王居鑫 邱文静 钟 力 陈 林 胡启明

/上海电机学院

一种迎宾机器人的研制

王居鑫 邱文静 钟 力 陈 林 胡启明

/上海电机学院

针对目前市面上销售的迎宾机器人电路复杂，生产成本高，且经常出现误播迎送辞等所导致的推广难度大的问题，提出并研制了一种新结构迎宾机器人。该型迎宾机器人不仅会“说话”，而且有手势和头部的LED灯相配合，更具有人性化的特点。此机器人电路设计简单，生产成本低，系统智能化，十分适合餐厅迎宾的需求。

迎宾机器人；机械结构；控制系统

引言

在我国的许多宾馆、商场、饭店等地点，都需要“服务员”迎接宾客，采用迎宾机器人取代服务人员既节约了人力，更重要是能够吸引顾客并普及科普知识。由于市面上销售的迎宾机器人电路设计复杂，生产成本高，而且现有的迎宾机器人大多只能说一句简单的“欢迎光临”，甚至还经常出现误播迎送辞等现象，以上问题会给商家带来困扰，导致迎宾机器人实际推广难度大。迎宾机器人是融机械工程技术、计算机技术、电子技术、传感技术和智能控制技术等于一体的机电一体化系统。作为服务业使用的机器人，要求服务质量高，使用安全，跟重要的是对用户具有使用价值。

1.迎宾机器人基本功能

迎宾机器人应具有的基本功能是有礼貌的迎送宾客，同时还能感知到客人的的光临或离开。为此，根据需要，设计的迎宾机器人具有面部表情及真人语音播放。采用LED显示屏，配合各个场景、动作做出不同的面部表情和字体语言，并播放迎送语音实现人机互动。通过传感技术，可以感知客人进入或离开，以使迎送不失礼节。腰部和大、小臂的运动采用伺服电机和舵机为动力，驱动各机构实现鞠躬和摆臂等迎送动作，与客人进行良好的互动。

2.迎宾机器人的机械结构

迎宾机器人的整体结构如图1所示。设计的机器人身高为1400mm，头部高度为1860mm，颈部为93mm，躯干的高度558mm，肩宽400mm，手臂的整长为460mm，大臂为260mm，小臂为200mm。

2.1 鞠躬机构

迎宾机器人头部和腰部的运动采用机构创新组合原理获得的并联组合的双—曲柄摇杆机构实现，一个动力驱动两个曲柄摇杆机构的曲柄，如图2所示。运动时头部、腰部同时产生一个15度摆转运动。该迎宾机器人的机构用一个双输出轴电机转动将两个机构动作联动，省去了一个电机，实现了一个电机完成了两个功能动作的行程和回程要求。

2.2 手臂机构

迎宾机器人的手臂有三个动作状态，包括：手掌放在小腹前、招手和引导顾客进出。每个手臂设有四个自由度，两个手臂协同完成这三个动作。其中，每个手臂的肩部有两个自由度，肘部有两个自由度。肩部安装一个呈直角布置的电机4带动转盘控制手臂的内外摆动，安装一个直流电机驱动大臂前后摆动。电机轴在机架上箍紧，相对运动方式弥补了安装的问题。肘部的相对运动与其相似，但驱动电机选用的是舵机。机械手臂采用的是夹板式外部框架，手臂框架周向尺寸相对较小。

图1 机器人的整体结构示意图

图2 双-曲柄摇杆机构示意图

3.迎宾机器人的控制系统

3.1 机器人控制系统

迎宾机器人采用基于89C52单片机为核心的控制系统，如图3所示。首先进行迎宾机器人的动作规划，每个动作相应的关节轨迹计算出来并存储，运动时无需动态计算运动轨迹。机器人大、小臂及鞠躬都是通过单片机编程控制电机，并按预先确定的关节轨迹，完成各种功能动作。控制系统由外部输入、并口扩展、电机驱动、电位器位置反馈检测等单元电路构成。单片机接受由外部输入传来的控制命令，由单片机进行反馈对相应电机进行控制，完成命令规定的动作。关节位置由连接在关节轴上的编码器取得，经放大电路送入单片机AD转换接口，作为电机控制反馈信号。

3.2 人体检测模块

迎宾机器人配有施多德光电开关红外线传感器G35以及人体红外感应传感器，利用两种传感器检测前方人的存在，以及人们的行进方向。由于G35红外开关仅能够检测短距离内的物体，但无法判断是否为人体，机器人中的人体红外传感器模块则通过感应人体红外辐射检测出人体。二者结合较好的解决了该问题。

图3 机器人控制系统

3.3 语音播放模块

语音播放模块为SYN6288免录语音合成TTS语音合成模块，主要包括：

（1）配置标准3.5mm标准音频接口，可接插音响、功放设备，设置有喇叭接口。

（2）传输方面配置变压器和选择不同波特率的输入反馈装置。输入汉字即可合成对应的音频，通过音频输出接口输出声音，采用真人发音，添加背景音乐功能，多种系统声音。

（3）LED显示屏模块安装有可显示脸部表情的LED点阵屏。检测到不同的人流情况，做出合适的表情。LED点阵屏的大小为120×120mm，显示出：微笑、眨眼、嘴巴张合等表情。

（4）限位保护采用霍尔传感器：在每个机械结构的极限位置上安装有一块磁铁，机构构件运动到该位置时，霍尔传感器检测到磁铁。Stm32控制芯片接收各个霍尔传感器返回的信息，确定了当前这个机械结构的运动位置，做出标志结构的运动极限位置，和上电初始位置等的特定处理。

3.4 电机驱动装置

迎宾机器人共采用9个电机作为动力源，其中包括五个直流无刷伺服电机和四个舵机组成，控制灵活简单，关节运动精确。其中五个直流无刷伺服电机由89C52单片机作为核心芯片控制，通过73LS373地址锁存器进行锁存，再通过W27C512芯片存储数据连接8255芯片作为电机驱动的拓展芯片，其中五个直流无刷伺服电机用到10个I/O口分别对应在8255上面的地址为PA0-PA7，PB0-PB3，通过方向信号的输入调节电机的转向，还可以通过脉冲信号的输入改变电机的转速。四个舵机也连在8255芯片上，它们占用的I/O口分别为PC0-PC2。

[1]邓宗全,于红英,王知行主编.机械原理[M].高等教育出版社第三版,2015,3.

[2]辛绍杰,蔡业彬,王君玲主编.机械设计[M].华中科技大学出版社第一版,2014,9.

王居鑫：（1996.1—）男，上海电机学院材料成型及控制工程专业本科生。

邱文静：（1998.5—）女，上海电机学院机械设计制造及其自动化专业本科生。

钟力：（1963.3—）女，副教授，上海电机学院教师。

陈林：（1996.6—）男，上海电机学院机械电子工程专业本科生。

胡启明：（1994.5—）男，上海电机学院机械设计制造及自动化专业本科生。

本项目受上海市大学生创新活动计划项目资助: A1-5701-14-006-08-01。