一种基于电磁锁的配送机器人、系统及方法与流程

本公开涉及一种基于电磁锁的配送机器人、系统及方法。

背景技术：

本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

随着社会和经济的不断发展，酒店、餐厅等服务行业发展迅速，而目前的配送服务(如餐品)主要还是由人工完成，而这种方式存在着人工成本高、服务效率低下等问题。以餐品配送为例，据发明人了解，目前已有的技术解决方案有两类，一类是方盒机器人，一对一地传送单盘餐品，餐品传送准确率高但效率较低；另一类是无人智能送餐车，单次向多餐桌传送多盘餐品，但没有合理的送餐模式检测机制，存在客人拿错与漏取餐品的问题，效率高但准确率较低。除此之外，上述两种解决方案同时存在多位置送餐路径规划的效率提升问题，主要包括时间复杂度较高、求解过程复杂、运送餐品运送时间和路径相关性无法兼顾等问题。同时，餐品没有进行封闭运送，无法保证食品卫生。

技术实现要素：

本公开为了解决上述问题，提出了一种基于电磁锁的配送机器人、系统及方法，本公开利用电磁锁控制技术进行配送的智能检测，同时基于改进的bl优化放置方法，能够在配送位置有限的情况下，结合所需运送任务紧迫程度与路径相关性综合考虑，对任务进行选择放置，从而提高多位置物品的配送效率。利用电磁锁技术进行配送还可以达到防止拿错或漏取问题，确定配送过程中物品与代配送地区多对多及多对一的对应关系。同时，物品独立且在固定位置放置，还可以保证物品在运送过程中不受污染，保证安全。

根据一些实施例，本公开采用如下技术方案：

一种基于电磁锁的配送机器人，包括机器人本体，所述机器人本体上具有多个用于存储物品的容纳腔，每个容纳腔上都设置有与其可开合连接的盖体，所述盖体和容纳腔之间通过电磁锁控制开合，所述电磁锁被配置为在接收到打开信号前保持关闭状态；

所述机器人本体上设置有识别模块和控制器，所述识别模块被配置为识别目标区域设置的标识，发送相应的识别结果信号给所述控制器；

所述控制器接收所述识别结果，并确定存储的物品与识别结果相匹配的容纳腔，发送打开信号至相应的电磁锁。

本公开利用设置在目标区域的标识进行和物品的匹配，能够确定多物品和多目的地(多目标区域)的多对多、多对一或一对一的对应关系；利用电磁锁能够保证按照上述对应关系，进行物品的配送，不会造成物品混乱、丢失和污染，同时，利用机器人搭载物品，保证配送的智能化、自动化和准确性。

作为一种实施方式，所述机器人本体包括底盘，底盘下端设置有行走机构，底盘上承载有碰撞开关、电磁循迹模块、超声波避障模块和通信模块。循迹模块也可以采用激光导航和构建稀疏地图(主要解决定位问题)或稠密地图(解决避障问题)方式实现。也可使用视觉slam解决定位导航问题。

作为一种实施方式，所述机器人本体上还设置有输入模块，所述输入模块用于接收物品已经拿取的确认信息。

作为一种实施方式，不同的电磁锁的自感系数不同，通过改变电磁锁的电流参数来控制电磁锁达到吸合和断开。

一种基于电磁锁的配送系统，包括上述配送机器人、引导系统和后台系统，其中，所述引导系统包括设置在各目标区域的标识物，不同目标区域的标识物内容不同，且所述标识物；

所述后台系统包括服务器和数据库，所述服务器被配置为与所述控制器连接，发送包含配送物品、配送要求以及目标区域的配送任务，并接收识别结果，根据配送任务配置优先等级，依据优先等级规划各目标区域之间的行走路线；

所述配送机器人接收并按照所述行走路线，进行各物品的配送。

作为一种可选择的方式，所述标识物为电子标签，对应的，所述识别模块为rfid读卡器。

基于上述机器人或系统的工作方法，包括以下步骤：

按照需要配送的物品和目标区域，构建两者之间的匹配关系，并按照所述匹配关系放置对应的物品在对应的容纳腔内，按照匹配关系配置所述容纳腔的电磁锁，并闭合所有电磁锁；

对所需配送任务按照时间因子进行排序，建立任务数组，将任务数组中各任务的时间因子与设定的时间因子阈值进行大小比较，选择可能配送的任务并建立新的任务数组，对选择出的任务数组根据路径相关性进一步排序，计算任务综合度，取综合度值最高的任务进行配送，当到达对应的目标区域时，根据匹配关系打开相应的电磁锁。

