餐廳服務(wù)機(jī)器人的研究

姚墨迪　王劉菲　馮淑元

摘要：餐廳服務(wù)機(jī)器人是一種能夠通過編程手段完成特定任務(wù)的小型化機(jī)器人，它具有制作成本低廉，電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，程序調(diào)試方便等優(yōu)點(diǎn).由于具有很強(qiáng)的趣味性，餐廳服務(wù)機(jī)器人深受廣大機(jī)器人愛好者以及餐廳工作人員的喜愛.本論文介紹的是具有自動(dòng)避障功能，能夠自動(dòng)循跡進(jìn)給的智能機(jī)器人的設(shè)計(jì)與制作，論文對(duì)智能機(jī)器人的方案選擇，設(shè)計(jì)思路，以及軟硬件的功能和工作原理進(jìn)行了詳細(xì)的分析和論述.經(jīng)實(shí)踐驗(yàn)收測(cè)試，該智能機(jī)器人的電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，調(diào)試方便，系統(tǒng)反映快速，靈活，設(shè)計(jì)方案正確，可行，各項(xiàng)指標(biāo)穩(wěn)定，可靠。

關(guān)鍵詞：智能；自動(dòng)循跡；自動(dòng)避障；穩(wěn)定；可靠

中圖分類號(hào)：G712 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2016）15-0070-02

一、概述

隨著大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)等新一代信息技術(shù)同智能機(jī)器人技術(shù)相互融合步伐的加快，國(guó)際機(jī)器人聯(lián)合會(huì)預(yù)測(cè)，“機(jī)器人革命”將開啟數(shù)萬億美元的市場(chǎng)。顯然，“智能機(jī)器人”將在工業(yè)、服務(wù)業(yè)、軍事、航空航天等領(lǐng)域發(fā)揮越來越重要的作用。機(jī)器人不只是應(yīng)用于高端產(chǎn)業(yè)，機(jī)器人也可以應(yīng)用于生活，寓于娛樂，給更多的人帶來歡笑。相信隨著科技的發(fā)展和創(chuàng)新意識(shí)的提高，機(jī)器人的推廣和應(yīng)用。

現(xiàn)代服務(wù)業(yè)屬于第三產(chǎn)業(yè)，其發(fā)展日益受到人們的重視。一直以來，機(jī)器人的發(fā)展都受到全世界的關(guān)注，民用的卻很少問世，原因在于其價(jià)格昂貴、技術(shù)較高端，難為大眾所接受，社會(huì)對(duì)其的研究質(zhì)疑之聲始終不絕于耳。所以全球關(guān)于廉價(jià)機(jī)器人在服務(wù)業(yè)代替人類工作的研究基本上是一個(gè)空白。而廉價(jià)機(jī)器人的應(yīng)用，將對(duì)服務(wù)業(yè)的發(fā)展起到強(qiáng)勁的推動(dòng)和改革作用。在過去十余年間，餐飲業(yè)發(fā)展速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過GDP的發(fā)展水平，常年保持在年增長(zhǎng)率20%以上。隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，餐飲業(yè)仍有很大的增長(zhǎng)空間，2010年我國(guó)餐飲業(yè)持續(xù)增長(zhǎng)的態(tài)勢(shì)將進(jìn)一步鞏固，中國(guó)餐飲業(yè)將跨入新的發(fā)展階段。目前，餐飲服務(wù)業(yè)使用的機(jī)器人在國(guó)內(nèi)外基本尚未出現(xiàn)，在中國(guó)乃至世界，關(guān)于機(jī)器人在社會(huì)服務(wù)行業(yè)代替人類工作領(lǐng)域的研究，可以說是一個(gè)空缺。因此，機(jī)器人應(yīng)用于服務(wù)業(yè)具有十分重要的意義和推廣應(yīng)用價(jià)值。目前，餐飲服務(wù)業(yè)使用的機(jī)器人在國(guó)內(nèi)外基本尚未出現(xiàn)，在中國(guó)乃至世界關(guān)于機(jī)器人在社會(huì)服務(wù)行業(yè)代替人類工作領(lǐng)域研究基本上是一個(gè)空缺，基本上沒有進(jìn)行類似研究。對(duì)于機(jī)器人的應(yīng)用大部分在軍事、救援等，并且許多國(guó)家基本上都進(jìn)行類似研究，如以色列研究的可在高危環(huán)境下撤離傷員的機(jī)器人，代替人類工作；我國(guó)也開展了井下探險(xiǎn)救援機(jī)器人。而且據(jù)調(diào)查，現(xiàn)代服務(wù)業(yè)大體相當(dāng)于第三產(chǎn)業(yè)，根據(jù)服務(wù)業(yè)的發(fā)展規(guī)律，服務(wù)業(yè)終將崛起為主流業(yè)態(tài)，而且發(fā)展前景廣闊、潛力巨大。而現(xiàn)在關(guān)于自動(dòng)化研究領(lǐng)域美國(guó)等一些國(guó)家的技術(shù)是相當(dāng)發(fā)達(dá)的，但是目前對(duì)于機(jī)器人在服務(wù)業(yè)的應(yīng)用世界上幾乎沒有做過類似研究，所以對(duì)于我國(guó)這是一個(gè)機(jī)會(huì)也是一個(gè)挑戰(zhàn)。因此，機(jī)器人應(yīng)用于服務(wù)業(yè)具有十分重要的意義和推廣應(yīng)用價(jià)值，針對(duì)其中一方面我們大膽嘗試設(shè)計(jì)了用單片機(jī)控制的餐廳智能服務(wù)機(jī)器人模型，工作在餐廳代替較多的服務(wù)者工作，節(jié)省人力，降低餐廳運(yùn)營(yíng)成本，提高服務(wù)效率。

