家庭服务机器人系统设计与研究秦志强，喻品（深圳中科鸥鹏智能科技有限公司， 深圳， 518067） 摘要 本文着眼于家庭服务机器人的路径规划，在铺满RFID地板的智能家居环境中，机器人依靠RFID读卡器和电子罗盘，能够准确判断自身位置并在目标位置的指引下调整前进方向。

而依靠红外测距传感器，机器人可以探测周围障碍并在一定范围内寻找合适路径。

机器人实际工作结果表明，在我们的策略下，机器人能够在智能家居环境中准确地完成各种任务，并体现出较强的自主决策能力。

关键词 服务机器人；路径规划；智能家居；自主决策The Design and Research on Domestic Service RobotZhiqiang Qin, Pin Yu(ShenZhen CAS Intelligent Technology Co., Ltd, ShenZhen, 518067) Abstract This article emphasis on path planning of domestic service robot. In a smarthome environment that the floor is covered with RFID plate, a robot can determine itsown position and adjust its direction with the help of RFID reader and electroniccompass. And relying on infrared sensor, it can also detect the barrier within a certainrange. As the result of the actual work of the robot shows that it can finish kinds ofwork in a smart home environment with our strategies, and it shows strong ability ofmaking independent decisions.key words service robot; path planning; smart home environment; makingindependent decisions引言随着人工智能和传感器技术的发展，机器人技术取得了长足的进步。

智能服务机器人已经开始影响人们的生活，同时人们也对机器人提出了更高的要求。

服务机器人目前尚无严格统一的定义，国际机器人联合会（International Federation of Robotics， IFR）给出的初步定义是：服务机器人是一种半自动或全自动机器人，它能服务于人类或某些设备，但不包括制造业务。

IFR的调研结果显示，服务机器人产业的市场在不断扩大，各种专用服务机器人的销售数量都在逐年提升。

保守估计2012到2015年间，世界范围内具有专业用途的服务机器人的安装数量将会多达9.38万，而个人使用的机器人的交易数量将会接近1560万[1]。

随着全球老龄化的来临，社会和家庭负担都在加重，家庭服务机器人将会扮演越来越重要的角色。

当前，大部分的家庭服务机器人都不具备行走功能或只具有简单的避障能力，因此，机器人路径规划成为当前研究的重要课题。

1相关研究机器人是人们为完成某种特定或一般性任务而设计的机器，所以为人类工作是机器人的使命。

自从机器人的概念诞生开始，人们对服务机器人的研究就没有停歇过，并且服务机器人一直在朝着智能化方向发展。

肖雄军和蔡自兴系统地归纳了服务机器人的发展现状和发展趋势，并提出了一些发展思路和要点[2]。

Fei Lu等构建了一个面向家庭服务机器人的智能空间系统，提出了这一系统的一些关键技术，并详细介绍了家庭服务机器人能够提供的智能而灵活的服务[3]。

徐海黎等构建了基于ZigBee技术的无线传感器网络系统，研究了基于RSSI 的无线传感器网络定位方法，家庭服务机器人作为无线定位系统中的盲节点，收集邻近参考节点的坐标和RSSI值，通过CC2431定位引擎计算出自身的坐标，从而实现了移动机器人的无线定位[4]。

俞文俊和凌志浩针对智能家居环境，设计了一种基于B/S架构的智能家居管理系统。

系统采用ZigBee无线网络实现对各类家居设备的信息采集和指令控制，并通过家庭网关与基于SQL Server 2005数据库管理系统的数据库服务器进行实时数据交互[5]。

吴培良等提出了一种满足家庭服务机器人环境认知和智能服务需要的融合环境和目标信息的家庭全息地图。

设计了局部集合-全局拓扑的全息地图分层表示模型。

分析了机器人坐标系、局部环境坐标系和目标的相对关系，给出了机器人局部环境自定位算法和基于坐标变换的服务机器人全息地图构建方法[6]。

Baoye Song等描述的是已经成功应用于服务机器人智能空间的基于ZigBee的无线传感网。

他们提出了一种简化的ZigBee协议栈，从而有效降低了传感网络的存储空间和节点间的通信开销，减小了网络规模[7]。

Minseong Kim等介绍了一款为老年人打造的服务机器人T-Rot的设计方法，系统设计重点放在服务机器人的自动导航系统上[8]。

王田苗等提出了一种家庭环境下实现服务机器人进行家庭辅助操作的智能空间架构，然后对一种低成本的服务机器人混合定位方法进行了研究，该方法首先基于加权概率匹配定位算法的无线网络信号强度确定位置范围，然后读取智能空间中的无线射频标签进行位置计算，最后基于比例不变特征变换算法进行最终位置的视觉定位[9]。

