CN217046427U - 一种智能导盲机器人 - Google Patents

Abstract

本实用新型一种智能导盲机器人，用以辅助视觉障碍者安全出行，包括机器人底盘，以及安装于所述机器人底盘上的机器人车体、语音识别模块、传感器模块、主控模块、运动控制模块和用以引导视觉障碍者行进的导盲引导模块，所述主控模块的输入端连接语音识别模块和传感器模块，所述主控模块的输出端连接运动控制模块。与现有技术相比，该实用新型体型小，便于携带，能够对障碍物及不平稳的地面情况进行精确识别和避让，使得视觉障碍者难以安全便捷地跟随导盲杖行进。

Description

一种智能导盲机器人

技术领域

本实用新型涉及机器人智能技术领域，尤其是涉及一种智能导盲机器人。

背景技术

据统计，我国现有视觉障碍者人数已经超过千万，由于视力障碍，视觉障碍者无法自行判断周围的道路交通环境，出行时具有极大的安全隐患。因此，他们需要一定的辅助设施提供正确的路径并且躲避障碍，而导盲机器人能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并作出相应的反馈提供给驱动装置和视觉障碍者，是一种极为有效的辅助工具。

目前市场上已有的导盲机器人产品存在以下问题：

(1)体积庞大、不方便视觉障碍者出行携带；

(2)面对台阶、坡度等不平稳的地面状况难以识别和避让；

(3)导盲引导装置笨拙，不够灵活，视觉障碍者难以安全便捷地跟随导盲杖行进；

(4)现有的智能机器人环境感知能力弱。

实用新型内容

本实用新型的目的在于克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种智能导盲机器人，该实用新型体型小，便于携带，能够对障碍物及不平稳的地面情况进行精确识别和避让，使得视觉障碍者难以安全便捷地跟随导盲杖行进。

本实用新型的目的可以通过以下技术方案来实现：

本实用新型提供一种智能导盲机器人，用以辅助视觉障碍者安全出行，包括机器人底盘，以及安装于所述机器人底盘上的机器人车体、语音识别模块、传感器模块、主控模块、运动控制模块和用以引导视觉障碍者行进的导盲引导模块，所述主控模块的输入端连接语音识别模块和传感器模块，所述主控模块的输出端连接运动控制模块。

优选地，所述机器人底盘的上表面连接机器人车体，所述机器人车体上表面安装有竖直的支撑架，所述支撑架上设有用以触摸按键控制所述智能导盲机器人的触摸显示屏。

优选地，所述传感器模块包括用以采集周围环境图像信息的深度摄像头、用以采集周围环境点云信息的激光雷达、用以识别障碍物的超声波传感器，以及用以识别不平稳地面状况的防跌落传感器；所述深度摄像头通过支撑架与机器人车体连接，所述激光雷达安装于机器人车体的上表面，所述超声波传感器安装于所述机器人车体的外表面，所述防跌落传感器安装于所述机器人底盘的端部。

优选地，所述语音识别模块包括麦克风阵列和用以识别视觉障碍者的语音信息为文本信息的语音识别芯片，所述麦克风阵列一端通过支撑架与机器人车体的上表面连接，所述语音识别芯片与麦克风阵列连接，并安装于所述机器人车体的内部。

优选地，所述主控模块安装于所述机器人车体的内部，且采用jeston nano。

优选地，所述运动控制模块包括安装有集成驱动器电机，安装于所述机器人底盘底部的主动轮和被动轮，以及用以接收主控模块指令的运动控制板，所述电机的一端连接运动控制板，所述电机的另一端连接主动轮和被动轮。

优选地，所述运动控制板采用arduino运动控制板。

优选地，所述机器人底盘采用双轮差速驱动结构。

优选地，所述导盲引导模块包括导盲杖和万向节，所述导盲杖的底端通过万向节与机器人底盘固定连接。

优选地，所述导盲杖的外围包裹有防滑套。

与现有技术相比，本实用新型具有如下有益效果：

1、本实用新型通过融合深度摄像头、激光雷达、超声波传感器和防跌落传感器，提高智能导盲机器人对于环境感知的精度，能对不平稳的地面状况进行识别和避让，为智能导盲机器人更好地识别出行道路上的障碍。

