劉　杰　宋光明　彭　璜　張　穎　楊　茜　宋愛國

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

?

基于振動觸覺的移動機(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

(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)計了一種基于振動觸覺的移動機(jī)器人為人導(dǎo)航系統(tǒng)．該系統(tǒng)通過移動機(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)合振動觸覺腕帶裝置的反饋實現(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．整個為人導(dǎo)航過程中使用者和機(jī)器人之間的相對距離和相對角度收斂到給定值,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)行了振動觸覺識別率實驗,完成了本系統(tǒng)在平坦地面軌跡跟蹤實驗和對起伏地面的適應(yīng)能力測試,驗證了算法的正確性與可行性．最后,對本系統(tǒng)抗干擾能力進(jìn)行實驗分析,以驗證系統(tǒng)的魯棒性．

振動觸覺;為人導(dǎo)航;移動機(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法及時有效地獲得路況與位置信息,導(dǎo)致其活動受限、行走危險性增加等．同時,當(dāng)普通人處在一個復(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．

基于語音提示的導(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,以上幾種基于語音的導(dǎo)航助盲設(shè)備,在嘈雜的環(huán)境下,使用者可能無法及時有效地接收提示信息或者需要刻意集中注意力來保證有效信息的獲取,這在一定程度上會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,使用振動觸覺來表達(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]對振動電機(jī)的振幅、振動持續(xù)時間以及頻率對人體感知觸覺信息的影響進(jìn)行研究,對基于振動觸覺設(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)境地圖的方法來實現(xiàn)盲人導(dǎo)航．文獻(xiàn)[8]研制了一款振動觸覺背心,通過嵌入背心的振動電機(jī)陣列來表達(dá)方位信息,實現(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]提出通過移動機(jī)器人上搭載的RGB-D攝像頭獲取人的位置信息,從而實現(xiàn)多個機(jī)器人跟蹤一個使用者的功能．文獻(xiàn)[11]提出了一種移動機(jī)器人與物體保持一定安全距離的算法,該方法可以實現(xiàn)移動機(jī)器人在一定安全距離范圍內(nèi)追隨移動物體．

針對導(dǎo)盲助航的問題,本文設(shè)計了一種基于振動觸覺的移動機(jī)器人為人導(dǎo)航系統(tǒng),開發(fā)了一種結(jié)構(gòu)簡單、體積小巧的振動觸覺腕帶裝置,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．佩戴有振動觸覺裝置的使用者在移動機(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)器人的相對距離和相對角度收斂到給定值,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

本文提出基于振動觸覺的移動機(jī)器人為人導(dǎo)航系統(tǒng),如圖1所示．該系統(tǒng)包括移動機(jī)器人實驗平臺和振動觸覺腕帶裝置．

圖1　移動機(jī)器人為人導(dǎo)航系統(tǒng)示意圖

1.1移動機(jī)器人實驗平臺

移動機(jī)器人實驗平臺包括小型履帶式移動機(jī)器人、Kinect體感設(shè)備、ZigBee無線通信模塊和PC上位機(jī)．圖2為移動機(jī)器人實驗平臺．

圖2　移動機(jī)器人實驗平臺

小型履帶式移動機(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,因此本系統(tǒng)選用小型履帶式移動機(jī)器人作為本系統(tǒng)實驗平臺的載體．本系統(tǒng)使用的小型履帶式移動機(jī)器人,長為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個關(guān)節(jié)點.本系統(tǒng)選用使用者在行走過程中擺動幅度較小的肩膀中間、右肩、左肩、脊椎中段、臀部中間、右臀、左臀多個關(guān)節(jié)點,采樣周期為100 ms,并處理相鄰2次采樣數(shù)據(jù),得到使用者的運動狀態(tài)和位置信息．Kinect骨骼關(guān)節(jié)點分布圖如圖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)點數(shù)據(jù)信息．

