智能迎賓機(jī)器人的研究與設(shè)計(jì)

陳落根, 褚 佳, 方志煒, 許 健, 張東海, 陳 文

杭州娃哈哈精密機(jī)械有限公司 智能裝備研究所 杭州 310018

1 研究背景

迎賓機(jī)器人是一類可以與人進(jìn)行交互,具有迎賓、指引、對話、幫助、提示、引流、促銷等功能的機(jī)器人,具有極大的市場潛力,同時(shí)對快速消費(fèi)品營銷方式有重大促進(jìn)作用[1-2]。目前,國內(nèi)外機(jī)器人公司和科研機(jī)構(gòu)都將迎賓機(jī)器人作為未來吸引實(shí)體流量的重要入口,投入大量資源進(jìn)行開發(fā)和推廣。近幾年,隨著人工智能的快速發(fā)展,迎賓機(jī)器人在語音交流、人臉識別、自主移動控制方面有了巨大進(jìn)步。

迎賓機(jī)器人的主要代表產(chǎn)品有日本軟銀的佩珀機(jī)器人、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)的曉醫(yī)機(jī)器人、科大訊飛的佳佳仿真人等,依次如圖1、圖2、圖3所示。這些機(jī)器人雖然技術(shù)先進(jìn),但是價(jià)格十分昂貴,動輒幾十萬元,不利于在市場上推廣使用。

筆者研發(fā)的智能迎賓機(jī)器人具有一定自主導(dǎo)航能力、現(xiàn)場操控能力和遠(yuǎn)程遙控能力,具備自主對話與輔助對話功能,且成本不高,科技感十足,對于提高公司科技形象可以起到事半功倍的效果,具有一定的應(yīng)用價(jià)值和推廣前景。

圖1 佩珀機(jī)器人

圖2 曉醫(yī)機(jī)器人

圖3 佳佳仿真人

2 功能分析

筆者為娃哈哈公司30周年慶典設(shè)計(jì)了一對智能迎賓機(jī)器人。機(jī)器人需要有禮貌地迎送賓客,同時(shí)需要與客人互動,宣傳娃哈哈公司,具有仿人類外形、肢體動作互動、語音交互、面部表情、可移動等功能。在設(shè)計(jì)中,在頭部的眉毛和嘴巴處嵌入發(fā)光二極管燈,配合各個場景做出不同的面部表情,并播放迎送語音,實(shí)現(xiàn)人機(jī)互動。通過設(shè)計(jì)使機(jī)器人能夠移動,頭部和手臂能夠?qū)崿F(xiàn)點(diǎn)頭和擺臂等肢體動作,與客人進(jìn)行熱情互動。

3 性能指標(biāo)

智能迎賓機(jī)器人具有接近成人的長、寬、高尺寸,男版高170 cm,女版高160 cm。機(jī)器人能夠遙控行走和自主行走,具有從文本到語音的播放功能和語音交互功能,并能夠通過現(xiàn)場移動電話藍(lán)牙控制和遠(yuǎn)程虛擬專用網(wǎng)絡(luò)控制。機(jī)器人手臂具有多自由度功能,可以完成揮手、握手等動作。機(jī)器人頭部具有多自由度功能,可以完成點(diǎn)頭、表情等功能。機(jī)器人能夠?qū)F(xiàn)場情況通過視頻傳回控制端,移動速度可達(dá)30 m/min,爬坡能力可達(dá)5°,連續(xù)工作時(shí)間長于8 h。

4 機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4.1 整體結(jié)構(gòu)

智能迎賓機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)主要分為底盤、機(jī)身、手臂及頭部四個部分。其中,底盤負(fù)責(zé)機(jī)器人的行走運(yùn)動,手臂可以做出簡單的肢體動作與客人互動,機(jī)身支撐整個機(jī)器人零部件,機(jī)身內(nèi)部可以布置控制系統(tǒng)模塊[3]。機(jī)器人內(nèi)部骨架采用鋁合金型材搭建,外殼采用三維打印技術(shù)制作,材料使用聚乳酸。機(jī)器人整體設(shè)計(jì)模型如圖4所示。

