CN106426201B - 一种坐式服务机器人及运动方向识别方法 - Google Patents

一种坐式服务机器人及运动方向识别方法 Download PDF

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Abstract

一种坐式服务机器人及运动方向识别方法属于机器人技术领域，尤其涉及一种坐式服务机器人及运动方向识别方法。本发明提供一种可解决下肢残障者日常独立生活问题的坐式服务机器人及运动方向识别方法。本发明坐式服务机器人包括全向轮、刹车盘、电源开关、底座和称重传感器，其结构要点底座上端两侧设置有把手，底座下端设置有固定架，固定架内设置有控制装置、电机座和伺服电机，伺服电机固定在电机座上，伺服电机的轴穿过固定架预留的轴承孔后与固定架外侧的全向轮同轴连接；所述伺服电机的电源线与控制装置的驱动输出端相连接。

Description

一种坐式服务机器人及运动方向识别方法
技术领域
本发明属于机器人技术领域，尤其涉及一种坐式服务机器人及运动方向识别方法。
背景技术
随着高龄人口增加，交通事故增多，导致下肢残障者数量逐年增长。如何解决下肢残障者的日常生活问题，不仅是家庭，也是社会关心的大事。因此，设计一种坐式服务机器人，依靠下肢残障者上半身的运动功能实现室内移动，帮助残障者完成日常生活活动具有重要意义。
现有的服务机器人没有充分利用残障者身体的残余功能，未能让残障者主动参与生活，这样残障者将会逐渐丧失生活的兴趣。同时，室内空间环境有限，需要机器人结构紧凑，运动灵活，这样才能克服已有机器人室内实际应用的局限性。到目前为止，还没有一种依靠残障者身体残余功能实现室内移动的坐式服务机器人。本发明设计一种坐式服务机器人，并能识别残障者的运动意图方向，对帮助残障者完成日常生活活动具有重要意义。
发明内容
本发明就是针对上述问题，提供一种可解决下肢残障者日常独立生活问题的坐式服务机器人及运动方向识别方法。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案，本发明坐式服务机器人包括全向轮、刹车盘、电源开关、底座和称重传感器，其结构要点底座上端两侧设置有把手，底座下端设置有固定架，固定架内设置有控制装置、电机座和伺服电机，伺服电机固定在电机座上，伺服电机的轴穿过固定架预留的轴承孔后与固定架外侧的全向轮同轴连接；
所述伺服电机的电源线与控制装置的驱动输出端相连接；
所述刹车盘与全向轮的轮毂通过刹车片连接法兰固定在一起，固定架外侧相应于刹车盘设置有制动卡钳，制动卡钳的控制端通过刹车线与把手上的手刹上的手刹连接线孔连接在一起；
所述电源开关与控制装置的电源控制端口相连；
所述称重传感器设置在底座上端中部，称重传感器的信号输出端口与控制装置的检测信号输入端口相连；称重传感器上端设置有坐垫。
作为一种优选方案，本发明所述全向轮采用QLM-12全向轮。
作为另一种优选方案，本发明所述全向轮为四个，所述固定架为正方形，正方形每边的中点各设置一个全向轮。
作为另一种优选方案，本发明所述刹车线依次穿过固定架上的第一过线孔、底座上的第二线孔、把手线孔。
作为另一种优选方案，本发明所述电源开关设置在把手上端一侧，电源开关通过导线与控制装置的电源控制端口相连，导线依次穿过把手线孔、底座上的第二线孔。
作为另一种优选方案，本发明所述称重传感器粘在底座中部的称重传感器卡槽上，称重传感器通过导线与控制装置相连接，导线通过底座上的第三线孔；坐垫嵌在底座上的坐垫卡槽上。
作为另一种优选方案，本发明所述称重传感器为两个，两个称重传感器位于坐垫中心一字排开。
