一种智能迎宾机器人的设计与实现

郑州科技学院电气工程学院 孙士儒 赵明冬

针对国内各行业对服务理念要求的不断提高，设计了一种能够代替人工进行迎宾和指引工作的机器人。该机器人以STM32F0407IGT6为核心，采用三轮驱动的行动方式，通过RFID技术和磁导航模块构建循经路线，通过微控制器和上位机之间的通信来驱动机器人做出相应动作，利用上位机与语音模块的通信来完成语音交互。同时利用超声波模块构建其避障系统，利用LED等显示手段构建其面部表情系统等。

一、概述

机器人技术融合了电子技术、控制技术、计算机技术、机械设计、材料科学、美工设计等多个学科技术，是人工智能的重要发展方向之一。目前市场上商业化较早、应用较多的机器人是工业机器人，如机器人手臂等。随着经济的发展，越来越多的行业需要用机器人来提高生产效率或者代替人工完成一些危险性、重复性的操作（高爱宇,张国恒,等.智能迎宾机器人[J].甘肃科技,2013.）。在这个行业背景下，本文提出了一种应用于酒店、商场、展厅、科技馆等场所的，具有智能语音对话、来宾识别、自主迎宾、客户引领、语音播报、触屏互动、自动回位等功能的一种智能化迎宾机器人的设计方案。

二、方案设计

（一）总体方案设计

智能迎宾机器人设计实现功能主要有：来宾检测，自动向前迎宾并问好；利用语音识别模块实现互动对话、信息讲解，如介绍公司信息，讲解展台信息、服务信息等；引导功能：根据客户想要办理的业务，能够预置各种引导服务，如银行服务中的开户业务、查询业务等。通过语音识别，自动按服务类别移动到相应窗口并播放对应的指引语音，服务结束，返回迎宾起始点；面部表情随动功能：根据服务类型可设定多种表情组合。

智能迎宾机器人总体设计主要包括以下七个部分：底盘运动系统、自主循径系统、宾客识别电路、语言识别模块、上位机通信系统、面部表情模块和电源模块。

（二）智能迎宾机器人的硬件组成

1.系统内核介绍

机器人主控芯片选择功能较为强大的STM32F407IGT6处理器，主频可达168MHz，具有1MB Flash和192KB RAM。该芯片包含串口、SPI、I2C、I2S、摄像头、FSMC、SDIO、以太网、USB Host、USB Device等众多硬件接口，集成128MB NAND Flash，提供文件系统支持，适合存储一些MP3文件、字库文件等。集成16MB NOR Flash，可用来存储背景图片和汉字点阵字库。功能强大的片上资源、多种多样的外设接口使得STM32F407IGT6处理器特别适合应用于机器人控制等复杂应用的场合。

2.底盘运动系统组成

机器人底盘装有2个中大Z4BLD60-24GN型无刷直流电机，差动驱动全身，可以完成前进、后退、左转、右转、360°转向等功能。底盘材质选用铝制，强度适中，耐腐蚀性好，可处理成银白色光泽，较为美观。为增强通过性，机器人驱动轮选用聚氨酯轮，强度高、耐磨性好。行动机构采用了自制联轴器和轮毂的方式固定，运行稳定，拆装方便。智能迎宾机器人的底盘结构如图1所示。

图1 智能迎宾机器人底盘结构设计图

3.自主循径系统组成

目前机器人的自主循径技术已有多种实现方式，例如循线式、循磁式等，综合了成本和技术成熟度的考量，本设计中采用了磁导航的自主循径方式。磁导航传感器检测精度较高，且铺设方便，灵活性好，磁条可以直接贴合在地面，也可以开槽埋入地下2-3cm处，保证营业场所的美观（黄敦华,汪雅楠,周宝海.校园内导游服务型自主移动机器人设计与实现[J].微计算机信息,2010.）。

导航选用了兴颂科技公司型号为CNS-MGS-08的磁导航传感器产品。CNS-MGS-08传感器有8个间隔10mm的检测磁点，在磁带宽度低于30mm时有非常高的识别精度，满足我们的应用需求。

