金融機器人設計及應用研究

黃峻遠

廣電運通集團股份有限公司 廣東 廣州 510705

引言

金融機器人設備越來越多的應用到銀行網點上，作為銀行網點轉型的重要設備，機器人系統也是一種龐大又復雜的系統，從硬件、軟件、算法等各個層面都需要有深入的研究和應用，才能確保設備可靠，穩定，好用，方便。金融機器人與送餐、酒店機器人一樣，可提高客戶的體驗性和易用性。

1 機器人硬件系統

機器人硬件系統包含上層交互層、功能應用層、中間識別層、底層運動控制層。上層交互層主要是接收外部信號，如Wi-Fi信號，4G/5G信號，搭建互動交互屏，處理人機交互的信息，顯示人機交互界面等。功能應用層主要為金融銀行業相關功能，如身份證識別，銀行卡發放，KEY盾發放等。中間識別層主要是設備信息識別，傳感信息識別等功能，比如激光雷達，深度相機等傳感器信息獲取及識別，定位及地圖信息處理等；底層運動控制層主要是用來將接收的信號轉為底層硬件控制信號，控制機器人運動。

2 硬件功能實現介紹

上層交互層包含互動觸摸顯示屏、藍牙Wi-Fi通信、高清攝像頭等硬件模塊。用于與客戶的交互，接收客戶的需求，通過藍牙或Wi-Fi的方式進行信息傳遞。高清攝像頭用于機器人運動的攝像及圖片收集。互動觸摸顯示屏采用10.1寸的屏幕。

功能應用層包含銀行需求端所需要的人臉識別模塊、身份識別模塊、卡片發放模塊、KEY盾發放模塊等。用于辦理銀行非現金類業務。通過機器人上的觸摸屏或者與機器人連接的平板可以實現客戶辦理銀行業務的功能。客戶通過身份證識別進行發卡業務辦理和發KEY業務辦理。

中間識別層作為機器人的機器識別功能，可以通過激光雷達檢測周圍的物品，通過深度相機進行位置檢測等。①激光雷達：激光雷達是以發射激光束來檢測目標的位置、速度的雷達系統。從工作原理上講，設備向目標發射信號，然后將接收到的從目標反射回來的信號與發射信號進行比較，處理后，就可獲得目標信息。如目標距離、方位、高度、速度等信息，對物品，周圍環境等進行探測、跟蹤和識別。其具有360°檢測范圍的能力，探測距離可達12m，可準確獲取所在環境的信息。②深度相機：就是機器人的眼睛，通過該相機能測量出拍攝環境物品的距離。能夠獲取到圖像中每個點距離攝像頭的距離，具備二維坐標和三維空間坐標特性。本文主要采用雙目結構光相機，其原理是通過近紅外激光器，將有結構特性的光線投射到被拍攝物體上，然后反射到紅外攝像頭進行采集，然后通過運算單元將這種結構的變化換算成深度信息，并獲得三維結構。

底層運動控制層是機器人運動，移動的主控制核心部分。同時也是相關傳感器信號的接收和發射控制。該控制層主要包含電機及其驅動電路、編碼器、超聲波傳感器、陀螺儀等。

電機及驅動電路使用較為常用的STM32主控MCU搭配電機驅動電路，驅動電機工作，并通過編碼器實現設備啟停、運動等功能。編碼器的作用是用來獲取運動速度，通過運算實現按照上層信息需求，來達到控制機器人位置的目的。

超聲波傳感器用于距離測量。當MCU控制傳感器發出信號后，通過接收到信號的時間計算其距離。L=(t*S)/2，其中S=340m/s。

陀螺儀繞一個支點高速轉動的剛體稱為陀螺。一般說的陀螺是指對稱陀螺，它是一個質量均勻分布的、具有軸對稱形狀的剛體，其幾何對稱軸就是它的自轉軸，利用陀螺的力學性質制成各種功能的陀螺裝置稱為陀螺儀。其原理是一個旋轉物體的旋轉軸所指的方向在不受外力影響時，是不會改變的。根據這個道理，用它來保持方向，制造出來的東西就叫作陀螺儀。利用陀螺儀，機器人即可在既定的方向按照預定的位置進行運動。

