一種智能迎賓機(jī)器人系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

(河南科技大學(xué) 河南 洛陽 471023)

一種智能迎賓機(jī)器人系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

王健張羽李博

(河南科技大學(xué)河南洛陽471023)

近年來，機(jī)器人行業(yè)發(fā)展迅速，機(jī)器人技術(shù)不斷革新，迎賓機(jī)器人作為其中比較重要的一種，深受博物館，科技館，展覽館等場所的青睞。本文所設(shè)計(jì)的迎賓機(jī)器人具有智能檢測來賓功能，發(fā)出歡迎聲音并引導(dǎo)來賓參觀展區(qū)等。

本文首先闡述了迎賓機(jī)器人的整體結(jié)構(gòu)組成，硬件結(jié)構(gòu)的搭建、各個子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)。闡述了迎賓機(jī)器人行進(jìn)路線的規(guī)劃與設(shè)計(jì)，尋跡方式和室內(nèi)定位方法的選取與實(shí)現(xiàn)。使機(jī)器人的各個子系統(tǒng)能夠穩(wěn)定工作，相互協(xié)同，完成整個機(jī)器人的系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

迎賓機(jī)器人；室內(nèi)定位方法；系統(tǒng)設(shè)計(jì)

隨著機(jī)器人技術(shù)近年來的飛速發(fā)展，越來越多的領(lǐng)域開始將機(jī)器人投入使用，從工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)療到服務(wù)業(yè)，各個領(lǐng)域都在發(fā)生著日新月異的變化，也給人們的生活方式帶來了巨大改變。

一、背景

早在三千多年前的西周時期，在我國就出現(xiàn)了可能是世界上最早的“機(jī)器人”它是一種被叫做“倡者”的木偶，它可以演奏跳舞。在1662年，兩個日本人制造出一種木質(zhì)結(jié)構(gòu)的“端茶玩偶”[1]。在2000年，沈陽自動化研究所成功研制出六千米無纜水下機(jī)器人；由我國自主研發(fā)的軍用勘測機(jī)器人也早已投入使用；掃地機(jī)器人也早已出現(xiàn)在日常生活中。

做為移動服務(wù)機(jī)器人的迎賓機(jī)器人，可以經(jīng)常在展覽館、科技館和博物館中見到它們的身影。迎賓機(jī)器人集迎賓、帶領(lǐng)參觀和與客人交流于一體，一些設(shè)計(jì)的更加人性化，還可以為顧客唱歌跳舞。許多國家館開始使用機(jī)器人做向?qū)Чぷ鳎e機(jī)器人的使用范圍更加普及。

二、智能迎賓機(jī)器人系統(tǒng)結(jié)構(gòu)概述

智能迎賓機(jī)器人是一個復(fù)雜的、由多個不同機(jī)構(gòu)協(xié)調(diào)組成的系統(tǒng)，主要分為以下幾部分：

(一)機(jī)械結(jié)構(gòu)：機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)多種多樣，機(jī)械材料的種類也是千奇百種，在實(shí)際應(yīng)用中要考慮到實(shí)際應(yīng)用條件和機(jī)器人本身的驅(qū)動能力來進(jìn)行選取。在搭建迎賓機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)時考慮到迎賓機(jī)器人的體積適中，并且要求機(jī)器人在迎接來賓時要迅速響應(yīng)，隨著來賓的步伐速度引導(dǎo)來賓到前臺，更重要的一點(diǎn)是續(xù)航時間要足夠長，要求至少可以連續(xù)工作一天。綜合以上多種因素，決定將迎賓機(jī)器人的主體材料選為鋁型材，質(zhì)量輕，硬度相對較高，方便迎賓機(jī)器人移動，可以實(shí)現(xiàn)快速響應(yīng)。

(二)執(zhí)行器：執(zhí)行器是機(jī)器人結(jié)構(gòu)的一個重要環(huán)節(jié)，用來驅(qū)動機(jī)器人運(yùn)動，機(jī)器人的響應(yīng)速度主要由執(zhí)行器來決定。常見的執(zhí)行器有液壓驅(qū)動執(zhí)行器和電驅(qū)動執(zhí)行器。由于體積和操控性的原因，電驅(qū)動執(zhí)行器的應(yīng)用相對更為廣泛， 常見的電驅(qū)動執(zhí)行器有:普通直流電機(jī)，直流步進(jìn)電機(jī)和直流伺服電機(jī)。從迎賓機(jī)器人的質(zhì)量與實(shí)際使用情況兩方面考慮，選擇步進(jìn)電機(jī)作為迎賓機(jī)器人的執(zhí)行器。

