一種智能迎賓機器人的設計與實現

鄭州科技學院電氣工程學院 孫士儒 趙明冬

針對國內各行業對服務理念要求的不斷提高，設計了一種能夠代替人工進行迎賓和指引工作的機器人。該機器人以STM32F0407IGT6為核心，采用三輪驅動的行動方式，通過RFID技術和磁導航模塊構建循經路線，通過微控制器和上位機之間的通信來驅動機器人做出相應動作，利用上位機與語音模塊的通信來完成語音交互。同時利用超聲波模塊構建其避障系統，利用LED等顯示手段構建其面部表情系統等。

一、概述

機器人技術融合了電子技術、控制技術、計算機技術、機械設計、材料科學、美工設計等多個學科技術，是人工智能的重要發展方向之一。目前市場上商業化較早、應用較多的機器人是工業機器人，如機器人手臂等。隨著經濟的發展，越來越多的行業需要用機器人來提高生產效率或者代替人工完成一些危險性、重復性的操作（高愛宇,張國恒,等.智能迎賓機器人[J].甘肅科技,2013.）。在這個行業背景下，本文提出了一種應用于酒店、商場、展廳、科技館等場所的，具有智能語音對話、來賓識別、自主迎賓、客戶引領、語音播報、觸屏互動、自動回位等功能的一種智能化迎賓機器人的設計方案。

二、方案設計

（一）總體方案設計

智能迎賓機器人設計實現功能主要有：來賓檢測，自動向前迎賓并問好；利用語音識別模塊實現互動對話、信息講解，如介紹公司信息，講解展臺信息、服務信息等；引導功能：根據客戶想要辦理的業務，能夠預置各種引導服務，如銀行服務中的開戶業務、查詢業務等。通過語音識別，自動按服務類別移動到相應窗口并播放對應的指引語音，服務結束，返回迎賓起始點；面部表情隨動功能：根據服務類型可設定多種表情組合。

智能迎賓機器人總體設計主要包括以下七個部分：底盤運動系統、自主循徑系統、賓客識別電路、語言識別模塊、上位機通信系統、面部表情模塊和電源模塊。

（二）智能迎賓機器人的硬件組成

1.系統內核介紹

機器人主控芯片選擇功能較為強大的STM32F407IGT6處理器，主頻可達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、USB Host、USB Device等眾多硬件接口，集成128MB NAND Flash，提供文件系統支持，適合存儲一些MP3文件、字庫文件等。集成16MB NOR Flash，可用來存儲背景圖片和漢字點陣字庫。功能強大的片上資源、多種多樣的外設接口使得STM32F407IGT6處理器特別適合應用于機器人控制等復雜應用的場合。

2.底盤運動系統組成

機器人底盤裝有2個中大Z4BLD60-24GN型無刷直流電機，差動驅動全身，可以完成前進、后退、左轉、右轉、360°轉向等功能。底盤材質選用鋁制，強度適中，耐腐蝕性好，可處理成銀白色光澤，較為美觀。為增強通過性，機器人驅動輪選用聚氨酯輪，強度高、耐磨性好。行動機構采用了自制聯軸器和輪轂的方式固定，運行穩定，拆裝方便。智能迎賓機器人的底盤結構如圖1所示。

圖1 智能迎賓機器人底盤結構設計圖

3.自主循徑系統組成

目前機器人的自主循徑技術已有多種實現方式，例如循線式、循磁式等，綜合了成本和技術成熟度的考量，本設計中采用了磁導航的自主循徑方式。磁導航傳感器檢測精度較高，且鋪設方便，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，保證營業場所的美觀（黃敦華,汪雅楠,周寶海.校園內導游服務型自主移動機器人設計與實現[J].微計算機信息,2010.）。

導航選用了興頌科技公司型號為CNS-MGS-08的磁導航傳感器產品。CNS-MGS-08傳感器有8個間隔10mm的檢測磁點，在磁帶寬度低于30mm時有非常高的識別精度，滿足我們的應用需求。

