机器人研发、制造是衡量一个国家科技创新能力和高端制造业水平的重要标志，人类社会终会朝着智能化方向发展，因此，世界各国对机器人产业的发展保持高度关注，许多国家将机器人的发展计划提升到国家战略高度，机器人产业发展将影响全 球制造业战略格局。在许多场景下服务机器人已经得到广泛应用，如扫地机器人等，随着生活节奏的变快、老龄化现象的凸显及生活水平的日益提高，对导览机器人等降低人类劳动强度的商用服务机器人的需求越 来越迫切，导览机器人的应用可为企业和社会带来很大的经济效益。
目前，导览机器人主要研究问题包括定位导航、语音交互及场馆设备联动等。在定位导航方面，于春和采用激光雷达进行地图重构，效果较好，但在存在较强干扰的复杂环境下，地图的重构效果较差，还有部分研究人员采用视频导航等，这些导航技术在复杂环境下容易受到干扰，因此本文采用磁导航和RFID射频识别技术，抗干扰性强，提高 导航定位的稳定性。对于现有机器人语音交互不够智能的问题，集成开发了先进的 AIUI 语音交互解决方案，具备识别率高，支持自定义唤醒词和对 话内容等先进特性，另外还就现有机器人无法与场馆设备联动等方面进行了一些改进，设计了包含多种通信方式的无线控制单元，根据场景选择合适的通信方式与场馆设备通信，具有较高的兼容性和可靠性。
一、系统结构
本设计的语音交互导览机器人（以下简称机器人）是以服务机器人为背景，在公共场馆为游客提供导引和讲解服务的一种商用机器人，旨在提高公共服务场馆的讲解服务效率和趣味性，提升游客 的参观体验。机器人具有如图 1 所示的火箭和宇航员形态。系统框图如图 2 所示，由主控制器、液晶触摸 显示屏、导航定位单元、AIUI 评估板、语音输出单元、无线控制单元、驱动单元、超声波传感器、红外 热释电传感器、OLED 显示屏等组成（图中未画出 电源部分），其中主控制器位于底盘主板上，导航定位单元包括磁导航传感器和RFID传感器，语音输 出单元包括音频放大器和立体声扬声器，无线控制 单元包括射频、红外、Wi-Fi、蓝牙通信模块。
二、系统硬件设计
2.1 控制器
控制器选用 STM32F4 系列低功耗高性能控制器，该系列面向需要高集成度、高性能、嵌入式存储器和外设的医疗、工业与消费类应用，提供包含 6 个串口在内的15个通信接口，丰富的片上资源与外设接口大大简化了硬件电路，降低了系统设计成 本。机身配备了3片STM32F4控制器，分别位于机 身头部、中部和底盘的控制板，头部控制器主要控制头部运动及语音指令处理，中部控制器主要控制变形机构的运动，底盘控制器用于各传感器及单元 数据融合处理，以及驱动轮的运动控制。
2.2 AIUI评估板的开发
AIUI 评估板具备强大的语音交互能力，支持 自定义唤醒词及多种自然语调的发音人，可在开发 网站生成自定义唤醒词文件，通过板载 USB 接口， 用 ADB 命令传输唤醒词文件至评估板，重启即可启用自定义唤醒词，同时 AIUI 评估板的六麦克风阵列具备 360°声源定位能力，定位精度达到 5°，使机器人具备声音方位感知能力，其强大的云端 库和超高的识别率使机器人具备能听会说及控制 场馆设备的能力。在云端识别出语义之后，AIUI 评估板的串口 会输出包含声源角度和对话内容在内的 Json 格式 数据，通过解析Json格式的数据即可知道游客的意 图，AIUI云端开发平台支持自定义对话内容，通 过其强大的自定义功能，可在机器人控制、信息问询等多种场景下提供个性化交互。
2.3 导航定位单元的设计
导航定位单元由安装在底盘的磁导航传感器和 RFID传感器组成，通过识别磁条来导航，通过 RFID 传感器读取 RFID 标签来获取位置信息。磁导航传感器具有 8 个均匀分布检测点，点间距 10mm，开关量输出，磁导航传感器与磁条的相对位置不同，使检测到磁条的检测点发生变化，通过对 检测点的判断可知机器人偏离磁条的程度，调节驱动轮间的差速使机器人沿着磁条行进。RFID传感器采用感应距离 0cm~15cm 的低功耗 RFID 站点传感器，通过识别埋设在磁条下的RFID标签，机器人 可获取自身位置信息。
