金融机器人设计及应用研究

黄峻远

广电运通集团股份有限公司 广东 广州 510705

引言

金融机器人设备越来越多的应用到银行网点上，作为银行网点转型的重要设备，机器人系统也是一种庞大又复杂的系统，从硬件、软件、算法等各个层面都需要有深入的研究和应用，才能确保设备可靠，稳定，好用，方便。金融机器人与送餐、酒店机器人一样，可提高客户的体验性和易用性。

1 机器人硬件系统

机器人硬件系统包含上层交互层、功能应用层、中间识别层、底层运动控制层。上层交互层主要是接收外部信号，如Wi-Fi信号，4G/5G信号，搭建互动交互屏，处理人机交互的信息，显示人机交互界面等。功能应用层主要为金融银行业相关功能，如身份证识别，银行卡发放，KEY盾发放等。中间识别层主要是设备信息识别，传感信息识别等功能，比如激光雷达，深度相机等传感器信息获取及识别，定位及地图信息处理等；底层运动控制层主要是用来将接收的信号转为底层硬件控制信号，控制机器人运动。

2 硬件功能实现介绍

上层交互层包含互动触摸显示屏、蓝牙Wi-Fi通信、高清摄像头等硬件模块。用于与客户的交互，接收客户的需求，通过蓝牙或Wi-Fi的方式进行信息传递。高清摄像头用于机器人运动的摄像及图片收集。互动触摸显示屏采用10.1寸的屏幕。

功能应用层包含银行需求端所需要的人脸识别模块、身份识别模块、卡片发放模块、KEY盾发放模块等。用于办理银行非现金类业务。通过机器人上的触摸屏或者与机器人连接的平板可以实现客户办理银行业务的功能。客户通过身份证识别进行发卡业务办理和发KEY业务办理。

中间识别层作为机器人的机器识别功能，可以通过激光雷达检测周围的物品，通过深度相机进行位置检测等。①激光雷达：激光雷达是以发射激光束来检测目标的位置、速度的雷达系统。从工作原理上讲，设备向目标发射信号，然后将接收到的从目标反射回来的信号与发射信号进行比较，处理后，就可获得目标信息。如目标距离、方位、高度、速度等信息，对物品，周围环境等进行探测、跟踪和识别。其具有360°检测范围的能力，探测距离可达12m，可准确获取所在环境的信息。②深度相机：就是机器人的眼睛，通过该相机能测量出拍摄环境物品的距离。能够获取到图像中每个点距离摄像头的距离，具备二维坐标和三维空间坐标特性。本文主要采用双目结构光相机，其原理是通过近红外激光器，将有结构特性的光线投射到被拍摄物体上，然后反射到红外摄像头进行采集，然后通过运算单元将这种结构的变化换算成深度信息，并获得三维结构。

底层运动控制层是机器人运动，移动的主控制核心部分。同时也是相关传感器信号的接收和发射控制。该控制层主要包含电机及其驱动电路、编码器、超声波传感器、陀螺仪等。

电机及驱动电路使用较为常用的STM32主控MCU搭配电机驱动电路，驱动电机工作，并通过编码器实现设备启停、运动等功能。编码器的作用是用来获取运动速度，通过运算实现按照上层信息需求，来达到控制机器人位置的目的。

超声波传感器用于距离测量。当MCU控制传感器发出信号后，通过接收到信号的时间计算其距离。L=(t*S)/2，其中S=340m/s。

陀螺仪绕一个支点高速转动的刚体称为陀螺。一般说的陀螺是指对称陀螺，它是一个质量均匀分布的、具有轴对称形状的刚体，其几何对称轴就是它的自转轴，利用陀螺的力学性质制成各种功能的陀螺装置称为陀螺仪。其原理是一个旋转物体的旋转轴所指的方向在不受外力影响时，是不会改变的。根据这个道理，用它来保持方向，制造出来的东西就叫作陀螺仪。利用陀螺仪，机器人即可在既定的方向按照预定的位置进行运动。

3 即时定位和地图构建

前面已经介绍了金融机器人不可缺少的硬件模块及相关传感器，本小节将着重介绍机器人核心的地图构建。地图构建的目的是为了解决机器人的移动目的。①机器人在哪里；②机器人要去哪里；③机器人怎么去[1]。我们知道一般室外的机器人，如快递机器人其送物品都需要北斗卫星来定位及导航，从而获得更加精准的位置。但是对于室内机器人，北斗卫星技术发挥的作用就比较有限。那么针对我们的金融服务机器人，就需要有一个室内的环境地图。该地图的构建是需要人工通过机器人进行定位，产生相关地图。我们将机器人从任一个地点开始，沿着一定的路径出发移动，并通过自身携带的传感器获取周边环境的信息，同时构建一个与平面移动相关的环境地图。该技术与过程我们就叫即时定位和地图构建，简称SLAM。目前使用较多的SLAM算法主要有Hector SLAM算法和Gmapping SLAM算法。

Gmapping SLAM算法的地图构建是通过机器人自身携带激光雷达和深度相机来获取外界的信息，然后通过粒子滤波算法处理，最后输出二维地图，提供给机器人路径规划使用。Gmapping SLAM算法是一种高效的基于粒子滤波器并通过激光扫描和深度相机数据中生成网格地图的方法[2]。

粒子滤波器中的每个粒子都拥有一个单独的环境地图，最主要需要解决的问题是怎么样去减少粒子数。Gmapping算法利用自适应的方法来减少粒子数，综合考虑到机器人的运动和实时的探测数据，确定了更精准的概率分布计算方法。

