CN116061204A - 一种智慧养老机器人、机器人系统及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及一种智慧养老机器人、机器人系统及其控制方法，属于养老辅助设备领域。该智慧养老机器人包括机器人头部、机器人耳部、机器人颈部、扬声器、机器人主体、感应装置、人机交互显示屏、警示器、药盒、总开关、散热口、第一轮、轮轴、第二轮，还包括可穿戴无线生理传感器装置，如：手环、可穿戴式上衣、老人鞋；本申请还提供智慧养老机器人系统；本申请还提供智慧养老机器人及其系统的控制方法。与现有技术相比，本申请的有益效果是：能够监护老人的健康和安全状况，能够自主移动、防止老人走失、接收报警信息，能够避免误判误报情况，更加科学和人性化，适应性好。本申请具有广阔的市场和应用前景。
Description
技术领域
本申请涉及一种智慧养老机器人、机器人系统及其控制方法，属于养老辅助设备领域。
背景技术
当前，社会老龄人口比重呈现不断递增趋势，老龄化越发显著。我国正面临着人口老龄化日趋严重的问题，人口老龄化现状带来新的挑战，这些挑战与健康、经济以及社会问题息息相关。因此，如何给老年人提供及时有效的生活帮助和关怀，特别是在老年人遇到突发事件时(比如生病家人不知道、摔倒无法起身、外出走失等等)，能够及时提供紧急救援服务和通知监护人，从而保障老人的身心健康和人身安全，是现在面临的重要社会问题，充满机遇与挑战。其中，养老机器人能够代替人工照护老年人，可有效减轻家庭和社会的负担，缓解老年护理人员严重短缺的压力，对于提高老年人的生活质量，保障社会稳定和发展具有重要意义([1]韦佳.居家养老智能服务机器人的设计发展研究[J].中国管理信息化,2018,21(02):117-118)。
现有技术针对养老机器人做了一定研究，但是目前市面上的养老机器人产品存在功能单一、不能自主移动、存在虚报误判等问题，无法满足当前人们对养老机器人多方位的需求。
发明内容
本申请的目的在于解决现有的技术中存在的上述诸多问题，提供一种智慧养老机器人、机器人系统及其控制方法。
为了实现上述目的，本申请提供了如下技术方案：
一种智慧养老机器人，包括机器人主体，所述机器人主体上部安装有机器人颈部，所述机器人颈部上安装有机器人头部，所述机器人头部的左右两侧设置有机器人耳部；所述机器人头部的顶部安装有一对饰耳；
所述机器人头部的正面中部设置有面部显示屏；所述面部显示屏内部还安装有高清摄像头；
所述机器人主体正面下部设置有感应装置，所述机器人主体正面中部设置有人机交互显示屏，所述人机交互显示屏上方设置有警示器；所述机器人主体的正面上部设置有药盒，所述机器人主体上部两侧安装有扬声器；
所述机器人主体的背面设置有总开关，所述机器人主体的背面底部设置有散热口；所述机器人主体的底部设置有轮轴，所述轮轴上设置有第一轮，所述第一轮周向设置有第二轮。
优选的，所述机器人颈部由舵机组成，可以实现周向旋转，能够调整机器人头部在0°～360°范围内水平转动，能够调整人机交互显示屏在-90°～180°范围内垂直运动。
优选的，机器人还包括可穿戴无线生理传感器装置，所述可穿戴无线生理传感器装置包括但不限于手环、可穿戴式上衣、老人鞋；所述手环包括手环带、显示屏、锁紧部件、灯光按键；所述手环带包括基底层、中间层、装饰层、滚珠。
优选的，所述基底层的材料为橡胶、硅胶、塑胶的任一种；所述压电层的材料为压电复合材料、压电陶瓷、生物基材料、压电晶体的任一种；所述装饰层为橡胶、硅胶、塑胶的任一种；所述滚珠为磁石、药物成分的球体中的任一种。
优选的，手环上还设置有GPS定位器，GPS定位器与机器人信号连接，还可以与监护者网络信号连接。在移动终端的设备上实现对手环用户位置定位，可以通过移动终端的APP实现对手环用户示踪，辅助判断用户可能发生意外的场所及情况，此外，还可以防止患有记忆障碍的老年用户走失。
本申请还提供一种智慧养老机器人系统，包括智慧养老机器人、功能模块，功能模块由硬件部分和软件部分构成，所述功能模块包括：
生理指标监测模块，涉及健康检测，包括但不限于监测用户的血压、血糖、睡眠状况、心律情况、消化情况，用于发现用户的身体健康问题、输送健康报告至目标接收设备及人员；
日常事务处理模块，包括日常生活监测和和健康饮食监测，用以监测和提醒提示老年人需要处理的日常事务，包括但不限于洗澡、剪发、睡眠、吃饭、用药；