其次，本发明所述两个称重传感器的间距为18cm。
另外，本发明所述控制装置包括惯性导航模块、信号功率放大器、控制器和动力驱动模块，控制器的检测信号输入端口分别与信号功率放大器的信号输出端口、惯性导航模块的信号输出端口相连，控制器的驱动信号输出端口通过动力驱动模块与伺服电机的电源线相连。
本发明运动方向识别方法，包括以下步骤：
步骤1)将两个称重传感器分别标记为S1和S2，同时以两个传感器连线为x轴，两个传感器连线的垂直平分线为y轴；将运动方向分为右、前、左、后四个方向，并分别表示角度0°、90°、180°、270°；标记传感器S1测得的压力为传感器S2测得的压力为i＝1,2,3,4分别表示使用者上半身重心向0°、90°、180°、270°运动的方向；建立模糊规则如下：
如果S1是S2是那么运动方向D是角度Ai；
其中D表示运动方向，Ai表示运动方向的角度；
步骤2)使用者坐在机器人上，分别往四个运动方向运动三次，采集传感器S1的压力值和传感器S2的压力值并计算每个传感器三次测得的压力平均值和标准差SD，其中j＝1,2；利用压力平均值和标准差SD建立三角形模糊集合，三角形与x轴的交点分别为和并将记为将记为当机器人运动时测得使用者重心运动产生的压力值为wj，采用距离型模糊推理方法，计算压力值wj与的距离和dij，描述如下
步骤3)使用者坐在机器人上按照自己的运动习惯在室内移动，采集传感器S1和S2测得的所有压力值，并将S1和S2的压力值范围分别记为区间和获取这些数据之后，使用者上半身重心固定向0°、90°、180°、270°运动，采集传感器S1和S2产生的压力值，分别将这四个方向的压力值记为区间和 和和和分别利用四个方向的压力值区间和和和和以及所有压力值区间和计算使用者向这四个方向运动的概率值，并将这些概率值分别记为和和和和
步骤4)获得压力值wj与的距离和dij及使用者对各运动方向的概率值后，计算使用者上半身重心移动产生的运动意图方向角度如下
其中A表示运动意图方向角度，ai∈{0°,90°,180°,270°}；
当机器人识别出使用者运动意图方向角度A后，将识别角度与高精度惯性导航模块测量的机器人实际方向角度相比较，把偏差角度传给控制装置(9)中的控制器，电池(8)给伺服电机(6)供电，伺服电机(6)驱动全向轮(1)按照识别的方向角度运动，机器人帮助使用者实现室内移动。
本发明有益效果。
本发明刹车盘与全向轮的轮毂通过刹车片连接法兰固定在一起，并与固定架外侧制动卡钳相配合组成碟刹制动系统。碟刹制动系统经过第一过线孔、第二过线孔、把手线孔，通过刹车线与手刹上的手刹连接线孔连接在一起，组成完整的碟刹手动制动系统。
本发明底座起支撑固定作用。
本发明坐垫可采用符合人体工程学坐姿的坐垫，如直径为40cm的坐垫。
本发明高精度惯性导航模块用于反馈机器人的实际运动角度，功率放大器用于放大称重传感器检测的信号，信号放大后，控制器通过运动方向识别方法识别出意图方向角度，实际运动角度与识别的意图方向角度的差值作为控制器输入，控制器输出信号传给动力驱动模块，驱动伺服电机工作，从而使机器人实现室内行走。控制装置固定在底座下表面连接的固定架中，电池为控制装置提供电源，通过电源开关控制设备电源的接通与断开。
使用本发明时，使用者坐在机器人的坐垫上，通过称重传感器检测上半身重心向右、前、左、后四个方向运动对坐垫产生的压力，并制定右、前、左、后四个方向分别表示角度0°、90°、180°、270°，同时利用概率描述使用者对四个运动方向的习惯性，结合模糊推理提出一种运动方向识别方法。机器人识别出使用者运动方向的意图后，将识别角与高精度惯性导航模块测量的机器人实际方向角度比较，把偏差角度传给控制装置中的控制器，电池给伺服电机和控制装置供电，伺服电机驱动全向轮按照使用者的意图方向角度运动，从而机器人帮助使用者实现室内移动。
