一種智能迎賓機(jī)器人的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

鄭州科技學(xué)院電氣工程學(xué)院 孫士儒 趙明冬

針對(duì)國(guó)內(nèi)各行業(yè)對(duì)服務(wù)理念要求的不斷提高，設(shè)計(jì)了一種能夠代替人工進(jìn)行迎賓和指引工作的機(jī)器人。該機(jī)器人以STM32F0407IGT6為核心，采用三輪驅(qū)動(dòng)的行動(dòng)方式，通過RFID技術(shù)和磁導(dǎo)航模塊構(gòu)建循經(jīng)路線，通過微控制器和上位機(jī)之間的通信來驅(qū)動(dòng)機(jī)器人做出相應(yīng)動(dòng)作，利用上位機(jī)與語音模塊的通信來完成語音交互。同時(shí)利用超聲波模塊構(gòu)建其避障系統(tǒng)，利用LED等顯示手段構(gòu)建其面部表情系統(tǒng)等。

一、概述

機(jī)器人技術(shù)融合了電子技術(shù)、控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、機(jī)械設(shè)計(jì)、材料科學(xué)、美工設(shè)計(jì)等多個(gè)學(xué)科技術(shù)，是人工智能的重要發(fā)展方向之一。目前市場(chǎng)上商業(yè)化較早、應(yīng)用較多的機(jī)器人是工業(yè)機(jī)器人，如機(jī)器人手臂等。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，越來越多的行業(yè)需要用機(jī)器人來提高生產(chǎn)效率或者代替人工完成一些危險(xiǎn)性、重復(fù)性的操作（高愛宇,張國(guó)恒,等.智能迎賓機(jī)器人[J].甘肅科技,2013.）。在這個(gè)行業(yè)背景下，本文提出了一種應(yīng)用于酒店、商場(chǎng)、展廳、科技館等場(chǎng)所的，具有智能語音對(duì)話、來賓識(shí)別、自主迎賓、客戶引領(lǐng)、語音播報(bào)、觸屏互動(dòng)、自動(dòng)回位等功能的一種智能化迎賓機(jī)器人的設(shè)計(jì)方案。

二、方案設(shè)計(jì)

（一）總體方案設(shè)計(jì)

智能迎賓機(jī)器人設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)功能主要有：來賓檢測(cè)，自動(dòng)向前迎賓并問好；利用語音識(shí)別模塊實(shí)現(xiàn)互動(dòng)對(duì)話、信息講解，如介紹公司信息，講解展臺(tái)信息、服務(wù)信息等；引導(dǎo)功能：根據(jù)客戶想要辦理的業(yè)務(wù)，能夠預(yù)置各種引導(dǎo)服務(wù)，如銀行服務(wù)中的開戶業(yè)務(wù)、查詢業(yè)務(wù)等。通過語音識(shí)別，自動(dòng)按服務(wù)類別移動(dòng)到相應(yīng)窗口并播放對(duì)應(yīng)的指引語音，服務(wù)結(jié)束，返回迎賓起始點(diǎn)；面部表情隨動(dòng)功能：根據(jù)服務(wù)類型可設(shè)定多種表情組合。

智能迎賓機(jī)器人總體設(shè)計(jì)主要包括以下七個(gè)部分：底盤運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)、自主循徑系統(tǒng)、賓客識(shí)別電路、語言識(shí)別模塊、上位機(jī)通信系統(tǒng)、面部表情模塊和電源模塊。

（二）智能迎賓機(jī)器人的硬件組成

1.系統(tǒng)內(nèi)核介紹

機(jī)器人主控芯片選擇功能較為強(qiáng)大的STM32F407IGT6處理器，主頻可達(dá)168MHz，具有1MB Flash和192KB RAM。該芯片包含串口、SPI、I2C、I2S、攝像頭、FSMC、SDIO、以太網(wǎng)、USB Host、USB Device等眾多硬件接口，集成128MB NAND Flash，提供文件系統(tǒng)支持，適合存儲(chǔ)一些MP3文件、字庫文件等。集成16MB NOR Flash，可用來存儲(chǔ)背景圖片和漢字點(diǎn)陣字庫。功能強(qiáng)大的片上資源、多種多樣的外設(shè)接口使得STM32F407IGT6處理器特別適合應(yīng)用于機(jī)器人控制等復(fù)雜應(yīng)用的場(chǎng)合。

