摘 要：隨著全球視力障礙問(wèn)題日益凸顯，視障人士的出行問(wèn)題受到廣泛關(guān)注。現(xiàn)行的傳統(tǒng)導(dǎo)盲輔具已經(jīng)不能滿(mǎn)足盲人獨(dú)立出行的需求，而新興的智能導(dǎo)盲輔具存在適用場(chǎng)景有限等問(wèn)題，基于此設(shè)計(jì)了一種輪足式導(dǎo)盲機(jī)器人。首先分析了犬類(lèi)骨骼特性，然后以此為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)了整體結(jié)構(gòu)。提出輪足混合式導(dǎo)盲機(jī)器人的硬件設(shè)計(jì)架構(gòu)，將硬件系統(tǒng)細(xì)分為運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)、感知系統(tǒng)和人機(jī)交互系統(tǒng)，其中運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)負(fù)責(zé)機(jī)器人的移動(dòng)和姿態(tài)調(diào)整，感知系統(tǒng)旨在全面收集機(jī)器人所處環(huán)境的信息，人機(jī)交互系統(tǒng)負(fù)責(zé)與視障人士交互。該設(shè)計(jì)為視障人士出行提供了便利，對(duì)推進(jìn)導(dǎo)盲設(shè)備的智能化具有重要借鑒意義。

關(guān)鍵詞：輪足式；導(dǎo)盲機(jī)器人；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)；感知系統(tǒng)；人機(jī)交互

中圖分類(lèi)號(hào)：TP23 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2025）04-00-03

0 引 言

全球視力受損人群已高達(dá)22億[1-2]，其中中國(guó)視障人士占比18%～20%。全球視力障礙問(wèn)題日益凸顯，亟需人們關(guān)注并解決。目前視障人士出行依靠盲道感知前進(jìn)方向，但是現(xiàn)行的盲道通常出現(xiàn)規(guī)劃鋪設(shè)不合理以及管理不善等問(wèn)題，使得難以有效發(fā)揮其應(yīng)有的作用[3]。導(dǎo)盲犬雖然能提供更多的指導(dǎo)和安全感，但因其高昂的培養(yǎng)成本、較長(zhǎng)的訓(xùn)練周期、有限的數(shù)量以及工作壽命短等原因?qū)е缕潆y以被廣泛采用[4]。為了解決這一問(wèn)題，智能導(dǎo)盲輔具如智能導(dǎo)盲杖、穿戴式導(dǎo)盲設(shè)備、移動(dòng)式導(dǎo)盲機(jī)器人應(yīng)運(yùn)而生，這類(lèi)輔具能基于傳感器與人工智能技術(shù)提供更準(zhǔn)確的環(huán)境信息和導(dǎo)航服務(wù)[5-8]。然而，它們通常面臨成本高、技術(shù)復(fù)雜、適用場(chǎng)景有限等問(wèn)題，限制了它們的普及。

本文仿犬類(lèi)骨骼特性設(shè)計(jì)了一種輪足式導(dǎo)盲機(jī)器人，該導(dǎo)盲機(jī)器人將輪式機(jī)器人的行進(jìn)效率與足式機(jī)器人的地形適應(yīng)性結(jié)合起來(lái)，增強(qiáng)了其對(duì)環(huán)境的適應(yīng)能力與行進(jìn)效率。

在硬件架構(gòu)上，該機(jī)器人采用樹(shù)莓派4B為下位機(jī)控制中心，Jetson Nano為上位機(jī)控制中心，將硬件設(shè)計(jì)分為運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)、感知系統(tǒng)與人機(jī)交互系統(tǒng)三部分。

