秦艷

（江蘇聯(lián)合職業(yè)技術(shù)學(xué)院 淮安生物工程分院，江蘇淮安，223200）

0 引言

隨著社會(huì)技術(shù)和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，機(jī)器人的應(yīng)用越來越廣泛。在極大地提升工作效率的同時(shí)，也為人們的生活提供了較多的便利。

對(duì)于送餐機(jī)器人領(lǐng)域而言，目前國內(nèi)眾多機(jī)構(gòu)開展了研究。例如：文獻(xiàn)[1]以ROS 平臺(tái)為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)了具有六個(gè)自由度的機(jī)械手臂，在食物抓取方面取得了良好的效果；文獻(xiàn)[2]為送餐機(jī)器人規(guī)劃了路徑并設(shè)置了避障功能，該機(jī)器人能夠比較準(zhǔn)確地將食物運(yùn)輸至指定地點(diǎn)；文獻(xiàn)[3]在ROS平臺(tái)進(jìn)行仿真，并展開了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)了送餐機(jī)器人在復(fù)雜環(huán)境下的準(zhǔn)確避障功能。上述研究均是針對(duì)送餐機(jī)器人的實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行功能設(shè)計(jì)，達(dá)到了預(yù)期的目標(biāo)。因此，對(duì)于送餐機(jī)器人的設(shè)計(jì)而言，關(guān)鍵在于應(yīng)用場(chǎng)景和功能的確定。在該前提下，才能夠設(shè)計(jì)出應(yīng)用性較高的機(jī)器人。綜上所述，本文以酒店為應(yīng)用場(chǎng)景，擬定機(jī)器人的功能，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，達(dá)到功能完善、使用便捷的目的。

1 送餐機(jī)器人功能設(shè)定及系統(tǒng)的布局

對(duì)于本課題而言，送餐機(jī)器人的工作場(chǎng)景為酒店，即送餐的地點(diǎn)主要包括酒店大廳、客房、酒店辦公場(chǎng)所等地。因此，首要的步驟是通過對(duì)場(chǎng)景的分析，擬定機(jī)器人的基本功能。通常情況下，酒店各層的地面都較為平坦和光滑，且照明、電梯以及主要的用電設(shè)備均是二十四小時(shí)運(yùn)行。故要使送餐機(jī)器人正常工作，可以不用考慮復(fù)雜的地形和環(huán)境，僅需要設(shè)計(jì)比較常規(guī)的功能即可。根據(jù)上述分析，送餐機(jī)器人的具體功能包括：循跡、避障、移動(dòng)、定位、通信等。根據(jù)上述具體的功能，系統(tǒng)的基本布局，如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)基本布局

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路

根據(jù)圖1 所示的系統(tǒng)基本布局可知，對(duì)于該送餐機(jī)器人的設(shè)計(jì)中，主要圍繞這幾個(gè)模塊來進(jìn)行。本文的具體設(shè)計(jì)思路為：送餐機(jī)器人以主控模塊為中心，以藍(lán)牙模塊來實(shí)現(xiàn)信號(hào)傳遞、人機(jī)交互等通信功能。在藍(lán)牙通信模塊的媒介下，主控模塊可以對(duì)循跡模塊、避障模塊、驅(qū)動(dòng)模塊等發(fā)送指令，讓機(jī)器人根據(jù)指令按照規(guī)劃好的路徑進(jìn)行動(dòng)作。與此同時(shí)，機(jī)器人的運(yùn)行情況，也同時(shí)以信號(hào)的形式反饋至主控模塊，以判斷機(jī)器人的運(yùn)行狀態(tài)，并適時(shí)進(jìn)行調(diào)整。當(dāng)機(jī)器人達(dá)到指定地點(diǎn)時(shí)，通過灰度識(shí)別功能指示其停止，從而完成送餐的整個(gè)過程。送餐的具體流程，如圖2 所示。

圖2 機(jī)器人送餐流程

3 系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì)

■3.1 主控模塊設(shè)計(jì)

主控模塊是硬件設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵步驟，合理的主控芯片選擇，對(duì)于提升系統(tǒng)的控制精度和控制效果具有舉足輕重的作用。對(duì)于本文而言，在主控芯片的選擇中，由于送餐機(jī)器人在酒店工作時(shí)，經(jīng)常會(huì)因?yàn)樗筒蜁r(shí)間要求、酒店里面的人具有不確定的行走軌跡等因素，需要經(jīng)常進(jìn)行速度的變換或停止。因此，結(jié)合文獻(xiàn)[4-5]的研究結(jié)論，STM32F103ZET6處理器對(duì)于控制機(jī)器人速度、加速度以及定位等方面具有良好的效果，與機(jī)器人運(yùn)行的需求相適應(yīng)。同時(shí)，也能夠達(dá)到較好的系統(tǒng)穩(wěn)定性。因此，本課題擬選擇STM32F103ZET6作為系統(tǒng)的主控芯片。芯片的基本參數(shù)如表1 所示。