刘先恩等提出了一种基于多传感器的移动机器人路径规划策略。

利用声纳传感器和CCD摄像机对环境进行探测，得到关于障碍物的信息，通过一种简单、快速的数据融合算法计算出障碍物相对于机器人的位置坐标。

采用切线法进行路径规划，实现移动机器人在不确定环境下的路径规划，使机器人可以很好地避开障碍物，并以局部最优或次优路径到达指定位置[10]。

张军高等将基本蚁群算法应用到多服务机器人全局路径规划上，并对基本的蚁群算法作了改进。

对基于算法的多服务机器人系统的构成进行了描述，接着对多服务机器人系统环境的表示方法及算法中对应问题的描述和定义进行了研究。

对应用到多服务机器人系统的基本蚁群算法提出了几种改进的策略，并对改进的蚁群算法应用到多服务机器人系统进行路径规划的具体实现过程进行了研究，通过仿真和实验，具体地分析了该方法在多服务机器人系统实验平台的应用[11]。

当前的研究很多依赖于仿真实现，但是现实情况和仿真结果可能大相径庭。

也有一些研究将问题复杂化了，反而走了更多弯路。

本文采用的是中国教育机器人大赛的小型服务机器人比赛场地所描述的智能家居环境，简化了定位方式，并设计了一个合适大小的轮式机器人进行试验，试验结果表明机器人在本文的策略下可以实现预期目标并体现出较强的自主决策能力。

图1展示了环境的大概布局，机器人的任务是到搁板或冰箱位置取物体并送到桌子位置。

图1 智能家居环境大概布局2系统架构由于机器人存储和计算能力有限，系统采用上下位机交互的方式实现。

上位机是PC，用于发送命令和提供信息查询服务；下位机是机器人，根据上位机提供的信息进行路径规划来完成任务。

智能家居环境是一个铺满RFID地板的家庭场景，上位机需要采集所有地板标签信息并进行保存。

机器人携带RFID读卡器，当读到具体标签内容时，机器人向上位机发送标签内容信息并获取对应的位置信息，从而为下一步行走提供依据。

2.1上位机在智能家居环境中，RFID标签扮演着非常重要的角色，因为机器人需要通过RFID标签来判断自身位置，所以设计一种合理的RFID标签卡组织结构成为机器人正常工作的必备条件。

系统中，上位机承担数据库初始化的职责，并在机器人工作过程中提供位置信息支持。

2.1.2数据库基本需求智能家居的地面环境由具有9个RFID标签的智慧地板组成，标签卡均匀分布在地板上，理论上来讲机器人在地板的任意位置都可以读到某一RFID标签，从而可根据读到的标签内容及整体标签排列情况来确定自身位置。

家庭服务机器人数据库所要解决的问题就是RFID 标签与地板位置信息的映射关系，机器人向上位机发送RFID标签，而上位机则根据标签在数据库中查找对应的坐标信息并返回给机器人。

根据需求，至少要知道两个方面的信息：地板排列信息和智慧地板上的RFID标签排列信息，由地板排列信息和智慧地板上的标签排列信息便可以构造整个房间的坐标系统。

据此，系统中构建了两个表：地板排列信息表和地板标签排列信息表。

地板排列信息表反映的是地板排列结构，地板排列结构由用户设定，地板信息需要通过人工采集和管理。

地板标签信息反映的是单张地板上的RFID标签排列情况，需要依照既定顺序扫描地板上的9个RFID标签，将地板信息录入数据库中。

同时，系统提供方便的信息增删处理功能，地板信息的录入可分多次进行，当地板信息受损或出现故障时可以从表中删除。

2.1.2数据库访问结构上位机在系统初始化的过程中通过智慧地板排列结构信息表和地板标签排列信息表构建整个房间的坐标信息表（二维数组），即ID表，通过ID表便可以查找到对应的RFID标签与相邻标签的排列情况。

同时，根据坐标信息表可以构造RFID标签与坐标信息的映射表（二维数组），即坐标表，键值（行首）为RFID标签对应的ID号。

机器人向上位机发送的是当前位置能够读到的RFID标签信息，而上位机回复的则是机器人当前的坐标信息。

上位机则根据收到的RFID标签解析出对应的ID号，从而根据ID表或坐标表获取对应的坐标值并返回给机器人。

3.2.1坐标数据解析策略上位机有两种不同的坐标解析策略：根据ID表解析坐标和根据坐标表搜索坐标。

根据ID表解析坐标策略分两步走：一，获取首坐标；二，根据前一坐标ID搜索当前ID并解析出对应坐标信息。

获取首坐标又有两种方式：一，搜索ID表获取坐标；二，搜索坐标表来定位坐标信息。

因为每一个RFID标签最多与8个另外的RFID标签相邻，而连续读卡时，机器人读取的当前RFID标签对应ID必定与前一ID相邻，因此可以将当前ID与前一ID相邻位置进行比较，若相等则将对应坐标信息发送给机器人。

当读卡不连续时，根据ID表解析坐标策略会要搜索一个较大范围，搜索情况如图2所示，T是当前ID位置，A是目标ID位置，黑线是可能搜索路径。

此时根据坐标表搜索坐标会更高效。

根据坐标表获取坐标的过程需要查找表结构，所以查找算法的效率直接决定了上位机的响应速度，特别是对于面积较大的智能家居环境，所以在上位机初始化的过程中先根据ID号进行坐标表排序，再采用二分法进行查找。