3 即時定位和地圖構建

前面已經介紹了金融機器人不可缺少的硬件模塊及相關傳感器，本小節將著重介紹機器人核心的地圖構建。地圖構建的目的是為了解決機器人的移動目的。①機器人在哪里；②機器人要去哪里；③機器人怎么去[1]。我們知道一般室外的機器人，如快遞機器人其送物品都需要北斗衛星來定位及導航，從而獲得更加精準的位置。但是對于室內機器人，北斗衛星技術發揮的作用就比較有限。那么針對我們的金融服務機器人，就需要有一個室內的環境地圖。該地圖的構建是需要人工通過機器人進行定位，產生相關地圖。我們將機器人從任一個地點開始，沿著一定的路徑出發移動，并通過自身攜帶的傳感器獲取周邊環境的信息，同時構建一個與平面移動相關的環境地圖。該技術與過程我們就叫即時定位和地圖構建，簡稱SLAM。目前使用較多的SLAM算法主要有Hector SLAM算法和Gmapping SLAM算法。

Gmapping SLAM算法的地圖構建是通過機器人自身攜帶激光雷達和深度相機來獲取外界的信息，然后通過粒子濾波算法處理，最后輸出二維地圖，提供給機器人路徑規劃使用。Gmapping SLAM算法是一種高效的基于粒子濾波器并通過激光掃描和深度相機數據中生成網格地圖的方法[2]。

粒子濾波器中的每個粒子都擁有一個單獨的環境地圖，最主要需要解決的問題是怎么樣去減少粒子數。Gmapping算法利用自適應的方法來減少粒子數，綜合考慮到機器人的運動和實時的探測數據，確定了更精準的概率分布計算方法。

4 路徑規劃及導航

路徑規劃及導航是金融機器人最為核心的功能，在銀行智慧網點中，經常需要應用平板pad控制機器人運動，并導航到指定的位置進行相關網點業務辦理。導航成功與否與機器人傳感器的檢測、運動控制邏輯算法、定位算法和應用層信息交互有極大的關系。

4.1 軟件需求及輸入

設備通過人機交互后，輸入兩個信號：①位置信息需求。②功能業務需求。

位置信息控制指令從觸摸操作通過應用的上位機發出或由PAD通過WIFI控制上位機發出。由終端設備通過無線網絡方式將該命令發送到機器人系統，并由其解析位置信息，將其轉為為該設備能夠識別的指令，然后機器人操作系統進行地圖路徑規劃，具備實時性，能快速響應定位服務，同時將控制信號傳遞到底盤運動控制機構，由其執行相關的移動動作，該底盤機構還有一個傳感器管理功能，負責管理各個傳感器采集的環境信息與機器人位置姿態信息，通過相關數據處理后上傳到機器人操作系統。機器人操作系統接收到由底盤上傳的傳感器信息后會作進一步的深度處理，然后將處理過的傳感器數據通過終端設備返回給上位機，并實時監控顯示。

功能業務需求是通過上層應用直接下達命令到各功能模塊進行金融業務辦理，業務功能主要通過人臉識別或身份識別進行登記，錄入相關身份信息，進行銀行卡開卡服務并激活卡片，同時還可以辦理U盾的介質辦理等等。

4.2 定位及路徑規劃導航

要實現導航及路徑規劃，首先要確定機器人所處的位置，其需要感知自身所在的坐標位置，即需具備定位能力，需要確定自身在所構建的地圖上的初始位置，同時還需要知道其目的地位置。

常見的定位方法有蒙特卡羅定位算法，蒙特卡羅算法的主要思想是當我們需要知道某個事情發生的概率時，我們會通過特定的方法去模擬，去做實驗，通過實驗得到這個事情發生的概率值，并將其作為我們的最優解。通過粒子濾波方法應用在定位中，我們可以模擬算出機器人的位置。

