基于LabVIEW的機(jī)器人餐廳服務(wù)器設(shè)計(jì)

印 松，

(上海電機(jī)學(xué)院 機(jī)械學(xué)院， 上海 201306)

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基于LabVIEW的機(jī)器人餐廳服務(wù)器設(shè)計(jì)

(上海電機(jī)學(xué)院 機(jī)械學(xué)院， 上海 201306)

為實(shí)現(xiàn)機(jī)器人餐廳多模塊間正確的數(shù)據(jù)交互，設(shè)計(jì)了一套餐廳管理服務(wù)器。利用網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，構(gòu)建了以服務(wù)器為中心的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。基于LabVIEW編程語言設(shè)計(jì)了網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議，實(shí)現(xiàn)了服務(wù)器與點(diǎn)餐機(jī)器人、配餐機(jī)器人和送餐機(jī)器人之間的通信。從分析訂單數(shù)據(jù)出發(fā)，將訂單數(shù)據(jù)解析為以餐盤為單位的數(shù)據(jù)，從而得到菜品在餐盤中的布局形式、位置坐標(biāo)，為配餐機(jī)器人和送餐機(jī)器人的動(dòng)作控制提供依據(jù)。實(shí)際應(yīng)用表明，該服務(wù)器程序能夠有效地對(duì)訂餐信息進(jìn)行管理，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人餐廳的正確運(yùn)作。

機(jī)器人; 服務(wù)器; LabVIEW; 通信協(xié)議

服務(wù)機(jī)器人可以定義為一種半自主或全自主工作的機(jī)器人，它能完成除工業(yè)領(lǐng)域外有益于人類的服務(wù)性工作[1]。由于機(jī)器人自身技術(shù)附加值較高，產(chǎn)品應(yīng)用范圍廣，而且已經(jīng)成為重要的技術(shù)輻射平臺(tái)，世界各國紛紛將突破機(jī)器人技術(shù)、發(fā)展機(jī)器人產(chǎn)業(yè)擺在本國科技發(fā)展的重要戰(zhàn)略地位[2]。我國也在《國家中長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要(2006—2020年)》[3]中，提出將服務(wù)機(jī)器人作為未來優(yōu)先發(fā)展的戰(zhàn)略高技術(shù)。

傳統(tǒng)餐飲行業(yè)存在餐廳服務(wù)人員勞動(dòng)強(qiáng)度大、長時(shí)間服務(wù)容易出現(xiàn)錯(cuò)誤、訂餐信息化程度不高等不足。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，機(jī)器人在餐飲領(lǐng)域逐漸得到應(yīng)用，可以代替人類服務(wù)員提供迎賓、點(diǎn)餐、配餐、送餐等服務(wù)，并大大提高了信息化程度[4-9]。目前，關(guān)于餐廳機(jī)器人的研究主要集中于機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)或機(jī)器人運(yùn)動(dòng)、定位或避障控制等方面，缺少對(duì)訂餐、配餐和送餐整個(gè)流程的自動(dòng)化考慮，以及貫穿其中的信息管理和解析問題[5-10]。本文圍繞訂餐信息傳輸和解析問題，基于LabVIEW設(shè)計(jì)了一套信息管理服務(wù)器，用以對(duì)訂餐信息進(jìn)行管理和解析，控制各機(jī)器人模塊，完成訂餐、配餐和送餐的整個(gè)流程控制。

1 機(jī)器人餐廳系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

機(jī)器人餐廳系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，其中，4臺(tái)送餐機(jī)器人通過WIFI模塊及無線路由器與服務(wù)器、點(diǎn)餐機(jī)器人、配餐機(jī)器人以及液晶顯示器(Liquid Crystal Display, LCD)觸摸屏共同組成一個(gè)信息交互的局域網(wǎng)。

圖1 機(jī)器人餐廳系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

機(jī)器人餐廳系統(tǒng)工作過程如下：顧客購買消費(fèi)卡，在點(diǎn)餐機(jī)器人上刷卡，選擇可以獲取的用餐位置并點(diǎn)餐后，點(diǎn)餐機(jī)器人將訂單號(hào)、座位號(hào)、訂餐內(nèi)容等訂單信息通過以太網(wǎng)發(fā)送給服務(wù)器。服務(wù)器將訂餐內(nèi)容顯示于配餐LCD上，并將該訂餐內(nèi)容分解為烹飪及無需烹飪兩部分，需烹飪的部分發(fā)送至廚房LCD，以通知廚師進(jìn)行烹飪；而無需烹飪的部分解析為配餐機(jī)器人動(dòng)作參數(shù)，以控制配餐機(jī)器人將對(duì)應(yīng)的菜品放置于餐盤指定位置。當(dāng)配餐動(dòng)作結(jié)束后，服務(wù)員根據(jù)配餐LCD顯示內(nèi)容進(jìn)行確認(rèn)，將正確配置的飯菜放置于送餐機(jī)器人上，并告知服務(wù)器完成配餐。服務(wù)器對(duì)送餐機(jī)器人狀態(tài)進(jìn)行查詢，并將當(dāng)前送餐座位號(hào)發(fā)送給處于待送餐狀態(tài)的送餐機(jī)器人。送餐機(jī)器人接收到服務(wù)器送餐指令后將飯菜送到指定位置，由顧客確認(rèn)并接收飯菜后返回取餐位，等待下一次送餐指令。

