张青宗;董丽梅;李秉超;梁军武;苏越;刘广桥
【摘 要】t型槽铣刀
牵引式半自动导盲机器人是专门为盲人设计的一种服务型机器人,主要用于城市盲道避障.通过GPS导航仪、超声波传感器、红外传感器、远程视频交互系统与PLC控制器组成驱动控制系统,由一个万向轮和电机完成转向,由语音播报系统告诉盲人路线和路况.从机器人性能要求的角度出发,最终确定了方形轮驱结构.实验结果表明:导盲机器人性能可控性高、安全系数高,运用方便灵活. 【期刊名称】《甘肃高师学报》
【年(卷),期】2019(024)002
【总页数】4页(P44-47)
【关键词】导盲机器人;传感避障;GPS导航仪;语音播报;视频交互
【作 者】张青宗;董丽梅;李秉超;梁军武;苏越;刘广桥
电路板测试台
【作者单位】兰州城市学院培黎石油工程学院,甘肃兰州730070;兰州城市学院培黎石油工程学院,甘肃兰州730070;兰州城市学院培黎石油工程学院,甘肃兰州730070;兰州城市学院培黎石油工程学院,甘肃兰州730070;兰州城市学院培黎石油工程学院,甘肃兰州730070;兰州城市学院培黎石油工程学院,甘肃兰州730070
【正文语种】中 文
【中图分类】TP242.3
由于我国人口基数大，所以是世界上盲人最多的国家，约有500万盲人，占全世界盲人总数的18%，数据显示，我国每年约有45万人失明，照这种趋势继续保持不变，到2020年预期我国盲人总数将增加4倍.为顺应时代潮流，让盲人生活不再“盲”，就需要辅助工具来帮助盲人[1].
社会上比较常见的传统导盲工具是导盲杖和导盲犬.导盲杖消耗体力、速度缓慢、效果差，导盲犬训练周期长、适应期长，并且价格昂贵，均不能适应大多数盲人[2].因此，为了进一步解决盲人的出行安全问题，提高他们的生活质量，人们开始研发造价低、局限性小的电
子导盲机器人.已经成功研制的电子导盲工具主要有移动式机器人、穿戴式导盲仪和导引式手杖等.穿戴式导盲仪虽然可以将障碍信息很好地传达给使用者，但是其质量大、造价高，不能很好地满足大多数盲人的使用[3].导引式手杖去掉了导航功能，保留了探测功能，但是也由于成本较高而未能在市面上得到推广[4].移动式机器人具有功能更全面、智能程度更高、适应性更强的优点[5].因此以减轻盲人的出行负担和经济负担为初衷，仿照导盲犬设计出一款新型的牵引式半自动导盲机器人.
在大多数的导盲器具中，超声波传感器和红外传感器是最主流的测距零件.超声波传感器具有很强的方向性，不易受到方向影响，可在多种介质中传播，但是探测范围有限，存在漏检盲区[6].红外传感器不受光线强弱的影响，探测距离较短，接收到的信号强度也不同[7].实现时将超声波传感器和红外传感器相结合，再加上GPS导航仪，三者共同完成机器人的导盲探测任务.
1 主要模块设计与实现
1.1 PLC处理模块设计与实现
PLC处理器部分主要由探测模块 （GPS导航装置、红外感应装置、超声波感应装置）、PLC智能控制器、感知模块（语音播报系统、视频交互系统）和运动模块组成.PLC控制示意图如图1所示.
反光书包图1 PLC处理模块示意图
1.1.1 探测模块设计与实现探测模块的设计：
（1）GPS导航仪用来设计路线，通过手动或语音输入起点和终点，然后将道路信息传给PLC控制器.为了更好接受并传递信息，避免信息受到干扰甚至中断，需要将GPS导航仪正确安装在角度为15°以上的开阔、无较大遮挡物、电磁波干扰较小的部位.因为GPS导航仪具有自动定位导航功能，所以出行时只需要确定行程的目标终点地；
（2）红外传感器的原理是利用传感器发射的红外光线对障碍物反射回来的光束的强弱来判断距离的远近[8].采用无线连接，在测试范围内如果没有障碍物，发射管发射出去的红外线，因为传播距离越远而逐渐减弱，最后消失.如果有障碍物，红外线测到障碍物，被反射到达接收管，信号经PLC控制器处理后控制小车向右转绕过障碍物，同时通过语音播报模
原油脱硫剂块告知盲人后继续探测，没有障碍物，继续前进；若有障碍物，左向转弯180°探测，若仍然有障碍物，则原路返回；
（3）超声波传感器的原理是通过发射器将声波发出，遇到障碍物后反射至接收器，根据声波发射到接受所用的时间间隔来计算距离.超声波传感器使用IC接口与PLC相连，在通电启动时，系统便会开始自检，自检正常后,装置背后的LED灯会发出信息，并且经过PLC控制器判断无误后会由语音播报模块告知盲人此装置正常.装置启动后，如果收到经过PLC控制器处理过的盲人语言信息，LED灯会停止闪烁，进入指令探测模式.盲人发出指令后，经PLC控制器的处理，超声波传感器便可自动响应盲人的指令.发送探测指令后，需要等待一段时间才能获得数据，这是超声波装置的探测时间.之后这些数据信息会经过PLC控制器将数字信息转化成语音信息，告知盲人，并通过PLC控制器转化成指令信息引导电机自动转向，进而避开障碍物.
