自主導覽互動機器人的設計

李 濤,馮思敏,張 磊

(1.甘肅省科學院自動化研究所,甘肅 蘭州 730000;2.蘭州理工大學電氣工程與信息工程學院,甘肅 蘭州 730050)

機器人的發(fā)展是社會經(jīng)濟發(fā)展和科學技術發(fā)展綜合體現(xiàn)的結果,機器人技術是高端智能裝備和高新技術的典型代表,對于國家而言,機器人技術已成為衡量國家科技創(chuàng)新和高端制造水平的重要指標[1]。隨著科技水平的提升,服務機器人已在家庭服務、醫(yī)療保健、地面清潔和安保等多個領域得到了應用[2]。

自主導覽互動機器人主要用于大型展覽館和科技館,引導參訪者沿著固定路線參訪,向參訪者解說以及進行簡單的對話,同時可自主調度控制現(xiàn)場設備。它的投放使用可有效增加講解的趣味性和互動性,節(jié)省人力成本,提升場館服務水平,增強場館品牌影響力。研究導覽機器人的自主導航、路徑規(guī)劃、智能避障、目標點的停靠與定位、語音智能交互、自適應控制等關鍵技術,對提升服務機器人產(chǎn)業(yè)化水平有著重要意義。

機器人使用STM32系列微控制器進行數(shù)據(jù)處理與系統(tǒng)控制,基于自動導航運輸車(AGV,automated guided vehicle)磁導航和射頻識別(RFID,radio frequency identification)技術實現(xiàn)自主定位導航,通過對雙臂的動作控制,實現(xiàn)機器人在導覽過程中的由火箭型到人型的變形過程及逆過程。應用多種無線通信技術,解決機器人與場館設備的通信控制問題,實現(xiàn)現(xiàn)場設備的調度[3]。系統(tǒng)可以通過語音識別進行情景模式的識別,并根據(jù)程序設定進行簡單的人機交互。仿生肢體動作控制系統(tǒng)主要通過對導覽機器人頭部、雙臂的動作配合,實現(xiàn)機器人在導覽過程中的一些肢體表達,與講解內容相結合,使參觀者獲得更好的體驗。

1 結構設計

自主導覽語音交互機器人是是一款應用于公共場館的機器人,它可實現(xiàn)定位導航、減速避障、自主講解、多模態(tài)人機交互,還可與場館設備聯(lián)動。導覽機器人系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 導覽機器人系統(tǒng)框圖Fig.1 Block diagram of guide robot system

研發(fā)人員可通過液晶觸摸顯示屏或者語音與機器人進行交互,控制器接收到指令后控制語音交互單元、驅動單元等,使機器人開始或暫停工作,播放回答語音。語音交互單元搭載聲源定位技術,結合語義通過OLED顯示屏,可與參訪者進行基于動作及表情的交互,通過紅外熱釋電傳感器可檢測人體,對使用者進行語音和表情問好,導航定位單元結合超聲波傳感器可實現(xiàn)自主定位導航及減速避障,導航定位單元搭載的RFID傳感器可識別講解點RFID標簽,并由控制器控制語音交互單元播放對應資料,無線控制單元控制周邊設備進行聯(lián)動。

2 系統(tǒng)硬件設計

導覽機器人主要功能模塊有5個系統(tǒng):變形動作控制系統(tǒng)、行走運動控制系統(tǒng)、現(xiàn)場調度情景控制系統(tǒng)、語音情景識別與交互系統(tǒng)、仿生肢體動作控制系統(tǒng),它們分別實現(xiàn)了機器人由火箭型到人型的變形過程及逆過程(見圖2),導覽過程中的自由運動、聲源定位、現(xiàn)場設備調度、語音交互、智能家居等功能,使機導覽機器人更加人性化。

圖2 自主導覽互動機器人2種形態(tài)示意圖Fig.2 Two forms of self-service guide interactive robot

2.1 導覽機器人變形動作控制系統(tǒng)設計

導覽機器人設計選用的處理芯片是STM32系列的STM32F103VET6單片機,它在內核處理能力、工作頻率、數(shù)據(jù)存儲、通信接口、數(shù)據(jù)轉換接口(ADC、DAC)方面具有很大的優(yōu)勢。導覽機器人變形控制系統(tǒng)主要進行的是雙臂運動的控制,變形過程中機器人雙臂在步進電機的驅動下完成相應的動作。

根據(jù)導覽機器人變形控制系統(tǒng)的需求,系統(tǒng)中的手臂運動模塊帶動電機選擇步進電機。檢測模塊通過角度傳感器和扭矩傳感器采集步進電機旋轉角度、轉軸扭矩等信息[4]。變形機構控制手臂的展開收回、上升下降,用一個直流減速電機控制手臂的展開及收回,另一個電機控制手臂的上升和下降,在手臂收縮和上升至末端時,機器人變成火箭形態(tài),反之變成宇航員形態(tài),在變形機構上設計有光電開關和限位塊,在手臂構件運動到位時向控制器反饋狀態(tài)信息。手臂擁有2個自由度,可上下前后運動,前后擺動角度達45°[5]。導覽機器人頭部配有2個直流減速電機,分別控制頭部的水平和俯仰轉動,配合角度傳感器、限位塊可精準控制角度,防止超出可轉動范圍。導覽機器人頭部擁有2個自由度,可左右轉動45°,向上轉動15°,向下轉動5°。

