人。
[0005]为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案为:
一种轮腿结构的导盲机器人，包括带扶手的机架以及安装在机架上的与主控系统电连接的人机通信模块、GPS模块、GMS模块、避障模块、电源模块和驱动模块，驱动模块包括直流电机和舵机组;机架的下部安装由舵机控制的四条腿，每条腿包含三个旋转关节并由三个舵机驱动，每条腿的下部为轮子;扶手上设有手动切换按钮，手动切换按钮用于机器人行走模式的切换。
[0006]作为上述技术方案的进一步设置:
所述轮子采用麦克纳姆轮。
[0007]所述避障模块包括超声波雷达和光电开关。
[0008]所述人机通信模块包括语音识别模块、蓝牙通讯模块和按键模块。
[0009]所述按键模块包括工作模式按键、电话求助按键和速度调节按键。
[0010]所述扶手上设有与主控系统电连接的震动提示模块。
[0011 ]所述机架上还设有太阳能光板和太阳能电池，太阳能电池给GPS模块、GMS模块、避障模块、驱动模块和主控系统供电。
[0012]所述电源模块采用带保护功能的可充电电池。
[0013]所述机架上还安装有与主控系统相连的电子罗盘、里程计、三轴加速度传感器和双目摄像头。
[0014]所述每条腿的上面两个关节长度大于等于20厘米，舵机采用380kg*cm扭矩的舵机。
[0015]本发明还同时提供一种上述导盲机器人的使用方法，其包括以下内容:首先启用学习模式，对规划路线进行学习并获得初始数据用于初始化和校正，即通过电子罗盘和三轴加速度传感器来探测盲人行走时的跨步，采用有关模型估算出步长和步频，以及通过双目摄像头搜索和记忆沿途的特征点；再切换为路径搜索模式，语音输入所要到达的目的地名字，机器人开始定位当前的位置并开始导航;盲人根据实时路况语音提醒通过手动切换按钮自由切换机器人的行动模式。
[0016]本发明提供的导盲机器人具有轮腿结构，可根据不同的路况自由切换行动模式: 当在平坦路段行进时，主控系统控制每条腿的两个舵机转动，每条腿的上部两个关节可以收缩折叠起来，由主控系统控制直流电机转动，机器人可以用轮子行走;当遇到凹凸不平路段或需要爬楼梯时，切换成另一个工作模式，主控系统控制每条腿的两个舵机反转，将腿全部展开，由舵机组驱动四条腿着地行走，可轻松跨越诸如楼梯的障碍物。
[0017]以下通过附图和【具体实施方式】对本发明做进一步阐述。
[0018]【附图说明】:图1为本发明的外观结构示意图；图2为本发明系统结构原理框图；图3为本发明的定位原理图。
[0019]【具体实施方式】:如图1至图3所示，本发明提供的具有轮腿结构的导盲机器人，包括带扶手2的机架1以及安装在机架1上的与主控系统电连接的人机通信模块、GPS模块、GMS模块、避障模块、电源模块和驱动模块;驱动模块包括直流电机和舵机组;避障模块包括超声波雷达和光电开关， 当遇到障碍物时，光电开关或超声波雷达作出避障反应，将信号传送给主控系统处理，并通过人机通信模块给盲人佩戴的蓝牙耳机发出语音提示，使盲人做好转向或停车准备;人机通信模块包括语音识别模块、蓝牙通讯模块和按键模块，语音识别模块是为了方便盲人选择目的地进行路线规划，盲人只需对话筒说出目的地名字，就能进行语音识别并控制机器人选择前进路线;按键模块包括工作模式按键、电话求助按键和速度调节按键，盲人可自由调节机器人的行进速度，以适合自己的步距和步频，当遇到紧急情况需要求助时，可按下电话求助按键通过GMS模块向所绑定的电话进行求助，工作模式包括学习模式和路径搜索模式。
[0020]考虑到机器人可在不同的路况下均能灵活自如的行进，在机架1的下部安装由舵机控制的四条腿，每条腿包含三个旋转关节并由三个舵机驱动，即上关节41由舵机31和舵机32控制，中关节42由舵机32和舵机33控制，腿与地面接触部位可看作是球关节，球关节43 由舵机33控制，三个旋转关节均为主动关节，则每条腿具有六个自由度，这样可灵活自如的行动，每条腿的下部为轮子，四个轮子均采用麦克纳姆轮，方便转向。导盲机器人的腿主要用于跨越马路牙子或上下楼梯等高低起伏的路段，因此，参考我国马路牙子和楼梯台阶的高度设计标准，将机器人的腿关节41和关节42的长度设计为大于马路牙子和楼梯台阶的高度，即大于等于20厘米，舵机采用380kg*cm扭矩的舵机，这样可以轻松跨越障碍物和上下楼梯。
[0021]上述方案中的机器人具有两种行进模式，模式一为平坦路况模式，模式二为高低起伏路况模式，在扶手2上设置手动切换按钮，可用于两种模式之间的自由切换。当启用模式一时，主控系统先控制每条腿的舵机31和舵机32转动，将每条腿的关节41和关节42收缩折叠起来，主控系统控制直流电机转动，导盲设备用四个轮子行走；当切换成模式二时，主控系统控制每条腿的舵机31和舵机32反转，将关节41和关节42展开，主控系统控制舵机组将机器人变成四条腿走路，可以轻松跨越障碍物或上下楼梯。
