餐廳服務(wù)機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

蔡俊杰，吳益飛，徐航宇，章 偉

(南京理工大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，南京 210094)

餐廳服務(wù)機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

蔡俊杰1，吳益飛2，徐航宇3，章 偉4

(南京理工大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，南京 210094)

通過對(duì)餐廳服務(wù)機(jī)器人控制系統(tǒng)需求進(jìn)行分析，提出了以微控制器MSP430F5438為核心的餐廳服務(wù)機(jī)器人控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案;該方案采用模塊化方法完成了控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)，主要包括：主控模塊、電源及管理模塊、運(yùn)動(dòng)控制模塊、無線通信模塊、導(dǎo)航定位模塊、安全避障模塊和人機(jī)交互模塊等;介紹了控制系統(tǒng)軟件的總體流程，完成了控制系統(tǒng)嵌入式軟件的設(shè)計(jì);實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)應(yīng)用于餐廳服務(wù)機(jī)器人可以實(shí)現(xiàn)送餐的功能，控制效果良好，實(shí)用性強(qiáng)，具有顯著的推廣應(yīng)用價(jià)值。

餐廳服務(wù)機(jī)器人；送餐；控制系統(tǒng)

0 引言

隨著社會(huì)老齡化問題日趨加劇，社會(huì)人力成本不斷增長(zhǎng)，各行各業(yè)普遍面臨著成本上漲和招工難等問題，特別是規(guī)模不斷擴(kuò)大的餐飲業(yè)，雖然不斷提高服務(wù)人員的工資待遇，但仍然存在招工難的問題，其主要原因是服務(wù)人員的工作單調(diào)辛苦，年輕人不愿意從事此類工作[1-2]。

隨著科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，機(jī)器人正逐步從傳統(tǒng)的工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域走進(jìn)人們的日常生活[3]。服務(wù)機(jī)器人作為機(jī)器人的一個(gè)新的發(fā)展方向，是當(dāng)前機(jī)器人應(yīng)用研究領(lǐng)域的難點(diǎn)和重點(diǎn)，也是今后很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)機(jī)器人發(fā)展的主要方向[4]。中國在服務(wù)機(jī)器人研究領(lǐng)域起步較晚，與日本、美國、德國等發(fā)達(dá)國家存在的差距較大[5]。作為機(jī)器人市場(chǎng)占有量最大的國家，中國正高度重視機(jī)器人技術(shù)和產(chǎn)業(yè)的發(fā)展[6]。因此，餐廳服務(wù)機(jī)器人的研究與開發(fā)變得十分必要。

本文提出了一種餐廳服務(wù)機(jī)器人控制系統(tǒng)，在接收上位機(jī)發(fā)送送餐指令后，可控制餐廳服務(wù)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)到目標(biāo)餐桌，實(shí)現(xiàn)自主送餐功能。

1 控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

圖1所示為餐廳服務(wù)機(jī)器人控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖，餐廳服務(wù)機(jī)器人系統(tǒng)可分為機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)、嵌入式系統(tǒng)、終端機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)等。

圖1 機(jī)器人控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖

圖2 機(jī)器人結(jié)構(gòu)分布圖

機(jī)器人結(jié)構(gòu)分布如圖2所示，機(jī)器人頭部位置安裝的器件有語音報(bào)警模塊和LED顯示模塊；在軀干部分安裝的器件有紅外測(cè)距傳感器、觸摸屏模塊以及開關(guān)、急停按鈕；下肢部分為中空設(shè)計(jì)，便于布線；在底盤部位安裝的器件有底盤模組、驅(qū)動(dòng)模塊、紅外傳感器模塊、導(dǎo)航定位模塊、主控板模塊和電源模塊等。

