智能餐廳服務機器人系統的設計與實現*

譚等泰

（甘肅政法學院公安技術學院，甘肅 蘭州 730070）

智能餐廳服務機器人系統的設計與實現*

譚等泰

（甘肅政法學院公安技術學院，甘肅 蘭州 730070）

隨著科學技術的高速發展，機器人正逐步走進人們的生活。分析了現有餐廳服務機器人的優缺點后，設計了一種多功能智能化的餐廳服務機器人，采用STM32作為機器人的核心控制器，完成機器人的循跡、語音播報和紅外避障等控制功能，同時決策多個機器人的運動位置和路徑，達到機器人送餐的快速性和準確性。經模型測試，該餐廳服務機器人具有操作簡單、穩定、成本低、實用性強等特點，具有廣闊的發展空間。

餐廳服務;循跡;語音播報;紅外避障

隨著機器人技術的發展，機器人已經廣泛應用在生活的各個方面，目前常見的機器人有家庭服務機器人、助老助殘機器人、農業機器人、工業機器人和安防機器人等。但是絕大多數服務機器人技術水平尚未成熟，與實際應用有一定距離。國內在服務機器人研究領域起步較晚，與日本、美國等發達國家存在較大差距，由于服務機器人產業潛在的價值，我國也加強了在服務機器人領域的研究。餐廳服務機器人屬于服務機器人的一個種類，它主要是為現代化的餐廳提供送餐、點餐等功能[1]。

當下我國機器人的應用十分廣泛并且種類繁多，形式多樣，而應用于餐飲行業的機器人相對較少[2]。由于勞動力成本的提高，餐廳服務人員的人力成本支出越來越高，如在日本、香港，普通服務員的工資和產業工人的工資已經不相上下。如果使用機器人代替部分服務員為顧客服務，如點菜、送餐，不但能提高服務效率，減少服務人員的數量，更能建立餐廳特色，打造餐廳品牌，進而降低勞動力成本[3]。餐廳服務機器人作為一類特殊的公共服務機器人，是一套具有自主性、適應性和交互性的綜合系統，集成了移動機器人技術、多任務集成、人機交互、多模態分析、路徑規劃等技術。因此，研究和開發餐廳服務機器人系統，具有十分重要的意義和推廣應用價值[4]。

本文設計了餐廳服務機器人的運動控制系統和軟件系統，模擬完成人類服務員的各項工作流程，并且對多個機器人的運動狀態進行控制，完成路徑規劃，實現機器人送餐路徑最短，多機器人的相互協作，達到送餐的快速性和準確性。

1 系統概述

餐廳服務機器人的總體設計框圖如圖1所示。采用模塊化的設計原則，將該服務機器人分為五個模塊：STM32控制器、傳感器模塊、語音模塊、運動控制模塊、電源模塊。其中傳感器模塊包括紅外避障模塊、灰度傳感器模塊、壓力傳感器模塊。系統采用STM32單片機作為核心控制器，采用灰度傳感器循跡，紅外避障傳感器檢測行人，語音模塊播報日常用語，步進電機及驅動模塊作為動力，同時實現對智能機器人的速度、位置、運行狀況的實時控制。系統設計了一個電源開關、一個模式開關、一個返

回鍵、垃圾回收桶和送餐托盤等，壓力傳感器安裝在托盤上。

圖1 系統結構圖

2 各模塊的算法設計與實現

2.1 循跡傳感器的設計

循跡傳感器設計中，灰度傳感器原理圖如圖2所示。

圖2 灰度傳感器原理圖

灰度傳感器是一種模擬傳感器，由一只發光二極管、一只光敏三極管、一只限流電阻和一直可調滑動變阻器構成，如圖2（A）所示。由于檢測面對光的反射強度不同，通過光線控制光敏三極管基極的截止和導通，就可以檢測此光線的強度并將其轉換為電平信號。如果地面上貼有白色引導線，在白色引導線和檢測面上的返回值差別比較大，在白線上應輸出應接近0V，在檢測面上應接近5V，由于在復雜的環境下光線容易受外界的干擾，電平在引導線和檢測面上會變化比較大，無法達到理論要求，為此引入電壓比較器，如圖2（B）所示，調節基準電壓來穩定的區分輸入的電平信號，相當于模擬信號數字化。基準電壓如1式所示。

灰度傳感器循跡時，采用一字型布局的分布方式。一字型布局又分為同一直線上非均勻分布和均勻分布兩種方式[5]。均勻排布型設計簡單但不利于對彎道信息的采集。而非均勻排布恰好克服了這一缺點，非均勻排布采用等角原則，即在傳感器垂直平分線上方處某點引射線與傳感器相交，射線之間夾角相等，交點為傳感器的分布點。如圖3所示。