2.2 導覽機器人行走運動控制系統(tǒng)設計

導覽機器人行走運動控制系統(tǒng)主要實現(xiàn)機器人的循跡行走、避障和站點講解的功能。驅動單元由電機驅動器和電機組成[6],當主控機發(fā)出驅動信號的時候由電源給電機供電,電機采用PWM控制對電流脈沖進行處理。

導航定位單元由安裝在底盤的CCF-D08磁導航傳感器和RFID傳感器組成,磁導航傳感器識別磁條導航,它功耗低、檢測范圍大、尺寸小、精度高、響應快,不受光、霧、水、交變電磁場影響,事先在場館內根據(jù)需求布置好磁道,CCF-D08上有8組微型磁場檢測傳感器,當CCF-D08位于磁道上方時,這8組微型磁場檢測傳感器會將自己檢測到的磁信號強度轉換為電信號,發(fā)送給CCF-D08的主控芯片,然后由主控芯片進行相對應的高低電平輸出。根據(jù)磁條的磁場特性和傳感器采集到的磁場強度信息,導覽機器人就能夠確定磁條相對磁導航傳感器的位置[7]。

導覽機器人通過讀取RFID標簽獲取位置信息[8],在每個設定站點安裝載有信息的ID卡,當機器人每經(jīng)過事先設定好的站點時便會停下來對游客的問題和相應景點進行回答和解說,完成講解功能。當機器人運行到路徑的轉彎處時,ID卡里裝載有左轉或右轉信息,把這些信息通過站點傳感器檢測到主控制器,控制器通過差分算法,產(chǎn)生左右不同的2個脈沖作用在電機左右的2個驅動器上,電機左右的2個驅動器分別控制驅動左右2個電機的速度,解決機器人移動的轉彎問題。

系統(tǒng)避障采用超聲波傳感器,當障礙物出現(xiàn)在機器人前方進入安全距離時,傳感器將探測出這個距離并把該信號傳輸給中央處理器,同時中央處理器會給行走控制系統(tǒng)一個信號使行進電機暫停運轉,當障礙物遠離并超出安全距離時繼續(xù)按規(guī)定路線行進。

2.3 導覽機器人現(xiàn)場調度情景控制系統(tǒng)設計

現(xiàn)場調度情景控制系統(tǒng)主要根據(jù)場館的實際建設情況和講解內容的情景需要,調度場館燈光、投影、水幕、煙霧、音響等特效裝置,按照既定的程序,在特定時刻開啟和播放。通過無線通信網(wǎng)絡,實時控制場館特效設備的工作模式和工作時間,與講解內容相結合,形成立體的多維互動體驗。在控制動作輸出的同時,還可以實時采集各設備的運行信息。

2.4 導覽機器人語音情景識別與交互系統(tǒng)設計

AIUI評估板具備強大的語音交互能力[9],支持自定義喚醒詞及多種自然語調的發(fā)音,可在開發(fā)網(wǎng)站生成自定義喚醒詞文件,自定義喚醒詞。同時AIUI評估板的六麥克風陣列具備360°聲源定位能力,定位精度達到5°,使機器人具備聲音方位感知能力,其強大的云端庫和超高的識別率使機器人具備能聽會說及控制場館設備的能力。

導覽機器人的語音交互系統(tǒng)有語音交互和語音指令2種模式[10],在語音交互模式下對話聊天時,通過語義理解算法,令機器人進行常見語句解析,同時結合語法規(guī)則文件,給出識別結果。然后在語音合成單元進行查找匹配找到問題答案調用語音合成過程進行語音輸出。

在語音指令模式下,發(fā)出“指令”,進入指令狀態(tài),然后給出指令內容。機器人對指令內容進行識別,翻譯為相應的運動控制代碼,通過協(xié)議把運動控制指令發(fā)送給機器人運動控制單元,來完成指定的動作。

2.5 導覽機器人仿生肢體動作控制系統(tǒng)設計

仿生肢體動作控制系統(tǒng)主要通過對導覽機器人頭部、雙臂的動作配合,實現(xiàn)機器人在導覽過程中的一些肢體表達。在控制動作輸出的同時,可以實時采集電機運行參數(shù)和機構的位置信息。該設計還實現(xiàn)了迎賓、導覽、召集、送別等場景的肢體表達和喜怒哀樂等表情表達。

