鄭州科技學院電氣工程學院 孫士儒 趙明冬

針對國內(nèi)各行業(yè)對服務(wù)理念要求的不斷提高，設(shè)計了一種能夠代替人工進行迎賓和指引工作的機器人。該機器人以STM32F0407IGT6為核心，采用三輪驅(qū)動的行動方式，通過RFID技術(shù)和磁導(dǎo)航模塊構(gòu)建循經(jīng)路線，通過微控制器和上位機之間的通信來驅(qū)動機器人做出相應(yīng)動作，利用上位機與語音模塊的通信來完成語音交互。同時利用超聲波模塊構(gòu)建其避障系統(tǒng)，利用LED等顯示手段構(gòu)建其面部表情系統(tǒng)等。

一、概述

機器人技術(shù)融合了電子技術(shù)、控制技術(shù)、計算機技術(shù)、機械設(shè)計、材料科學、美工設(shè)計等多個學科技術(shù)，是人工智能的重要發(fā)展方向之一。目前市場上商業(yè)化較早、應(yīng)用較多的機器人是工業(yè)機器人，如機器人手臂等。隨著經(jīng)濟的發(fā)展，越來越多的行業(yè)需要用機器人來提高生產(chǎn)效率或者代替人工完成一些危險性、重復(fù)性的操作（高愛宇,張國恒,等.智能迎賓機器人[J].甘肅科技,2013.）。在這個行業(yè)背景下，本文提出了一種應(yīng)用于酒店、商場、展廳、科技館等場所的，具有智能語音對話、來賓識別、自主迎賓、客戶引領(lǐng)、語音播報、觸屏互動、自動回位等功能的一種智能化迎賓機器人的設(shè)計方案。

二、方案設(shè)計

（一）總體方案設(shè)計

智能迎賓機器人設(shè)計實現(xiàn)功能主要有：來賓檢測，自動向前迎賓并問好；利用語音識別模塊實現(xiàn)互動對話、信息講解，如介紹公司信息，講解展臺信息、服務(wù)信息等；引導(dǎo)功能：根據(jù)客戶想要辦理的業(yè)務(wù)，能夠預(yù)置各種引導(dǎo)服務(wù)，如銀行服務(wù)中的開戶業(yè)務(wù)、查詢業(yè)務(wù)等。通過語音識別，自動按服務(wù)類別移動到相應(yīng)窗口并播放對應(yīng)的指引語音，服務(wù)結(jié)束，返回迎賓起始點；面部表情隨動功能：根據(jù)服務(wù)類型可設(shè)定多種表情組合。

智能迎賓機器人總體設(shè)計主要包括以下七個部分：底盤運動系統(tǒng)、自主循徑系統(tǒng)、賓客識別電路、語言識別模塊、上位機通信系統(tǒng)、面部表情模塊和電源模塊。

（二）智能迎賓機器人的硬件組成

1.系統(tǒng)內(nèi)核介紹

機器人主控芯片選擇功能較為強大的STM32F407IGT6處理器，主頻可達168MHz，具有1MB Flash和192KB RAM。該芯片包含串口、SPI、I2C、I2S、攝像頭、FSMC、SDIO、以太網(wǎng)、USB Host、USB Device等眾多硬件接口，集成128MB NAND Flash，提供文件系統(tǒng)支持，適合存儲一些MP3文件、字庫文件等。集成16MB NOR Flash，可用來存儲背景圖片和漢字點陣字庫。功能強大的片上資源、多種多樣的外設(shè)接口使得STM32F407IGT6處理器特別適合應(yīng)用于機器人控制等復(fù)雜應(yīng)用的場合。

2.底盤運動系統(tǒng)組成

機器人底盤裝有2個中大Z4BLD60-24GN型無刷直流電機，差動驅(qū)動全身，可以完成前進、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、360°轉(zhuǎn)向等功能。底盤材質(zhì)選用鋁制，強度適中，耐腐蝕性好，可處理成銀白色光澤，較為美觀。為增強通過性，機器人驅(qū)動輪選用聚氨酯輪，強度高、耐磨性好。行動機構(gòu)采用了自制聯(lián)軸器和輪轂的方式固定，運行穩(wěn)定，拆裝方便。智能迎賓機器人的底盤結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 智能迎賓機器人底盤結(jié)構(gòu)設(shè)計圖

3.自主循徑系統(tǒng)組成

目前機器人的自主循徑技術(shù)已有多種實現(xiàn)方式，例如循線式、循磁式等，綜合了成本和技術(shù)成熟度的考量，本設(shè)計中采用了磁導(dǎo)航的自主循徑方式。磁導(dǎo)航傳感器檢測精度較高，且鋪設(shè)方便，靈活性好，磁條可以直接貼合在地面，也可以開槽埋入地下2-3cm處，保證營業(yè)場所的美觀（黃敦華,汪雅楠,周寶海.校園內(nèi)導(dǎo)游服務(wù)型自主移動機器人設(shè)計與實現(xiàn)[J].微計算機信息,2010.）。

導(dǎo)航選用了興頌科技公司型號為CNS-MGS-08的磁導(dǎo)航傳感器產(chǎn)品。CNS-MGS-08傳感器有8個間隔10mm的檢測磁點，在磁帶寬度低于30mm時有非常高的識別精度，滿足我們的應(yīng)用需求。

