一种智能迎宾机器人系统的设计

2018-01-08

福建质量管理 2017年24期

关键词：迎宾来宾子系统

(河南科技大学河南洛阳 471023)

一种智能迎宾机器人系统的设计

王健张羽李博

(河南科技大学河南洛阳471023)

近年来，机器人行业发展迅速，机器人技术不断革新，迎宾机器人作为其中比较重要的一种，深受博物馆，科技馆，展览馆等场所的青睐。本文所设计的迎宾机器人具有智能检测来宾功能，发出欢迎声音并引导来宾参观展区等。

本文首先阐述了迎宾机器人的整体结构组成，硬件结构的搭建、各个子系统的设计和应用的关键技术。阐述了迎宾机器人行进路线的规划与设计，寻迹方式和室内定位方法的选取与实现。使机器人的各个子系统能够稳定工作，相互协同，完成整个机器人的系统设计。

迎宾机器人；室内定位方法；系统设计

随着机器人技术近年来的飞速发展，越来越多的领域开始将机器人投入使用，从工业、农业、医疗到服务业，各个领域都在发生着日新月异的变化，也给人们的生活方式带来了巨大改变。

一、背景

早在三千多年前的西周时期，在我国就出现了可能是世界上最早的“机器人”它是一种被叫做“倡者”的木偶，它可以演奏跳舞。在1662年，两个日本人制造出一种木质结构的“端茶玩偶”[1]。在2000年，沈阳自动化研究所成功研制出六千米无缆水下机器人；由我国自主研发的军用勘测机器人也早已投入使用；扫地机器人也早已出现在日常生活中。

做为移动服务机器人的迎宾机器人，可以经常在展览馆、科技馆和博物馆中见到它们的身影。迎宾机器人集迎宾、带领参观和与客人交流于一体，一些设计的更加人性化，还可以为顾客唱歌跳舞。许多国家馆开始使用机器人做向导工作，迎宾机器人的使用范围更加普及。

二、智能迎宾机器人系统结构概述

智能迎宾机器人是一个复杂的、由多个不同机构协调组成的系统，主要分为以下几部分：

(一)机械结构：机器人的结构设计多种多样，机械材料的种类也是千奇百种，在实际应用中要考虑到实际应用条件和机器人本身的驱动能力来进行选取。在搭建迎宾机器人的机械结构时考虑到迎宾机器人的体积适中，并且要求机器人在迎接来宾时要迅速响应，随着来宾的步伐速度引导来宾到前台，更重要的一点是续航时间要足够长，要求至少可以连续工作一天。综合以上多种因素，决定将迎宾机器人的主体材料选为铝型材，质量轻，硬度相对较高，方便迎宾机器人移动，可以实现快速响应。

(二)执行器：执行器是机器人结构的一个重要环节，用来驱动机器人运动，机器人的响应速度主要由执行器来决定。常见的执行器有液压驱动执行器和电驱动执行器。由于体积和操控性的原因，电驱动执行器的应用相对更为广泛，常见的电驱动执行器有:普通直流电机，直流步进电机和直流伺服电机。从迎宾机器人的质量与实际使用情况两方面考虑，选择步进电机作为迎宾机器人的执行器。

(三)传感器：迎宾机器人主要用到的传感器有红外漫反射式传感器，磁导航传感器，RFID传感器。红外漫反射式传感器用于检测来宾的到来，当检测到客人时会回传信号给控制器；磁导航传感器用于检测贴在地面上的磁条，用于规划机器人运动的路线，使机器人能够沿规划好的路线行进；RFID传感器用于机器人对停止信号的检测，在整个工作过程中，迎宾机器人需要检测两个点，一个是迎宾位置，另一个是前台位置，当迎宾机器人检测到来宾时，迎宾机器人从迎宾位置开始运行，按照规划好的固定线路向前台方向运动，当RFID检测到触发时，机器人确定已经运动到前台，将返回迎宾位置等待下一次迎宾。

(四)语音部分：语音模块也是机器人表达的一种方式，作为迎宾机器人，语音输出也是不可或缺的一部分。当迎宾机器人检测到来宾的到来时，语音模块会获得一个信号，之后发出“欢迎来到XXX”的提示音以欢迎来宾。

(五)控制器：控制器是本系统的核心，传感器回传信号的解算，电机的控制都是由控制器来完成。由于单片机体积小、成本低、处理速度快等特点，它可满足一些较简单机器人的控制需求。根据实际的使用要求，选择STM32F103ZET6单片机作为迎宾机器人的控制器[2]。

