智能讲解机器人的设计及系统搭建

王荔檬

南宁职业技术学院机电工程学院

智能讲解机器人的设计及系统搭建

王荔檬

南宁职业技术学院机电工程学院

本文通过开展智能讲解机器人的研究，实现讲解机器人的结构设计和系统搭建，所设计机器人具有循迹行走、定点讲解和与障碍急停报警等功能，能够应用于图书馆、博物馆及历史古迹等场所替代人工讲解工作，解决了现有场馆讲解员短缺和工作强度大的问题，具有广泛的推广应用价值。

智能；讲解机器人；电路设计

一、绪论

本文拟设计一智能循迹式讲解机器人，该机器人能够在博物馆和展览馆等场所使用，按照场所预定最佳讲解路径行走且在预设地点进行精确定点讲解，同时针对博物馆和展览馆等场所的儿童较多的情况，设置机器人在运动过程中具有遇到障碍急停以及语音报警功能。

通过相关文献查询和实际工作条件的探讨，本文设计智能机器人拟包括以下几项功能：

（1）讲解机器人的循迹行走；

（2）讲解机器人的运动底盘结构设计；

（3）讲解机器人的定点讲解；

（4）讲解机器人遇障时的紧急停止；

（5）讲解机器人的搭建和运行调试。

二、智能讲解机器人的结构设计

讲解机器人的框架结构作为机器人电控组件的安装平台和整体机器的支撑部分，起着至关重要的作用，对于它的设计要综合考虑机器人的行走方式、结构组件及控制方式等，本章通过以下几个部分来确定智能讲解机器人的最终结构。

船舶设备在安装中由于组件安装的体积较大，重量较大，因此在安装中通常借助起吊机，手工辅助机械装置，进行相关组件设备的安装。在此过程中分析大型组件设备安装中的减振措施，对于设备安装中的准确性提升意义重大。具体分析在实际发展中设备安装准确性的保障，对于设备后期的应用质量保障，以及设备的实际应用效果提升奠定了良好的基础。其中具体分析船舶设备安装的准确性，主要体现在船舶设备安装位置，安装高度，安装水平度的准确性，确保其设备组件后期在运行中的稳定性和合格性。

1、运动部件设计

机器人的运动方式主要有轮式和履带式两种，如图1所示，履带式结构主要应用于野外、凹凸地面或沙漠等恶劣环境中，本文所设计讲解机器人主要工作在博物馆或展览馆等室内场所，工作环境比较平坦，且对噪声高低要求较高，据此选用轮式运动结构。轮式结构运动不仅运动精确度高，运动速度快，且能够避免履带式结构运动的噪声较大问题。

图1　轮式运动结构和履带式运动结构

图2　运动底盘三维图

基于选定的轮式运动方式进行本文的运动部件设计，所设计运动底盘结构如图2所示，该运动底盘左右各布置两主动轮，用以控制机器人的运动路径，通过控制板对两主动轮实现差速控制，完成整体机器人依规划路径的运动，同时布置两万向轮作为辅助轮，用以辅助转向运动和缓解上部压力突然增大对结构的冲击。

2、电子舱的设计

智能讲解机器人的控制部分较为精密复杂，为了后期的检修和装配方便。本设计特别为电控组件部分设计专用电子舱用以放置所有的电控元件和电路板，所设计电子舱能够直接从结构中快速拆下，且为电线等排线设计专用道，保证人员安全和避免内部电路相互之间的电磁干扰。

3、讲解机器人的整体底盘设计

基于之前选定的轮式运动方式和电子舱方案的确定，展开整体底盘的设计，底盘充分考虑运动场所和运动方式，以及主要零部件的尺寸，进行整体的设计，并利用三维软件对所设计结构进行组件干涉检查。

4、机器人外形设计

机器人外形设计采用定制化设计，在3D打印机的辅助下，依据用户要求和场所的特点进行定制化、特性化设计，保证了机器人的独特性与创新性，能够给参观者不同的视觉感和新鲜感，对于各个不同主题的展馆，单独设计避免重复性也是更能够保证讲解机器人与场馆的契合性。

三、讲解机器人的电路设计

智能讲解机器人的使用场所预设为博物馆和展览馆等场所，此类场所都具有较为特定的参观和讲解路径，依据场馆的特殊性，选择循迹式行走控制方式作为本文所设计讲解机器人的控制方式，循迹式控制方式能够按照预定路线进行运动，确保路线的准确性，相较于其它控制方式安全性更高。

图3　单片机模块及传感器模块

利用单片机和红外光电传感器实现循迹式运动的控制电路，如图3所示，利用光电传感器对路面进行差色对比，实时分析机器人行走路线是否正确，在机器人行走出现偏移预定轨迹的情况时，传感器安装于小车中心线正上方，单片机通过读取传感器反馈信号并进行PWM调速控制，差速控制左右两主动轮的驱动电机的快速、慢速及停止功能，用以保证底盘中心处于轨迹中心线上方。

除了循迹运动外，本文所设计的智能讲解机器人还应具有遇到障碍物时的紧急停止功能，同样在光电传感器的辅助下，在小车的前进路径感测出现的障碍物并实现紧急停止以保证场馆中的人员安全。本文所设计小车还设置有蓝牙远程遥控程序，增加智能机器人的可操控性和游戏性，对于展览馆等儿童较多的场所更加适宜。

智能讲解机器人的讲解功能利用GPS组件来实现机器人的精确定位及讲解语音的启动，智能讲解利用成型模块实现，所以功能不做具体介绍。

四、讲解机器人的仿真实验

图4　循迹电路测试

本文所设计之智能讲解机器人最重要的功能就是按照预定路线的行走的性能，仿真实验主要测试电路性能，采用缩小版的底盘进行测试，测试过程如图4所示，经过测试可以清楚的看到，所设计电路能够非常好的实现行走功能，在曲线处的转弯也没有非常大的停顿现象，可以用该电路系统实现机器人的控制。

五、总结

本文通过现今机器人对于现实生活的影响为基础，设计了智能讲解机器人的整机结构，并进行了机器人电路系统的运动和避障功能测试，本文所设计之智能讲解机器人能够服务于博物馆和展览馆等需要讲解服务的场所，不仅能够大大节省人力且易于维护，耐用度高，更是对于专业讲解人员短缺的巨大补充，通过本项目的研究期待后期能够扩大智能服务类机器人的种类和帮助有先天缺陷的人群更好的生活和融入社会。

［1］唐建平.复杂环境中移动机器人的路径规划［D］.郑州大学，2012.

［2］徐国华，谭民.移动机器人的发展现状及趋势［J］.机器人技术与应用，2001（3）：7-13.

［3］祝晓才.轮式移动机器人的运动控制［D］.国防科学技术大学，2006.

［4］朱磊磊，陈军.轮式移动机器人研究综述［J］.机床与液压，2009，37（8）：242-247.

［5］丁小平，王薇，付连春.光纤传感器的分类及其应用原理［J］.光谱学与光谱分析，2006，26（6）：1176-1178.

［6］姜义.光电编码器的原理与应用［J］.传感器世界，2010，2：16-22.

王荔檬（1985-），女，于2015年于长春理工大学获得工学博士学位，现为南宁职业技术学院机电工程学院机械制造及设计专业骨干教师，从事教学和科研工作。