佛山順德新大通工藝電器有限公司 孔慶瑩

廣東工業(yè)大學自動化學院 王 波

廣東必達電器有限公司 李青云

廣東工業(yè)大學自動化學院 夏 雪

輪椅式機器人室內(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)大學自動化學院 王 波

廣東必達電器有限公司 李青云

廣東工業(yè)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(guān)費用。本文提出一種適用于輪椅式護理機器人上的室內(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，可以實現(xiàn)較好的室內(nèi)定位，并根據(jù)上位機的路徑規(guī)劃實現(xiàn)室內(nèi)的自主巡航。

護理機器人；路徑規(guī)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(jīng)難以承擔相關(guān)的費用。因此,市場對自動化護理產(chǎn)品的需求不斷增長,助老助殘機器人的發(fā)展己成為社會進一步發(fā)展的迫切需求［1］。目前,市場上己經(jīng)有一些護理床以及護理床可變輪椅方面的報道,但要發(fā)展可室內(nèi)自主定位、自主巡航的智能機器人在當前及可預(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理機器人的、低成本的定位系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用超聲波技術(shù)［3,4］進行機器人的全局定位,并結(jié)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(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、藍牙、WIFI等技術(shù)實現(xiàn)［5］,但目前這些方法難以實現(xiàn)dm級精度定位。對于激光測距技術(shù)［6］,雖可得到精準的測距數(shù)據(jù),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(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。

輪椅式護理機器人采用四輪后差動方式驅(qū)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(diào)用運行模式,使得更多的長者居家或在養(yǎng)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(nèi)己有安全設(shè)施,包括陽臺、衛(wèi)生間等空間,實現(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(nèi)定位是比較適當?shù)摹?/p>

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(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(xiàn)場環(huán)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(tǒng)的準確性及路徑規(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X、Y二元素掃描區(qū)間或僅一個元素可掃描的區(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,使得定位系統(tǒng)陷入“迷航”的困境。但是,慣性導(dǎo)航系統(tǒng)在短距離的行進是可以滿足定位精度要求的。當機器人進入“盲”區(qū)或“半盲”區(qū)時,即可認為機器人失去了全局導(dǎo)航功能。此時,在盲區(qū)中行進的機器人,可以用慣性導(dǎo)航系統(tǒng)協(xié)助實現(xiàn)系統(tǒng)的實時定位和導(dǎo)航。當機器人駛離盲區(qū)范圍時,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,實質(zhì)就是實現(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,還需考慮機器人的自身機械運行性能條件、場地條件、停靠交互安全距離預(yù)留等的因素。按照相關(guān)標準規(guī)定,在為護理機器人作移動路徑規(guī)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(yù)置正向偏差：±5°以內(nèi)較適當。

2.1 行進中定位及安全移動

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,“客廳”也視為全局定位區(qū),因為在此區(qū)域內(nèi)周邊的環(huán)境可以滿足超聲波全局掃描。當機器人駛?cè)搿翱蛷d”,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(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(qū)”;P3由于僅有Y軸負方向可以掃描,其余方向均無有效數(shù)據(jù),故可認為是“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(qū)或安置特別參考物位作輔助定位,進而消除慣性導(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)布局時應(yīng)重視全局定位條件區(qū)的分布設(shè)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(shè)置輔助標識物,強化掃描“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用兼改良完善了原“盲區(qū)”的超聲定位掃描條件。

2.2 實現(xiàn)精確位移的措施

要在室內(nèi)無障通道實現(xiàn)精確位移,只須要保障機器人自身定位坐標正確便能實現(xiàn)。這就是規(guī)劃出來的預(yù)設(shè)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(yù)留了機器人精確位移允差條件相對的預(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,在測取機器人的碼盤位移精確度后,在機器人允許進入“盲區(qū)”干道前,應(yīng)做超聲掃描校正碼盤定位一次(或以上)?；蛟诖a盤位移精度累積超偏上限前的位移里程內(nèi),自動安排適當?shù)胤祷鼐徒謷呙鑵^(qū)校正位移碼盤參數(shù)。這在運行軟件上可予以處理。加上機器人同樣設(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,機器人均可控制自動緩行并在幾個厘米內(nèi)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(gòu)造,前輪由一對萬向輪組成,后輪由一對差動式驅(qū)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(dǎo)致后輪差動式驅(qū)動需要不斷改變兩輪的驅(qū)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(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(fā)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(dǎo)并實際測試,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(dǎo)航時X、Y坐標會出現(xiàn)△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(nèi),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(jù)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(nèi),則可根據(jù)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(zhí)行,應(yīng)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(dǎo)航制導(dǎo),會存在一定量的累積誤差。如圖3所示。

如圖3所示,假設(shè)：上位機設(shè)定機器人位移為L。由于超聲掃描獲得測距參數(shù)需耗時80ms(現(xiàn)選超聲產(chǎn)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(qū)域,此時：

在e點處全局掃描獲得坐標及羅盤方向角參數(shù),并與上位機電子地圖中設(shè)定目的點b坐標作比較,若此時坐標偏差大于設(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,即d-b軌跡。

假設(shè),當機器人抵達e點開始啟動全局定位時,速度

根據(jù)切入弧度半徑的經(jīng)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(yīng)大于0.85m。經(jīng)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(jié)果分析

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

表1 護理機器人直線行走精度測試結(jié)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(zhuǎn)彎精度測試結(jié)果

表2中,負值偏差表示轉(zhuǎn)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(jié)論

護理機器人控制系統(tǒng)根據(jù)超聲波測距方式進行全局定位,采用碼盤和電子羅盤相結(jié)合方式進行局部定位,機器人的室內(nèi)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(xiàn)機器人根據(jù)上位機的路徑規(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)大學自動化學院。

李青云（1988—），女，湖南衡陽人，大學本科，現(xiàn)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(xiàn)就讀于廣東工業(yè)大學自動化學院。