(三)傳感器：迎賓機(jī)器人主要用到的傳感器有紅外漫反射式傳感器，磁導(dǎo)航傳感器，RFID傳感器。紅外漫反射式傳感器用于檢測來賓的到來，當(dāng)檢測到客人時會回傳信號給控制器；磁導(dǎo)航傳感器用于檢測貼在地面上的磁條，用于規(guī)劃機(jī)器人運(yùn)動的路線，使機(jī)器人能夠沿規(guī)劃好的路線行進(jìn)；RFID傳感器用于機(jī)器人對停止信號的檢測，在整個工作過程中，迎賓機(jī)器人需要檢測兩個點(diǎn)，一個是迎賓位置，另一個是前臺位置，當(dāng)迎賓機(jī)器人檢測到來賓時，迎賓機(jī)器人從迎賓位置開始運(yùn)行，按照規(guī)劃好的固定線路向前臺方向運(yùn)動，當(dāng)RFID檢測到觸發(fā)時，機(jī)器人確定已經(jīng)運(yùn)動到前臺，將返回迎賓位置等待下一次迎賓。

(四)語音部分：語音模塊也是機(jī)器人表達(dá)的一種方式，作為迎賓機(jī)器人，語音輸出也是不可或缺的一部分。當(dāng)迎賓機(jī)器人檢測到來賓的到來時，語音模塊會獲得一個信號，之后發(fā)出“歡迎來到XXX”的提示音以歡迎來賓。

(五)控制器：控制器是本系統(tǒng)的核心，傳感器回傳信號的解算，電機(jī)的控制都是由控制器來完成。由于單片機(jī)體積小、成本低、處理速度快等特點(diǎn)，它可滿足一些較簡單機(jī)器人的控制需求。根據(jù)實(shí)際的使用要求，選擇STM32F103ZET6單片機(jī)作為迎賓機(jī)器人的控制器[2]。

(六)控制方法：控制技術(shù)是指機(jī)器人完成各種任務(wù)和動作所執(zhí)行的控制手段，通過控制器給出控制指令來實(shí)現(xiàn)各種動作。主要的控制算法有PID控制、磁導(dǎo)航尋跡算法和RFID檢測技術(shù)。PID算法是用于調(diào)節(jié)機(jī)器人運(yùn)動，主要體現(xiàn)在對機(jī)器人運(yùn)動速度的調(diào)節(jié)，以實(shí)現(xiàn)在檢測到來賓時能夠做出迅速響應(yīng)，在達(dá)到預(yù)設(shè)定點(diǎn)時可以平穩(wěn)的停止。磁導(dǎo)航尋跡算法用于規(guī)劃機(jī)器人的運(yùn)動路線，使得機(jī)器人按照固定軌跡進(jìn)行運(yùn)動。RFID檢測技術(shù)用于檢測路線中固定的點(diǎn)，用于機(jī)器人感知迎賓位置和前臺位置，是機(jī)器人停止的判斷條件。

三、迎賓機(jī)器人系統(tǒng)原理構(gòu)架

(一)迎賓機(jī)器人系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)

迎賓機(jī)器人由四個子系統(tǒng)組成：控制子系統(tǒng)、檢測子系統(tǒng)、運(yùn)動子系統(tǒng)和聲音子系統(tǒng)，各個子系統(tǒng)由不同的硬件架構(gòu)組成，對應(yīng)的硬件有專門軟件來控制[3]。這些子系統(tǒng)各自完成不同任務(wù)，且子系統(tǒng)間相互協(xié)調(diào)運(yùn)行，從而實(shí)現(xiàn)迎賓機(jī)器人的整體功能，實(shí)現(xiàn)迎賓的全過程[4]。

1、控制子系統(tǒng)

控制子系統(tǒng)對迎賓機(jī)器人來說非常關(guān)鍵，主要進(jìn)行對信號的處理，為機(jī)器人做出判斷和決策，用來處理檢測到的信號并發(fā)出控制指令，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的檢測與控制。其中，控制子系統(tǒng)的核心是STM32F103VET6微處理器，STM32F103VET6是基于ARM Cortex-M3內(nèi)核的32位微控制器，具有相對較高的運(yùn)算和處理速度， 有良好的操控性，與本文所需的檢測系統(tǒng)和電機(jī)控制系統(tǒng)相結(jié)合，完成對信號的準(zhǔn)確快速處理，做出正確的判斷，在短時間內(nèi)實(shí)現(xiàn)對機(jī)器人控制，使迎賓機(jī)器人按照系統(tǒng)設(shè)定好的軌跡運(yùn)行，完成歡迎來賓的全流程。