圖3　Kinect骨骼關(guān)節(jié)點分布圖

本系統(tǒng)采用的ZigBee無線模塊用于實現(xiàn)機(jī)器人實驗平臺與振動觸覺腕帶裝置之間的通信,其中振動觸覺裝置使用3.3 V干電池供電,通信時間間隔為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組成點對點的通信網(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,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)點數(shù)據(jù)信息,并進(jìn)行計算處理．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),同時通過ZigBee模塊發(fā)送振動電機(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　移動機(jī)器人為人導(dǎo)航系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.2振動觸覺腕帶裝置

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,能很大程度上減少外界環(huán)境的干擾．文獻(xiàn)[13]重點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區(qū)域,該區(qū)域穿戴較為方便．本文在此基礎(chǔ)上設(shè)計了一種結(jié)構(gòu)簡單、體積小巧的振動觸覺腕帶裝置．振動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)定的振動編碼來驅(qū)動振子,產(chǎn)生振動觸覺信號并作用于皮膚,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種不同振動刺激信號時,電機(jī)之間的最小距離為35 mm．本文將4個振動電機(jī)均勻分布在邊長為80 mm的正方形頂點上,以確保任意2個振動電機(jī)之間的距離遠(yuǎn)大于35 mm．振動觸覺腕帶裝置包括嵌入了振動電機(jī)的腕帶和用于與機(jī)器人進(jìn)行無線通信的ZigBee模塊,腕帶展開圖如圖5(a)所示,振動電機(jī)腕帶裝置的佩戴圖如圖5(b)所示．采用二進(jìn)制0和1對電機(jī)工作狀態(tài)進(jìn)行編碼,1表示電機(jī)振動,0表示電機(jī)不振動,用4個電機(jī)不同組合形式來表示使用者處于Kinect視野中的不同區(qū)域,振動電機(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機(jī)器人軌跡行走,此時4個電機(jī)均不發(fā)生振動;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,此時電機(jī)按照相應(yīng)的編碼振動,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變化量的運動學(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之間的實際測量距離;γ12為機(jī)器人1的前進(jìn)方向與l12之間的實際測量夾角;ψ12為機(jī)器人2前進(jìn)方向與l12之間的實際測量夾角．

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)同運動算法應(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形,領(lǐng)導(dǎo)者自身的運動線速度和角速度都根據(jù)給定路徑來確定,與跟隨者運動狀態(tài)無關(guān)．跟隨者根據(jù)領(lǐng)導(dǎo)者的運動狀態(tài)動態(tài)調(diào)節(jié)自身的角速度與線速度以保證相對距離與相對角度收斂到給定值．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)使用者自身運動能力所決定的,不受到機(jī)器人運動狀態(tài)的限制,但是使用者的角速度則根據(jù)振動觸覺反饋信息和導(dǎo)航算法進(jìn)行動態(tài)調(diào)節(jié)．機(jī)器人的運動線路是給定路徑,用于引導(dǎo)使用者的運動軌跡,機(jī)器人的運動角速度是根據(jù)給定路徑來確定的,而線速度則根據(jù)使用者的運動狀態(tài)進(jìn)行動態(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)器人的相對距離和相對角度收斂到給定值,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　實驗與分析

3.1振動觸覺識別率實驗

在振動觸覺識別率實驗中選取了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驗的在校大學(xué)生．初步采用的振動觸覺編碼方式為靜態(tài)編碼,即編號1,2,3,4對應(yīng)位置上只有1個電機(jī)在振動,編號5,6,7,8對應(yīng)位置上有2個電機(jī)同時振動．由系統(tǒng)隨機(jī)產(chǎn)生表1中9種電機(jī)的振動情況,振動周期為500ms,電機(jī)的振動頻率為250Hz．每位受試者進(jìn)行實驗前有5min的適應(yīng)時間．當(dāng)受試者感受到電機(jī)振動時,記錄相應(yīng)的電機(jī)號．每名受試者進(jìn)行100次實驗,為了保證受試者良好的狀態(tài),實驗共分成5組,每組20次,每組之間受試者休息5min．表2為振動電機(jī)靜態(tài)編碼與識別成功率的比較．

