一種迎賓機(jī)器人的研制

王居鑫 邱文靜 鐘 力 陳 林 胡啟明

/上海電機(jī)學(xué)院

一種迎賓機(jī)器人的研制

王居鑫 邱文靜 鐘 力 陳 林 胡啟明

/上海電機(jī)學(xué)院

針對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“說話”，而且有手勢和頭部的LED燈相配合，更具有人性化的特點(diǎn)。此機(jī)器人電路設(shè)計簡單，生產(chǎn)成本低，系統(tǒng)智能化，十分適合餐廳迎賓的需求。

迎賓機(jī)器人；機(jī)械結(jié)構(gòu)；控制系統(tǒng)

引言

在我國的許多賓館、商場、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。由于市面上銷售的迎賓機(jī)器人電路設(shè)計復(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，跟重要的是對用戶具有使用價值。

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，同時還能感知到客人的的光臨或離開。為此，根據(jù)需要，設(shè)計的迎賓機(jī)器人具有面部表情及真人語音播放。采用LED顯示屏，配合各個場景、動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。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)動采用伺服電機(jī)和舵機(jī)為動力，驅(qū)動各機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)鞠躬和擺臂等迎送動作，與客人進(jìn)行良好的互動。

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)，一個動力驅(qū)動兩個曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的曲柄，如圖2所示。運(yùn)動時頭部、腰部同時產(chǎn)生一個15度擺轉(zhuǎn)運(yùn)動。該迎賓機(jī)器人的機(jī)構(gòu)用一個雙輸出軸電機(jī)轉(zhuǎn)動將兩個機(jī)構(gòu)動作聯(lián)動，省去了一個電機(jī)，實(shí)現(xiàn)了一個電機(jī)完成了兩個功能動作的行程和回程要求。

2.2 手臂機(jī)構(gòu)

迎賓機(jī)器人的手臂有三個動作狀態(tài)，包括：手掌放在小腹前、招手和引導(dǎo)顧客進(jìn)出。每個手臂設(shè)有四個自由度，兩個手臂協(xié)同完成這三個動作。其中，每個手臂的肩部有兩個自由度，肘部有兩個自由度。肩部安裝一個呈直角布置的電機(jī)4帶動轉(zhuǎn)盤控制手臂的內(nèi)外擺動，安裝一個直流電機(jī)驅(qū)動大臂前后擺動。電機(jī)軸在機(jī)架上箍緊，相對運(yùn)動方式彌補(bǔ)了安裝的問題。肘部的相對運(yùn)動與其相似，但驅(qū)動電機(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較小。

圖1 機(jī)器人的整體結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 雙-曲柄搖桿機(jī)構(gòu)示意圖

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)器人的動作規(guī)劃，每個動作相應(yīng)的關(guān)節(jié)軌跡計算出來并存儲，運(yùn)動時無需動態(tài)計算運(yùn)動軌跡。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，完成各種功能動作。控制系統(tǒng)由外部輸入、并口擴(kuò)展、電機(jī)驅(qū)動、電位器位置反饋檢測等單元電路構(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)行反饋對相應(yīng)電機(jī)進(jìn)行控制，完成命令規(guī)定的動作。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。

3.2 人體檢測模塊

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)人體紅外輻射檢測出人體。二者結(jié)合較好的解決了該問題。

圖3 機(jī)器人控制系統(tǒng)

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)動到該位置時，霍爾傳感器檢測到磁鐵。Stm32控制芯片接收各個霍爾傳感器返回的信息，確定了當(dāng)前這個機(jī)械結(jié)構(gòu)的運(yùn)動位置，做出標(biāo)志結(jié)構(gòu)的運(yùn)動極限位置，和上電初始位置等的特定處理。

3.4 電機(jī)驅(qū)動裝置

迎賓機(jī)器人共采用9個電機(jī)作為動力源，其中包括五個直流無刷伺服電機(jī)和四個舵機(jī)組成，控制靈活簡單，關(guān)節(jié)運(yùn)動精確。其中五個直流無刷伺服電機(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芯片存儲數(shù)據(jù)連接8255芯片作為電機(jī)驅(qū)動的拓展芯片，其中五個直流無刷伺服電機(jī)用到10個I/O口分別對應(yīng)在8255上面的地址為PA0-PA7，PB0-PB3，通過方向信號的輸入調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)向，還可以通過脈沖信號的輸入改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速。四個舵機(jī)也連在8255芯片上，它們占用的I/O口分別為PC0-PC2。

[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[M].華中科技大學(xué)出版社第一版,2014,9.

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)計制造及其自動化專業(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)計制造及自動化專業(yè)本科生。

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