表1 STM32F103ZET6主要參數(shù)

■3.2 循跡模塊設(shè)計(jì)

送餐機(jī)器人的循跡模塊，考慮到應(yīng)用場(chǎng)景為酒店，僅需要要求機(jī)器人按照既定路線進(jìn)行運(yùn)行和避障。通常而言，酒店每一層的面積并不是很大。且在酒店里面通常燈光都比較明亮。因此在循跡模塊的設(shè)計(jì)中，需要考慮燈光對(duì)于傳感器的影響因素。鑒于此，由于紅外線的波長大于可見光波長，所以受到燈光的影響很小。在一定程度上來說，也確保了導(dǎo)航的準(zhǔn)確性。因此，對(duì)于實(shí)現(xiàn)路徑規(guī)劃和導(dǎo)航而言，在既定的場(chǎng)景中，紅外循跡是一種行之有效的方式[6]。故在循跡模塊的類型選擇中，也確定為紅外循跡方式，其模塊的基本電路如圖3 所示。

圖3 紅外循跡模塊

■3.3 避障模塊設(shè)計(jì)

在酒店里面，由于人流量比較大，且每個(gè)人的行走路線比較隨機(jī)。故送餐機(jī)器人在運(yùn)行過程中，難免會(huì)遇到前方存在阻礙的情況。若不設(shè)置避障模塊，則很容易與人相撞從而發(fā)生事故。因此，避障模塊的設(shè)計(jì)是非常必要的。對(duì)于送餐機(jī)器人而言，由于本身的質(zhì)量，在移動(dòng)過程中存在一定的慣性，所以若當(dāng)障礙

物距離很近的時(shí)候才判斷出來，即使識(shí)別出了障礙物，由于慣性問題也有可能無法及時(shí)停止，繼而導(dǎo)致與障礙物相撞。故在避障模塊的選擇中，主要考慮能夠在障礙物較遠(yuǎn)的時(shí)候便識(shí)別出來，為即時(shí)停止提供緩沖距離。而超聲波傳感器則具有檢測(cè)的距離較遠(yuǎn)、高精度以及抗干擾性良好等特點(diǎn)[7]。因此，選擇超聲波傳感器作為避障模塊的感應(yīng)元件。超聲波避障模塊的傳感電路如圖4 所示。

圖4 超聲波避障模塊傳感電路

■3.4 定位模塊設(shè)計(jì)

送餐機(jī)器人在運(yùn)行和送餐的過程中，都需要隨時(shí)進(jìn)行定位。否則，送餐的動(dòng)作無法完成。因此，機(jī)器人的設(shè)計(jì)中，定位模塊也是不可缺少的一部分。在本課題中，考慮到機(jī)器人的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及運(yùn)行到停止過程中的距離，擬選擇體積較小、識(shí)別率較高的灰度傳感器實(shí)現(xiàn)便捷的定位功能[8]。

■3.5 驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)計(jì)

在機(jī)器人的行走機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)中，常用的行走機(jī)構(gòu)包括足式和輪式[9]。本文考慮到送餐機(jī)器人的工作場(chǎng)景，酒店的地面通常比較平坦和光滑。因此，在機(jī)器人的行走機(jī)構(gòu)的類型選擇中，要實(shí)現(xiàn)比較快速的行進(jìn)，采用輪式的結(jié)構(gòu)比較適合。因此，在確定了輪式結(jié)構(gòu)為機(jī)器人行進(jìn)的方案后，如何驅(qū)動(dòng)是一個(gè)比較重要的問題。因?yàn)轵?qū)動(dòng)模塊就是確保其穩(wěn)定和快速運(yùn)行的關(guān)鍵。在驅(qū)動(dòng)模塊的設(shè)計(jì)中，考慮到直流電機(jī)對(duì)電磁轉(zhuǎn)矩的變化控制性能較好，能夠快速實(shí)現(xiàn)正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)以及各級(jí)調(diào)速、且調(diào)速類型屬于無級(jí)調(diào)速、電機(jī)本身的啟停性能較優(yōu)等因素，能夠比較好地實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制，遇見障礙物或到達(dá)目的地能夠及時(shí)停止。故在驅(qū)動(dòng)模塊的設(shè)計(jì)中，選擇直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)，其驅(qū)動(dòng)電路如圖5 所示。

圖5 驅(qū)動(dòng)模塊

■3.6 通信模塊設(shè)計(jì)

通信模塊的設(shè)計(jì)中，由于酒店的整體空間不大，采用藍(lán)牙模塊即可滿足使用要求。故本文主要選擇HC-06 藍(lán)牙模塊。原因在于其具有功耗低、在工作范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)丟包率低以及靈敏度較高等特點(diǎn)[10]。HC-06 藍(lán)牙模塊的部分參數(shù)如表2 所示。