(六)控制方法：控制技术是指机器人完成各种任务和动作所执行的控制手段，通过控制器给出控制指令来实现各种动作。主要的控制算法有PID控制、磁导航寻迹算法和RFID检测技术。PID算法是用于调节机器人运动，主要体现在对机器人运动速度的调节，以实现在检测到来宾时能够做出迅速响应，在达到预设定点时可以平稳的停止。磁导航寻迹算法用于规划机器人的运动路线，使得机器人按照固定轨迹进行运动。RFID检测技术用于检测路线中固定的点，用于机器人感知迎宾位置和前台位置，是机器人停止的判断条件。

三、迎宾机器人系统原理构架

(一)迎宾机器人系统层次结构

迎宾机器人由四个子系统组成：控制子系统、检测子系统、运动子系统和声音子系统，各个子系统由不同的硬件架构组成，对应的硬件有专门软件来控制[3]。这些子系统各自完成不同任务，且子系统间相互协调运行，从而实现迎宾机器人的整体功能，实现迎宾的全过程[4]。

1、控制子系统

控制子系统对迎宾机器人来说非常关键，主要进行对信号的处理，为机器人做出判断和决策，用来处理检测到的信号并发出控制指令，实现机器人的检测与控制。其中，控制子系统的核心是STM32F103VET6微处理器，STM32F103VET6是基于ARM Cortex-M3内核的32位微控制器，具有相对较高的运算和处理速度，有良好的操控性，与本文所需的检测系统和电机控制系统相结合，完成对信号的准确快速处理，做出正确的判断，在短时间内实现对机器人控制，使迎宾机器人按照系统设定好的轨迹运行，完成欢迎来宾的全流程。

2、检测子系统

检测子系统包括红外漫反射式传感器，磁传导传感器，RFID感应器。红外漫反射式传感器是机器人感应来宾的主体，当红外漫反射式传感器检测到来宾时会发生电平的跳变，从低电平跳变到高电平，通过软件设置，实时查询红外漫反射式传感器的输出状态，一旦发生电平跳变，机器人则判断为有来宾到来，传送给控制系统一个运动信号。另外一组红外漫反射式传感器用于机器人的避障，在行进途中当检测到前面有障碍物或者人时同样是传信号给主控，使主控控制机器人停止运动，待障碍消除后继续运动。磁传导传感器是迎宾机器人的向导，限定机器人的运动路线，使机器人在指定的路线内行进，出现行进偏离的现象时，运动控制算法会对其进行修正。RFID感应器用于机器人准确定位迎宾位置和前台位置，当RFID检测到迎宾位置和前台位置的射频时，会产生停止信号，做出停止动作准确停止到迎宾位置或前台位置。

3、运动子系统

运动系统是由Z4BLD60-24GN步进电机、双路无刷直流电机驱动器和链条组成，负责驱动机器人行进。电机有普通直流电机，直流伺服电机，直流步进电机等多种。在本文中路线是使用磁条规定好的，机器人通过检测磁导航传感器所返回的信号来判断行进方向，所以不需要电机再反馈角度给控制器。步进电机是一种开环控制电机，电机转动的速度和加速度是通过脉冲频率和占空比来控制的，改变频率和占空比来进行调速。它的控制方式相对较简单，并且在非超载的情况下，它的运动不受负载影响，这对于迎宾机器人来说更加合适[5]。

4、声音子系统

声音子系统包括声音模块，主要是用于机器人发出欢迎来宾的声音，是迎宾机器人中尤为重要的一部分，是迎宾机器人表达热情欢迎来宾的重要途径。声音模块通过程序给出固定编码，发出所设定好的声音。在迎宾位置，当检测到有来宾到来时，主控会发出信号给声音模块，发出“欢迎来到XXX”的迎宾语，以表示欢迎来宾。

四、迎宾机器人系统硬件设计

(一)迎宾机器人系统机械结构设计

1、迎宾机器人底盘设计

迎宾机器人是由框架和底盘连接组成。底盘是机器人运动的核心，它起到支撑机器人各部件并接受电机传来的动力，产生运动，以保证机器人可以正常运行。其中底盘又包括传导机构和移动机构，传导机构将电机动力传送给移动机构，促使机器人移动。

