CN107549035B - 标准化导盲犬训练装置 - Google Patents

Abstract

一种标准化导盲犬训练装置，包括导盲鞍组件、显示屏、走行装置，其技术要点是：所述走行装置包括底座、设置在底座内的轴承座、限位在轴承座上的转盘、用于驱动转盘旋转的驱动电机、设置在底座上的立柱、设置在立柱上的环形滑道、限位在环形滑道上的滚球；走行装置为一个以上的限位在转盘上的传送带组件，转盘上设有若干安装槽，传送带组件限位在安装槽内，传送带组件的其中一个转辊上设有转速传感器，显示屏为环形结构，并设置在由底座、立柱和滑道构成的框架结构内，环形的显示屏由若干曲屏单元串联构成。其具有结构简单紧凑、使用方便快捷、维护成本低、训练效率高、人工介入少等优点。

Description

标准化导盲犬训练装置

技术领域

本发明涉及工作动物训练设备领域，具体说是一种标准化导盲犬训练装置。

背景技术

导盲犬作为工作犬，被称为“盲人的眼睛”，是视障人士安全出行、参与社会生活的重要工具。盲人牵着导盲犬作向导，犬会注意来往车辆及障碍物，待安全时才带领主人前行。盲人在导盲犬帮助下可以外出访友、购物、乘车、散步等，导盲犬成为盲人名副其实的“眼睛”。对导盲犬的训练课程包括辨识手势和简单口令，如坐、等待、简单避障、复杂避障等，还应做到不喜叫、不扑人、不追逐等，并能通过适当的方式准确地告知主人何处有拐角、有障碍物、何处是楼梯等；引导盲人过马路、避开障碍物或路面的坑洞。

而现有技术中对于导盲犬几乎全部由人工完成，当同时训练多只导盲犬时，需要多个助训员协同进行，由于牵涉了过多的人力资源，一方面由于无法实现自动化，导致训练效率过低；另一方面，由于人工介入过多，导致训练成本过高。若我国采用传统的方式进行培养，不但存在巨大的人员缺口，而且缺乏较为标准化的训练模式，对导盲犬的训练不利。不但训练效率低，而且耗资巨大，在该方面存在诸多亟待解决的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种标准化导盲犬训练装置，从根本上解决了上述问题，其具有结构简单紧凑、使用方便快捷、维护成本低、训练效率高、人工介入少等优点。

为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：该标准化导盲犬训练装置包括导盲鞍组件、显示屏、走行装置，其技术要点是：所述走行装置包括底座、设置在底座内的轴承座、限位在轴承座上的转盘、用于驱动转盘旋转的驱动电机、设置在底座上的立柱、设置在立柱上的环形滑道、限位在环形滑道上的滚球；走行装置为一个以上的限位在转盘上的传送带组件，转盘上设有若干安装槽，传送带组件限位在安装槽内，传送带组件的其中一个转辊上设有转速传感器，显示屏为环形结构，并设置在由底座、立柱和滑道构成的框架结构内，环形的显示屏由若干曲屏单元串联构成；轴承座包括底盘、设置在底盘内的导向柱、限位在导向柱上的环形挡盘、底部限位在挡盘上的转轴、设置在转轴与底盘之间弹簧、套装在转轴外并固定在底盘上的端盖、固定在转轴上的用于固定转盘的法兰，法兰上设有与驱动电机输出端相配合的齿状结构。

所述导盲鞍组件包括导盲鞍主体、导盲背心、设置在导盲鞍主体上的电源模块、分别设置在导盲背心前部和后部内侧的前传感器和后传感器、设置在导盲背心左右两侧内侧的侧传感器、设置在导盲背心前部的扬声器、设置在导盲背心上的振动装置。

所述滑道内壁为与滚球相配合的弧形结构。

所述标准化导盲犬训练装置还包括用于牵引导盲鞍的仿真机器人。

还包括气味模拟系统，气味模拟系统包括盛有气味源溶液的气味瓶、设置在气味瓶底部的与气味溶液相配合的雾化装置、导流装置，导流装置包括送风系统、排气管、设置在排气管出口的分散装置，排气管出口设置在转盘下部，底座内壁上设有导流槽。

