餐廳服務機器人的研究

姚墨迪　王劉菲　馮淑元

摘要：餐廳服務機器人是一種能夠通過編程手段完成特定任務的小型化機器人，它具有制作成本低廉，電路結構簡單，程序調試方便等優點.由于具有很強的趣味性，餐廳服務機器人深受廣大機器人愛好者以及餐廳工作人員的喜愛.本論文介紹的是具有自動避障功能，能夠自動循跡進給的智能機器人的設計與制作，論文對智能機器人的方案選擇，設計思路，以及軟硬件的功能和工作原理進行了詳細的分析和論述.經實踐驗收測試，該智能機器人的電路結構簡單，調試方便，系統反映快速，靈活，設計方案正確，可行，各項指標穩定，可靠。

關鍵詞：智能；自動循跡；自動避障；穩定；可靠

中圖分類號：G712 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2016）15-0070-02

一、概述

隨著大數據、云計算、移動互聯網等新一代信息技術同智能機器人技術相互融合步伐的加快，國際機器人聯合會預測，“機器人革命”將開啟數萬億美元的市場。顯然，“智能機器人”將在工業、服務業、軍事、航空航天等領域發揮越來越重要的作用。機器人不只是應用于高端產業，機器人也可以應用于生活，寓于娛樂，給更多的人帶來歡笑。相信隨著科技的發展和創新意識的提高，機器人的推廣和應用。

現代服務業屬于第三產業，其發展日益受到人們的重視。一直以來，機器人的發展都受到全世界的關注，民用的卻很少問世，原因在于其價格昂貴、技術較高端，難為大眾所接受，社會對其的研究質疑之聲始終不絕于耳。所以全球關于廉價機器人在服務業代替人類工作的研究基本上是一個空白。而廉價機器人的應用，將對服務業的發展起到強勁的推動和改革作用。在過去十余年間，餐飲業發展速度遠遠超過GDP的發展水平，常年保持在年增長率20%以上。隨著國民經濟的發展，餐飲業仍有很大的增長空間，2010年我國餐飲業持續增長的態勢將進一步鞏固，中國餐飲業將跨入新的發展階段。目前，餐飲服務業使用的機器人在國內外基本尚未出現，在中國乃至世界，關于機器人在社會服務行業代替人類工作領域的研究，可以說是一個空缺。因此，機器人應用于服務業具有十分重要的意義和推廣應用價值。目前，餐飲服務業使用的機器人在國內外基本尚未出現，在中國乃至世界關于機器人在社會服務行業代替人類工作領域研究基本上是一個空缺，基本上沒有進行類似研究。對于機器人的應用大部分在軍事、救援等，并且許多國家基本上都進行類似研究，如以色列研究的可在高危環境下撤離傷員的機器人，代替人類工作；我國也開展了井下探險救援機器人。而且據調查，現代服務業大體相當于第三產業，根據服務業的發展規律，服務業終將崛起為主流業態，而且發展前景廣闊、潛力巨大。而現在關于自動化研究領域美國等一些國家的技術是相當發達的，但是目前對于機器人在服務業的應用世界上幾乎沒有做過類似研究，所以對于我國這是一個機會也是一個挑戰。因此，機器人應用于服務業具有十分重要的意義和推廣應用價值，針對其中一方面我們大膽嘗試設計了用單片機控制的餐廳智能服務機器人模型，工作在餐廳代替較多的服務者工作，節省人力，降低餐廳運營成本，提高服務效率。

二、研究背景

機器人有多種形式，可以從多個角度給機器人分類；從機器人的發展經歷來看，從低級到高級分為三代機器人。第一代機器人主要是指只能以“示教—再現”方式從事工作的工業機器人。示教內容包括機器人操作機構的運行軌跡、作業條件、作業順序等。示教方式是操作員“手把手”地直接做，或是通過操作臺演示一遍工作過程，機器人即可一模一樣地不斷循環學來的操作。目前國際上商品化、實用化的機器人商品都屬于這一類。第二代機器人屬于智能機器人。它具有感知環境的能力，它配備了多種傳感器，通過它們了解工作環境，通過復雜的邏輯思維，判斷決策，在工作環境中獨立完成操作。第三代機器人是未來機器人，未來機器人幾乎可以替代人類的所有行為，甚至是研發新產品，開拓新的應用領域等。餐廳服務機器人還應定義為第一代機器人，它是一種移動式服務的機器人，具有一定的學習能力，同時也借助一部分傳感器識別工作環境，具有一定的獨立工作能力。它主要用于餐廳或家政服務，可以用來完成迎賓、引導客人、點餐、廳內送餐等服務項目。餐廳服務機器人的設計面臨三方面問題需要解決：如何引導餐廳服務機器人到達指定工位、如何讓餐廳服務機器人行走指定路線、如何使餐廳服務機器人平穩取走和平穩放下。其中能夠將機器人精確地引導到指定的工作位置是實現移動服務機器人關鍵的技術環節。