定位模塊采用了杰晟達公司RFID傳感器EMR-06A來讀取RFID地標卡，實現準確定位。EMR-06A是一款基于射頻識別技術的低頻RFID標簽傳感器，傳感器工作頻率為125KHZ，內部集成了RFID射頻收發器和RS-232通信接口，我們可以方便的通過PC、PLC、單片機等帶有RS-232串行接口的設備讀取標簽內數據（劉林.基于RFID的智能跟蹤機器人的設計[J].計算機測量與控制,2015.）。

4.避障系統組成

圖2 迎賓機器人系統硬件結構圖

底盤前方120度的范圍內裝有3個導向科技公司的高精度KS103超聲波傳感器，可以探測本體至前方較大范圍的障礙物距離，以實現避障功能。KS103模塊包括了實時溫度補償功能的距離探測，探測精度更高，最高探測距離可達10米，探測頻率500Hz，支持5s未收到控制指令自動休眠和瞬時喚醒功能，內置了可調濾波降噪技術，支持串口和I2C兩種接口模式，本設計中使用I2C接口大大節省了主控芯片的資源。

5.賓客識別電路

迎賓人體感應采用HC-SR501人體感應模塊，自動檢測前方3米扇形范圍內訪客的到來，可控制行動機構主動向前接待并問好。

人體紅外感應模塊采用HC-SR501模塊，它基于紅外線技術、靈敏度高、可靠性強、超低功耗的熱釋電模塊。HC-SR501模塊主要用于檢測迎賓機器人正前方是否有人接近，感應距離約0.5m，當前方大概0.5m處有人接近時，模塊檢測到人體紅外光就會把觸發信號傳送到微處理器，微處理器響應觸發信號控制語音芯片播放迎賓語音。

圖3 智能迎賓機器人外觀圖

6.語音識別模塊

語音識別采用ASR TMS-A非特定人聲識別模塊進行互動對話，并能介紹公司信息，講解展臺信息、服務信息等。該模塊為客戶提供了一種易學易用的非特定人語音識別功能，識別結果可以通過串口自定義16進制編碼形式作為內容輸出，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、ARM等具備TTL電平的串口直接相連。

綜合以上硬件模塊，本設計中智能迎賓機器人的總體硬件系統框圖如圖2所示。

（三）智能迎賓機器人的軟件組成

1.主控芯片軟件設計

本系統采用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電機驅動器、磁導航模塊、RFID讀卡器和LED表情模塊的控制，使用I2C接口讀取三個超聲波模塊的數據。

2.上位機的通信方式

上位機檢測虛擬串口（USB-SERIAL CH340(COMx)）上接收到的語音模塊的16進制返回值，根據事先定義好的功能表，查詢相應的指令，通過RS-485接口將指令傳送到主控芯片完成相應操作（黃國炎.一個迎賓機器人軟件系統的設計與實現[D].武漢:華中科技大學,2014.），包括相應業務窗口導航、返回迎賓起始點等。

3.人機界面的軟件設計

上位機的人機交互程序采用Delphi開發工具編寫，為用戶提供友好的操作界面。可以實現機器人工作模式切換、手動返回迎賓起始點和呼叫工作人員等操作。

（四）智能迎賓機器人的外觀設計

本設計中的機器人外觀由團隊中的美工人員設計，團隊成員提出改進意見，制作AutoCAD圖紙，逐步優化最終設計完成。經過討論，玻璃鋼具有輕質性、耐腐蝕性、可設計性好、工藝性能優良、性價比高等優點，機器人的外殼最終采用了玻璃鋼材質制作，達到了設計目的。智能迎賓機器人外觀如圖3所示。

三、結束語

經過樣機的制作與調試，本文所設計的迎賓機器人能夠較好地完成實現迎賓、引導、語音交互等功能。科技型的外觀設計、系統化的功能考慮可以使得該機器人裝置在產品化之后得到很好的應用。目前產品設計尚處于樣機試運行階段，一些高級功能尚未開發完成。但可以預見的是，智能迎賓機器人的后續可擴展的功能也十分豐富，如頭部轉動，人臉識別，利用kinect技術實現動作捕捉等等。由此可見，智能迎賓機器人行業在未來還有巨大的市場潛力。