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导盲机器人硬件结构
摘要
导盲机器人是为视觉障碍者行动提供导航帮助的一种服务机器人,它利用多种传感器对周围环境进行探测,将探测的信息进行处理然后做出相应的反馈提供给驱动装置和视障者,以帮助使用者有效地避开障碍。
世界上视觉障碍者数量众多,而他们只能用60%的感觉来获取经验。
因而设计一款实用的导盲机器人来帮助视觉障碍者是十分必要的。
本文在综述国内外现有导盲辅助工具特点的基础上,确定了导盲机器人的总体方案。
机器人行走机构采用1个万向轮和2个差动轮的轮式结构,在两个差动轮中,有一个是由驱动电机,从而控制车体行进方向,机器人前进的动力由使用者自身提供。
机器人采用西门子S7-200控制,配备射频传感器、红外传感器、超声波传感器等检测环境信息,并具有语音提示功能。
机器人的主体控制思想为BP神经网络算法,基于这种算法,机器人可以选择合适的转动角度,确定最优运动路径。
关键词:
导盲机器人;避障;传感器;BP神经网络算法
Abstract
Asoneofservingrobots,Theblindguidingrobotisanoveldevicedesignedtohelpblindorvisuallyimpairedusersnavigatesafely.itdetectstheenvironmentinformationbythemanykindsofsensors.Anditsendstheinformationtotheblindandrobot,andhelpshim/herknowtheenvironmentandavoidtheobstacleefficiently.
Throughouttheworld,thenumberofblindisnumerous,andtheblindhavetouse60%abilitiesofsensory.Designingasortofpracticalblindguidingrobottohelpthevisualimpairedpersonshasgreatsignificance.
Accordingtothecharactersintheblindguidingrobotathomeandabroad,aportableandreasonablegeneralschemeisdesigned.Thewalkingmechanismoftherobotisthewheel-structure.Ithasonesteeringwheelandtwouniversalwheels.andoneofuniversalwheelsisdrivenbythemotor.Thesteeringwheelcontrolsthemarchingdirectionoftherobot.Theprogressivepowerofrobotisprovidedbytheuser.APLCisusedtocontrolthebehaviorsoftherobot.AndtherobotdetectstheenvironmentwiththreetypesofsensorsincludingUltrasonicSensor,InfraredSensor,andaRFIDsensor.ThemainprogramofrobotisbasedonBPneuralnetworkalgorithm,Andtherobotcanselecttheappropriaterotationangle,todeterminetheoptimalmotionpath.
Keywords:
Theblindguidingrobot;AvoidingObstruction;Sensor;BPneuralnetworkalgorithm
