張奇志 周亞麗

(北京信息科技大學(xué)自動化學(xué)院，北京，100192)

北京信息科技大學(xué)
——Sun@Home家庭服務(wù)機器人

張奇志 周亞麗

(北京信息科技大學(xué)自動化學(xué)院，北京，100192)

Sun@Home是北京信息科技大學(xué)的一支家庭服務(wù)機器人競賽隊伍。2010年以來，在學(xué)校和自動化學(xué)院領(lǐng)導(dǎo)的關(guān)心和大力支持下，Sun@Home參加國內(nèi)外機器人競賽和公益展示十余場，取得了驕人的成績，獲得國內(nèi)外同行的好評。

家庭服務(wù)機器人比賽是國際RoboCup組織于2006年增設(shè)的正式比賽項目，其宗旨是利用人工智能和機器人技術(shù)為人類服務(wù)。家庭服務(wù)機器人研究主要包括機器人自定位與地圖同步創(chuàng)建（SLAM）、自主導(dǎo)航與避障、場景識別與物體識別、人體跟蹤與物體操縱等關(guān)鍵技術(shù)。這些關(guān)鍵技術(shù)在工業(yè)和日常生活中具有廣泛的應(yīng)用前景。

一、家庭服務(wù)機器人系統(tǒng)與主要功能

圖1 家庭服務(wù)機器人平臺

該團隊自主研發(fā)的家庭服務(wù)機器人平臺如圖1所示。整個系統(tǒng)包含三輪全向移動平臺、升降裝置、3自由度機械手等運動裝置，270°平面激光雷達、微軟Kinect和傳聲器等傳感器，所有執(zhí)行機構(gòu)和傳感器通過一根USB線與控制電腦相連。激光雷達主要用于完成自定位與環(huán)境地圖同步創(chuàng)建、自主導(dǎo)航與避障，微軟Kinect傳感器在獲得環(huán)境彩色圖像的同時還可以得到環(huán)境的深度信息，該傳感器主要用于場景分割與識別。

Sun@Home家庭服務(wù)機器人能夠在未知的復(fù)雜環(huán)境中，跟隨主人尋跡一周，即可實時準確地構(gòu)建房間地圖。圖2中間位置大屏幕顯示的是機器人創(chuàng)建的環(huán)境地圖，機器人以該環(huán)境圖為基礎(chǔ)，可以在環(huán)境中完成自主導(dǎo)航與定位。

圖2 機器人創(chuàng)建的環(huán)境地圖

Sun@Home家庭服務(wù)機器人通過Kinect傳感器完成目標分割與識別：首先利用深度信息獲得場景的3D點云，計算曲面的法線，分割并識別出桌面；然后，分割出桌面上的所有物體，利用彩色圖像與深度數(shù)據(jù)的對應(yīng)關(guān)系獲得候選目標的彩色圖像；最后，采用考慮幾何約束的局部關(guān)鍵點匹配技術(shù)實現(xiàn)目標識別。試驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)的性能良好，可以識別顏色相近的物體，對光照變化的魯棒性非常強。

二、家庭服務(wù)機器人取得的主要成績

2013年8月參加國際人工智能聯(lián)合大會(IJCAI-13)實體機器人競賽，該團隊展示了服務(wù)機器人人機交互、自主導(dǎo)航與精確運動控制、復(fù)雜目標識別與物體抓取操縱等功能，得到國際人工智能領(lǐng)域著名專家組成的評委會的高度認可，并獲得“最佳服務(wù)技能獎”。

圖3 國際人工智能聯(lián)合大會(IJCAI-13)實體機器人競賽獎勵證書

2013年10月，團隊參加在安徽合肥舉行的中國機器人大賽暨RoboCup公開賽，榮獲家庭服務(wù)機器人組競賽3項冠軍、2項亞軍、1項季軍。

2013年11月，團隊參加由文化部、國家新聞出版廣電總局和北京市政府聯(lián)合主辦的第八屆中國北京國際文化創(chuàng)意產(chǎn)業(yè)博覽會。以宣傳北京精神為主題，中央電視臺新聞頻道對Sun@Home家庭服務(wù)機器人團隊進行了采訪（見圖4）。

2014年2月，該機器人登上中央電視臺網(wǎng)絡(luò)春晚舞臺，中央電視臺主要頻道（CCTV1- CCTV4）均播出了節(jié)目的精編版。

圖4 中央臺報道

三、未來展望

該團隊在家庭服務(wù)機器人關(guān)鍵技術(shù)研究方面已取得較好的成果，其中，自定位與環(huán)境地圖同步創(chuàng)建、自主導(dǎo)航與避障和目標識別與抓取技術(shù)的可靠性和魯棒性已經(jīng)達到很高水平；可以進一步開發(fā)應(yīng)用于工業(yè)激光引導(dǎo)AGV系統(tǒng)；對于不便鋪設(shè)反光板的場合具有良好的應(yīng)用前景；可以只使用一個激光雷達實現(xiàn)自主導(dǎo)航定位與避障功能。

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搭建的范例構(gòu)型能實現(xiàn)以下工藝功能：

步驟單元工藝過程主要構(gòu)型1原料庫原料出庫原料庫直角坐標堆垛機輸送帶轉(zhuǎn)運裝置2加工車間坯料車削銑平面鉆孔攻絲軌道搬運車天車吊裝立式車床加工中心3裝配車間零件定位輔件供料螺釘供料螺釘緊固3自由度零件夾具裝配機械臂供料機械臂4焊接車間焊接定位底部焊接標牌點焊焊接定位工裝焊接機器人5涂裝檢測車間噴涂底漆噴涂面漆表面檢測次品分揀噴涂機械臂噴涂工藝裝置視覺檢測裝置分揀托運車分揀裝置6產(chǎn)品測試車間磁粉探傷抗壓測試次品分揀探傷檢測裝置壓力機分揀機械臂物料存放架

7包裝車間產(chǎn)品碼垛包裝箱供料輔料供料打包軌道搬運車碼垛機械手供料機械手8產(chǎn)品標記車間軌道搬運車翻轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)運裝置激光打標機噴碼機標貼機9成品庫成品入庫直角坐標堆垛機輸送帶轉(zhuǎn)運裝置激光打標頂部噴碼標識標貼側(cè)面噴碼

在整個實現(xiàn)過程中，工藝要求分析、工藝過程設(shè)計、機械原理設(shè)計、傳動方案設(shè)計、結(jié)構(gòu)件選用、BOM編制、模型組裝、控制系統(tǒng)設(shè)計、單元編程及調(diào)試、系統(tǒng)聯(lián)合調(diào)試、生產(chǎn)節(jié)拍控制等任務(wù)貫穿整體，從而在短期的實訓(xùn)過程中，學(xué)生可以體會掌握工業(yè)生產(chǎn)線設(shè)計的整個過程步驟，激發(fā)創(chuàng)意靈感，提高動手能力，推動投身實戰(zhàn)。

三、結(jié)語

綜上所述，“卓越之星”是一款模塊化、可重構(gòu)的工程套件，并結(jié)合了ZigBee、無線傳感器、RFID等前沿技術(shù)，高?？衫眠@一套件在學(xué)生中深入開展創(chuàng)新工程實踐，為學(xué)生在高校學(xué)習(xí)中學(xué)以致用打下堅實的基礎(chǔ)。