２０２１年６月电器触点
第４９卷第１１期
机床与液压
ＭＡＣＨＩＮＥＴＯＯＬ＆ＨＹＤＲＡＵＬＩＣＳ
Ｊｕｎ ２０２１
Ｖｏｌ ４９Ｎｏ １１
ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ ｉｓｓｎ １００１－３８８１ ２０２１ １１ ００４
本文引用格式：刘小军，温宏愿，周军，等．基于ＲＯＳ的消毒机器人控制系统设计与实现［Ｊ］．机床与液压，２０２１，４９（１１）：１７－２１． ＬＩＵＸｉａｏｊｕｎ，ＷＥＮＨｏｎｇｙｕａｎ，ＺＨＯＵＪｕｎ，ｅｔａｌ．Ｄｅｓｉｇｎａｎｄｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎｏｆｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍｏｆｄｉｓｉｎｆｅｃｔｉｏｎｒｏｂｏｔ
ｂａｓｅｄｏｎＲＯＳ［Ｊ］．ＭａｃｈｉｎｅＴｏｏｌ＆Ｈｙｄｒａｕｌｉｃｓ，２０２１，４９（１１）：１７－２１．
收稿日期：２０２０－０４－０７
基金项目：２０１８年江苏省高校 青蓝工程 项目－优秀青年骨干教师（２０１８１２）；江苏省 六大人才高峰 资助项目
（ＸＹＤＸＸ－２５７）；２０１９年江苏省高等教育教改研究项目（２０１９ＪＳＪＧ５３９）；２０１８教育部产学合作协同育人项目（２０１８０１１４１０２６）；江苏省高校 青蓝工程 优秀教学团队项目（２０２０）
作者简介：刘小军（１９８２ ），男，硕士，高级工程师，主要研究方向为智能机器人控制与应用㊂Ｅ－ｍａｉｌ：９３４２９７０６＠ｑｑ ｃｏｍ㊂
基于ＲＯＳ的消毒机器人控制系统设计与实现
刘小军，温宏愿，周军，崔宇豪
（南京理工大学泰州科技学院智能制造学院，江苏泰州２２５３００）
摘要：针对公共卫生领域消毒机器人存在开发成本高㊁维护性差等问题，提出一种基于机器人操作系统（ＲＯＳ）的消毒机器人控制系统方案㊂该方案基于分层控制的理念将消毒机器人的控制系统分为
用户层㊁决策层以及执行层，各层次功能明确，耦合性低㊁复用性好㊁灵活性高㊂用户层主要用来接收用户的应用指令，起到人机交互的作用；决策层主要承担机器人语音识别㊁定位与导航㊁路径规划等核心预算；执行层主要执行决策层发送过来的控制指令，控制机器人运动以及消毒工作㊂试验结果表明，该控制系统具有可靠性高㊁灵活性好㊁低成本等优点㊂
关键词：消毒机器人；ＲＯＳ；分层控制；即时定位与地图构建；路径规划中图分类号：ＴＰ２４２
ＤｅｓｉｇｎａｎｄＩｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎｏｆＣｏｎｔｒｏｌＳｙｓｔｅｍｏｆＤｉｓｉｎｆｅｃｔｉｏｎＲｏｂｏｔＢａｓｅｄｏｎＲＯＳ
ＬＩＵＸｉａｏｊｕｎ，ＷＥＮＨｏｎｇｙｕａｎ，ＺＨＯＵＪｕｎ，ＣＵＩＹｕｈａｏ
（ＳｃｈｏｏｌｏｆＩｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔＭａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ，ＴａｉｚｈｏｕＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＳｃｉ．＆Ｔｅｃｈ．，ＮａｎｊｉｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆ
Ｓｃｉｅｎｃｅ＆Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ＴａｉｚｈｏｕＪｉａｎｇｓｕ２２５３００，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｉｍｉｎｇａｔｔｈｅｐｒｏｂｌｅｍｓｏｆｈｉｇｈｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｃｏｓｔａｎｄｐｏｏｒｍａｉｎｔｅｎａｎｃｅｏｆｄｉｓｉｎｆｅｃｔｉｏｎｒｏｂｏｔｉｎ
ｐｕｂｌｉｃｈｅａｌｔｈｆｉｅｌｄ，ａｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍｓｃｈｅｍｅｆｏｒｄｉｓｉｎｆｅｃｔｉｏｎｒｏｂｏｔｗａｓｐｒｏｐｏｓｅｄｂａｓｅｄｏｎｒｏｂｏｔｏｐｅｒａｔｉｎｇｓｙｓｔｅｍ（ＲＯＳ）．Ｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｃｏｎｃｅｐｔｏｆｈｉｅｒａｒｃｈｉｃａｌｃｏｎｔｒｏｌ，ｔｈｅｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍｏｆｔｈｅｄｉｓｉｎｆｅｃｔｉｏｎｒｏｂｏｔｗａｓｄｉｖｉｄｅｄｉｎｔｏｕｓｅｒｌａｙｅｒ，ｄｅｃｉｓｉｏｎ⁃ｍａｋｉｎｇｌａｙｅｒａｎｄｅｘｅｃｕｔｉｖｅｌａｙｅｒ．Ｅａｃｈｌｅｖｅｌｈａｄｃｌｅａｒｆｕｎｃｔｉｏｎｓ，ｌｏｗｃｏｕｐｌｉｎｇ，ｇｏｏｄｒｅｕｓａｂｉｌｉｔｙａｎｄｈｉｇｈｆｌｅｘｉｂｉｌｉｔｙ．Ｔｈｅｕｓｅｒｌａｙｅｒｗａｓｍａｉｎｌｙｕｓｅｄｔｏｒｅｃｅｉｖｅｔｈｅｕｓｅｒ ｓａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｉｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｓａｎｄｐｌａｙｔｈｅｒｏｌｅｏｆｈｕｍａｎ⁃ｃｏｍｐｕｔｅｒｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ．Ｔｈｅｄｅｃｉｓｉｏｎ⁃ｍａｋｉｎｇｌａｙｅｒｗａｓｍａｉｎｌｙｕｓｅｄｔｏｕｎｄｅｒｔａｋｅｔｈｅｃｏｒｅｂｕｄｇｅｔｏｆｒｏｂｏｔｖｏｉｃｅｒｅｃｏｇｎｉｔｉｏｎ，ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇａｎｄｎａｖｉｇａｔｉｏｎ，ｐａｔｈｐｌａｎｎｉｎｇ，ｅｔｃ．Ｔｈｅｅｘｅｃｕｔｉｖｅｌａｙｅｒｗａｓｍａｉｎｌｙｕｓｅｄｔｏｃａｒｒｙｏｕｔｔｈｅｃｏｎｔｒｏｌｉｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｓｓｅｎｔｂｙｔｈｅｄｅｃｉｓｉｏｎ⁃ｍａｋｉｎｇｌａｙｅｒ，ｔｏｃｏｎｔｒｏｌｔｈｅｒｏｂｏｔｍｏｖｅｍｅｎｔａｎｄｄｉｓｉｎｆｅｃｔｉｏｎｗｏｒｋ．Ｔｈｅｔｅｓｔｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｃｏｎ⁃ｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍｈａｓｔｈｅａｄｖａｎｔａｇｅｓｏｆｈｉｇｈｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ，ｇｏｏｄｆｌｅｘｉｂｉｌｉｔｙａｎｄｌｏｗｃｏｓｔ．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｄｉｓｉｎｆｅｃｔｉｏｎｒｏｂｏｔ；ＲＯＳ；Ｈｉｅｒａｒｃｈｉｃａｌｃｏｎｔｒｏｌ；Ｓｉｍｕｌｔａｎｅｏｕｓｌｏｃａｌｉｚａｔｉｏｎａｎｄｍａｐｐｉｎｇ；Ｔｒａｊｅｃｔｏｒｙｐｌａｎｎｉｎｇ
０㊀前言
机器人从应用领域可分为工业机器人和服务机器人［１］㊂工业机器人已广泛应用于生产制造业，极大地提高了生产力㊂服务机器人的发展晚于工业机器人，根据国际标准化组织的定义，服务机器人是为人类执行有用任务的机器人［２］㊂近年来，服务机器人逐渐进入人们的生活和工作中，为人们执行有用的任务，如医疗服务机器人［３］㊁家庭服务机器人［４］㊁助老助残机器人［５］㊁教育娱乐机器［６］㊁电力机器人［７］等㊂
目前，公共卫生领域消毒机器人的研究和开发效率一直受机器人平台成本高㊁应用场景多变㊁控制方
法复杂等因素限制㊂在机器人操作系统中，ＲＯＳ［８－
９］（ＲｏｂｏｔＯｐｅｒａｔｉｎｇＳｙｓｔｅｍ，机器人操作系统）环境中
各功能模块相互独立，可以自由添加或删除某一模块而不影响整个系统，提供了一种硬件抽象㊁
进程管图１㊀消毒机器人实物
理㊁分布式通信等系统环境㊂由于其具有高内聚㊁松耦合㊁分布式的特点，ＲＯＳ已成为机器人开发者的首选㊂
作者针对公共场所消毒领域，从成本和性能角度考虑，设计一种基于ＲＯＳ的消毒机器人控制系统方案㊂并针对该
方案开发了一套软硬件平台，消毒机器人实物见图１㊂
１ 系统构架设计
基于分层控制的设计理
念，将消毒机器人系统各个功能模块进行分层设计，分为用户层㊁决策层㊁执行层以及设备层，各层次功能明确㊁耦合性低㊁复用性好㊁灵活性高，系统架构如图２所示
㊂
图２㊀系统架构
１ １㊀用户层
用户层主要包括安装在消毒机器人上的触摸屏㊁麦克风以及手机端ＡＰＰ［１０］，主要用来接收用户的应用指令并发给决策层控制以及显示机器人的工作状态等，起到人机交互的作用㊂
触摸屏给用户提供一种离线操作机器人的工作方式，采用１７ ７８ｃｍ（７ ０寸）㊁分辨率为８００像素ˑ４８０像素的组态工业串口屏，通过ＲＳ２３２与主控制器进行通信㊁显示和反馈数据，稳定性高，可以在恶劣的户外进行工作㊂软件设计方面利用配套的上位机ＶｉｓｕａｌＴＦＴ［１１］软件进行控件配置㊁界面编辑和程序下载，主要完成人脸识别㊁消毒地点选择㊁密码解锁等功能，设计界面如图３所示㊂此外系统配备了麦克风，实现语音识别与交互功能
