基于振動(dòng)觸覺的移動(dòng)機(jī)器人為人導(dǎo)航系統(tǒng)

劉　杰　宋光明　彭　璜　張　穎　楊　茜　宋愛國(guó)

(東南大學(xué)儀器科學(xué)與工程學(xué)院, 南京 210096)

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基于振動(dòng)觸覺的移動(dòng)機(jī)器人為人導(dǎo)航系統(tǒng)

劉杰宋光明彭璜張穎楊茜宋愛國(guó)

(東南大學(xué)儀器科學(xué)與工程學(xué)院, 南京 210096)

為了給視覺障礙者或助航需求者自主行走提供幫助、減輕其心理負(fù)擔(dān),設(shè)計(jì)了一種基于振動(dòng)觸覺的移動(dòng)機(jī)器人為人導(dǎo)航系統(tǒng)．該系統(tǒng)通過移動(dòng)機(jī)器人搭載Kinect體感設(shè)備為使用者提供其姿態(tài)信息,再結(jié)合振動(dòng)觸覺腕帶裝置的反饋實(shí)現(xiàn)機(jī)器人為人導(dǎo)航的功能,即引導(dǎo)使用者在預(yù)先規(guī)劃好的路徑上行走．整個(gè)為人導(dǎo)航過程中使用者和機(jī)器人之間的相對(duì)距離和相對(duì)角度收斂到給定值,最終確保在機(jī)器人的引導(dǎo)下按照給定路徑使得使用者安全準(zhǔn)確到達(dá)目的地．基于領(lǐng)導(dǎo)者-跟隨者控制模型,提出了適合本系統(tǒng)的人機(jī)協(xié)作控制算法,進(jìn)行了振動(dòng)觸覺識(shí)別率實(shí)驗(yàn),完成了本系統(tǒng)在平坦地面軌跡跟蹤實(shí)驗(yàn)和對(duì)起伏地面的適應(yīng)能力測(cè)試,驗(yàn)證了算法的正確性與可行性．最后,對(duì)本系統(tǒng)抗干擾能力進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析,以驗(yàn)證系統(tǒng)的魯棒性．

振動(dòng)觸覺;為人導(dǎo)航;移動(dòng)機(jī)器人;人機(jī)協(xié)作

與普通人相比,由于視覺信息的缺失,盲人和存在視覺障礙的人在行走過程中無(wú)法及時(shí)有效地獲得路況與位置信息,導(dǎo)致其活動(dòng)受限、行走危險(xiǎn)性增加等．同時(shí),當(dāng)普通人處在一個(gè)復(fù)雜且視野受限的未知環(huán)境中,如何準(zhǔn)確到達(dá)目的地也是亟待解決的問題．因此,如何獲取環(huán)境信息成為導(dǎo)盲助航設(shè)備研制的關(guān)鍵點(diǎn)．

基于語(yǔ)音提示的導(dǎo)盲助航設(shè)備[1-2]在一定程度上克服了傳統(tǒng)導(dǎo)盲手段[3]的缺陷,能夠給出導(dǎo)航的方向信息．文獻(xiàn)[4]采用安裝在頭部的單目攝像頭來(lái)獲取路面圖像信息,根據(jù)采集圖像的灰度大小轉(zhuǎn)換為不同音量的提示聲．文獻(xiàn)[5]通過雙目攝像頭獲取路況圖像的深度信息和輪廓信息,采用語(yǔ)音提示模式將路況信息提供給使用者．但是,以上幾種基于語(yǔ)音的導(dǎo)航助盲設(shè)備,在嘈雜的環(huán)境下,使用者可能無(wú)法及時(shí)有效地接收提示信息或者需要刻意集中注意力來(lái)保證有效信息的獲取,這在一定程度上會(huì)增加使用者的心理負(fù)擔(dān),容易造成使用者聽覺疲勞．