作为一种可选择的方式，每一个配送任务完成后，对任务数组进行重新排列计算，进行新一轮的任务的选择与配送，直至全部任务配送完成。

作为一种可选择的方式，所述时间因子用于表征配送任务的紧迫性。

作为一种可选择的方式，所述路径相关性系数，用以表达两次配送目的地之间的紧邻程度，设置每个目标区域与其他目标区域之间的路径相关性系数。

作为一种可选择的方式，任务综合度的计算过程中引入附加因子项，所述附加因子初始值为零，用以表示某目标区域已经进行配送的次数，当某任务的附加因子初始值不为零时，从任务数组中除去该任务。

与现有技术相比，本公开的有益效果为：

本公开的配送效率高，一次能够运送多个、多类、多目的地的物品，且能够实现自动配送，提高了服务效率。

本公开结合电磁锁控制技术实现代配送物品的锁定与解锁，加上语音提示功能，实现配送检测机制，确定多物品与多目的地的多对多及多对一的对应关系，从而解决多位置送餐过程中客人拿错与漏取物品的问题，有效提高配送准确率；同时，餐品独立且在固定位置放置，还可以保证食物不受污染。

本公开基于改进bl算法实现配送的优化放置，结合配送任务的紧迫程度与任务之间的路径相关性进行配送任务选择，提高配送效率。

本公开在进行配送时引入附加项系数，在优化配送时间与路径的同时确保每个目的地都有物品到达，以达到人性化配送，实现配送的均衡化。

附图说明

构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。

图1是bl算法二维集装箱问题图例；

图2是改进bl优化放置算法示例；

图3是基于嵌入式处理与电磁锁控制技术的智能餐厅服务机器人及管理系统的系统框图；

图4是后台系统组成框图；

图5是智能餐厅服务机器人工作流程图；

图6是改进bl优化放置算法具体流程图。

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本公开作进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

为了使本领技术人员更加清楚本公开的具体方案，以酒店或餐厅配餐为例进行说明。当然，本领技术人员应该清楚，在其他实施例中，配送的物品可以不是餐品，可以为快递、包裹、信件等物品。

正如背景技术中所述的，现有的两种机器人配送过程同时存在多位置配送路径规划的效率提升问题。

问题的难点之一在于，多位置配送问题本质上是近似于tsp的npc问题。若g＝(v，e)为一个带权图，v＝{1，2，…，n}为顶点集，dij(i,j∈v，i≠j)为顶点i到顶点j的距离，dij>0且dij≠∞，经典tsp(classicaltsp,ctsp)的数学模型为：

s为g的子图，(a)式为ctsp的目标函数，求经过所有顶点的回路的最小距离。(b)～(d)式限定回路上每个顶点仅有一条入边和一条出边。(e)式限定在回路中不出现子回路。举例说明，将n个餐品送至n个餐桌位置，有n！种运送方法，它的时间复杂度是o(n！)。

问题的另一个难点在于，如何兼顾运送餐品运送时间和路径相关性，优化送餐系统结构设计并匹配相应放置算法，确定餐品放置位置及次序。在实现送餐检测机制的同时，实现多位置送餐准确率与效率的同步提升。该问题也就是，当运送餐品无法一次运送完成时，综合考虑当前剩余所需运送餐品的紧迫程度与路径相关性，需要在服务机器人剩余可放置位置中选择最优的放置位置和路径。而目前的技术并未解决上述问题。

为解决当前餐厅、酒店中传统传菜工种效率低下，以及普通餐厅服务机器人技术方案送餐准确率低下及效率低下等问题，提出一种基于电磁锁控制技术的含有送餐检测机制的智能餐厅服务机器人实施方案，并提出改进bl优化放置算法，在送餐位置有限的情况下，结合所需运送任务紧迫程度与路径相关性综合考虑，对任务进行选择放置，从而提高多位置送餐效率。

为了解决多位置送餐过程中，客人拿错与漏取的问题，即准确率问题，本实施例的技术解决方案如下：

参照图3，一种带有电磁锁的智能送餐机器人及管理系统，具体包括：

1、智能餐厅服务机器人系统

该系统主要包括机器人主体。

机器人主体采用现有的机器人即可。

基本只要包括底盘，底盘下端设置行走机构，行走机构、底盘等都设置有驱动机构即可。当然，底盘上设置有多个容纳空间或腔体。在本实施例中，底盘上设置有箱体，箱体具有多个储物柜，每个储物柜外设置有能够开关所述储物柜的盖体或柜门。且盖体或柜门通过电磁锁与储物柜实现开闭。