4 路径规划及导航

路径规划及导航是金融机器人最为核心的功能，在银行智慧网点中，经常需要应用平板pad控制机器人运动，并导航到指定的位置进行相关网点业务办理。导航成功与否与机器人传感器的检测、运动控制逻辑算法、定位算法和应用层信息交互有极大的关系。

4.1 软件需求及输入

设备通过人机交互后，输入两个信号：①位置信息需求。②功能业务需求。

位置信息控制指令从触摸操作通过应用的上位机发出或由PAD通过WIFI控制上位机发出。由终端设备通过无线网络方式将该命令发送到机器人系统，并由其解析位置信息，将其转为为该设备能够识别的指令，然后机器人操作系统进行地图路径规划，具备实时性，能快速响应定位服务，同时将控制信号传递到底盘运动控制机构，由其执行相关的移动动作，该底盘机构还有一个传感器管理功能，负责管理各个传感器采集的环境信息与机器人位置姿态信息，通过相关数据处理后上传到机器人操作系统。机器人操作系统接收到由底盘上传的传感器信息后会作进一步的深度处理，然后将处理过的传感器数据通过终端设备返回给上位机，并实时监控显示。

功能业务需求是通过上层应用直接下达命令到各功能模块进行金融业务办理，业务功能主要通过人脸识别或身份识别进行登记，录入相关身份信息，进行银行卡开卡服务并激活卡片，同时还可以办理U盾的介质办理等等。

4.2 定位及路径规划导航

要实现导航及路径规划，首先要确定机器人所处的位置，其需要感知自身所在的坐标位置，即需具备定位能力，需要确定自身在所构建的地图上的初始位置，同时还需要知道其目的地位置。

常见的定位方法有蒙特卡罗定位算法，蒙特卡罗算法的主要思想是当我们需要知道某个事情发生的概率时，我们会通过特定的方法去模拟，去做实验，通过实验得到这个事情发生的概率值，并将其作为我们的最优解。通过粒子滤波方法应用在定位中，我们可以模拟算出机器人的位置。

当我们的目的地确定后，机器人会根据全局环境形成一个从原点到目的地的全局路线，通过全局规划的方法来实现即可完成。通常我们使用的是A*算法。后面机器人结合自身的传感器如激光雷达、视觉等会生成局部的地图，利用局部路径规划算法即可规划出一条局部的路径。通常使用的是TEB算法。

路径规划地图确认好后就可以开始进行导航工作，当给机器人指令，指定一个目标点，机器人就能够自主的规划出一条比较合理的路径，并沿着路径目标点。在到达目的地。

5 底盘运动及控制

底盘运动及控制系统作为机电一体化的系统，其包含机械结构系统、电气控制系统两大部分。只有在机械结构系统和电气控制系统这两大系统的相互协作配合下，才能保证机器人按照要求稳定、可靠的完成指定任务[3]。详细设计如下：

5.1 机械结构系统

金融机器人的各种功能实现与其机械结构系统离不开，因此除了考虑该机器人在银行业务网点的金融业务办理需求外，还需考虑其实际工作环境适应性，设备稳定性，设备持久性，移动底盘的机动性。那么设备的可靠性，实用性就显得尤为重要。

该机械结构系统包含移动底盘结构、电机驱动模组、减震结构等等。金融机器人的底盘结构有轮式移动方式、履带式移动方式等。履带式移动方式一般使用在户外等环境相对恶劣的地方，爬坡及过凹凸不平的路面能力会更强一点。而轮式移动方式的能量利用率会高一些，负载能力也较大，运动控制的逻辑也较为方便。该设备底盘结构使用的为轮式方案。

轮式移动方式中，前期常用的方法是差分轮式的方式来实现各种方向的移动，但是这种方式实现起来一般表现为直线或者弧线的方式移动，运动轨迹也较为复杂，在银行网点中有较多的柜面或设备存在，同时又存在较多客户移动，对其实时运动要求较高，因此本次选择的是三轮全向移动的方式来实现，该方式拥有两个水平方向的自由度和一个自身的旋转的自由度，转弯半径很小可以实现原地转动。

根据机器人运动学原理，使用三轮全向轮的最优运动方式为三个轮呈120°平均分布，底盘半径约250mm，该方式可以显示0半径的旋转，运行平稳，也减少抖动的情况。全向轮确定好之后，还需相关的电机驱动模组才能将机器人动起来，电机驱动模组一般包含电机、齿轮、轴承等组成，通过这些协同运作保障了机器人的运动。

5.2 电气控制系统

机器人的电气控制系统主要由MCU、传感器检测电路、电机驱动电路等组成。

MCU我们使用的ST公司的STM32系列的单片机，使用定时器控制PWM脉冲，控制电机的动作，使用I2C接口检测超声波传感器进行距离探测，MCU通过USART接口与机器人操作系统控制单元进行通讯，实现控制指令的执行。电机驱动电路一般是使用直流电机作为驱动，通过PWM脉冲调制的方法进行速度的调节。

6 结束语

随着支付宝、微信的推广使用，银行网点现金产品逐步下降，银行网点急需一种全新的产品形态来弥补，金融机器人的研发及业务开展，将有利于整个银行业的推行。以后网点业务办理的场景可能是这样：客户走进网点，可以在导引区拿起便携平板Pad，你如果想办理一张银行卡，你可以通过平板Pad进行信息录入进行身份证认证，人脸识别录入等，确认身份后进行相关绑定，然后点击开卡业务，此时从机器人业务区走来一个可爱的金融机器人，请求你进行身份核验，核验成功后发出一张卡片给你业务即办理完毕。我们期待有其他更加创新更加先进的场景产生，科技改变生活，机器人引领世界。