定位模块采用了杰晟达公司RFID传感器EMR-06A来读取RFID地标卡，实现准确定位。EMR-06A是一款基于射频识别技术的低频RFID标签传感器，传感器工作频率为125KHZ，内部集成了RFID射频收发器和RS-232通信接口，我们可以方便的通过PC、PLC、单片机等带有RS-232串行接口的设备读取标签内数据（刘林.基于RFID的智能跟踪机器人的设计[J].计算机测量与控制,2015.）。

4.避障系统组成

图2 迎宾机器人系统硬件结构图

底盘前方120度的范围内装有3个导向科技公司的高精度KS103超声波传感器，可以探测本体至前方较大范围的障碍物距离，以实现避障功能。KS103模块包括了实时温度补偿功能的距离探测，探测精度更高，最高探测距离可达10米，探测频率500Hz，支持5s未收到控制指令自动休眠和瞬时唤醒功能，内置了可调滤波降噪技术，支持串口和I²C两种接口模式，本设计中使用I²C接口大大节省了主控芯片的资源。

5.宾客识别电路

迎宾人体感应采用HC-SR501人体感应模块，自动检测前方3米扇形范围内访客的到来，可控制行动机构主动向前接待并问好。

人体红外感应模块采用HC-SR501模块，它基于红外线技术、灵敏度高、可靠性强、超低功耗的热释电模块。HC-SR501模块主要用于检测迎宾机器人正前方是否有人接近，感应距离约0.5m，当前方大概0.5m处有人接近时，模块检测到人体红外光就会把触发信号传送到微处理器，微处理器响应触发信号控制语音芯片播放迎宾语音。

图3 智能迎宾机器人外观图

6.语音识别模块

语音识别采用ASR TMS-A非特定人声识别模块进行互动对话，并能介绍公司信息，讲解展台信息、服务信息等。该模块为客户提供了一种易学易用的非特定人语音识别功能，识别结果可以通过串口自定义16进制编码形式作为内容输出，也可以通过I/O口高低电平的方式输出。其中，串口输出方式允许直接与单片机、ARM等具备TTL电平的串口直接相连。

综合以上硬件模块，本设计中智能迎宾机器人的总体硬件系统框图如图2所示。

（三）智能迎宾机器人的软件组成

1.主控芯片软件设计

本系统采用STM32F407IGT6处理器作为终端的主控芯片。处理器通过串行接口分别完成对电机驱动器、磁导航模块、RFID读卡器和LED表情模块的控制，使用I²C接口读取三个超声波模块的数据。

2.上位机的通信方式

上位机检测虚拟串口（USB-SERIAL CH340(COMx)）上接收到的语音模块的16进制返回值，根据事先定义好的功能表，查询相应的指令，通过RS-485接口将指令传送到主控芯片完成相应操作（黄国炎.一个迎宾机器人软件系统的设计与实现[D].武汉:华中科技大学,2014.），包括相应业务窗口导航、返回迎宾起始点等。

3.人机界面的软件设计

上位机的人机交互程序采用Delphi开发工具编写，为用户提供友好的操作界面。可以实现机器人工作模式切换、手动返回迎宾起始点和呼叫工作人员等操作。

（四）智能迎宾机器人的外观设计

本设计中的机器人外观由团队中的美工人员设计，团队成员提出改进意见，制作AutoCAD图纸，逐步优化最终设计完成。经过讨论，玻璃钢具有轻质性、耐腐蚀性、可设计性好、工艺性能优良、性价比高等优点，机器人的外壳最终采用了玻璃钢材质制作，达到了设计目的。智能迎宾机器人外观如图3所示。

三、结束语

经过样机的制作与调试，本文所设计的迎宾机器人能够较好地完成实现迎宾、引导、语音交互等功能。科技型的外观设计、系统化的功能考虑可以使得该机器人装置在产品化之后得到很好的应用。目前产品设计尚处于样机试运行阶段，一些高级功能尚未开发完成。但可以预见的是，智能迎宾机器人的后续可扩展的功能也十分丰富，如头部转动，人脸识别，利用kinect技术实现动作捕捉等等。由此可见，智能迎宾机器人行业在未来还有巨大的市场潜力。