一種室內自主導航運輸機器人＊

李才亮，楊芳，許敏柔

一種室內自主導航運輸機器人＊

李才亮，楊芳，許敏柔

（廣東海洋大學 機械與動力工程學院，廣州 湛江 524000）

近年來，機器人技術飛速發展，已被各領域廣泛應用，極大方便了人們的工作和生活。擬設計一種室內自主導航運輸機器人，不僅可將室內小型物件置于機器人中實現自主精確導航規劃運輸，還可實現自主導航、自主避障，提高應對突發事件的能力，并具有較好的人機交互性能，可以實現日常生活工作中的室內小型物件高效運輸。

室內小型物件；自主導航；運輸機器人；中央控制模塊

1 引言

近年來，隨著機器人技術的飛速發展，該技術已經被應用到越來越多的領域，極大方便了人們的工作和生活[1-2]。目前，物流運輸機器人主要應用于大型倉儲物流作業和大型室外運輸作業，而室內物流運輸機器人卻鮮有涉及，市場空缺較大。

另外，現有的室內運輸物流機器人大多只能提供功能單一、具有特定軌跡的定位運輸，一般只能按照預先設定的命令完成任務，缺乏解決突發事件的能力，機動性較差[3-4]。

據此，擬設計一種室內自主導航運輸機器人，以實現室內小型物件自主精確導航規劃運輸，并可在運輸過程中實現自主導航、自主避障以及提高應對突發事件的能力，同時可以實現人體追蹤跟隨運輸和遠程監控。

2 室內運輸機器人系統組成

室內運輸機器人系統組成如圖1所示，主要分為中央控制模塊、導航模塊、視覺模塊、外部控制模塊以及底盤驅動模塊。

當機器人進行運輸工作時，機器人通過視覺模塊和導航模塊對外界室內環境進行感知和信息采集，傳輸到中央控制模塊進行處理，中央控制模塊和外部控制模塊進行數據通訊，當中央控制模塊接收到PC端或者手機端運輸目的地信號后進行處理，發送給底盤控制模塊，底盤驅動模塊控制機器人向目的地運輸移動，同時向中央控制模塊發送當前里程計信息，精確定位當前機器人位置，中央控制模塊將信息反饋給PC端或者手機端。

3 室內運輸機器人結構設計

所設計的室內自主導航運輸機器人主體結構如圖2所示，主要包括中央控制模塊、底盤驅動模塊、電池模塊、視覺模塊、激光雷達、機器人底座、機器人支撐板、小型圓柱儲物箱。

圖1 室內運輸機器人系統組成圖

圖2 室內自主導航運輸機器人主體結構示意圖

中央控制模塊為ARM架構的第四代樹莓派，底盤驅動模塊包括兩個高強度耐磨驅動輪、牛眼輪、編碼器直流減速電機、減速箱，驅動電機通過電機支架固定安裝在機器人底座前端，兩個高強度耐磨驅動輪安裝在機器人底座前端兩側并與減速箱連接，減速箱與編碼器直流減速電機連接，牛眼輪安裝在機器人底座后端中部，實現三角穩定支撐，同時驅動底盤采用差速轉向結構，減小轉向幅度，極大地提高轉向機動性；視覺模塊為Kinect2.0 RGBD體感深度攝像頭，精度高，速度快，抗干擾能力強，同時可以實現人體追蹤跟隨，遠程監控。電池模塊采用大容量動力鋰電池，電池放置在電池保護殼內并安裝在機器人底座內部后端，有效提高了機器人的長續航能力。小型圓柱儲物箱放置在機器人支撐板后端，激光雷達安裝在儲物箱上端。

4 室內運輸機器人使用方法

當機器人進行室內運輸作業時，可接收PC端或手機端運輸目的地信息，在已保存的室內二維地圖中自動導航規劃出一條從初始點到目的地的無障礙路線，在運輸過程中遇到地圖中未顯示的障礙物時，激光雷達和體感深度攝像頭自動識別障礙物，并迅速顯示在室內二維地圖中，DWA路徑規劃器導航功能重新規劃一條移動路徑，直到到達目的地點。室內運輸機器人使用方法具體流程如圖3所示。

圖3 室內運輸機器人使用方法具體流程圖

步驟1：初始化，啟動樹莓派并登錄樹莓派系統，機器人可實現機器人端、PC端、手機端連接登錄，機器人端可以自動登錄并通過LCD觸摸屏進行操作控制，PC端和手機端登錄需要與樹莓派主板處于同一個局域網，獲取樹莓派IP地址，通過SSH工具登錄樹莓派。

步驟2：啟動體感深度攝像頭、激光雷達、室內環境監控檢測模塊，設置自動加載初始化命令。

步驟3：啟動機器人底座驅動模塊，運行base_control底盤控制功能包，運行robot_navigation雷達功能包中gmapping建圖功能，通過移動控制機器人運動獲取室內相關地圖信息，體感深度攝像頭，激光雷達可以生成3D點云圖和二維室內地圖，并保存到樹莓派中。

步驟4：在樹莓派的3D可視化工具RVIZ中加載建立的二維室內地圖，可顯示在機器人端LCD觸摸屏和PC端，手機端需要安裝map navigation APP 軟件加載建立，加載完成后初始化起點。

步驟5：在樹莓派運行robot_navigation雷達功能包中基于DWA路徑規劃器導航功能，在顯示的室內二維地圖中設置目的地點，機器人會在全局范圍內進行路徑規劃，規劃出一條從初始點到目的地的無障礙路線。

步驟6：當機器人在移動過程中沒有遇到步驟3中地圖未顯示的障礙物時，則按步驟5規劃出來的路線移動運輸，到達目的地點，完成導航，轉入步驟8，如果在移動過程中遇到步驟3中地圖未顯示的障礙物時，則轉入步驟7。

步驟7：激光雷達在移動過程中迅速識別障礙物，并運行robot_navigation雷達功能包中gmapping建圖功能，將障礙物顯示在室內二維地圖中，同時在樹莓派運行robot_navigation雷達功能包中基于DWA路徑規劃器導航功能，重新規劃一條移動路徑，直到到達目的地點。

步驟8：重復步驟6～步驟8，進行下一次任務。

5 結束語

一種室內自主導航運輸機器人的設計，有效實現了室內小型物件自主精確導航規劃運輸，在運輸過程中可以自主導航，自主避障，在當下室內運輸機器人技術領域具有較高的實用性，可大大節省人力，使日常生活工作中室內小型物品的物流運輸更方便和高效。

［1］毛彬彬.運輸機器人安全控制系統研究［J］.起重運輸機械，2009（9）：51-53.

［2］席丹.運輸機器人系統集成設計研究［J］.科技廣場，2017（10）：64-66.

［3］盛騰飛.基于單片機的自動航材運輸機器人方案設計［J］.科技創新與應用，2018（19）：96-97.

［4］章安福.運輸機器人軟件系統設計［J］.教育教學論壇，2019（31）：266-267.

TP242

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2020.02.027

2095－6835（2020）02－0080－02

李才亮（1997—），男，廣東人，本科，研究方向為機械制造及其自動化。

楊芳（1984—），女，山東人，助教，研究方向為機械制造及其自動化。

廣東海洋大學本科生導師制下的新工科人才創新創業能力培養探索（編號：524210401）

〔編輯：嚴麗琴〕