表2 HC-06基本參數(shù)

4 系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要包括驅(qū)動(dòng)模塊、循跡模塊、避障模塊、定位模塊、藍(lán)牙通信模塊的程序設(shè)計(jì)。其中，驅(qū)動(dòng)模塊主要根據(jù)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)，通過PWM 占空比對(duì)其進(jìn)行驅(qū)動(dòng)來完成。而循跡、避障以及定位模塊是工作的重點(diǎn)。其軟件設(shè)計(jì)的具體步驟為：(1)在循跡模塊中，先完成紅外傳感器的光電對(duì)管初始化操作，對(duì)GPIO 端口的速度進(jìn)行配置，并對(duì)三個(gè)光電對(duì)管控制機(jī)器人的動(dòng)態(tài)進(jìn)行判斷；(2)根據(jù)舵機(jī)控制避障模塊的方向，讓該模塊能夠在最大的范圍內(nèi)識(shí)別障礙物，并做出對(duì)應(yīng)的動(dòng)作；(3)灰度傳感器將獲得的參數(shù)與程序中設(shè)定的閾值進(jìn)行對(duì)比，判斷送餐機(jī)器人是否抵達(dá)了預(yù)期的位置，并進(jìn)行信號(hào)反饋，讓系統(tǒng)開展對(duì)應(yīng)的動(dòng)作指令。

在藍(lán)牙模塊的軟件設(shè)計(jì)中，主要包括兩個(gè)部分：(1)對(duì)送餐機(jī)器人主控芯片的程序進(jìn)行初始化串口通信，系統(tǒng)需要對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行對(duì)應(yīng)的邏輯處理，由此控制送餐機(jī)器人的動(dòng)作；(2)上位機(jī)程序采用App Inventor 2 平臺(tái)進(jìn)行開發(fā)，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互界面和邏輯設(shè)計(jì)。

5 系統(tǒng)性能測(cè)試及優(yōu)化改進(jìn)

完成送餐機(jī)器人的軟件和硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)后，需要測(cè)試系統(tǒng)的性能，以驗(yàn)證設(shè)計(jì)是否合理。因此，本文采用幾何相似原理，建立了送餐機(jī)器人的模型，并在一個(gè)50m×40m 的空間進(jìn)行系統(tǒng)的測(cè)試。測(cè)試內(nèi)容主要包括機(jī)器人循跡的精度、避障效果、定位精度、系統(tǒng)的響應(yīng)以及穩(wěn)定性等，將各測(cè)試指標(biāo)按照：最佳、良好、一般、較差以及極差五個(gè)等級(jí)進(jìn)行評(píng)定[11]。測(cè)試的基本結(jié)果如表3 所示。

表3 系統(tǒng)性能測(cè)試基本結(jié)果

從表3 所示的系統(tǒng)性能測(cè)試基本結(jié)果來看，系統(tǒng)的循跡精度、定位精度、響應(yīng)速度以及穩(wěn)定性都處于良好的等級(jí)，說明這些基本的指標(biāo)都能夠滿足使用要求。但是，從避障效果來看，僅為一般的等級(jí)，說明系統(tǒng)在避障方面存在一定的問題。通過分析，基本原因在于，避障模塊的設(shè)計(jì)中，雖然超聲波傳感器比較適合于遠(yuǎn)處存在障礙物的識(shí)別，但是面對(duì)障礙物較近或是面對(duì)突如其來的近處障礙物時(shí)，其識(shí)別效果不甚理想。很容易導(dǎo)致機(jī)器人與障礙物相撞的情況。因此，根據(jù)測(cè)試的結(jié)果，需要對(duì)該模塊進(jìn)行改進(jìn)，即在原超聲波傳感器模塊的基礎(chǔ)上，再添加紅外傳感器。將原先單一的超聲波避障替換為超聲波+紅外傳感器聯(lián)合避障的系統(tǒng)[12～14]，如此一來可以有效解決單一傳感器的弊端，達(dá)到良好的避障效果。

6 結(jié)論

對(duì)應(yīng)用于酒店場(chǎng)景的送餐機(jī)器人設(shè)計(jì)中，在確定功能的基礎(chǔ)上，擬定了系統(tǒng)的各模塊。并完成了該系統(tǒng)的硬件和軟件的設(shè)計(jì)。通過性能測(cè)試發(fā)現(xiàn)，由于系統(tǒng)的避障效果不佳，故將原超聲波傳感器避障的設(shè)計(jì)方案改進(jìn)成了超聲波和紅外傳感器聯(lián)合避障的結(jié)構(gòu)，為后續(xù)該送餐機(jī)器人投入實(shí)際的使用，提供了依據(jù)。