作者：林江斌 岳沛霖 李錦揚(yáng)

單位：北京理工大學(xué) 機(jī)械與車輛學(xué)院

指導(dǎo)老師：李忠新 朱杰

一、作品簡(jiǎn)介

1.設(shè)計(jì)背景

? ? ? 當(dāng)前社會(huì)疫情防控已經(jīng)成為常態(tài)化，超市是人員流動(dòng)相對(duì)密集的公共場(chǎng)所，超市防疫也是社會(huì)防疫工作中重要的組成部分。隨著機(jī)器人技術(shù)日漸成熟和社會(huì)經(jīng)濟(jì)水平的提高，人工智能機(jī)器人的應(yīng)用不再僅限于工業(yè)智造領(lǐng)域，尤其是在當(dāng)前疫情下，超市服務(wù)機(jī)器人也是我們研究發(fā)展的一個(gè)重要的新領(lǐng)域。服務(wù)機(jī)器人有多變且友善的外觀，具有自主移動(dòng)功能，并且能夠友好與顧客互動(dòng)，方便搭載各式各樣的儀器設(shè)備。由于傳統(tǒng)的迎新機(jī)器人都是以演示為主、功能單一、智能及靈活程度較低，因此研究一種功能集成化、實(shí)用、靈活、可靠性高的智能引導(dǎo)服務(wù)機(jī)器人具有重要的應(yīng)用價(jià)值。

? ? ? 本作品是以自疫情爆發(fā)以來(lái)，結(jié)合實(shí)地考察北京理工大學(xué)附近多家大型超市在疫情防控工作及服務(wù)顧客作為應(yīng)用背景，研發(fā)了一款形象逼真，靈活實(shí)用、多功能集成的校園迎新服務(wù)機(jī)器人。主要有人臉圖像識(shí)別、消毒、測(cè)溫、為新生發(fā)放新生大禮包、引導(dǎo)隔離、循跡超市、自動(dòng)避障及藍(lán)牙遙控等功能，可為學(xué)校迎新工作及疫情防控工作作出貢獻(xiàn)。本文主要介紹通過對(duì)機(jī)器人系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)，把想法與先進(jìn)的功能技術(shù)用到了機(jī)器人上，使得機(jī)器人具有很高的人工智能特點(diǎn)。

2.機(jī)器人的創(chuàng)新點(diǎn) ?

2.1功能集成化高

大部分傳統(tǒng)機(jī)器人功能單一，基本都只能實(shí)現(xiàn)單個(gè)功能，本作品設(shè)計(jì)的超市服務(wù)機(jī)器人將各個(gè)功能集成化，引導(dǎo)顧客、消毒測(cè)溫、循跡引導(dǎo)等功能都集中在一個(gè)機(jī)器人上，保證了機(jī)器人在執(zhí)行一系列超市服務(wù)的系統(tǒng)工作下效率更高，實(shí)用性更強(qiáng)。

2.2人工智能化程度高

當(dāng)前社會(huì)仍處于疫情下，防疫已經(jīng)成為常態(tài)化，本組超市服務(wù)機(jī)器人全程無(wú)人操作，極大降低了超市工作人員傳染的風(fēng)險(xiǎn)，也極大減少超市人工成本，同時(shí)夾取、伸縮、避障、循跡、人臉圖像識(shí)別及語(yǔ)音播報(bào)按指定順序依次完成實(shí)現(xiàn)。

2.3三自由度機(jī)械臂的全方位運(yùn)動(dòng)

機(jī)器人主體主要由智能小車，機(jī)械臂和顯示屏等組成，形狀為類人型機(jī)器人，在小車運(yùn)動(dòng)時(shí)還可實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂抓取、伸縮。以機(jī)械臂為例：每個(gè)機(jī)械臂上都由三個(gè)舵機(jī)控制，能夠全方位、多角度運(yùn)動(dòng)（一種是串聯(lián)型三自由度，另一種是聯(lián)動(dòng)型三自由度）。

