校園內導游服務型自主移動機器人設計與實現

黃敦華，李 勇，薛 梅

HUANG Dun-hua, LI Yong, XUE Mei

（北京電子科技職業學院 自動化工程學院，北京 100176）

校園內導游服務型自主移動機器人設計與實現

The designing and realizing of autonomous mobile service robot for school guidance

黃敦華，李 勇，薛 梅

HUANG Dun-hua, LI Yong, XUE Mei

（北京電子科技職業學院 自動化工程學院，北京 100176）

本文介紹了應用于校園教學樓內的導游服務型迎賓機器人的系統框架,包括總體性能、機械結構設計、控制系統組成、軟件架構及實現方案、樣機實驗結果。迎賓機器人應用在校園中有利于學校的教學和實踐，同時服務學生和來訪賓客。實際機器人實驗結果表明系統的穩定性和可靠性，實現了在校園走廊環境下的自主運動和避障。

迎賓機器人；自主移動機器人；運動控制；避障

0 引言

隨著社會生活水平的提高和機器人技術的發展，迎賓機器人越來越受到各行各業的關注[1]。迎賓機器人有多變且友善的外觀，可以和人類進行良好的音頻視頻互動，具有自主移動定位功能，并且方便搭載各行業專業的儀器設備[2]。具有自主運動能力的迎賓機器人在社會服務業中具有極大的發展應用前景。

校園作為學生走向社會的過渡帶具有獨特的優勢，迎賓機器人應用在校園中可以激發學生的學習興趣，輔助老師的教學實踐，方便學生及來賓的校園生活。本文介紹的迎賓機器人即是應用在某院校教學實訓樓內，可以完成來賓人臉識別、語音對話、走廊內自由行走、分實驗室講解等功能。

1 系統設計

1.1 整體設計

為了實現自主運動和導游服務功能，我們設計的機器人樣機及內部機構如圖1所示。

機器人身高165cm，直徑60cm，重量：65kg，前胸部有8.4寸液晶觸摸屏。整個機器人具有13個自由度：腰部有1個自由度；每只手臂有5個自由度；頭部有2個自由度。機器人設計功能主要包括：1）全向輪自由行走，局部自主定位，自主導航（路標導航）可以行走到各個教室門口，自主避障。2）可與人進行自然語言交互（中文或英文），可以語音操縱機器人運動，可與機器人交流“日常對話”“機器人知識”、“教育知識”等。機器人可以語音介紹學校的基本情況，并回答來賓問題。3）每個手臂具有5個自由度，可以模擬人類手臂的簡單動作。4）人臉識別：實現對有效范圍內的人臉識別，判斷人的身份信息，可識別1000人以上，識別率約為90%。

圖1 機器人樣機及內部機構圖

1.2 機械結構和運動性能

迎賓機器人的機械結構主要分為底盤、手臂及身體骨架這三個部分。其中底盤負責機器人行走運動，手臂可以在和人交流中做出相應的肢體動作，身體骨架是連接支撐整個機器人，內部布置控制系統模塊。

1.2.1 底盤機構

在校園教學樓內部這種結構化環境中，地面比較平坦，但是環境中的行人會比較多，所以需要迎賓機器人具有靈活的行走能力和避障能力[3]。因此，迎賓機器人采用圓形底盤，配備三組麥克納姆全方位輪，可以實現全方位移動，極大提高了迎賓機器人的行走靈活性。底盤機構簡圖如圖2所示。

圖2 機器人底盤機構簡圖

全向底盤中的關鍵部件是麥克納姆全方位輪，如圖3所示。全方位輪的傳統組合方式是2個單輪為一組[4]，但是運行過程中輪組的觸地點一直在變化，導致機器人快速運動中的震顫。我們創新的做法是——將3個單輪組合為一組，可以實現整組輪的重心始終在輪組中間點，保證了機器人在高速行進過程中的平穩性。

圖3 全方位輪組機構簡圖

1.2.2 手臂機構

迎賓機器人在和人交互的時候需要有手臂動作，手臂的要求是自然類人同時動作靈活協調，不需要較強的加持力和精度。因此，本文研究的迎賓機器人的手臂采用了直流渦輪蝸桿減速電機和數字舵機混合驅動。肩膀等需要大扭矩的關節采用直流渦輪蝸桿減速電機，在手臂末端采用數字舵機能有效減小末端體積和重量。肩膀部位的混合驅動機構如圖4所示。直流渦輪蝸桿減速電機的內部減速比為120/1，終端轉速為60 rpm，連續轉矩為3.5 Nm ～ 17.5 Nm，而且具有掉電自鎖的能力，完全能滿足肩膀等大扭矩關節的驅動要求。

