餐厅服务机器人的研制与开发

餐厅服务机器人的研制与开发1餐厅服务机器人的研制与开发宋章军 陈春杰 高桥 吴新宇 徐扬生摘 要 餐厅服务机器人作为一种特殊的服务机器人，集成了移动机器人、多传感器信息融合和多模态人机交互等技术，具有较高的理论价值；同时，餐厅服务机器人能够代替或者部分代替餐厅服务员为顾客服务，具有广阔的市场前景。本文介绍了一种能够在餐厅嘈杂环境中为顾客点菜、送餐服务的餐厅服务机器人原型，并分析了其结构设计、控制系统和功能模块设计。该餐厅服务机器人底层采用轮式移动平台，上部为人形机器人，古代女服务员形象。该机器人通过触摸屏，语音系统以及扭腰、弯腰、转头、低头、张嘴及眨眼等动作，实现和顾客的交流。最后对自主行驶算法进行了实验验证。关键词 餐厅服务机器人； 轮式移动机器人； 路径规划； 人形机器人1 引言 在人民生活水平不断提高、科技日新月异的时代，机器人将逐步走入人类的日常生活，与人类友好共处，是未来社会生活发展的必然趋势。服务机器人系统技术不仅是智能机器人发展的前沿技术，也是引领人类未来生活新模式、培育机器人新产业革命的一种核心技术。 公共服务机器人近年来得到快速发展，并且已经应用到公共场所为人类服务。例如，在展览会会场、办公大楼、旅游景点为客人提供信息咨询服务的迎宾导游机器人[1]，在建筑物内或者居民区内进行自动巡视的安防巡逻机器人[2]等，技术上都已经比较成熟，已经开始走向实际应用。随着社会的不断发展进步，人们的人均收入提高，随之而来的是人们的消费水平不断地提高，从而大大地促进了餐饮业的迅速发展。在餐饮业领域，最繁杂的工作莫过于为顾客点餐和送餐等服务。由于人力成本的提高，餐馆在服务人员的人力成本支出越来越高，如在日本、香港，普通服务员的工资和产业工人的工资已经不相上下。如果使用机器人代替/部分代替服务员为顾客服务，如点菜、送菜，不但能提高服务效率，减少服务人员数量，更能建立餐厅特色，打造餐厅品牌，进而提升餐厅的业绩。餐厅服务机器人作为一类特殊的公共服务机器人，集成了移动机器人技术、多任务集成、人机交互、多模态分析等。因此，研究和开发餐厅服务机器人系统，不仅可以积累研发其他服务机器人的技术，具有重要的理论价值，还具有重大的实际应用价值和广阔的市场前景。 加拿大L.Meeden等人于1999年研制了餐厅服务机器人Alfred[3]，其外形似一只企鹅。Pantelis Elinas等人于2002年研制了服务机器人José[4]，José开始采用人形，具有上半身。José和Alfred都能通过语音识别技术进行人机对话。不同的是Alfred采用人工设置路标，基于超声测距传感器信息的导航和定位，而José采用是基于自然标志物和视觉信息进行导航和定位。José和Alfred在嘈杂环境下的语音识别正确率很低，并且他们与顾客的互动性还比较差。José只能通过语音与顾客“交流”，这种方式在嘈杂环境中受到很大限制；Alfred除了语音“交流”之外，通过安装在其本体上的笔记本电脑显示脸部表情来和顾客交流，这种“交流”虽然表情丰富，但缺乏真实感。 台湾国立云林科技大学和吴凤技术学院合作研发了餐厅服务机器人[5]，第一代餐厅服务机器人采用电磁导航，第二代采用激光测距传感器进行导航，具有较好的定位和导航能力。但该服务机器人外形设计比较简单，采用多层的圆柱形设计，没有人的外形，也缺少娱乐性和与顾客的互动。 我国2007年的863计划已经把餐饮服务多机器人系统作为重点项目支持。在“十一”国家“863”计划的推动下，部分高校已经对餐厅服务机器人进行了探索性的研究。例如，哈工大海尔机器人公司研制的智能服务机器人具有菜单介绍、点菜餐位预定与管理服务，但没有送菜功能。扬州大学、上海交通大学和深圳繁兴科技联合开发了炒菜机器人[6][7]。1Vol.3No.5/May.2009 深圳先进技术研究院针对部分餐饮企业的需求，在国家科技部国际合作项目经费资助下，对餐厅服务机器人进行了深入的研究，开发了点餐、送餐服务机器人系统，如图1所示。