譚等泰

（甘肅政法學(xué)院公安技術(shù)學(xué)院，甘肅 蘭州 730070）

智能餐廳服務(wù)機(jī)器人系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)*

譚等泰

（甘肅政法學(xué)院公安技術(shù)學(xué)院，甘肅 蘭州 730070）

隨著科學(xué)技術(shù)的高速發(fā)展，機(jī)器人正逐步走進(jìn)人們的生活。分析了現(xiàn)有餐廳服務(wù)機(jī)器人的優(yōu)缺點(diǎn)后，設(shè)計(jì)了一種多功能智能化的餐廳服務(wù)機(jī)器人，采用STM32作為機(jī)器人的核心控制器，完成機(jī)器人的循跡、語(yǔ)音播報(bào)和紅外避障等控制功能，同時(shí)決策多個(gè)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)位置和路徑，達(dá)到機(jī)器人送餐的快速性和準(zhǔn)確性。經(jīng)模型測(cè)試，該餐廳服務(wù)機(jī)器人具有操作簡(jiǎn)單、穩(wěn)定、成本低、實(shí)用性強(qiáng)等特點(diǎn)，具有廣闊的發(fā)展空間。

餐廳服務(wù);循跡;語(yǔ)音播報(bào);紅外避障

隨著機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，機(jī)器人已經(jīng)廣泛應(yīng)用在生活的各個(gè)方面，目前常見(jiàn)的機(jī)器人有家庭服務(wù)機(jī)器人、助老助殘機(jī)器人、農(nóng)業(yè)機(jī)器人、工業(yè)機(jī)器人和安防機(jī)器人等。但是絕大多數(shù)服務(wù)機(jī)器人技術(shù)水平尚未成熟，與實(shí)際應(yīng)用有一定距離。國(guó)內(nèi)在服務(wù)機(jī)器人研究領(lǐng)域起步較晚，與日本、美國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家存在較大差距，由于服務(wù)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)潛在的價(jià)值，我國(guó)也加強(qiáng)了在服務(wù)機(jī)器人領(lǐng)域的研究。餐廳服務(wù)機(jī)器人屬于服務(wù)機(jī)器人的一個(gè)種類，它主要是為現(xiàn)代化的餐廳提供送餐、點(diǎn)餐等功能[1]。

當(dāng)下我國(guó)機(jī)器人的應(yīng)用十分廣泛并且種類繁多，形式多樣，而應(yīng)用于餐飲行業(yè)的機(jī)器人相對(duì)較少[2]。由于勞動(dòng)力成本的提高，餐廳服務(wù)人員的人力成本支出越來(lái)越高，如在日本、香港，普通服務(wù)員的工資和產(chǎn)業(yè)工人的工資已經(jīng)不相上下。如果使用機(jī)器人代替部分服務(wù)員為顧客服務(wù)，如點(diǎn)菜、送餐，不但能提高服務(wù)效率，減少服務(wù)人員的數(shù)量，更能建立餐廳特色，打造餐廳品牌，進(jìn)而降低勞動(dòng)力成本[3]。餐廳服務(wù)機(jī)器人作為一類特殊的公共服務(wù)機(jī)器人，是一套具有自主性、適應(yīng)性和交互性的綜合系統(tǒng)，集成了移動(dòng)機(jī)器人技術(shù)、多任務(wù)集成、人機(jī)交互、多模態(tài)分析、路徑規(guī)劃等技術(shù)。因此，研究和開(kāi)發(fā)餐廳服務(wù)機(jī)器人系統(tǒng)，具有十分重要的意義和推廣應(yīng)用價(jià)值[4]。

本文設(shè)計(jì)了餐廳服務(wù)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)，模擬完成人類服務(wù)員的各項(xiàng)工作流程，并且對(duì)多個(gè)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行控制，完成路徑規(guī)劃，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人送餐路徑最短，多機(jī)器人的相互協(xié)作，達(dá)到送餐的快速性和準(zhǔn)確性。

