北京信息科技大學(xué)
——Sun@Home家庭服務(wù)機(jī)器人

張奇志 周亞麗

(北京信息科技大學(xué)自動化學(xué)院，北京，100192)

北京信息科技大學(xué)
——Sun@Home家庭服務(wù)機(jī)器人

張奇志 周亞麗

(北京信息科技大學(xué)自動化學(xué)院，北京，100192)

Sun@Home是北京信息科技大學(xué)的一支家庭服務(wù)機(jī)器人競賽隊(duì)伍。2010年以來，在學(xué)校和自動化學(xué)院領(lǐng)導(dǎo)的關(guān)心和大力支持下，Sun@Home參加國內(nèi)外機(jī)器人競賽和公益展示十余場，取得了驕人的成績，獲得國內(nèi)外同行的好評。

家庭服務(wù)機(jī)器人比賽是國際RoboCup組織于2006年增設(shè)的正式比賽項(xiàng)目，其宗旨是利用人工智能和機(jī)器人技術(shù)為人類服務(wù)。家庭服務(wù)機(jī)器人研究主要包括機(jī)器人自定位與地圖同步創(chuàng)建（SLAM）、自主導(dǎo)航與避障、場景識別與物體識別、人體跟蹤與物體操縱等關(guān)鍵技術(shù)。這些關(guān)鍵技術(shù)在工業(yè)和日常生活中具有廣泛的應(yīng)用前景。

一、家庭服務(wù)機(jī)器人系統(tǒng)與主要功能

圖1 家庭服務(wù)機(jī)器人平臺

該團(tuán)隊(duì)自主研發(fā)的家庭服務(wù)機(jī)器人平臺如圖1所示。整個系統(tǒng)包含三輪全向移動平臺、升降裝置、3自由度機(jī)械手等運(yùn)動裝置，270°平面激光雷達(dá)、微軟Kinect和傳聲器等傳感器，所有執(zhí)行機(jī)構(gòu)和傳感器通過一根USB線與控制電腦相連。激光雷達(dá)主要用于完成自定位與環(huán)境地圖同步創(chuàng)建、自主導(dǎo)航與避障，微軟Kinect傳感器在獲得環(huán)境彩色圖像的同時還可以得到環(huán)境的深度信息，該傳感器主要用于場景分割與識別。

Sun@Home家庭服務(wù)機(jī)器人能夠在未知的復(fù)雜環(huán)境中，跟隨主人尋跡一周，即可實(shí)時準(zhǔn)確地構(gòu)建房間地圖。圖2中間位置大屏幕顯示的是機(jī)器人創(chuàng)建的環(huán)境地圖，機(jī)器人以該環(huán)境圖為基礎(chǔ)，可以在環(huán)境中完成自主導(dǎo)航與定位。

圖2 機(jī)器人創(chuàng)建的環(huán)境地圖

Sun@Home家庭服務(wù)機(jī)器人通過Kinect傳感器完成目標(biāo)分割與識別：首先利用深度信息獲得場景的3D點(diǎn)云，計算曲面的法線，分割并識別出桌面；然后，分割出桌面上的所有物體，利用彩色圖像與深度數(shù)據(jù)的對應(yīng)關(guān)系獲得候選目標(biāo)的彩色圖像；最后，采用考慮幾何約束的局部關(guān)鍵點(diǎn)匹配技術(shù)實(shí)現(xiàn)目標(biāo)識別。試驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)的性能良好，可以識別顏色相近的物體，對光照變化的魯棒性非常強(qiáng)。

二、家庭服務(wù)機(jī)器人取得的主要成績

2013年8月參加國際人工智能聯(lián)合大會(IJCAI-13)實(shí)體機(jī)器人競賽，該團(tuán)隊(duì)展示了服務(wù)機(jī)器人人機(jī)交互、自主導(dǎo)航與精確運(yùn)動控制、復(fù)雜目標(biāo)識別與物體抓取操縱等功能，得到國際人工智能領(lǐng)域著名專家組成的評委會的高度認(rèn)可，并獲得“最佳服務(wù)技能獎”。