2、本实用新型通过设计导盲引导模块，导盲杖能够通过下部连接的万向节感知小车的运动方向，进而牵引盲人用户更加安全、便捷的跟随导盲杖行进。

3、本实用新型通过设计触摸显示屏，使得视觉障碍者的亲友可以通过触摸显示屏为视觉障碍者提前开机，以便视觉障碍者对智能导盲机器人的使用。

4、本实用新型的主控模块采用jetson nano芯片，具有较好的兼容性和视觉处理能力。

5、本实用新型的机器人底盘采用双轮差速驱动结构，具有结构简单、质量轻和减震的特点，体积小，便于携带。

附图说明

图1为本实施例的一种智能导盲机器人的硬件结构示意图；

图2为图1所示实施例的功能模块的示意图；

图中标记为：1、麦克风阵列，2、深度摄像头，3、支撑架，4、激光雷达，5、防跌落传感器，6、主动轮，7、被动轮，8、机器人底盘，9、机器人车体，10、超声波传感器，11、开关，12、导盲杖，13、音响，14、触摸显示屏。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本实用新型实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

参考图1～2所示，本实施例提供一种智能导盲机器人，包括：机器人底盘8，以及安装于机器人底盘8上的语音识别模块、传感器模块、主控模块、运动控制模块、触摸显示屏14和导盲引导模块，主控模块的一端连接传感器模块和语音识别模块，主控模块的另一端连接运动控制模块，机器人底盘8的上表面连接机器人车体9，机器人车体9的上表面设有开关11和竖直的支撑架3，支撑架3上安装有触摸显示屏14，用以方便视觉障碍者的陪伴人员提前开机、连好网络，以控制智能导盲机器人更好地为视觉障碍者服务。

机器人底盘8用以承载其他模块，采用双轮差速驱动结构，具有结构简单的特点。内含悬挂系统，具有质量轻和减震的特点。且不占据太多智能导盲机器人的内部空间。悬挂系统的一端连接运动控制模块的电机，悬挂系统的另一端连接机器人底盘8。

语音识别模块：用以识别视觉障碍者的语音信息并转换为文本信息上传至主控模块。语音识别模块包括麦克风阵列1和语音识别芯片，其中，语音识别芯片设置于机器人车体9的内部，麦克风阵列1的一端通过支撑架3连接机器人车体9的上表面，视觉障碍者的语音信息通过麦克风阵列1传输至语音识别芯片进行转换。

作为一种可选的实施方式，语音识别芯片采用LD3320芯片。

传感器模块：采集周围环境信息并提供地图数据，周围环境信息包括周围环境的图像信息、点云信息、障碍物信息以及危险地面状况信息。传感器模块包括深度摄像头2、激光雷达4、超声波传感器10和防跌落传感器5。其中，深度摄像头2用以进行图像采集，通过支撑架3连接机器人车体9的上表面；激光雷达4用以测量周围环境的点云信息，并提供地图数据，设置于机器人车体9的上表面；超声波传感器10用以实现智能导盲机器人对障碍物的精准识别和避让，安装于机器人车体9的外表面；防跌落传感器5安装于机器人底盘8的端部，用以帮助导盲机器人多方位侦查工作环境，判断周围区域是否存在边界、台阶和坡度等危险的地面状况，进而发送信号至主控模块请求改变前进方向，避免机器人跌落。

主控模块：安装于机器人车体9的内部，接收和处理语音识别模块和传感器模块的信号，根据语音识别块上传的文本信息获取文本信息对应的地理位置节点，并激活激光雷达获取相应的地图数据，根据地图数据自主规划路径和导航，将规划好的路径输出至运动控制模块。主控模块采用jetson nano，具有较好兼容性和视觉处理能力，为整个智能导盲机器人提供了良好的硬件基础。且安装有ROS系统，能够利用Gmapping、Local_planner等算法及开源算法包。