第一章绪论
1.1引言
世界卫生组织估计全世界有盲人4000万到4500万,低视力人数是盲人的3倍,约1.4亿人,我国曾在上世纪80年代进行过视力残疾状况调查。
结果显示,我国有视力残疾患者近1300万,其中盲约550万,低视力约750万。
据报道,我国每年会出现新盲人大约45万,低视力135万,即约每分钟就会出现1个盲人,3个低视力患者。
如果不采取有力措施,到2020年我国视力残疾人数将为目前的4倍,即将达到5000余万。
对于视障人士来说如何掌握行走的方式和特性是日常生活的重要部份,他们可以依赖一定的辅助设施,比如传统的盲杖、加入声波探测障碍物的电子盲杖,还有其他的盲人导航设备等等,这一切都有它们的优点和缺点。
80%的视力残疾人士觉得,现时所能提供的辅助设施实际上不能满足他们的活动需要,它们不能给用户提供正确的路径和躲避障碍。
几乎所有的视力残疾人士都希望有一个辅助导航设施可以让他们和正常人一样的,能确保他们在路上感觉方便和安全。
中国在2006年4月将第一批导盲犬交于第一人使用。
但是,导盲犬的日常费用是相当昂贵的,对一般普通盲人来说是相当大的开销,因此,发明一款适合于中国盲人的导盲机器或者行动辅具是十分有必要的。
1.2国内外发展概况
在导盲机器人的发展历程中,人们首先是以室内环境为背景,开始了移动机器人的探索性研究。
此时并没有针对具体的任务或应用背景,而是面向室内结构化环境的基本技术的初步研究,包括机器人结构设计,控制技术,传感器技术,信息融合,路径规划和不确定性处理等。
一些国外大学和研究机构的早期研究得到很多重要的结论。
此外,对多传感器信息融合在机器人上的运用,积累了大量宝贵经验。
进入八十年代后,人们根据前一阶段的研究技术基础,开始了对室内自主式移动机器人的研究。
一直持续到今天,目前来看,导盲机器类型大致可分为以下3类:
一.手杖类导盲辅具
视觉障碍者使用最普遍的辅助工具就是白手杖(White-cane)。
由于在行动上有诸多受限,所以他们在生活上面临很大的挑战。
正因为白手杖的设计简单使用方便,所以便一直被普通盲人所使用。
2010年5月20日,日本公开了一种新发明的电子导盲杖,该种导盲杖能够让使用者感受到脸部高度处的障碍物。
这种新型导盲杖装有2个超声波感应器,能够感应到前方2米脸部高度处的障碍物,并通过震动手柄通知使用者。
该导盲杖重量也控制在300克左右,与传动导盲杖基本相当。
二.穿戴式导盲辅具
美国大学机器人实验室Shoval以其所设计的避障系统ObstacleAvoidanceSystem(OAS)为基础开发出了腰带式行动辅具。
该辅具在实际使用上可分为引导模式(GuidanceMode)及全景模式((ImageMode)等两种模式。
引导模式是带领使用者在不发生碰撞的情况下绕过障碍物,全景模式是以超声波试图描绘出区域内的全景地图,在转变成声音的大小、频率及左右方位差异等发音方式,告知使用者所在区域内障碍物的大小、远近等信息,让视障者判断出周围环境情况。
三.移动式导盲辅具
Rentschle研发了一款行动辅具VA-PAMAID(VeteransAffairsPersonalAdaptiveMobilityAid)其续航力可以达到10.9公里(充满电时)在行程速度达到1.2m/s时,可正确的避开障碍物。
此产品主要适用于老年人,可辅助行动者身体的平衡。
虽然,该系统的功能比较强大,但是,其体积过于庞大,对于视障者而言将不适合。
日本山梨大学(UniversityofYamanashi)研制了一种智能手推车ROTA(RoboticTravelAid)。
这款小车高lm,重60kg,配备视觉系统以及视觉传感器和声音传感器。
它可以引导人穿过马路,当它移动的时候,能够意识到周围的环境,并且能够识别路标,例如斑马线,交通信号灯。
