餐厅服务机器人的研究

姚墨迪　王刘菲　冯淑元

摘要：餐厅服务机器人是一种能够通过编程手段完成特定任务的小型化机器人，它具有制作成本低廉，电路结构简单，程序调试方便等优点.由于具有很强的趣味性，餐厅服务机器人深受广大机器人爱好者以及餐厅工作人员的喜爱.本论文介绍的是具有自动避障功能，能够自动循迹进给的智能机器人的设计与制作，论文对智能机器人的方案选择，设计思路，以及软硬件的功能和工作原理进行了详细的分析和论述.经实践验收测试，该智能机器人的电路结构简单，调试方便，系统反映快速，灵活，设计方案正确，可行，各项指标稳定，可靠。

关键词：智能；自动循迹；自动避障；稳定；可靠

中图分类号：G712 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2016）15-0070-02

一、概述

随着大数据、云计算、移动互联网等新一代信息技术同智能机器人技术相互融合步伐的加快，国际机器人联合会预测，“机器人革命”将开启数万亿美元的市场。显然，“智能机器人”将在工业、服务业、军事、航空航天等领域发挥越来越重要的作用。机器人不只是应用于高端产业，机器人也可以应用于生活，寓于娱乐，给更多的人带来欢笑。相信随着科技的发展和创新意识的提高，机器人的推广和应用。

现代服务业属于第三产业，其发展日益受到人们的重视。一直以来，机器人的发展都受到全世界的关注，民用的却很少问世，原因在于其价格昂贵、技术较高端，难为大众所接受，社会对其的研究质疑之声始终不绝于耳。所以全球关于廉价机器人在服务业代替人类工作的研究基本上是一个空白。而廉价机器人的应用，将对服务业的发展起到强劲的推动和改革作用。在过去十余年间，餐饮业发展速度远远超过GDP的发展水平，常年保持在年增长率20%以上。随着国民经济的发展，餐饮业仍有很大的增长空间，2010年我国餐饮业持续增长的态势将进一步巩固，中国餐饮业将跨入新的发展阶段。目前，餐饮服务业使用的机器人在国内外基本尚未出现，在中国乃至世界，关于机器人在社会服务行业代替人类工作领域的研究，可以说是一个空缺。因此，机器人应用于服务业具有十分重要的意义和推广应用价值。目前，餐饮服务业使用的机器人在国内外基本尚未出现，在中国乃至世界关于机器人在社会服务行业代替人类工作领域研究基本上是一个空缺，基本上没有进行类似研究。对于机器人的应用大部分在军事、救援等，并且许多国家基本上都进行类似研究，如以色列研究的可在高危环境下撤离伤员的机器人，代替人类工作；我国也开展了井下探险救援机器人。而且据调查，现代服务业大体相当于第三产业，根据服务业的发展规律，服务业终将崛起为主流业态，而且发展前景广阔、潜力巨大。而现在关于自动化研究领域美国等一些国家的技术是相当发达的，但是目前对于机器人在服务业的应用世界上几乎没有做过类似研究，所以对于我国这是一个机会也是一个挑战。因此，机器人应用于服务业具有十分重要的意义和推广应用价值，针对其中一方面我们大胆尝试设计了用单片机控制的餐厅智能服务机器人模型，工作在餐厅代替较多的服务者工作，节省人力，降低餐厅运营成本，提高服务效率。

二、研究背景

机器人有多种形式，可以从多个角度给机器人分类；从机器人的发展经历来看，从低级到高级分为三代机器人。第一代机器人主要是指只能以“示教—再现”方式从事工作的工业机器人。示教内容包括机器人操作机构的运行轨迹、作业条件、作业顺序等。示教方式是操作员“手把手”地直接做，或是通过操作台演示一遍工作过程，机器人即可一模一样地不断循环学来的操作。目前国际上商品化、实用化的机器人商品都属于这一类。第二代机器人属于智能机器人。它具有感知环境的能力，它配备了多种传感器，通过它们了解工作环境，通过复杂的逻辑思维，判断决策，在工作环境中独立完成操作。第三代机器人是未来机器人，未来机器人几乎可以替代人类的所有行为，甚至是研发新产品，开拓新的应用领域等。餐厅服务机器人还应定义为第一代机器人，它是一种移动式服务的机器人，具有一定的学习能力，同时也借助一部分传感器识别工作环境，具有一定的独立工作能力。它主要用于餐厅或家政服务，可以用来完成迎宾、引导客人、点餐、厅内送餐等服务项目。餐厅服务机器人的设计面临三方面问题需要解决：如何引导餐厅服务机器人到达指定工位、如何让餐厅服务机器人行走指定路线、如何使餐厅服务机器人平稳取走和平稳放下。其中能够将机器人精确地引导到指定的工作位置是实现移动服务机器人关键的技术环节。