本发明的有益效果：底座与转盘之间设有可起到减震和转向作用的轴承座，轴承座底部限位在底座的凹槽内，并通过螺栓固定，保证轴承座的稳定性。轴承座内设置弹簧机构，可通过转轴使转盘获得弹性支撑。同时，转盘底部与驱动机的输出端啮合，可通过滚球位置的变化控制输出电机驱动转盘旋转，以模拟犬只的转向。转盘内设置若干小型的行走带，可避免现有跑步机阻力过大的问题。并且各行走带的其中一个转轴的输出端设有转速传感器，可通过传感器实时监测犬只的行进速度，并通过多个行走带综合作用，使结果更为准确可靠。行走带可限位在转盘上的环形槽内，也可限位在腰圆形槽内，只要能保证犬只在踩踏行走带时，不会出现卡顿即可。行走带设置成单向旋转，可防止出现负反馈信号。

导盲背心通过四条绑带（根据实际需要，还可将绑带替换为硬度更高的高弹性连杆，连杆末端与滚球铰接或直接在连杆末端固定球形结构）限位在滑道中心，从而可在限制犬只位置的同时，实时检测犬只行进方向、速度等参数。并保证犬只即使在“原地踏步”的情况下仍能模拟其行进。上述装置用于模拟平地环境，当模拟上下楼环境时，将底座改为跑带呈三角形设置的或跑带倾角可调的跑步机，在跑带上设置阶梯结构以模拟上楼或下楼（图略）。

底座上通过立柱限位安装环形的滑道，滑道上设有槽口，便于将带有绑带的滚球置于滑道内。环形的滑道上设置与滚球相配合的弧形槽，便于使滚球完全嵌合在滑道内。滑道与底座之间设有环形屏幕，为便于安装与生产，环形屏幕由若干曲屏单元拼接而成，各曲屏单元限位在由底座、支架以及滑道之间构成的框架结构内。环形屏幕用于显示经处理后的全景静态图像数据。当然，在资金条件允许的条件下也可直接采集视频图像。模拟训练时，将视频图像划分为若干区段，例如将两个交通岗之间的直行路段定为一个区段，各转弯路段定为一个区段。将各区段作为独立存储在服务器中，将各路段单元视频图像的时间轴与地图坐标相配合。将各视频单元修正为按照一定的速度匀速前进，以避免累计误差的产生，保证了地图精度。

导盲鞍组件包括导盲鞍主体、导盲背心、可替换的把手、处理器模块、无线通讯模块、GPS模块、低频/高频扬声器、震动模块、存储模块、图像采集模块、声音采集模块、温湿度采集模块，导盲背心内部设置心率传感器、前进传感器、后退传感器、侧（转向）传感器。通过无线通讯模块远程接收训练室控制端发出相应控制指令，处理器模块根据相应的控制指令。当犬只在训练过程中做出错误动作时（比如在模拟环境中出现红灯时，仍然继续行进；或者遇到坑洼地带仍继续前进等），控制端通过处理器模块控制从存储模块中调出相应的高频/或低频声音，最后通过扬声器播放，并结合振动，使犬只产生一定的不舒适的感觉，使犬只对错误动作产生抗拒性记忆，从而在后续的训练中减少错误动作发生的频率。还可通过扬声器播放语音命令，语音控制指令可根据犬只被使用的国家，而采用该国家相应的语音指令。心率传感器通过实时监测犬只的心跳，判断犬只对真实或模拟环境的反应，通过数据化手段更有针对性地进行训练与调整，从而有针对性的增加或减少相应环境的训练，提高训练效率。导盲鞍内侧设有的若干传感器（如压力传感器），可通过相应的传感器实时监测犬只在行走装置上前进、停下、转弯等运动状态的传入信号。以便用于训练装置其他部分的控制依据。

为提高模拟环境的仿真度，还可增加气味发生装置。气味发生装置包括气味源（气味溶液或粉末状的气味原物）、设置在气味瓶底部的与气味溶液相配合的雾化装置、导流装置，导流装置包括送风系统（如排风扇、氮气吹气装置）、排气管、设置在排气管出口的分散装置。与地图位置相配合使用的气味发生装置，使犬只在到达地图的特定位置时释放干扰气味（主要是犬只喜爱嗅闻的气味），提高犬只对周围环境的“抗性”，避免受到诱惑而偏离目的地。

