(河南科技大學 河南 洛陽 471023)

一種智能迎賓機器人系統(tǒng)的設計

王健張羽李博

(河南科技大學河南洛陽471023)

近年來，機器人行業(yè)發(fā)展迅速，機器人技術不斷革新，迎賓機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。本文所設計的迎賓機器人具有智能檢測來賓功能，發(fā)出歡迎聲音并引導來賓參觀展區(qū)等。

本文首先闡述了迎賓機器人的整體結構組成，硬件結構的搭建、各個子系統(tǒng)的設計和應用的關鍵技術。闡述了迎賓機器人行進路線的規(guī)劃與設計，尋跡方式和室內(nèi)定位方法的選取與實現(xiàn)。使機器人的各個子系統(tǒng)能夠穩(wěn)定工作，相互協(xié)同，完成整個機器人的系統(tǒng)設計。

迎賓機器人；室內(nèi)定位方法；系統(tǒng)設計

隨著機器人技術近年來的飛速發(fā)展，越來越多的領域開始將機器人投入使用，從工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)療到服務業(yè)，各個領域都在發(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)結構的“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器人；由我國自主研發(fā)的軍用勘測機器人也早已投入使用；掃地機器人也早已出現(xiàn)在日常生活中。

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

二、智能迎賓機器人系統(tǒng)結構概述

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

(一)機械結構：機器人的結構設計多種多樣，機械材料的種類也是千奇百種，在實際應用中要考慮到實際應用條件和機器人本身的驅(qū)動能力來進行選取。在搭建迎賓機器人的機械結構時考慮到迎賓機器人的體積適中，并且要求機器人在迎接來賓時要迅速響應，隨著來賓的步伐速度引導來賓到前臺，更重要的一點是續(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，方便迎賓機器人移動，可以實現(xiàn)快速響應。

(二)執(zhí)行器：執(zhí)行器是機器人結構的一個重要環(huán)節(jié)，用來驅(qū)動機器人運動，機器人的響應速度主要由執(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，直流步進電機和直流伺服電機。從迎賓機器人的質(zhì)量與實際使用情況兩方面考慮，選擇步進電機作為迎賓機器人的執(zhí)行器。

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

(四)語音部分：語音模塊也是機器人表達的一種方式，作為迎賓機器人，語音輸出也是不可或缺的一部分。當迎賓機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，電機的控制都是由控制器來完成。由于單片機體積小、成本低、處理速度快等特點，它可滿足一些較簡單機器人的控制需求。根據(jù)實際的使用要求，選擇STM32F103ZET6單片機作為迎賓機器人的控制器[2]。

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

三、迎賓機器人系統(tǒng)原理構架

(一)迎賓機器人系統(tǒng)層次結構

迎賓機器人由四個子系統(tǒng)組成：控制子系統(tǒng)、檢測子系統(tǒng)、運動子系統(tǒng)和聲音子系統(tǒng)，各個子系統(tǒng)由不同的硬件架構組成，對應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，且子系統(tǒng)間相互協(xié)調(diào)運行，從而實現(xiàn)迎賓機器人的整體功能，實現(xiàn)迎賓的全過程[4]。

1、控制子系統(tǒng)

控制子系統(tǒng)對迎賓機器人來說非常關鍵，主要進行對信號的處理，為機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，實現(xiàn)機器人的檢測與控制。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)和電機控制系統(tǒng)相結合，完成對信號的準確快速處理，做出正確的判斷，在短時間內(nèi)實現(xiàn)對機器人控制，使迎賓機器人按照系統(tǒng)設定好的軌跡運行，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，磁傳導傳感器，RFID感應器。紅外漫反射式傳感器是機器人感應來賓的主體，當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，通過軟件設置，實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，機器人則判斷為有來賓到來，傳送給控制系統(tǒng)一個運動信號。另外一組紅外漫反射式傳感器用于機器人的避障，在行進途中當檢測到前面有障礙物或者人時同樣是傳信號給主控，使主控控制機器人停止運動，待障礙消除后繼續(xù)運動。磁傳導傳感器是迎賓機器人的向?qū)?，限定機器人的運動路線，使機器人在指定的路線內(nèi)行進，出現(xiàn)行進偏離的現(xiàn)象時，運動控制算法會對其進行修正。RFID感應器用于機器人準確定位迎賓位置和前臺位置，當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，做出停止動作準確停止到迎賓位置或前臺位置。

3、 運動子系統(tǒng)

運動系統(tǒng)是由Z4BLD60-24GN步進電機、雙路無刷直流電機驅(qū)動器和鏈條組成，負責驅(qū)動機器人行進。電機有普通直流電機，直流伺服電機，直流步進電機等多種。在本文中路線是使用磁條規(guī)定好的，機器人通過檢測磁導航傳感器所返回的信號來判斷行進方向，所以不需要電機再反饋角度給控制器。步進電機是一種開環(huán)控制電機，電機轉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，它的運動不受負載影響，這對于迎賓機器人來說更加合適[5]。