面部与声音识别模块，根据摄像头采集到的面部图像对用户面部表情进行识别分析，包括但不限于用户的情绪状态、用户的异常行为，然后根据分析结果做出决策，并将分析结果及决策方案发送给目标终端设备上；目标终端设备包括但不限于医疗机构、社区服务站、机器人终端、子女设备；
突发事故监测模块，包括但不限于监测老人的摔倒行为；定位与导航模块；
家电智能控制模块，用于连接和控制包括但不限于与老人家居生活有关的智能家电设备、生理指标监测设备；还能够替代智能手机APP或开关面板，独立控制智能家居产品；
环境监测模块，监测包括空气温度、湿度、烟雾、噪音在内的室内环境信息，显示环境的适宜性；
信息交互功能模块，能够与第三方平台建立连接，用以采集和评估用户信息数据，以及传输至包括但不限于手机、电脑在内的智能产品；
智能优化模块，根据数据信息对用户的饮食规划，包括但不限于搜索和推荐健康食谱，以及通过语音和界面显示方式说明该食谱的做法和功效。
本申请还提供智慧养老机器人及其系统的控制方法，包括如下步骤：
(1)核心控制模块发出指令，驱动机器人执行命令，包括但不限于启动、暂停、前进、后退、加速、减速、转弯；
(2)根据工作情况，机器人实现生理指标监测作业、日常事务处理作业、面部与声音识别作业、突发事故监测作业、家电智能控制作业、环境监测作业、信息交互作业、智能优化作业操作。
优选的，智慧养老机器人及其系统的控制方法还包括摔倒判断方法，所述摔倒判断方法以身体高度、下降速率、位姿角度为判定指标，其步骤包括：
(a)身体高度判断：提取身体中心点、肩部中心点、脊椎点、足部坐标点信息，获取脊椎点坐标(xi，yi，zi)，计算脊椎点与地面的距离，身体高度判断的计算方法为：
当H小于某一设定的阈值时，判定为达到身体高度判定指标；当复杂情况下无法获取地面位置信息时，将双足位置中较低者作为地面位置信息，进而减少误差；
(b)下降速率判断：每隔20帧取一次中心点位置信息，利用单位时间内垂直方向坐标变化情况计算中心点下降速率；下降速率的计算方法为：
当该下降速率大于设定的阈值时为达到该判定指标；
(c)位姿角度判断：提取肩部信息S(x，y，z)，脊椎点H(x，y，z)，足部中心点坐标点F(x，y，z)，脊椎垂直点坐标V(x，y，z)，上体上肢倾角A1和身体下肢倾角A2的计算方法为：
当上体上肢倾角A1和身体下肢倾角A2都小于某一阈值时，认为达到位姿判定指标；当同时符合三个判定指标时，认为摔倒行为发生，执行处理指令。
优选的，智慧养老机器人及其系统的控制方法还包括机器人导航系统的控制方法，其步骤包括：
步骤a：利用GPS相对定位方法和测码伪距动态相对定位获得GPS定位信号；
步骤b：利用高斯-克吕格投影法将定位系统所接收的大地坐标系进行投影转换；
步骤c：利用捷联式惯性导航系统，对当前时刻加速度和角加速度进行测量，然后计算相对位置；
步骤d：将GPS定位系统与INS惯性导航系统各自输出的位置信息与速度信息作差，然后将结果输入至卡尔曼组合滤波器进行滤波处理，经滤波处理输出数据为实时导航数据，该实时导航数据用以校正惯性导航系统的累积误差；
步骤e：利用行速自适应法则对路径规划时的行进速度进行控制，用以保证路径规划的速度稳定性；
步骤f：利用超声波传感器和视觉导航模块为路径规划提供障碍物信息，使得机器人在运动过程中避障。
优选的，机器人导航系统的控制方法中，所述步骤b包括：
利用高斯-克吕格投影法将GPS定位系统接收的大地坐标系在常用的平面坐标系上进行投影转换；令大地坐标系上任意一点为(B,L,H)，其中，B为纬度，L为经度，H为高度，投影平面对应的坐标为(x,y)，坐标计算公式为：
式中，m0为赤道至纬度B的子午线的弧长；
为子午线的曲率半径；
为第一偏心率；a为大地坐标系长轴，b为坐标系短轴，l＝L-L0，为当前经度与子午线经度差；t＝tanB；
为第二偏心率。
优选的，机器人导航系统的控制方法中，所述步骤c中的捷联式惯性导航系统，其向量式方程为：
式中，
为载体因地球自转而产生的加速度向量；
为载体在大地坐标系下的加速度向量；gn为载体在当地的重力加速度向量。
优选的，机器人导航系统的控制方法中，所述步骤d包括如下步骤：
步骤d1：选取GPS/INS组合导航的硬件；
步骤d2：建立量测方程与状态方程：