當我們的目的地確定后，機器人會根據全局環境形成一個從原點到目的地的全局路線，通過全局規劃的方法來實現即可完成。通常我們使用的是A*算法。后面機器人結合自身的傳感器如激光雷達、視覺等會生成局部的地圖，利用局部路徑規劃算法即可規劃出一條局部的路徑。通常使用的是TEB算法。

路徑規劃地圖確認好后就可以開始進行導航工作，當給機器人指令，指定一個目標點，機器人就能夠自主的規劃出一條比較合理的路徑，并沿著路徑目標點。在到達目的地。

5 底盤運動及控制

底盤運動及控制系統作為機電一體化的系統，其包含機械結構系統、電氣控制系統兩大部分。只有在機械結構系統和電氣控制系統這兩大系統的相互協作配合下，才能保證機器人按照要求穩定、可靠的完成指定任務[3]。詳細設計如下：

5.1 機械結構系統

金融機器人的各種功能實現與其機械結構系統離不開，因此除了考慮該機器人在銀行業務網點的金融業務辦理需求外，還需考慮其實際工作環境適應性，設備穩定性，設備持久性，移動底盤的機動性。那么設備的可靠性，實用性就顯得尤為重要。

該機械結構系統包含移動底盤結構、電機驅動模組、減震結構等等。金融機器人的底盤結構有輪式移動方式、履帶式移動方式等。履帶式移動方式一般使用在戶外等環境相對惡劣的地方，爬坡及過凹凸不平的路面能力會更強一點。而輪式移動方式的能量利用率會高一些，負載能力也較大，運動控制的邏輯也較為方便。該設備底盤結構使用的為輪式方案。

輪式移動方式中，前期常用的方法是差分輪式的方式來實現各種方向的移動，但是這種方式實現起來一般表現為直線或者弧線的方式移動，運動軌跡也較為復雜，在銀行網點中有較多的柜面或設備存在，同時又存在較多客戶移動，對其實時運動要求較高，因此本次選擇的是三輪全向移動的方式來實現，該方式擁有兩個水平方向的自由度和一個自身的旋轉的自由度，轉彎半徑很小可以實現原地轉動。

根據機器人運動學原理，使用三輪全向輪的最優運動方式為三個輪呈120°平均分布，底盤半徑約250mm，該方式可以顯示0半徑的旋轉，運行平穩，也減少抖動的情況。全向輪確定好之后，還需相關的電機驅動模組才能將機器人動起來，電機驅動模組一般包含電機、齒輪、軸承等組成，通過這些協同運作保障了機器人的運動。

5.2 電氣控制系統

機器人的電氣控制系統主要由MCU、傳感器檢測電路、電機驅動電路等組成。

MCU我們使用的ST公司的STM32系列的單片機，使用定時器控制PWM脈沖，控制電機的動作，使用I2C接口檢測超聲波傳感器進行距離探測，MCU通過USART接口與機器人操作系統控制單元進行通訊，實現控制指令的執行。電機驅動電路一般是使用直流電機作為驅動，通過PWM脈沖調制的方法進行速度的調節。

6 結束語

隨著支付寶、微信的推廣使用，銀行網點現金產品逐步下降，銀行網點急需一種全新的產品形態來彌補，金融機器人的研發及業務開展，將有利于整個銀行業的推行。以后網點業務辦理的場景可能是這樣：客戶走進網點，可以在導引區拿起便攜平板Pad，你如果想辦理一張銀行卡，你可以通過平板Pad進行信息錄入進行身份證認證，人臉識別錄入等，確認身份后進行相關綁定，然后點擊開卡業務，此時從機器人業務區走來一個可愛的金融機器人，請求你進行身份核驗，核驗成功后發出一張卡片給你業務即辦理完畢。我們期待有其他更加創新更加先進的場景產生，科技改變生活，機器人引領世界。