1 輪足式導(dǎo)盲機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 犬類(lèi)骨骼特性分析

自然界的生物具有最優(yōu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)，模仿動(dòng)物的運(yùn)動(dòng)特征一直是國(guó)內(nèi)外研究者探尋的方向[9]。犬類(lèi)動(dòng)物具有身體靈敏、地形適應(yīng)能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，因此選擇犬類(lèi)為仿生樣本進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。圖1為生物犬的骨架結(jié)構(gòu)，全身骨骼約為257～264塊[10]，這一復(fù)雜的骨骼結(jié)構(gòu)不僅為犬類(lèi)提供了必要的支撐和保護(hù)，而且還在運(yùn)動(dòng)和地形適應(yīng)方面發(fā)揮了關(guān)鍵作用。犬類(lèi)具有13對(duì)肋骨，其中前7對(duì)直接與胸骨相連，形成了堅(jiān)固的胸廓，為心肺等內(nèi)臟器官提供了良好的保護(hù)[11]；其前肢和后肢通過(guò)關(guān)節(jié)和骨骼連接，使得它們能夠?qū)崿F(xiàn)多樣化的運(yùn)動(dòng)模式，如奔跑、跳躍、爬行等。

1.2 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

輪足式導(dǎo)盲機(jī)器人的總體結(jié)構(gòu)如圖2所示，包括頭部、前輪、腿部機(jī)構(gòu)、軀干和尾部等。軀干骨架仿照犬類(lèi)骨骼結(jié)構(gòu)，采用碳纖維管與三通組合而成，保證了內(nèi)部模塊的穩(wěn)定性與功能性；軀干上的太陽(yáng)能供電板用于為機(jī)器人提供電力，使其在戶(hù)外或無(wú)法接入外部電源的環(huán)境中仍然能夠持續(xù)工作；軀干側(cè)面裝有LED顯示屏與控制按鈕，其中控制按鈕從左至右分別為電源開(kāi)關(guān)、藍(lán)牙連接開(kāi)關(guān)與太陽(yáng)能供電板運(yùn)行開(kāi)關(guān)；頭部裝有雙目結(jié)構(gòu)光深度相機(jī)、激光雷達(dá)與LED探照燈，使得機(jī)器人在增強(qiáng)了其感知能力和環(huán)境適應(yīng)性的同時(shí)，提升了其在各種環(huán)境中的導(dǎo)盲效率和安全性；尾部配備柔性繩與力傳感器，通過(guò)調(diào)整繩子緊繃度來(lái)控制其與障礙物間的距離，力傳感器能夠使機(jī)器人根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)適時(shí)調(diào)整動(dòng)作和路徑，更好地滿(mǎn)足視障人士的行動(dòng)需求。

2 輪足式導(dǎo)盲機(jī)器人硬件設(shè)計(jì)

輪足式導(dǎo)盲機(jī)器人采用樹(shù)莓派4B與NVIDIA Jetson Nano作為主要控制芯片，其中樹(shù)莓派4B為下位機(jī)控制中心，Jetson Nano為上位機(jī)控制中心。樹(shù)莓派4B作為機(jī)器人的“小腦”，專(zhuān)注于實(shí)時(shí)底層控制和傳感器數(shù)據(jù)采集；Jetson Nano作為機(jī)器人的“大腦”，主要負(fù)責(zé)高級(jí)計(jì)算、圖像處理、機(jī)器學(xué)習(xí)等任務(wù)。

輪足式導(dǎo)盲機(jī)器人硬件設(shè)計(jì)包括運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)、感知系統(tǒng)與人機(jī)交互系統(tǒng)，如圖3所示。

2.1 運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)

運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)是輪足式導(dǎo)盲機(jī)器人的基礎(chǔ)，負(fù)責(zé)機(jī)器人的移動(dòng)和姿態(tài)調(diào)整，包括腿部機(jī)構(gòu)與驅(qū)動(dòng)模塊。

2.1.1 腿部機(jī)構(gòu)

如圖4所示，輪足式導(dǎo)盲機(jī)器人的腿部機(jī)構(gòu)由髖關(guān)節(jié)、大腿、膝關(guān)節(jié)、小腿與輪胎組成，所有關(guān)節(jié)舵機(jī)都集中在髖關(guān)節(jié)處。機(jī)器人腿部關(guān)節(jié)包括機(jī)器人本體上安裝的側(cè)擺電機(jī)，與側(cè)擺電機(jī)連接的大腿電機(jī)以及小腿電機(jī)，小腿電機(jī)的一側(cè)連接有大腿外殼。通過(guò)同步帶和帶輪的齒形配合，保持帶輪和同步帶的同步旋轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)由小腿電機(jī)到膝關(guān)節(jié)的動(dòng)力傳遞。踝關(guān)節(jié)被輪胎所取代，無(wú)刷輪轂電機(jī)直接為輪胎提供動(dòng)力；此外，輪胎內(nèi)胎面安裝了應(yīng)變傳感器，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)輪胎與地面之間的接觸情況，提供地面硬度、壓力分布及輪胎負(fù)載等關(guān)鍵信息，使機(jī)器人在不同的地形中都能表現(xiàn)出最優(yōu)性能。

