黃敦華，李 勇，薛 梅

HUANG Dun-hua, LI Yong, XUE Mei

（北京電子科技職業(yè)學(xué)院 自動(dòng)化工程學(xué)院，北京 100176）

校園內(nèi)導(dǎo)游服務(wù)型自主移動(dòng)機(jī)器人設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

The designing and realizing of autonomous mobile service robot for school guidance

黃敦華，李 勇，薛 梅

HUANG Dun-hua, LI Yong, XUE Mei

（北京電子科技職業(yè)學(xué)院 自動(dòng)化工程學(xué)院，北京 100176）

本文介紹了應(yīng)用于校園教學(xué)樓內(nèi)的導(dǎo)游服務(wù)型迎賓機(jī)器人的系統(tǒng)框架,包括總體性能、機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、控制系統(tǒng)組成、軟件架構(gòu)及實(shí)現(xiàn)方案、樣機(jī)實(shí)驗(yàn)結(jié)果。迎賓機(jī)器人應(yīng)用在校園中有利于學(xué)校的教學(xué)和實(shí)踐，同時(shí)服務(wù)學(xué)生和來(lái)訪賓客。實(shí)際機(jī)器人實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，實(shí)現(xiàn)了在校園走廊環(huán)境下的自主運(yùn)動(dòng)和避障。

迎賓機(jī)器人；自主移動(dòng)機(jī)器人；運(yùn)動(dòng)控制；避障

0 引言

隨著社會(huì)生活水平的提高和機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，迎賓機(jī)器人越來(lái)越受到各行各業(yè)的關(guān)注[1]。迎賓機(jī)器人有多變且友善的外觀，可以和人類(lèi)進(jìn)行良好的音頻視頻互動(dòng)，具有自主移動(dòng)定位功能，并且方便搭載各行業(yè)專(zhuān)業(yè)的儀器設(shè)備[2]。具有自主運(yùn)動(dòng)能力的迎賓機(jī)器人在社會(huì)服務(wù)業(yè)中具有極大的發(fā)展應(yīng)用前景。

校園作為學(xué)生走向社會(huì)的過(guò)渡帶具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，迎賓機(jī)器人應(yīng)用在校園中可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，輔助老師的教學(xué)實(shí)踐，方便學(xué)生及來(lái)賓的校園生活。本文介紹的迎賓機(jī)器人即是應(yīng)用在某院校教學(xué)實(shí)訓(xùn)樓內(nèi)，可以完成來(lái)賓人臉識(shí)別、語(yǔ)音對(duì)話、走廊內(nèi)自由行走、分實(shí)驗(yàn)室講解等功能。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 整體設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)自主運(yùn)動(dòng)和導(dǎo)游服務(wù)功能，我們?cè)O(shè)計(jì)的機(jī)器人樣機(jī)及內(nèi)部機(jī)構(gòu)如圖1所示。

機(jī)器人身高165cm，直徑60cm，重量：65kg，前胸部有8.4寸液晶觸摸屏。整個(gè)機(jī)器人具有13個(gè)自由度：腰部有1個(gè)自由度；每只手臂有5個(gè)自由度；頭部有2個(gè)自由度。機(jī)器人設(shè)計(jì)功能主要包括：1）全向輪自由行走，局部自主定位，自主導(dǎo)航（路標(biāo)導(dǎo)航）可以行走到各個(gè)教室門(mén)口，自主避障。2）可與人進(jìn)行自然語(yǔ)言交互（中文或英文），可以語(yǔ)音操縱機(jī)器人運(yùn)動(dòng)，可與機(jī)器人交流“日常對(duì)話”“機(jī)器人知識(shí)”、“教育知識(shí)”等。機(jī)器人可以語(yǔ)音介紹學(xué)校的基本情況，并回答來(lái)賓問(wèn)題。3）每個(gè)手臂具有5個(gè)自由度，可以模擬人類(lèi)手臂的簡(jiǎn)單動(dòng)作。4）人臉識(shí)別：實(shí)現(xiàn)對(duì)有效范圍內(nèi)的人臉識(shí)別，判斷人的身份信息，可識(shí)別1000人以上，識(shí)別率約為90%。

圖1 機(jī)器人樣機(jī)及內(nèi)部機(jī)構(gòu)圖

1.2 機(jī)械結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)性能

迎賓機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)主要分為底盤(pán)、手臂及身體骨架這三個(gè)部分。其中底盤(pán)負(fù)責(zé)機(jī)器人行走運(yùn)動(dòng)，手臂可以在和人交流中做出相應(yīng)的肢體動(dòng)作，身體骨架是連接支撐整個(gè)機(jī)器人，內(nèi)部布置控制系統(tǒng)模塊。