当它探测到交通信号灯变红或者车和其他步行者的时候,它将会停下来。
如果遇到问题,它将与服务中心取得联系,并且允许在轨道上给出额外的信息和命令。
目前国内的研究普遍落后于国外。
国内的研究重点基本是在拐杖方面下功夫,如北京理工大学研制的“导盲杖”。
在导盲机器人上的研究相对而言有所不足。
1.3发展趋势
目前对服务机器人的初步定义为:
服务机器人是一种半自主或全自主工作的机器人,它能完成有益于人类健康的服务工作,但不包括从事生产的设备。
服务机器人往往是可以移动的,在某些情况下,服务机器人可以由一个移动平台构成,在它上面装有一只或几只手臂,其控制方式与工业机器人手臂的控制方式相同。
我们这里所指的室内导盲机器人是在室内工作环境能够自主移动的智能机器人。
随着机器人技术的不断成熟和发展,人们对机器人的需求已经不再仅仅满足于工业自动化生产,而把更多的注意力转移到为人类的生活服务上来。
机器人的智能化是机器人的发展趋势,各种控制算法的开发与应用也为智能化提供了更多的实现方式。
.其中,模糊控制方法在机器人的智能控制中得到了广泛的应用。
导盲机器人作为服务机器人的一种,在外界复杂的情况下,要想使其控制方案更加优化、行进轨迹更加合理,模糊控制应用在导盲机器人上是发展的必然趋势。
模糊控制是以模糊集合理论为基础的一种新兴的控制手段,它是模糊系统理论和模糊技术与自动控制技术相结合的产物。
将模糊集合理论运用于自动控制而形成的模糊控制理论,在近年来得到了迅速的发展,其原因在于对那些时变的非线性的复杂系统,无法获得精确的数学模型的时候,利用具有智能的模糊控制器能给出有效的控制。
例如,在炼钢,化工,人文系统,经济系统以及医学心理系统中,要得到正确而且精密的数学模型是相当困难的。
对于这些系统却具有大量的以定性的形式表示的极其重要的先验信息,以及仅仅用语言规定的性能指标。
同时,要求过程的操作人员是系统的基本组成部分等。
所有这些都是一种不精确性,应用一般的控制理论是很难实现控制的,但是,这类系统由人来控制却往往容易做到。
这是因为过程操作人员的控制方法是建立在直观的和经验的基础上,他们凭借实践积累的经验,采取适当的对策完成控制任务,于是,人们把操作人员的控制经验归纳成定性描述的一组条件语句,然后运用模糊集合理论将其定量化,使控制器得以接受人的经验,模仿人的操作策略,这样就产生了以模糊集合理论为基础的模糊控制器。
模糊控制理论的提出是控制思想的一次深刻的变革,它标志着人工智能发展到了一个新的阶段。
如果将模糊控制理论应用在导盲机器人控制系统中,将是导盲机器人领域的一次变革。
4主要工作
本文主要是针对导盲机器人在室内环境下进行开发与设计,其中主要包括:
导盲机器人机械结构设计;控制系统硬件电路设计。
论文的主要内容如下:
1.导盲机器人总体方案设计:
主要包括导盲机器人工作方案设计;多传感器检测方案设计;系统控制方案设计;系统机械方案设计;以及车体运动学分析。
2.系统硬件设计:
主要是硬件系统控制方案设计;主控系统设计;外围功能模块设计。
第2章总体方案拟定
2.0基本任务
本文研究的导盲机器人主要是为了给盲人和视力障碍者在室内行进提供导航。
室内导盲机器人最常见的工作环境是结构化环境,如办公室、超级市场、家庭居室等等。
这些场所的共同特征是平整的地板、垂直的墙壁、规范的门厅和走廊。
在这种环境中,机器人可能和人类经常要发生互动作用。
机器人必须设法使它自己穿梭十各种事物之中。
同时,在这种环境中,机器人设计者可以通过假设有关环境的约束来平衡目前环境感知技术的缺陷。
不同与应用在工业生产上的机器人,导盲移动机器人主要应用在一种结构化的工作环境中。
将来它作为家务和办公室的助手正逐渐走进人们的生活而不仅仅是导航。
而这种机器人的研制也正成为今后机器人技术的一个发展方向。
室内移动机器人导航的基本任务主要有以下两个方面:
1、基于环境理解的全局定位:
既通过对环境中景物的理解,识别人为路标或具体的实物,以完成对机器人的定位,为路径规划提供素材;
2、目标识别和障碍物检测:
实时对室内地面上障碍物进行检测或对特定目标进行检测和识别,提高控制系统的稳定性;
3、安全保护:
能对室内地面上出现的凹陷或移动物体等进行分析,以避免对导盲机器人造成损伤。
2.1方案设计
盲人只是在视觉方面存在着缺陷,身体的其他部分是完全可以利用上的。
结合盲人的特点,在他的活动空间内,给予他视觉方面信息的补充,这就是导盲机器人的作用所在。
怎样将导盲机器人与使用者完美的结合在一起,这就需要依托人机合作机器人(CollaborativeRobot,Cobot)理论来确定总体方案。
Cobot是一种被动式、可与操作者在一个物理空间实现人机合作作业的特种机器人,它基于不完全约束传动机构和虚拟轨迹(虚拟墙)控制理论,它不能单独工作,通过人机合作完成作业任务。
它对操作者安全,即使失控也不会伤害操作者,适用于对安全性要求高(如外科手术)和作业任务复杂(如装配作业)等场合。
Cobot物理上是被动的,因而它是安全而稳定的设备,驱动控制系统的作用被用来“分配和定向”操作者的力以及产生围绕重心产生旋转运动。
Cobot有两个显著特点,一是它以被动方式工作,其运动的力由操作者提供,它不会伤人;二是它是以约束方式工作,Cobot关节上电机仅起约束作用,只有与人合作才能完成作业任务,控制系统约束了机器人的方向和轨迹,操作者提供机器人运动所需要的力。
遵从Cobot两个显著特点来设计导盲机器人,能够达到理想的效果。
首先导盲机器人自身不需要提供前行的动力,这就减少了驱动电机的数量,减少了电源的质量,从而减轻了车体的重量,使机器人相对于使用者来说更便携。
这是符合被动方式工作的特点。
其次利用电机仅仅对舵轮的摆角进行控制约束,这也是符合约束方式工作的特点。
可以通过驱动电机的正反转使车轮差速,从而改变导盲机器人的行进方向。
根据这种设计方法再次结合盲人的活动空间的变化,可以得出整体机器人的总体方案。
利用特定传感器的一些特点,对室内碰到的环境状况可以实现信息的反馈,进而弥补盲人的信息的缺失。
其中红外传感器,超声波传感器以及射频识别(RFID)近年来在导航避障方面应用日趋广泛。
2.2多传感器检测方案设计
导盲机器人运用了多传感器对外界环境进行探测,其中涉及到多传感器的选择问题以及多传感器的数据融合处理技术。
2.2.1模块的选择
总体方案设计确定了传感器的种类以及各个传感器的职能。
传感器是当今应用比较广泛的探测工具,本文主要选择以下几种传感器:
1.红外传感器模块
红外传感器是利用红外线为介质的测量传感器,本文选用的是北京易学通电子的E18-D80NK红外避障传感器,这是一种集发射与接收一体的传感器,主要用于探测车体两侧的障碍,工作电压为5V,电流100mA,对障碍物的感应可以通过后部的旋钮进行调节,探测范围3---80cm,模拟量输出,输出电压与探测距离成比例。
E18-D80NK红外避障传感器实物图
2.超声波传感器模块
超声波传感器是利用超声波的特性研制而成的传感器。
超声波是一种振动频率高于声波的机械波,它是由转换晶片在电压的激励下发生振动产生的,具有频率高、波长短、绕射现象小,特别是方向性好、能够成为射线定向传播等特点。
超声波探头主要由压电晶片组成,既可以发射超声波,也可以接收超声波。
小功率超声探头多作探测作用。
它有许多不同的结构,可分直探头(纵波)、斜探头(横波)、表面波探头(表面波)、兰姆波探头(兰姆波)、双探头(一个探头反射、一个探头接收)等。
本文选用深圳市电应普科技有限公司DYP-ME007超声波测距模块。
它可提供3cm--3.5m的非接触式距离感测功能,芯片包含超声波发射器、接收器与控制电路。
其基本工作原理为给予此超声波测距模块一触发信号后发射超声波,当超声波投射到物体而反射回来时,模块输出一回响信号,以触发信号和回响信号间的时间差,来判定物体的距离。
