輪椅式機(jī)器人室內(nèi)自主定位系統(tǒng)研究

佛山順德新大通工藝電器有限公司 孔慶瑩

廣東工業(yè)大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院 王 波

廣東必達(dá)電器有限公司 李青云

廣東工業(yè)大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院 夏 雪

輪椅式機(jī)器人室內(nèi)自主定位系統(tǒng)研究

佛山順德新大通工藝電器有限公司 孔慶瑩

廣東工業(yè)大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院 王 波

廣東必達(dá)電器有限公司 李青云

廣東工業(yè)大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院 夏 雪

中國正在快速進(jìn)入老齡化社會(huì)，越來越多的長者需要專人看護(hù)。然而人工護(hù)理的成本日益高漲，使得許多家庭難以承擔(dān)相關(guān)費(fèi)用。本文提出一種適用于輪椅式護(hù)理機(jī)器人上的室內(nèi)自主定位系統(tǒng)。測試結(jié)果表明，基于超聲波傳感器全局定位和慣性導(dǎo)航的方法，可以實(shí)現(xiàn)較好的室內(nèi)定位，并根據(jù)上位機(jī)的路徑規(guī)劃實(shí)現(xiàn)室內(nèi)的自主巡航。

護(hù)理機(jī)器人；路徑規(guī)劃；自主巡航

中國正快速步入老齡化社會(huì),越來越多的長者需要專人護(hù)理。隨著人工護(hù)理費(fèi)用的日益高漲,許多家庭己經(jīng)難以承擔(dān)相關(guān)的費(fèi)用。因此,市場對(duì)自動(dòng)化護(hù)理產(chǎn)品的需求不斷增長,助老助殘機(jī)器人的發(fā)展己成為社會(huì)進(jìn)一步發(fā)展的迫切需求［1］。目前,市場上己經(jīng)有一些護(hù)理床以及護(hù)理床可變輪椅方面的報(bào)道,但要發(fā)展可室內(nèi)自主定位、自主巡航的智能機(jī)器人在當(dāng)前及可預(yù)見的將來仍有一定的困難［2］。

為此,本文提出一種適用于輪椅式護(hù)理機(jī)器人的、低成本的定位系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用超聲波技術(shù)［3,4］進(jìn)行機(jī)器人的全局定位,并結(jié)合碼盤、電子羅盤等進(jìn)行機(jī)器人的局部定位。通過全局定位修正局部定位精度,通過局部實(shí)時(shí)定位有效解決了超聲波傳感器的多徑干擾和死區(qū)等問題,二者相互結(jié)合。

1 定位系統(tǒng)構(gòu)建分析

室內(nèi)定位的方法可以采用RFID、藍(lán)牙、WIFI等技術(shù)實(shí)現(xiàn)［5］,但目前這些方法難以實(shí)現(xiàn)dm級(jí)精度定位。對(duì)于激光測距技術(shù)［6］,雖可得到精準(zhǔn)的測距數(shù)據(jù),但價(jià)格昂貴,而且激光照射對(duì)眼睛存在著一定的傷害［7］,因而不宜在護(hù)理病房或小兒活動(dòng)區(qū)使用。為此,本文的采用基于超聲波傳感器、碼盤和電子羅盤等多種器件結(jié)合的定位方案。

輪椅式護(hù)理機(jī)器人采用四輪后差動(dòng)方式驅(qū)動(dòng),其最鮮明的特點(diǎn)是可以在“床”和“椅”之間變形切換。也就是說,這種機(jī)器人在病人需要睡眠時(shí),可以變形為護(hù)理床;需要自主定位或移動(dòng)時(shí),可以變形為輪椅。該機(jī)器人可供自理能力低下甚至肌體己嚴(yán)重退化直至癱瘓的長者通過語音、觸摸屏、搖桿甚至手機(jī)異地控制等方式調(diào)用運(yùn)行模式,使得更多的長者居家或在養(yǎng)老院更有尊嚴(yán)地安享晚年,很大程度上減少了專人看護(hù)、減輕了家庭負(fù)擔(dān)。同時(shí),機(jī)器人還充分利用了居室內(nèi)己有安全設(shè)施,包括陽臺(tái)、衛(wèi)生間等空間,實(shí)現(xiàn)室內(nèi)定位、路徑規(guī)劃、自主巡航以及避障繞障,從而順利抵達(dá)目的地。