所述根据地图数据自主规划路径和导航采用现有技术。

运动控制模块：控制导盲机器人沿规划路线运动。包括：运动控制板，安装有集成驱动器的电机，主动轮6和两个被动轮7。其中，主动轮6和两个被动轮7安装于机器人底盘8的底部，且主动轮6和两个被动轮7与安装于机器人底盘8上的电机连接，运动控制板采用arduino控制板，arduino运动控制板安装于机器人车体9的内部，与主控模块通过通信或控制线缆连接，并接受主控模块的指令，通过引脚发出脉冲信号驱动电机，控制主动轮6和被动轮7的正反转以及整个智能导盲机器人的转向。机器人车体9的上表面还安装有音响13，当导盲机器人有检测到障碍物和危险地面状况时需更改方向，通过音响13提醒视觉障碍者。

导盲引导模块：包括导盲杖12、万向节和防滑套，导盲杖12的一端从上往下通过万向节与机器人车体9固定连接，导盲杖12的外围包裹涂抹有点胶的防滑套。

本实施例提供的一种智能导盲机器人具有语音交互、建图与定位、轨迹规划与导航、视觉识别以及引导与避障功能。

由于视觉障碍者视觉的特殊性，他们无法精准地按动智能导盲机器人的开关，为此本实用新型同时设计语音识别模块和触摸显示屏。触摸显示屏为视觉障碍者的亲友设计，同时为视觉障碍者设计了语音识别模块，使其能够方便快捷地操作智能导盲机器人。

具体地，视觉障碍者用户通过语音识别模块语音告知目标地点，语音识别模块将语音信息与音频资源库匹配比对，识别为文本信息并上传至主控模块，实现语音交互功能。

由于导盲机器人所处的环境非常复杂，例如小区内有复杂动态的行人、不规则障碍、不平整路面，同时还需要导盲机器人能够沿着既定路线进行有方向的运动。因此本实用新型对于SLAM技术的要求很高。SLAM有两大核心任务，一是明确自身所处位置，即定位；二是绘制出所在的位置环境，即地图绘制。这两个核心任务都需要智能导盲机器人有三维感知。本实用新型融合了激光雷达4、深度摄像头2、超声波传感器10和防跌落传感器5，提高了对于环境感知的精度，为智能导盲机器人识别出行道路上的障碍。

具体地，由主控模块接收文本信息，并激活雷达，基于SLAM技术，获取导盲机器人运动过程中激光雷达4检测到的周围环境的点云信息，计算导盲机器人相对运动的距离和姿态的改变，以此完成局部定位功能，并利用采集的地图数据，进行地图构建，实现建图功能；根据构建的地图，获取导盲机器人周围的环境信息，结合视觉障碍者用户的目标地点，采用全局路径规划算法，以及A*寻路算法和Dijkstra的结合算法，进行全局与局部路径规划，使导盲机器人避开障碍物，安全到达指定位置，进而实现轨迹规划与导航功能；同时，通过深度摄像头2获取周围环境的图像信息，感知周围环境，识别静态与动态物体，并将识别结果通过语音形式告知视觉障碍者，进而实现视觉识别功能；利用万向节连接导盲杖12，多自由度引导视觉障碍者前进或者转弯，进而实现引导功能；

以上主控模块处理信息的技术，包括SLAM技术、全局路径规划算法，以及A*寻路算法和Dijkstra的结合算法，均采用现有技术。

本实施例提供的一种智能导盲机器人的工作流程如下所示：

(1)在智能导盲机器人的开机状态下，视觉障碍者通过语音识别模块语音告知目标地点，语音识别模块将语音信息与音频资源库匹配比对，识别为文本信息并上传至主控模块。

(2)由主控模块接收文本信息，并激活雷达，基于SLAM技术，获取导盲机器人运动过程中激光雷达检测到的周围环境的点云信息，并利用采集的地图数据，进行地图构建，根据构建的地图，获取导盲机器人周围的环境信息，结合视觉障碍者用户的目标地点，采用全局路径规划算法，以及A*寻路算法和Dijkstra的结合算法，进行全局与局部路径规划。