对于移动的机器人来说，底盘的作用尤为重大，它所承担的重量和力都比较大，所以在底盘选材上都会倾向于机械强度更高的材料。在本文中选择2mm厚度钢板作为底盘材料。机器人移动机构的轮式结构具有质量轻、结构简单、承载大而且利于操作和控制，选择轮式结构，考虑到稳定因素，在机器人的前后两部分各增加两个万向轮作为机器人的从动轮作为机器人的支撑，可以有效的增加机器人的稳定性。

2、迎宾机器人主框架设计

从迎宾机器人整体设计方面考虑，机器人上半部分结构简单，重量较轻，所以在选材方面选择铝型材搭建框架最为合适。铝型材的密度较低，质量较轻，硬度相对较高，可加工性非常优良，各种配件设计合理，可以最大限度的提高铝型材框架的组装效率，非常适用组装迎宾机器人框架。铝型材与底盘通过角码来连接，使用螺钉将角码固定在铝型材上，角码的另一端同样使用螺钉固定在底盘上，二者之间形成一个直角，通过角码实现连接。

(二)迎宾机器人运动模块设计

1、迎宾机器人运动执行机构设计

迎宾机器人具有良好的性能，既需要有稳定的底盘和框架为基础，又要有动力充足的来运动系统支撑，这样才能在实际使用过程中有良好的表现。

在确定好基于STM32F103VET6的主控系统后，控制系统就以它作为平台从而实现接收信号、处理信号和输出控制命令的功能。电机是控制系统的执行端，用来响应控制系统给的命令[6]。选用“电机+链条传动”驱动方式作为机器人的移动方式，这是一种使用灵活、结构简单、体积轻便，并且安全性能高的一种移动方式。

在电机的选取上选择步进电机，步进电机相对于普通的电机来说，可以实现开环控制，通过控制脉冲的数量和频率实现对步进电机行进的角度和速度的控制。根据迎宾机器人的实际机械参数选择最大输出功率为60W的步进电机。

(三)迎宾机器人驱动模块设计

本文的执行结构选择直流步进电机。根据步进电机的指标选定AGV两路无刷驱动器作为步进电机的驱动。

AGV两路无刷电机驱动器非常适用驱动两个带转速差的无刷电机。在机器人的行进过程中，因为行进误差，会导致机器人偏航于行进轨道，通过两个电机的给定差来调节机器人的路线，AGV两路无刷驱动器的这一特征很适合。AGV电机驱动还具备软启动功能，使用过程中只需要发目标速度，驱动器会自动加速到预设值速度，无需另外编写软启动程序。

(四)迎宾机器人判断来宾设计

在判断来宾模块中，所要实现的功能是根据检测某种因素的变化来判断是否有来宾到来，所以在传感器的选取上，我们有多种选择。常见的，用于测距的超声波模块，电容式接近传感器和红外漫反射式光电传感器。

超声波传感器较稳定但对被检测材料有要求，不能太松软，所以不适用本系统。电容式接近式传感器的被检测端要与电容的一端相连，这在实际使用中也是不会出现的。综合考虑，选择红外漫反射式光电传感器。红外漫反射式光电传感器具有较好的稳定性，并且检测也较快，更适合检测算法。

五、迎宾机器人路线设计

(一)行进路线规划

智能迎宾机器人和其他普通的机器人优点在于它的移动性能良好，可实时引导来宾。它主要应用于展览馆等公共场所，在实际使用过程中，由于场地的限制，所以要按确定好的路线行进。在应用中，迎宾机器人有两个位置点，一个点是门口的迎宾点，另一个点是前台的停止点。两点之间的路线采用直线，采用直线的优点是，机器人的整个行进路程最近，可以有效地提高迎宾效率，同时可以减少机器人在迎宾路程中电量的损耗，有效地增加机器人的续航能力，具体路线规划如图6-1迎宾机器人的路线规划图所示。

图6-1 迎宾机器人路线规划图

(二)室内定位方式的确定

随着科技的进步，信息化服务质量越来越高，室内定位技术飞速发展，这种技术可以在复杂的环境下如体育馆、货仓和图书馆等多种环境下实现定位。

RFID定位技术是利用射频通过电感和电磁耦合或雷达的通信方式进行交换数据，实现自动检测，这种传输方式适用范围大，可以实现在几毫米到几厘米级的定位。RFID技术可以实现准确定位，可实现大范围内数据传输，虽然作用的距离短，但对于本系统迎宾机器人来说这不是一个短板，机器人的路线是一个磁条，移动范围固定，在不出现极端情况下，不会偏离路线，所以一定会经过RFID标签，可以进行标签检测，读取到位置。选取RFID技术作为迎宾机器人的定位技术。