DYP-ME007超声波测距模块实物图
3.射频识别模块
射频识别即RFID(RadioFrequencyIDentification)技术,又称电子标签、无线射频识别,是一种通信技术,可通过无线电讯号识别特定目标并读写相关数据,而无需识别系统与特定目标之间建立机械或光学接触。
射频识别系统通常由电子标签(射频标签)和阅读器组成。
应用中将电子标签附着在待识别物品上,作为待识别物品的电子标记。
阅读器与电子标签可按约定的通信协议互传信息,通常的情况是由阅读器向电子标签发送命令,电子标签根据收到的阅读器的命令,将内存的标识性数据回传给阅读器。
这种通信是在无接触方式下,利用交变磁场或电磁场的空间耦合及射频信号调制与解调技术实现的。
本文选用XL105-232AP1模块。
XL105-232AP1是LJART接口半双工无线传输模块,可以工作在2400M公用频段。
符合欧洲ETSI(CEN300-220和EN300-440)满足无线管制要求,无需申请频率使用许可证。
XL105-232AP1射频模块实物图
4.语音模块
为了能够使信息更加全面准确的进行反馈,本文采用EM2218C语音模块进行具体信息的播报,使得使用者更能清晰地了解周围的环境。
此款语音模块使用的电源是直流6——12V。
它的主要功能有:
接上电源和发声器(喇叭),按住“REC”键开始录音,最长时间为60——120s。
可以将120s的内容分成几段来录,并且连接相应的引脚便可以播放相应的声音。
并且可以将录制内容分为十段,可以控制任意选取不同段播放。
EM2218C实物图
2.2.2信息融合设计
多传感器信息融合是指将经过集成处理的多传感器信息进行合成,形成对外部环境某一特征的一种表达方式。
经过融合的多传感器信息能完善地、精确地反映环境特征。
信息融合是由传感器、处理机及相关设备与融合软件组成。
信息融合通常在一个被称为信息融合中心的信息综合处理器中完成,一个融合中心本身可能包含另一个信息融合中心。
多传感器信息融合可以是多层次、多方式的,根据应用场合的不同,其信息融合的拓扑结构形式也是多样的。
比较常用的拓扑结构是按传感器和融合中心的信息流关系分类,主要有并联型、串联型、混合型和网络型,这些融合关系都有各自的特点。
根据导盲机器人设计的特点,再结合各种多传感器信息融合的优点,选定以并联型的信息融合方式,如图2.3所示,所有传感器将自身观测或预处理后的结果传输给融合中心,由中心对全部传感器数据进行处理,得出对环境的判断和最终的结论。
并联型适宜解决时空多传感器信息融合问题,且系统扩展性较好,即使增减传感器的数目亦不至于对融合中心产生太大的影响,这样可以很好的得到各个传感器的探测结果也能够使结构简单。
并联结构图
2.3系统控制方案设计
导盲机器人是集环境感知、动态决策与规划、行为控制与执行等多种功能于一体的综合系统,是一种具有一定智能、在一定范围内移动且能完成各种规定任务的机器人,根据系统的这一特点,本文采用模块化的设计方案。
模块化机器人控制系统设计的主要内容是模块的划分和模块的设计。
模块的划分既要考虑模块化机器人的应用范围、工件特点和性能,同时也要符合以下几条基本原则:
1.每个模块单元在功能上应具有相对独立性,并且可实现特定的功能。
2.每个模块单元与其它单元之间的连接应尽可能的简单,各个控制单元接口连接应方便、快捷、可靠。
3.每个模块在运动学和动力学上应具有相对的独立性。
本文总体控制模块的关系如图2.4所示,感知模块用于感知周围的环境,将信息送入控制模块,控制模块据此做出判断,发出指令给行走模块,从而实现移动机器人的运动。
同时行走模块的反馈系统将其状态反馈给控制器,以便控制模块更准确地判别。
人机交互模块是人与机器人进行交流的模块,人应该通过此模块向机器人发出指令,机器人可以通过这个模块向人汇报自己的状态。