餐廳服務(wù)機(jī)器人控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

圖3 機(jī)器人控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖

控制系統(tǒng)由主控模塊、電源及管理模塊、運(yùn)動(dòng)控制模塊、無線通信模塊、導(dǎo)航定位模塊、安全避障模塊和人機(jī)交互模塊組成[7]。主控模塊以微控制器MSP430F5438為核心；電源及管理模塊包括電池和電池電量監(jiān)測(cè)模塊，為其他模塊提供可靠穩(wěn)定的電能并及時(shí)反饋電量信息；運(yùn)動(dòng)控制模塊包括電機(jī)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器和編碼器，接收主控制信號(hào)并驅(qū)動(dòng)電機(jī)完成尋跡功能；無線通信模塊用于實(shí)現(xiàn)機(jī)器人與終端機(jī)系統(tǒng)的無線通信；導(dǎo)航定位模塊包括地標(biāo)讀取模塊和磁導(dǎo)航傳感器模塊，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人定位和導(dǎo)航；安全模塊使用紅外測(cè)距傳感器，監(jiān)測(cè)障礙物，保障安全；人機(jī)交互模塊包括語音報(bào)警模塊、LED顯示模塊及觸摸屏模塊，其中語音報(bào)警模塊用于機(jī)器人遇到障礙物時(shí)語音報(bào)警以及送餐時(shí)對(duì)客戶的溫馨提示，LED顯示模塊可顯示不同的圖案或文字，作裝飾使用，觸摸屏模塊用于顯示目標(biāo)餐桌編號(hào)及機(jī)器人運(yùn)行狀態(tài)信息。

2 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 主控模塊設(shè)計(jì)

本文選用TI公司的MSP430F5438微控制器作為核心。該主控芯片處理數(shù)據(jù)能力強(qiáng)，是16位微控制器，主頻最高可達(dá)18 MHz；超低功耗，工作電壓2.2～3.6 V，適合工作于電池供電的系統(tǒng)；芯片端口資源豐富，I/O口數(shù)量眾多，成本低，性價(jià)比高。

主控芯片資源分配圖如圖4所示，通過USCI串口通信模塊UART模式實(shí)現(xiàn)異步串行通信和語音播報(bào)、LED及觸摸屏顯示、地標(biāo)讀取；通過帶中斷能力的P1和P2口接收紅外傳感器和編碼器反饋信號(hào)；通過具有捕獲/比較寄存器的16位定時(shí)器Timer_B產(chǎn)生電機(jī)驅(qū)動(dòng)信號(hào)，驅(qū)動(dòng)底盤小車電機(jī)；通過多路I/O口接收功能指令按鍵、磁導(dǎo)航傳感器及電壓等信息。

圖4 主控芯片資源分配圖

2.2 電源及管理模塊設(shè)計(jì)

電源及管理模塊電路電壓分配如圖5所示，由圖可知，電源模塊包括：電池、24 V穩(wěn)壓模塊和電源轉(zhuǎn)換模塊。

圖5 控制系統(tǒng)電源模塊電路圖

對(duì)于主控芯片，供電電壓為3.3 V，先采用二極管1N4007進(jìn)行整流、穩(wěn)壓二極管1N4148進(jìn)行穩(wěn)壓及旁路濾波電容進(jìn)行濾波，然后采用1個(gè)隔離型DC/DC轉(zhuǎn)換模塊HZD10W-24S05將電池24 V轉(zhuǎn)換為5 V，再由1塊TPS7333芯片將5 V轉(zhuǎn)換為3.3 V供給主控芯片。

電壓檢測(cè)模塊，用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)機(jī)器人電量信息，防止電量過低損傷電池。采用精密電阻分壓，通過檢測(cè)分壓電阻兩端電壓計(jì)算電池電壓，電源電壓檢測(cè)電路如圖6所示。

圖6 電源電壓檢測(cè)電路

2.3 運(yùn)動(dòng)控制模塊設(shè)計(jì)

運(yùn)動(dòng)控制模塊主要包括：電機(jī)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器和編碼器。

直流電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，調(diào)速效果好，控制方式簡(jiǎn)單，選用直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)。

