一種迎賓機(jī)器人的研制

王居鑫++邱文靜++鐘力++陳林++胡啟明

【摘 要】針對(duì)目前市面上銷售的迎賓機(jī)器人電路復(fù)雜，生產(chǎn)成本高，且經(jīng)常出現(xiàn)誤播迎送辭等所導(dǎo)致的推廣難度大的問題，提出并研制了一種新結(jié)構(gòu)迎賓機(jī)器人。該型迎賓機(jī)器人不僅會(huì)“說話”，而且有手勢(shì)和頭部的LED燈相配合，更具有人性化的特點(diǎn)。此機(jī)器人電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，生產(chǎn)成本低，系統(tǒng)智能化，十分適合餐廳迎賓的需求。

【關(guān)鍵詞】迎賓機(jī)器人；機(jī)械結(jié)構(gòu)；控制系統(tǒng)

引言

在我國(guó)的許多賓館、商場(chǎng)、飯店等地點(diǎn)，都需要“服務(wù)員”迎接賓客，采用迎賓機(jī)器人取代服務(wù)人員既節(jié)約了人力，更重要是能夠吸引顧客并普及科普知識(shí)。由于市面上銷售的迎賓機(jī)器人電路設(shè)計(jì)復(fù)雜，生產(chǎn)成本高，而且現(xiàn)有的迎賓機(jī)器人大多只能說一句簡(jiǎn)單的“歡迎光臨”，甚至還經(jīng)常出現(xiàn)誤播迎送辭等現(xiàn)象，以上問題會(huì)給商家?guī)砝_，導(dǎo)致迎賓機(jī)器人實(shí)際推廣難度大。迎賓機(jī)器人是融機(jī)械工程技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、電子技術(shù)、傳感技術(shù)和智能控制技術(shù)等于一體的機(jī)電一體化系統(tǒng)。作為服務(wù)業(yè)使用的機(jī)器人，要求服務(wù)質(zhì)量高，使用安全，跟重要的是對(duì)用戶具有使用價(jià)值。

1.迎賓機(jī)器人基本功能

迎賓機(jī)器人應(yīng)具有的基本功能是有禮貌的迎送賓客，同時(shí)還能感知到客人的的光臨或離開。為此，根據(jù)需要，設(shè)計(jì)的迎賓機(jī)器人具有面部表情及真人語音播放。采用LED顯示屏，配合各個(gè)場(chǎng)景、動(dòng)作做出不同的面部表情和字體語言，并播放迎送語音實(shí)現(xiàn)人機(jī)互動(dòng)。通過傳感技術(shù)，可以感知客人進(jìn)入或離開，以使迎送不失禮節(jié)。腰部和大、小臂的運(yùn)動(dòng)采用伺服電機(jī)和舵機(jī)為動(dòng)力，驅(qū)動(dòng)各機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)鞠躬和擺臂等迎送動(dòng)作，與客人進(jìn)行良好的互動(dòng)。

2.迎賓機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)

迎賓機(jī)器人的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。設(shè)計(jì)的機(jī)器人身高為1400mm，頭部高度為1860mm，頸部為93mm，軀干的高度558mm，肩寬400mm，手臂的整長(zhǎng)為460mm，大臂為260mm，小臂為200mm。

2.1鞠躬機(jī)構(gòu)

迎賓機(jī)器人頭部和腰部的運(yùn)動(dòng)采用機(jī)構(gòu)創(chuàng)新組合原理獲得的并聯(lián)組合的雙—曲柄搖桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，一個(gè)動(dòng)力驅(qū)動(dòng)兩個(gè)曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的曲柄，如圖2所示。運(yùn)動(dòng)時(shí)頭部、腰部同時(shí)產(chǎn)生一個(gè)15度擺轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。該迎賓機(jī)器人的機(jī)構(gòu)用一個(gè)雙輸出軸電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)將兩個(gè)機(jī)構(gòu)動(dòng)作聯(lián)動(dòng)，省去了一個(gè)電機(jī)，實(shí)現(xiàn)了一個(gè)電機(jī)完成了兩個(gè)功能動(dòng)作的行程和回程要求。

2.2手臂機(jī)構(gòu)

迎賓機(jī)器人的手臂有三個(gè)動(dòng)作狀態(tài)，包括：手掌放在小腹前、招手和引導(dǎo)顧客進(jìn)出。每個(gè)手臂設(shè)有四個(gè)自由度，兩個(gè)手臂協(xié)同完成這三個(gè)動(dòng)作。其中，每個(gè)手臂的肩部有兩個(gè)自由度，肘部有兩個(gè)自由度。肩部安裝一個(gè)呈直角布置的電機(jī)4帶動(dòng)轉(zhuǎn)盤控制手臂的內(nèi)外擺動(dòng)，安裝一個(gè)直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)大臂前后擺動(dòng)。電機(jī)軸在機(jī)架上箍緊，相對(duì)運(yùn)動(dòng)方式彌補(bǔ)了安裝的問題。肘部的相對(duì)運(yùn)動(dòng)與其相似，但驅(qū)動(dòng)電機(jī)選用的是舵機(jī)。機(jī)械手臂采用的是夾板式外部框架，手臂框架周向尺寸相對(duì)較小。

3.迎賓機(jī)器人的控制系統(tǒng)

3.1 機(jī)器人控制系統(tǒng)

