北京信息科技大学
——Sun@Home家庭服务机器人

张奇志 周亚丽

(北京信息科技大学自动化学院，北京，100192)

北京信息科技大学
——Sun@Home家庭服务机器人

张奇志 周亚丽

(北京信息科技大学自动化学院，北京，100192)

Sun@Home是北京信息科技大学的一支家庭服务机器人竞赛队伍。2010年以来，在学校和自动化学院领导的关心和大力支持下，Sun@Home参加国内外机器人竞赛和公益展示十余场，取得了骄人的成绩，获得国内外同行的好评。

家庭服务机器人比赛是国际RoboCup组织于2006年增设的正式比赛项目，其宗旨是利用人工智能和机器人技术为人类服务。家庭服务机器人研究主要包括机器人自定位与地图同步创建（SLAM）、自主导航与避障、场景识别与物体识别、人体跟踪与物体操纵等关键技术。这些关键技术在工业和日常生活中具有广泛的应用前景。

一、家庭服务机器人系统与主要功能

图1 家庭服务机器人平台

该团队自主研发的家庭服务机器人平台如图1所示。整个系统包含三轮全向移动平台、升降装置、3自由度机械手等运动装置，270°平面激光雷达、微软Kinect和传声器等传感器，所有执行机构和传感器通过一根USB线与控制电脑相连。激光雷达主要用于完成自定位与环境地图同步创建、自主导航与避障，微软Kinect传感器在获得环境彩色图像的同时还可以得到环境的深度信息，该传感器主要用于场景分割与识别。

Sun@Home家庭服务机器人能够在未知的复杂环境中，跟随主人寻迹一周，即可实时准确地构建房间地图。图2中间位置大屏幕显示的是机器人创建的环境地图，机器人以该环境图为基础，可以在环境中完成自主导航与定位。

图2 机器人创建的环境地图

Sun@Home家庭服务机器人通过Kinect传感器完成目标分割与识别：首先利用深度信息获得场景的3D点云，计算曲面的法线，分割并识别出桌面；然后，分割出桌面上的所有物体，利用彩色图像与深度数据的对应关系获得候选目标的彩色图像；最后，采用考虑几何约束的局部关键点匹配技术实现目标识别。试验结果表明，该系统的性能良好，可以识别颜色相近的物体，对光照变化的鲁棒性非常强。

二、家庭服务机器人取得的主要成绩

2013年8月参加国际人工智能联合大会(IJCAI-13)实体机器人竞赛，该团队展示了服务机器人人机交互、自主导航与精确运动控制、复杂目标识别与物体抓取操纵等功能，得到国际人工智能领域著名专家组成的评委会的高度认可，并获得“最佳服务技能奖”。

图3 国际人工智能联合大会(IJCAI-13)实体机器人竞赛奖励证书

2013年10月，团队参加在安徽合肥举行的中国机器人大赛暨RoboCup公开赛，荣获家庭服务机器人组竞赛3项冠军、2项亚军、1项季军。

2013年11月，团队参加由文化部、国家新闻出版广电总局和北京市政府联合主办的第八届中国北京国际文化创意产业博览会。以宣传北京精神为主题，中央电视台新闻频道对Sun@Home家庭服务机器人团队进行了采访（见图4）。

2014年2月，该机器人登上中央电视台网络春晚舞台，中央电视台主要频道（CCTV1- CCTV4）均播出了节目的精编版。

图4 中央台报道

三、未来展望

该团队在家庭服务机器人关键技术研究方面已取得较好的成果，其中，自定位与环境地图同步创建、自主导航与避障和目标识别与抓取技术的可靠性和鲁棒性已经达到很高水平；可以进一步开发应用于工业激光引导AGV系统；对于不便铺设反光板的场合具有良好的应用前景；可以只使用一个激光雷达实现自主导航定位与避障功能。

(上接3 5页)

搭建的范例构型能实现以下工艺功能：

步骤单元工艺过程主要构型1原料库原料出库原料库直角坐标堆垛机输送带转运装置2加工车间坯料车削铣平面钻孔攻丝轨道搬运车天车吊装立式车床加工中心3装配车间零件定位辅件供料螺钉供料螺钉紧固3自由度零件夹具装配机械臂供料机械臂4焊接车间焊接定位底部焊接标牌点焊焊接定位工装焊接机器人5涂装检测车间喷涂底漆喷涂面漆表面检测次品分拣喷涂机械臂喷涂工艺装置视觉检测装置分拣托运车分拣装置6产品测试车间磁粉探伤抗压测试次品分拣探伤检测装置压力机分拣机械臂物料存放架

7包装车间产品码垛包装箱供料辅料供料打包轨道搬运车码垛机械手供料机械手8产品标记车间轨道搬运车翻转转运装置激光打标机喷码机标贴机9成品库成品入库直角坐标堆垛机输送带转运装置激光打标顶部喷码标识标贴侧面喷码

在整个实现过程中，工艺要求分析、工艺过程设计、机械原理设计、传动方案设计、结构件选用、BOM编制、模型组装、控制系统设计、单元编程及调试、系统联合调试、生产节拍控制等任务贯穿整体，从而在短期的实训过程中，学生可以体会掌握工业生产线设计的整个过程步骤，激发创意灵感，提高动手能力，推动投身实战。

三、结语

综上所述，“卓越之星”是一款模块化、可重构的工程套件，并结合了ZigBee、无线传感器、RFID等前沿技术，高校可利用这一套件在学生中深入开展创新工程实践，为学生在高校学习中学以致用打下坚实的基础。