式中，Zp(t)为INS与GPS两者的位置观测量之差即为组合导航系统的位置量测方程，Zv(t)为速度观测量之差得速度量测方程；RM为参考椭球体子午圈上各点的曲率半径；δVn、δλ1、δh1为INS的位置测量误差值；Nn、Ne、Nu为GPS接收机的位置测量误差；δVe、δVn、δVu为INS速度测量误差；Me、Mn、Mu为接收端的定位测量误差；
步骤d3：选取INS的位置和速度误差、平台误差角以及陀螺仪与加速度计的零偏作为状态方程的变量：
X＝[δLδλδhδVeδVnδVuφeφnφuεxεyεz▽x▽y▽z](5.1)
式中：(δL，δλ，δh)分别为经度、纬度以及高度的误差；(δVe，δVn，δVu)分别为速度误差在导航坐标系三轴方向上的投影；(φe，φn，φu)分别为平台误差角在导航坐标系三轴方向上的投影；(εx，εy，εz)分别为陀螺仪零偏在载体坐标系三轴向上的投影；(▽x，▽y，▽z)分别为加速度计零偏在载体坐标系三轴向上的投影。
按照本申请提供的智慧养老机器人、机器人系统及其控制方法，与现有技术相比具有如下优点：
1.本申请智慧养老机器人、机器人系统及其控制方法能够辅助和监护老人的日常生活，特别是老人的健康和安全状况；还可以监护老人的行动轨迹、判断是否摔倒、防止老人走失、接收报警信息，以及推送健康建议信息和提供健康服务，营造良好的养老关爱环境，市场和应用前景广阔。
2.在用户发生突发异常情况时，能够将分析结果及决策方案发送给目标终端设备上，目标终端设备包括但不限于医疗机构、社区服务站、机器人终端、子女设备；同时，将老人的位置信息发送智能机器人，智能机器人可以自主运动至用户身边，克服空间限制，灵活性和自主性高；特别是当遇到障碍物时，机器人可以自动避障，提高了工作的科学性和准确性。
3.本申请机器人主体底部设置有轮轴，轮轴上设置有第一轮，第一轮周向设置有第二轮，这样的设计，能够提高机器人行动特别是转弯等动作的灵活性。
4.本申请中的手环设计，美观实用、人性化且适用于老年用户，其既可以独立使用，也可以与机器人系统信号连接、协同工作。手环还设置有照明模式，按下灯光按键后能够进行夜间照明，适用于夜间行走、突然停电等情况。手环中的滚珠能够形成间隙，可以起到排汗透气的作用，还能够提高中间层感应脉搏的灵敏性；中间层的材料优选压电材料，滚珠有助于中间层快速发生形变，可以利用脉搏跳动为中间层快速形变产生电流，在用户穿戴期间为手环存储电能，延长使用时间，能够较好适应复杂和突发情况。
5.本申请中的摔倒判断方法，当身体高度、下降速率、位姿角度为判定指标同时符合三个判定指标时，算法就认为摔倒行为发生，执行处理指令。现有技术中，采用视频监控的判断方法存在信息存储量过大、筛选费事费力、图像采集有死角等问题；采用运动加速度判断容易因老人快速运动或快速蹲起等情境产生误判、误报警等情况，给子女或医护中心产生困扰；而本申请中的摔倒判断方法，能够避免误判、误报情况，更加科学和人性化，提高工作效率和精准性。
6.本申请中的自主导航系统，能够使机器人准确、可靠定位与导航，实现机器人的全局规划与实时避障，有助于机器人灵活躲避障碍物，自主移动。
附图说明
图1为本申请智慧养老机器人的正面示意图。
图2为本申请智慧养老机器人的背面示意图。
图3为本申请智慧养老机器人的底部示意图。
图4为本申请中的第一轮和第二轮的结构示意图。
图5为本申请中的手环示意图。
图6为本申请中手环的手环带结构示意图。
图7为本申请中的智慧养老机器人系统的功能示意图。
图8为人体摔倒后的位姿示意图。
图9为本申请中的摔倒判断方法的流程框图。
图10为本申请中的导航系统总图。
图11为本申请中的惯性导航系统工作原理示意图。
图中，101-饰耳，102-机器人头部，103-机器人耳部，104-机器人颈部，105-扬声器，106-机器人主体，107-感应装置，108-人机交互显示屏，109-警示器，110-药盒，201-总开关，202-散热口，301-第一轮，302-轮轴，303-第二轮；401-手环带，402-第二显示屏，403-锁紧部件，404-灯光按键，4011-基底层，4012-中间层，4013-装饰层，4014-滚珠。
具体实施方式