三、研究意义

餐厅服务机器人具体为一种自助餐厅服务机器人，机器人前端中间位置装有用于循迹的摄像头，循迹线铺置在餐厅过道或传菜通道，停止线在就餐区与循迹线垂直铺置，当机器人识别出停止线时，机器人则停止10秒钟，并在LCD显示器上进行倒计时显示，2个后轮作为驱动轮形成速度闭环控制，控制前轮转向的舵机形成位置闭环控制，机器人两侧装有与直流电机轴相连接的平板托盘构成为位置闭环控制。机器人结构简单、价格低廉，运行稳定，能够有效地实现送取食物和餐具的功能，能够提高餐厅的管理水平与运行的自动化程度，可应用于自助餐厅等服务场所。服务机器人可根据装在的饭菜桌位号自动排序、选择最近路径行走，检测到第一个要送目的地址后，车停止行进。载物盘自动旋转，语音提示就餐者取走自己的饭菜。当饭菜全部取走后、服务车自动启动、沿路线向第二个目的地行走、当检测到第二个要送目的地址后、车停止行进。语音提示就餐者取走自己的饭菜，依次类推、直到所有饭菜已取完。服务机器自动识别到所有饭菜已取完。启动车子返回起点。收物：将拨码开关2拨通，并输入需要收拾的第一个桌位号，按启动键；服务员走到桌位前直接整理收拾桌子，待服务车到位后便可将收拾好的盘子和垃圾等物品装入车内；然后服务员输入下一个所需收拾的桌位号、同时启动服务车向下一个桌位前进。当车已装满物品或需要直接返回起點、服务人员直接按启动键，服务车接受到返回指令、直接返回起点。

四、研究现状和发展趋势

智能机器人发展很快，从智能玩具到其他各行业都有实质成果。近些年，国内的科研机构和企事业在机器人的研发领域开展了大量工作。在北京，各高校和研究所已经形成区域优势。北京航空航天大学、清华大学、中科院北京自动化所、北京理工大学等单位都做了非常重要的研究工作，也取得了很多的成果。在上海，政府投入力度很大，举办中国国际机器人展览暨研讨会。复旦大学和上海交通大学等高校都做了很有特色的研究工作。在东北，沈阳自动化所、哈尔滨工业大学等研究机构在专用机器人方面具有优势。像中科院沈阳自动化所于2000年开发和研制成功六千米无缆自治水下机器人。深圳在机器人产业涉及的计算机、传感器、通讯、精密机械、光电一体化等领域具有优势，在产业发展过程中积聚了优势技术资源和创新能力，同时拥有良好的产业配套能力。作为全国高科技重镇，深圳目前在机器人产业已具备一定的技术实力和产业基础。

五、引导方案的选择

餐厅服务机器人要往返于餐桌和食品加工间进行工作，如何让机器人按指令到达工位是机器人能否实现送餐服务的关键。移动机器人达到目标的前提是识别目标或者知道自身的坐标和目标的坐标，利用传感器技术识别目标特征信号，是目前目标识别的主要途径和方法。当目标没有明显特征信号提供时（绝大部分是这种情况），需要人为地在目标上加入特征信息以供检测识别。常见的目标识别方法有图像识别、红外线识别、超声波识别等方法。

1.图像识别。在每一个工位上做上特定标识，比如不同的颜色板，摄像头根据指令寻找不同颜色板而选择目标，到达目标。这种方法的优点在于设备比较简单、系统集成容易、识别技术成熟。其弊端是主要有两方面——其一是容易遮挡，机器人本身身高较低，低于80cm，来往行人和桌椅很容易遮挡视线；其二是颜色板不可能做得太大，距离远了不容易识别，颜色板至少应该有三面或圆柱面，保证所有角度能看到，容易受顾客穿相同颜色的衣服干扰。对于这种弊端，其解决办法主要有提高摄像头位置、采用变焦镜头、采用更复杂的图像识别算法等。

2.红外线识别。在每个工位上安装一个红外辐射源，机器人上安装红外接收传感器，例如，光电池、光电三极管等，由上位机控制红外源发光，机器人通过搜寻红外信号到达目标。这种方法的主要弊端是，红外源的指向角较大时，需要很大的发射功率，否则达不到工作区域覆盖面。另外与图像识别一样，也有遮挡问题。

3.超声波识别。在工作环境上方安装多个受控的超声波接收器，机器人上安装超声波接收器，通过机器人发超声波，接收器接到机器人的超声波信号判断出机器人的坐标位置，并通过无线传输给机器人，机器人利用已知的目标坐标和自己当前的坐标计算出行驶路线，到达目标。这种方式可行之处在于遮挡影响不明显，而且通过简单的判断即能规避随机遮挡。

六、结论

服务机器人必将在更广阔的领域广泛应用。在设计过程中，由于电机的反复运转引起电压不稳定，导致机器人未按照规定的赛道奔跑，出现乱跑现象，经过稳压芯片从而使电压恢复正常。对于机器人的大致模型也建立完成。通过构建智能机器人系统，培养设计并实现自动控制系统的能力。在实践过程中，熟悉以单片机为核心控制芯片，设计机器人的检测、驱动和显示等外围电路，采用智能控制算法实现机器人的智能循迹。灵活应用机电等相关学科的理论知识，联系实际电路设计的具体实现方法，达到理论与实践的统一。

参考文献：

[1]谭民，王硕.机器人技术研究进展[J].自动化学报，2013，（7）：963-972.

[2]任烨，蒋焕煜.农业机器人末端执行件的研究发展[J].农机化研究院，2007，（3）：201-203.

[3]远国勤.IRB2400/10型机器人末端夹持器的设计及参数优化[D].吉林大学，2006.

[4]赵家贵，付小美，董平.新编传感器电路设计手册[Z].中国计量出版社，2002