圖4 智能迎賓機(jī)器人設(shè)計(jì)模型

4.2 頭部

智能迎賓機(jī)器人需要實(shí)現(xiàn)表情互動,完成點(diǎn)頭、搖頭、微笑、口形變換、眨眼等動作。在機(jī)器人頸部設(shè)計(jì)了兩個旋轉(zhuǎn)軸,實(shí)現(xiàn)點(diǎn)頭和搖頭動作,均由舵機(jī)驅(qū)動。眉毛處設(shè)計(jì)了條形發(fā)光二極管燈,通過控制燈的變換來模擬眨眼表情。嘴巴處設(shè)計(jì)了發(fā)光二極管燈,通過控制燈的變換來實(shí)現(xiàn)微笑和口形變換動作。兩只眼睛黑色部分為攝像頭,用于監(jiān)控現(xiàn)場情況。發(fā)光二極管燈的變換配合頸部的運(yùn)動,組合成機(jī)器人的多種表情,實(shí)現(xiàn)人機(jī)互動。智能迎賓機(jī)器人頭部模型如圖5所示。

圖5 智能迎賓機(jī)器人頭部模型

4.3 手臂

設(shè)計(jì)手臂使其不但在外形上像人體手臂,而且在功能上也可以模仿人體手臂完成擺臂、揮手、握手等簡單動作[4-6]。對于手臂自由度的分布,德國機(jī)器人學(xué)專家Adam Morecki提出了肩部三個、肘部一個、腕部三個的七自由度劃分理論[7-9]。筆者設(shè)計(jì)時(shí)對手臂動作的要求不高,因此采用六自由度仿人手臂構(gòu)型,關(guān)節(jié)為轉(zhuǎn)動形式,結(jié)構(gòu)較為簡單,并且易于控制。所有手指通過繩索驅(qū)動,只有一個自由度,可以實(shí)現(xiàn)抓握動作。智能迎賓機(jī)器人手臂自由度如圖6所示,構(gòu)型方案如圖7所示,設(shè)計(jì)模型如圖8所示。

圖6 智能迎賓機(jī)器人手臂自由度

圖7 智能迎賓機(jī)器人手臂構(gòu)型方案

4.4 底盤

智能迎賓機(jī)器人的活動場地一般比較平整,活動空間較小,通常采用輪式結(jié)構(gòu),如圖9所示。機(jī)器人底盤由安裝架、兩個萬向輪、兩個驅(qū)動輪組成,其中兩個萬向輪前后對稱布置,兩個驅(qū)動輪左右對稱布置。底盤的驅(qū)動系統(tǒng)包括直流伺服電機(jī)、行星齒輪減速器、伺服驅(qū)動器,采用差動運(yùn)動方式,通過控制左右輪的不同轉(zhuǎn)速來實(shí)現(xiàn)底盤的不同運(yùn)動。這種底盤結(jié)構(gòu)簡單,動作靈活。

圖8 智能迎賓機(jī)器人手臂設(shè)計(jì)模型

圖9 智能迎賓機(jī)器人底盤結(jié)構(gòu)

5 控制系統(tǒng)整體框架

智能迎賓機(jī)器人控制系統(tǒng)用于實(shí)現(xiàn)機(jī)器人行走控制、自主導(dǎo)航、語音交互、安全防護(hù)、遠(yuǎn)程監(jiān)控等功能[10-11]?？刂葡到y(tǒng)整體框架如圖10所示,可分為上位機(jī)控制和底層控制兩個部分。機(jī)器人上位機(jī)控制由藍(lán)牙控制終端、遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)控制終端、遠(yuǎn)程監(jiān)控終端組成,是人機(jī)操作的主要接口,提供操作界面和監(jiān)控界面。