该餐厅服务机器人以轮式移动平台为底座，上身部分为人形机器人，古装女服务员形象。她“能说会动”，能够实现人具有的部分动作，如弯腰、点头等。她还可以通过语音、触摸屏为顾客点菜，可以在餐厅环境中自主行驶时为顾客送餐服务。 图1 餐厅服务机器人2 餐厅服务机器人系统概述 该餐厅服务机器人身高165mm，重25Kg，行驶速度最快能达1.4米/秒。行进动力能源采用铅酸电池，其他动力电源采用锂电池，充电一次可连续工作3小时。 餐厅服务机器人具有以下功能：● 在普通餐厅环境中具有自主行驶功能，同时能够防碰撞和自主避让顾客● 触摸屏点菜功能● 非特定人语音点菜功能、点菜后实时显示所点菜单● 点菜确认后把餐桌信息与所点菜单信息发送给厨房后台服务器 ● 点菜确认后顾客的菜单资料发送给前台服务器，以方便顾客结账● 前台服务员可以无线遥控机器人，以防机器人自主行驶发生故障● 厨房完成所点餐饮之后，可呼叫餐饮机器人来取餐● 机器人将餐饮送到指定的桌次，交给顾客来享用3 餐厅服务机器人的结构与造型设计 由于机器人的造型是人形，需要具有真人般的皮肤和面孔，体型等，所以设计时需要整体性，同时机器人还需要具有协调的运动，这给结构设计和造型设计带来了一定的难度。对于机器人的皮肤采用局部整体设计，机器人的服装和装饰采用整体化设计，机器人的“人体”部分采用模块化设计。 机器人的底座由一个轮式移动平台组成，可看成一个独立的轮式移动机器人，包括传动部分、伺服电机、充电电池和控制板卡等，作为一个独立的部分单独设计和加工。轮式移动平台的上部分为一个人形机器人本体，人形机器人本体的小腿以下部分被轮式移动机器人平台代替。其小腿和移动机器人平台采用螺栓螺母相连接，运输时可方便拆卸。人形机器人本体分为头部、上肢、躯干和下肢四个部分。机器人左手端触摸屏，放在胸前，右手托餐盘，举过右肩。人形机器人本体共有8个自由度，包括扭腰、弯腰两个自由度和头部的6个自由度，如图2所示。头部的自由度包括眼珠左右转动自由度、眼珠上下转动自由度、眼睛眨眼自由度、嘴巴张合自由度、脖子扭动自由度和点头自由度。 图2 餐厅服务机器人结构示意图 机器人的外形采用古装服务员形象，在衣服不能盖住的地方采用人造仿真皮肤。人形机器人本体由外到内分别是衣服与饰品、人造皮肤、壳体、 “骨架”和“内脏”。人造皮肤采用硅胶材料，头皮和手皮分开制作。首先调制出颜色和硬度与真人皮肤相近的硅胶，然后在模型上覆膜。人造皮肤的邵氏硬度为2.7左右，并具一定的弹性和韧性，使机器人面部动作时人造皮肤不破裂，面部轮廓不变形。壳体采用PVC材料，既有一定的硬度，又方便修补。为了使机器人本体具有一定的强度，在壳体内部还有一些金属支架，即“骨架”。在“骨架”上安装电机、驱动器、控制板、电源模块等“内餐厅服务机器人的研制与开发19脏”。 设计服务机器人头部造型时，首先设计平面图形，然后参照平面图形对机器人的头部进行泥雕，设计出三维的立体人体头部，根据泥雕模型覆膜出头皮和设计壳体。最后在头皮的上面植头发，化妆，在壳体内安装电机、驱动器、控制板、电源模块等，如图3所示 图3 餐厅服务机器人头部设计加工过程4 餐厅服务机器人的控制系统设计4.1 餐厅服务机器人点餐、送餐的流程及原理 餐厅服务机器人进行点餐和送餐工作时，机器人作为餐厅点餐系统的一部分，需要和餐厅的前台服务器，后台服务器相配合一起工作。如图4所示，服务机器人通过无线网络与餐厅前台服务器传输通讯信息，同时，餐厅前台服务器通过无线或有线网络与厨房里的后台服务器进行通信。就餐的顾客在某一餐桌就座之后，机器人在餐厅前台服务器的提示下行走至该餐桌旁，弯腰点头迎宾，然后语音提示顾客点餐，顾客根据触摸屏的提示，在触摸屏上点餐，或者通过语音进行点餐。 图4 餐厅服务机器人工作示意图 服务机器人为顾客点餐完了之后，将该餐桌对应的点餐的信息通过无线传输到餐厅前台服务器备案，同时将其传输给厨房的后台服务器。