导盲机器人设计

色标传感器
可以应用到黑底白线、白底黑线等背 景和线色差较大的检测场合。自发自 收，探测距离可以在3cm－10cm之间可 调。其最小探测距离>=3cm,小于这个 距离不能探测。探测的灵敏度可以通 过调节背后的金属旋钮进行调节。 （28元）
超声波传感器 URM37V3.2
具有温度校正和软件补偿 模块尺寸22mm × 51 mm 工作温度范围 ：0℃～＋70℃ 最大测量距离：500cm 最小测量距离：4cm 分辨率：1cm 误差：1% （180元）
手机震动器
直径：1cm 厚度：0.4cm （2元）
机械实现的改变
机械设计图
• 机器人的运动系统 • 机器人的传感系统 • 一些补充 • 上楼梯时的参数计算
千里之行，始于足下 ——机器人的运动系统
机器人“六履带运动系统”概览图样
机器人的动力源泉 ——步进电机、舵机在底盘的安放图
联轴器
--主轮 --联轴器 --步进电机
上楼梯方案的可操作性分析
图中，以重心和两轮中心为顶点的三
角形，其半顶角
tanα
=
h1−h2 ������/2
=
18������������−6������������ 20������������/2
=
1.2
∴ α = arctg1.2 = 50.2°
其中，水平时小车重心高 h1=18cm
轮半径 h2=6cm
震动 器
左侧
中间
右侧
振动 1
2 12
1
2
次数
提示 左侧 盲道 前方 盲道 右侧 盲道 信息 障碍 左分 障碍 终止 障碍 右分
按钮 1
2
12
1
2
次数
输 入 左 转 左 转 模 式 前进/ 右 转 右 转 命令 90° 30° 转换 停止 90° 30°
按钮
长按
长按
长按
输 入 左侧扫描 命令 盲道
开/关
红绿灯高度h2:2m-3m ；
路宽（斑马线长度）L：6m-30m；
取两种极端得到α上下限：下限������ = arctg h2−h1 = arctg 2−0.35 = 3.15°
L
30
上限������
=
arctg
h2−h1 L
=
arctg
3−0.35 6
=
23.8°
透镜倾角取θ=3.15+223.8 = 13.5°
透镜透光角度Δθ=23.8° − 13.5° = 10.3°
透镜焦距f=8cm
室外场景布置
使用到的传感器及元件
• 识别盲道——色标传感器 • 识别室内及室外障碍——超声波传感器 • 识别红绿灯及室内区域——颜色传感器 • 辨别方向——磁阻方位传感器 • 增加辨别颜色是的光强——大直径LED凸透
镜 • 提示功能——手机振动器
右侧扫描 盲道
*当盲道终止时，我们让盲人根据经验让盲人判断接下来该怎么 办，实际上我们考虑过GPS定位系统，目前民用GPS定位可在半 径5m以内，而且车载GPS能输出语音信息，可明确提示盲人位 置信息。但由于实际表演场地4*4m，用不上，其价格也不低， 且需要配合语音系统，故本队不予以考虑。
*本队设计没有添加视觉传感器，故未涉及到探索斑马线，实际 上某些十字路口的斑马线已褪色，甚至无法识别，幸运的是， 斑马线都是起于盲道，终于盲道，走直线，并在过程中探测对 面盲道，便可找到对面盲道。
实际楼梯 ：长：28cm
高：16cm
小车位于楼梯上时，倾角为
θ
=
arctg
16cm 28������������
=
29.7°
∵θ < α ∴重心落在两轮之间。
故在上楼时，小车不会翻倒
上楼梯时的力矩分析
力矩的估计： 机器人前面支撑杆的长度为20cm 当质量都集中在最前端时，估算整个质量 铝板的体积为2mm*25mm*(210+130+35*4+60)mm=27000 mm³ 铝板质量为27000/1000 cm³*2.7g/cm³=72.9 g 两个轮子的质量为 180 g 由于轮子与履带之间是滑动摩擦力，这个摩擦力不大，而且轮子的 外径是40mm ，因此估计两个轮子与履带之间滑动摩擦力的力矩为 3kg.cm 前面整个装置的质量在20cm远处产生的力矩为 （180+72.9）*20/1000=5.058kg.cm 因此总的力矩近似为8kg.cm 舵机的力矩为10kg.cm>8kg.cm
颜色传感器
放大镜及支撑架 竖直倾斜15度
颜色传感器及其支架
使得颜色传感器恰好 落在焦点处
如图，在机器人顶端的平台上，
环形放置3个颜色传感器装置， 以便接受来自对面红绿灯的光信号。
