智能餐厅服务机器人系统的设计与实现*

谭等泰

（甘肃政法学院公安技术学院，甘肃 兰州 730070）

智能餐厅服务机器人系统的设计与实现*

谭等泰

（甘肃政法学院公安技术学院，甘肃 兰州 730070）

随着科学技术的高速发展，机器人正逐步走进人们的生活。分析了现有餐厅服务机器人的优缺点后，设计了一种多功能智能化的餐厅服务机器人，采用STM32作为机器人的核心控制器，完成机器人的循迹、语音播报和红外避障等控制功能，同时决策多个机器人的运动位置和路径，达到机器人送餐的快速性和准确性。经模型测试，该餐厅服务机器人具有操作简单、稳定、成本低、实用性强等特点，具有广阔的发展空间。

餐厅服务;循迹;语音播报;红外避障

随着机器人技术的发展，机器人已经广泛应用在生活的各个方面，目前常见的机器人有家庭服务机器人、助老助残机器人、农业机器人、工业机器人和安防机器人等。但是绝大多数服务机器人技术水平尚未成熟，与实际应用有一定距离。国内在服务机器人研究领域起步较晚，与日本、美国等发达国家存在较大差距，由于服务机器人产业潜在的价值，我国也加强了在服务机器人领域的研究。餐厅服务机器人属于服务机器人的一个种类，它主要是为现代化的餐厅提供送餐、点餐等功能[1]。

当下我国机器人的应用十分广泛并且种类繁多，形式多样，而应用于餐饮行业的机器人相对较少[2]。由于劳动力成本的提高，餐厅服务人员的人力成本支出越来越高，如在日本、香港，普通服务员的工资和产业工人的工资已经不相上下。如果使用机器人代替部分服务员为顾客服务，如点菜、送餐，不但能提高服务效率，减少服务人员的数量，更能建立餐厅特色，打造餐厅品牌，进而降低劳动力成本[3]。餐厅服务机器人作为一类特殊的公共服务机器人，是一套具有自主性、适应性和交互性的综合系统，集成了移动机器人技术、多任务集成、人机交互、多模态分析、路径规划等技术。因此，研究和开发餐厅服务机器人系统，具有十分重要的意义和推广应用价值[4]。

本文设计了餐厅服务机器人的运动控制系统和软件系统，模拟完成人类服务员的各项工作流程，并且对多个机器人的运动状态进行控制，完成路径规划，实现机器人送餐路径最短，多机器人的相互协作，达到送餐的快速性和准确性。

1 系统概述

餐厅服务机器人的总体设计框图如图1所示。采用模块化的设计原则，将该服务机器人分为五个模块：STM32控制器、传感器模块、语音模块、运动控制模块、电源模块。其中传感器模块包括红外避障模块、灰度传感器模块、压力传感器模块。系统采用STM32单片机作为核心控制器，采用灰度传感器循迹，红外避障传感器检测行人，语音模块播报日常用语，步进电机及驱动模块作为动力，同时实现对智能机器人的速度、位置、运行状况的实时控制。系统设计了一个电源开关、一个模式开关、一个返

回键、垃圾回收桶和送餐托盘等，压力传感器安装在托盘上。

图1 系统结构图

2 各模块的算法设计与实现

2.1 循迹传感器的设计

循迹传感器设计中，灰度传感器原理图如图2所示。

图2 灰度传感器原理图

灰度传感器是一种模拟传感器，由一只发光二极管、一只光敏三极管、一只限流电阻和一直可调滑动变阻器构成，如图2（A）所示。由于检测面对光的反射强度不同，通过光线控制光敏三极管基极的截止和导通，就可以检测此光线的强度并将其转换为电平信号。如果地面上贴有白色引导线，在白色引导线和检测面上的返回值差别比较大，在白线上应输出应接近0V，在检测面上应接近5V，由于在复杂的环境下光线容易受外界的干扰，电平在引导线和检测面上会变化比较大，无法达到理论要求，为此引入电压比较器，如图2（B）所示，调节基准电压来稳定的区分输入的电平信号，相当于模拟信号数字化。基准电压如1式所示。

灰度传感器循迹时，采用一字型布局的分布方式。一字型布局又分为同一直线上非均匀分布和均匀分布两种方式[5]。均匀排布型设计简单但不利于对弯道信息的采集。而非均匀排布恰好克服了这一缺点，非均匀排布采用等角原则，即在传感器垂直平分线上方处某点引射线与传感器相交，射线之间夹角相等，交点为传感器的分布点。如图3所示。