1.1 基于超聲波傳感器的室內(nèi)定位

目前的超聲波傳感測距精度己達(dá)厘米級(jí)別［8］,并具備一定的長距測距能力,因此選擇將其用于室內(nèi)定位是比較適當(dāng)?shù)摹?/p>

本文采用水平沿邊參考測量方案,在護(hù)理機(jī)器人四周安裝12個(gè)超聲波傳感器。機(jī)器人周圍每隔30°的射出角安裝一個(gè)超聲波傳感器,實(shí)現(xiàn)四周360°全方位的均勻覆蓋。系統(tǒng)在定位過程中,超聲波傳感器對(duì)參考物(如墻壁等)的有效掃描,進(jìn)而確保機(jī)器人在行進(jìn)中實(shí)時(shí)坐標(biāo)的準(zhǔn)確性。但事實(shí)上,護(hù)理現(xiàn)場環(huán)境并非都十分理想,如家具的擺放,臨時(shí)物體的擺放,人員的走動(dòng)等因素的存在,必然會(huì)對(duì)超聲波傳感器的定位帶來干擾,從而影響定位系統(tǒng)的準(zhǔn)確性及路徑規(guī)劃的合理性。

超聲波傳感器全局掃描定位,在空間上沒有可靠平面坐標(biāo)X、Y二元素掃描區(qū)間或僅一個(gè)元素可掃描的區(qū)間,我們將其定義為 “盲”區(qū)或“半盲”區(qū)。因此,僅僅用超聲波傳感器定位的方案是存在“盲”區(qū)或“半盲”區(qū)缺陷的。因此,我們需要解決盲區(qū)問題。

1.2 室內(nèi)定位盲區(qū)問題的解決

上述的定位方法,稱為全局定位系統(tǒng),但存在著“半盲”區(qū)或“盲”區(qū)的問題。為解決這種全局掃描定位的盲區(qū)問題,我們引進(jìn)碼盤慣性導(dǎo)航系統(tǒng),稱為局部定位系統(tǒng)。

碼盤局部定位系統(tǒng)屬于一種慣性導(dǎo)航系統(tǒng),這種慣性尋跡移動(dòng)不適宜過長距離或過多不規(guī)則的拐彎,否則容易導(dǎo)致位置累積偏差過大時(shí),使得定位系統(tǒng)陷入“迷航”的困境。但是,慣性導(dǎo)航系統(tǒng)在短距離的行進(jìn)是可以滿足定位精度要求的。當(dāng)機(jī)器人進(jìn)入“盲”區(qū)或“半盲”區(qū)時(shí),即可認(rèn)為機(jī)器人失去了全局導(dǎo)航功能。此時(shí),在盲區(qū)中行進(jìn)的機(jī)器人,可以用慣性導(dǎo)航系統(tǒng)協(xié)助實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)定位和導(dǎo)航。當(dāng)機(jī)器人駛離盲區(qū)范圍時(shí),系統(tǒng)又恢復(fù)了全局導(dǎo)航。因此,全局定位和局部定位相互配合,實(shí)質(zhì)就是實(shí)現(xiàn)全局掃描定位與碼盤局部定位相融合的一種全新定位系統(tǒng)。

2 移動(dòng)路徑規(guī)劃

規(guī)劃路徑有如上述生活需求之外,還需考慮機(jī)器人的自身機(jī)械運(yùn)行性能條件、場地條件、?？拷换グ踩嚯x預(yù)留等的因素。按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定,在為護(hù)理機(jī)器人作移動(dòng)路徑規(guī)劃時(shí),要確保如下條件：