圖4 肩膀部位的混合驅動機構

1.3 控制系統

迎賓機器人分為兩個相對獨立的主控制模塊，分別是行走控制模塊和人機交互模塊，每個模塊由一臺獨立的小型工控機作為主控單元，兩個模塊之間通過TCP/IP通信數據。整體控制系統的結構體系圖如圖5所示。其中人機交互模塊實現人臉識別、語音交互、觸摸屏接受命令、手臂交互等功能，在同用戶交互的同時接收用戶的命令，并將行走類命令發送給行走控制模塊執行，同時行走控制模塊及時將運動狀態信息傳遞給人機交互模塊。

圖5 整體控制系統的結構體系圖

1.3.1 手臂控制

手臂動作控制器的核心是AVR_mega128單片機，采用RS485總線的菊花鏈結構鏈接所有的手臂驅動電機。單片機內存儲基本的動作關鍵幀，并根據上層命令自動規劃手臂動作的最優軌跡和中間狀態，同時保證了動作調試時的便捷性和動作執行時的協調性。

1.3.2 行走控制

行走控制模塊以2號工控機（PC2）為處理核心，軟件采用VC6.0編寫，PC2通過PCI轉8串口卡與底層各個從模塊通信。行走控制模塊系統完成底盤行走相關的控制功能，實現全局定位、局部定位、全局路徑規劃、局部目標導航、全向移動、智能避障、無線遙控等功能。迎賓機器人的行走機構是基于3組麥克納姆全方位輪的全向底盤，有3個150W的直流電機驅動，可以實現任何一個方向的平移和旋轉。采用3組全方位輪的布置方式可以保證底盤輪始終全部接觸地面，不會出現懸空打滑的情況，而且電機數量最少，成本較低。底盤速度分解算法[5]如圖6所示。圖中V1、V2、V3所示的速度方向為各個輪的速度正方向，當車體平移速度為V，移動方向與X軸方向成Q1角度時，各個全方位輪的速度（負號為反方向）為：

圖6 全向底盤速度分解

全向底盤可以實現分運動的矢量運算，可以將各個控制命令產生的分運動轉化為矢量，經過矢量和等公式合成為一個總矢量V，再應用上面的速度分解公式即可實現全向底盤的全向運動。其中旋轉運動可以看做平行于Z軸的矢量參與運算。本文研究的迎賓機器人設置了3組分運動矢量，分別是V_main（控制主運動的矢量）、V_err_ctrl（平移誤差的糾正矢量，與V_main垂直）、T_err_ctrl（角度誤差的糾正矢量，平行于Z軸）。三個分運動矢量經過矢量和計算得到V_set，此為最終總矢量。這種矢量控制的方法極大簡化了全向底盤的運動控制難度，并提高了避障、底盤推算定位等其他控制的精度和靈活性。

1.3.3 自主定位和避障

機器人在樓內的標準化環境中的定位解決方案有很多，比如基于路標的視覺定位、基于超聲波的室內GPS定位、基于RFID的電子標簽定位、基于導航線的定位等等。各種定位方法各有優缺點，我們采用了新型的基于紅外路標的視覺定位方案，在走廊頂布置專用紅外反射式路標，每個路標有一個獨立的陣列形狀如同一個獨立的ID，機器人頭頂的視覺處理模塊StarGazer可以檢測60度角的視野范圍內的路標，并計算出相當位置和角度，精度可以達到2cm，更新頻率為10Hz，完全能夠滿足迎賓機器人的定位精度要求。紅外反射式路標本身不是主動光源，體積小巧，采用紅外光視覺系統可以有效減少自然光的干擾，可以保證定位系統在白天和黑夜都可以正常工作。局部定位采用了底盤航跡推算定位方法，用電子羅盤作為方向信號的冗余融合信息。因為迎賓機器人采用了基于3組全方位輪的全向底盤，而傳統的航跡推算定位方法是基于兩輪機器人底盤的，所以本次研究重新設計了基于3輪全向底盤的航跡推算定位算法。經過初步的試驗可以保證該定位算法在10m以內的定位誤差≦±30cm，這個精度對于迎賓機器人在短途的局部定位是可以接受的。