1.2.1 底盤(pán)機(jī)構(gòu)

在校園教學(xué)樓內(nèi)部這種結(jié)構(gòu)化環(huán)境中，地面比較平坦，但是環(huán)境中的行人會(huì)比較多，所以需要迎賓機(jī)器人具有靈活的行走能力和避障能力[3]。因此，迎賓機(jī)器人采用圓形底盤(pán)，配備三組麥克納姆全方位輪，可以實(shí)現(xiàn)全方位移動(dòng)，極大提高了迎賓機(jī)器人的行走靈活性。底盤(pán)機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖2所示。

圖2 機(jī)器人底盤(pán)機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖

全向底盤(pán)中的關(guān)鍵部件是麥克納姆全方位輪，如圖3所示。全方位輪的傳統(tǒng)組合方式是2個(gè)單輪為一組[4]，但是運(yùn)行過(guò)程中輪組的觸地點(diǎn)一直在變化，導(dǎo)致機(jī)器人快速運(yùn)動(dòng)中的震顫。我們創(chuàng)新的做法是——將3個(gè)單輪組合為一組，可以實(shí)現(xiàn)整組輪的重心始終在輪組中間點(diǎn)，保證了機(jī)器人在高速行進(jìn)過(guò)程中的平穩(wěn)性。

圖3 全方位輪組機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖

1.2.2 手臂機(jī)構(gòu)

迎賓機(jī)器人在和人交互的時(shí)候需要有手臂動(dòng)作，手臂的要求是自然類(lèi)人同時(shí)動(dòng)作靈活協(xié)調(diào)，不需要較強(qiáng)的加持力和精度。因此，本文研究的迎賓機(jī)器人的手臂采用了直流渦輪蝸桿減速電機(jī)和數(shù)字舵機(jī)混合驅(qū)動(dòng)。肩膀等需要大扭矩的關(guān)節(jié)采用直流渦輪蝸桿減速電機(jī)，在手臂末端采用數(shù)字舵機(jī)能有效減小末端體積和重量。肩膀部位的混合驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)如圖4所示。直流渦輪蝸桿減速電機(jī)的內(nèi)部減速比為120/1，終端轉(zhuǎn)速為60 rpm，連續(xù)轉(zhuǎn)矩為3.5 Nm ～ 17.5 Nm，而且具有掉電自鎖的能力，完全能滿足肩膀等大扭矩關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)要求。

圖4 肩膀部位的混合驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)

1.3 控制系統(tǒng)

迎賓機(jī)器人分為兩個(gè)相對(duì)獨(dú)立的主控制模塊，分別是行走控制模塊和人機(jī)交互模塊，每個(gè)模塊由一臺(tái)獨(dú)立的小型工控機(jī)作為主控單元，兩個(gè)模塊之間通過(guò)TCP/IP通信數(shù)據(jù)。整體控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)體系圖如圖5所示。其中人機(jī)交互模塊實(shí)現(xiàn)人臉識(shí)別、語(yǔ)音交互、觸摸屏接受命令、手臂交互等功能，在同用戶(hù)交互的同時(shí)接收用戶(hù)的命令，并將行走類(lèi)命令發(fā)送給行走控制模塊執(zhí)行，同時(shí)行走控制模塊及時(shí)將運(yùn)動(dòng)狀態(tài)信息傳遞給人機(jī)交互模塊。

圖5 整體控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)體系圖

1.3.1 手臂控制

手臂動(dòng)作控制器的核心是AVR_mega128單片機(jī)，采用RS485總線的菊花鏈結(jié)構(gòu)鏈接所有的手臂驅(qū)動(dòng)電機(jī)。單片機(jī)內(nèi)存儲(chǔ)基本的動(dòng)作關(guān)鍵幀，并根據(jù)上層命令自動(dòng)規(guī)劃手臂動(dòng)作的最優(yōu)軌跡和中間狀態(tài)，同時(shí)保證了動(dòng)作調(diào)試時(shí)的便捷性和動(dòng)作執(zhí)行時(shí)的協(xié)調(diào)性。