由上述可知，本发明机器人结构设计紧凑、运动灵活，能充分利用残障者上半身的运动功能，帮助下肢残障者实现室内移动。机器人能够识别残障者的运动意图方向，有效提高了机器人的智能性；充分利用残障者身体的残余功能，残障者能积极参与生活；残障者坐在机器人上能独立完成日常生活活动。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。本发明保护范围不仅局限于以下内容的表述。
图1为本发明整体结构示意图。
图2为本发明整体侧仰视结构示意图。
图3为本发明连接机构结构示意图。
图4为本发明底座上表面结构示意图。
图5为本发明运动方向检测平台组装结构示意图。
图6为本发明把手结构示意图。
图7为本发明QLM‐12全向轮与刹车片结构示意图。
图8为本发明称重传感器三角形模糊集合图。
图9为本发明坐式服务机器人系统结构框图。
图10为本发明控制装置内各模块工作流程框图。
附图标记说明：
1.QLM‐12全向轮，2.制动卡钳，3.刹车盘，4.固定架，5.电机座，6.伺服电机，7.第一过线孔，8.电池，9.控制装置，10.把手安装座，11.第二过线孔，12.坐垫卡槽，13.称重传感器卡槽，14.第三线孔，15.底座，16.电源开关，17.把手，18.手刹，19.把手线孔，20.刹车线孔，21.手刹连接线孔，22.手刹与把手主体连接孔，23.称重传感器，24.坐垫，25.刹车片连接法兰。
具体实施方式
如图所示，本发明坐式服务机器人包括全向轮、刹车盘、电源开关、底座(15)和称重传感器(23)，底座(15)上端两侧设置有把手，底座(15)下端设置有固定架(4)，固定架(4)内设置有控制装置(9)、电机座(5)和伺服电机(6)，伺服电机(6)固定在电机座(5)上，伺服电机的轴穿过固定架(4)预留的轴承孔后与固定架外侧的全向轮(1)同轴连接；
所述伺服电机(6)的电源线与控制装置的驱动输出端相连接；
所述刹车盘(3)与全向轮(1)的轮毂通过刹车片连接法兰(25)固定在一起，固定架(4)外侧相应于刹车盘(3)设置有制动卡钳，制动卡钳的控制端通过刹车线与把手上的手刹(18)上的手刹连接线孔(21)连接在一起；
所述电源开关与控制装置(9)的电源控制端口相连；
所述称重传感器(23)设置在底座上端(15)中部，称重传感器(23)的信号输出端口与控制装置(9)的检测信号输入端口相连；称重传感器(23)上端设置有坐垫(24)。
所述全向轮采用QLM-12全向轮。
所述全向轮为四个，所述固定架(4)为正方形，正方形每边的中点各设置一个全向轮。
所述刹车线依次穿过固定架(4)上的第一过线孔(7)、底座上的第二线孔(11)、把手线孔。
所述电源开关设置在把手上端一侧，电源开关通过导线与控制装置(9)的电源控制端口相连，导线依次穿过把手线孔、底座上的第二线孔(11)。
所述称重传感器(23)粘在底座(15)中部的称重传感器卡槽(13)上，称重传感器通过导线与控制装置(9)相连接，导线通过底座上的第三线孔(14)；坐垫(24)嵌在底座上的坐垫卡槽(12)上。
所述称重传感器(23)为两个，两个称重传感器(23)位于坐垫中心一字排开。
所述两个称重传感器(23)的间距为18cm。提供对试验者的坐姿的体压分布测量，获得的最佳称重传感器(23)的间距。
所述固定架(4)通过螺丝与底座(15)固定在一起。