二、研究背景

機(jī)器人有多種形式，可以從多個(gè)角度給機(jī)器人分類；從機(jī)器人的發(fā)展經(jīng)歷來看，從低級(jí)到高級(jí)分為三代機(jī)器人。第一代機(jī)器人主要是指只能以“示教—再現(xiàn)”方式從事工作的工業(yè)機(jī)器人。示教內(nèi)容包括機(jī)器人操作機(jī)構(gòu)的運(yùn)行軌跡、作業(yè)條件、作業(yè)順序等。示教方式是操作員“手把手”地直接做，或是通過操作臺(tái)演示一遍工作過程，機(jī)器人即可一模一樣地不斷循環(huán)學(xué)來的操作。目前國(guó)際上商品化、實(shí)用化的機(jī)器人商品都屬于這一類。第二代機(jī)器人屬于智能機(jī)器人。它具有感知環(huán)境的能力，它配備了多種傳感器，通過它們了解工作環(huán)境，通過復(fù)雜的邏輯思維，判斷決策，在工作環(huán)境中獨(dú)立完成操作。第三代機(jī)器人是未來機(jī)器人，未來機(jī)器人幾乎可以替代人類的所有行為，甚至是研發(fā)新產(chǎn)品，開拓新的應(yīng)用領(lǐng)域等。餐廳服務(wù)機(jī)器人還應(yīng)定義為第一代機(jī)器人，它是一種移動(dòng)式服務(wù)的機(jī)器人，具有一定的學(xué)習(xí)能力，同時(shí)也借助一部分傳感器識(shí)別工作環(huán)境，具有一定的獨(dú)立工作能力。它主要用于餐廳或家政服務(wù)，可以用來完成迎賓、引導(dǎo)客人、點(diǎn)餐、廳內(nèi)送餐等服務(wù)項(xiàng)目。餐廳服務(wù)機(jī)器人的設(shè)計(jì)面臨三方面問題需要解決：如何引導(dǎo)餐廳服務(wù)機(jī)器人到達(dá)指定工位、如何讓餐廳服務(wù)機(jī)器人行走指定路線、如何使餐廳服務(wù)機(jī)器人平穩(wěn)取走和平穩(wěn)放下。其中能夠?qū)C(jī)器人精確地引導(dǎo)到指定的工作位置是實(shí)現(xiàn)移動(dòng)服務(wù)機(jī)器人關(guān)鍵的技術(shù)環(huán)節(jié)。