2.4遙控與智能的巧妙結(jié)合

由于小車在循跡過程中傳感器靈敏程度不是特別精準(zhǔn)，為防止實(shí)際行走路線與指定尋跡路線有偏差，我們?cè)谠谢A(chǔ)訓(xùn)練上采用了藍(lán)牙模塊，當(dāng)偏離路線時(shí)，可通過遙控手段使其減小或避免偏離（把灰度傳感當(dāng)作藍(lán)牙模塊的子函數(shù)），同時(shí)提高了智能機(jī)器人的靈活程度。

3.作品難點(diǎn)以及解決方案

3.1創(chuàng)意思路尋找

查閱相關(guān)服務(wù)機(jī)器人的市場(chǎng)資料，例如《2021服務(wù)機(jī)器人運(yùn)用前景》等，以及在網(wǎng)上查詢相關(guān)超市防疫情況，再聯(lián)系疫情下超市服務(wù)工作存在的短板，最終敲定基于疫情防疫下的超市服務(wù)機(jī)器人。

3.2樹莓派識(shí)別功能難以實(shí)現(xiàn)

由于樹莓派的性能有限，在只使用一個(gè)CPU核心的情況下視頻的幀數(shù)非常之低，只有5幀左右，以及庫(kù)函數(shù)等問題效果不太理想。通過同時(shí)使用不同的XML文件，可以實(shí)現(xiàn)同時(shí)識(shí)別不同物體的功能，比如下面這段代碼可以同時(shí)識(shí)別人臉和黑色手機(jī)，識(shí)別手機(jī)所需要的XML文件是由Radamés Ajna和Thiago Hersan制作，來(lái)源在這里。更進(jìn)一步的我們可以根據(jù)自己的需要編寫自己的Cascade文件，Naotoshi Seo在此處給出了詳細(xì)的教程，比較簡(jiǎn)易的還有Thorsten Ball的香蕉識(shí)別教程進(jìn)行改進(jìn)完成。

3.3機(jī)械臂結(jié)構(gòu)敲定

為了能夠有足夠高的自由度，我們討論決定采用兩種不同形式的機(jī)械臂：一種是串聯(lián)型三自由度；另一種是聯(lián)動(dòng)型三自由度。

4.模擬超市環(huán)境測(cè)試

機(jī)器人整體分為上半部分（主要為機(jī)械臂、顯示屏），下半部分（小車）調(diào)試過程為分開調(diào)試，單獨(dú)檢測(cè)小車部分的循跡、藍(lán)牙、超聲波模塊。上部分主要測(cè)試機(jī)械臂能否連貫完成指定動(dòng)作，顯示屏及攝像頭能否正常完成識(shí)別，以及語(yǔ)音模塊和溫度傳感器能否正常播報(bào)與測(cè)溫。校園環(huán)境以北京理工大學(xué)北校區(qū)為例進(jìn)行等比例縮小，極大還原了超市復(fù)雜的路線環(huán)境。

5.應(yīng)用前景分析

我國(guó)服務(wù)機(jī)器人市場(chǎng)規(guī)模在2023年有望達(dá)到751.8億元，行業(yè)發(fā)展也迎來(lái)很多有利因素。一是目前增加的老年人口為服務(wù)機(jī)器人在醫(yī)療以及養(yǎng)老提供了發(fā)展機(jī)遇；二是服務(wù)機(jī)器人是一種由人工智能、人機(jī)交互等多種技術(shù)集成的載體，隨著技術(shù)的發(fā)展，服務(wù)機(jī)器人的性能會(huì)得到提高，用戶體驗(yàn)也會(huì)得到升級(jí)，有可能會(huì)進(jìn)一步挖掘市場(chǎng)需求；三是國(guó)內(nèi)已經(jīng)形成了自上而下的政策體系，正在加速行業(yè)的發(fā)展；四是常態(tài)化的疫情防控為服務(wù)機(jī)器人在防疫以及公共服務(wù)提供了發(fā)展機(jī)遇。----《2021中國(guó)機(jī)器人專題論壇》