2、檢測子系統(tǒng)

檢測子系統(tǒng)包括紅外漫反射式傳感器，磁傳導(dǎo)傳感器，RFID感應(yīng)器。紅外漫反射式傳感器是機(jī)器人感應(yīng)來賓的主體，當(dāng)紅外漫反射式傳感器檢測到來賓時會發(fā)生電平的跳變，從低電平跳變到高電平，通過軟件設(shè)置，實(shí)時查詢紅外漫反射式傳感器的輸出狀態(tài)，一旦發(fā)生電平跳變，機(jī)器人則判斷為有來賓到來，傳送給控制系統(tǒng)一個運(yùn)動信號。另外一組紅外漫反射式傳感器用于機(jī)器人的避障，在行進(jìn)途中當(dāng)檢測到前面有障礙物或者人時同樣是傳信號給主控，使主控控制機(jī)器人停止運(yùn)動，待障礙消除后繼續(xù)運(yùn)動。磁傳導(dǎo)傳感器是迎賓機(jī)器人的向?qū)В薅C(jī)器人的運(yùn)動路線，使機(jī)器人在指定的路線內(nèi)行進(jìn)，出現(xiàn)行進(jìn)偏離的現(xiàn)象時，運(yùn)動控制算法會對其進(jìn)行修正。RFID感應(yīng)器用于機(jī)器人準(zhǔn)確定位迎賓位置和前臺位置，當(dāng)RFID檢測到迎賓位置和前臺位置的射頻時，會產(chǎn)生停止信號，做出停止動作準(zhǔn)確停止到迎賓位置或前臺位置。

3、 運(yùn)動子系統(tǒng)

運(yùn)動系統(tǒng)是由Z4BLD60-24GN步進(jìn)電機(jī)、雙路無刷直流電機(jī)驅(qū)動器和鏈條組成，負(fù)責(zé)驅(qū)動機(jī)器人行進(jìn)。電機(jī)有普通直流電機(jī)，直流伺服電機(jī)，直流步進(jìn)電機(jī)等多種。在本文中路線是使用磁條規(guī)定好的，機(jī)器人通過檢測磁導(dǎo)航傳感器所返回的信號來判斷行進(jìn)方向，所以不需要電機(jī)再反饋角度給控制器。步進(jìn)電機(jī)是一種開環(huán)控制電機(jī)，電機(jī)轉(zhuǎn)動的速度和加速度是通過脈沖頻率和占空比來控制的，改變頻率和占空比來進(jìn)行調(diào)速。它的控制方式相對較簡單，并且在非超載的情況下，它的運(yùn)動不受負(fù)載影響，這對于迎賓機(jī)器人來說更加合適[5]。

4、 聲音子系統(tǒng)

聲音子系統(tǒng)包括聲音模塊，主要是用于機(jī)器人發(fā)出歡迎來賓的聲音，是迎賓機(jī)器人中尤為重要的一部分，是迎賓機(jī)器人表達(dá)熱情歡迎來賓的重要途徑。聲音模塊通過程序給出固定編碼，發(fā)出所設(shè)定好的聲音。在迎賓位置，當(dāng)檢測到有來賓到來時，主控會發(fā)出信號給聲音模塊，發(fā)出“歡迎來到XXX”的迎賓語，以表示歡迎來賓。

四、迎賓機(jī)器人系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

(一)迎賓機(jī)器人系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1、迎賓機(jī)器人底盤設(shè)計(jì)

迎賓機(jī)器人是由框架和底盤連接組成。底盤是機(jī)器人運(yùn)動的核心，它起到支撐機(jī)器人各部件并接受電機(jī)傳來的動力，產(chǎn)生運(yùn)動，以保證機(jī)器人可以正常運(yùn)行。其中底盤又包括傳導(dǎo)機(jī)構(gòu)和移動機(jī)構(gòu)，傳導(dǎo)機(jī)構(gòu)將電機(jī)動力傳送給移動機(jī)構(gòu)，促使機(jī)器人移動。