由于餐廳服務機器人的路徑是自行設計的，經過測試兩種設計方案的循跡效果差別很小。所以本設計將7個灰度傳感器并聯構成一排循跡，在機器人的前面和后面分別安裝一組，分別用于前進循跡和后退循跡。

圖3 非對稱分布型傳感器

2.2 紅外避障傳感器的選擇

避障傳感器的基本原理是利用物體的反射性質。即發出一束紅外光，如果沒有障礙物遮擋，紅外線隨著傳播距離的增加而衰減，而傳播過程中遇到障礙物，紅外線將被反射回避障傳感器的的接受頭，根據這個信號確定障礙物的距離。本設計選擇E18-D80NK紅外避障傳感器主要是該傳感器具有探測距離遠、受可見光干擾小、價格便宜、易于裝配、使用方便等特點。如圖4所示為E18-D80NK紅外避障傳感器的管腳連接圖，有三個引腳依次為電源（紅）、地線（黑）和信號線（黃）。

圖4 避障傳感器連接圖

2.3 壓力傳感器的選擇

壓力傳感器選用單片機稱重AD模塊HX711，采用24位高精度的A/D轉換器芯片hx711，具有兩路模擬通道輸入，內部集成128倍增益可編程放大器，是一款理想的高精度、低成本采樣前端模塊[6]。本設計將輸入電路配置為提供橋壓的電橋模式。壓力傳感器的電路圖如圖5所示。

圖5 壓力傳感器原理圖

2.4 語音模塊的選擇

語音播報模塊選用MXH040芯片。它可播放語音時間長，最長可達80s，存放語音文件數量大，支持播放不同采樣率的語音文件[7]，具有多種可選擇的控制模式等。在本設計中主要采用按鍵控制模式，并通過STM32單片機的P2口來觸發語音播報。當機器人送餐過程中遇到障礙物時語音播報芯片提示“請您讓一下路，謝謝”。 當機器人到達指定餐桌時，語音模塊播報“您的餐已送到，請您用餐，謝謝”。當壓力傳感器檢測到壓力為零之后，語音模塊播報“請您收拾一下餐桌上的空盤，拜拜，謝謝”，這時機器人自主按原路返回，完成一次送餐。硬件電路如圖6所示。

圖6 語音模塊原理圖

3 軟件系統設計

測試過程中餐桌位置及循跡線如圖7所示，送餐機器人沿著設定的路線循跡，設定好餐桌號后機器人會選擇相應的位置送餐。

系統軟件流程圖如圖8所示，啟動后，當服務員放好餐后，設置目的地餐桌號，首先判斷奇數餐桌號還是偶數餐桌號，若檢測到奇數餐桌號，則左側傳感器（1號傳感器）檢測路口并使COUNT1計數器加一，判斷COUNT1是否等于餐桌號，若相等轉彎并循跡，當1號和7號傳感器同時檢測到白線時，停止并送餐；若檢測到偶數餐桌號，則右側傳感器（7號傳感器）檢測路口并使COUNT2計數器加一，判斷COUNT2是否等于餐桌號，若相等轉彎并循跡，當1號和7號傳感器同時檢測到白線時，停止并送餐。

圖7 餐桌布置示意圖

圖8 系統軟件流程圖

4 結語

經過模型測試，餐廳智能服務機器人實現了預期的功能，能夠穩定的沿著設定的白線循跡，當遇到前方有人通過時，機器人會自動語音提示，同時能夠準確的檢測到設定的餐桌號，到達目的地后，自動提示顧客取餐，當壓力傳感器檢測到為0時，會自動按原返回。餐廳服務機器人模擬完成人類服務員的各項工作流程，實現多個機器人協作之間不發生碰撞，做到了送餐的快速性和準確性。

[1] 胡振旺.基于STM32的家庭服務機器人系統設計[D].廣州：廣州工業大學,2015：1-69.

[2] 于清曉.輪式餐廳服務機器人移動定位技術研究[D].上海：上海交通大學,2013：1-40.

[3] 陳鈺鍵.智能服務機器人軟件系統設計[D].沈陽：東北大學,2011：1-30.

[4] 擺玉龍,楊利君,董存輝.基于MC9S128的電磁導航智能車的設計與實現[J].測控技術,2011,30(11)：59-64.

[5] 宮紀波.基于紅外反射循跡小車的傳感器布局研究[J].工業控制計算機,2009,22(8)：97-98.

[6] 蘇杰仁,張立程,院蓮.尋軌式語音播報送餐機器人系統的軟硬件設計[J].單片機與嵌入式系統應用,2015,8：59-62.

[7] 李琳,王茂海.基于AT89C2051單片機和WT588D-U語音模塊的語音報價系統設計[J].科技信息,2015,15：525-526.

TP242.3

甘肅政法學院科研資助項(編號GZF2014XQNLW03)。