從表2中可知，編號0,1,2,3,4的正確率較高,滿足導(dǎo)航對振動腕帶裝置識別率的需求．編號5,6,7,8的識別錯誤率明顯比編號0,1,2,3,4錯誤率高,可知相鄰電機(jī)同時振動時相互之間會產(chǎn)生干擾,影響使用者的判斷．鑒于以上的實驗結(jié)果,對編號5,6,7,8的編碼方式進(jìn)行了改進(jìn),采用動態(tài)編碼模式,即讓2個振動電機(jī)以一定的時間間隔進(jìn)行交替振動．

表2　振動電機(jī)靜態(tài)編碼與識別成功率關(guān)系

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

圖9　靜態(tài)編碼與動態(tài)編碼識別成功率的比較

3.2系統(tǒng)實驗

本系統(tǒng)實驗的室內(nèi)實驗場地是東南大學(xué)中心樓內(nèi)部的樓道與大廳內(nèi),平坦地面軌跡跟蹤實驗地圖如圖10(a)所示．其中,走廊為起點,大廳為終點,曲線表示運動軌跡,平坦地面軌跡跟蹤實驗場景圖如圖10(b)所示．本實驗選取的實驗對象是10名20～30歲的在校大學(xué)生,并通過了上述振動觸覺的訓(xùn)練與實驗,用眼罩遮住雙眼,避免視覺干擾．使用相機(jī)來拍攝移動機(jī)器人實驗平臺和使用者的運動路徑,并用秒表記錄運動時間,進(jìn)行處理后得到導(dǎo)航過程中移動機(jī)器人與使用者的運動軌跡,其中機(jī)器人和3名使用者在實驗中的軌跡圖如圖11所示．

圖10　平坦地面軌跡跟蹤實驗地圖和實驗場景

圖11　使用者與移動機(jī)器人軌跡圖

分析圖11移動機(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,使用者能夠較好地跟隨機(jī)器人的運動軌跡,在曲率較大的彎道(本實驗中約y=15 m處)時,使用者與機(jī)器人軌跡會出現(xiàn)較大的偏離．當(dāng)角度偏離出現(xiàn)以后,使用者能通過振動腕帶裝置的提示逐漸減小軌跡誤差,最后實現(xiàn)軌跡跟蹤．

針對拐彎角度進(jìn)行分析,本實驗將機(jī)器人一次性的旋轉(zhuǎn)角度設(shè)為0°，5°，10°，…，60°，分別進(jìn)行實驗,角度與軌跡偏離距離如圖12所示．當(dāng)拐彎角度大于55°時,Kinect體感器將不能檢測到使用者,無法完成軌跡跟蹤的功能．當(dāng)角度小于55°時,從0°開始,隨著角度的增加,拐彎處的偏移距離越來越大,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,機(jī)器人停止轉(zhuǎn)動等待使用者,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,運動到合適的位置,機(jī)器人再繼續(xù)轉(zhuǎn)動,實現(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

本實驗還對平坦地面使用者從起點到終點的時間進(jìn)行評估,正常人所用的平均時間是30 s,帶上眼罩使用手杖的使用者所用的平均時間為61 s,帶上眼罩使用本系統(tǒng)的使用者所用的平均時間為41.1 s,本系統(tǒng)相對于使用手杖能縮短使用者運動時間．10個使用者所用的具體時間如表3所示．

表3　平坦地面導(dǎo)航時間測量結(jié)果　s

為了驗證為人導(dǎo)航系統(tǒng)對起伏地面的適應(yīng)能力,以100 cm×10 cm×2 cm的路障間隔80 cm分布進(jìn)行測試實驗,圖13為起伏地面實驗場景圖．經(jīng)過實驗測得該導(dǎo)航系統(tǒng)在通過起伏路面時雖然會出現(xiàn)抖動,但并不影響導(dǎo)航系統(tǒng)功能的實現(xiàn)．原因是該機(jī)器人為履帶機(jī)器人,對地面的適應(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．

圖13　起伏地面實驗場景圖

3.3系統(tǒng)抗干擾能力測試實驗

針對在運動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種情況的實驗測試: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,會出現(xiàn)物體遮擋骨骼點的問題,可分為2種情況:① 使用者的骨骼點被部分遮擋,Kinect依然能根據(jù)現(xiàn)有的骨骼點來確定使用者的位置; ② 使用者的骨骼點被擋住過多或被完全遮擋,Kinect將無法識別到使用者,此時使用者和機(jī)器人都停止運動直至物體快速通過后,Kinect將重新識別到使用者,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)抗干擾實驗視頻截圖