餐廳服務(wù)機(jī)器人總質(zhì)量為m=60 kg，最大運(yùn)行速度為v=0.2 m/s，機(jī)器人最大加速度為a=1 m/s2，驅(qū)動(dòng)輪與地面摩擦系數(shù)μ=0.2，驅(qū)動(dòng)輪半徑為r=0.05 m，機(jī)械傳動(dòng)效率η=0.8，則機(jī)器人運(yùn)動(dòng)功率為:

(1)

在啟動(dòng)過程中，還需要考慮靜摩擦力，取靜摩擦系數(shù)k=1.5，默認(rèn)兩個(gè)電機(jī)特性完全一致，則單個(gè)直流電機(jī)功率為：

(2)

單個(gè)直流電機(jī)所需轉(zhuǎn)矩為：

T=fr=μmgr=0.2×60×9.8×0.05=5.88N·m

(3)

單個(gè)直流電機(jī)所需轉(zhuǎn)速為：

(4)

經(jīng)過市場(chǎng)調(diào)研，最終選用maxon公司的24 V、70 W、5 530 r/min、78.2 mN·m的RE36-118798直流電機(jī)和配套的103:1齒輪箱型以及maxon光電編碼器HEDL5540。

直流電機(jī)采用脈寬調(diào)制控制，通過主控芯片MSP430F5438定時(shí)器Timer_B產(chǎn)生PWM控制信號(hào)，經(jīng)過SN74HCT245芯片，電平由+3.3 V轉(zhuǎn)換成+5 V信號(hào)輸出，完成信號(hào)電平的轉(zhuǎn)換后提供給DC24RT40BL-PC3型直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。通過調(diào)節(jié)PWM信號(hào)的占空比來控制直流電機(jī)正反轉(zhuǎn)及旋轉(zhuǎn)速度[8]。PWM輸出接口電路如圖7所示。

圖7 PWM輸出接口電路圖

光電編碼器集電極開路輸出，所以其輸出信號(hào)均需通過上拉電阻上拉至5 V，而主控芯片端口的輸入電壓最大不允許超過+3.6 V，所以必須對(duì)編碼器信號(hào)進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，將+5 V電平信號(hào)轉(zhuǎn)換為+3.3 V電平信號(hào)，編碼器輸入接口電路如圖8所示。

圖8 編碼器輸入接口電路圖

2.4 無線通信模塊設(shè)計(jì)

無線通信模塊電路如圖9所示，通過主控芯片MSP4-30F5438的USCI_A串行接口以RS485協(xié)議通信，用MAX3485芯片實(shí)現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換，將主控芯片輸出的TTL電平轉(zhuǎn)換為RS485差分信號(hào)。

圖9 RS485通信電路圖

2.5 導(dǎo)航定位模塊設(shè)計(jì)

導(dǎo)航定位模塊主要由磁導(dǎo)航傳感器和地標(biāo)讀取模塊構(gòu)成。本文選用深圳佳順偉業(yè)科技有限公司的型號(hào)為CA-16型磁導(dǎo)航傳感器，其供電電壓為+24 V，輸出為+5 V高低電平信號(hào)。因?yàn)橛?6路I/O信號(hào)，所以需要2片SN74HCT245進(jìn)行轉(zhuǎn)換，磁導(dǎo)航傳感器信號(hào)電平轉(zhuǎn)換電路如圖10所示。地標(biāo)讀取模塊選用北京芯拓未來機(jī)器人科技公司的CCF-RFID1傳感器，感應(yīng)距離0～5.5 cm，輸出接口為RS232或RS485，設(shè)計(jì)的地標(biāo)讀取模塊接口電路圖與圖9相同。