(3)通过激光雷达4对当前路况进行实时扫描，并在行进过程中通过深度摄像头2、超声波传感器10和防跌落传感器5感知外界环境变化，及时反馈给主控模块，一旦发现全局规划的路径上存在障碍物，深度摄像头2立即对其进行识别，并重新进行路线规划，避开障碍物，通过音响13引导视觉障碍者继续行进。

(4)运动控制板接收主控模块的指令，通过直流电机带动主动轮6和被动轮7转动，控制前进方向和速度。导盲杖12通过底端连接的万向节感知小车的运动方向，牵引视觉障碍者用户安全、便捷地跟随导盲杖行进。

(5)当导盲机器人到达终点附近，其位置信息与目的地重合，将此信号发送给主控模块，通过音响13提醒视觉障碍者已到达目的地。

以上详细描述了本实用新型的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本实用新型的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本实用新型的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种智能导盲机器人，用以辅助视觉障碍者安全出行，其特征在于，包括机器人底盘(8)，以及安装于所述机器人底盘(8)上的机器人车体(9)、语音识别模块、传感器模块、主控模块、运动控制模块和用以引导视觉障碍者行进的导盲引导模块，所述主控模块的输入端连接语音识别模块和传感器模块，所述主控模块的输出端连接运动控制模块。

2.根据权利要求1所述的一种智能导盲机器人，其特征在于，所述机器人底盘(8)的上表面连接机器人车体(9)，所述机器人车体(9)上表面安装有竖直的支撑架(3)，所述支撑架(3)上设有用以触摸按键控制所述智能导盲机器人的触摸显示屏(14)。

3.根据权利要求2所述的一种智能导盲机器人，其特征在于，所述传感器模块包括用以采集周围环境图像信息的深度摄像头(2)、用以采集周围环境点云信息的激光雷达(4)、用以识别障碍物的超声波传感器(10)，以及用以识别不平稳地面状况的防跌落传感器(5)；所述深度摄像头(2)通过所述支撑架(3)与所述机器人车体(9)连接，所述激光雷达(4)安装于所述机器人车体(9)的上表面，所述超声波传感器(10)安装于所述机器人车体(9)的外表面，所述防跌落传感器(5)安装于所述机器人底盘(8)的端部。

4.根据权利要求2所述的一种智能导盲机器人，其特征在于，所述语音识别模块包括麦克风阵列(1)和用以识别视觉障碍者的语音信息为文本信息的语音识别芯片，所述麦克风阵列(1)一端通过所述支撑架(3)与所述机器人车体(9)的上表面连接，所述语音识别芯片与所述麦克风阵列(1)连接，并安装于所述机器人车体(9)的内部。

5.根据权利要求1所述的一种智能导盲机器人，其特征在于，所述主控模块安装于所述机器人车体(9)的内部，且采用jeston nano。

6.根据权利要求1所述的一种智能导盲机器人，其特征在于，所述运动控制模块包括安装有集成驱动器的电机，安装于所述机器人底盘(8)底部的主动轮(6)和被动轮(7)，以及用以接收主控模块指令的运动控制板，所述电机的一端连接运动控制板，所述电机的另一端连接主动轮(6)和被动轮(7)。

7.根据权利要求6所述的一种智能导盲机器人，其特征在于，所述运动控制板采用arduino运动控制板。

8.根据权利要求1所述的一种智能导盲机器人，其特征在于，所述机器人底盘(8)采用双轮差速驱动结构。

9.根据权利要求1所述的一种智能导盲机器人，其特征在于，所述导盲引导模块包括导盲杖(12)和万向节，所述导盲杖(12)的底端通过万向节与机器人底盘(8)固定连接。

10.根据权利要求9所述的一种智能导盲机器人，其特征在于，所述导盲杖(12)的外围包裹有防滑套。

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