传感系统小结
• 超声波传感器
（1）扫描前方180度视野，避障导航 （2）俯视斜下方地面，识别沟道和楼梯
• 色标传感器
斑马线。 5、盲道上可能有障碍，如汽车停放，摆摊。
• 从门口出发，启动室外模式，盲人通过按钮控 制机器人寻找左或右侧的盲道，然后颜色传感 器探测盲道，若感应不到，斜向45°扫描式前 进（或由他人帮助）。
• 中途遇到障碍（振动提示），则沿捷径以“靠 墙走”方式绕过。
• 遇到盲道分裂（振动提示分裂方向），盲人根 据目的地选择。
手柄的正面分布着三 个按钮开关
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上楼梯的实现方式
当前方从动轮碰到楼梯的第一层的前沿时，前轮上的力传感器受力的大小发 生变化，这个变化会转化为相应的电信号并传到控制电路，控制电路会发出指令 使前轮上翘。由于主轮还在转动机器人会成为（a）图所示的形态。机器人的轮 子上装的是履带与楼梯间的摩擦力比较大，当动力足够大的时候，机器人前面的 主动轮就会爬上楼梯如图（b）所示。当前面的主动轮爬上楼梯时，后面的步骤 就想对容易多了。图（c）中机器人在上楼梯的过程中始终有三个轮子接触楼梯 这样就不会使前面的从动轮撞到楼梯的前沿。图（d）为机器人快完成爬楼梯的 示意图。要使机器人完成爬楼梯这个任务要为机器人提供足够大的动力，因此我 们给机器人的每个主动轮上都装上电动机。
颜色传感器 （3个）
磁敏传感器 （1个）
超声波传感器
双超声波传感器
扫描范围覆盖180度 起到避障和导航功能
固定式超声波传感器 探测头斜向下俯视前方 用来探测沟道或楼梯
色标传感器
左侧色标 传感器
机器人的底视图
右侧色标 传感器
色标传感器的功能在于实时检测地面颜色， 以便在室外模式实现对黄色盲道线路的巡线运动
就直接向目的地前进，若 没找到则根据坐标来导盲
3 、运动过程中，机器人 根据运动路径判定自己所 处的位置
4 、运动过程中颜色传感 器还应时刻寻找对应颜色。
若找到对应颜色就向该颜
色直接前进；若没有找到 还应该根据坐标导盲
5 、遇到障碍物发出警告 并引导盲人躲避障碍物
6 、检测到楼梯发出警告 7 、接收到结束指令停止 运动
--步进电机 --T型连杆 --从轮
运动系统小结
• 动力来源：步进电机（4个）、舵机（2个） • 动力传递：步进电机联轴器主轮
舵机T型连杆从轮 • 运动方式：前后主轮——主履带
主轮与从轮——从履带
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眼观六路，耳听八方 ——机器人的传感系统
超声波传感器 （3个） 扫描
色标传感器 （2个）
盲人如何告知机器人他想去的地方？ 盲人通过他所拿的手杖来输入指令。在手杖上加上要去地方所
对应的按钮，盲人只要记住要去地方对应的按钮就可以，这种方案 就保障了盲人输入指令的稳定性。机器人的目的也就比较明确。
导盲机器人导盲的实现步 骤：
1 、根据按下的按钮判断 要去地方的颜色或坐标
2 、颜色传感器接受指令 寻找对应的颜色，若找到
声波传感器是固定在一定的高度上，但超声波的发射与接受口向下 倾。两个 旋转的超声波传感器用来探测障碍物，而固定在一定高度 的传感器则用来探测楼梯。
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
现实生活中的盲道特征： 1、凹凸状导盲砖纵向延伸，大多为黄色。 2、起始或终止于某一单位门前。 3、某些地点有直角转弯（如遇到井盖），某些
地点有圆滑转弯（如十字路口）。 4、十字路口前还会分裂，其中转直角的将通向
机器人计划书二审答辩 ——涅槃 （Transformer）
组员： 王洋（小队长）
老宇扬 孙迪峰 唐远航 张健霖 2011年6月30日
• 原方案不足之处 • 新的思路 • 具体实现 • 联系实际
原方案不足之处
• 机械设计过简 • 障碍人为设计 • 设计与实际结合不强，应用性不高
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新的思路
• 在室内，根据盲人要到达的目的地引导盲人到 达目标，运动过程中要识别并引导盲人躲避障 碍物，遇到危险发出警告，根据目的地的位置 寻找合理的路线，识别楼梯并发出提示