(1)交互安全距離：通常兩人相處能接觸交互距離不少于30cm～50cm。

(2)交互角度預(yù)置正向偏差：±5°以內(nèi)較適當(dāng)。

2.1 行進(jìn)中定位及安全移動(dòng)

假定室內(nèi)布局如圖1所示：

圖1 室內(nèi)布局圖

圖1中,把房子分為X、Y兩個(gè)方向。途中虛線框內(nèi)表示“客廳”,設(shè)有多條主干道網(wǎng)狀通道布局。同時(shí),“客廳”也視為全局定位區(qū),因?yàn)樵诖藚^(qū)域內(nèi)周邊的環(huán)境可以滿足超聲波全局掃描。當(dāng)機(jī)器人駛?cè)搿翱蛷d”,則可認(rèn)為機(jī)器人進(jìn)入全局掃描范圍;當(dāng)機(jī)器人駛離“客廳”,則機(jī)器人進(jìn)入“盲區(qū)”和“半盲區(qū)”范圍。如圖中,P1處由于超聲波可以掃描到X、Y正負(fù)四個(gè)方向的距離,并有算法計(jì)算出當(dāng)前坐標(biāo),故可作為全局定位范圍;P2由于Y軸正方向處放有“電視機(jī)”,故無法四個(gè)方向同時(shí)掃描,但此時(shí)的X軸正方向和Y軸負(fù)方向是可以掃描的,因此可認(rèn)為是“半盲區(qū)”;P3由于僅有Y軸負(fù)方向可以掃描,其余方向均無有效數(shù)據(jù),故可認(rèn)為是“盲區(qū)”。

在沒有掃描邊緣或參考物覆蓋的“盲區(qū)”區(qū)域范圍,規(guī)劃出來的干道只能依靠慣性導(dǎo)航來行走。但慣性導(dǎo)航位移的累積偏差會(huì)逐步增大,甚至超出允許偏差上限,因此需要適當(dāng)返回全局定位區(qū)或安置特別參考物位作輔助定位,進(jìn)而消除慣性導(dǎo)航的累積誤差。也稱這種重新定位消除偏差的互補(bǔ)融合特別結(jié)構(gòu)為“超聲掃描與碼盤定位融合系統(tǒng)”。

因此,在室內(nèi)布局時(shí)應(yīng)重視全局定位條件區(qū)的分布設(shè)計(jì)。如果受條件約束確實(shí)無太多全局定位條件的情況下,可人工小范圍、多個(gè)點(diǎn)地設(shè)置輔助標(biāo)識(shí)物,強(qiáng)化掃描“盲區(qū)”的改良。如設(shè)置低成本的小方柜、小花槽座、飾燈座均極低成本且美觀實(shí)用兼改良完善了原“盲區(qū)”的超聲定位掃描條件。

2.2 實(shí)現(xiàn)精確位移的措施

要在室內(nèi)無障通道實(shí)現(xiàn)精確位移,只須要保障機(jī)器人自身定位坐標(biāo)正確便能實(shí)現(xiàn)。這就是規(guī)劃出來的預(yù)設(shè)無障礙干道在機(jī)械人行走路徑存有了這份場景地圖。這包括無障礙干道預(yù)留了機(jī)器人精確位移允差條件相對(duì)的預(yù)留合理道路空間,這類似推小車穿過窄小門框,必須預(yù)有空隙才適合車通行,這是一致的原則。