? ? ? 2020年我國(guó)服務(wù)機(jī)器人市場(chǎng)規(guī)模383.8億元，同比增長(zhǎng)37.4%，服務(wù)機(jī)器人主要為家用服務(wù)、醫(yī)療服務(wù)和公共服務(wù)機(jī)器人。根據(jù)中國(guó)電子學(xué)會(huì)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，服務(wù)機(jī)器人市場(chǎng)規(guī)模占比47.7%，醫(yī)療服務(wù)機(jī)器人和公共服務(wù)機(jī)器人平分秋色，市場(chǎng)規(guī)模占比超20%，分別為28.2%和24.1%。隨著5G、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)的快速發(fā)展，進(jìn)一步推動(dòng)服務(wù)機(jī)器人行業(yè)技術(shù)升級(jí)、成本下降，助力服務(wù)機(jī)器人行業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大，服務(wù)機(jī)器人行業(yè)前景光明。----《2021-2025中國(guó)服務(wù)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)調(diào)研前景預(yù)測(cè)報(bào)告》

6.結(jié)語(yǔ)

本作品設(shè)計(jì)材料存在一定的局限性，機(jī)器人很難準(zhǔn)確無(wú)誤地完成全部流程，以后可以使用更加精密的材料、零部件，將校園迎新機(jī)器人做的更加完善，同時(shí)希望校園防疫迎新一體化機(jī)器人能夠?yàn)樾@迎新及防疫工作帶來(lái)幫助。

二、技術(shù)說明

1.機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

? ? ? 超市疫情防控及引導(dǎo)機(jī)器人主要功能在于保證超市疫情防控的同時(shí)，能夠友好地帶領(lǐng)顧客、引導(dǎo)顧客瀏覽超市。為了實(shí)現(xiàn)智能監(jiān)測(cè)、智能服務(wù)和自主移動(dòng)，設(shè)計(jì)了機(jī)器人大概模型（如下圖所示）：

在實(shí)際組裝過程中進(jìn)行部分改進(jìn)，形成最終機(jī)器人（如下圖所示）：

? ? ? 機(jī)器人的總體設(shè)計(jì)為類人型機(jī)器人，由連接樹莓派的LED顯示屏、攝像頭、溫度傳感器、灰度傳感器、超聲波傳感器、紅外傳感器、藍(lán)牙模塊、語(yǔ)音模塊、兩個(gè)機(jī)械手臂、自制小車、電池等其它部分組成。它的功能模塊包括：消毒測(cè)溫模塊、文字人臉識(shí)別模塊、語(yǔ)音輸出模塊、機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)模塊、小車運(yùn)動(dòng)等模塊。

2.機(jī)器人的功能設(shè)計(jì)

超市服務(wù)機(jī)器人具體的功能如下（不分先后）：

? ? ? ① 對(duì)顧客的面部進(jìn)行識(shí)別判斷是否佩戴口罩，佩戴者允許通過，不符者小車將為顧客遞取口罩；

? ? ? ② 對(duì)顧客進(jìn)行消毒測(cè)溫，合格者通過，高溫者帶入隔離點(diǎn)；

? ? ? ③ 讓來(lái)訪顧客進(jìn)行北京健康寶掃碼；

? ? ? ④ 語(yǔ)音播報(bào)；

? ? ? ⑤ 引領(lǐng)顧客瀏覽超市；

? ? ? ⑥ 可以藍(lán)牙遙控機(jī)器人小車運(yùn)動(dòng)；

? ? ? ⑦ 自動(dòng)避障功能。

校園迎新機(jī)器人工作流程圖如下所示：

3.相關(guān)功能模塊的實(shí)現(xiàn)

3.1人臉口罩識(shí)別模塊

? ? ?在基礎(chǔ)零件上主要使用到了顯示屏、攝像頭、以及樹莓派等，首先下載sdk啟動(dòng)攝像頭對(duì)人臉及指定圖像進(jìn)行采集和檢測(cè)，再對(duì)圖像進(jìn)行預(yù)處理，最后人臉圖像特征提取匹配與識(shí)別，其中OpenCV提供了本地分類訓(xùn)練器。