2.底盤運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)組成

機(jī)器人底盤裝有2個(gè)中大Z4BLD60-24GN型無刷直流電機(jī)，差動(dòng)驅(qū)動(dòng)全身，可以完成前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、360°轉(zhuǎn)向等功能。底盤材質(zhì)選用鋁制，強(qiáng)度適中，耐腐蝕性好，可處理成銀白色光澤，較為美觀。為增強(qiáng)通過性，機(jī)器人驅(qū)動(dòng)輪選用聚氨酯輪，強(qiáng)度高、耐磨性好。行動(dòng)機(jī)構(gòu)采用了自制聯(lián)軸器和輪轂的方式固定，運(yùn)行穩(wěn)定，拆裝方便。智能迎賓機(jī)器人的底盤結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 智能迎賓機(jī)器人底盤結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖

3.自主循徑系統(tǒng)組成

目前機(jī)器人的自主循徑技術(shù)已有多種實(shí)現(xiàn)方式，例如循線式、循磁式等，綜合了成本和技術(shù)成熟度的考量，本設(shè)計(jì)中采用了磁導(dǎo)航的自主循徑方式。磁導(dǎo)航傳感器檢測(cè)精度較高，且鋪設(shè)方便，靈活性好，磁條可以直接貼合在地面，也可以開槽埋入地下2-3cm處，保證營(yíng)業(yè)場(chǎng)所的美觀（黃敦華,汪雅楠,周寶海.校園內(nèi)導(dǎo)游服務(wù)型自主移動(dòng)機(jī)器人設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].微計(jì)算機(jī)信息,2010.）。

導(dǎo)航選用了興頌科技公司型號(hào)為CNS-MGS-08的磁導(dǎo)航傳感器產(chǎn)品。CNS-MGS-08傳感器有8個(gè)間隔10mm的檢測(cè)磁點(diǎn)，在磁帶寬度低于30mm時(shí)有非常高的識(shí)別精度，滿足我們的應(yīng)用需求。

定位模塊采用了杰晟達(dá)公司RFID傳感器EMR-06A來讀取RFID地標(biāo)卡，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確定位。EMR-06A是一款基于射頻識(shí)別技術(shù)的低頻RFID標(biāo)簽傳感器，傳感器工作頻率為125KHZ，內(nèi)部集成了RFID射頻收發(fā)器和RS-232通信接口，我們可以方便的通過PC、PLC、單片機(jī)等帶有RS-232串行接口的設(shè)備讀取標(biāo)簽內(nèi)數(shù)據(jù)（劉林.基于RFID的智能跟蹤機(jī)器人的設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制,2015.）。

4.避障系統(tǒng)組成

圖2 迎賓機(jī)器人系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

底盤前方120度的范圍內(nèi)裝有3個(gè)導(dǎo)向科技公司的高精度KS103超聲波傳感器，可以探測(cè)本體至前方較大范圍的障礙物距離，以實(shí)現(xiàn)避障功能。KS103模塊包括了實(shí)時(shí)溫度補(bǔ)償功能的距離探測(cè)，探測(cè)精度更高，最高探測(cè)距離可達(dá)10米，探測(cè)頻率500Hz，支持5s未收到控制指令自動(dòng)休眠和瞬時(shí)喚醒功能，內(nèi)置了可調(diào)濾波降噪技術(shù)，支持串口和I2C兩種接口模式，本設(shè)計(jì)中使用I2C接口大大節(jié)省了主控芯片的資源。

5.賓客識(shí)別電路

迎賓人體感應(yīng)采用HC-SR501人體感應(yīng)模塊，自動(dòng)檢測(cè)前方3米扇形范圍內(nèi)訪客的到來，可控制行動(dòng)機(jī)構(gòu)主動(dòng)向前接待并問好。