需要说明的是，本发明的训练装置主要适用于已经建立一定条件反射，并通过家庭寄养阶段和工作培训阶段的犬只，即本发明主要用于共同训练阶段。

附图说明

图1为本发明的使用状态结构示意图。

图2为本发明的等轴侧视结构示意图。

图3为本发明的剖视结构示意图。

图4为本发明导盲鞍传感器安装位置的结构示意图。

图5为本发明气味发生装置的结构示意图。

图6为本发明导盲鞍振动或发声控制原理框图。

图7为本发明另一种实施方式的结构示意图。

图8为本发明滑道电阻分布的结构示意图I。

图9为本发明滑道电阻分布的结构示意图II。

附图标记说明：1底座、2立柱、3滑道、4曲屏单元、5滚球、51绑带、6传送带组件、7转盘、8轴承座、9法兰、10底盘、11轴承、12弹簧、13转轴、14挡盘、15导向柱、16密封圈、17端盖、18凹槽、19驱动机、20犬只、21扬声器、22侧传感器、23导盲背心、24后传感器、25气源瓶、26空腔、27排风扇、28雾化装置、29缓冲室、30排气管。

实施方式

以下结合图1~9，通过具体实施例详细说明本发明的内容。该标准化导盲犬训练装置包括导盲鞍组件、显示屏、走行装置。由于现有技术的弧形或球面结构仍然具有较大摩擦力，导致无法实现“原地行走”的技术效果。通常需要配合带有传感器的滑靴，而犬只20在实际导盲时并不需要配备此装备，若在训练时穿戴会导致与实际状态不符，使犬只产生不适性。因此，通过若干传送带组件替代现有的弧形或球面结构。走行装置包括底座1、设置在底座内的轴承座8、限位在轴承座上的转盘7、用于驱动转盘旋转的驱动电机19、设置在底座上的立柱2、设置在立柱上的环形滑道3、限位在环形滑道上的滚球5，滑道内壁为与滚球相配合的弧形结构。走行装置为一个以上的限位在转盘7上的传送带组件6，转盘上设有若干安装槽，传送带组件6限位在安装槽内，传送带组件6的其中一个转辊上设有转速传感器，显示屏为环形结构，并设置在由底座、立柱和滑道构成的框架结构内，环形的显示屏由若干曲屏单元4串联构成。轴承座包括底盘10、设置在底盘内的导向柱15、限位在导向柱上的环形挡盘14、底部限位在挡盘上的转轴13、设置在底盘与转轴之间的轴承11、设置在转轴与底盘之间弹簧12、套装在转轴外并固定在底盘上的端盖17、设置在端盖17与转轴之间的密封圈16、固定在转轴13上的用于固定转盘7的法兰9，法兰上设有与驱动电机输出端相配合的齿状结构。

导盲鞍组件包括导盲背心23、与导盲背心配合的导盲鞍主体（采用现有的导盲鞍结构，图中未示出）、与导盲鞍主体或导盲背心配合的处理器模块、无线通讯模块、GPS模块、设置在导盲背心前部的高频/低频扬声器21、存储模块、图像采集模块、声音采集模块、温湿度采集模块、振动装置，滚球5设置在绑带51末端，绑带固定在导盲背心上，导盲背心前部内侧设置心率传感器、前传感器、后传感器24、侧传感器22。

滑道上还可设有用于固定导盲鞍把手的牵引装置（图中未示出），牵引装置上设置转轴，可实现不同高度、角度的牵引力调节，用于模拟不同身高以及不同牵引力的使用者。还可将牵引装置安装在仿真机器人（图中未示出）上，机器人用于模拟不同年龄、身高、种族的使用者，从而进一步提高用模拟的真实性。