请参阅图1至图11。须知，本说明书所附图中所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本申请可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本申请所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本申请所揭示的技术内容所能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本申请可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本申请可实施的范畴。
一种智慧养老机器人，包括：
机器人主体106，所述机器人主体106上部安装有机器人颈部104，所述机器人颈部104上安装有机器人头部102，所述机器人头部102的左右两侧设置有机器人耳部103；所述机器人头部102的顶部安装有一对饰耳101；
所述机器人头部102的正面中部设置有面部显示屏111；所述面部显示屏111内部还安装有高清摄像头；
所述机器人主体106正面下部设置有感应装置107，所述机器人主体106正面中部设置有人机交互显示屏108，所述人机交互显示屏108上方设置有警示器109；所述机器人主体106的正面上部设置有药盒110，所述机器人主体106上部两侧安装有扬声器105；
所述机器人主体106的背面设置有总开关201，所述机器人主体106的背面底部设置有散热口202；所述机器人主体106的底部设置有轮轴302，所述轮轴302上设置有第一轮301，所述第一轮301周向设置有第二轮303。
一种智慧养老机器人系统，包括智慧养老机器人、功能模块，功能模块由硬件部分和软件部分构成，所述功能模块包括：
生理指标监测模块，涉及健康检测，包括但不限于监测用户的血压、血糖、睡眠状况、心律情况、消化情况，用于发现用户的身体健康问题、输送健康报告至目标接收设备及人员；
日常事务处理模块，包括日常生活监测和和健康饮食监测，用以监测和提醒提示老年人需要处理的日常事务，包括但不限于洗澡、剪发、睡眠、吃饭、用药；
面部与声音识别模块，根据摄像头采集到的面部图像对用户面部表情进行识别分析，包括但不限于用户的情绪状态、用户的异常行为，然后根据分析结果做出决策，并将分析结果及决策方案发送给目标终端设备上；目标终端设备包括但不限于医疗机构、社区服务站、机器人终端、子女设备；
突发事故监测模块，包括但不限于监测老人的摔倒行为；定位与导航模块；
家电智能控制模块，用于连接和控制包括但不限于与老人家居生活有关的智能家电设备、生理指标监测设备；还能够替代智能手机APP或开关面板，独立控制智能家居产品；
环境监测模块，监测包括空气温度、湿度、烟雾、噪音在内的室内环境信息，显示环境的适宜性；
信息交互功能模块，能够与第三方平台建立连接，用以采集和评估用户信息数据，以及传输至包括但不限于手机、电脑在内的智能产品；
智能优化模块，根据数据信息对用户的饮食规划，包括但不限于搜索和推荐健康食谱，以及通过语音和界面显示方式说明该食谱的做法和功效。
一种智慧养老机器人及其系统的控制方法，包括如下步骤：
(1)核心控制模块发出指令，驱动机器人执行命令，包括但不限于启动、暂停、前进、后退、加速、减速、转弯；
(2)根据工作情况，机器人实现包括但不限于生理指标监测作业、日常事务处理作业、面部与声音识别作业、突发事故监测作业、家电智能控制作业、环境监测作业、信息交互作业、智能优化作业。
以下是本申请的几个具体实施例，进一步说明本申请，但是本申请不仅限于此实施例。
实施例1
一种智慧养老机器人，包括：
机器人主体106，所述机器人主体106上部安装有机器人颈部104，所述机器人颈部104上安装有机器人头部102，所述机器人头部102的左右两侧设置有机器人耳部103；所述机器人头部102的顶部安装有一对饰耳101；
所述机器人头部102的正面中部设置有面部显示屏111；所述面部显示屏111内部还安装有高清摄像头；
所述机器人主体106正面下部设置有感应装置107，所述机器人主体106正面中部设置有人机交互显示屏108，所述人机交互显示屏108上方设置有警示器109；所述机器人主体106的正面上部设置有药盒110，所述机器人主体106上部两侧安装有扬声器105；