由此可見，服務(wù)器是機(jī)器人餐廳的重要組成部分，它需與點(diǎn)餐機(jī)器人、配餐機(jī)器人、廚房和配菜LCD以及送餐機(jī)器人進(jìn)行信息交互，接收訂餐信息并解析，生成控制指令，控制配餐機(jī)器人和送餐機(jī)器人完成配餐和送餐任務(wù)，其工作流程如圖2所示。

圖2 機(jī)器人餐廳服務(wù)器工作流程

2 網(wǎng)絡(luò)通信

根據(jù)機(jī)器人餐廳的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，餐廳各模塊與服務(wù)器之間通過以太網(wǎng)基于TCP/IP協(xié)議進(jìn)行通信，以實(shí)現(xiàn)服務(wù)器與運(yùn)動(dòng)中機(jī)器人的連接，提高信息傳輸?shù)男蔥11]。點(diǎn)餐機(jī)器人、配餐機(jī)器人和送餐機(jī)器人作為客戶端主動(dòng)連接服務(wù)器，服務(wù)器采用如圖3所示的程序模塊負(fù)責(zé)偵聽客戶端連接情況，并保存連接信息。

圖3 網(wǎng)絡(luò)連接偵聽模塊

為便于服務(wù)器同各機(jī)器人間進(jìn)行正確的信息表達(dá)，定義如表1所示的用戶協(xié)議。

表1 網(wǎng)絡(luò)通信用戶層協(xié)議

由于接收和發(fā)送數(shù)據(jù)具有非同步性，各組數(shù)據(jù)很容易混淆在一起，造成數(shù)據(jù)的錯(cuò)誤解析，因此，為了分割每一幀數(shù)據(jù)，在該協(xié)議中設(shè)置了幀起始字符和結(jié)束字符[12]。協(xié)議中的數(shù)據(jù)段與特定的通信對(duì)象以及所需交互的信息有關(guān)，而循環(huán)冗余校驗(yàn)(Cyclic Redundancy Check, CRC)為2 B的數(shù)據(jù)檢錯(cuò)碼，它通過對(duì)數(shù)據(jù)內(nèi)容計(jì)算生成[13-14]。接收端接收到數(shù)據(jù)后重新計(jì)算檢錯(cuò)碼，若與接收到的檢錯(cuò)碼不一致，則表示數(shù)據(jù)錯(cuò)誤，要求數(shù)據(jù)發(fā)送端重新發(fā)送。

3 數(shù)據(jù)交互

3.1 訂單信息交互及解析

顧客在點(diǎn)餐機(jī)器人上下單，點(diǎn)餐機(jī)器人通過網(wǎng)絡(luò)將點(diǎn)餐信息傳送給服務(wù)器，因此，點(diǎn)餐機(jī)器人與服務(wù)器之間圍繞訂單組織交互信息，主要包括訂單號(hào)、座位號(hào)、菜品號(hào)以及對(duì)應(yīng)數(shù)量等信息。其中，菜品號(hào)為套餐、零餐(包括小碗菜和大碗菜)的對(duì)應(yīng)編號(hào)，服務(wù)器依據(jù)編號(hào)進(jìn)行分類解析，并以餐盤為單位，生成一系列子訂單。從實(shí)際顧客使用的角度出發(fā)，套餐應(yīng)單獨(dú)放置在一個(gè)餐盤進(jìn)行配送，但為了便于配餐機(jī)器人配餐，可將套餐解析成小碗菜加大碗菜的形式，且小碗菜和大碗菜在餐盤中應(yīng)有特定的坐標(biāo)位置。而顧客所點(diǎn)的零餐通常需要多個(gè)餐盤來盛放，需要確定小碗菜和大碗菜在餐盤中的位置。為確定餐盤布局形式和菜碗在餐盤中的位置，預(yù)先給出餐盤中大、小碗放置的所有情形，根據(jù)顧客訂單中的菜品信息進(jìn)行解析和查詢所需餐盤布局形式。圖4給出了兩種餐盤布局形式，分別為3份小碗菜+2份大碗菜和6份小碗菜。其中，W1為碗中心與餐盤中心的水平間距；L1為小碗與小碗之間的中心距；L2為大碗與大碗之間的中心距。服務(wù)器將訂單信息解析的結(jié)果生成餐盤數(shù)據(jù)，每個(gè)餐盤數(shù)據(jù)包含其中放置的大、小碗的編號(hào)，以提供給配餐機(jī)器人生成動(dòng)作序列。圖5為訂單信息解析流程。

圖5 訂單信息解析流程

3.2 配餐信息交互

經(jīng)過上述訂單信息解析后，以訂單為單位的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成以餐盤為單位的數(shù)據(jù)(包括餐盤布局和菜碗的位置信息)，一個(gè)用戶訂單數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)多個(gè)餐盤數(shù)據(jù)。配餐前，菜品在餐臺(tái)上的布局如圖6所示。