圖3 國際人工智能聯(lián)合大會(IJCAI-13)實(shí)體機(jī)器人競賽獎勵證書

2013年10月，團(tuán)隊(duì)參加在安徽合肥舉行的中國機(jī)器人大賽暨RoboCup公開賽，榮獲家庭服務(wù)機(jī)器人組競賽3項(xiàng)冠軍、2項(xiàng)亞軍、1項(xiàng)季軍。

2013年11月，團(tuán)隊(duì)參加由文化部、國家新聞出版廣電總局和北京市政府聯(lián)合主辦的第八屆中國北京國際文化創(chuàng)意產(chǎn)業(yè)博覽會。以宣傳北京精神為主題，中央電視臺新聞頻道對Sun@Home家庭服務(wù)機(jī)器人團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了采訪（見圖4）。

2014年2月，該機(jī)器人登上中央電視臺網(wǎng)絡(luò)春晚舞臺，中央電視臺主要頻道（CCTV1- CCTV4）均播出了節(jié)目的精編版。

圖4 中央臺報道

三、未來展望

該團(tuán)隊(duì)在家庭服務(wù)機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)研究方面已取得較好的成果，其中，自定位與環(huán)境地圖同步創(chuàng)建、自主導(dǎo)航與避障和目標(biāo)識別與抓取技術(shù)的可靠性和魯棒性已經(jīng)達(dá)到很高水平；可以進(jìn)一步開發(fā)應(yīng)用于工業(yè)激光引導(dǎo)AGV系統(tǒng)；對于不便鋪設(shè)反光板的場合具有良好的應(yīng)用前景；可以只使用一個激光雷達(dá)實(shí)現(xiàn)自主導(dǎo)航定位與避障功能。

(上接3 5頁)

搭建的范例構(gòu)型能實(shí)現(xiàn)以下工藝功能：

步驟單元工藝過程主要構(gòu)型1原料庫原料出庫原料庫直角坐標(biāo)堆垛機(jī)輸送帶轉(zhuǎn)運(yùn)裝置2加工車間坯料車削銑平面鉆孔攻絲軌道搬運(yùn)車天車吊裝立式車床加工中心3裝配車間零件定位輔件供料螺釘供料螺釘緊固3自由度零件夾具裝配機(jī)械臂供料機(jī)械臂4焊接車間焊接定位底部焊接標(biāo)牌點(diǎn)焊焊接定位工裝焊接機(jī)器人5涂裝檢測車間噴涂底漆噴涂面漆表面檢測次品分揀噴涂機(jī)械臂噴涂工藝裝置視覺檢測裝置分揀托運(yùn)車分揀裝置6產(chǎn)品測試車間磁粉探傷抗壓測試次品分揀探傷檢測裝置壓力機(jī)分揀機(jī)械臂物料存放架

7包裝車間產(chǎn)品碼垛包裝箱供料輔料供料打包軌道搬運(yùn)車碼垛機(jī)械手供料機(jī)械手8產(chǎn)品標(biāo)記車間軌道搬運(yùn)車翻轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)運(yùn)裝置激光打標(biāo)機(jī)噴碼機(jī)標(biāo)貼機(jī)9成品庫成品入庫直角坐標(biāo)堆垛機(jī)輸送帶轉(zhuǎn)運(yùn)裝置激光打標(biāo)頂部噴碼標(biāo)識標(biāo)貼側(cè)面噴碼

在整個實(shí)現(xiàn)過程中，工藝要求分析、工藝過程設(shè)計、機(jī)械原理設(shè)計、傳動方案設(shè)計、結(jié)構(gòu)件選用、BOM編制、模型組裝、控制系統(tǒng)設(shè)計、單元編程及調(diào)試、系統(tǒng)聯(lián)合調(diào)試、生產(chǎn)節(jié)拍控制等任務(wù)貫穿整體，從而在短期的實(shí)訓(xùn)過程中，學(xué)生可以體會掌握工業(yè)生產(chǎn)線設(shè)計的整個過程步驟，激發(fā)創(chuàng)意靈感，提高動手能力，推動投身實(shí)戰(zhàn)。

三、結(jié)語

綜上所述，“卓越之星”是一款模塊化、可重構(gòu)的工程套件，并結(jié)合了ZigBee、無線傳感器、RFID等前沿技術(shù)，高?？衫眠@一套件在學(xué)生中深入開展創(chuàng)新工程實(shí)踐，為學(xué)生在高校學(xué)習(xí)中學(xué)以致用打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。