輪椅式機器人室內自主定位系統研究

佛山順德新大通工藝電器有限公司 孔慶瑩

廣東工業大學自動化學院 王 波

廣東必達電器有限公司 李青云

廣東工業大學自動化學院 夏 雪

輪椅式機器人室內自主定位系統研究

佛山順德新大通工藝電器有限公司 孔慶瑩

廣東工業大學自動化學院 王 波

廣東必達電器有限公司 李青云

廣東工業大學自動化學院 夏 雪

中國正在快速進入老齡化社會，越來越多的長者需要專人看護。然而人工護理的成本日益高漲，使得許多家庭難以承擔相關費用。本文提出一種適用于輪椅式護理機器人上的室內自主定位系統。測試結果表明，基于超聲波傳感器全局定位和慣性導航的方法，可以實現較好的室內定位，并根據上位機的路徑規劃實現室內的自主巡航。

護理機器人；路徑規劃；自主巡航

中國正快速步入老齡化社會,越來越多的長者需要專人護理。隨著人工護理費用的日益高漲,許多家庭己經難以承擔相關的費用。因此,市場對自動化護理產品的需求不斷增長,助老助殘機器人的發展己成為社會進一步發展的迫切需求［1］。目前,市場上己經有一些護理床以及護理床可變輪椅方面的報道,但要發展可室內自主定位、自主巡航的智能機器人在當前及可預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理機器人的、低成本的定位系統。該系統采用超聲波技術［3,4］進行機器人的全局定位,并結合碼盤、電子羅盤等進行機器人的局部定位。通過全局定位修正局部定位精度,通過局部實時定位有效解決了超聲波傳感器的多徑干擾和死區等問題,二者相互結合。

1 定位系統構建分析

室內定位的方法可以采用RFID、藍牙、WIFI等技術實現［5］,但目前這些方法難以實現dm級精度定位。對于激光測距技術［6］,雖可得到精準的測距數據,但價格昂貴,而且激光照射對眼睛存在著一定的傷害［7］,因而不宜在護理病房或小兒活動區使用。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合的定位方案。

輪椅式護理機器人采用四輪后差動方式驅動,其最鮮明的特點是可以在“床”和“椅”之間變形切換。也就是說,這種機器人在病人需要睡眠時,可以變形為護理床;需要自主定位或移動時,可以變形為輪椅。該機器人可供自理能力低下甚至肌體己嚴重退化直至癱瘓的長者通過語音、觸摸屏、搖桿甚至手機異地控制等方式調用運行模式,使得更多的長者居家或在養老院更有尊嚴地安享晚年,很大程度上減少了專人看護、減輕了家庭負擔。同時,機器人還充分利用了居室內己有安全設施,包括陽臺、衛生間等空間,實現室內定位、路徑規劃、自主巡航以及避障繞障,從而順利抵達目的地。

1.1 基于超聲波傳感器的室內定位

目前的超聲波傳感測距精度己達厘米級別［8］,并具備一定的長距測距能力,因此選擇將其用于室內定位是比較適當的。

本文采用水平沿邊參考測量方案,在護理機器人四周安裝12個超聲波傳感器。機器人周圍每隔30°的射出角安裝一個超聲波傳感器,實現四周360°全方位的均勻覆蓋。系統在定位過程中,超聲波傳感器對參考物(如墻壁等)的有效掃描,進而確保機器人在行進中實時坐標的準確性。但事實上,護理現場環境并非都十分理想,如家具的擺放,臨時物體的擺放,人員的走動等因素的存在,必然會對超聲波傳感器的定位帶來干擾,從而影響定位系統的準確性及路徑規劃的合理性。

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

1.2 室內定位盲區問題的解決

上述的定位方法,稱為全局定位系統,但存在著“半盲”區或“盲”區的問題。為解決這種全局掃描定位的盲區問題,我們引進碼盤慣性導航系統,稱為局部定位系統。

碼盤局部定位系統屬于一種慣性導航系統,這種慣性尋跡移動不適宜過長距離或過多不規則的拐彎,否則容易導致位置累積偏差過大時,使得定位系統陷入“迷航”的困境。但是,慣性導航系統在短距離的行進是可以滿足定位精度要求的。當機器人進入“盲”區或“半盲”區時,即可認為機器人失去了全局導航功能。此時,在盲區中行進的機器人,可以用慣性導航系統協助實現系統的實時定位和導航。當機器人駛離盲區范圍時,系統又恢復了全局導航。因此,全局定位和局部定位相互配合,實質就是實現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。

2 移動路徑規劃

規劃路徑有如上述生活需求之外,還需考慮機器人的自身機械運行性能條件、場地條件、?？拷换グ踩嚯x預留等的因素。按照相關標準規定,在為護理機器人作移動路徑規劃時,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)交互角度預置正向偏差：±5°以內較適當。

2.1 行進中定位及安全移動

假定室內布局如圖1所示：

圖1 室內布局圖

圖1中,把房子分為X、Y兩個方向。途中虛線框內表示“客廳”,設有多條主干道網狀通道布局。同時,“客廳”也視為全局定位區,因為在此區域內周邊的環境可以滿足超聲波全局掃描。當機器人駛入“客廳”,則可認為機器人進入全局掃描范圍;當機器人駛離“客廳”,則機器人進入“盲區”和“半盲區”范圍。如圖中,P1處由于超聲波可以掃描到X、Y正負四個方向的距離,并有算法計算出當前坐標,故可作為全局定位范圍;P2由于Y軸正方向處放有“電視機”,故無法四個方向同時掃描,但此時的X軸正方向和Y軸負方向是可以掃描的,因此可認為是“半盲區”;P3由于僅有Y軸負方向可以掃描,其余方向均無有效數據,故可認為是“盲區”。