1.3.2 行走控制

行走控制模塊以2號(hào)工控機(jī)（PC2）為處理核心，軟件采用VC6.0編寫(xiě)，PC2通過(guò)PCI轉(zhuǎn)8串口卡與底層各個(gè)從模塊通信。行走控制模塊系統(tǒng)完成底盤(pán)行走相關(guān)的控制功能，實(shí)現(xiàn)全局定位、局部定位、全局路徑規(guī)劃、局部目標(biāo)導(dǎo)航、全向移動(dòng)、智能避障、無(wú)線遙控等功能。迎賓機(jī)器人的行走機(jī)構(gòu)是基于3組麥克納姆全方位輪的全向底盤(pán)，有3個(gè)150W的直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)，可以實(shí)現(xiàn)任何一個(gè)方向的平移和旋轉(zhuǎn)。采用3組全方位輪的布置方式可以保證底盤(pán)輪始終全部接觸地面，不會(huì)出現(xiàn)懸空打滑的情況，而且電機(jī)數(shù)量最少，成本較低。底盤(pán)速度分解算法[5]如圖6所示。圖中V1、V2、V3所示的速度方向?yàn)楦鱾€(gè)輪的速度正方向，當(dāng)車(chē)體平移速度為V，移動(dòng)方向與X軸方向成Q1角度時(shí)，各個(gè)全方位輪的速度（負(fù)號(hào)為反方向）為：

圖6 全向底盤(pán)速度分解

全向底盤(pán)可以實(shí)現(xiàn)分運(yùn)動(dòng)的矢量運(yùn)算，可以將各個(gè)控制命令產(chǎn)生的分運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為矢量，經(jīng)過(guò)矢量和等公式合成為一個(gè)總矢量V，再應(yīng)用上面的速度分解公式即可實(shí)現(xiàn)全向底盤(pán)的全向運(yùn)動(dòng)。其中旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)可以看做平行于Z軸的矢量參與運(yùn)算。本文研究的迎賓機(jī)器人設(shè)置了3組分運(yùn)動(dòng)矢量，分別是V_main（控制主運(yùn)動(dòng)的矢量）、V_err_ctrl（平移誤差的糾正矢量，與V_main垂直）、T_err_ctrl（角度誤差的糾正矢量，平行于Z軸）。三個(gè)分運(yùn)動(dòng)矢量經(jīng)過(guò)矢量和計(jì)算得到V_set，此為最終總矢量。這種矢量控制的方法極大簡(jiǎn)化了全向底盤(pán)的運(yùn)動(dòng)控制難度，并提高了避障、底盤(pán)推算定位等其他控制的精度和靈活性。

1.3.3 自主定位和避障

機(jī)器人在樓內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)化環(huán)境中的定位解決方案有很多，比如基于路標(biāo)的視覺(jué)定位、基于超聲波的室內(nèi)GPS定位、基于RFID的電子標(biāo)簽定位、基于導(dǎo)航線的定位等等。各種定位方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，我們采用了新型的基于紅外路標(biāo)的視覺(jué)定位方案，在走廊頂布置專(zhuān)用紅外反射式路標(biāo)，每個(gè)路標(biāo)有一個(gè)獨(dú)立的陣列形狀如同一個(gè)獨(dú)立的ID，機(jī)器人頭頂?shù)囊曈X(jué)處理模塊StarGazer可以檢測(cè)60度角的視野范圍內(nèi)的路標(biāo)，并計(jì)算出相當(dāng)位置和角度，精度可以達(dá)到2cm，更新頻率為10Hz，完全能夠滿足迎賓機(jī)器人的定位精度要求。紅外反射式路標(biāo)本身不是主動(dòng)光源，體積小巧，采用紅外光視覺(jué)系統(tǒng)可以有效減少自然光的干擾，可以保證定位系統(tǒng)在白天和黑夜都可以正常工作。局部定位采用了底盤(pán)航跡推算定位方法，用電子羅盤(pán)作為方向信號(hào)的冗余融合信息。因?yàn)橛e機(jī)器人采用了基于3組全方位輪的全向底盤(pán)，而傳統(tǒng)的航跡推算定位方法是基于兩輪機(jī)器人底盤(pán)的，所以本次研究重新設(shè)計(jì)了基于3輪全向底盤(pán)的航跡推算定位算法。經(jīng)過(guò)初步的試驗(yàn)可以保證該定位算法在10m以?xún)?nèi)的定位誤差≦±30cm，這個(gè)精度對(duì)于迎賓機(jī)器人在短途的局部定位是可以接受的。