所述机器人主体106的背面设置有总开关201，所述机器人主体106的背面底部设置有散热口202；所述机器人主体106的底部设置有轮轴302，所述轮轴302上设置有第一轮301，所述第一轮301周向设置有第二轮303。
在本申请的一个优选实施例中，所述机器人颈部104由舵机组成，每个舵机可以实现周向旋转，能够调整机器人头部102在0°～360°范围内水平转动，能够调整人机交互显示屏在-90°～180°范围内垂直运动。
在本申请的另一个优选实施例中，其还包括可穿戴无线生理传感器装置，所述可穿戴无线生理传感器装置包括但不限于手环、可穿戴式上衣、老人鞋；所述手环包括手环带401、第二显示屏402、锁紧部件403、灯光按键404；所述手环带401包括基底层4011、中间层4012、装饰层4013、滚珠4014。
在本申请的另一个优选实施例中，所述基底层的材料为橡胶、硅胶、塑胶的任一种；所述压电层的材料为压电复合材料、压电陶瓷、生物基材料、压电晶体的任一种；所述装饰层为橡胶、硅胶、塑胶的任一种；所述滚珠为磁石、含药物成分球体中的任一种。
一种智慧养老机器人系统，包括智慧养老机器人、功能模块，功能模块由硬件部分和软件部分构成，所述功能模块包括：
生理指标监测模块，涉及健康检测，包括但不限于监测用户的血压、血糖、睡眠状况、心律情况、消化情况，用于发现用户的身体健康问题、输送健康报告至目标接收设备及人员；
日常事务处理模块，包括日常生活监测和和健康饮食监测，用以监测和提醒提示老年人需要处理的日常事务，包括但不限于洗澡、剪发、睡眠、吃饭、用药；
面部与声音识别模块，根据摄像头采集到的面部图像对用户面部表情进行识别分析，包括但不限于用户的情绪状态、用户的异常行为，然后根据分析结果做出决策，并将分析结果及决策方案发送给目标终端设备上；目标终端设备包括但不限于医疗机构、社区服务站、机器人终端、子女设备；
突发事故监测模块，包括但不限于监测老人的摔倒行为；定位与导航模块；
家电智能控制模块，用于连接和控制包括但不限于与老人家居生活有关的智能家电设备、生理指标监测设备；还能够替代智能手机APP或开关面板，独立控制智能家居产品；
环境监测模块，监测包括空气温度、湿度、烟雾、噪音在内的室内环境信息，显示环境的适宜性；
信息交互功能模块，能够与第三方平台建立连接，用以采集和评估用户信息数据，以及传输至包括但不限于手机、电脑在内的智能产品；
智能优化模块，根据数据信息对用户的饮食规划，包括但不限于搜索和推荐健康食谱，以及通过语音和界面显示方式该健康食品的做法和功效。
一种智慧养老机器人及其系统的控制方法，包括如下步骤：
(1)核心控制模块发出指令，执行命令，包括但不限于启动、暂停、前进、后退、加速、减速、转弯；
(2)根据工作情况，机器人实现包括但不限于生理指标监测作业、日常事务处理作业、面部与声音识别作业、突发事故监测作业、家电智能控制作业、环境监测作业、信息交互作业、智能优化作业。
在本申请的一个优选实施例中，智慧养老机器人系统的控制方法还包括摔倒判断方法，所述摔倒判断方法以身体高度、下降速率、位姿角度为判定指标，其步骤包括：
(a)身体高度判断：提取身体中心点、肩部中心点、脊椎点、足部坐标点信息，获取脊椎点坐标(xi，yi，zi)，计算脊椎点与地面的距离；身体高度判断的计算方法为：
当H小于某一设定的阈值时刻，判定为达到身体高度判定指标；当复杂情况下无法获取地面位置信息时，将双足位置中较低者作为地面位置信息，进而减少误差；
(b)下降速率判断：每隔20帧取一次中心点位置信息，利用单位时间内垂直方向坐标变化情况计算中心点下降速率；下降速率的计算方法为：
当该下降速率大于设定的阈值时为达到该判定指标；
(c)位姿角度判断：提取肩部信息S(x，y，z)，脊椎点H(x，y，z)，足部中心点坐标点F(x，y，z)，脊椎垂直点坐标V(x，y，z)，上体上肢倾角A1和身体下肢倾角A2的计算方法为：
当上体上肢倾角A1和身体下肢倾角A2都小于某一阈值时就可认为达到位姿判定指标；当同时符合三个判定指标时，认为摔倒行为发生，执行处理指令。
在本申请的另一个优选实施例中，智慧养老机器人及其系统的控制方法还包括机器人导航系统的控制方法，其步骤包括：
步骤a：利用GPS相对定位方法和测码伪距相对动态定位获得GPS定位信号；
步骤b：利用高斯-克吕格投影法将定位系统所接收的大地坐标系进行投影转换；