所述控制装置(9)包括惯性导航模块、信号功率放大器、控制器和动力驱动模块，控制器的检测信号输入端口分别与信号功率放大器的信号输出端口、惯性导航模块的信号输出端口相连，控制器的驱动信号输出端口通过动力驱动模块与伺服电机(6)的电源线相连。
所述高精度惯性导航模块采用JY-901高精度惯性导航模块，控制器采用IntelBay Trail J1900控制器。
本发明运动方向识别方法，包括以下步骤：
步骤1)将两个称重传感器分别标记为S1和S2，同时以两个传感器连线为x轴，两个传感器连线的垂直平分线为y轴；将运动方向分为右、前、左、后四个方向，并分别表示角度0°、90°、180°、270°；标记传感器S1测得的压力为传感器S2测得的压力为i＝1,2,3,4分别表示使用者上半身重心向0°、90°、180°、270°运动的方向；建立模糊规则如下：
如果S1是S2是那么运动方向D是角度Ai；
其中D表示运动方向，Ai表示运动方向的角度；
步骤2)使用者坐在机器人上，分别往四个运动方向运动三次，采集传感器S1的压力值和传感器S2的压力值并计算每个传感器三次测得的压力平均值和标准差SD，其中j＝1,2；利用压力平均值和标准差SD建立三角形模糊集合，三角形与x轴的交点分别为和并将记为将记为当机器人运动时测得使用者重心运动产生的压力值为wj，采用距离型模糊推理方法，计算压力值wj与的距离和dij，描述如下
步骤3)使用者坐在机器人上，往往有一种向某个方向运动的习惯，比如为了躲避障碍物，存在多种运动方向可选择的前提下，使用者更倾向于某一个习惯性的运动方向。为了刻画这种运动习惯性，提出利用使用者在各运动方向的概率值进行描述，具体方法如下：
使用者坐在机器人上按照自己的运动习惯在室内移动，采集传感器S1和S2测得的所有压力值，并将S1和S2的压力值范围分别记为区间和获取这些数据之后，使用者上半身重心固定向0°、90°、180°、270°运动，采集传感器S1和S2产生的压力值，分别将这四个方向的压力值记为区间和和和和分别利用四个方向的压力值区间和和和和以及所有压力值区间和计算使用者向这四个方向运动的概率值，并将这些概率值分别记为和和和和
步骤4)获得压力值wj与的距离和dij及使用者对各运动方向的概率值后，计算使用者上半身重心移动产生的运动意图方向角度如下
其中A表示运动意图方向角度，ai∈{0°,90°,180°,270°}；
当机器人识别出使用者运动意图方向角度A后，将识别角度与高精度惯性导航模块测量的机器人实际方向角度相比较，把偏差角度传给控制装置(9)中的控制器，电池(8)给伺服电机(6)供电，伺服电机(6)驱动全向轮(1)按照识别的方向角度运动，机器人帮助使用者实现室内移动。
可以理解的是，以上关于本发明的具体描述，仅用于说明本发明而并非受限于本发明实施例所描述的技术方案，本领域的普通技术人员应当理解，仍然可以对本发明进行修改或等同替换，以达到相同的技术效果；只要满足使用需要，都在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种坐式服务机器人的运动方向识别方法，坐式服务机器人包括全向轮、刹车盘、电源开关、底座和称重传感器，其特征在于底座上端两侧设置有把手，底座下端设置有固定架，固定架内设置有控制装置、电机座和伺服电机，伺服电机固定在电机座上，伺服电机的轴穿过固定架预留的轴承孔后与固定架外侧的全向轮同轴连接；
所述伺服电机的电源线与控制装置的驱动输出端相连接；
所述刹车盘与全向轮的轮毂通过刹车片连接法兰固定在一起，固定架外侧相应于刹车盘设置有制动卡钳，制动卡钳的控制端通过刹车线与把手上的手刹上的手刹连接线孔连接在一起；
所述电源开关与控制装置的电源控制端口相连；