三、研究意義

餐廳服務(wù)機(jī)器人具體為一種自助餐廳服務(wù)機(jī)器人，機(jī)器人前端中間位置裝有用于循跡的攝像頭，循跡線鋪置在餐廳過道或傳菜通道，停止線在就餐區(qū)與循跡線垂直鋪置，當(dāng)機(jī)器人識(shí)別出停止線時(shí)，機(jī)器人則停止10秒鐘，并在LCD顯示器上進(jìn)行倒計(jì)時(shí)顯示，2個(gè)后輪作為驅(qū)動(dòng)輪形成速度閉環(huán)控制，控制前輪轉(zhuǎn)向的舵機(jī)形成位置閉環(huán)控制，機(jī)器人兩側(cè)裝有與直流電機(jī)軸相連接的平板托盤構(gòu)成為位置閉環(huán)控制。機(jī)器人結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉，運(yùn)行穩(wěn)定，能夠有效地實(shí)現(xiàn)送取食物和餐具的功能，能夠提高餐廳的管理水平與運(yùn)行的自動(dòng)化程度，可應(yīng)用于自助餐廳等服務(wù)場(chǎng)所。服務(wù)機(jī)器人可根據(jù)裝在的飯菜桌位號(hào)自動(dòng)排序、選擇最近路徑行走，檢測(cè)到第一個(gè)要送目的地址后，車停止行進(jìn)。載物盤自動(dòng)旋轉(zhuǎn)，語音提示就餐者取走自己的飯菜。當(dāng)飯菜全部取走后、服務(wù)車自動(dòng)啟動(dòng)、沿路線向第二個(gè)目的地行走、當(dāng)檢測(cè)到第二個(gè)要送目的地址后、車停止行進(jìn)。語音提示就餐者取走自己的飯菜，依次類推、直到所有飯菜已取完。服務(wù)機(jī)器自動(dòng)識(shí)別到所有飯菜已取完。啟動(dòng)車子返回起點(diǎn)。收物：將撥碼開關(guān)2撥通，并輸入需要收拾的第一個(gè)桌位號(hào)，按啟動(dòng)鍵；服務(wù)員走到桌位前直接整理收拾桌子，待服務(wù)車到位后便可將收拾好的盤子和垃圾等物品裝入車內(nèi)；然后服務(wù)員輸入下一個(gè)所需收拾的桌位號(hào)、同時(shí)啟動(dòng)服務(wù)車向下一個(gè)桌位前進(jìn)。當(dāng)車已裝滿物品或需要直接返回起點(diǎn)、服務(wù)人員直接按啟動(dòng)鍵，服務(wù)車接受到返回指令、直接返回起點(diǎn)。

四、研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)

智能機(jī)器人發(fā)展很快，從智能玩具到其他各行業(yè)都有實(shí)質(zhì)成果。近些年，國(guó)內(nèi)的科研機(jī)構(gòu)和企事業(yè)在機(jī)器人的研發(fā)領(lǐng)域開展了大量工作。在北京，各高校和研究所已經(jīng)形成區(qū)域優(yōu)勢(shì)。北京航空航天大學(xué)、清華大學(xué)、中科院北京自動(dòng)化所、北京理工大學(xué)等單位都做了非常重要的研究工作，也取得了很多的成果。在上海，政府投入力度很大，舉辦中國(guó)國(guó)際機(jī)器人展覽暨研討會(huì)。復(fù)旦大學(xué)和上海交通大學(xué)等高校都做了很有特色的研究工作。在東北，沈陽自動(dòng)化所、哈爾濱工業(yè)大學(xué)等研究機(jī)構(gòu)在專用機(jī)器人方面具有優(yōu)勢(shì)。像中科院沈陽自動(dòng)化所于2000年開發(fā)和研制成功六千米無纜自治水下機(jī)器人。深圳在機(jī)器人產(chǎn)業(yè)涉及的計(jì)算機(jī)、傳感器、通訊、精密機(jī)械、光電一體化等領(lǐng)域具有優(yōu)勢(shì)，在產(chǎn)業(yè)發(fā)展過程中積聚了優(yōu)勢(shì)技術(shù)資源和創(chuàng)新能力，同時(shí)擁有良好的產(chǎn)業(yè)配套能力。作為全國(guó)高科技重鎮(zhèn)，深圳目前在機(jī)器人產(chǎn)業(yè)已具備一定的技術(shù)實(shí)力和產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)。