由于餐厅服务机器人的路径是自行设计的，经过测试两种设计方案的循迹效果差别很小。所以本设计将7个灰度传感器并联构成一排循迹，在机器人的前面和后面分别安装一组，分别用于前进循迹和后退循迹。

图3 非对称分布型传感器

2.2 红外避障传感器的选择

避障传感器的基本原理是利用物体的反射性质。即发出一束红外光，如果没有障碍物遮挡，红外线随着传播距离的增加而衰减，而传播过程中遇到障碍物，红外线将被反射回避障传感器的的接受头，根据这个信号确定障碍物的距离。本设计选择E18-D80NK红外避障传感器主要是该传感器具有探测距离远、受可见光干扰小、价格便宜、易于装配、使用方便等特点。如图4所示为E18-D80NK红外避障传感器的管脚连接图，有三个引脚依次为电源（红）、地线（黑）和信号线（黄）。

图4 避障传感器连接图

2.3 压力传感器的选择

压力传感器选用单片机称重AD模块HX711，采用24位高精度的A/D转换器芯片hx711，具有两路模拟通道输入，内部集成128倍增益可编程放大器，是一款理想的高精度、低成本采样前端模块[6]。本设计将输入电路配置为提供桥压的电桥模式。压力传感器的电路图如图5所示。

图5 压力传感器原理图

2.4 语音模块的选择

语音播报模块选用MXH040芯片。它可播放语音时间长，最长可达80s，存放语音文件数量大，支持播放不同采样率的语音文件[7]，具有多种可选择的控制模式等。在本设计中主要采用按键控制模式，并通过STM32单片机的P2口来触发语音播报。当机器人送餐过程中遇到障碍物时语音播报芯片提示“请您让一下路，谢谢”。 当机器人到达指定餐桌时，语音模块播报“您的餐已送到，请您用餐，谢谢”。当压力传感器检测到压力为零之后，语音模块播报“请您收拾一下餐桌上的空盘，拜拜，谢谢”，这时机器人自主按原路返回，完成一次送餐。硬件电路如图6所示。

图6 语音模块原理图

3 软件系统设计

测试过程中餐桌位置及循迹线如图7所示，送餐机器人沿着设定的路线循迹，设定好餐桌号后机器人会选择相应的位置送餐。

系统软件流程图如图8所示，启动后，当服务员放好餐后，设置目的地餐桌号，首先判断奇数餐桌号还是偶数餐桌号，若检测到奇数餐桌号，则左侧传感器（1号传感器）检测路口并使COUNT1计数器加一，判断COUNT1是否等于餐桌号，若相等转弯并循迹，当1号和7号传感器同时检测到白线时，停止并送餐；若检测到偶数餐桌号，则右侧传感器（7号传感器）检测路口并使COUNT2计数器加一，判断COUNT2是否等于餐桌号，若相等转弯并循迹，当1号和7号传感器同时检测到白线时，停止并送餐。

图7 餐桌布置示意图

图8 系统软件流程图

4 结语

经过模型测试，餐厅智能服务机器人实现了预期的功能，能够稳定的沿着设定的白线循迹，当遇到前方有人通过时，机器人会自动语音提示，同时能够准确的检测到设定的餐桌号，到达目的地后，自动提示顾客取餐，当压力传感器检测到为0时，会自动按原返回。餐厅服务机器人模拟完成人类服务员的各项工作流程，实现多个机器人协作之间不发生碰撞，做到了送餐的快速性和准确性。

[1] 胡振旺.基于STM32的家庭服务机器人系统设计[D].广州：广州工业大学,2015：1-69.

[2] 于清晓.轮式餐厅服务机器人移动定位技术研究[D].上海：上海交通大学,2013：1-40.

[3] 陈钰键.智能服务机器人软件系统设计[D].沈阳：东北大学,2011：1-30.

[4] 摆玉龙,杨利君,董存辉.基于MC9S128的电磁导航智能车的设计与实现[J].测控技术,2011,30(11)：59-64.

[5] 宫纪波.基于红外反射循迹小车的传感器布局研究[J].工业控制计算机,2009,22(8)：97-98.

[6] 苏杰仁,张立程,院莲.寻轨式语音播报送餐机器人系统的软硬件设计[J].单片机与嵌入式系统应用,2015,8：59-62.

[7] 李琳,王茂海.基于AT89C2051单片机和WT588D-U语音模块的语音报价系统设计[J].科技信息,2015,15：525-526.

TP242.3

甘肃政法学院科研资助项(编号GZF2014XQNLW03)。