[發(fā)明專利]一種基于改進頭姿估計方法的機器人輪椅交互控制方法

在審

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• 申請日: 2017-09-29
• 公開（公告）號: CN107621880A
• 公開（公告）日: 2018-01-23
• 發(fā)明（設計）人: 徐國政;孫文杰;朱博;王強;呂呈
• 申請（專利權）人: 南京郵電大學
• 主分類號: G06F3/01
• 分類號: G06F3/01;G06K9/00;A61G5/00;A61G5/10
• 代理公司: 江蘇愛信律師事務所32241
• 代理人: 唐小紅

技術領域

本發(fā)明涉及機器視覺控制領域，具體涉及一種基于改進頭姿估計方法的機器人輪椅交互控制方法，應用于機器人輪椅交互系統(tǒng)上，適于在機器人輪椅交互系統(tǒng)上實現(xiàn)基于隨機森林結合最近點迭代算法的頭部姿勢實時估算并基于此來實現(xiàn)對機器人輪椅系統(tǒng)的控制。

背景技術

隨著社會的發(fā)展，人口老齡化問題已經(jīng)成為發(fā)達國家和部分發(fā)展中國家共同面對的挑戰(zhàn)，預測顯示，從2015-2035年的20年時間，中國老年人口比例將會增加一倍，達到20％，其中不乏由于疾病導致活動不便的老人，加上由于各種災難事故造成的各種行動不便的殘障人士的數(shù)量也在逐漸增加，尤其是高位截癱和手臂殘疾的人士，他們中一部分的出行活動受到了極大的制約。為了出行便利以提高他們的生活質(zhì)量，近年來，便利的出行代步工具成為了社會和研究機構關注的熱點，其中智能服務機器人更成為了其中的熱點研究對象。機器人輪椅作為一種具有代表性的智能服務機器人，具有搖桿控制，肢體控制，導航，避障，康復等功能。其中搖桿控制擁有良好的控制性能，但對于雙手殘疾或高位截癱導致雙手無法運動的人來說，搖桿控制以及部分肢體控制例如手勢控制等方法受到了很大的制約，因此，頭勢控制作為一種新型的人機交互方式成為了近年來研究的熱點。

當前已有的識別頭姿的方法有：

1、佩戴運動傳感器方法，此類方法要求使用者在頭部佩戴加速度計和陀螺儀傳感器，通過接收傳感器的姿態(tài)數(shù)據(jù)判斷頭姿，該類方法精度高，但需要佩戴裝置，用戶體驗較差。

2、機器視覺方法，此方法通過攝像頭采集頭部圖像通過算法判斷頭姿，是目前的主流方法，與測試對象零接觸，用戶體驗較好，其中現(xiàn)有的手段主要是利用模式識別算法通過圖像估計頭姿，例如傳統(tǒng)的模板匹配算法、主流的隨機森林分類器、臉部特征點幾何關系方法等。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明目的在于提供一種基于改進頭姿估計方法的機器人輪椅交互控制方法，采用基于深度圖像的隨機森林結合最近點迭代方法來估計頭部姿態(tài)方式，利用頭部轉(zhuǎn)動模擬搖桿的控制方法實現(xiàn)對機器人輪椅的運動控制。

為達成上述目的，本發(fā)明提出一種基于改進頭姿估計方法的機器人輪椅交互控制方法，以隨機森林和最近點迭代算法為基礎，獲取頭部姿態(tài)并控制機器人輪椅，其具體實現(xiàn)包括如下步驟：

S1，通過頭部姿態(tài)樣本庫構建頭部姿態(tài)估計的隨機森林模型：

該步驟的目的是利用樣本庫中不同姿態(tài)的頭部深度圖像構建頭部姿態(tài)估計的隨機森林，通過該隨機森林可以實時估計頭部的姿態(tài)數(shù)據(jù)，應用于后面粗略檢測頭姿步驟。

S2，通過深度傳感器采集包含頭部的深度圖像并預處理：

此步驟中利用Kinect采集包含頭部的深度圖像，采集速率為每秒30幀。由于原始深度數(shù)據(jù)存在噪聲等干擾，因此需要對采集的深度數(shù)據(jù)進行濾波等處理，并將深度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為點云數(shù)據(jù)。

S3，構建使用者的頭部點云模型：

利用上述步驟中的方法得到的點云數(shù)據(jù)，通過拼接多幅不同角度的頭部點云數(shù)據(jù)來構建完整的頭部點云模型，后續(xù)將此點云模型作為基準點云來使用點云配準的方法得到精確的頭部姿態(tài)。

S4，利用隨機森林結合點云配準的方法檢測頭部姿態(tài)：

該步驟中首先利用步驟S1中的隨機森林模型估計粗略的頭部姿態(tài)，再利用得到的粗略頭部姿態(tài)結合步驟S3中的個人頭部點云模型通過點云配準算法計算精確的頭部姿態(tài)，使用兩種方法的結合兼顧了頭姿檢測的實時性和精確性。

S5，通過頭部轉(zhuǎn)動模擬控制搖桿的方式實現(xiàn)對機器人輪椅的控制：

此步驟中利用頭部轉(zhuǎn)動模擬控制搖桿的方式直觀顯示當前頭部姿態(tài)，通過上位機根據(jù)當前的頭部姿勢發(fā)出對應的控制命令給機器人輪椅，控制命令通過串口發(fā)送下位機控制器，下位機再發(fā)送控制命令給電機驅(qū)動從而控制機器人輪椅的運動。

應當理解，前述構思以及在下面更加詳細地描述的額外構思的所有組合只要在這樣的構思不相互矛盾的情況下都可以被視為本公開的發(fā)明主題的一部分。另外，所要求保護的主題的所有組合都被視為本公開的發(fā)明主題的一部分。

結合附圖從下面的描述中可以更加全面地理解本發(fā)明教導的前述和其他方面、實施例和特征。本發(fā)明的其他附加方面例如示例性實施方式的特征和/或有益效果將在下面的描述中顯見，或通過根據(jù)本發(fā)明教導的具體實施方式的實踐中得知。

附圖說明

圖1為機器人輪椅的結構圖以及Kinect攝像頭安裝位置示意圖。

圖2為機器人輪椅控制系統(tǒng)結構圖。

圖3為頭部點云模型示意圖。

圖4為頭部姿態(tài)與輪椅運動狀態(tài)映射圖。

圖5為頭部模擬搖桿控制示意圖。