另外,在測取機(jī)器人的碼盤位移精確度后,在機(jī)器人允許進(jìn)入“盲區(qū)”干道前,應(yīng)做超聲掃描校正碼盤定位一次(或以上)。或在碼盤位移精度累積超偏上限前的位移里程內(nèi),自動(dòng)安排適當(dāng)?shù)胤祷鼐徒謷呙鑵^(qū)校正位移碼盤參數(shù)。這在運(yùn)行軟件上可予以處理。加上機(jī)器人同樣設(shè)置了精確防碰傳感器,測取中途切入障礙或干道臨入物料,機(jī)器人均可控制自動(dòng)緩行并在幾個(gè)厘米內(nèi)剎車,這是安全自主運(yùn)行的措施保險(xiǎn)。

輪椅式護(hù)理機(jī)器人的四輪構(gòu)造,前輪由一對(duì)萬向輪組成,后輪由一對(duì)差動(dòng)式驅(qū)動(dòng)輪組成,動(dòng)力由后輪提供。由于機(jī)器人啟動(dòng)時(shí)兩個(gè)萬向輪初始方向不同,使得兩個(gè)萬向輪與地面之間的摩擦力不同,進(jìn)而導(dǎo)致后輪差動(dòng)式驅(qū)動(dòng)需要不斷改變兩輪的驅(qū)動(dòng)力來抵消兩個(gè)萬向輪摩擦力之間的偏差。因此,機(jī)器人啟動(dòng)過程中,實(shí)際的行進(jìn)路線存在著輕微的偏擺干涉。

然而,當(dāng)機(jī)器人行進(jìn)小段距離,兩個(gè)萬向輪方向調(diào)整一致,這種干涉是不存在的,因此這種干涉只存在于啟動(dòng)過程中。如圖2所示。

圖2 車身偏擺干涉示意圖

圖2中,虛線表示機(jī)器人由a點(diǎn)出發(fā)行走至b點(diǎn)理論路徑,而實(shí)線表示機(jī)器人啟動(dòng)完畢后先到c點(diǎn),最終達(dá)到d點(diǎn),△LX和△LY表示X、Y坐標(biāo)的偏差值。因此,機(jī)器人在啟動(dòng)到啟動(dòng)末段之間(即a點(diǎn)到c點(diǎn)),會(huì)因萬向輪初始方向、路況等因素的干涉,使得機(jī)器人實(shí)際行走路線與理論行走路線存在一定的微小偏差。由理論推導(dǎo)并實(shí)際測試,這種干涉的導(dǎo)致的偏差幅度也僅在10cm以內(nèi)。在此,本文提出了兩種消除上述干涉的方法。

方法1：

將前萬向輪改造為可受控?cái)[角的前雙輪,令其與動(dòng)力差動(dòng)輪行駛控制方向一致,由軟件支持其整車初段啟動(dòng)方向一致性即能消除干涉。

方法2：

這種干涉在導(dǎo)航時(shí)X、Y坐標(biāo)會(huì)出現(xiàn)△LX和△LY的偏差。在機(jī)器人行至啟動(dòng)末段c點(diǎn)時(shí),可由上位機(jī)再次啟動(dòng)全局定位,此時(shí)：

(1)如果此時(shí)機(jī)器人仍在全局掃描范圍內(nèi),超聲波全局定位可以再作一次自我坐標(biāo)校正,消除△LX和△LY偏差。偏差消除后,機(jī)器人根據(jù)新的坐標(biāo)行至終點(diǎn)b。

(2)若此時(shí)機(jī)器人不在全局定位范圍內(nèi),則可根據(jù)機(jī)器人由c點(diǎn)終點(diǎn)b過程中,實(shí)時(shí)搜索全局定位點(diǎn)。行進(jìn)過程中,如果機(jī)器人進(jìn)入全局定位范圍,上位機(jī)再次啟動(dòng)全局定位,并作二次修正,消除機(jī)器人啟動(dòng)過程帶來的偏差△LX和△LY。

圖3 終點(diǎn)處定位修正示意圖

上述的二次修正若放在機(jī)器人逼近終點(diǎn)b時(shí)執(zhí)行,應(yīng)更為得當(dāng),此種方法為終點(diǎn)處定位修正。因?yàn)闄C(jī)器人由c點(diǎn)終點(diǎn)b過程中,若機(jī)器人處于非全局定位范圍,此時(shí)靠慣性導(dǎo)航制導(dǎo),會(huì)存在一定量的累積誤差。如圖3所示。