为提高仿真程度，进一步的还可采用气味模拟系统，气味模拟系统包括盛有气味源溶液（或放置在空腔内的粉末状的气味原物）的气源瓶25、设置在气源瓶底部的空腔26、设置在气源瓶25底部的与气味溶液相配合的雾化装置28、导流装置，导流装置包括送风系统（如排风扇27或氮气吹气装置）、与空腔相连的缓冲室29、排气管30、设置在排气管出口的分散装置，排气管出口设置在转盘下部，底座内壁上设有导流槽。

为更精确控制转盘的旋转角度，将各滚球和滑道的不同位置设置成互不相连且阻值不同的电阻单元，环形滑道上下两部分阻值（Sn）相同，以滚球（Rn）作为导通器，将各部分并联在相同的电源上，环形滑道上部分连接电源一端，下部分连接电源的另一端。优选的，环形滑道的上下部分不采用整个金属滑道，而是替换为摩擦力较小的且形状与滑道单元相同的电阻片，滚球也可采用圆形以外的其他形状，利于导向和限位，如中部呈条形限位在滑道的滑槽内，两端呈圆头结构，便于在电阻片上小摩擦地滑动。

当滚球随着犬只旋转到达不同的滑道位置时，则存在不同的电流信号输出，从而可获得犬只旋转角度范围的数据，配合导盲背心上的传感器则可获得更为精确地角度数据，避免底部的驱动电机旋转不到位或旋转过位。以下通过两种不同角度的环形滑道说明该结构的工作原理。但是，使用时仍应注意，任意两个以上电阻单元的阻值之和应不同于其他数量相同的电阻单元的阻值之和，避免导致信号冲突，影响结果的准确性。

如图8所示，当道路布局比较简单时，此时犬只转向次数少，道路多数呈“田”字形分布，此时的最小转向角度为45°，则可采用滚球为四个（R1~R4）、滑道电阻单元为四个（S1~S4）作为导向部件，可得到下述旋转角度与阻值的对应表格。

 进一步的，如图9所示，当道路布局较为复杂时，此时犬只转向次数增多，道路呈“田”字形的变形分布，此时的最小转向角度为22.5°，滚球数量不变，仍为四个（R1~R4）、滑道电阻的单元为八个（S1~S8）时，可得到下述旋转角度与阻值的对应表格。

导盲鞍组件一方面可作为环境采集端，另一方面可作为犬只20训练时的传感信号输入端。

当作为环境采集端时，导盲鞍主体上配备360°全景摄像头（高度略高于犬只），在犬只的高度上对进行实时采集周围的环境的视觉信息、温湿度、声音以及坐标等信息，并将上述信息配合地图位置存储在相应的存储模块中，将图像数据、温湿度数据与GPS数据相关联，供后续模拟训练使用。以犬只自身高度位置进行采集，可保证环境模拟更加真实。图像采集间隔则应根据摄像头（定焦）的焦距和可视角进行调整。例如，15mm镜头的可视角约为110°、24mm镜头的可视角约为84°。应保证相邻的采集图像间存在交集，从而可通过后期处理使之构成具有透视效果的连续图像。

但是，在360°全景摄像头采集图像信息时，一方面由于操作或镜头自身的问题，在图像底部仍有摄像头支架或犬只的背部，另一方面由于图像采集过程中太阳/月亮位置的变化或犬只行进方向的变化，导致光照条件的不同，使所采集图像呈现无规律性亮度变化，若将上述采集数据用于后续的环境模拟势必会使环境模拟的真实性大打折扣。为此，应对采集到的图片进行处理，如裁切、调整曲线等。对于采集过程中的防抖方法可采用现有技术，不再进行详细阐述。

对于去除图片中摄像头支架的方法，可按照下述步骤进行：在进行数据采集前，事先记录摄像头镜头距离地面的高度D1，犬只正常站立时眼睛距离地面的高度D2。图像数据采集完毕后，记录图像的高度d1，图像底边所需裁切的高度d2，通过数据d2对所有采集到的图片数据进行裁切批处理，从而得到仿真度更高的模拟图像。