對于移動的機(jī)器人來說，底盤的作用尤為重大，它所承擔(dān)的重量和力都比較大，所以在底盤選材上都會傾向于機(jī)械強(qiáng)度更高的材料。在本文中選擇2mm厚度鋼板作為底盤材料。機(jī)器人移動機(jī)構(gòu)的輪式結(jié)構(gòu)具有質(zhì)量輕、結(jié)構(gòu)簡單、承載大而且利于操作和控制，選擇輪式結(jié)構(gòu)，考慮到穩(wěn)定因素，在機(jī)器人的前后兩部分各增加兩個萬向輪作為機(jī)器人的從動輪作為機(jī)器人的支撐，可以有效的增加機(jī)器人的穩(wěn)定性。

2、迎賓機(jī)器人主框架設(shè)計(jì)

從迎賓機(jī)器人整體設(shè)計(jì)方面考慮，機(jī)器人上半部分結(jié)構(gòu)簡單，重量較輕，所以在選材方面選擇鋁型材搭建框架最為合適。鋁型材的密度較低，質(zhì)量較輕，硬度相對較高，可加工性非常優(yōu)良，各種配件設(shè)計(jì)合理，可以最大限度的提高鋁型材框架的組裝效率，非常適用組裝迎賓機(jī)器人框架。鋁型材與底盤通過角碼來連接，使用螺釘將角碼固定在鋁型材上，角碼的另一端同樣使用螺釘固定在底盤上，二者之間形成一個直角，通過角碼實(shí)現(xiàn)連接。

(二)迎賓機(jī)器人運(yùn)動模塊設(shè)計(jì)

1、迎賓機(jī)器人運(yùn)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

迎賓機(jī)器人具有良好的性能，既需要有穩(wěn)定的底盤和框架為基礎(chǔ)，又要有動力充足的來運(yùn)動系統(tǒng)支撐，這樣才能在實(shí)際使用過程中有良好的表現(xiàn)。

在確定好基于STM32F103VET6的主控系統(tǒng)后，控制系統(tǒng)就以它作為平臺從而實(shí)現(xiàn)接收信號、處理信號和輸出控制命令的功能。電機(jī)是控制系統(tǒng)的執(zhí)行端，用來響應(yīng)控制系統(tǒng)給的命令[6]。選用“電機(jī)+鏈條傳動”驅(qū)動方式作為機(jī)器人的移動方式，這是一種使用靈活、結(jié)構(gòu)簡單、體積輕便，并且安全性能高的一種移動方式。

在電機(jī)的選取上選擇步進(jìn)電機(jī)，步進(jìn)電機(jī)相對于普通的電機(jī)來說，可以實(shí)現(xiàn)開環(huán)控制，通過控制脈沖的數(shù)量和頻率實(shí)現(xiàn)對步進(jìn)電機(jī)行進(jìn)的角度和速度的控制。根據(jù)迎賓機(jī)器人的實(shí)際機(jī)械參數(shù)選擇最大輸出功率為60W的步進(jìn)電機(jī)。

(三)迎賓機(jī)器人驅(qū)動模塊設(shè)計(jì)

本文的執(zhí)行結(jié)構(gòu)選擇直流步進(jìn)電機(jī)。根據(jù)步進(jìn)電機(jī)的指標(biāo)選定AGV兩路無刷驅(qū)動器作為步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動。

AGV兩路無刷電機(jī)驅(qū)動器非常適用驅(qū)動兩個帶轉(zhuǎn)速差的無刷電機(jī)。在機(jī)器人的行進(jìn)過程中，因?yàn)樾羞M(jìn)誤差，會導(dǎo)致機(jī)器人偏航于行進(jìn)軌道，通過兩個電機(jī)的給定差來調(diào)節(jié)機(jī)器人的路線，AGV兩路無刷驅(qū)動器的這一特征很適合。AGV電機(jī)驅(qū)動還具備軟啟動功能，使用過程中只需要發(fā)目標(biāo)速度，驅(qū)動器會自動加速到預(yù)設(shè)值速度，無需另外編寫軟啟動程序。

(四)迎賓機(jī)器人判斷來賓設(shè)計(jì)

在判斷來賓模塊中，所要實(shí)現(xiàn)的功能是根據(jù)檢測某種因素的變化來判斷是否有來賓到來，所以在傳感器的選取上，我們有多種選擇。常見的，用于測距的超聲波模塊，電容式接近傳感器和紅外漫反射式光電傳感器。

超聲波傳感器較穩(wěn)定但對被檢測材料有要求，不能太松軟，所以不適用本系統(tǒng)。電容式接近式傳感器的被檢測端要與電容的一端相連，這在實(shí)際使用中也是不會出現(xiàn)的。綜合考慮，選擇紅外漫反射式光電傳感器。紅外漫反射式光電傳感器具有較好的穩(wěn)定性，并且檢測也較快，更適合檢測算法。