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骨骼追蹤引擎對于每一個追蹤到骨骼信息的對象都有一個唯一編號,該編號會隨著新追蹤到的對象產(chǎn)生而增加．應(yīng)用程序使用TrackingID來指定需要骨骼追蹤引擎追蹤的使用者,調(diào)用SkeletonStream對象的ChooseSkeleton來實現(xiàn)對指定使用者的追蹤．

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,此時使用者消失在Kinect視野中,機(jī)器人將停止運動直至干擾者消失在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

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

References)

[1]Mishra R, Koley S. Voice operated outdoor navigation system for visually impaired persons[J].InternationalJournalofEngineeringandTechnology, 2012, 3(2): 153-157.[2]Shoval S, Borenstein J, Koren Y. Auditory guidance with the Navbelt:A computerized travel aid for the blind[J].IEEETransactionsonSystems,Man,andCybernetics,PartC:ApplicationsandReviews, 1998, 28(3): 459-467.DOI:10.1109/5326.704589.

[3]Serpell J A, Hsu Y. Development and validation of a novel method for evaluating behavior and temperament in guide dogs[J].AppliedAnimalBehaviourScience, 2001, 72(4): 347-364. DOI:10.1016/s0168-1591(00)00210-0.[4]Ward J, Meijer P. Visual experiences in the blind induced by an auditory sensory substitution device[J].ConsciousnessandCognition, 2010, 19(1): 492-500. DOI:10.1016/j.concog.2009.10.006.

[5]Capp M, Picton P. The optophone: An electronic blind aid[J].EngineeringScienceandEducationJournal, 2000,9(3): 137-143. DOI:10.1049/esej:20000306.

[6]Li Y, Jeon W R, Nam C S. Navigation by vibration: Effects of vibrotactile feedback on a navigation task[J].InternationalJournalofIndustrialErgonomics, 2015, 46: 76-84. DOI:10.1016/j.ergon.2014.12.008.

[7]Lahav O, Mioduser D. Haptic-feedback support for cognitive mapping of unknown spaces by people who are blind[J].InternationalJournalofHuman-ComputerStudies, 2008, 66(1): 23-35.DOI:10.1016/j.ijhcs.2007.08.001.[8]Ni D, Song A, Tian L, et al. A walking assistant robotic system for the visually impaired based on computer vision and tactile perception[J].InternationalJournalofSocialRobotics, 2015, 7(5): 617-628. DOI:10.1007/s12369-015-0313-z.

[9]Scheggi S, Aggravi M, Morbidi F, et al. Cooperative human-robot haptic navigation[C]//IEEEInternationalConferenceonRoboticsandAutomation. Hong Kong, China, 2014: 2693-2698.

[10]Scheggi S, Morbidi F, Prattichizzo D. Human-robot formation control via visual and vibrotactile haptic feedback[J].IEEETransactionsonHaptics, 2014, 7(4): 499-511. DOI:10.1109/TOH.2014.2332173.

[11]Ullah I, Ullah Q, Ullah F, et al. Mobile robot navigation with distance control[C]//InternationalConferenceonRoboticsandArtificialIntelligence. Montreal, Quebec, Canada, 2012: 61-67. DOI:10.1109/icrai.2012.6413411.[12]Desai J P, Ostrowski J P, Kumar V. Modeling and control of formations of nonholonomic mobile robots[J].IEEETransactionsonRoboticsandAutomation, 2001, 17(6): 905-908. DOI:10.1109/70.976023.

[13]Karuei I, MacLean K E, Foley-Fisher Z, et al. Detecting vibrations across the body in mobile contexts[C]//ProceedingsoftheSIGCHIConferenceonHumanFactorsinComputingSystems. Vancouver, Canada, 2011: 3267-3276. DOI:10.1145/1978942.1979426.

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.

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

TP24

A

1001-0505(2016)05-1013-07

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