1 系統(tǒng)概述

餐廳服務(wù)機(jī)器人的總體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。采用模塊化的設(shè)計(jì)原則，將該服務(wù)機(jī)器人分為五個(gè)模塊：STM32控制器、傳感器模塊、語(yǔ)音模塊、運(yùn)動(dòng)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(tǒng)采用STM32單片機(jī)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(cè)行人，語(yǔ)音模塊播報(bào)日常用語(yǔ)，步進(jìn)電機(jī)及驅(qū)動(dòng)模塊作為動(dòng)力，同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)智能機(jī)器人的速度、位置、運(yùn)行狀況的實(shí)時(shí)控制。系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一個(gè)電源開(kāi)關(guān)、一個(gè)模式開(kāi)關(guān)、一個(gè)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(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 各模塊的算法設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 循跡傳感器的設(shè)計(jì)

循跡傳感器設(shè)計(jì)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(fā)光二極管、一只光敏三極管、一只限流電阻和一直可調(diào)滑動(dòng)變阻器構(gòu)成，如圖2（A）所示。由于檢測(cè)面對(duì)光的反射強(qiáng)度不同，通過(guò)光線控制光敏三極管基極的截止和導(dǎo)通，就可以檢測(cè)此光線的強(qiáng)度并將其轉(zhuǎn)換為電平信號(hào)。如果地面上貼有白色引導(dǎo)線，在白色引導(dǎo)線和檢測(cè)面上的返回值差別比較大，在白線上應(yīng)輸出應(yīng)接近0V，在檢測(cè)面上應(yīng)接近5V，由于在復(fù)雜的環(huán)境下光線容易受外界的干擾，電平在引導(dǎo)線和檢測(cè)面上會(huì)變化比較大，無(wú)法達(dá)到理論要求，為此引入電壓比較器，如圖2（B）所示，調(diào)節(jié)基準(zhǔn)電壓來(lái)穩(wěn)定的區(qū)分輸入的電平信號(hào)，相當(dāng)于模擬信號(hào)數(shù)字化?；鶞?zhǔn)電壓如1式所示。

灰度傳感器循跡時(shí)，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(shè)計(jì)簡(jiǎn)單但不利于對(duì)彎道信息的采集。而非均勻排布恰好克服了這一缺點(diǎn)，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(diǎn)引射線與傳感器相交，射線之間夾角相等，交點(diǎn)為傳感器的分布點(diǎn)。如圖3所示。

由于餐廳服務(wù)機(jī)器人的路徑是自行設(shè)計(jì)的，經(jīng)過(guò)測(cè)試兩種設(shè)計(jì)方案的循跡效果差別很小。所以本設(shè)計(jì)將7個(gè)灰度傳感器并聯(lián)構(gòu)成一排循跡，在機(jī)器人的前面和后面分別安裝一組，分別用于前進(jìn)循跡和后退循跡。

圖3 非對(duì)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(zhì)。即發(fā)出一束紅外光，如果沒(méi)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(guò)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(jù)這個(gè)信號(hào)確定障礙物的距離。本設(shè)計(jì)選擇E18-D80NK紅外避障傳感器主要是該傳感器具有探測(cè)距離遠(yuǎn)、受可見(jiàn)光干擾小、價(jià)格便宜、易于裝配、使用方便等特點(diǎn)。如圖4所示為E18-D80NK紅外避障傳感器的管腳連接圖，有三個(gè)引腳依次為電源（紅）、地線（黑）和信號(hào)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(jī)稱重AD模塊HX711，采用24位高精度的A/D轉(zhuǎn)換器芯片hx711，具有兩路模擬通道輸入，內(nèi)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(shè)計(jì)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(yǔ)音模塊的選擇