觸覺作為人體有效獲取外部信息的一種方式,使用振動(dòng)觸覺來(lái)表達(dá)導(dǎo)盲助航的信息引起了研究者的廣泛關(guān)注．文獻(xiàn)[6]對(duì)振動(dòng)電機(jī)的振幅、振動(dòng)持續(xù)時(shí)間以及頻率對(duì)人體感知觸覺信息的影響進(jìn)行研究,對(duì)基于振動(dòng)觸覺設(shè)備的發(fā)展具有重要指導(dǎo)意義．文獻(xiàn)[7]提出了一種基于觸覺信息的反饋構(gòu)建未知環(huán)境地圖的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)盲人導(dǎo)航．文獻(xiàn)[8]研制了一款振動(dòng)觸覺背心,通過嵌入背心的振動(dòng)電機(jī)陣列來(lái)表達(dá)方位信息,實(shí)現(xiàn)盲人導(dǎo)航的功能．

機(jī)器人導(dǎo)航[9]或目標(biāo)追蹤技術(shù)對(duì)導(dǎo)盲助航設(shè)備的研制也有很大的促進(jìn)作用．文獻(xiàn)[10]提出通過移動(dòng)機(jī)器人上搭載的RGB-D攝像頭獲取人的位置信息,從而實(shí)現(xiàn)多個(gè)機(jī)器人跟蹤一個(gè)使用者的功能．文獻(xiàn)[11]提出了一種移動(dòng)機(jī)器人與物體保持一定安全距離的算法,該方法可以實(shí)現(xiàn)移動(dòng)機(jī)器人在一定安全距離范圍內(nèi)追隨移動(dòng)物體．

針對(duì)導(dǎo)盲助航的問題,本文設(shè)計(jì)了一種基于振動(dòng)觸覺的移動(dòng)機(jī)器人為人導(dǎo)航系統(tǒng),開發(fā)了一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小巧的振動(dòng)觸覺腕帶裝置,在多機(jī)器人領(lǐng)導(dǎo)者-跟隨者控制模型編隊(duì)算法[12]的基礎(chǔ)上,提出了適合本系統(tǒng)的機(jī)器人為人導(dǎo)航人機(jī)協(xié)作控制算法．佩戴有振動(dòng)觸覺裝置的使用者在移動(dòng)機(jī)器人引導(dǎo)下,按照預(yù)先規(guī)劃好的路徑行走,通過調(diào)節(jié)使用者的角速度與機(jī)器人的線速度使使用者和機(jī)器人的相對(duì)距離和相對(duì)角度收斂到給定值,最終使使用者安全準(zhǔn)確到達(dá)目的地．

1　系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本文提出基于振動(dòng)觸覺的移動(dòng)機(jī)器人為人導(dǎo)航系統(tǒng),如圖1所示．該系統(tǒng)包括移動(dòng)機(jī)器人實(shí)驗(yàn)平臺(tái)和振動(dòng)觸覺腕帶裝置．

圖1　移動(dòng)機(jī)器人為人導(dǎo)航系統(tǒng)示意圖

1.1移動(dòng)機(jī)器人實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

移動(dòng)機(jī)器人實(shí)驗(yàn)平臺(tái)包括小型履帶式移動(dòng)機(jī)器人、Kinect體感設(shè)備、ZigBee無(wú)線通信模塊和PC上位機(jī)．圖2為移動(dòng)機(jī)器人實(shí)驗(yàn)平臺(tái)．

圖2　移動(dòng)機(jī)器人實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

小型履帶式移動(dòng)機(jī)器人具有體積小、環(huán)境適應(yīng)性好和負(fù)載能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),因此本系統(tǒng)選用小型履帶式移動(dòng)機(jī)器人作為本系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的載體．本系統(tǒng)使用的小型履帶式移動(dòng)機(jī)器人,長(zhǎng)為35 cm,寬為25 cm,高為10 cm,質(zhì)量為4 kg,最高速度可達(dá)2 m/s,負(fù)載能力為10 kg,能夠滿足本系統(tǒng)的需求．

