商場智能服務機器人的設計

文/李猛 鄭召斌 田立國 王岳松

1 引言

服務機器人作為一種半自主或全自主工作的機器人，能夠完成有益于人類的服務工作，如搬運、清潔、救援等。隨著智能服務機器人逐漸走進人們的社會生活領域，它將對提高人類生活質量和服務行業帶來深刻的影響。

本文在對國內外服務機器人發展狀況和技術研究的基礎上，選擇應用于商場內的智能導航服務機器人為研究對象，設計了一種集感知、導航、人機交互、飲料瓶回收等功能于一體的商場智能服務機器人。

2 系統總體設計

智能服務機器人的總體設計包含機械系統與控制系統設計兩大部分：機械系統的設計主要完成機器人的移動底盤、機械手等結構；控制系統則實現對機器人的功能控制，如完成行走、避障、導航、交互等功能，控制系統又分為硬件系統和軟件系統兩部分。系統總體設計框圖如圖1所示。

3 機械結構設計

根據機器人的運動功能要求和工作環境，設計機器人的機械結構包括以下功能：

（1）機器人底盤能實現前進、后退和靈活轉向的運動功能，具備自定位和自主移動能力；移動速度能在0.1-0.5m/s內；

（2）機器人的手臂可以完成招手，引導和飲料瓶回收等基本動作；

（3）機器人頭部能實現左右擺頭（轉動）和上下點頭的工作；

（4）機器人外形完美，親和力強，身高1.2M左右，體重在30-40公斤內，且能保證人機交互過程的安全性。

4 控制系統設計

機器人整個控制系統由STM32控制器和PC工控機兩部分組成，兩個系統之間通過HTTP-POST進行通訊：其中下位機部分以STM32控制器為中心，搭載自主導航定位模塊和各類傳感器，接收上位機發出的各類指令控制機器人的行走、避障等；上位機部分則以工控機為中心，運行機器人應用程序，對下位機發出控制指令，實現定位導航、人機交互燈功能，系統原理圖如圖2所示。

4.1 硬件設計

4.1.1 處理器控制模塊

處理器模塊是整個控制系統的核心模塊，其性能好壞直接決定整個系統的運行效果。本文中的下位機控制器選擇高性能的STM32微處理器，其具有豐富的I/O口外設，多個通信接口，支持多種中斷，滿足了該機器人系統的需要。

4.1.2 電機驅動模塊

電機驅動模塊采用L298P雙路2A直流電機驅動，用于驅動商場智能服務機器人的2個直流電機，實現機器人的移動控制。

4.1.3 定位導航模塊

定位導航模塊采用思嵐模塊化自主定位導航解決方案，由高性能激光雷達RPLIDAR A2和定位導航控制核心SLANWARE Core組成，可使機器人實現自主定位、自動建圖、路徑規劃和自動避障，實現了機器人在商場內的自主行走。

4.2 軟件設計

商場智能服務機器人系統的軟件平臺設計包括下位機控制程序和上位機應用程序兩大部分：

下位機控制程序主要實現機器人的行走、避障、傳感器數據采集以及與上位機的通信功能，屬于商場智能服務機器人的底層控制。

上位機應用程序則通過對激光數據的處理建立商場環境的地圖，實現智能服務機器人的定位導航功能；同時采用語音識別、圖像處理技術更好的實現了用戶與機器人之間的交互。

上位機應用程序采用面向對象的C++編程語言，基于Visual Studio 2010開發環境進行開發，控制系統軟件則采用嵌入式uc/OS-II操作系統來實現，兩者之間采用基于TCP/IP協議進行通信。

圖2：系統原理圖

5 結論

隨著科技與服務機器人技術的不斷發展，服務機器人也越來越受到人們的關注，生活中的多個領域已廣泛應用到各種服務機器人。本文研究的商場智能服務機器人，定位于商場內的定位導航、語音交互等功能，具有廣闊的應用開發與市場前景。