对于调整图片照明度，则可采用下述方法：一方面可通过加入时间（应保证季节相同）参数，进行多次采集，匹配不同地理位置同一时间段（太阳位置基本相同）内的图像数据；另一方面还可通过批处理调整图片曲线等参数使图像数据的照度条件保持一致。由于犬类只能分辨灰度图像，因此在图像的采集上，只需采用灰度采集即可达到模拟效果，不但极大缩减了图像数据所占的空间，间接降低了图像处理器的工作量，更利于照明度曲线的调整。

通过曲线调整灰度照片的明暗度，可通过三维模拟雨雪天气，也可直接在相应天气采集相应的图像，并通过叠加的方法将雨雪层与原图像合成，同时配合雨雪天气采集的温湿度信息，使模拟环境更接近真实环境。

训练时，给犬只穿上导盲背心，将犬只置于转盘上，在将导盲背心上的绑带末端的滚球通过槽口置于滑道内。启动环形屏幕，并对犬只发出声控指令，犬只在指令下在模拟环境中向目标地点前进。导盲过程中，犬只对传送带组件施加向后作用力，传动带组件的转辊旋转，通过转速传感器则可实时监测犬只的运动状态。当加速或减速行走时，位于导盲背心内的前传感器和后传感器的传入信号会发生变化（导盲背心被绷紧的绑带限位，对压力传感较为敏感，而侧部传感器几乎不发生变化），匹配转速传感器，则可获得犬只相应的运动状态。

当犬只转向时，侧部传感器会检测到不同的压力信号，从而可判断犬只的转向方位，侧传感器接收到转向压力后，会通过控制端通过驱动电机带动法兰（转盘）发生相应的旋转，从而模拟犬只的转向。

通过系统内置的地图，可实时将犬只的位置，犬只行走速度的不同，坐标在地图上的变化速度也不同。地图坐标与环形屏幕上显示的“实景”相互匹配，从而达到模拟户外导盲环境的目的。

应当说明的是，图中的传送带组件是为了便于说明本发明的结构且易于画图而故意放大的，实际生产中可根据实际需要进行数量与规格上的调整，一方面不会对犬只行走产生障碍，另一方面不影响速度数据采集即可。

Claims (1)

1.一种标准化导盲犬训练装置，包括导盲鞍组件、显示屏、走行装置，其特征在于：走行装置包括底座(1)、设置在底座(1)内的轴承座(8)、限位在轴承座(8)上的转盘(7)、用于驱动转盘(7)旋转的驱动电机、设置在底座(1)上的立柱(2)、设置在立柱(2)上的环形滑道(3)、限位在环形滑道(3)上的滚球(5)；走行装置为一个以上的限位在转盘(7)上的传送带组件(6)，转盘(7)上设有若干安装槽，传送带组件(6)限位在安装槽内，传送带组件(6)的其中一个转辊上设有转速传感器，显示屏为环形结构，并设置在由底座(1)、立柱(2)和滑道(3)构成的框架结构内，环形的显示屏由若干曲屏单元(4)串联构成；滑道(3)内壁为与滚球(5)相配合的弧形结构；

轴承座(8)包括底盘(10)、设置在底盘(10)内的导向柱(15)、限位在导向柱(15)上的环形挡盘(14)、底部限位在挡盘(14)上的转轴(13)、设置在转轴(13)与底盘(10)之间弹簧(12)、套装在转轴(13)外并固定在底盘(10)上的端盖(17)、固定在转轴(13)上的用于固定转盘(7)的法兰(9)，法兰(9)上设有与驱动电机输出端相配合的齿状结构；

导盲鞍组件包括导盲鞍主体、导盲背心(23)、设置在导盲鞍主体上的电源模块、分别设置在导盲背心(23)前部和后部内侧的前传感器和后传感器(24)、设置在导盲背心(23)左右两侧内侧的侧传感器、设置在导盲背心(23)前部的扬声器(21)、设置在导盲背心(23)上的振动装置；

还包括气味模拟系统，气味模拟系统包括盛有气味源溶液的气味瓶、设置在气味瓶底部的与气味溶液相配合的雾化装置(28)、导流装置，导流装置包括送风系统、排气管(30)、设置在排气管(30)出口的分散装置，排气管(30)出口设置在转盘(7)下部，底座(1)内壁上设有导流槽。

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