Kinect是微軟公司開發(fā)的一款體感設(shè)備,能采集使用者20個(gè)關(guān)節(jié)點(diǎn).本系統(tǒng)選用使用者在行走過程中擺動(dòng)幅度較小的肩膀中間、右肩、左肩、脊椎中段、臀部中間、右臀、左臀多個(gè)關(guān)節(jié)點(diǎn),采樣周期為100 ms,并處理相鄰2次采樣數(shù)據(jù),得到使用者的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和位置信息．Kinect骨骼關(guān)節(jié)點(diǎn)分布圖如圖3所示．在本系統(tǒng)中,Kinect體感設(shè)備安裝在履帶機(jī)器人上且面向使用者,用于采集使用者的骨骼關(guān)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)信息．

圖3　Kinect骨骼關(guān)節(jié)點(diǎn)分布圖

本系統(tǒng)采用的ZigBee無(wú)線模塊用于實(shí)現(xiàn)機(jī)器人實(shí)驗(yàn)平臺(tái)與振動(dòng)觸覺腕帶裝置之間的通信,其中振動(dòng)觸覺裝置使用3.3 V干電池供電,通信時(shí)間間隔為100 ms．ZigBee模塊1(即MCU1)與上位機(jī)之間通過串口1連接,波特率為115 200 bit/s,ZigBee 模塊2(即MCU2)作為振動(dòng)觸覺腕帶裝置的處理器,負(fù)責(zé)接收上位機(jī)指令并轉(zhuǎn)化為觸覺信息．ZigBee模塊1與ZigBee模塊2組成點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的通信網(wǎng)絡(luò),進(jìn)行使用者和機(jī)器人之間信息的交換．

圖4為移動(dòng)機(jī)器人為人導(dǎo)航系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖．當(dāng)系統(tǒng)開始工作時(shí),上位機(jī)通過Kinect體感設(shè)備以10 幀/s的速率采集使用者的骨骼關(guān)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)信息,并進(jìn)行計(jì)算處理．在獲取了使用者位姿后,上位機(jī)將根據(jù)相關(guān)信息通過串口2發(fā)送控制指令給下位機(jī),從而控制機(jī)器人進(jìn)行相應(yīng)調(diào)節(jié),同時(shí)通過ZigBee模塊發(fā)送振動(dòng)電機(jī)控制指令給觸覺腕帶裝置,使用者根據(jù)觸覺反饋信息進(jìn)行位姿調(diào)節(jié)．

圖4　移動(dòng)機(jī)器人為人導(dǎo)航系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.2振動(dòng)觸覺腕帶裝置

觸覺是人體獲取外部信息的重要通道,與視覺和聽覺相比, 有其顯著的優(yōu)勢(shì),能很大程度上減少外界環(huán)境的干擾．文獻(xiàn)[13]重點(diǎn)研究了人體不同部位的觸覺敏感度,其中手腕為觸覺敏感度較高的一個(gè)區(qū)域,該區(qū)域穿戴較為方便．本文在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小巧的振動(dòng)觸覺腕帶裝置．振動(dòng)觸覺腕帶裝置采用了一種微型紐扣式直流電機(jī)作為振子,電機(jī)殼外徑為10 mm,厚度為3 mm．振子緊貼手腕內(nèi)側(cè)皮膚放置,按照預(yù)先設(shè)定的振動(dòng)編碼來(lái)驅(qū)動(dòng)振子,產(chǎn)生振動(dòng)觸覺信號(hào)并作用于皮膚,向使用者傳達(dá)下位機(jī)的控制信息．