步骤c：利用捷联式惯性导航系统，对当前时刻加速度和角加速度进行测量，然后计算相对位置；
步骤d：将GPS定位系统与INS惯性导航系统各自输出的位置信息与速度信息作差，然后将结果输入至卡尔曼组合滤波器进行滤波处理，经滤波处理输出数据为实时导航数据，该实时导航数据用以校正惯性导航系统的累积误差；
步骤e：利用行速自适应法则对路径规划时的行进速度进行控制，用以保证路径规划的速度稳定性；
步骤f：利用超声波传感器和视觉导航模块为路径规划提供障碍物信息，使得机器人在运动过程中避障。
在本申请的一个优选实施例中优选的，机器人系统的导航系统控制方法的步骤b包括：
利用高斯-克吕格投影法将GPS定位系统接收的大地坐标系在常用的平面坐标系上进行投影转换；令大地坐标系上任意一点为(B,L,H)，其中，B为纬度，L为经度，H为高度，投影平面对应的坐标为(x,y)，坐标计算公式为：
式中，m0为赤道至纬度B的子午线的弧长；
为子午线的曲率半径；
为第一偏心率；a为大地坐标系长轴，b为坐标系短轴，l＝L-L0，为当前经度与子午线经度差；t＝tanB；
为第二偏心率。
在本申请的另一个优选实施例中，机器人导航系统的控制方法中，所述步骤c中的捷联式惯性导航系统，其向量式方程为：
式中，
为载体因地球自转而产生的加速度向量；
为载体在大地坐标系下的加速度向量；gn为载体在当地的重力加速度向量。
在本申请的另一个优选实施例中，机器人导航系统的控制方法中，所述步骤d包括如下步骤：
步骤d1：选取GPS/INS组合导航的硬件；
步骤d2：建立量测方程与状态方程：
式中，Zp(t)为INS与GPS两者的位置观测量之差即为组合导航系统的位置量测方程，Zv(t)为速度观测量之差得速度量测方程；RM为参考椭球体子午圈上各点的曲率半径；δVn、δλ1、δh1为INS的位置测量误差值；Nn、Ne、Nu为GPS接收机的位置测量误差；δVe、δVn、δVu为INS速度测量误差；Me、Mn、Mu为接收端的定位测量误差；
步骤d3：选取INS的位置和速度误差、平台误差角以及陀螺仪与加速度计的零偏作为状态方程的变量
X＝[δLδλδhδVeδVnδVuφeφnφuεxεyεz▽x▽y▽z](5.1)
式中：(δL，δλ，δh)分别为经度、纬度以及高度的误差；(δVe，δVn，δVu)分别为速度误差在导航坐标系三轴方向上的投影；(φe，φn，φu)分别为平台误差角在导航坐标系三轴方向上的投影；(εx，εy，εz)分别为陀螺仪零偏在载体坐标系三轴向上的投影；(▽x，▽y，▽z)分别为加速度计零偏在载体坐标系三轴向上的投影。
以上所述，仅为本申请较佳的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种智慧养老机器人，其特征在于，包括：
机器人主体(106)，所述机器人主体(106)上部安装有机器人颈部(104)，所述机器人颈部(104)上安装有机器人头部(102)，所述机器人头部(102)的左右两侧设置有机器人耳部(103)；所述机器人头部(102)的顶部安装有一对饰耳(101)；
所述机器人头部(102)的正面中部设置有面部显示屏(111)；所述面部显示屏(111)内部还安装有高清摄像头；
所述机器人主体(106)正面下部设置有感应装置(107)，所述机器人主体(106)正面中部设置有人机交互显示屏(108)，所述人机交互显示屏(108)上方设置有警示器(109)；所述机器人主体(106)的正面上部设置有药盒(110)，所述机器人主体(106)上部两侧安装有扬声器(105)；
所述机器人主体(106)的背面设置有总开关(201)，所述机器人主体(106)的背面底部设置有散热口(202)；所述机器人主体(106)的底部设置有轮轴(302)，所述轮轴(302)上设置有第一轮(301)，所述第一轮(301)周向设置有第二轮(303)。
2.根据权利要求1所述的一种智慧养老机器人，其特征在于，所述机器人颈部(104)由舵机组成，可以实现周向旋转，能够调整机器人头部(102)在0°～360°范围内水平转动，能够调整人机交互显示屏在-90°～180°范围内垂直运动。
3.根据权利要求1所述的一种智慧养老机器人，其特征在于，还包括可穿戴无线生理传感器装置，所述可穿戴无线生理传感器装置包括但不限于手环、可穿戴式上衣、老人鞋；