圖6 菜品及餐盤在餐臺(tái)上的布局

配餐采用安裝有大、小兩種末端執(zhí)行器的直角坐標(biāo)機(jī)器人，用以夾持大、小兩種菜碗。由于配餐機(jī)器人作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，它面向的對(duì)象是菜品，每次僅取、放一個(gè)菜碗，它只需知道采用何種末端執(zhí)行器、夾取菜碗的位置以及放置菜碗的位置，因此，服務(wù)器與配餐機(jī)器人之間圍繞菜碗來組織交互數(shù)據(jù)，具體格式如表2所示，其中，x、y方向分別用一個(gè)4 B的數(shù)來表示。配餐數(shù)據(jù)解析流程如圖7所示。

表2 配餐數(shù)據(jù)格式

圖7 配餐數(shù)據(jù)解析流程

3.3 送餐信息交互

送餐信息交互是整個(gè)訂餐過程的最后一個(gè)環(huán)節(jié)。當(dāng)配餐機(jī)器人完成一個(gè)餐盤的配餐后，服務(wù)器通知當(dāng)前處于空閑狀態(tài)的送餐機(jī)器人負(fù)責(zé)送至指定座位。送餐機(jī)器人需要知道的信息包括送餐位置及菜品數(shù)據(jù)。送餐位置是用以控制送餐機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的目標(biāo)位置；菜品數(shù)據(jù)則顯示給用戶，以確認(rèn)送餐正確與否。一個(gè)餐盤對(duì)應(yīng)一個(gè)送餐機(jī)器人，故服務(wù)器與送餐機(jī)器人之間圍繞餐盤組織交互數(shù)據(jù)，具體包括座位號(hào)、菜品等信息。

4 服務(wù)器程序設(shè)計(jì)

在機(jī)器人餐廳控制系統(tǒng)中，服務(wù)器需與點(diǎn)餐機(jī)器人、配餐機(jī)器人以及送餐機(jī)器人等多個(gè)客戶端進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，彼此間是并列運(yùn)行的關(guān)系；而LabVIEW是一種自動(dòng)多線程語言，較易實(shí)現(xiàn)這種并行通信軟件結(jié)構(gòu)。總結(jié)以上內(nèi)容，圖8給出了服務(wù)器程序模塊，每個(gè)模塊用一個(gè)while循環(huán)結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)，采用生產(chǎn)—顧客模式[14-15]。該模式可以很好地解決數(shù)據(jù)采集與處理速率不一致的問題，大大提高了多個(gè)模塊之間數(shù)據(jù)共享的能力[16]。在服務(wù)器程序中，由點(diǎn)餐機(jī)器人“生產(chǎn)”訂單數(shù)據(jù)，配餐機(jī)器人和送餐機(jī)器人作為“顧客”，對(duì)訂單數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

圖8 服務(wù)器程序模塊

機(jī)器人餐廳服務(wù)器程序界面如圖9。該界面中，可以查看訂單信息，各機(jī)器人連接、運(yùn)行狀態(tài)，烹飪、配餐及送餐狀態(tài)等。

2015年,機(jī)器人餐廳在江蘇鹽城某地開張營業(yè)，經(jīng)歷了半年的試運(yùn)營和完善，該餐廳最高可完成每小時(shí)20個(gè)訂單，各機(jī)器人單元運(yùn)行有效，服務(wù)器功能得到很好發(fā)揮。餐廳運(yùn)營情況如圖10所示。

圖9 服務(wù)器程序主界面

圖10 機(jī)器人餐廳運(yùn)營

5 結(jié) 語

本文借助于自動(dòng)多線程編程語言LabVIEW設(shè)計(jì)了機(jī)器人餐廳服務(wù)器，在對(duì)各功能模塊功能分析的基礎(chǔ)上，完成了訂餐信息的正確解析，實(shí)現(xiàn)了服務(wù)器與點(diǎn)餐機(jī)器人、配餐機(jī)器人和送餐機(jī)器人的數(shù)據(jù)交互，達(dá)到了機(jī)器人餐廳正確有效運(yùn)作的目的。

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Design of Administrative System for Robot-Based Canteen Based on LabVIEW

(School of Mechanical Engineering, Shanghai Dianji University, Shanghai 201306, China)

To realize correct communication between several modules in a robot-based canteen, an administrative server is designed. Using network communication techniques, the system architecture centered around the server is constructed for the robot-based canteen. The communication protocol was designed using LabVIEW to realize communications between the server and the robots for ordering, sorting and delivery. By analyzing the order, the ordering data are parsed into data of service plate to calculate the layout and coordinates of dishes in the service plate, providing information of motion control for the sorting and delivery robots. Practical application indicates that the server can manage ordering information effectively and make the canteen running perfectly.

robot; server; LabVIEW; communication protocol

2017 -03 -12

印松(1979-)，男，講師，博士，主要研究方向?yàn)闄C(jī)器人及其應(yīng)用，E-mail： 1311697578@qq.com

2095 - 0020(2017)03 -0163 - 05

TP 242.3

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