根據(jù)文獻(xiàn)[14],當(dāng)手腕部位能區(qū)分2種不同振動(dòng)刺激信號(hào)時(shí),電機(jī)之間的最小距離為35 mm．本文將4個(gè)振動(dòng)電機(jī)均勻分布在邊長(zhǎng)為80 mm的正方形頂點(diǎn)上,以確保任意2個(gè)振動(dòng)電機(jī)之間的距離遠(yuǎn)大于35 mm．振動(dòng)觸覺腕帶裝置包括嵌入了振動(dòng)電機(jī)的腕帶和用于與機(jī)器人進(jìn)行無(wú)線通信的ZigBee模塊,腕帶展開圖如圖5(a)所示,振動(dòng)電機(jī)腕帶裝置的佩戴圖如圖5(b)所示．采用二進(jìn)制0和1對(duì)電機(jī)工作狀態(tài)進(jìn)行編碼,1表示電機(jī)振動(dòng),0表示電機(jī)不振動(dòng),用4個(gè)電機(jī)不同組合形式來(lái)表示使用者處于Kinect視野中的不同區(qū)域,振動(dòng)電機(jī)編碼與使用者的區(qū)域關(guān)系如表1所示．使用者的區(qū)域分布圖如圖6所示．將邊長(zhǎng)為20 cm的正方形區(qū)域設(shè)置為區(qū)域0,即使用者處在理想?yún)^(qū)域內(nèi),該區(qū)域內(nèi)使用者能較好地跟隨移動(dòng)機(jī)器人軌跡行走,此時(shí)4個(gè)電機(jī)均不發(fā)生振動(dòng);其余區(qū)域表示使用者偏離理想?yún)^(qū)域,其中,區(qū)域1、區(qū)域2、區(qū)域3、區(qū)域4分別表示向前、右、后、左偏離理想?yún)^(qū)域,區(qū)域5、區(qū)域6、區(qū)域7、區(qū)域8分別表示向右前、右后、左后、左前偏離理想?yún)^(qū)域,此時(shí)電機(jī)按照相應(yīng)的編碼振動(dòng),從而提醒使用者調(diào)節(jié)自身位姿．

圖5　觸覺腕帶裝置

振動(dòng)電機(jī)編碼使用者所在區(qū)域000001000101002001030001411005011060011710018

2　導(dǎo)航算法

2.1領(lǐng)導(dǎo)者-跟隨者控制模型

圖7　領(lǐng)導(dǎo)者-跟隨者控制模型

由領(lǐng)導(dǎo)者-跟隨者控制模型可列出如下關(guān)于距離l12和角度γ12變化量的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程：

(1)

式中,vi,ωi(i=1,2)分別表示機(jī)器人1、機(jī)器人2的線速度與角速度;l12為機(jī)器人1與機(jī)器人2之間的實(shí)際測(cè)量距離;γ12為機(jī)器人1的前進(jìn)方向與l12之間的實(shí)際測(cè)量夾角;ψ12為機(jī)器人2前進(jìn)方向與l12之間的實(shí)際測(cè)量夾角．

由式(1)可得出控制模型的矩陣方程為

(2)