如圖3所示,假設(shè)：上位機(jī)設(shè)定機(jī)器人位移為L。由于超聲掃描獲得測距參數(shù)需耗時(shí)80ms(現(xiàn)選超聲產(chǎn)品特性決定),因此當(dāng)機(jī)器人逼近終點(diǎn)d時(shí),在d點(diǎn)之前的位置(即e點(diǎn))啟動(dòng)二次定位修正,以保證修正定位后機(jī)器人在未停止的情況下順滑切入b點(diǎn)。當(dāng)機(jī)器人抵達(dá)e點(diǎn),即進(jìn)入半徑為r圓區(qū)域,此時(shí)：

在e點(diǎn)處全局掃描獲得坐標(biāo)及羅盤方向角參數(shù),并與上位機(jī)電子地圖中設(shè)定目的點(diǎn)b坐標(biāo)作比較,若此時(shí)坐標(biāo)偏差大于設(shè)定值,需在未段重啟二次定位,并根據(jù)定位結(jié)果規(guī)劃路徑切入b點(diǎn),即d-b軌跡。

假設(shè),當(dāng)機(jī)器人抵達(dá)e點(diǎn)開始啟動(dòng)全局定位時(shí),速度

根據(jù)切入弧度半徑的經(jīng)驗(yàn)值,在后邊輪沿軸向計(jì)至圓心半徑取值大于0.85m,機(jī)械扭矩較充裕的選擇特點(diǎn),d至b,即近似Lad約應(yīng)大于0.85m。經(jīng)實(shí)際測量,、偏差實(shí)際上是極有限的。因此,若配置動(dòng)力充足,可忽略半徑取值考慮,即可酌量縮減包括b駐點(diǎn)圓半徑r可盡量取小值。

3 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

在實(shí)際場地中,分別對(duì)護(hù)理機(jī)器人直線行走和轉(zhuǎn)彎兩種動(dòng)作的精度進(jìn)行測試,結(jié)果見表1和表2。

表1 護(hù)理機(jī)器人直線行走精度測試結(jié)果

表1中,負(fù)值偏差表示X和Y軸坐標(biāo)的測量值少于實(shí)際值,正值偏差則是測量值大于實(shí)際值。從表中可知,誤差最大為1.5%。

表2 護(hù)理機(jī)器人轉(zhuǎn)彎精度測試結(jié)果

表2中,負(fù)值偏差表示轉(zhuǎn)彎角度測量值少于實(shí)際值,正值偏差則是測量值大于實(shí)際值。從表中可知,誤差最大為2.2%。

4 結(jié)論

護(hù)理機(jī)器人控制系統(tǒng)根據(jù)超聲波測距方式進(jìn)行全局定位,采用碼盤和電子羅盤相結(jié)合方式進(jìn)行局部定位,機(jī)器人的室內(nèi)定位精度良好。同時(shí),通過全局定位和局部定位之間的相互切換,以及全局定位對(duì)局部定位的實(shí)時(shí)修正,可以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人根據(jù)上位機(jī)的路徑規(guī)劃在室內(nèi)自主巡航,并且精度上也有較好的保障。

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孔慶瑩（1955—），男，廣東南海人，大學(xué)本科，現(xiàn)供職于佛山新大通工藝電器有限公司。

王波（1989—），男，廣西梧州人，碩士研究生，現(xiàn)就讀于廣東工業(yè)大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院。

李青云（1988—），女，湖南衡陽人，大學(xué)本科，現(xiàn)供職于廣東必達(dá)電器有限公司。

夏雪（1991—），男，湖南邵陽人，碩士研究生，現(xiàn)就讀于廣東工業(yè)大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院。