Python實(shí)現(xiàn)人臉面部圖像識(shí)別：

? ? 啟動(dòng)v412——編譯OpenCV2.4.9——安裝Pyqt4——執(zhí)行sudo apt-get install realvnc-vnc-server命令——輸入命令systemctl enable vncserver-virtuald.service（如下圖所示），然后點(diǎn)擊人臉圖像錄入就可以執(zhí)行。

3.2消毒測(cè)溫模塊

? ? ? 主要由灰度傳感器、紅外傳感器、氣泵、溫度傳感器、伸縮機(jī)械臂等部件組成。

? ? ? 當(dāng)紅外傳感器檢測(cè)到有人靠近時(shí)，通過給溫度傳感器一個(gè)值，我們采用的臨界條件是38攝氏度（+-2攝氏度），在測(cè)溫的同時(shí)，控制板同時(shí)連接控制氣泵對(duì)人進(jìn)行噴殺消毒。如果溫度過高則會(huì)觸發(fā)灰度傳感器的條件，通過黑線循跡把高溫者帶入我們指定的隔離點(diǎn)。

3.3語(yǔ)音輸出模塊

? ? ? 主要由語(yǔ)音模塊以及喇叭等部件組成。

? ? ? 即通過TF卡片進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，直接使用電腦更新spi flash的內(nèi)容。通過簡(jiǎn)單的串口指令即可完成簡(jiǎn)單的聲音（電平時(shí)可保持循環(huán)）。我們則是讓語(yǔ)音模塊完成“體溫異常，隨我至隔離點(diǎn)”、“體溫正?！钡群?jiǎn)單語(yǔ)音。

3.4機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)模塊

? ? ? 主要由舵機(jī)等其它金屬零件構(gòu)成，擁有兩個(gè)機(jī)械臂，每個(gè)機(jī)械臂上都裝有三個(gè)舵機(jī)（如下圖所示）。通過高自由度來(lái)實(shí)現(xiàn)伸縮、搖擺、抓取等功能，通過aurdino進(jìn)行圖形化編程，設(shè)置舵機(jī)運(yùn)動(dòng)方式角度，以及先后順序等來(lái)共同完成。

3.5運(yùn)動(dòng)小車模塊

? ? ? 主要由藍(lán)牙模塊、灰度傳感器、超聲波傳感器、電機(jī)等其它金屬部件構(gòu)成。

? ? ? 其中藍(lán)牙模塊通過控制電機(jī)來(lái)控制小車的動(dòng)作。需要控制兩個(gè)電機(jī)，電機(jī)包括轉(zhuǎn)向（正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、停止）、速度這兩個(gè)參數(shù)。經(jīng)過試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)電機(jī)能調(diào)步進(jìn)速度的范圍在1ms-30ms之間比較合適，用S代表設(shè)置（S:sta），后面跟1位數(shù)字作為狀態(tài)表達(dá)。0：停止，2：逆（后退），1：順（前進(jìn)）。想繼續(xù)用s代表設(shè)置速度的（s:speed），但想到兩個(gè)‘S’不利于區(qū)分，而且狀態(tài)只有3種的話就直接用一位數(shù)字就能完成所有的狀態(tài)表達(dá)了，而速度的范圍是1-30，需要兩位數(shù)字，因此就使用數(shù)字代表設(shè)置速度了，同時(shí)也表示速度的十位。這樣基本完成，通過手機(jī)按鍵遙控，另外兩種傳感器都是通過判斷if條件來(lái)實(shí)現(xiàn)循跡、避障的功能。

三、程序代碼

1. 示例程序

① 機(jī)械臂程序

② 藍(lán)牙串口模塊程序

③ 超聲波模塊程序

④ 溫度傳感器程序

⑤ 灰度檢測(cè)程序

2. 資料下載

資料內(nèi)容：

① 程序源代碼

②樣機(jī)stp圖

資料下載地址：超市服務(wù)機(jī)器人 https://www.robotway.com/h-col-254.html