㊂
图３㊀触摸屏设计界面
相比离线式操作，本文作者还提供一种简单的非接触式在线操作方法，方便用户通过手机ＡＰＰ直接操作和控制机器人，实现如密码登录㊁消毒地点选择等常用功能㊂
１ ２㊀决策层
决策层是系统的核心层，类似于人的大脑，主要承担机器人语音识别㊁定位与导航㊁路径规划等核心预算㊂硬件设备主控制器采用目前性能较为强劲且体积较小的ｍｉｎｉ机（ＩｎｔｅｌＮＵＣ），安装ｕｂｕｎｔｕ１６ ０４系统环境，安装于底盘内部㊂在该环境下，通过麦克风识别语音指令以及激光雷达采集环境信息，对这些信息进行融合处理，并根据控制指令和位姿信息，借助ＲＯＳ开源算法包实现机器人的即时定位与地图构建㊁路径规划以及导航避障等功能㊂决策层的系统框图如图４所示
㊂
图４㊀决策层系统框图
１ ３㊀执行层
执行层主要负责执行决策层发送过来的控制指
令，控制电机的开启㊁调速以及消毒灯管的开启和关闭等，主要包括电机控制器和辅助控制器两部分㊂电机控制器和辅助控制器都是基于ＳＴＭ３２Ｆ１０３处理器芯片开发，该芯片外设丰富㊁功耗低㊁成本低㊁性能稳定㊂其中为了支持手机ＡＰＰ可以通过网络启动机器人，辅助控制器增加了ＷｉＦｉ无线模块㊂执行层系统框图如图５所示
㊂
图５㊀执行层系统框图
１ ４㊀设备层
机器人采用三轮全向的运动结构，使机器人具有更灵活的运动能力㊂直流电机与全向轮的连接采用高强度铝合金联轴器，能够保证承受足够的扭矩㊂系统采用锂电池作为电源提供能量，使用ＰＷＭ信号驱动电机，控制方式简单高效；选用性能优异的飞利浦紫外线消毒灯管进行高效杀菌消毒；采用ＵＳＢ摄像头获取人脸信息以及高采样率㊁远测距的激光雷达采集环境二维地图信息用于激光ＳＬＡＭ导航㊂相关设备参数说明如表１所示㊂
㊃
８１㊃机床与液压第４９卷
表１㊀设备参数说明
设备名称型号数量参数说明电源
锂电池
１２４Ｖ，４０Ａ㊃Ｈ电机驱动ＷＳＤＣ２４１２Ｄ
神仙树学名叫双翅六道木
２
额定电压２４Ｖ，ＰＷＭ通信，
最大持续电流１２Ａ
直流电机ＭＤ６０３额定电压２４Ｖ，额定转速１７５ｒ／ｍｉｎ，额定功率１００Ｗ，
额定扭矩５．５７Ｎ㊃ｍ激光雷达思岚ＲｐｌｉｄａｒＡ３１２５ｍ测量半径，采样率１６０００次／ｓ，３６０ʎ全方位扫描
全向轮Ｂａｌｌｂｏｔ３直径１２７ｍｍ，单轮负载能力４００Ｎ摄像头ＪＸ⁃Ｈ６２１１００ʎ广角镜头，ＵＳＢ摄像头７２０Ｐ
消毒灯管
飞利浦
６
功率３０Ｗ／根，直径２５ｍｍ，
ELSTEIN辐射器长度９００ｍｍ
２㊀消毒机器人运动学分析
假设消毒机器人工作时在平整的地面上移动，定义地面坐标系为ＸＯＹ，机器人坐标系为ｘｏｙ，如图６所示
㊂
图６㊀坐标系
两坐标系旋转角度为θ，地面坐标系Ｘ轴方向的
速度为ｖＧＸ，Ｙ轴方向的速度为ｖＧＹ，角速度为Ｗ；机器人坐标系ｘ轴方向速度为ｖｘ，ｙ轴方向速度为ｖｙ，
角速度为ω㊂坐标系速度转换公式如下：
ｖｘｖｙωéëêêêùûúúú＝ｃｏｓθｓｉｎθ０－ｓｉｎθｃｏｓθ０００１éëêêêùûúúú㊃ｖＧＸｖＧＹＷéëêêêùû
ú
úú（１）
假设机器人底盘全向轮轮轴之间的角度为绝对的
