文/李猛 鄭召斌 田立國 王岳松

1 引言

服務機器人作為一種半自主或全自主工作的機器人，能夠完成有益于人類的服務工作，如搬運、清潔、救援等。隨著智能服務機器人逐漸走進人們的社會生活領域，它將對提高人類生活質(zhì)量和服務行業(yè)帶來深刻的影響。

本文在對國內(nèi)外服務機器人發(fā)展狀況和技術研究的基礎上，選擇應用于商場內(nèi)的智能導航服務機器人為研究對象，設計了一種集感知、導航、人機交互、飲料瓶回收等功能于一體的商場智能服務機器人。

2 系統(tǒng)總體設計

智能服務機器人的總體設計包含機械系統(tǒng)與控制系統(tǒng)設計兩大部分：機械系統(tǒng)的設計主要完成機器人的移動底盤、機械手等結構；控制系統(tǒng)則實現(xiàn)對機器人的功能控制，如完成行走、避障、導航、交互等功能，控制系統(tǒng)又分為硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩部分。系統(tǒng)總體設計框圖如圖1所示。

3 機械結構設計

根據(jù)機器人的運動功能要求和工作環(huán)境，設計機器人的機械結構包括以下功能：

（1）機器人底盤能實現(xiàn)前進、后退和靈活轉(zhuǎn)向的運動功能，具備自定位和自主移動能力；移動速度能在0.1-0.5m/s內(nèi)；

（2）機器人的手臂可以完成招手，引導和飲料瓶回收等基本動作；

（3）機器人頭部能實現(xiàn)左右擺頭（轉(zhuǎn)動）和上下點頭的工作；

（4）機器人外形完美，親和力強，身高1.2M左右，體重在30-40公斤內(nèi)，且能保證人機交互過程的安全性。

4 控制系統(tǒng)設計

機器人整個控制系統(tǒng)由STM32控制器和PC工控機兩部分組成，兩個系統(tǒng)之間通過HTTP-POST進行通訊：其中下位機部分以STM32控制器為中心，搭載自主導航定位模塊和各類傳感器，接收上位機發(fā)出的各類指令控制機器人的行走、避障等；上位機部分則以工控機為中心，運行機器人應用程序，對下位機發(fā)出控制指令，實現(xiàn)定位導航、人機交互燈功能，系統(tǒng)原理圖如圖2所示。

4.1 硬件設計

4.1.1 處理器控制模塊

處理器模塊是整個控制系統(tǒng)的核心模塊，其性能好壞直接決定整個系統(tǒng)的運行效果。本文中的下位機控制器選擇高性能的STM32微處理器，其具有豐富的I/O口外設，多個通信接口，支持多種中斷，滿足了該機器人系統(tǒng)的需要。

4.1.2 電機驅(qū)動模塊

電機驅(qū)動模塊采用L298P雙路2A直流電機驅(qū)動，用于驅(qū)動商場智能服務機器人的2個直流電機，實現(xiàn)機器人的移動控制。

4.1.3 定位導航模塊

定位導航模塊采用思嵐模塊化自主定位導航解決方案，由高性能激光雷達RPLIDAR A2和定位導航控制核心SLANWARE Core組成，可使機器人實現(xiàn)自主定位、自動建圖、路徑規(guī)劃和自動避障，實現(xiàn)了機器人在商場內(nèi)的自主行走。

4.2 軟件設計

商場智能服務機器人系統(tǒng)的軟件平臺設計包括下位機控制程序和上位機應用程序兩大部分：

下位機控制程序主要實現(xiàn)機器人的行走、避障、傳感器數(shù)據(jù)采集以及與上位機的通信功能，屬于商場智能服務機器人的底層控制。

上位機應用程序則通過對激光數(shù)據(jù)的處理建立商場環(huán)境的地圖，實現(xiàn)智能服務機器人的定位導航功能；同時采用語音識別、圖像處理技術更好的實現(xiàn)了用戶與機器人之間的交互。

上位機應用程序采用面向?qū)ο蟮腃++編程語言，基于Visual Studio 2010開發(fā)環(huán)境進行開發(fā)，控制系統(tǒng)軟件則采用嵌入式uc/OS-II操作系統(tǒng)來實現(xiàn)，兩者之間采用基于TCP/IP協(xié)議進行通信。

圖2：系統(tǒng)原理圖

5 結論

隨著科技與服務機器人技術的不斷發(fā)展，服務機器人也越來越受到人們的關注，生活中的多個領域已廣泛應用到各種服務機器人。本文研究的商場智能服務機器人，定位于商場內(nèi)的定位導航、語音交互等功能，具有廣闊的應用開發(fā)與市場前景。