迎賓機(jī)器人的避障模塊由12個(gè)超聲波測(cè)距傳感器和12個(gè)紅外測(cè)距傳感器組成，間距30度均勻布置，形成360度全視角避障。超聲波測(cè)距范圍為10cm ～ 500cm，分辨力為1cm，輻射角為60度；紅外測(cè)距范圍為8cm～60cm，分辨力為1cm，輻射角為10度。兩個(gè)測(cè)距系統(tǒng)存在重合范圍，互為冗余信息，超聲波測(cè)距信息主要用于遠(yuǎn)距離檢測(cè)，紅外測(cè)距信息用于近距離避障?；谌虻妆P(pán)的特殊走形方式，我們?cè)O(shè)計(jì)了全向360度的反射式避障算法，此避障算法改進(jìn)于經(jīng)典的7層反射式避障算法[6～8]，去掉了層級(jí)限制和條件判斷，優(yōu)化為兩個(gè)避障公式。避障模型如圖7所示。圖中圓形為底盤(pán)，R為底盤(pán)半徑，D為障礙物到底盤(pán)中心的距離，θ為檢測(cè)到障礙物的測(cè)距傳感器在底盤(pán)上的分布角度，根據(jù)以上信息就可以算出底盤(pán)運(yùn)動(dòng)的方向禁區(qū)范圍為β角所示。禁區(qū)β角的左右邊界角度的計(jì)算公式分別為：

（單位為角度）

對(duì)12組測(cè)距傳感器都進(jìn)行上述計(jì)算，每個(gè)都可以得到一個(gè)獨(dú)立的禁區(qū)，將所有的禁區(qū)合并，最后由代價(jià)函數(shù)即可算出機(jī)器人避障的最佳行進(jìn)角度。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證，這種優(yōu)化后的避障算法在全向底盤(pán)上應(yīng)用效果很好。迎賓機(jī)器人避障響應(yīng)靈敏、避障無(wú)死角、可進(jìn)退、可繞行，極大提高了迎賓機(jī)器人的避障能力。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為了驗(yàn)證所研制的自主迎賓服務(wù)機(jī)器人的有效性和在校園環(huán)境下的運(yùn)動(dòng)導(dǎo)航能力，我們選取自動(dòng)化工程學(xué)院的校園走廊環(huán)境，讓機(jī)器人在該環(huán)境中實(shí)現(xiàn)自主導(dǎo)航和避障。機(jī)器人運(yùn)動(dòng)軌跡如圖8所示。機(jī)器人由一個(gè)指定教室出發(fā)，首先完成對(duì)整個(gè)走廊環(huán)境的巡游，并根據(jù)要求在所需教室門(mén)口駐停，完成教室講解和與來(lái)賓交互任務(wù)。從圖8中可以看到，機(jī)器人很好的完成了自主運(yùn)動(dòng)和避障任務(wù)，實(shí)現(xiàn)了校園環(huán)境里的導(dǎo)游和服務(wù)。

圖7 全向反射式避障模型圖

圖8 機(jī)器人在校園環(huán)境下自主導(dǎo)航軌跡圖

3 結(jié)束語(yǔ)

本文提出了一種應(yīng)用于校園教學(xué)樓內(nèi)的導(dǎo)游服務(wù)型迎賓機(jī)器人。詳細(xì)介紹了系統(tǒng)框架，包括總體性能、機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、控制系統(tǒng)組成、軟件架構(gòu)及實(shí)現(xiàn)方案、樣機(jī)實(shí)驗(yàn)結(jié)果。迎賓機(jī)器人應(yīng)用在校園中有利于學(xué)校的教學(xué)和實(shí)踐，同時(shí)服務(wù)學(xué)生和來(lái)訪賓客。實(shí)際機(jī)器人實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，實(shí)現(xiàn)了在校園走廊環(huán)境下的自主運(yùn)動(dòng)和避障。

本文作者創(chuàng)新點(diǎn)：首先將自主式迎賓機(jī)器人應(yīng)用到校園導(dǎo)游和服務(wù)中。機(jī)器人具有自主運(yùn)動(dòng)和避障的能力，并具有很強(qiáng)的交互性。其次，機(jī)器人主要?jiǎng)恿﹃P(guān)節(jié)采用混合驅(qū)動(dòng)方式，既滿足了對(duì)瞬時(shí)力矩的要求，又實(shí)現(xiàn)了關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的精確控制。此外，機(jī)器人底盤(pán)驅(qū)動(dòng)采用矢量控制的方法，極大簡(jiǎn)化了全向底盤(pán)的運(yùn)動(dòng)控制難度，并提高了避障、底盤(pán)推算定位等其他控制的精度和靈活性。最后，全向360度的反射式避障算法，改進(jìn)了7層反射式避障算法，去掉了層級(jí)限制和條件判斷，實(shí)現(xiàn)了避障過(guò)程的優(yōu)化。

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TP242.6

A

1009-0134(2010)12(上)-0105-04

10.3969/j.issn.1009-0134.2010.12(上).35

2010-07-29

黃敦華（1978 -），男，控制工程碩士，研究方向?yàn)橹悄芤苿?dòng)機(jī)器人技術(shù)，機(jī)電一體化技術(shù)，計(jì)算機(jī)科學(xué)。