語(yǔ)音播報(bào)模塊選用MXH040芯片。它可播放語(yǔ)音時(shí)間長(zhǎng)，最長(zhǎng)可達(dá)80s，存放語(yǔ)音文件數(shù)量大，支持播放不同采樣率的語(yǔ)音文件[7]，具有多種可選擇的控制模式等。在本設(shè)計(jì)中主要采用按鍵控制模式，并通過(guò)STM32單片機(jī)的P2口來(lái)觸發(fā)語(yǔ)音播報(bào)。當(dāng)機(jī)器人送餐過(guò)程中遇到障礙物時(shí)語(yǔ)音播報(bào)芯片提示“請(qǐng)您讓一下路，謝謝”。 當(dāng)機(jī)器人到達(dá)指定餐桌時(shí)，語(yǔ)音模塊播報(bào)“您的餐已送到，請(qǐng)您用餐，謝謝”。當(dāng)壓力傳感器檢測(cè)到壓力為零之后，語(yǔ)音模塊播報(bào)“請(qǐng)您收拾一下餐桌上的空盤，拜拜，謝謝”，這時(shí)機(jī)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(yǔ)音模塊原理圖

3 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

測(cè)試過(guò)程中餐桌位置及循跡線如圖7所示，送餐機(jī)器人沿著設(shè)定的路線循跡，設(shè)定好餐桌號(hào)后機(jī)器人會(huì)選擇相應(yīng)的位置送餐。

系統(tǒng)軟件流程圖如圖8所示，啟動(dòng)后，當(dāng)服務(wù)員放好餐后，設(shè)置目的地餐桌號(hào)，首先判斷奇數(shù)餐桌號(hào)還是偶數(shù)餐桌號(hào)，若檢測(cè)到奇數(shù)餐桌號(hào)，則左側(cè)傳感器（1號(hào)傳感器）檢測(cè)路口并使COUNT1計(jì)數(shù)器加一，判斷COUNT1是否等于餐桌號(hào)，若相等轉(zhuǎn)彎并循跡，當(dāng)1號(hào)和7號(hào)傳感器同時(shí)檢測(cè)到白線時(shí)，停止并送餐；若檢測(cè)到偶數(shù)餐桌號(hào)，則右側(cè)傳感器（7號(hào)傳感器）檢測(cè)路口并使COUNT2計(jì)數(shù)器加一，判斷COUNT2是否等于餐桌號(hào)，若相等轉(zhuǎn)彎并循跡，當(dāng)1號(hào)和7號(hào)傳感器同時(shí)檢測(cè)到白線時(shí)，停止并送餐。

圖7 餐桌布置示意圖

圖8 系統(tǒng)軟件流程圖

4 結(jié)語(yǔ)

經(jīng)過(guò)模型測(cè)試，餐廳智能服務(wù)機(jī)器人實(shí)現(xiàn)了預(yù)期的功能，能夠穩(wěn)定的沿著設(shè)定的白線循跡，當(dāng)遇到前方有人通過(guò)時(shí)，機(jī)器人會(huì)自動(dòng)語(yǔ)音提示，同時(shí)能夠準(zhǔn)確的檢測(cè)到設(shè)定的餐桌號(hào)，到達(dá)目的地后，自動(dòng)提示顧客取餐，當(dāng)壓力傳感器檢測(cè)到為0時(shí)，會(huì)自動(dòng)按原返回。餐廳服務(wù)機(jī)器人模擬完成人類服務(wù)員的各項(xiàng)工作流程，實(shí)現(xiàn)多個(gè)機(jī)器人協(xié)作之間不發(fā)生碰撞，做到了送餐的快速性和準(zhǔn)確性。

[1] 胡振旺.基于STM32的家庭服務(wù)機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D].廣州：廣州工業(yè)大學(xué),2015：1-69.

[2] 于清曉.輪式餐廳服務(wù)機(jī)器人移動(dòng)定位技術(shù)研究[D].上海：上海交通大學(xué),2013：1-40.

[3] 陳鈺鍵.智能服務(wù)機(jī)器人軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D].沈陽(yáng)：東北大學(xué),2011：1-30.

[4] 擺玉龍,楊利君,董存輝.基于MC9S128的電磁導(dǎo)航智能車的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].測(cè)控技術(shù),2011,30(11)：59-64.

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[7] 李琳,王茂海.基于AT89C2051單片機(jī)和WT588D-U語(yǔ)音模塊的語(yǔ)音報(bào)價(jià)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].科技信息,2015,15：525-526.

TP242.3

甘肅政法學(xué)院科研資助項(xiàng)(編號(hào)GZF2014XQNLW03)。