迎賓機(jī)器人采用基于89C52單片機(jī)為核心的控制系統(tǒng)，如圖3所示。首先進(jìn)行迎賓機(jī)器人的動(dòng)作規(guī)劃，每個(gè)動(dòng)作相應(yīng)的關(guān)節(jié)軌跡計(jì)算出來并存儲(chǔ)，運(yùn)動(dòng)時(shí)無需動(dòng)態(tài)計(jì)算運(yùn)動(dòng)軌跡。機(jī)器人大、小臂及鞠躬都是通過單片機(jī)編程控制電機(jī)，并按預(yù)先確定的關(guān)節(jié)軌跡，完成各種功能動(dòng)作。控制系統(tǒng)由外部輸入、并口擴(kuò)展、電機(jī)驅(qū)動(dòng)、電位器位置反饋檢測(cè)等單元電路構(gòu)成。單片機(jī)接受由外部輸入傳來的控制命令，由單片機(jī)進(jìn)行反饋對(duì)相應(yīng)電機(jī)進(jìn)行控制，完成命令規(guī)定的動(dòng)作。關(guān)節(jié)位置由連接在關(guān)節(jié)軸上的編碼器取得，經(jīng)放大電路送入單片機(jī)AD轉(zhuǎn)換接口，作為電機(jī)控制反饋信號(hào)。

3.2人體檢測(cè)模塊

迎賓機(jī)器人配有施多德光電開關(guān)紅外線傳感器G35以及人體紅外感應(yīng)傳感器，利用兩種傳感器檢測(cè)前方人的存在，以及人們的行進(jìn)方向。由于G35紅外開關(guān)僅能夠檢測(cè)短距離內(nèi)的物體，但無法判斷是否為人體，機(jī)器人中的人體紅外傳感器模塊則通過感應(yīng)人體紅外輻射檢測(cè)出人體。二者結(jié)合較好的解決了該問題。

3.3語音播放模塊

語音播放模塊為SYN6288免錄語音合成TTS語音合成模塊，主要包括：

（1）配置標(biāo)準(zhǔn)3.5mm標(biāo)準(zhǔn)音頻接口，可接插音響、功放設(shè)備，設(shè)置有喇叭接口。

（2）傳輸方面配置變壓器和選擇不同波特率的輸入反饋裝置。輸入漢字即可合成對(duì)應(yīng)的音頻，通過音頻輸出接口輸出聲音，采用真人發(fā)音，添加背景音樂功能，多種系統(tǒng)聲音。

（3）LED顯示屏模塊安裝有可顯示臉部表情的LED點(diǎn)陣屏。檢測(cè)到不同的人流情況，做出合適的表情。LED點(diǎn)陣屏的大小為120×120mm，顯示出：微笑、眨眼、嘴巴張合等表情。

（4）限位保護(hù)采用霍爾傳感器：在每個(gè)機(jī)械結(jié)構(gòu)的極限位置上安裝有一塊磁鐵，機(jī)構(gòu)構(gòu)件運(yùn)動(dòng)到該位置時(shí)，霍爾傳感器檢測(cè)到磁鐵。Stm32控制芯片接收各個(gè)霍爾傳感器返回的信息，確定了當(dāng)前這個(gè)機(jī)械結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)位置，做出標(biāo)志結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)極限位置，和上電初始位置等的特定處理。

3.4電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置

迎賓機(jī)器人共采用9個(gè)電機(jī)作為動(dòng)力源，其中包括五個(gè)直流無刷伺服電機(jī)和四個(gè)舵機(jī)組成，控制靈活簡(jiǎn)單，關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)精確。其中五個(gè)直流無刷伺服電機(jī)由89C52單片機(jī)作為核心芯片控制，通過73LS373地址鎖存器進(jìn)行鎖存，再通過W27C512芯片存儲(chǔ)數(shù)據(jù)連接8255芯片作為電機(jī)驅(qū)動(dòng)的拓展芯片，其中五個(gè)直流無刷伺服電機(jī)用到10個(gè)I/O口分別對(duì)應(yīng)在8255上面的地址為PA0-PA7，PB0-PB3，通過方向信號(hào)的輸入調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)向，還可以通過脈沖信號(hào)的輸入改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速。四個(gè)舵機(jī)也連在8255芯片上，它們占用的I/O口分別為PC0-PC2。

參考文獻(xiàn)：

[1]鄧宗全，于紅英，王知行主編.機(jī)械原理[M].高等教育出版社第三版，2015，3.

[2]辛紹杰，蔡業(yè)彬，王君玲主編.機(jī)械設(shè)計(jì)[M].華中科技大學(xué)出版社第一版，2014，9.

作者簡(jiǎn)介：

王居鑫：（1996.1—）男，上海電機(jī)學(xué)院材料成型及控制工程專業(yè)本科生。

邱文靜：（1998.5—）女，上海電機(jī)學(xué)院機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)本科生。

鐘力：（1963.3—）女，副教授，上海電機(jī)學(xué)院教師。

陳林：（1996.6—）男，上海電機(jī)學(xué)院機(jī)械電子工程專業(yè)本科生。

胡啟明：（1994.5—）男，上海電機(jī)學(xué)院機(jī)械設(shè)計(jì)制造及自動(dòng)化專業(yè)本科生。

基金項(xiàng)目：

本項(xiàng)目受上海市大學(xué)生創(chuàng)新活動(dòng)計(jì)劃項(xiàng)目資助： A1-5701-14-006-08-01。