由于該機(jī)器人的踝關(guān)節(jié)被替換為輪胎，這種在足端添加輪式驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的輪足結(jié)合方式使得輪足式導(dǎo)盲機(jī)器人實(shí)現(xiàn)了足式和輪式兩種移動(dòng)方式的靈活切換。如圖5所示，在平地或斜坡上，機(jī)器人主要采用輪式移動(dòng)進(jìn)行導(dǎo)盲工作；而在面對(duì)凹坑、樓梯等障礙時(shí)，則主要采用足式移動(dòng)。同時(shí)機(jī)器人可以通過(guò)差速驅(qū)動(dòng)的方式轉(zhuǎn)向以增強(qiáng)其靈活性。

2.1.2 驅(qū)動(dòng)模塊

輪足式導(dǎo)盲機(jī)器人的關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)模塊采用GO-M8010-6永磁同步電機(jī)和M3508直流無(wú)刷減速電機(jī)。在面對(duì)平地或斜坡等較為平坦的地形時(shí)，M3508直流無(wú)刷減速電機(jī)作為輪轂電機(jī)發(fā)揮作用。如圖6所示，在輸入期望速度后，電機(jī)將根據(jù)實(shí)際轉(zhuǎn)速實(shí)時(shí)進(jìn)行加減速處理，并執(zhí)行PID（Proportional-Integral-Derivative）計(jì)算。隨后將輸出速度與期望速度進(jìn)行比較，并進(jìn)行偏差調(diào)整，以確保電機(jī)的運(yùn)行效率和準(zhǔn)確性。而在面對(duì)凹坑、樓梯等障礙地形時(shí)，作為關(guān)節(jié)電機(jī)的GO-M8010-6永磁同步電機(jī)則開(kāi)始發(fā)揮作用，其采用的矢量控制（FOC）方式實(shí)現(xiàn)了對(duì)電機(jī)的精細(xì)控制，當(dāng)減速比為6.33時(shí)，最大扭矩可達(dá)23.7 N·m、最大速度為30 rad/s，確保了機(jī)器人在面對(duì)這類(lèi)障礙地形時(shí)運(yùn)行的穩(wěn)定性和安全性。

2.2 感知系統(tǒng)

感知系統(tǒng)作為機(jī)器人的“感官”，旨在全面收集機(jī)器人所處環(huán)境的信息。該系統(tǒng)由視覺(jué)與雷達(dá)避障系統(tǒng)、觸覺(jué)感知系統(tǒng)以及慣性導(dǎo)航系統(tǒng)組成。

2.2.1 視覺(jué)與雷達(dá)避障系統(tǒng)

視覺(jué)與雷達(dá)避障系統(tǒng)通過(guò)深度相機(jī)和激光雷達(dá)協(xié)同工作，實(shí)現(xiàn)對(duì)周?chē)h(huán)境的全方位感知和對(duì)障礙物的精確檢測(cè)，如圖7所示。深度相機(jī)采用Orbbec Gemini 2雙目相機(jī)，可實(shí)現(xiàn)10 m范圍內(nèi)的深度測(cè)量，在導(dǎo)盲作業(yè)過(guò)程中用于障礙物檢測(cè)、環(huán)境感知和為導(dǎo)航系統(tǒng)提供視覺(jué)信息。激光雷達(dá)采用N10P型號(hào)，可實(shí)現(xiàn)最大有效距離25 m、水平360°環(huán)境下的全方位探測(cè)，在行進(jìn)過(guò)程中主要用于創(chuàng)建二維地圖、自動(dòng)定位和提供障礙物的空間信息，為路徑規(guī)劃提供精確數(shù)據(jù)。

