王荔檬

南寧職業(yè)技術(shù)學(xué)院機電工程學(xué)院

智能講解機器人的設(shè)計及系統(tǒng)搭建

王荔檬

南寧職業(yè)技術(shù)學(xué)院機電工程學(xué)院

本文通過開展智能講解機器人的研究，實現(xiàn)講解機器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計和系統(tǒng)搭建，所設(shè)計機器人具有循跡行走、定點講解和與障礙急停報警等功能，能夠應(yīng)用于圖書館、博物館及歷史古跡等場所替代人工講解工作，解決了現(xiàn)有場館講解員短缺和工作強度大的問題，具有廣泛的推廣應(yīng)用價值。

智能；講解機器人；電路設(shè)計

一、緒論

本文擬設(shè)計一智能循跡式講解機器人，該機器人能夠在博物館和展覽館等場所使用，按照場所預(yù)定最佳講解路徑行走且在預(yù)設(shè)地點進(jìn)行精確定點講解，同時針對博物館和展覽館等場所的兒童較多的情況，設(shè)置機器人在運動過程中具有遇到障礙急停以及語音報警功能。

通過相關(guān)文獻(xiàn)查詢和實際工作條件的探討，本文設(shè)計智能機器人擬包括以下幾項功能：

（1）講解機器人的循跡行走；

（2）講解機器人的運動底盤結(jié)構(gòu)設(shè)計；

（3）講解機器人的定點講解；

（4）講解機器人遇障時的緊急停止；

（5）講解機器人的搭建和運行調(diào)試。

二、智能講解機器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計

講解機器人的框架結(jié)構(gòu)作為機器人電控組件的安裝平臺和整體機器的支撐部分，起著至關(guān)重要的作用，對于它的設(shè)計要綜合考慮機器人的行走方式、結(jié)構(gòu)組件及控制方式等，本章通過以下幾個部分來確定智能講解機器人的最終結(jié)構(gòu)。

船舶設(shè)備在安裝中由于組件安裝的體積較大，重量較大，因此在安裝中通常借助起吊機，手工輔助機械裝置，進(jìn)行相關(guān)組件設(shè)備的安裝。在此過程中分析大型組件設(shè)備安裝中的減振措施，對于設(shè)備安裝中的準(zhǔn)確性提升意義重大。具體分析在實際發(fā)展中設(shè)備安裝準(zhǔn)確性的保障，對于設(shè)備后期的應(yīng)用質(zhì)量保障，以及設(shè)備的實際應(yīng)用效果提升奠定了良好的基礎(chǔ)。其中具體分析船舶設(shè)備安裝的準(zhǔn)確性，主要體現(xiàn)在船舶設(shè)備安裝位置，安裝高度，安裝水平度的準(zhǔn)確性，確保其設(shè)備組件后期在運行中的穩(wěn)定性和合格性。

1、運動部件設(shè)計

機器人的運動方式主要有輪式和履帶式兩種，如圖1所示，履帶式結(jié)構(gòu)主要應(yīng)用于野外、凹凸地面或沙漠等惡劣環(huán)境中，本文所設(shè)計講解機器人主要工作在博物館或展覽館等室內(nèi)場所，工作環(huán)境比較平坦，且對噪聲高低要求較高，據(jù)此選用輪式運動結(jié)構(gòu)。輪式結(jié)構(gòu)運動不僅運動精確度高，運動速度快，且能夠避免履帶式結(jié)構(gòu)運動的噪聲較大問題。

圖1　輪式運動結(jié)構(gòu)和履帶式運動結(jié)構(gòu)

圖2　運動底盤三維圖

基于選定的輪式運動方式進(jìn)行本文的運動部件設(shè)計，所設(shè)計運動底盤結(jié)構(gòu)如圖2所示，該運動底盤左右各布置兩主動輪，用以控制機器人的運動路徑，通過控制板對兩主動輪實現(xiàn)差速控制，完成整體機器人依規(guī)劃路徑的運動，同時布置兩萬向輪作為輔助輪，用以輔助轉(zhuǎn)向運動和緩解上部壓力突然增大對結(jié)構(gòu)的沖擊。

2、電子艙的設(shè)計

智能講解機器人的控制部分較為精密復(fù)雜，為了后期的檢修和裝配方便。本設(shè)計特別為電控組件部分設(shè)計專用電子艙用以放置所有的電控元件和電路板，所設(shè)計電子艙能夠直接從結(jié)構(gòu)中快速拆下，且為電線等排線設(shè)計專用道，保證人員安全和避免內(nèi)部電路相互之間的電磁干擾。