所述手环包括手环带(401)、第二显示屏(402)、锁紧部件(403)、灯光按键(404)；所述手环带(401)包括基底层(4011)、中间层(4012)、装饰层(4013)、滚珠(4014)。
4.一种智慧养老机器人系统，其特征在于，包括智慧养老机器人、功能模块，功能模块由硬件部分和软件部分构成，所述功能模块包括：
生理指标监测模块，涉及健康检测，包括但不限于监测用户的血压、血糖、睡眠状况、心律情况、消化情况，用于发现用户的身体健康问题、输送健康报告至目标接收设备及人员；
日常事务处理模块，包括日常生活监测和和健康饮食监测，用以监测和提醒提示老年人需要处理的日常事务，包括但不限于洗澡、剪发、睡眠、吃饭、用药；
面部与声音识别模块，根据摄像头采集到的面部图像对用户面部表情进行识别分析，包括但不限于用户的情绪状态、用户的异常行为，然后根据分析结果做出决策，并将分析结果及决策方案发送给目标终端设备上；目标终端设备包括但不限于医疗机构、社区服务站、机器人终端、子女设备；
突发事故监测模块，包括但不限于监测老人的摔倒行为；定位与导航模块；
家电智能控制模块，用于连接和控制包括但不限于与老人家居生活有关的智能家电设备、生理指标监测设备；还能够替代智能手机APP或开关面板，独立控制智能家居产品；
环境监测模块，监测包括空气温度、湿度、烟雾、噪音在内的室内环境信息，显示环境的适宜性；
信息交互功能模块，能够与第三方平台建立连接，用以采集和评估用户信息数据，以及传输至包括但不限于手机、电脑在内的智能产品；
智能优化模块，根据数据信息对用户的饮食规划，包括但不限于搜索和推荐健康食谱，以及通过语音和界面显示方式说明该食谱的做法和功效。
5.根据权利要求1-4任一项所述智慧养老机器人及其系统的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)核心控制模块发出指令，驱动机器人执行命令，包括但不限于启动、暂停、前进、后退、加速、减速、转弯；
(2)根据工作情况，机器人实现包括但不限于生理指标监测作业、日常事务处理作业、面部与声音识别作业、突发事故监测作业、家电智能控制作业、环境监测作业、信息交互作业、智能优化作业。
6.根据权利要求5所述一种智慧养老机器人及其系统的控制方法，其特征在于，还包括摔倒判断方法，所述摔倒判断方法以身体高度、下降速率、位姿角度为判定指标，其步骤包括：
(a)身体高度判断：提取身体中心点、肩部中心点、脊椎点、足部坐标点信息，获取脊椎点坐标(xi，yi，zi)，计算脊椎点与地面的距离，身体高度判断的计算方法为：
当H小于某一设定的阈值时，判定为达到身体高度判定指标；当复杂情况下无法获取地面位置信息时，将双足位置中较低者作为地面位置信息，进而减少误差；
(b)下降速率判断：每隔20帧取一次中心点位置信息，利用单位时间内垂直方向坐标变化情况计算中心点下降速率；下降速率的计算方法为：
当该下降速率大于设定的阈值时为达到该判定指标；
(c)位姿角度判断：提取肩部信息S(x，y，z)，脊椎点H(x，y，z)，足部中心点坐标点F(x，y，z)，脊椎垂直点坐标V(x，y，z)，上体上肢倾角A1和身体下肢倾角A2的计算方法为：
当上体上肢倾角A1和身体下肢倾角A2都小于某一阈值时，认为达到位姿判定指标；当同时符合三个判定指标时，认为摔倒行为发生，执行处理指令。
7.根据权利要求5所述智慧养老机器人及其系统的控制方法，其特征在于，还包括机器人导航系统的控制方法，其步骤包括：
步骤a：利用GPS相对定位方法和测码伪距动态相对定位获得GPS定位信号；
步骤b：利用高斯-克吕格投影法将定位系统所接收的大地坐标系进行投影转换；
步骤c：利用捷联式惯性导航系统，对当前时刻加速度和角加速度进行测量，然后计算相对位置；
步骤d：将GPS定位系统与INS惯性导航系统各自输出的位置信息与速度信息作差，然后将结果输入至卡尔曼组合滤波器进行滤波处理，经滤波处理输出数据为实时导航数据，该实时导航数据用以校正惯性导航系统的累积误差；
步骤e：利用行速自适应法则对路径规划时的行进速度进行控制，用以保证路径规划的速度稳定性；
步骤f：利用超声波传感器和视觉导航模块为路径规划提供障碍物信息，使得机器人在运动过程中避障。
8.根据权利要求7所述中涉及的机器人导航系统的控制方法，其特征在于，所述步骤b包括：