探测模块的实现：
（1）GPS导航仪用TiaiwaiT G9型号，使用精度为5米，输出电压为12V，蓄电池蓄电时间为2小时.
（2）红外传感器选用GP2Y0A02YK0F红外避障传感器，使用电压为4.5～5.5V，测试范围为20～150cm，红外感应装置可感应上下角度60°，左右角度100°，6米以内的障碍物.
（3）超声波传感器选用产品型号为KS101B，测量范围一般为墙体5米、人2米、水面及车5米.
1.1.2 PLC控制器设计与实现
由于PLC控制器具有良好的扩展性、较高的可靠性、丰富的功能模块和强大的指令系统，作为机器人的控制中心，在对机器人的控制过程中能够轻松地完成任务.作为机器人的中枢系统，PLC控制器主要用来控制转向电机的转向、处理探测系统所传来的信号，将之转换后传达给感知系统和运动系统，由运动系统完成避障，和GPS导航仪同时进行导盲工作.PLC控制器的组成示意图如图2所示.PLC控制器选用西门子生产的S7-200系列，CPU模块选用CPU224XP，继电器带模拟量6ES7 214-2BD23-0XB8.
图2 PLC控制器的基本组成图
1.1.3 感知模块设计与实现
感知系统的设计：
考虑到盲人独自出行时的安全问题，设计了视频交互系统.摄像记录仪会将道路的状况记录，可以通过手机终端由其他人进行实时监控.为了使摄像记录仪具有最好的拍摄角度，将其装于机器人顶端.
感知系统的实现：
摄像记录仪选用型号为WA-HY00L-X4，水平可旋转 355°，垂直 120°，1920×1080 高清分辨率，可远程控制；蜂鸣器选用HYD-4218压电式蜂鸣器，工作电压为DC9-15V，额定电流≤9mA，共振频率为 2900±500Hz，工作温度为 20℃～60℃.
1.1.4 运动模块设计与实现
运动模块主要有驱动轮，前进驱动电机，驱动轮系，转向驱动电机，转向轮系和底盘等构成.驱动电机通过齿轮传递将动力传递到驱动轮以提供前进动力，选择驱动轮内孔为8 mm.转向电机通过齿轮将扭矩传递至万向轮提供整体转向.为了减小机器人前进时由于路况带来的颠簸，将万向轮采用减震轮.为了便于安装，将驱动轴设计成阶梯轴.其中底盘需要一定的
承重能力，所以采用承重能力好而且价格比较便宜的铝合金.运动模块实现图如图3，转向轮部分如图4.
图3 运动模块实现图
图4 转向轮示意图
斜导柱假设盲人行走速度0.5m/s，则驱动轮线速度0.5m/s，可得驱动轮转速0.2r/s.由于同轴转动转速相等，所以驱动齿轮转速为0.2r/s.设计时车体底盘低于驱动轮半径，为便于安装，将小齿轮齿数选为14.为更好地提供动力，令传动比为4，可得驱动齿轮齿数为56，转向齿轮转速为0.8r/s，电动机转速480rad/min；取模数为1，得驱动齿轮齿数为56，转向齿轮齿数为14，满足转向齿轮半径小于驱动轮半径[9].
运动模块的实现：
底盘为300mm×250mm×4mm的铝合金板；转向轮系由转向齿轮，驱动齿轮，万向轮（2寸）组成；转向电机由小功率电机提供整体转向；转动轮系由1模14齿齿轮、1模56齿齿轮组成；前进驱动电机转速为480转；驱动轮由2个4寸（100mm）橡胶轮组成.
1.2 基础模块的设计与实现
箱体及连杆的设计：
其他部分由箱体、180°旋转可伸缩牵引手杆、控制手柄、开关、警示贴纸、常亮警示灯和电源组成.箱体内安装控制仪、感应器、导航仪、电机、电瓶，表面安装警示灯和贴警示贴纸用以提醒路人.伸缩杆连接箱体和控制手柄，内引导线.手柄上安装开关和方向键，与伸缩管内导线相连.
纸浆模具箱体及连杆的实现：
（1）将所有裸露导线和仪器（GPS、传感器部分、电机等）全部装在箱体中，防止灰尘和其它物质损耗仪器，缩短使用寿命；
（2）把导盲仪的其它所有组成部分有规律且整齐地安放在箱体内部，防止导线混杂，影响设备，发生安全事故；
（3）将箱体设计成长方体型，易于安装和拆卸；因为亚克力板硬度较大，价格低，选用外壳采用亚克力板为基本材料.底盘必需具有一定的承重能力，因此采用铝合金；
（4）连杆部分使用180°旋转可伸缩牵引手杆，将把手和箱体连接在一起.在把手表层部分使用防滑橡胶，廉价环保，可让使用者更舒适地控制导盲仪运动.
2 测试结果和性能分析
测试实物图（图5）中1为驱动轮，2为WiFi发射器，3为PLC中央处理器，4为万向轮，5为变压器，6为驱动电机，7为蓄电池，8为超声波探测器，9为扩音器，10为红外线探测器，11为GPS导航仪，12为视频探测器，13为连杆.
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