將式(2)整理可得

z={l12,γ12}T,u1={v1,ω1}T,u2={v2,ω2}T

此控制模型的輸出量u1為

2.2機(jī)器人為人導(dǎo)航算法

本文在領(lǐng)導(dǎo)者-跟隨者控制模型的基礎(chǔ)上提出了一種移動(dòng)機(jī)器人為人導(dǎo)航的控制算法,將多機(jī)器人領(lǐng)域的協(xié)同運(yùn)動(dòng)算法應(yīng)用于機(jī)器人為人導(dǎo)航領(lǐng)域,為導(dǎo)盲助航設(shè)備的發(fā)展起到一定的推動(dòng)作用．機(jī)器人為人導(dǎo)航算法與領(lǐng)導(dǎo)者-跟隨者控制模型算法不同，領(lǐng)導(dǎo)者-跟隨者控制模型主要工作是設(shè)計(jì)協(xié)同控制律使得跟隨者與領(lǐng)導(dǎo)者之間保持期望的隊(duì)形,領(lǐng)導(dǎo)者自身的運(yùn)動(dòng)線速度和角速度都根據(jù)給定路徑來(lái)確定,與跟隨者運(yùn)動(dòng)狀態(tài)無(wú)關(guān)．跟隨者根據(jù)領(lǐng)導(dǎo)者的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)自身的角速度與線速度以保證相對(duì)距離與相對(duì)角度收斂到給定值．而本文提出的機(jī)器人為人導(dǎo)航控制算法是為了提高使用者的自主性與舒適性,使用者的線速度是根據(jù)使用者自身運(yùn)動(dòng)能力所決定的,不受到機(jī)器人運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的限制,但是使用者的角速度則根據(jù)振動(dòng)觸覺反饋信息和導(dǎo)航算法進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)．機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)線路是給定路徑,用于引導(dǎo)使用者的運(yùn)動(dòng)軌跡,機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)角速度是根據(jù)給定路徑來(lái)確定的,而線速度則根據(jù)使用者的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)．通過調(diào)節(jié)使用者的角速度與機(jī)器人的線速度使使用者和機(jī)器人的相對(duì)距離和相對(duì)角度收斂到給定值,在機(jī)器人的引導(dǎo)下,按照給定路徑實(shí)現(xiàn)機(jī)器人為人導(dǎo)航的功能．機(jī)器人為人導(dǎo)航控制模型如圖8所示．

圖8　機(jī)器人為人導(dǎo)航控制模型

由式(1)可以推導(dǎo)出適合機(jī)器人為人導(dǎo)航控制模型的矩陣公式,即

整理得

(3)

q={γ12,l12}T,u1={ω2,v1}T,u2={v2,ω1}T.

此機(jī)器人為人導(dǎo)航系統(tǒng)模型的輸出量u2為

3　實(shí)驗(yàn)與分析

3.1振動(dòng)觸覺識(shí)別率實(shí)驗(yàn)

在振動(dòng)觸覺識(shí)別率實(shí)驗(yàn)中選取了10名20～30歲身體狀態(tài)良好、感官正常的并且沒有參加過類似實(shí)驗(yàn)的在校大學(xué)生．初步采用的振動(dòng)觸覺編碼方式為靜態(tài)編碼,即編號(hào)1,2,3,4對(duì)應(yīng)位置上只有1個(gè)電機(jī)在振動(dòng),編號(hào)5,6,7,8對(duì)應(yīng)位置上有2個(gè)電機(jī)同時(shí)振動(dòng)．由系統(tǒng)隨機(jī)產(chǎn)生表1中9種電機(jī)的振動(dòng)情況,振動(dòng)周期為500ms,電機(jī)的振動(dòng)頻率為250Hz．每位受試者進(jìn)行實(shí)驗(yàn)前有5min的適應(yīng)時(shí)間．當(dāng)受試者感受到電機(jī)振動(dòng)時(shí),記錄相應(yīng)的電機(jī)號(hào)．每名受試者進(jìn)行100次實(shí)驗(yàn),為了保證受試者良好的狀態(tài),實(shí)驗(yàn)共分成5組,每組20次,每組之間受試者休息5min．表2為振動(dòng)電機(jī)靜態(tài)編碼與識(shí)別成功率的比較．

從表2中可知，編號(hào)0,1,2,3,4的正確率較高,滿足導(dǎo)航對(duì)振動(dòng)腕帶裝置識(shí)別率的需求．編號(hào)5,6,7,8的識(shí)別錯(cuò)誤率明顯比編號(hào)0,1,2,3,4錯(cuò)誤率高,可知相鄰電機(jī)同時(shí)振動(dòng)時(shí)相互之間會(huì)產(chǎn)生干擾,影響使用者的判斷．鑒于以上的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,對(duì)編號(hào)5,6,7,8的編碼方式進(jìn)行了改進(jìn),采用動(dòng)態(tài)編碼模式,即讓2個(gè)振動(dòng)電機(jī)以一定的時(shí)間間隔進(jìn)行交替振動(dòng)．