五、引導(dǎo)方案的選擇

餐廳服務(wù)機(jī)器人要往返于餐桌和食品加工間進(jìn)行工作，如何讓機(jī)器人按指令到達(dá)工位是機(jī)器人能否實(shí)現(xiàn)送餐服務(wù)的關(guān)鍵。移動(dòng)機(jī)器人達(dá)到目標(biāo)的前提是識(shí)別目標(biāo)或者知道自身的坐標(biāo)和目標(biāo)的坐標(biāo)，利用傳感器技術(shù)識(shí)別目標(biāo)特征信號(hào)，是目前目標(biāo)識(shí)別的主要途徑和方法。當(dāng)目標(biāo)沒有明顯特征信號(hào)提供時(shí)（絕大部分是這種情況），需要人為地在目標(biāo)上加入特征信息以供檢測(cè)識(shí)別。常見的目標(biāo)識(shí)別方法有圖像識(shí)別、紅外線識(shí)別、超聲波識(shí)別等方法。

1.圖像識(shí)別。在每一個(gè)工位上做上特定標(biāo)識(shí)，比如不同的顏色板，攝像頭根據(jù)指令尋找不同顏色板而選擇目標(biāo)，到達(dá)目標(biāo)。這種方法的優(yōu)點(diǎn)在于設(shè)備比較簡(jiǎn)單、系統(tǒng)集成容易、識(shí)別技術(shù)成熟。其弊端是主要有兩方面——其一是容易遮擋，機(jī)器人本身身高較低，低于80cm，來往行人和桌椅很容易遮擋視線；其二是顏色板不可能做得太大，距離遠(yuǎn)了不容易識(shí)別，顏色板至少應(yīng)該有三面或圓柱面，保證所有角度能看到，容易受顧客穿相同顏色的衣服干擾。對(duì)于這種弊端，其解決辦法主要有提高攝像頭位置、采用變焦鏡頭、采用更復(fù)雜的圖像識(shí)別算法等。

2.紅外線識(shí)別。在每個(gè)工位上安裝一個(gè)紅外輻射源，機(jī)器人上安裝紅外接收傳感器，例如，光電池、光電三極管等，由上位機(jī)控制紅外源發(fā)光，機(jī)器人通過搜尋紅外信號(hào)到達(dá)目標(biāo)。這種方法的主要弊端是，紅外源的指向角較大時(shí)，需要很大的發(fā)射功率，否則達(dá)不到工作區(qū)域覆蓋面。另外與圖像識(shí)別一樣，也有遮擋問題。

3.超聲波識(shí)別。在工作環(huán)境上方安裝多個(gè)受控的超聲波接收器，機(jī)器人上安裝超聲波接收器，通過機(jī)器人發(fā)超聲波，接收器接到機(jī)器人的超聲波信號(hào)判斷出機(jī)器人的坐標(biāo)位置，并通過無線傳輸給機(jī)器人，機(jī)器人利用已知的目標(biāo)坐標(biāo)和自己當(dāng)前的坐標(biāo)計(jì)算出行駛路線，到達(dá)目標(biāo)。這種方式可行之處在于遮擋影響不明顯，而且通過簡(jiǎn)單的判斷即能規(guī)避隨機(jī)遮擋。

六、結(jié)論

服務(wù)機(jī)器人必將在更廣闊的領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。在設(shè)計(jì)過程中，由于電機(jī)的反復(fù)運(yùn)轉(zhuǎn)引起電壓不穩(wěn)定，導(dǎo)致機(jī)器人未按照規(guī)定的賽道奔跑，出現(xiàn)亂跑現(xiàn)象，經(jīng)過穩(wěn)壓芯片從而使電壓恢復(fù)正常。對(duì)于機(jī)器人的大致模型也建立完成。通過構(gòu)建智能機(jī)器人系統(tǒng)，培養(yǎng)設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制系統(tǒng)的能力。在實(shí)踐過程中，熟悉以單片機(jī)為核心控制芯片，設(shè)計(jì)機(jī)器人的檢測(cè)、驅(qū)動(dòng)和顯示等外圍電路，采用智能控制算法實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的智能循跡。靈活應(yīng)用機(jī)電等相關(guān)學(xué)科的理論知識(shí)，聯(lián)系實(shí)際電路設(shè)計(jì)的具體實(shí)現(xiàn)方法，達(dá)到理論與實(shí)踐的統(tǒng)一。

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