１２０ʎ，全向轮Ｃ的轴线和ｙ轴重合，ｖＡ㊁ｖＢ㊁ｖＣ分别为３个全向轮的转速，３个全向轮之间
的相切圆半径为ｒ，ｖᶄｘ和ｖᵡｘ是机器人坐标系ｘ轴速度ｖｘ分解到全向轮Ａ和全向轮Ｂ方向上的分量，ｖᶄｙ和ｖᵡｙ是机器人坐标系ｙ轴速度ｖｙ分解到全向轮Ａ和全向轮Ｂ方向上的分量，如图７所示
㊂
图７㊀速度计算分解图
通过计算可以得到全向轮Ａ的速度公式：
ｖＡ＝ｖᶄｘ＋ｖᶄｙ
＋ωｒ（２）因为
ｖᶄｘ＝－ｖｘ㊃ｃｏｓ６０ʎｖᶄｙ
＝－ｖｙ㊃ｃｏｓ３０ʎ{
（３）
所以可得机器人坐标系下全向轮Ａ的速度为ｖＡ＝－ｖｘ㊃ｃｏｓ６０ʎ－ｖｙ㊃ｃｏｓ３０ʎ＋ωｒ（４）同理，可得机器人坐标系下全向轮Ｂ和全向轮Ｃ
的速度分别为
ｖＢ＝－ｖｘ㊃ｃｏｓ６０ʎ＋ｖｙ㊃ｃｏｓ３０ʎ＋ωｒ（５）ｖＣ＝ｖｘ＋ωｒ
（６）
由此，可得３个全向轮的速度变换矩阵：
ｖＡｖＢｖＣéëêêêùûúúú＝－ｃｏｓ６０ʎ－ｃｏｓ３０ʎｒ－ｃｏｓ６０ʎｃｏｓ３０ʎｒ１０
ｒéë
ê
êêù
ûúúú㊃ｖｘｖｙωéëêêêù
û
úú
ú（７）
与式（１）进行联合，得到机器人的一般运动学方程：
ｖＡｖＢｖＣéëêêêùû
úúú＝－ｃｏｓ（６０ʎ＋θ）－ｓｉｎ（θ＋６０ʎ）
ｒ－ｃｏｓ（６０ʎ－θ）
－ｓｉｎ（６０ʎ－θ）
ｒｃｏｓθｓｉｎθ
ｒéëê
êêùû
ú
úú㊃ｖＧＸｖＧＹＷéëêêêùû
ú
úú（８）
３㊀消毒机器人定位与导航３ １㊀ＲＯＳ简介
从本质上来说，ＲＯＳ是运行在主操作系统上的
软件模块 ，是一种分布式模块化的开源软件框架，实现机器人底层硬件抽象化，为机器人的开发提供一个与硬件无关的接口［１２］㊂ＲＯＳ的核心功能是创建了一个能够连接所有节点（进程）的抽象 网络 ，各个独立的节点可以对这个 网络 进行点对点的通信㊂同一项目中的不同节点允许在不同的设备上运行，实现分布式运算㊂此外ＲＯＳ支持Ｃ＋＋㊁Ｐｙｔｈｏｎ等多语言开发，提供三维可视化工具ｒｖｉｚ以及物理仿真环境ｇａｚｅｂｏ等组件，为开发者带来了极大的便利㊂
㊃９１㊃第１１期刘小军等：基于ＲＯＳ的消毒机器人控制系统设计与实现
㊀㊀㊀净烟器
３ ２㊀地图构建
利用ＲＯＳ中的Ｇｍａｐｐｉｎｇ软件包实现地图构建，如图８所示㊂其中椭圆形表示各功能节点，主要包括Ｇｍａｐｐｉｎｇ节点㊁激光雷达节点㊁手柄控制节点㊁机器人底盘控制节点和地图服务节点５个节点；矩形方框表示主题，主题指向节点则表示该节点订阅了相应的消息，节点指向主题表示该主图发布了相应的消息㊂为了获得精确的地图数据，在构建地图过程中，需要反复调试Ｇｍａｐｐ
ｉｎｇ算法的参数：其中地图精度设置为０ １；粒子数量设为８；地图更新间隔设置为０ ０１ｓ㊂
图８㊀Ｇｍａｐｐｉｎｇ建图节点图玻璃钢全向天线
此外，为了减少机器人建图的盲区以及操作的便利性，采用手柄代替键盘手动控制机器人完成建图工作，试验地点选择在体育馆内㊂体育馆室内构建的整体效果如图９所示，可见构图效果基本能够展现真实的物理环境
㊂
图９㊀体育馆室内地图构建效果
３ ３㊀导航规划