人體紅外感應(yīng)模塊采用HC-SR501模塊，它基于紅外線技術(shù)、靈敏度高、可靠性強(qiáng)、超低功耗的熱釋電模塊。HC-SR501模塊主要用于檢測(cè)迎賓機(jī)器人正前方是否有人接近，感應(yīng)距離約0.5m，當(dāng)前方大概0.5m處有人接近時(shí)，模塊檢測(cè)到人體紅外光就會(huì)把觸發(fā)信號(hào)傳送到微處理器，微處理器響應(yīng)觸發(fā)信號(hào)控制語音芯片播放迎賓語音。

圖3 智能迎賓機(jī)器人外觀圖

6.語音識(shí)別模塊

語音識(shí)別采用ASR TMS-A非特定人聲識(shí)別模塊進(jìn)行互動(dòng)對(duì)話，并能介紹公司信息，講解展臺(tái)信息、服務(wù)信息等。該模塊為客戶提供了一種易學(xué)易用的非特定人語音識(shí)別功能，識(shí)別結(jié)果可以通過串口自定義16進(jìn)制編碼形式作為內(nèi)容輸出，也可以通過I/O口高低電平的方式輸出。其中，串口輸出方式允許直接與單片機(jī)、ARM等具備TTL電平的串口直接相連。

綜合以上硬件模塊，本設(shè)計(jì)中智能迎賓機(jī)器人的總體硬件系統(tǒng)框圖如圖2所示。

（三）智能迎賓機(jī)器人的軟件組成

1.主控芯片軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用STM32F407IGT6處理器作為終端的主控芯片。處理器通過串行接口分別完成對(duì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、磁導(dǎo)航模塊、RFID讀卡器和LED表情模塊的控制，使用I2C接口讀取三個(gè)超聲波模塊的數(shù)據(jù)。

2.上位機(jī)的通信方式

上位機(jī)檢測(cè)虛擬串口（USB-SERIAL CH340(COMx)）上接收到的語音模塊的16進(jìn)制返回值，根據(jù)事先定義好的功能表，查詢相應(yīng)的指令，通過RS-485接口將指令傳送到主控芯片完成相應(yīng)操作（黃國(guó)炎.一個(gè)迎賓機(jī)器人軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].武漢:華中科技大學(xué),2014.），包括相應(yīng)業(yè)務(wù)窗口導(dǎo)航、返回迎賓起始點(diǎn)等。

3.人機(jī)界面的軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)的人機(jī)交互程序采用Delphi開發(fā)工具編寫，為用戶提供友好的操作界面?？梢詫?shí)現(xiàn)機(jī)器人工作模式切換、手動(dòng)返回迎賓起始點(diǎn)和呼叫工作人員等操作。

（四）智能迎賓機(jī)器人的外觀設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)中的機(jī)器人外觀由團(tuán)隊(duì)中的美工人員設(shè)計(jì)，團(tuán)隊(duì)成員提出改進(jìn)意見，制作AutoCAD圖紙，逐步優(yōu)化最終設(shè)計(jì)完成。經(jīng)過討論，玻璃鋼具有輕質(zhì)性、耐腐蝕性、可設(shè)計(jì)性好、工藝性能優(yōu)良、性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)，機(jī)器人的外殼最終采用了玻璃鋼材質(zhì)制作，達(dá)到了設(shè)計(jì)目的。智能迎賓機(jī)器人外觀如圖3所示。

三、結(jié)束語

經(jīng)過樣機(jī)的制作與調(diào)試，本文所設(shè)計(jì)的迎賓機(jī)器人能夠較好地完成實(shí)現(xiàn)迎賓、引導(dǎo)、語音交互等功能?？萍夹偷耐庥^設(shè)計(jì)、系統(tǒng)化的功能考慮可以使得該機(jī)器人裝置在產(chǎn)品化之后得到很好的應(yīng)用。目前產(chǎn)品設(shè)計(jì)尚處于樣機(jī)試運(yùn)行階段，一些高級(jí)功能尚未開發(fā)完成。但可以預(yù)見的是，智能迎賓機(jī)器人的后續(xù)可擴(kuò)展的功能也十分豐富，如頭部轉(zhuǎn)動(dòng)，人臉識(shí)別，利用kinect技術(shù)實(shí)現(xiàn)動(dòng)作捕捉等等。由此可見，智能迎賓機(jī)器人行業(yè)在未來還有巨大的市場(chǎng)潛力。