2.2.2 觸覺(jué)感知系統(tǒng)

觸覺(jué)感知系統(tǒng)通過(guò)分析導(dǎo)盲機(jī)器人足部輪胎與地面的接觸形變以及視障用戶(hù)與牽引繩之間的拉力，實(shí)時(shí)調(diào)整機(jī)器人的速度以適應(yīng)用戶(hù)的行走節(jié)奏。輪胎內(nèi)裝有應(yīng)變傳感器，當(dāng)輪胎與地面接觸發(fā)生形變時(shí)，傳感器實(shí)時(shí)反饋形變信息，結(jié)合輪胎理論模型進(jìn)行狀態(tài)估算；柔性繩配備力傳感器，用于檢測(cè)視障用戶(hù)對(duì)牽引繩的拉力，實(shí)時(shí)調(diào)整機(jī)器人輪轂電機(jī)期望速度，以匹配盲人的行走速度。

2.2.3 慣性導(dǎo)航系統(tǒng)

慣性導(dǎo)航系統(tǒng)由慣性測(cè)量單元（IMU）和定位模塊構(gòu)成。WHEELTEC N200WP是一款高性能十軸IMU，集成加速度計(jì)、陀螺儀、磁力計(jì)等傳感器，能夠?qū)崿F(xiàn)高精度的線(xiàn)性加速度、角速度和磁場(chǎng)強(qiáng)度監(jiān)測(cè)。靜態(tài)條件下，俯仰和橫滾精度達(dá)0.05 RMS，動(dòng)態(tài)條件下為0.1 RMS，確保了機(jī)器人穩(wěn)定、可靠的運(yùn)動(dòng)控制與環(huán)境感知。定位模塊采用BDS/GNSS技術(shù)，定位精度高達(dá)2.5 m，跟蹤靈敏度為-162 dBm，可與慣導(dǎo)模塊無(wú)縫集成，提供高精度定位導(dǎo)航。

2.3 人機(jī)交互系統(tǒng)

人機(jī)交互系統(tǒng)是輪足式移動(dòng)導(dǎo)盲機(jī)器人的“手”與“嘴巴”，負(fù)責(zé)與視障用戶(hù)進(jìn)行交互，它包括充當(dāng)“手”的柔性繩與充當(dāng)“嘴巴”的語(yǔ)音模塊。語(yǔ)音模塊通過(guò)藍(lán)牙與用戶(hù)的智能手機(jī)連接，利用決策系統(tǒng)傳遞指令，指導(dǎo)手機(jī)向用戶(hù)播報(bào)信息，從而引導(dǎo)用戶(hù)進(jìn)行相應(yīng)動(dòng)作。柔性繩通過(guò)觸覺(jué)為用戶(hù)提供物理導(dǎo)向，而語(yǔ)音模塊則通過(guò)聽(tīng)覺(jué)提供指引。選用的HC-05藍(lán)牙模塊能夠接收來(lái)自決策系統(tǒng)的實(shí)時(shí)命令，并據(jù)此調(diào)節(jié)智能手機(jī)的播報(bào)內(nèi)容。例如，當(dāng)機(jī)器人偵測(cè)到前方存在障礙時(shí)，決策系統(tǒng)便會(huì)向HC-05模塊發(fā)送指令，該模塊隨即將此指令傳送至智能手機(jī)，使其播放警告音，以提醒用戶(hù)避讓障礙物。

3 結(jié) 語(yǔ)

為了應(yīng)對(duì)視力障礙人士在出行時(shí)面臨的各種挑戰(zhàn)，本文設(shè)計(jì)了一種輪足式導(dǎo)盲機(jī)器人。該設(shè)計(jì)融合了輪式機(jī)器人高速穩(wěn)定的行進(jìn)狀態(tài)與足式機(jī)器人面對(duì)復(fù)雜地形的強(qiáng)大適應(yīng)能力，經(jīng)實(shí)地驗(yàn)證，該機(jī)器人性能穩(wěn)定，反應(yīng)靈敏，為盲人出行提供了極大便利。

注：本文通訊作者為邢春曉。

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