圖10 磁導(dǎo)航傳感器信號(hào)電平轉(zhuǎn)換電路圖

2.6 安全避障模塊

安全避障模塊選擇歐姆龍E3Z-D62紅外光電開關(guān)，+12～+24 V供電，有效檢測(cè)范圍為0～1 m。紅外測(cè)距傳感器用于檢測(cè)機(jī)器人前方障礙物，保障就餐人員安全，安全避障模塊接口電路圖如圖11所示。

圖11 安全避障模塊接口電路圖

2.7 人機(jī)交互模塊

人機(jī)交互模塊包括語音報(bào)警模塊、LED顯示模塊及觸摸屏模塊，分別選用深圳艾智威科技有限公司的艾智威音樂報(bào)警器、深圳雨藝光電有限公司的LED顯示模塊和深圳顯控自動(dòng)化技術(shù)有限公司SK系列觸摸屏。四個(gè)模塊均采用串口通信，接口電路圖與圖10相同。

3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

機(jī)器人控制系統(tǒng)嵌入式軟件主要針對(duì)微控制器MSP430F5438進(jìn)行設(shè)計(jì)，基于IAR Embedded Workbench for MSP430，采用C語言開發(fā)，主要包括主函數(shù)、電機(jī)控制模塊和無線通信模塊。

主函數(shù)主要包括系統(tǒng)初始化和對(duì)子程序的調(diào)用等。初始化包括時(shí)鐘、I/O端口、定時(shí)器、串口、AD采集等初始化。初始化完成后，進(jìn)入while(1)循環(huán)，等待中斷，即等待上位機(jī)發(fā)送的控制命令，當(dāng)接收到控制命令后，開中斷，解析命令并執(zhí)行相應(yīng)動(dòng)作，執(zhí)行完相應(yīng)動(dòng)作后繼續(xù)等待下一個(gè)命令。主函數(shù)流程如圖12所示。

圖12 主函數(shù)流程圖

電機(jī)控制模塊設(shè)計(jì)如圖13所示，電機(jī)控制包括速度控制和方向控制。速度控制采用分區(qū)PID控制算法，周期為100 ms。方向控制利用磁導(dǎo)航傳感器檢測(cè)信息計(jì)算方向偏移量作為誤差，采用PD控制算法，進(jìn)行方向控制。

圖13 電機(jī)控制模塊設(shè)計(jì)框圖

嵌入式系統(tǒng)無線通信包括接收終端機(jī)指令信號(hào)和向終端機(jī)發(fā)送狀態(tài)信息。其中接收終端機(jī)指令信號(hào)通過無線信號(hào)中斷觸發(fā)，每10 ms定時(shí)發(fā)送一次，波特率115 200 bps。終端機(jī)向嵌入式系統(tǒng)下發(fā)指令包括送餐指令和啟動(dòng)/停止指令?？刂泼钔ㄟ^數(shù)據(jù)幀的形式發(fā)送，格式為：“幀頭+內(nèi)容+幀尾”，餐廳服務(wù)機(jī)器人控制指令協(xié)議如表1所示。

機(jī)器人控制系統(tǒng)上位機(jī)監(jiān)控軟件基于Windows操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)，主要包括餐廳服務(wù)機(jī)器人操作平臺(tái)和機(jī)器人運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控平臺(tái)兩個(gè)界面。其中餐廳服務(wù)機(jī)器人操作平臺(tái)主要包括：選擇餐桌編號(hào)、給機(jī)器人發(fā)送送餐指令以及停止、啟動(dòng)、監(jiān)控等

表1 控制命令協(xié)議

輔助按鍵。機(jī)器人運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控平臺(tái)用于監(jiān)控機(jī)器人運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，主要包括：餐廳示意圖、模擬機(jī)器人位置、機(jī)器人狀態(tài)和機(jī)器人速度設(shè)置等。

4 控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)