机器人遇到障碍物挡住待识别区域的处理方法： 对于有障碍物挡住要去地方的标记颜色的情况，机器人会根据
坐标来导盲，当寻找到指定颜色时就可以直接根据颜色导盲。
机器人识别颜色的实现： 机器人实现识别颜色功能需要用到颜色传感器。我们选用的颜
色传感器的功能将在下面介绍。
机器人对障碍物及楼梯识别的实现： 我们采用两个旋转的超声波传感器来探测障碍物，另外一个超
• 十字路口前盲道会分裂，其中转直角的将通向 斑马线。盲人手动选择分裂方向，转弯之后， 颜色传感器识别对面交通灯颜色，当红灯刚刚 变成绿灯（红灯停止闪烁）时，开始过马路。 沿斑马线取直线穿过马路，直到斑马线结束并 进入盲道。
• 当到达盲道分裂处后，振动提示盲人选择路线。 之后继续寻路„„直到盲道终止，盲人根据经 验判断是否为目的地。若到达目的地，则“靠 墙走”，进入目的地；若不是，则沿直线前进， 直到寻到下一段盲道。
颜色传感器 TCS230的功能表：
（16元）
磁阻方位传感器 HMC1022
具有磁偏角补偿功能 尺寸 25.6mm×25.6mm 测量范围 0°~ 360° 测量精度 1 ° (116元)
LED透镜 HS-100DT(光面）
非球面设计 透镜直径99mm 高：23.7mm 边厚：4.7mm 焦距：80mm 角度：5-90度 光透率可达98% （25元）
*斜向45°扫描：
当前方有障碍， 则在距障碍0.5m处 停下，发出提示震 动，沿捷径靠墙走， 两水平探测的超声 波开始旋转90°扫 描。探侧障碍宽度， 沿宽度较小方向靠 墙走，此为取捷径； 若左侧绕行，则根 据“右手定则”寻 路，若右侧绕行， 则“左手定则”。
*命令输入装置及振动提示（均位于手柄处） ：
• 在室外，采用寻盲道的方法躲避障碍、穿过十 字路口等。运用机械导盲，实现短距离精确制 导、到达目的地，及远距离躲避障碍、识别标 志，同时也可下达指令，手动控制行进方向。
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具体实现
• 室内 • 室外 • 使用到的传感器及元件 • 机械实现
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室内的寻路方案
由于室内的活动范围有限因此室内导盲时我们队提出两种方案。 一种是将盲人常去的地方贴上显著颜色加以标记，机器人通过颜色 传感器判别颜色引导盲人到达指定的位置，另外一种方案是将整个 室内活动区域细化为单元格，这些单元格以坐标的形式体现出来。 盲人要去哪个地方只要输入该地方的坐标即可，机器人就可以引导 盲人到达指定位置。
• 颜色传感器判断距离有限，实际中用视觉传感器判断红 绿灯，或用摄像头拍摄后软件处理更实用，考虑经费和 比赛需求，没必要。在4*4m内，红绿灯亮度足以引起 颜色传感器反应。
因此前面的整个装置用一个舵机就可以带动。 返回机械设计图
联系实际
• 手机震动器传递信息有限，为减少成本和实现复杂度而 采用，实际中可用语音提示代替。
• 实际中某些大公司前或拐角处盲道上停放车辆过多，机 器人绕行距离可能很长，而无法重新找到盲道，只能通 过外界帮助。
• 当到达十字路口或某一公司门前，除了凭经验判断地点 外，实际中可通过GPS定位，判断位置，磁敏方位传感 器判断方向。但因在4*4m场地无法施展，本方案自能 凭借个人经验。
*为增大接受光强度，用一透镜增大入射到颜色传感器感光元件 上的光强，采用一大直径LED透镜，如下页所示：
加一个大直径 LED凸透镜：
图中，α表示对面红绿灯发射光线与水平线夹角。
tg ������ = h2−h1
������ = arctg h2−h1
L
L
考虑实际情况下，小车颜色传感器距地面为h1=0.35m，
检测地面颜色，实现巡线
• 磁敏传感器
判断行驶方向
• 颜色传感器
接收红绿灯信号，实现“红灯停，绿灯行”
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补充
设计“倒U型板” 的目的在于—— 使得不同的传感 器位于不同的层 面上，而不会互
相干扰
L支架提供平面自由度 U型架提供竖直自由度 因此牵引杆在空间内
可以自由地转动
手柄的背面是3个圆 片式的振动器