4、 聲音子系統(tǒng)

聲音子系統(tǒng)包括聲音模塊，主要是用于機器人發(fā)出歡迎來賓的聲音，是迎賓機器人中尤為重要的一部分，是迎賓機器人表達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)出所設定好的聲音。在迎賓位置，當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、迎賓機器人系統(tǒng)硬件設計

(一)迎賓機器人系統(tǒng)機械結構設計

1、迎賓機器人底盤設計

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

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

2、迎賓機器人主框架設計

從迎賓機器人整體設計方面考慮，機器人上半部分結構簡單，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，各種配件設計合理，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，通過角碼實現(xiàn)連接。

(二)迎賓機器人運動模塊設計

1、迎賓機器人運動執(zhí)行機構設計

迎賓機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，又要有動力充足的來運動系統(tǒng)支撐，這樣才能在實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現(xiàn)接收信號、處理信號和輸出控制命令的功能。電機是控制系統(tǒng)的執(zhí)行端，用來響應控制系統(tǒng)給的命令[6]。選用“電機+鏈條傳動”驅(qū)動方式作為機器人的移動方式，這是一種使用靈活、結構簡單、體積輕便，并且安全性能高的一種移動方式。

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

(三)迎賓機器人驅(qū)動模塊設計

本文的執(zhí)行結構選擇直流步進電機。根據(jù)步進電機的指標選定AGV兩路無刷驅(qū)動器作為步進電機的驅(qū)動。

AGV兩路無刷電機驅(qū)動器非常適用驅(qū)動兩個帶轉速差的無刷電機。在機器人的行進過程中，因為行進誤差，會導致機器人偏航于行進軌道，通過兩個電機的給定差來調(diào)節(jié)機器人的路線，AGV兩路無刷驅(qū)動器的這一特征很適合。AGV電機驅(qū)動還具備軟啟動功能，使用過程中只需要發(fā)目標速度，驅(qū)動器會自動加速到預設值速度，無需另外編寫軟啟動程序。

(四)迎賓機器人判斷來賓設計

在判斷來賓模塊中，所要實現(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、迎賓機器人路線設計

(一)行進路線規(guī)劃

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

圖6-1 迎賓機器人路線規(guī)劃圖

(二)室內(nèi)定位方式的確定

隨著科技的進步，信息化服務質(zhì)量越來越高，室內(nèi)定位技術飛速發(fā)展，這種技術可以在復雜的環(huán)境下如體育館、貨倉和圖書館等多種環(huán)境下實現(xiàn)定位。

RFID定位技術是利用射頻通過電感和電磁耦合或雷達的通信方式進行交換數(shù)據(jù)，實現(xiàn)自動檢測，這種傳輸方式適用范圍大，可以實現(xiàn)在幾毫米到幾厘米級的定位。RFID技術可以實現(xiàn)準確定位，可實現(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)迎賓機器人來說這不是一個短板，機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標簽，可以進行標簽檢測，讀取到位置。選取RFID技術作為迎賓機器人的定位技術。

六、結論

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

1、根據(jù)本設計目的和實際使用需求搭建迎賓機器人的主體框架，設計迎賓機器人的底盤、運動控制系統(tǒng)和傳動系統(tǒng)，實現(xiàn)迎賓機器人運動基礎。

2、設計迎賓機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，準確的判斷出來賓的到來，防止誤判。

3、規(guī)劃迎賓機器人的行進路線，設置迎賓點和停止點，根據(jù)實際情況選擇迎賓機器人的尋跡方式，進行自主導航。設計機器人的定位方式，當機器人檢測到迎賓點和停止點時停止行進。

4、硬件與軟件相結合，設計整個系統(tǒng)的軟件，將系統(tǒng)的各個部分有機的結合到一起，實現(xiàn)迎賓機器人的功能。并且對系統(tǒng)進行多次調(diào)試，實現(xiàn)準確穩(wěn)定的歡迎來賓。

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[3]伊強, 陳懇, 劉莉. 小型仿人機器人 THBII'-1I 的研制與開發(fā)團[J]. 機器人, 2009,31(6): 586-593

[4]劉贊. 基于ARM7的足球機器人底層控制系統(tǒng)的設計[D]. 大連理工大學, 大連, 2005, 4-9

[5]吉燁,陳宇,鐘秋波. 有單目嵌入式視覺的仿人機器人分層控制系統(tǒng)設計[J]. 哈爾濱理工大學學報, 2012, 17(2), 46

[6]李樹軍, 張艷麗, 趙明揚. 可重構模塊化機器人模塊及構型設計[J]. 東北大學學報: 自然科學版, 2004, 25(1): 80-83

王健(1995-)，男，漢，本科，河南科技大學，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，研究方向嵌入式系統(tǒng)及應用；李博(1995-)，男，漢，本科，河南科技大學，自動化專業(yè)。