在實(shí)驗(yàn)中，通過上位機(jī)向機(jī)器人發(fā)送送餐命令“0xfb 0x01 0x00 0xfb”，機(jī)器人從起始位置出發(fā)，沿著磁條鋪設(shè)的線路向目標(biāo)餐桌移動(dòng)。在運(yùn)動(dòng)過程中，遇到障礙物，機(jī)器人停止運(yùn)動(dòng)并語音播報(bào)“請(qǐng)您讓一讓”。當(dāng)機(jī)器人到達(dá)目標(biāo)餐桌，停止并語音播報(bào)“請(qǐng)享用美味”，按下確定按鈕，機(jī)器人開始返回初始位置。在整個(gè)過程中，每隔10 ms機(jī)器人向終端機(jī)發(fā)送狀態(tài)信息。

結(jié)果表明：機(jī)器人在所設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)控制下，能夠準(zhǔn)確地完成終端機(jī)下發(fā)的送餐任務(wù)并返回等待區(qū)，并及時(shí)向上位機(jī)反饋機(jī)器人狀態(tài)信息。

5 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種以微控制器MSP430F5438為核心的餐廳服務(wù)機(jī)器人控制系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)采用模塊化方法設(shè)計(jì)，包括：主控模塊、電源及管理模塊、運(yùn)動(dòng)控制模塊、導(dǎo)航定位模塊、安全避障模塊、無線通信模塊和人機(jī)交互模塊等。各模塊間相互配合，較好地完成了餐廳環(huán)境下機(jī)器人自主送餐的功能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明所設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)，控制效果良好，具有顯著的推廣應(yīng)用價(jià)值。

[1] Yamazaki K, Ueda R, Nozawa S, et al. Home-assistant robot for an aging society[J]. Proceedings of the IEEE, 2012, 100(8):2429-2441.

[2] 蘇劍波. 服務(wù)型機(jī)器人的新時(shí)代[J]. 自動(dòng)化博覽, 2014 (7): 17-17.

[3] 張付有. 迎賓機(jī)器人控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開發(fā)[D]. 青島：山東科技大學(xué), 2013.

[4] 王田苗, 陶 永, 陳 陽. 服務(wù)機(jī)器人技術(shù)研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)[J]. 中國科學(xué): 信息科學(xué), 2012, 42(9): 1049-1066.

[5] 宋章軍. 服務(wù)機(jī)器人的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)[J]. 集成技術(shù), 2012, 1(3):1-9.

[6] 朱世強(qiáng), 劉松國. 我國機(jī)器人產(chǎn)業(yè)化發(fā)展戰(zhàn)略探討[A].全國先進(jìn)制造裝備與機(jī)器人技術(shù)高峰論壇[C]. 2008.

[7] 曹大衛(wèi), 王仁波. 基于ARM9的智能機(jī)器人控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J]. 電子質(zhì)量, 2013(6):28-30.

[8] 林家泉, 程緒宇, 周賢民,等. 一種小型直流電機(jī)控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)方案[J]. 自動(dòng)化與儀表, 2014, 29(11):73-76.

Design and Implementation of Control System for a Restaurant Service Robot

Cai Junjie1,Wu Yifei2, Xu Hangyu3, Zhang Wei4

(School of Automation, Nanjing University of Science and Technology, Nanjing 210094, China)

Through the analysis of demand about the restaurant service robot control system, an overall design scheme of the restaurant service robot control system with MCU MSP430F5438 as the core is proposed. The control system hardware circuit is designed by a modular design method, mainly including the main control module, power supply and management module, motor control module, wireless network communication module, navigation module, safe obstacle avoidance module and human-computer interaction module. The overall flow of the control system software is introduced and the embedded software of the control system are designed. Experiment results show that the designed control system applied to the restaurant service robot can achieve the function of meal delivery service and has good control effect, strong practicability and significant application value.

restaurant service robot;food delivering;control system

2016-04-07；

2016-06-21。

國家自然科學(xué)基金(61304136)。

蔡俊杰(1991-)，男，湖北黃岡人，碩士研究生，主要從事機(jī)器人控制方向的研究。

1671-4598(2017)02-0077-04

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2017.02.021

TP311

A