机器人导航规划流程如图１０所示，首先需要对机器人位姿进行初始化设置，得到当前位置，获取栅格地图；然后为机器人设置全局目标点，准备全局路径规划；全局规划器ｇｌｏｂａｌ＿ｐｌａｎｅｒ通过Ａ∗算法根据机器人当前位姿和目标点位姿规划出一条全局最优路径；将全局路径分割成多个局部目标点；如果在行进过程中检测到障碍物，会启动局部规划器ｌｏｃａｌ＿ｐｌａｎ⁃ｅｒ通过ＤＷＡ算法规划出机器人局部最优路径，实现动态避障；机器人实时判断当前所在位置是否为全局目标点，如果不是就返回之前步骤继续形成局部目标点，如果是就结束此次导航㊂
根据上述导航规划流程，基于图９所建栅格地图对机器人的导航功能进行相关试验，效果如图１１所示㊂试验结果表明：机器人能完成导航任务，并成功绕开障碍物，到达全局目标点
㊂
图１０㊀
导航规划流程
图１１㊀导航规划效果
４㊀结束语
针对公共卫生领域，提出了一种基于ＲＯＳ的消毒机器人控制系统解决方案，该系统采用分层控制的设计理念，将控制系统分为用户层㊁决策层以及执行层，各层次功能明确㊁耦合性低㊁复用性好㊁灵活性高㊂并给出了系统总体设计以及软硬件设计，进行了功能验证㊂试验结果表明，该控制系统具有可靠性高㊁灵活性好㊁成本低等优点㊂
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（责任编辑：张艳君）
（上接第１６页）
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镁钙砖
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ＳＯＮＧＺＪ．Ｈｏｐｆｂｉｆｕｒｃａｔｉｏｎｏｆａｎａｕｔｏｍｏｂｉｌｅｗｉｔｈｆｏｕｒ⁃
ｗｈｅｅｌｓｔｅｅｒｉｎｇｂａｓｅｄｏｎｃｅｎｔｅｒｍａｎｉｆｏｌｄｔｈｅｏｒｙ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＶｉｂｒａｔｉｏｎａｎｄＳｈｏｃｋ，２０１６，３５（１３）：２１９－２２３．［２４］ＪＩＡＮＧＳＹ，ＸＵＪ，ＹＡＮＹ．Ｓｔａｂｉｌｉｔｙａｎｄｏｓｃｉｌｌａｔｉｏｎｓｉｎａｓｌｏｗ⁃ｆａｓｔｆｌｅｘｉｂｌｅｊｏｉｎｔｓｙｓｔｅｍｗｉｔｈｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎｄｅｌａｙ［Ｊ］．ＡｃｔａＭｅｃｈａｎｉｃａＳｉｎｉｃａ，２０１４，３０（５）：７２７－７３８．［２５］ＮＡＹＦＥＨＡＨ．Ｏｒｄｅｒｒｅｄｕｃｔｉｏｎｏｆｒｅｔａｒｄｅｄｎｏｎｌｉｎｅａｒｓｙｓ⁃ｔｅｍｓ：ｔｈｅｍｅｔｈｏｄｏｆｍｕｌｔｉｐｌｅｓｃａｌｅｓｖｅｒｓｕｓｃｅｎｔｅｒ⁃ｍａｎｉｆｏｌｄｒｅｄｕｃｔｉｏｎ［Ｊ］．ＮｏｎｌｉｎｅａｒＤｙｎａｍｉｃｓ，２００８，５１（４）：４８３－５００．
［２６］刘延柱，陈立．非线性振动［Ｍ］．北京：高等教育出版社，２００１：２２４－２３１．（责任编辑：张楠）
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第１１期刘小军等：基于ＲＯＳ的消毒机器人控制系统设计与实现㊀㊀㊀
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