3、講解機器人的整體底盤設(shè)計

基于之前選定的輪式運動方式和電子艙方案的確定，展開整體底盤的設(shè)計，底盤充分考慮運動場所和運動方式，以及主要零部件的尺寸，進(jìn)行整體的設(shè)計，并利用三維軟件對所設(shè)計結(jié)構(gòu)進(jìn)行組件干涉檢查。

4、機器人外形設(shè)計

機器人外形設(shè)計采用定制化設(shè)計，在3D打印機的輔助下，依據(jù)用戶要求和場所的特點進(jìn)行定制化、特性化設(shè)計，保證了機器人的獨特性與創(chuàng)新性，能夠給參觀者不同的視覺感和新鮮感，對于各個不同主題的展館，單獨設(shè)計避免重復(fù)性也是更能夠保證講解機器人與場館的契合性。

三、講解機器人的電路設(shè)計

智能講解機器人的使用場所預(yù)設(shè)為博物館和展覽館等場所，此類場所都具有較為特定的參觀和講解路徑，依據(jù)場館的特殊性，選擇循跡式行走控制方式作為本文所設(shè)計講解機器人的控制方式，循跡式控制方式能夠按照預(yù)定路線進(jìn)行運動，確保路線的準(zhǔn)確性，相較于其它控制方式安全性更高。

圖3　單片機模塊及傳感器模塊

利用單片機和紅外光電傳感器實現(xiàn)循跡式運動的控制電路，如圖3所示，利用光電傳感器對路面進(jìn)行差色對比，實時分析機器人行走路線是否正確，在機器人行走出現(xiàn)偏移預(yù)定軌跡的情況時，傳感器安裝于小車中心線正上方，單片機通過讀取傳感器反饋信號并進(jìn)行PWM調(diào)速控制，差速控制左右兩主動輪的驅(qū)動電機的快速、慢速及停止功能，用以保證底盤中心處于軌跡中心線上方。

除了循跡運動外，本文所設(shè)計的智能講解機器人還應(yīng)具有遇到障礙物時的緊急停止功能，同樣在光電傳感器的輔助下，在小車的前進(jìn)路徑感測出現(xiàn)的障礙物并實現(xiàn)緊急停止以保證場館中的人員安全。本文所設(shè)計小車還設(shè)置有藍(lán)牙遠(yuǎn)程遙控程序，增加智能機器人的可操控性和游戲性，對于展覽館等兒童較多的場所更加適宜。

智能講解機器人的講解功能利用GPS組件來實現(xiàn)機器人的精確定位及講解語音的啟動，智能講解利用成型模塊實現(xiàn)，所以功能不做具體介紹。

四、講解機器人的仿真實驗

圖4　循跡電路測試

本文所設(shè)計之智能講解機器人最重要的功能就是按照預(yù)定路線的行走的性能，仿真實驗主要測試電路性能，采用縮小版的底盤進(jìn)行測試，測試過程如圖4所示，經(jīng)過測試可以清楚的看到，所設(shè)計電路能夠非常好的實現(xiàn)行走功能，在曲線處的轉(zhuǎn)彎也沒有非常大的停頓現(xiàn)象，可以用該電路系統(tǒng)實現(xiàn)機器人的控制。

五、總結(jié)

本文通過現(xiàn)今機器人對于現(xiàn)實生活的影響為基礎(chǔ)，設(shè)計了智能講解機器人的整機結(jié)構(gòu)，并進(jìn)行了機器人電路系統(tǒng)的運動和避障功能測試，本文所設(shè)計之智能講解機器人能夠服務(wù)于博物館和展覽館等需要講解服務(wù)的場所，不僅能夠大大節(jié)省人力且易于維護(hù)，耐用度高，更是對于專業(yè)講解人員短缺的巨大補充，通過本項目的研究期待后期能夠擴大智能服務(wù)類機器人的種類和幫助有先天缺陷的人群更好的生活和融入社會。

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王荔檬（1985-），女，于2015年于長春理工大學(xué)獲得工學(xué)博士學(xué)位，現(xiàn)為南寧職業(yè)技術(shù)學(xué)院機電工程學(xué)院機械制造及設(shè)計專業(yè)骨干教師，從事教學(xué)和科研工作。