一種迎賓機器人的研制

王居鑫 邱文靜 鐘 力 陳 林 胡啟明

/上海電機學院

一種迎賓機器人的研制

王居鑫 邱文靜 鐘 力 陳 林 胡啟明

/上海電機學院

針對目前市面上銷售的迎賓機器人電路復雜，生產成本高，且經常出現誤播迎送辭等所導致的推廣難度大的問題，提出并研制了一種新結構迎賓機器人。該型迎賓機器人不僅會“說話”，而且有手勢和頭部的LED燈相配合，更具有人性化的特點。此機器人電路設計簡單，生產成本低，系統智能化，十分適合餐廳迎賓的需求。

迎賓機器人；機械結構；控制系統

引言

在我國的許多賓館、商場、飯店等地點，都需要“服務員”迎接賓客，采用迎賓機器人取代服務人員既節約了人力，更重要是能夠吸引顧客并普及科普知識。由于市面上銷售的迎賓機器人電路設計復雜，生產成本高，而且現有的迎賓機器人大多只能說一句簡單的“歡迎光臨”，甚至還經常出現誤播迎送辭等現象，以上問題會給商家帶來困擾，導致迎賓機器人實際推廣難度大。迎賓機器人是融機械工程技術、計算機技術、電子技術、傳感技術和智能控制技術等于一體的機電一體化系統。作為服務業使用的機器人，要求服務質量高，使用安全，跟重要的是對用戶具有使用價值。

1.迎賓機器人基本功能

迎賓機器人應具有的基本功能是有禮貌的迎送賓客，同時還能感知到客人的的光臨或離開。為此，根據需要，設計的迎賓機器人具有面部表情及真人語音播放。采用LED顯示屏，配合各個場景、動作做出不同的面部表情和字體語言，并播放迎送語音實現人機互動。通過傳感技術，可以感知客人進入或離開，以使迎送不失禮節。腰部和大、小臂的運動采用伺服電機和舵機為動力，驅動各機構實現鞠躬和擺臂等迎送動作，與客人進行良好的互動。

2.迎賓機器人的機械結構

迎賓機器人的整體結構如圖1所示。設計的機器人身高為1400mm，頭部高度為1860mm，頸部為93mm，軀干的高度558mm，肩寬400mm，手臂的整長為460mm，大臂為260mm，小臂為200mm。

2.1 鞠躬機構

迎賓機器人頭部和腰部的運動采用機構創新組合原理獲得的并聯組合的雙—曲柄搖桿機構實現，一個動力驅動兩個曲柄搖桿機構的曲柄，如圖2所示。運動時頭部、腰部同時產生一個15度擺轉運動。該迎賓機器人的機構用一個雙輸出軸電機轉動將兩個機構動作聯動，省去了一個電機，實現了一個電機完成了兩個功能動作的行程和回程要求。

2.2 手臂機構

迎賓機器人的手臂有三個動作狀態，包括：手掌放在小腹前、招手和引導顧客進出。每個手臂設有四個自由度，兩個手臂協同完成這三個動作。其中，每個手臂的肩部有兩個自由度，肘部有兩個自由度。肩部安裝一個呈直角布置的電機4帶動轉盤控制手臂的內外擺動，安裝一個直流電機驅動大臂前后擺動。電機軸在機架上箍緊，相對運動方式彌補了安裝的問題。肘部的相對運動與其相似，但驅動電機選用的是舵機。機械手臂采用的是夾板式外部框架，手臂框架周向尺寸相對較小。

圖1 機器人的整體結構示意圖

圖2 雙-曲柄搖桿機構示意圖

3.迎賓機器人的控制系統

3.1 機器人控制系統

迎賓機器人采用基于89C52單片機為核心的控制系統，如圖3所示。首先進行迎賓機器人的動作規劃，每個動作相應的關節軌跡計算出來并存儲，運動時無需動態計算運動軌跡。機器人大、小臂及鞠躬都是通過單片機編程控制電機，并按預先確定的關節軌跡，完成各種功能動作?？刂葡到y由外部輸入、并口擴展、電機驅動、電位器位置反饋檢測等單元電路構成。單片機接受由外部輸入傳來的控制命令，由單片機進行反饋對相應電機進行控制，完成命令規定的動作。關節位置由連接在關節軸上的編碼器取得，經放大電路送入單片機AD轉換接口，作為電機控制反饋信號。

3.2 人體檢測模塊

迎賓機器人配有施多德光電開關紅外線傳感器G35以及人體紅外感應傳感器，利用兩種傳感器檢測前方人的存在，以及人們的行進方向。由于G35紅外開關僅能夠檢測短距離內的物體，但無法判斷是否為人體，機器人中的人體紅外傳感器模塊則通過感應人體紅外輻射檢測出人體。二者結合較好的解決了該問題。

圖3 機器人控制系統

3.3 語音播放模塊

語音播放模塊為SYN6288免錄語音合成TTS語音合成模塊，主要包括：

（1）配置標準3.5mm標準音頻接口，可接插音響、功放設備，設置有喇叭接口。

（2）傳輸方面配置變壓器和選擇不同波特率的輸入反饋裝置。輸入漢字即可合成對應的音頻，通過音頻輸出接口輸出聲音，采用真人發音，添加背景音樂功能，多種系統聲音。

（3）LED顯示屏模塊安裝有可顯示臉部表情的LED點陣屏。檢測到不同的人流情況，做出合適的表情。LED點陣屏的大小為120×120mm，顯示出：微笑、眨眼、嘴巴張合等表情。

（4）限位保護采用霍爾傳感器：在每個機械結構的極限位置上安裝有一塊磁鐵，機構構件運動到該位置時，霍爾傳感器檢測到磁鐵。Stm32控制芯片接收各個霍爾傳感器返回的信息，確定了當前這個機械結構的運動位置，做出標志結構的運動極限位置，和上電初始位置等的特定處理。

3.4 電機驅動裝置

迎賓機器人共采用9個電機作為動力源，其中包括五個直流無刷伺服電機和四個舵機組成，控制靈活簡單，關節運動精確。其中五個直流無刷伺服電機由89C52單片機作為核心芯片控制，通過73LS373地址鎖存器進行鎖存，再通過W27C512芯片存儲數據連接8255芯片作為電機驅動的拓展芯片，其中五個直流無刷伺服電機用到10個I/O口分別對應在8255上面的地址為PA0-PA7，PB0-PB3，通過方向信號的輸入調節電機的轉向，還可以通過脈沖信號的輸入改變電機的轉速。四個舵機也連在8255芯片上，它們占用的I/O口分別為PC0-PC2。

[1]鄧宗全,于紅英,王知行主編.機械原理[M].高等教育出版社第三版,2015,3.

[2]辛紹杰,蔡業彬,王君玲主編.機械設計[M].華中科技大學出版社第一版,2014,9.

王居鑫：（1996.1—）男，上海電機學院材料成型及控制工程專業本科生。

邱文靜：（1998.5—）女，上海電機學院機械設計制造及其自動化專業本科生。

鐘力：（1963.3—）女，副教授，上海電機學院教師。

陳林：（1996.6—）男，上海電機學院機械電子工程專業本科生。

胡啟明：（1994.5—）男，上海電機學院機械設計制造及自動化專業本科生。

本項目受上海市大學生創新活動計劃項目資助: A1-5701-14-006-08-01。