圖10 智能迎賓機(jī)器人控制系統(tǒng)整體框架

機(jī)器人底層控制部分由任務(wù)調(diào)度模塊、同步定位與建圖(SLAM)導(dǎo)航模塊、安全防護(hù)模塊、語音交互模塊、監(jiān)控模塊、運(yùn)動控制模塊、行走執(zhí)行模塊、動作執(zhí)行模塊組成,負(fù)責(zé)解釋和執(zhí)行上位機(jī)指令,檢查機(jī)器人的安全情況,上傳機(jī)器人監(jiān)控視頻與語音等信息。任務(wù)調(diào)度模塊是機(jī)器人底層控制的核心模塊,執(zhí)行指令解釋,生成任務(wù)并分配至其它模塊,管理其它模塊的運(yùn)行。SLAM導(dǎo)航模塊采用激光雷達(dá)導(dǎo)航技術(shù),創(chuàng)建環(huán)境地圖,并可以自主生成路徑。安全防護(hù)模塊負(fù)責(zé)檢測機(jī)器人運(yùn)行過程中的失控碰撞等風(fēng)險(xiǎn)因素,當(dāng)出現(xiàn)危險(xiǎn)情況時(shí),及時(shí)通知任務(wù)調(diào)度模塊進(jìn)行緊急規(guī)避。語音交互模塊實(shí)現(xiàn)人機(jī)語音交互功能。監(jiān)控模塊建立監(jiān)控服務(wù),將機(jī)器人攝像頭和傳聲器等設(shè)備的監(jiān)控內(nèi)容向監(jiān)控端傳播,實(shí)現(xiàn)監(jiān)控功能。運(yùn)動控制模塊負(fù)責(zé)執(zhí)行任務(wù)調(diào)度模塊下達(dá)的運(yùn)動任務(wù),具體由行走執(zhí)行模塊和動作執(zhí)行模塊負(fù)責(zé),其中行走執(zhí)行模塊實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的移動功能,動作執(zhí)行模塊實(shí)現(xiàn)機(jī)器人臉部表情、頭部動作、手部動作控制功能。

智能迎賓機(jī)器人上位機(jī)控制與底層控制通過傳輸控制協(xié)議(TCP)通信和藍(lán)牙通信連接,機(jī)器人底層控制模塊間的連接有TCP通信、自動化設(shè)備規(guī)范協(xié)議(ADS)通信、以太網(wǎng)控制自動化技術(shù)(EtherCAT)通信、串口通信。

6 上位機(jī)控制系統(tǒng)

6.1 遠(yuǎn)程控制終端

遠(yuǎn)程控制終端是一個基于C#語言軟件窗口框架(WinForm)編程得到的圖形用戶界面,可以連接工控機(jī)控制機(jī)器人,通過TCP通信的方式與機(jī)器人底層控制部分交換信息。遠(yuǎn)程控制流程如圖11所示,主要功能有遠(yuǎn)程登錄及控制設(shè)備連接、機(jī)器人行走控制、從文本到語音的發(fā)送、機(jī)器人頭部和手部控制等。

6.2 行走控制功能

完成登錄及設(shè)備連接后,行走及動作控制部分的界面將會被激活。

行走控制提示界面如圖12所示,該界面在控制按鈕按下時(shí),會改變界面中代表相應(yīng)控制功能的圖標(biāo)顏色,起到提示作用。

6.3 動作控制功能

動作控制功能界面如圖13所示。用戶可以選擇各種頭部、手部動作,點(diǎn)擊運(yùn)動按鈕控制機(jī)器人的頭部和手部動作。對于使用發(fā)光二極管燈的眉毛和嘴部,其控制功能可以通過眉毛和嘴部滑動按鈕進(jìn)行控制。

圖11 遠(yuǎn)程控制流程

圖12 行走控制提示界面

圖13 動作控制功能界面

6.4 頭部獨(dú)立控制功能

頭部獨(dú)立控制界面如圖14所示,該界面用于頭部電機(jī)的控制,通過滑動按鈕可以改變頭部電機(jī)的位置。點(diǎn)擊獨(dú)立控制選項(xiàng)可以進(jìn)入該界面。

圖14 頭部獨(dú)立控制界面

7 底層控制系統(tǒng)

7.1 任務(wù)調(diào)度模塊

任務(wù)調(diào)度模塊是智能迎賓機(jī)器人控制系統(tǒng)的核心模塊之一,負(fù)責(zé)底層控制模塊的調(diào)度,以及與上位機(jī)控制系統(tǒng)的通信。任務(wù)調(diào)度模塊如圖15所示,通過建立一個TCP主控端,與上位機(jī)控制系統(tǒng)建立TCP通信。模塊內(nèi)部有一個命令緩沖區(qū)和狀態(tài)緩沖區(qū)。命令解釋器負(fù)責(zé)讀取命令緩沖區(qū)內(nèi)的命令,并針對命令的類型進(jìn)行分配,語音命令分配至語音模塊,運(yùn)動命令分配至運(yùn)動控制模塊。監(jiān)控模塊將機(jī)器人的狀態(tài)反饋至任務(wù)調(diào)度模塊的狀態(tài)檢查器,狀態(tài)檢查結(jié)果反饋至運(yùn)動任務(wù)規(guī)劃器和狀態(tài)緩沖區(qū)。

