城轨站内导盲机器人的研究分析

来源:用户上传      作者: 徐作华 韩冰

　　摘 要：城轨站内导盲机器人可以很好地帮助视障者完成进站、登车、出站等一系列过程，提高城市轨道交通对弱势群体的服务能力。本文结合实际对城轨站内导盲机器人的研究现状和主要创新技术等问题进行了总结和分析。
　　关键词：城轨交通 导盲机器人 调查 研究
　　中图分类号：TP242.6 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2013）05（b）-0006-01
　　近年来，我国城市轨道交通发展迅速，因其安全、舒适、快捷等优势已经逐渐成为人们出行的主要方式。但视障者很少利用这种方式出行，主要因为乘坐城市轨道交通车辆时涉及到进站、登车、出站等一系列过程，盲人很难独自完成。导盲机器人可以很好地帮助视障者完成这一过程，有效提高了城市轨道交通对弱势群体的服务能力。因此城市轨道交通部门及广大科研工作者都加大了对城轨站内导盲机器人的研发力度。长春职业技术学院城市轨道交通专业也成立了“城轨车站站内导盲机器人设计研究”项目组，并与长春轻轨集体一起对此进行了深入广泛的研究，取得了一定成果。
　　1 城轨站内导盲机器人的研究目的及意义
　　我国卫生部统计结果显示，中国有视力残疾患者近1200万人，是世界上盲人最多的国家。目前这些视障者出行时主要的辅助工具仍然是最原始的盲杖。盲杖可以帮助视力障碍者对前方的路面状况进行简单的判断。但对于路况比较复杂时，仅靠盲杖则无法保证他们出行安全的。因此开发一种性价比较高的城轨站内使用的导盲机器人，将城市轨道交通这一新兴的交通方式引入到视障者的生活中，帮助视障者更好地生活。导盲机器人的设计与实现体现了全社会对残疾人群体的关注与关怀，具有重大的社会意义。
　　2 导盲机器人的研究现状分析
　　目前世界上对导盲机器人的研究，大致有以下几类。
　　（1）电子式行进辅具。它是一种装有传感器的小型电子装置，是早期的导盲机器。它以盲人可以接受的形式将传感器的侦测结果传达给盲人，让盲人在环境中具有比较安全及快速的行动能力。
　　（2）穿戴式行进辅具。它将导盲机器的避障系统直接穿戴在盲人身上，盲人成为半被动地接受避障系统命令的运动载具，可为盲人提供更灵活的行动能力。如美国大学机器人实验室Shoval开发的腰带式行动辅具。
　　（3）导引式手杖行进辅具。是在拐杖的末梢接上一个装有许多传感器、小型控制计算机并在下方装有导轮的移动式平台。它舍弃了动力装置，如马达、齿轮机构、驱动器、电池、控制卡等，可充分减少机器的体积重量及盲人的负担；具有智能感测系统，重点在位置估测、路径规划、轨迹追踪、障碍物闪避等感测系统与导航辅助技术上进行了设计。如Nurion—Raycal公司所研发的雷射手杖（LaserCane）以及北京理工大学研制的“导盲杖”。
　　（4）移动式行进辅具。即导盲机器人，它具备多种传感器和计算能力强大的控制计算机及高度智能能力，可以在复杂的环境中自主行进，能完成位置估测、路径规划、轨迹追踪、障碍物闪避等等复杂的过程。如日本山梨大学研制的智能手推车ROTA以及美国匹兹堡卡耐基梅隆大学研制的一款适合于老年人以及视障者的机器人。其中前三种导盲机器更注重局部性闪避障碍物而不考虑全面性导航，其导盲能力远远小于导盲机器人。
　　3 研究目标及主要内容
　　3.1 研究目标
　　（1）全面分析机器人的工作环境与行进要求，建立全方位组成的全向移动机构。
　　（2）建立全方位移动机构的路况分析所需的数据、建模和策略，进行路况分析的参数数据模型的设计。
　　（3）建立简洁高效的人机交互模式。
　　3.2 主要内容
　　（1）路况判断模块，导盲机器人最重要的一个模块，用于进行路面状况和障碍情况的识别判断，为机器人安全的行进和准确的路况提示提供信息支持。
　　（2）行进机械模块，用于完成不同路况下的机器人行进，保证导盲机器人稳定行进。
　　（3）人机交互模块，对盲人发出的指令进行正确的反应，并且将控制模块发出的提示信息反馈给盲人。
　　（4）控制模块，协调各模块间的信息，对盲人的指令，路况信息等进行综合处理和判断后，对机器进行准确的控制，以完成服务任务。
　　4 城轨站内导盲机器人研究的可行性分析
　　现在国内外对导盲机器人的研究已有一定的成果，先进的传感器、模糊控制、人工智能等技术的发展为完善导盲机器人的功能提供了可能。虽然车站内涉及进站、登车、出站等外界不具备的情况，但是现有技术完全具有实现的可能，站内导盲机器人是具有技术上的可行性的。
　　5 城轨站内导盲机器人研究的关键技术和主要步骤
　　5.1 关键技术
　　（1）多传感器技术，涉及到多传感器的选择问题以及多传感器的数据融合技术。
　　（2）行进机械设计，在运动方式上要有所突破，使机器人不仅适用于平坦地面的行进。
　　（3）人机交互方式，由于盲人在交流方面存在特殊性，人机交互模式将有所创新，引入盲文、声音、震动等。
　　（4）模糊控制技术，由于现场情况难以建立精确的数字模型，在机器人的控制系统中将引入模糊控制。
　　5.2 主要步骤
　　（1）企业调研及文献资料查阅。首先要了解轻轨车站站内情况，如是否有楼梯、自动扶梯、进出站台是否需要横跨轨道、盲道情况、各站是否有坡道及车与站台是否有高度差等，以便确认导盲机器人的使用环境及路况判断模块的研究方向；然后进行导盲机器人研究的可行性分析。
　　（2）总体方案设计：主要包括导盲机器人总体工作方案设计；多传感器检测方案设计；系统控制方案设计；系统机械方案设计以及车体运动学分析。
　　（3）完成路况判断模块研究，包括逻辑建模，硬件系统设计；控制系统软件设计以及图像采集与处理。
　　（4） 完成行进机械模块研究，包括机械结构分析设计；机械模型制作。
　　（5）完成控制模块及人机交互模块研究，包括逻辑建模，硬件系统设计；控制系统软件设计及主控系统设计。
　　（6）样机实验：主要包括控制系统硬件与软件的调试；机器人样机现场实验和实验结果分析等。
　　研究结果表明，城轨站内导盲机器人的使用，对视障者和城轨企业来说是双赢的，一方面方便了视障者的安全出行；另一方面有效提高了城轨企业的经济效益和服务能力。可见，站内导盲机器人的应用具有广阔前景。
　　参考文献
　　[1] 谢存禧，张铁.机器人技术及其应用[M].机械工业出版社，2005，8.
　　[2] 韩雪峰.导盲机器人[D].哈尔滨工程大学，2009.
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