表2　振動(dòng)電機(jī)靜態(tài)編碼與識(shí)別成功率關(guān)系

圖9為振動(dòng)電機(jī)靜態(tài)編碼和動(dòng)態(tài)編碼識(shí)別成功率的比較．由于人體對(duì)觸覺信號(hào)的改變比對(duì)持續(xù)的觸覺振動(dòng)更加敏感,因此動(dòng)態(tài)編碼能明顯提高編號(hào)5,6,7,8位置的振動(dòng)電機(jī)的識(shí)別率,識(shí)別成功率達(dá)95%以上,能有效地降低相鄰電機(jī)的振動(dòng)干擾,滿足本系統(tǒng)對(duì)振動(dòng)觸覺腕帶裝置的使用要求．

圖9　靜態(tài)編碼與動(dòng)態(tài)編碼識(shí)別成功率的比較

3.2系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)

本系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的室內(nèi)實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地是東南大學(xué)中心樓內(nèi)部的樓道與大廳內(nèi),平坦地面軌跡跟蹤實(shí)驗(yàn)地圖如圖10(a)所示．其中,走廊為起點(diǎn),大廳為終點(diǎn),曲線表示運(yùn)動(dòng)軌跡,平坦地面軌跡跟蹤實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景圖如圖10(b)所示．本實(shí)驗(yàn)選取的實(shí)驗(yàn)對(duì)象是10名20～30歲的在校大學(xué)生,并通過了上述振動(dòng)觸覺的訓(xùn)練與實(shí)驗(yàn),用眼罩遮住雙眼,避免視覺干擾．使用相機(jī)來(lái)拍攝移動(dòng)機(jī)器人實(shí)驗(yàn)平臺(tái)和使用者的運(yùn)動(dòng)路徑,并用秒表記錄運(yùn)動(dòng)時(shí)間,進(jìn)行處理后得到導(dǎo)航過程中移動(dòng)機(jī)器人與使用者的運(yùn)動(dòng)軌跡,其中機(jī)器人和3名使用者在實(shí)驗(yàn)中的軌跡圖如圖11所示．

圖10　平坦地面軌跡跟蹤實(shí)驗(yàn)地圖和實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景

圖11　使用者與移動(dòng)機(jī)器人軌跡圖

分析圖11移動(dòng)機(jī)器人與使用者的軌跡圖可知，在路徑為直線或曲率很小的彎道時(shí),使用者能夠較好地跟隨機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)軌跡,在曲率較大的彎道(本實(shí)驗(yàn)中約y=15 m處)時(shí),使用者與機(jī)器人軌跡會(huì)出現(xiàn)較大的偏離．當(dāng)角度偏離出現(xiàn)以后,使用者能通過振動(dòng)腕帶裝置的提示逐漸減小軌跡誤差,最后實(shí)現(xiàn)軌跡跟蹤．

針對(duì)拐彎角度進(jìn)行分析,本實(shí)驗(yàn)將機(jī)器人一次性的旋轉(zhuǎn)角度設(shè)為0°，5°，10°，…，60°，分別進(jìn)行實(shí)驗(yàn),角度與軌跡偏離距離如圖12所示．當(dāng)拐彎角度大于55°時(shí),Kinect體感器將不能檢測(cè)到使用者,無(wú)法完成軌跡跟蹤的功能．當(dāng)角度小于55°時(shí),從0°開始,隨著角度的增加,拐彎處的偏移距離越來(lái)越大,但是增加的幅度卻在減?。鞠到y(tǒng)中, 把機(jī)器人與使用者之間的最大角度設(shè)為50°,當(dāng)轉(zhuǎn)角達(dá)到最大角度50°時(shí),機(jī)器人停止轉(zhuǎn)動(dòng)等待使用者,防止使用者超出Kinect的視野范圍,使用者根據(jù)觸覺提示信息,運(yùn)動(dòng)到合適的位置,機(jī)器人再繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng),實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的大角度轉(zhuǎn)彎．