定位模塊采用了杰晟達公司RFID傳感器EMR-06A來讀取RFID地標卡，實現(xiàn)準確定位。EMR-06A是一款基于射頻識別技術(shù)的低頻RFID標簽傳感器，傳感器工作頻率為125KHZ，內(nèi)部集成了RFID射頻收發(fā)器和RS-232通信接口，我們可以方便的通過PC、PLC、單片機等帶有RS-232串行接口的設(shè)備讀取標簽內(nèi)數(shù)據(jù)（劉林.基于RFID的智能跟蹤機器人的設(shè)計[J].計算機測量與控制,2015.）。

4.避障系統(tǒng)組成

圖2 迎賓機器人系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

底盤前方120度的范圍內(nèi)裝有3個導(dǎo)向科技公司的高精度KS103超聲波傳感器，可以探測本體至前方較大范圍的障礙物距離，以實現(xiàn)避障功能。KS103模塊包括了實時溫度補償功能的距離探測，探測精度更高，最高探測距離可達10米，探測頻率500Hz，支持5s未收到控制指令自動休眠和瞬時喚醒功能，內(nèi)置了可調(diào)濾波降噪技術(shù)，支持串口和I2C兩種接口模式，本設(shè)計中使用I2C接口大大節(jié)省了主控芯片的資源。

5.賓客識別電路

迎賓人體感應(yīng)采用HC-SR501人體感應(yīng)模塊，自動檢測前方3米扇形范圍內(nèi)訪客的到來，可控制行動機構(gòu)主動向前接待并問好。

人體紅外感應(yīng)模塊采用HC-SR501模塊，它基于紅外線技術(shù)、靈敏度高、可靠性強、超低功耗的熱釋電模塊。HC-SR501模塊主要用于檢測迎賓機器人正前方是否有人接近，感應(yīng)距離約0.5m，當前方大概0.5m處有人接近時，模塊檢測到人體紅外光就會把觸發(fā)信號傳送到微處理器，微處理器響應(yīng)觸發(fā)信號控制語音芯片播放迎賓語音。

圖3 智能迎賓機器人外觀圖

6.語音識別模塊

語音識別采用ASR TMS-A非特定人聲識別模塊進行互動對話，并能介紹公司信息，講解展臺信息、服務(wù)信息等。該模塊為客戶提供了一種易學易用的非特定人語音識別功能，識別結(jié)果可以通過串口自定義16進制編碼形式作為內(nèi)容輸出，也可以通過I/O口高低電平的方式輸出。其中，串口輸出方式允許直接與單片機、ARM等具備TTL電平的串口直接相連。

綜合以上硬件模塊，本設(shè)計中智能迎賓機器人的總體硬件系統(tǒng)框圖如圖2所示。

（三）智能迎賓機器人的軟件組成

1.主控芯片軟件設(shè)計

本系統(tǒng)采用STM32F407IGT6處理器作為終端的主控芯片。處理器通過串行接口分別完成對電機驅(qū)動器、磁導(dǎo)航模塊、RFID讀卡器和LED表情模塊的控制，使用I2C接口讀取三個超聲波模塊的數(shù)據(jù)。

2.上位機的通信方式

上位機檢測虛擬串口（USB-SERIAL CH340(COMx)）上接收到的語音模塊的16進制返回值，根據(jù)事先定義好的功能表，查詢相應(yīng)的指令，通過RS-485接口將指令傳送到主控芯片完成相應(yīng)操作（黃國炎.一個迎賓機器人軟件系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[D].武漢:華中科技大學,2014.），包括相應(yīng)業(yè)務(wù)窗口導(dǎo)航、返回迎賓起始點等。

3.人機界面的軟件設(shè)計

上位機的人機交互程序采用Delphi開發(fā)工具編寫，為用戶提供友好的操作界面?？梢詫崿F(xiàn)機器人工作模式切換、手動返回迎賓起始點和呼叫工作人員等操作。

（四）智能迎賓機器人的外觀設(shè)計

本設(shè)計中的機器人外觀由團隊中的美工人員設(shè)計，團隊成員提出改進意見，制作AutoCAD圖紙，逐步優(yōu)化最終設(shè)計完成。經(jīng)過討論，玻璃鋼具有輕質(zhì)性、耐腐蝕性、可設(shè)計性好、工藝性能優(yōu)良、性價比高等優(yōu)點，機器人的外殼最終采用了玻璃鋼材質(zhì)制作，達到了設(shè)計目的。智能迎賓機器人外觀如圖3所示。

三、結(jié)束語

經(jīng)過樣機的制作與調(diào)試，本文所設(shè)計的迎賓機器人能夠較好地完成實現(xiàn)迎賓、引導(dǎo)、語音交互等功能?？萍夹偷耐庥^設(shè)計、系統(tǒng)化的功能考慮可以使得該機器人裝置在產(chǎn)品化之后得到很好的應(yīng)用。目前產(chǎn)品設(shè)計尚處于樣機試運行階段，一些高級功能尚未開發(fā)完成。但可以預(yù)見的是，智能迎賓機器人的后續(xù)可擴展的功能也十分豐富，如頭部轉(zhuǎn)動，人臉識別，利用kinect技術(shù)實現(xiàn)動作捕捉等等。由此可見，智能迎賓機器人行業(yè)在未來還有巨大的市場潛力。