在沒有掃描邊緣或參考物覆蓋的“盲區”區域范圍,規劃出來的干道只能依靠慣性導航來行走。但慣性導航位移的累積偏差會逐步增大,甚至超出允許偏差上限,因此需要適當返回全局定位區或安置特別參考物位作輔助定位,進而消除慣性導航的累積誤差。也稱這種重新定位消除偏差的互補融合特別結構為“超聲掃描與碼盤定位融合系統”。

因此,在室內布局時應重視全局定位條件區的分布設計。如果受條件約束確實無太多全局定位條件的情況下,可人工小范圍、多個點地設置輔助標識物,強化掃描“盲區”的改良。如設置低成本的小方柜、小花槽座、飾燈座均極低成本且美觀實用兼改良完善了原“盲區”的超聲定位掃描條件。

2.2 實現精確位移的措施

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

另外,在測取機器人的碼盤位移精確度后,在機器人允許進入“盲區”干道前,應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,自動安排適當地返回就近全局掃描區校正位移碼盤參數。這在運行軟件上可予以處理。加上機器人同樣設置了精確防碰傳感器,測取中途切入障礙或干道臨入物料,機器人均可控制自動緩行并在幾個厘米內剎車,這是安全自主運行的措施保險。

輪椅式護理機器人的四輪構造,前輪由一對萬向輪組成,后輪由一對差動式驅動輪組成,動力由后輪提供。由于機器人啟動時兩個萬向輪初始方向不同,使得兩個萬向輪與地面之間的摩擦力不同,進而導致后輪差動式驅動需要不斷改變兩輪的驅動力來抵消兩個萬向輪摩擦力之間的偏差。因此,機器人啟動過程中,實際的行進路線存在著輕微的偏擺干涉。

然而,當機器人行進小段距離,兩個萬向輪方向調整一致,這種干涉是不存在的,因此這種干涉只存在于啟動過程中。如圖2所示。

圖2 車身偏擺干涉示意圖

圖2中,虛線表示機器人由a點出發行走至b點理論路徑,而實線表示機器人啟動完畢后先到c點,最終達到d點,△LX和△LY表示X、Y坐標的偏差值。因此,機器人在啟動到啟動末段之間(即a點到c點),會因萬向輪初始方向、路況等因素的干涉,使得機器人實際行走路線與理論行走路線存在一定的微小偏差。由理論推導并實際測試,這種干涉的導致的偏差幅度也僅在10cm以內。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擺角的前雙輪,令其與動力差動輪行駛控制方向一致,由軟件支持其整車初段啟動方向一致性即能消除干涉。

方法2：

這種干涉在導航時X、Y坐標會出現△LX和△LY的偏差。在機器人行至啟動末段c點時,可由上位機再次啟動全局定位,此時：

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

(2)若此時機器人不在全局定位范圍內,則可根據機器人由c點終點b過程中,實時搜索全局定位點。行進過程中,如果機器人進入全局定位范圍,上位機再次啟動全局定位,并作二次修正,消除機器人啟動過程帶來的偏差△LX和△LY。

圖3 終點處定位修正示意圖

上述的二次修正若放在機器人逼近終點b時執行,應更為得當,此種方法為終點處定位修正。因為機器人由c點終點b過程中,若機器人處于非全局定位范圍,此時靠慣性導航制導,會存在一定量的累積誤差。如圖3所示。

如圖3所示,假設：上位機設定機器人位移為L。由于超聲掃描獲得測距參數需耗時80ms(現選超聲產品特性決定),因此當機器人逼近終點d時,在d點之前的位置(即e點)啟動二次定位修正,以保證修正定位后機器人在未停止的情況下順滑切入b點。當機器人抵達e點,即進入半徑為r圓區域,此時：

在e點處全局掃描獲得坐標及羅盤方向角參數,并與上位機電子地圖中設定目的點b坐標作比較,若此時坐標偏差大于設定值,需在未段重啟二次定位,并根據定位結果規劃路徑切入b點,即d-b軌跡。

假設,當機器人抵達e點開始啟動全局定位時,速度

根據切入弧度半徑的經驗值,在后邊輪沿軸向計至圓心半徑取值大于0.85m,機械扭矩較充裕的選擇特點,d至b,即近似Lad約應大于0.85m。經實際測量,、偏差實際上是極有限的。因此,若配置動力充足,可忽略半徑取值考慮,即可酌量縮減包括b駐點圓半徑r可盡量取小值。

3 實驗與結果分析

在實際場地中,分別對護理機器人直線行走和轉彎兩種動作的精度進行測試,結果見表1和表2。

表1 護理機器人直線行走精度測試結果

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

表2 護理機器人轉彎精度測試結果

表2中,負值偏差表示轉彎角度測量值少于實際值,正值偏差則是測量值大于實際值。從表中可知,誤差最大為2.2%。

4 結論

護理機器人控制系統根據超聲波測距方式進行全局定位,采用碼盤和電子羅盤相結合方式進行局部定位,機器人的室內定位精度良好。同時,通過全局定位和局部定位之間的相互切換,以及全局定位對局部定位的實時修正,可以實現機器人根據上位機的路徑規劃在室內自主巡航,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，大學本科，現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，現就讀于廣東工業大學自動化學院。

李青云（1988—），女，湖南衡陽人，大學本科，現供職于廣東必達電器有限公司。

夏雪（1991—），男，湖南邵陽人，碩士研究生，現就讀于廣東工業大學自動化學院。