利用高斯-克吕格投影法将GPS定位系统接收的大地坐标系在常用的平面坐标系上进行投影转换；令大地坐标系上任意一点为(B,L,H)，其中，B为纬度，L为经度，H为高度，投影平面对应的坐标为(x,y)，坐标计算公式为：
式中，m0为赤道至纬度B的子午线的弧长；
为子午线的曲率半径；
为椭球的第一偏心率；a为大地坐标系长轴，b为坐标系短轴，l＝L-L0，为当前经度与子午线经度差；t＝tanB；
为第二偏心率。
9.根据权利要求7所述中涉及的机器人导航系统的控制方法，其特征在于，所述步骤c中的捷联式惯性导航系统，其向量式方程为：
式中，
为载体因地球自转而产生的加速度向量；
为载体在大地坐标系下的加速度向量；gn为载体在当地的重力加速度向量。
10.根据权利要求7所涉及的机器人导航系统的控制方法，其特征在于，所述步骤d包括如下步骤：
步骤d1：选取GPS/INS组合导航的硬件；
步骤d2：建立量测方程与状态方程：
式中，Zp(t)为INS与GPS两者的位置观测量之差即为组合导航系统的位置量测方程，Zv(t)为速度观测量之差得速度量测方程；RM为参考椭球体子午圈上各点的曲率半径；δVn、δλ1、δh1为INS的位置测量误差值；Nn、Ne、Nu为GPS接收机的位置测量误差；δVe、δVn、δVu为INS速度测量误差；Me、Mn、Mu为接收端的定位测量误差；
步骤d3：选取INS的位置和速度误差、平台误差角以及陀螺仪与加速度计的零偏作为状态方程的变量：
式中，(δL，δλ，δh)分别为经度、纬度以及高度的误差；(δVe，δVn，δVu)分别为速度误差在导航坐标系三轴方向上的投影；(φe，φn，φu)分别为平台误差角在导航坐标系三轴方向上的投影；(εx，εy，εz)分别为陀螺仪零偏在载体坐标系三轴向上的投影；
分别为加速度计零偏在载体坐标系三轴向上的投影。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202211702776.9A CN116061204A (zh) | 2022-12-28 | 2022-12-28 | 一种智慧养老机器人、机器人系统及其控制方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202211702776.9A CN116061204A (zh) | 2022-12-28 | 2022-12-28 | 一种智慧养老机器人、机器人系统及其控制方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN116061204A true CN116061204A (zh) | 2023-05-05 |
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ID=86183142
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202211702776.9A Pending CN116061204A (zh) | 2022-12-28 | 2022-12-28 | 一种智慧养老机器人、机器人系统及其控制方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN116061204A (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN118121213A (zh) * | 2024-05-06 | 2024-06-04 | 北京晶品特装科技股份有限公司 | 一种能够移动的智能监测装置 |
-
2022
- 2022-12-28 CN CN202211702776.9A patent/CN116061204A/zh active Pending
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN118121213A (zh) * | 2024-05-06 | 2024-06-04 | 北京晶品特装科技股份有限公司 | 一种能够移动的智能监测装置 |
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