3 系統(tǒng)軟件設計

控制系統(tǒng)的硬件部分是整個導覽機器人正常運作的平臺,而硬件部分準確協(xié)調運行依靠軟件部分的底層程序驅動[11]。導覽機器人系統(tǒng)主程序流程如圖3所示。

圖3 導覽機器人系統(tǒng)主程序流程Fig.3 Main program flow chart of guide robot system

導覽機器人通電后,首先進行系統(tǒng)初始化,然后進入系統(tǒng)自檢,檢測各功能模塊及其通信是否正常,并對頭部和腰部進行校準,一切無誤后,程序進入主循環(huán)。在主循環(huán)中通過中斷功能對各個模塊標志位的置位,來調用各個子程序分別完成主控機與單片機的通訊、電機運動、數(shù)據(jù)采集、液晶顯示、故障報警等功能,實現(xiàn)導覽機器人沿磁道行走與站點講解功能,同時機器人還會執(zhí)行組合動作和表情配合講解內容,每次講解完成后還留有時間交互。

設計中為滿足機器人行走穩(wěn)定性的需求引入模糊PID控制,PID控制的基本原理為

e(t)=r(t)-c(t),

(1)

(2)

其中:u(t)為控制量;Kp為比例系數(shù);Ti為積分系數(shù);Td為微分系數(shù);e(t)為偏差。

而被控系統(tǒng)并非是線性時不變的,所以需要根據(jù)偏差e及偏差變化ec來自動調節(jié)PID的參數(shù)。定義e和ec的模糊子集均為{NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB},輸入與輸出都選擇三角形作為隸屬函數(shù)。

按照模糊控制規(guī)則表[12],可得ΔKp、ΔKi、ΔKd模糊控制規(guī)則。通過使用加權平均模糊判決法,得出ΔKp、ΔKi、ΔKd輸出后,計算出PID 3個控制參數(shù)Kp、Ki、Kd分別為

(3)

其中:Kp0、Ki0、Kd0為常規(guī)的PID控制中得到的PID參數(shù)。

利用模糊PID控制進行優(yōu)化處理后,行走運動系統(tǒng)性能得到提高,機器人行走更加穩(wěn)定,擺動減少。

在步進電機實際運行中,為了抑制失步和過沖現(xiàn)象,保證電機運行平穩(wěn),延長系統(tǒng)壽命,采用升降速曲線策略。綜合考慮實際需求和實現(xiàn)難易程度等因素之后,選用S型加減速速度曲線來實現(xiàn)變形動作控制系統(tǒng)中步進電機的加減速控制。選用logistic函數(shù)作為步進電機加速曲線的模型(見圖4),其函數(shù)表達式為

(4)

圖4 x∈(-5,5)時logistic函數(shù)圖像Fig.4 Logistic function when x∈(- 5,5)

實際應用中將該曲線進行平移拉伸,得到加速曲線各點的頻率分別為

(5)

(6)

其中:fmax為輸出脈沖的最高頻率,取fmin=0.1fm～0.3fm,fm為電機最大空載啟動脈沖頻率,f(u)呈現(xiàn)出S型曲線的遞增趨勢,不斷趨于fmax,從而實現(xiàn)加速過程[13]。減速段使用加速段的逆過程,與加速段對稱。在頭部、手臂和腰部電機控制中引入升降速曲線控制后,導覽機器人的動作更加平緩連續(xù),擬人度增加,優(yōu)化效果明顯。

設計采用C語言編寫程序,整個程序設計采用模塊化結構,從而使系統(tǒng)高效運行。先對系統(tǒng)各模塊進行初始化,包括單片機的初始化、LCD液晶顯示器的初始化以及通信模塊的初始化[14-16]。

導覽機器人控制系統(tǒng)的設計中,主控機可以對整個機器人的運行參數(shù)和限制值進行設定并發(fā)送給單片機,單片機遠程接收并處理,處理后整個系統(tǒng)就會按照設定的相關參數(shù)運行。同時,系統(tǒng)運行過程中的狀態(tài)信息,包括電機轉速、轉軸扭矩、手臂運動位移、手臂位置等參數(shù)信息可以通過傳感器檢測得到,然后提供給單片機處理,單片機會及時反饋給主控機,以保證系統(tǒng)安全可靠的運行。在設計中,主控機與單片機之間通過RS485總線進行通訊,協(xié)議采用MODBUS通訊協(xié)議[17]。

4 結語

根據(jù)場館應用需求,設計制造了自主導覽互動機器人,該機器人將單片機控制技術和電機驅動技術等融合在一起,具有操作簡單、智能化水平高、運行可靠的優(yōu)點。隨著智能控制技術的發(fā)展和制造業(yè)水平的提升,導覽互動機器人將不僅僅局限于導覽講解,還可以成為一對一教育、家庭陪護、助老助殘等領域進行人機交互學習協(xié)助的有效手段,市場潛力巨大。作為服務型機器人的重要組成,該項成果的推廣應用是服務逐步老齡化的中國社會的必然要求。