圖12　機(jī)器人拐彎角度與軌跡偏移距離關(guān)系圖

本實(shí)驗(yàn)還對(duì)平坦地面使用者從起點(diǎn)到終點(diǎn)的時(shí)間進(jìn)行評(píng)估,正常人所用的平均時(shí)間是30 s,帶上眼罩使用手杖的使用者所用的平均時(shí)間為61 s,帶上眼罩使用本系統(tǒng)的使用者所用的平均時(shí)間為41.1 s,本系統(tǒng)相對(duì)于使用手杖能縮短使用者運(yùn)動(dòng)時(shí)間．10個(gè)使用者所用的具體時(shí)間如表3所示．

表3　平坦地面導(dǎo)航時(shí)間測(cè)量結(jié)果　s

為了驗(yàn)證為人導(dǎo)航系統(tǒng)對(duì)起伏地面的適應(yīng)能力,以100 cm×10 cm×2 cm的路障間隔80 cm分布進(jìn)行測(cè)試實(shí)驗(yàn),圖13為起伏地面實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景圖．經(jīng)過實(shí)驗(yàn)測(cè)得該導(dǎo)航系統(tǒng)在通過起伏路面時(shí)雖然會(huì)出現(xiàn)抖動(dòng),但并不影響導(dǎo)航系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)．原因是該機(jī)器人為履帶機(jī)器人,對(duì)地面的適應(yīng)能力較強(qiáng);該導(dǎo)航系統(tǒng)使用者所在的理想位置為一定的區(qū)域范圍,允許機(jī)器人在一定范圍內(nèi)發(fā)生抖動(dòng)．

圖13　起伏地面實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景圖

3.3系統(tǒng)抗干擾能力測(cè)試實(shí)驗(yàn)

針對(duì)在運(yùn)動(dòng)過程中有物體或干擾者進(jìn)入系統(tǒng)的情況,進(jìn)行以下3種情況的實(shí)驗(yàn)測(cè)試:① 物體從使用者和機(jī)器人中間快速穿過;② 干擾者進(jìn)入系統(tǒng)但不遮擋使用者;③ 干擾者進(jìn)入系統(tǒng)并遮擋使用者(見圖14)．

圖14(a)為物體從使用者和機(jī)器人中間快速穿過的視頻截圖．在導(dǎo)航過程中將方形紙箱從使用者和機(jī)器人中間快速穿過,會(huì)出現(xiàn)物體遮擋骨骼點(diǎn)的問題,可分為2種情況:① 使用者的骨骼點(diǎn)被部分遮擋,Kinect依然能根據(jù)現(xiàn)有的骨骼點(diǎn)來(lái)確定使用者的位置; ② 使用者的骨骼點(diǎn)被擋住過多或被完全遮擋,Kinect將無(wú)法識(shí)別到使用者,此時(shí)使用者和機(jī)器人都停止運(yùn)動(dòng)直至物體快速通過后,Kinect將重新識(shí)別到使用者,繼續(xù)執(zhí)行導(dǎo)航任務(wù)．

(a) 物體從導(dǎo)航系統(tǒng)中快速穿過

(b) 干擾者進(jìn)入系統(tǒng)但不遮擋使用者

(c) 干擾者進(jìn)入系統(tǒng)并遮擋使用者圖14　系統(tǒng)抗干擾實(shí)驗(yàn)視頻截圖

圖14(b)為干擾者進(jìn)入系統(tǒng)但不遮擋使用者情況的視頻截圖,其中橢圓曲線部分為干擾者．在導(dǎo)航過程中讓干擾者進(jìn)入該系統(tǒng),結(jié)果表明該導(dǎo)航系統(tǒng)沒有受到影響,原因是Kinect骨骼追蹤引擎對(duì)于每一個(gè)追蹤到骨骼信息的對(duì)象都有一個(gè)唯一編號(hào),該編號(hào)會(huì)隨著新追蹤到的對(duì)象產(chǎn)生而增加．應(yīng)用程序使用TrackingID來(lái)指定需要骨骼追蹤引擎追蹤的使用者,調(diào)用SkeletonStream對(duì)象的ChooseSkeleton來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)指定使用者的追蹤．