这些模块都是各自独立,组成了导盲机器人的总体控制思路。
图2.4总体模块关系
由于系统需要探测的信息很多,而且探测的方式也有多种,整体信息处理系统也采用模块化设计,如图2.5所示。
这些模块相当于总体模块中的子模块。
信息系统模块中的障碍探测模块是属于感知模块的子模块。
数据处理模块、逻辑控制模块、数据传输模块是属于控制模块的子模块。
语音控制模块是属于人机交互模块的子模块。
车轮控制模块是属于转弯模块。
将大模块分割为各个子模块,思路更加清晰,控制效果更为明显,而且各个子模块功能互相独立,模块与模块之间采用标准接口,当一个模块出现故障时,只需对相应模块做出调整,实现了控制系统的简洁与快速实现的功能。
系统的模块化控制是需要做出一定的调配的,需要理清各个模块的优先级别。
设定模块的执行等级和执行次序,并且将各个模块的逻辑关系需要利用控制硬件来设定。
2.4机械硬件设计
作为服务机器人的一个种类,机械结构的设计要更加人性化,这就需要人机工程学的理论作为设计的指导思想。
所谓人机工程学是指研究人的特性及工作条件与机器相匹配的科学,主要通过揭示人一机一环境系统的规律,以达到确保人、机、系统总体性能的最优化。
以人机工程学理论作为指导,是导盲机器人结构设计的关键,其主要体现在以下几项:
1.操作装置设计
由于使用者的特点,所以导盲机器人主体设计的自动化程度越高越好,这样可以为使用者提供很大的便利。
根据人机工程学理论,车体向前动力完全由使用者自身来提供,车体由三个轮子支撑,车体前部一个万向轮,后部两个差动轮,其中一轮(以下称为右轮)由步进电机控制。
导盲机器人底部结构示意图
为了更好的控制车体以及与车体形成交互功能,在推动杆靠近把手的位置安装一个操作盒,这种安装方式根据使用者的“触手可得”的设计理念,通过控制面板,可以人为的控制调整导盲机器人的运动方向,使整个操纵方式又进一步简单易操作,也使得机器人的操纵更加的人性化。
盒上主要有耳机插孔,左转,右转以及电源。
虽然导盲机器人自身配置扬声器,但是为了考虑到室内的安静,所以设计了耳机插孔,把对其他人的影响尽量减小。
盒面如图2.7所示。
控制面板
2.把手结构设计
根据人机工程学理论,在设计导盲机器人各部分尺寸时,对于机器人操纵杆而言,主要起到掌握方向和推动车体前进的作用,而且操纵高度非常关键:
如果太高,操纵者将通过上臂将肩部耸起,长期使用将给操作者带来肩部的不适和病痛;如果太低,则操作者需要弯腰工作,这样对身体伤害更大。
选用可伸缩的把手杆,根据不同人的不同身高调节适合每个人舒适程度的高度是十分重要的。
同样,在设计把手位置的时候应该以最适合人的使用为目的,包括保持手臂的操作活动、使肘关节处于正常自然的状态等等,于是本文将把手设计在操作杆的尾端并且向下弯曲的状态,具体结构如图2.8所示,使操纵者保持一种舒适的状态进行操作,并且在把手上套海绵套起到防滑的作用。
导盲机器人把手
3.内部结构设计
根据多传感器的使用,以及轻便小巧的结构要求,将导盲机器人内部设计的紧凑合理。
在车体前部中间的位置是超声波传感器模块射频识别模块,主要作为车体导航的手段,预先探测的方式来引领使用者前行。
与次模块并列的是红外传感器模块,他们被固定在车体前部的左右两方用来探测行进两侧的环境信息。
同样是一种预判的工作方式,只是红外传感器是对超声波传感器加以补充。
舵机安装的位置是与舵轮同轴的,这样方便控制舵轮的转向减少了力的损失。
操纵杆的衔接点是在车体的重心处起到了驱动作用,放在重心点是为了使车体运行平稳。
电池与主控电路板则放在车体的其他空位。
这样设计使得整个车体空间更加的饱满,具体各器件的安装三维建模如图2.9所示。
导盲机器人机械结
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