五、迎賓機(jī)器人路線設(shè)計(jì)

(一)行進(jìn)路線規(guī)劃

智能迎賓機(jī)器人和其他普通的機(jī)器人優(yōu)點(diǎn)在于它的移動性能良好，可實(shí)時引導(dǎo)來賓。它主要應(yīng)用于展覽館等公共場所，在實(shí)際使用過程中，由于場地的限制，所以要按確定好的路線行進(jìn)。在應(yīng)用中，迎賓機(jī)器人有兩個位置點(diǎn)，一個點(diǎn)是門口的迎賓點(diǎn)，另一個點(diǎn)是前臺的停止點(diǎn)。兩點(diǎn)之間的路線采用直線，采用直線的優(yōu)點(diǎn)是，機(jī)器人的整個行進(jìn)路程最近，可以有效地提高迎賓效率，同時可以減少機(jī)器人在迎賓路程中電量的損耗，有效地增加機(jī)器人的續(xù)航能力，具體路線規(guī)劃如圖6-1迎賓機(jī)器人的路線規(guī)劃圖所示。

圖6-1 迎賓機(jī)器人路線規(guī)劃圖

(二)室內(nèi)定位方式的確定

隨著科技的進(jìn)步，信息化服務(wù)質(zhì)量越來越高，室內(nèi)定位技術(shù)飛速發(fā)展，這種技術(shù)可以在復(fù)雜的環(huán)境下如體育館、貨倉和圖書館等多種環(huán)境下實(shí)現(xiàn)定位。

RFID定位技術(shù)是利用射頻通過電感和電磁耦合或雷達(dá)的通信方式進(jìn)行交換數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)自動檢測，這種傳輸方式適用范圍大，可以實(shí)現(xiàn)在幾毫米到幾厘米級的定位。RFID技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確定位，可實(shí)現(xiàn)大范圍內(nèi)數(shù)據(jù)傳輸，雖然作用的距離短，但對于本系統(tǒng)迎賓機(jī)器人來說這不是一個短板，機(jī)器人的路線是一個磁條，移動范圍固定，在不出現(xiàn)極端情況下，不會偏離路線，所以一定會經(jīng)過RFID標(biāo)簽，可以進(jìn)行標(biāo)簽檢測，讀取到位置。選取RFID技術(shù)作為迎賓機(jī)器人的定位技術(shù)。

六、結(jié)論

本文以智能迎賓機(jī)器人為研究對象，基于檢測系統(tǒng)、運(yùn)動控制系統(tǒng)和自主尋跡系統(tǒng)，完成自主迎接來賓，引導(dǎo)來賓走向前臺，最后回到迎賓點(diǎn)的全過程。本設(shè)計(jì)主要包括以下幾個方面：

1、根據(jù)本設(shè)計(jì)目的和實(shí)際使用需求搭建迎賓機(jī)器人的主體框架，設(shè)計(jì)迎賓機(jī)器人的底盤、運(yùn)動控制系統(tǒng)和傳動系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)迎賓機(jī)器人運(yùn)動基礎(chǔ)。

2、設(shè)計(jì)迎賓機(jī)器人判斷來賓的方式，通過使用兩重紅外漫反射式光電傳感器檢測，準(zhǔn)確的判斷出來賓的到來，防止誤判。

3、規(guī)劃迎賓機(jī)器人的行進(jìn)路線，設(shè)置迎賓點(diǎn)和停止點(diǎn)，根據(jù)實(shí)際情況選擇迎賓機(jī)器人的尋跡方式，進(jìn)行自主導(dǎo)航。設(shè)計(jì)機(jī)器人的定位方式，當(dāng)機(jī)器人檢測到迎賓點(diǎn)和停止點(diǎn)時停止行進(jìn)。

4、硬件與軟件相結(jié)合，設(shè)計(jì)整個系統(tǒng)的軟件，將系統(tǒng)的各個部分有機(jī)的結(jié)合到一起，實(shí)現(xiàn)迎賓機(jī)器人的功能。并且對系統(tǒng)進(jìn)行多次調(diào)試，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確穩(wěn)定的歡迎來賓。

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王健(1995-)，男，漢，本科，河南科技大學(xué)，自動化專業(yè)；張羽(1990-)，女，漢，河南省洛陽市宜陽縣，研究生，河南科技大學(xué)，研究方向嵌入式系統(tǒng)及應(yīng)用；李博(1995-)，男，漢，本科，河南科技大學(xué)，自動化專業(yè)。