圖14(c)為干擾者進(jìn)入系統(tǒng)并遮擋使用者情況的視頻截圖,其中橢圓曲線部分為干擾者．在導(dǎo)航過程中讓干擾者進(jìn)入系統(tǒng)并遮擋使用者,此時(shí)使用者消失在Kinect視野中,機(jī)器人將停止運(yùn)動(dòng)直至干擾者消失在Kinect視野中后再進(jìn)行指定使用者的導(dǎo)航任務(wù)．

4　結(jié)語(yǔ)

針對(duì)導(dǎo)盲助航的問題,本文在移動(dòng)機(jī)器人平臺(tái)的基礎(chǔ)上開發(fā)了一套基于振動(dòng)觸覺的移動(dòng)機(jī)器人為人導(dǎo)航系統(tǒng)．該系統(tǒng)包括小型履帶式移動(dòng)機(jī)器人、Kinect體感設(shè)備、ZigBee無(wú)線通信模塊、振動(dòng)觸覺腕帶裝置和PC上位機(jī)．本文提出了一種基于振動(dòng)觸覺感知的機(jī)器人為人導(dǎo)航人機(jī)協(xié)作控制算法,進(jìn)行了振動(dòng)觸覺識(shí)別率實(shí)驗(yàn),完成了移動(dòng)機(jī)器人在平坦地面軌跡跟蹤實(shí)驗(yàn)和對(duì)起伏地面的適應(yīng)能力,驗(yàn)證了算法的正確性與可行性．最后,針對(duì)導(dǎo)航運(yùn)動(dòng)過程中有物體或者干擾者進(jìn)入系統(tǒng),進(jìn)行了系統(tǒng)抗干擾能力測(cè)試．本系統(tǒng)還需置于一些地勢(shì)比較復(fù)雜的場(chǎng)景進(jìn)行測(cè)試和改進(jìn)．

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Mobile robotic navigation system for human based on vibro-tactile perception

Liu JieSong GuangmingPeng HuangZhang YingYang XiSong Aiguo

(School of Instrument Science and Engineering, Southeast University, Nanjing 210096, China)

To help the visually impaired people or those who need navaid walk independently and alleviate the psychological burden, a mobile robotic navigation system for human based on vibro-tactile perception was designed. The system can provided the navigation function for human by combining the user’s posture information given by the Kinect sensor mounted on the mobile robot and the feedback of the vibro-tactile bracelet device, guiding the user to a planned path. In the navigation process, the relative distance and the relative angle between the user and the robot converge to a given value, ensuring that the user reaches the destination safely and accurately under the guidance of the robot. Based on the leader-follower control model, a cooperative human-robot control algorithm is proposed. The vibration tactile recognition rate experiment is carried out, and the trajectory tracking experiment on the flat ground and the adaptive capacity test on the undulating terrain are completed, which verify the correctness and feasibility of the algorithm. Finally, the anti-interference ability of the system is analyzed by experiments in order to verify the robustness of the system.

vibro-tactile perception; navigation for human; mobile robot; cooperative human-robot navigation

10.3969/j.issn.1001-0505.2016.05.020

2016-03-09.作者簡(jiǎn)介: 劉杰(1990—),男,碩士生;宋光明(聯(lián)系人),男,博士,教授,博士生導(dǎo)師,mikesong@seu.edu.cn.

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(61375076)、江蘇省“六大人才高峰”高層次人才選拔培養(yǎng)資助項(xiàng)目(WLW-010).

TP24

A

1001-0505(2016)05-1013-07

引用本文: 劉杰,宋光明,彭璜,等.基于振動(dòng)觸覺的移動(dòng)機(jī)器人為人導(dǎo)航系統(tǒng)[J].東南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2016,46(5):1013-1019. DOI:10.3969/j.issn.1001-0505.2016.05.020.