所述称重传感器设置在底座上端中部，称重传感器的信号输出端口与控制装置的检测信号输入端口相连；称重传感器上端设置有坐垫；
所述称重传感器为两个，两个称重传感器位于坐垫中心一字排开；
所述控制装置包括惯性导航模块、信号功率放大器、控制器和动力驱动模块，控制器的检测信号输入端口分别与信号功率放大器的信号输出端口、惯性导航模块的信号输出端口相连，控制器的驱动信号输出端口通过动力驱动模块与伺服电机的电源线相连；
坐式服务机器人的运动方向识别方法，包括以下步骤：
步骤1)将两个称重传感器分别标记为S1和S2，同时以两个传感器连线为x轴，两个传感器连线的垂直平分线为y轴；将运动方向分为右、前、左、后四个方向，并分别表示角度0°、90°、180°、270°；标记传感器S1测得的压力为传感器S2测得的压力为分别表示使用者上半身重心向0°、90°、180°、270°运动的方向；建立模糊规则如下：
如果S1是S2是那么运动方向D是角度Ai；
其中D表示运动方向，Ai表示运动方向的角度；
步骤2)使用者坐在机器人上，分别往四个运动方向运动三次，采集传感器S1的压力值和传感器S2的压力值并计算每个传感器三次测得的压力平均值和标准差SD，其中j＝1,2；利用压力平均值和标准差SD建立三角形模糊集合，三角形与x轴的交点分别为和并将记为将记为当机器人运动时测得使用者重心运动产生的压力值为wj，采用距离型模糊推理方法，计算压力值wj与的距离和dij，描述如下
步骤3)使用者坐在机器人上按照自己的运动习惯在室内移动，采集传感器S1和S2测得的所有压力值，并将S1和S2的压力值范围分别记为区间和获取这些数据之后，使用者上半身重心固定向0°、90°、180°、270°运动，采集传感器S1和S2产生的压力值，分别将这四个方向的压力值记为区间和 和和和分别利用四个方向的压力值区间和和和和以及所有压力值区间和计算使用者向这四个方向运动的概率值，并将这些概率值分别记为和和和和
步骤4)获得压力值wj与的距离和dij及使用者对各运动方向的概率值后，计算使用者上半身重心移动产生的运动意图方向角度如下
其中A表示运动意图方向角度，ai∈{0°,90°,180°,270°}；
当机器人识别出使用者运动意图方向角度A后，将识别角度与高精度惯性导航模块测量的机器人实际方向角度相比较，把偏差角度传给控制装置(9)中的控制器，电池(8)给伺服电机(6)供电，伺服电机(6)驱动全向轮(1)按照识别的方向角度运动，机器人帮助使用者实现室内移动。
2.根据权利要求1所述一种坐式服务机器人的运动方向识别方法，其特征在于所述全向轮采用QLM-12全向轮。
3.根据权利要求1所述一种坐式服务机器人的运动方向识别方法，其特征在于所述全向轮为四个，所述固定架为正方形，正方形每边的中点各设置一个全向轮。
4.根据权利要求1所述一种坐式服务机器人的运动方向识别方法，其特征在于所述刹车线依次穿过固定架上的第一过线孔、底座上的第二线孔、把手线孔。
5.根据权利要求4所述一种坐式服务机器人的运动方向识别方法，其特征在于所述电源开关设置在把手上端一侧，电源开关通过导线与控制装置的电源控制端口相连，导线依次穿过把手线孔、底座上的第二线孔。
6.根据权利要求1所述一种坐式服务机器人的运动方向识别方法，其特征在于所述称重传感器粘在底座中部的称重传感器卡槽上，称重传感器通过导线与控制装置相连接，导线通过底座上的第三线孔；坐垫嵌在底座上的坐垫卡槽上。
7.根据权利要求1所述一种坐式服务机器人的运动方向识别方法，其特征在于所述两个称重传感器的间距为18cm。
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