迎賓機器人的避障模塊由12個超聲波測距傳感器和12個紅外測距傳感器組成，間距30度均勻布置，形成360度全視角避障。超聲波測距范圍為10cm ～ 500cm，分辨力為1cm，輻射角為60度；紅外測距范圍為8cm～60cm，分辨力為1cm，輻射角為10度。兩個測距系統存在重合范圍，互為冗余信息，超聲波測距信息主要用于遠距離檢測，紅外測距信息用于近距離避障。基于全向底盤的特殊走形方式，我們設計了全向360度的反射式避障算法，此避障算法改進于經典的7層反射式避障算法[6～8]，去掉了層級限制和條件判斷，優化為兩個避障公式。避障模型如圖7所示。圖中圓形為底盤，R為底盤半徑，D為障礙物到底盤中心的距離，θ為檢測到障礙物的測距傳感器在底盤上的分布角度，根據以上信息就可以算出底盤運動的方向禁區范圍為β角所示。禁區β角的左右邊界角度的計算公式分別為：

（單位為角度）

對12組測距傳感器都進行上述計算，每個都可以得到一個獨立的禁區，將所有的禁區合并，最后由代價函數即可算出機器人避障的最佳行進角度。經過試驗驗證，這種優化后的避障算法在全向底盤上應用效果很好。迎賓機器人避障響應靈敏、避障無死角、可進退、可繞行，極大提高了迎賓機器人的避障能力。

2 實驗結果

為了驗證所研制的自主迎賓服務機器人的有效性和在校園環境下的運動導航能力，我們選取自動化工程學院的校園走廊環境，讓機器人在該環境中實現自主導航和避障。機器人運動軌跡如圖8所示。機器人由一個指定教室出發，首先完成對整個走廊環境的巡游，并根據要求在所需教室門口駐停，完成教室講解和與來賓交互任務。從圖8中可以看到，機器人很好的完成了自主運動和避障任務，實現了校園環境里的導游和服務。

圖7 全向反射式避障模型圖

圖8 機器人在校園環境下自主導航軌跡圖

3 結束語

本文提出了一種應用于校園教學樓內的導游服務型迎賓機器人。詳細介紹了系統框架，包括總體性能、機械結構設計、控制系統組成、軟件架構及實現方案、樣機實驗結果。迎賓機器人應用在校園中有利于學校的教學和實踐，同時服務學生和來訪賓客。實際機器人實驗結果表明系統的穩定性和可靠性，實現了在校園走廊環境下的自主運動和避障。

本文作者創新點：首先將自主式迎賓機器人應用到校園導游和服務中。機器人具有自主運動和避障的能力，并具有很強的交互性。其次，機器人主要動力關節采用混合驅動方式，既滿足了對瞬時力矩的要求，又實現了關節運動的精確控制。此外，機器人底盤驅動采用矢量控制的方法，極大簡化了全向底盤的運動控制難度，并提高了避障、底盤推算定位等其他控制的精度和靈活性。最后，全向360度的反射式避障算法，改進了7層反射式避障算法，去掉了層級限制和條件判斷，實現了避障過程的優化。

[1] 謝森林,董曉慶.智能導游機器人的研制[J].高校理科研究.2009,(16).

[2] 陳軍,陳振華,李素平.迎賓機器人輪式移動工作臺的設計與控制方法研究[J].機械制造.2009,47(543).

[3] 呂偉文.全向移動機器人結構分析與設計[D].南京:東南大學.2006.

[4] 張智明,梅順齊等.捻線機的錠子磁力傳動及其多電機控制系統研究[J].微計算機信息.2010,2-1:13-14.

[5] 時偉.Robocon機器人控制系統研究[D].北京:北京交通大學.2006.

[6] 蔡自興,鄭敏捷,鄒小兵.基于激光雷達的移動機器人實時避障策略[J].中南大學學報(自然科學版).2006,37(2):324-329.

[7] 鄭敏捷,蔡自興,于金霞.一種動態環境下移動機器人的避障策略[J].高技術通訊.2006,16(8):813-819.

[8] 劉娟.基于時空信息與認知模型的移動機器人導航機制研究[D].長沙:中南大學,2003.

TP242.6

A

1009-0134(2010)12(上)-0105-04

10.3969/j.issn.1009-0134.2010.12(上).35

2010-07-29

黃敦華（1978 -），男，控制工程碩士，研究方向為智能移動機器人技術，機電一體化技術，計算機科學。