厨房的后台服务器显示出机器人传输来的顾客点餐信息，厨师根据该信息进行加工、烹饪。如果该餐桌的顾客点有饮料，那么机器人自主行驶至餐厅前台，餐厅前台工作人员把顾客所点饮料放在机器人右手部的托盘上，并通过触摸屏输入该饮料所属桌次和确认信息，机器人将饮料送至该桌旁，语音提示顾客自取或者等服务员将饮料分发给该餐桌顾客。 一道菜做完之后，厨房的厨师输入呼叫信息通过无线网络传输给服务机器人，提示服务机器人去厨房取菜。服务机器人根据呼叫信息移动至餐厅取菜处，厨师把菜盘放进餐厅服务机器人右手部的托盘上，并通过触摸屏输入所属桌次和确认信息。机器人移动至该餐桌旁，语音提示顾客自取或者等服务员取菜摆放到该餐桌上。机器人就这样不停地为餐桌顾客服务。为了突出服务机器人的娱乐性和协调性，机器人在没有送菜的行走过程中，不时地小幅度扭腰和转动头部。 前台服务器作为餐厅点餐系统的一部分，主要由台式计算机组成，除了具有结算等功能之外，还具有控制机器人的功能。有一个主控界面，能够实时显示机器人的位置与工作状态，同时，用鼠标和键盘还可以远程控制机器人的运动。机器人的运动发生故障、以及发生碰撞，在控制界面都会产生报警信息。 从上述流程看出，机器人的控制系统涉及机器人在餐厅的自主行使，以及扭腰、弯腰、点头、转头、嘴的张合、眼球的运动和眨眼等动作的实现。餐厅服务机器人除了控制自己的运动之外，还需要实时和前台、后台计算机进行通讯。4.2 餐厅服务机器人的控制结构 餐厅服务机器人的控制系统如图5所示，由上、下位机组成。下位机为一个微控制板，安装在轮式移动平台上，主要用于机器人的行走控制。由微控制板连接驱动伺服电机和驱动器，并通过I/O接口连接防碰撞传感器，通过串口连接超声测距传感器模块。在每个驱动伺服电机的输出轴尾端安装一个光电编码器，用来检测机器人的行走速度。防碰撞传感器由一组碰撞开关组成，用来检测是否被碰撞。测距传感器用来检测机器人与周围障碍物的距离，进行避障和路径规划。上位机由一台PC104嵌入式电脑组成，主要用来实现人机交互和点菜功能，控制扭腰、弯腰、点头、转头、嘴的张合、眼球的运动和眨眼等。扭腰、弯腰、点头、转头采用直流伺20Vol.3No.5/May.2009服电机驱动，嘴的张合、眼球的运动和眨眼采用舵机驱动。PC104嵌入式电脑与下位机通过RS232接口通讯。在PC104嵌入式电脑的PCI插槽上配有一运动控制板卡，用来实现4个舵机的PWM控制和4个直流电机的伺服控制。5 点餐、送餐功能的实现5.1 触摸屏点餐 机器人的左手端一个10英寸液晶触摸器，放在胸前位置，方便顾客点菜。点菜程序采用FCKeditor软件编写，点菜的主界面如图6所示。顾客点击菜名或者菜的图片之后，将被添加在左边已点菜单之列，可以取消，也可以确定下单。下单之后，餐桌号和已点菜信息会被传输到前台和厨房，厨师开始加工、烹饪。 图6 触摸屏点菜界面5.2 语音点餐 语音点菜模仿服务员和顾客之间的点菜对话，实现机器人和顾客之间的交流，使机器人更人性化，更具有亲和力。语音点菜系统采用“言丰科技有限公司”的info 8.5作为语音引擎，在此基础之上，开发了语音点菜对话系统，如图7所示。 语音点菜和触摸屏点菜相结合。语音提示点菜后，触摸屏上显示点菜界面。通过语音每点完一道菜之后，触摸屏的左边会添加所点菜名。5.3 送餐功能的实现 图8 机器人自主行驶流程图 餐厅服务机器人送菜功能实现的前提是机器人在拥挤的餐厅环境中具有自主行驶功能，能够自主将顾客所点餐饮送到指定的餐桌。由于餐厅环境中动态的障碍物(如顾客)较多，机器人移动空间狭小，移动机器人的传统定位导航方法，如视觉导航、路标导航、电磁导航等都受到了一定的限制。餐厅环境中的墙、桌椅位置基本不变，而机器人只需要在一定的范围内行走，如餐桌与餐桌之间，餐桌与前台之间，所以餐厅服务机器人可采用基于地图匹配的方式实现在餐厅环境中的自主定位和导航。 图5 餐厅服务机器人的控制系统图7 语音点菜系统原理图餐厅服务机器人的研制与开发21 首先建立餐厅的电子地图