[0022]遇到障碍物时，除了通过语音进行提示，还可以通过设置在扶手2上与主控系统电连接的震动提示模块予以提醒。
[0023]为了防止机器人在使用过程中因电量不足而影响正常导航，本发明设计的导盲机器人提供两个电源，在机架I上安装太阳能光板和太阳能电池，在阳光充足的户外，太阳能光板将太阳能转换成电能并储存至太阳能电池中，由太阳能电池给GPS模块、GMS模块、避障模块、驱动模块和主控系统供电。当太阳能电池电量不足或在室内，可启用另外一个电源模块供电，该电源模块可通过220V交流电充电，具有充电结束后自动切断电源的保护功能。
[0024]进一步，为了提升该机器人在室内外导航的定位精度，本发明除采用GPS定位外，还采用多传感融合的行人定位技术，实现行人在室内外环境中较高精度的无缝定位，实现定位误差小于2%。即在机架上安装与主控系统相连的电子罗盘、里程计、三轴加速度传感器和双目摄像头。三轴加速度传感器可根据使用者的移动特征获取其步长和步频等初始化信息，在导航时通过电子罗盘和三轴加速度传感器获得使用者的每一步行走方向，结合其步长可以实时更新其所在的位置，结合其步频可以实时播报距离目的地的距离和所需要的时间，使盲人获得更加直观的位置变化信息。双目摄像头用于拍摄规划路段中的所有便于记忆的特征点，在导航前需通过工作模式按键切换成学习模式，并进行初始化记录，导航时，双目摄像头通过搜索模式不断搜索沿途路径的记忆特征点，主要解决人行道的搜索，以达到更好的导航效果。
[0025]应用上述结构的导盲机器人的方法为:首先启用学习模式，对规划路线进行学习并获得初始数据用于初始化和校正，即通过电子罗盘和三轴加速度传感器来探测盲人行走时的跨步，采用有关模型估算出步长和步频，以及通过双目摄像头搜索和记忆沿途的特征点;再切换为路径搜索模式，语音输入所要到达的目的地名字，机器人开始定位当前的位置并开始导航;盲人根据实时路况语音提醒通过手动切换按钮自由切换机器人的行动模式。
[0026]以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，本领域普通技术人员对本发明的技术方案所做的其他修改或者等同替换，只要不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围中。
【主权项】
1.一种轮腿结构的导盲机器人，其特征在于:包括带扶手的机架以及安装在机架上的 与主控系统电连接的人机通信模块、GPS模块、GMS模块、避障模块、电源模块和驱动模块，驱 动模块包括直流电机和舵机组;机架的下部安装由舵机控制的四条腿，每条腿包含三个旋 转关节并由三个舵机驱动，每条腿的下部为轮子;扶手上设有手动切换按钮，手动切换按钮 用于机器人行走模式的切换。2.根据权利要求1所述的一种轮腿结构的导盲机器人，其特征在于:所述轮子采用麦克 纳姆轮。3.根据权利要求1所述的一种轮腿结构的导盲机器人，其特征在于:所述避障模块包括 超声波雷达和光电开关。4.根据权利要求1所述的一种轮腿结构的导盲机器人，其特征在于:所述人机通信模块 包括语音识别模块、蓝牙通讯模块和按键模块，所述按键模块包括工作模式按键、电话求助 按键和速度调节按键。5.根据权利要求1所述的一种轮腿结构的导盲机器人，其特征在于:所述扶手上设有与 主控系统电连接的震动提示模块。6.根据权利要求1所述的一种轮腿结构的导盲机器人，其特征在于:所述机架上还设有 太阳能光板和太阳能电池，太阳能电池给GPS模块、GMS模块、避障模块、驱动模块和主控系 统供电。7.根据权利要求1所述的一种轮腿结构的导盲机器人，其特征在于:所述电源模块采用 带保护功能的可充电电池。8.根据权利要求1所述的一种轮腿结构的导盲机器人，其特征在于:所述机架上还安装 有与主控系统相连的电子罗盘、里程计、三轴加速度传感器和双目摄像头。9.根据权利要求1所述的一种轮腿结构的导盲机器人，其特征在于:所述每条腿的上面 两个关节长度大于等于20厘米，舵机采用380kg*cm扭矩的舵机。10.如权利要求1至9任一一种轮腿结构的导盲机器人的使用方法，其特征在于:包括以 下内容:首先启用学习模式，对规划路线进行学习并获得初始数据用于初始化和校正，即通 过电子罗盘和三轴加速度传感器来探测盲人行走时的跨步，采用有关模型估算出步长和步 频，以及通过双目摄像头搜索和记忆沿途的特征点;再切换为路径搜索模式，语音输入所要 到达的目的地名字，机器人开始定位当前的位置并开始导航;盲人根据实时路况语音提醒 通过手动切换按钮自由切换机器人的行动模式。
【文档编号】A61H3/06GK105997447SQ201610270811
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年4月27日
【发明人】石松泉, 王小奇, 朱文彬, 周园, 郑罄婷, 贾永凯, 周祎军, 陈坤
【申请人】绍兴文理学院