2.4 无线控制单元的设计
采用射频、红外、蓝牙、Wi-Fi等通信方式与场馆演示设备、多媒体设备、灯光、空调系统进行通信，到达讲解点时，通过导航定位单元获取到的讲 解点RFID标签信息含有对各受控设备的具体操作 信息，根据此信息生成指令信息，指令信息包含受 控设备的地址码和指令，根据设备码区分对应设 备，受控设备将读取指令信息并解析，执行相应的 动作，如演示设备开始演示等，根据场景的要求选择最适合的通信方式，可适应复杂的场馆环境，具备良好的控制效果。
2.5 驱动单元的设计
驱动单元包含驱动轮、头部和变形机构的电机 及其驱动器。底盘设计有两个驱动轮和四个万向 轮，驱动轮电机采用直流无刷减速电机，配合驱动 器以 PWM 控制驱动轮电机使机器人自主行进。 变形机构控制手臂的展开收回、上升下降，采用一 个直流减速电机控制手臂的展开及收回，另一个电 机控制手臂的上升和下降，在手臂收缩和上升至末 端时，机器人变成火箭形态，反之变成宇航员形态， 在变形机构上设计有光电开关和限位块，在手臂结 构件运动到位时向控制器反馈状态信息，手臂拥有 两个自由度，可上下前后运动，前后摆动角度达 45°，头部配备两个直流减速电机，分别控制头部的 水平和俯仰转动，配合角度传感器、限位块可精准 控制角度，防止超出可转动范围，头部拥有两个自 由度，可左右转动45°，向上转动15°，向下转动5°。
2.6 其他部分的硬件设计
采用24V锂电池作为电源，配合电压转换系统为整个系统供电。头部面罩内装配了两块 2.42 英 寸 OLED 显示屏，可显示精细的表情，机身中间配 备一块 8英寸触摸液晶显示屏，配备一个 RS232通信接口，通过 RS232 转 TTL 转换器，可与位于底盘 的主控制器通信，通过显示屏通信协议控制屏幕的显示，可用VisualTFT软件开发交互界面，开发难度 适中，并可用Lua脚本编程，具备一定的灵活性，支持播放内部或外部存储的音视频资料；机器人具 有安全冗余设计，在各活动部位设计有光电开关和 限位块，背部配备有紧急停止按钮，最大限度保证 人员安全，配备感应角度达到120°的超声波传感 器可在检测到障碍物时，依据检测距离执行减速或 者紧急停止，并且发出语音提示，提醒工作人员进 行处理，配备的红外热释电传感器在检测到游客时，可主动向游客问好。
三、系统软件设计
机器人底层代码采用C语言编写，采用模块化 的编程方式，即按照系统的不同功能模块编写相应 的代码，使程序简单易于维护。系统上电时，先 进行自检，检测各控制器之间的通信是否正常并显 示默认表情，触摸显示屏显示主界面，检测变形机构状态并进行头部位置校准，如果检测到异常，则 在机身显示错误信息，如果检测通过，则进入待机 状态，待机状态可使用语音交互，主动问好等功能， 在待机状态如接收到屏幕或者语音的开始导览指 令，则脱离待机状态进入导览状态，机器人开始沿 着预设的磁条行进，模拟人的摆臂动作，显示相应表情，在导览过程中随时可接受停止导览指令，此 时系统会退出导览状态，进入待机状态，当RFID传 感器识别到讲解点时，进入讲解状态，讲解过程的程序流程图如图5所示。
四、结语
一般的导览机器人只侧重于讲解方面的研究与设计，对于人机交互和与场馆设备互联的重视不足，本设计综合考虑了以上内容，可以提供生动直观的讲解服务，并整合了先进的 AIUI 语音交互方案，提升了游客的交互体验，特意设计的变形结构， 使机器人的科技感得到显著提升，在讲解过程中通过与场馆演示设备、多媒体设备、灯光设备、空调系统等联动，显著提升场馆信息化和智能化水平。系 统采用模块化设计和标准通信协议，具备可靠性高，易于维护等特性。机器人在实验室搭建环境下 运行平稳，证明了其可行性。本设计的机器人虽然在智能化和人性化方面相比传统机器人得到很大 提高，但是在机器人动作完成精度与噪声控制方面仍有很大提升空间。