三、研究意義

餐廳服務機器人具體為一種自助餐廳服務機器人，機器人前端中間位置裝有用于循跡的攝像頭，循跡線鋪置在餐廳過道或傳菜通道，停止線在就餐區與循跡線垂直鋪置，當機器人識別出停止線時，機器人則停止10秒鐘，并在LCD顯示器上進行倒計時顯示，2個后輪作為驅動輪形成速度閉環控制，控制前輪轉向的舵機形成位置閉環控制，機器人兩側裝有與直流電機軸相連接的平板托盤構成為位置閉環控制。機器人結構簡單、價格低廉，運行穩定，能夠有效地實現送取食物和餐具的功能，能夠提高餐廳的管理水平與運行的自動化程度，可應用于自助餐廳等服務場所。服務機器人可根據裝在的飯菜桌位號自動排序、選擇最近路徑行走，檢測到第一個要送目的地址后，車停止行進。載物盤自動旋轉，語音提示就餐者取走自己的飯菜。當飯菜全部取走后、服務車自動啟動、沿路線向第二個目的地行走、當檢測到第二個要送目的地址后、車停止行進。語音提示就餐者取走自己的飯菜，依次類推、直到所有飯菜已取完。服務機器自動識別到所有飯菜已取完。啟動車子返回起點。收物：將撥碼開關2撥通，并輸入需要收拾的第一個桌位號，按啟動鍵；服務員走到桌位前直接整理收拾桌子，待服務車到位后便可將收拾好的盤子和垃圾等物品裝入車內；然后服務員輸入下一個所需收拾的桌位號、同時啟動服務車向下一個桌位前進。當車已裝滿物品或需要直接返回起點、服務人員直接按啟動鍵，服務車接受到返回指令、直接返回起點。

四、研究現狀和發展趨勢

智能機器人發展很快，從智能玩具到其他各行業都有實質成果。近些年，國內的科研機構和企事業在機器人的研發領域開展了大量工作。在北京，各高校和研究所已經形成區域優勢。北京航空航天大學、清華大學、中科院北京自動化所、北京理工大學等單位都做了非常重要的研究工作，也取得了很多的成果。在上海，政府投入力度很大，舉辦中國國際機器人展覽暨研討會。復旦大學和上海交通大學等高校都做了很有特色的研究工作。在東北，沈陽自動化所、哈爾濱工業大學等研究機構在專用機器人方面具有優勢。像中科院沈陽自動化所于2000年開發和研制成功六千米無纜自治水下機器人。深圳在機器人產業涉及的計算機、傳感器、通訊、精密機械、光電一體化等領域具有優勢，在產業發展過程中積聚了優勢技術資源和創新能力，同時擁有良好的產業配套能力。作為全國高科技重鎮，深圳目前在機器人產業已具備一定的技術實力和產業基礎。

五、引導方案的選擇

餐廳服務機器人要往返于餐桌和食品加工間進行工作，如何讓機器人按指令到達工位是機器人能否實現送餐服務的關鍵。移動機器人達到目標的前提是識別目標或者知道自身的坐標和目標的坐標，利用傳感器技術識別目標特征信號，是目前目標識別的主要途徑和方法。當目標沒有明顯特征信號提供時（絕大部分是這種情況），需要人為地在目標上加入特征信息以供檢測識別。常見的目標識別方法有圖像識別、紅外線識別、超聲波識別等方法。

1.圖像識別。在每一個工位上做上特定標識，比如不同的顏色板，攝像頭根據指令尋找不同顏色板而選擇目標，到達目標。這種方法的優點在于設備比較簡單、系統集成容易、識別技術成熟。其弊端是主要有兩方面——其一是容易遮擋，機器人本身身高較低，低于80cm，來往行人和桌椅很容易遮擋視線；其二是顏色板不可能做得太大，距離遠了不容易識別，顏色板至少應該有三面或圓柱面，保證所有角度能看到，容易受顧客穿相同顏色的衣服干擾。對于這種弊端，其解決辦法主要有提高攝像頭位置、采用變焦鏡頭、采用更復雜的圖像識別算法等。

2.紅外線識別。在每個工位上安裝一個紅外輻射源，機器人上安裝紅外接收傳感器，例如，光電池、光電三極管等，由上位機控制紅外源發光，機器人通過搜尋紅外信號到達目標。這種方法的主要弊端是，紅外源的指向角較大時，需要很大的發射功率，否則達不到工作區域覆蓋面。另外與圖像識別一樣，也有遮擋問題。

3.超聲波識別。在工作環境上方安裝多個受控的超聲波接收器，機器人上安裝超聲波接收器，通過機器人發超聲波，接收器接到機器人的超聲波信號判斷出機器人的坐標位置，并通過無線傳輸給機器人，機器人利用已知的目標坐標和自己當前的坐標計算出行駛路線，到達目標。這種方式可行之處在于遮擋影響不明顯，而且通過簡單的判斷即能規避隨機遮擋。

六、結論

服務機器人必將在更廣闊的領域廣泛應用。在設計過程中，由于電機的反復運轉引起電壓不穩定，導致機器人未按照規定的賽道奔跑，出現亂跑現象，經過穩壓芯片從而使電壓恢復正常。對于機器人的大致模型也建立完成。通過構建智能機器人系統，培養設計并實現自動控制系統的能力。在實踐過程中，熟悉以單片機為核心控制芯片，設計機器人的檢測、驅動和顯示等外圍電路，采用智能控制算法實現機器人的智能循跡。靈活應用機電等相關學科的理論知識，聯系實際電路設計的具體實現方法，達到理論與實踐的統一。

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