圖15 任務(wù)調(diào)度模塊

7.2 運(yùn)動控制模塊

運(yùn)動控制模塊是運(yùn)動任務(wù)的執(zhí)行模塊,如圖16所示。運(yùn)動控制模塊接收任務(wù)調(diào)度模塊發(fā)送的運(yùn)動數(shù)據(jù),軌跡規(guī)劃器和動作選擇器根據(jù)運(yùn)動數(shù)據(jù)進(jìn)行具體規(guī)劃,再通過插補(bǔ)器將具體電機(jī)運(yùn)動數(shù)據(jù)傳輸至下一層。行走執(zhí)行模塊和動作執(zhí)行模塊控制機(jī)器人的底盤移動方向,控制方法為比例積分微分控制。

7.3 語音交互模塊

語音交互模塊受到任務(wù)調(diào)度模塊的調(diào)用,負(fù)責(zé)機(jī)器人的語音交互功能,包含智能對話和文字閱讀兩種模式。語音交互模塊如圖17所示。

圖16 運(yùn)動控制模塊

圖17 語音交互模塊

在智能對話模式下,語音交互模塊采用錄音設(shè)備錄下語音,再將語音轉(zhuǎn)換為文字輸入語音庫。語音庫產(chǎn)生文字形式的回答,隨后將該回答由文字轉(zhuǎn)換為語音文件,通過設(shè)備播放,從而完成一次對話。

在文字閱讀模式下,任務(wù)調(diào)度模塊將上位機(jī)控制系統(tǒng)傳輸來的文字語音信息發(fā)送至語音交互模塊進(jìn)行保存,語音交互模塊同樣將文字輸入語音庫,并將回答轉(zhuǎn)換為語音進(jìn)行播放。

7.4 SLAM導(dǎo)航模塊

SLAM導(dǎo)航模塊通過激光雷達(dá)掃描環(huán)境,采用SLAM算法進(jìn)行地圖的構(gòu)建和定位,通過地圖導(dǎo)航算法進(jìn)行路徑規(guī)劃,路徑數(shù)據(jù)輸出至任務(wù)調(diào)度模塊[12]。SLAM導(dǎo)航模塊如圖18所示。

圖18 SLAM導(dǎo)航模塊

7.5 安全防護(hù)模塊

安全防護(hù)模塊是智能迎賓機(jī)器人系統(tǒng)的重要組成部分,能夠及時(shí)檢測機(jī)器人的不正常運(yùn)轉(zhuǎn)和危險(xiǎn)操作,保護(hù)人機(jī)安全。安全防護(hù)模塊如圖19所示,激光雷達(dá)和超聲傳感器能夠檢測機(jī)器人與障礙物之間的距離,當(dāng)距離小于安全閾值時(shí),安全邏輯會作用于任務(wù)調(diào)度模塊,糾正危險(xiǎn)操作。電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)檢測用于檢測機(jī)器人各個部位電機(jī)的位置、速度、電流等參數(shù),當(dāng)電機(jī)出現(xiàn)異常時(shí),安全防護(hù)模塊會及時(shí)使機(jī)器人停止運(yùn)轉(zhuǎn),并進(jìn)行警報(bào)。

圖19 安全防護(hù)模塊

8 結(jié)束語

筆者為娃哈哈公司30周年慶典研發(fā)了一對智能迎賓機(jī)器人,這對智能迎賓機(jī)器人應(yīng)用在慶典現(xiàn)場接待賓客,并在暖場活動中工作效果良好,吸引了大量人氣。

筆者介紹了智能迎賓機(jī)器人的總體性能、機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、控制系統(tǒng)架構(gòu)及核心模塊。機(jī)器人在慶典現(xiàn)場實(shí)現(xiàn)了自主運(yùn)動和避障,并具有較強(qiáng)的交互性。筆者所做研究為后續(xù)開發(fā)更加智能的服務(wù)機(jī)器人提供了技術(shù)經(jīng)驗(yàn)。