底盘上还需要设置有识别模块。

在本实施例中，标识码为rfid电子标签，识别模块为rfid读卡器模块。

在其他实施例中，识别模块可以根据待配送区域设置的标识码的种类不同而进行更换。

当然，为了保证更好的进行配送，在其他实施例中，底盘上还可以设置碰撞开关、电磁循迹模块、超声波避障模块、wifi模块和按键输入模块。上述优化添加的模块均为现有技术，在此不再进行赘述。

用户可以通过按键输入模块输入目标餐桌，电磁锁用于在餐品放置后对其进行加锁，从而确定多餐品与多餐桌之间多对多及多对一的对应关系，直至将可用运送位置放满后，服务机器人开始运送任务；

任务开始后，服务机器人通过电子标签模块与餐桌进行匹配定位，匹配成功后停车等待并执行送餐检测机制，打开相应电磁锁，并进行语音提示和led灯闪烁提示，等待用户取走相应餐品，并再次通过按键输入模块判断用户是否取餐完毕；

用户取餐完毕后，服务机器人继续运送下一餐品，直至电磁锁全部打开，此时餐品运送完毕，服务机器人返回领餐位置开启下一轮送餐。

2、引导系统

引导系统由引导路径和电子标签组成。引导路径上设置有电磁引导标签，机器人上设置的电磁循迹模块可以根据电磁引导标签进行行进过程中的导航。在其他实施例中，引导标签可以用其他导航设备替代。服务机器人的导航也可以使用激光导航或视觉slam等其他导航方式实现。

在其他实施例中，引导路径上还可以设置有充电装置，以对机器人进行充电。

3、后台系统

参照图4，后台系统包括数据库和服务器。

数据库存储配送任务等信息；服务器被配置为控制/调度整个配送过程的完成。

为解决多位置送餐过程中的送餐效率问题，综合考虑当前剩余需运送餐品的紧迫程度与路径相关性，对任务进行选择放置的问题，本实施例提出改进的bl算法方案如下：

放置所需运送餐品即指定传送任务，首先对当前所需运送任务按照时间因子进行排序，建立任务数组1，将任务数组1中各任务的时间因子与设定的时间因子阈值进行大小比较，选择可能放置的任务并建立新的任务数组2。对选择出的任务数组2根据路径相关性进一步排序，最终结合附加因子项，根据t(i)＝w1γ+w2ρ+w3计算任务综合度，取综合度t(i)值较高的任务放置。放置完成后，需要对任务数组进行重新排列计算，调整发生变化后的系数值，进行新一轮的任务放置，直至全部任务放置完成。具体流程如图6所示。

为使本实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实施例的图2，对本实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。所描述的实施例是本实施例的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本实施例的实施例，在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实施例保护的范围。

电磁锁基于电生磁原理，其应用产品较为广泛，比如门禁系统。受此启发，本实施例将其创造性地应用于餐品的锁定与解锁，确定多位置送餐中多餐与多位置的多对多及多对一对应关系，并实现餐品的拿取检测，解决多位置送餐过程中客人拿错与漏取餐品的问题，以下将具体说明电磁锁控制技术在本实施例中的应用：

(1)电磁锁通电产生磁力的原理：当电流通过导线时，会在导线的周围产生磁场。应用这种性质，当电流通过螺线管导线时，则会在螺线管内部形成均匀磁场。假设在螺线管中心置入铁磁性物质，则此铁磁性物质会被磁化，而且会大大增强磁场。

(2)根据毕奥-萨伐尔定律(biot-savartlaw)，如下所示：

公式(1)、(2)表明，电磁锁控制技术中，磁场与电流的大小、方向、距离有关。

(3)引入“自感系数”，自感系数计算公式如下：

式(3)中各参数含义为：u代表线圈中的介质磁导率，s代表线圈面积，n代表线圈匝数，i代表线圈长度。即线圈的自感系数跟线圈的形状、长短、匝数以及有无铁芯等因素有关。线圈面积越大，线圈越短，单位长度匝数越密，自感系数越大。

(4)基于上述原理，本实施例在智能餐厅服务机器人的优选实施方案中，引入的电磁控制技术包括：电磁铁磁场的有无可以用通断电流控制；磁场强度的大小可以用电流的强弱或线圈的匝数(或控制铁芯尺寸)来控制；它的磁极可以由改变电流的方向来控制。即磁场的有无可以控制，磁场的强弱可以改变，磁极的方向可以改变。因此本实施例通过电流参数来控制电磁锁达到吸合和断开目的，实现锁定或解锁餐品，并由此解决送餐过程中客人拿错与漏取的问题。

应用电磁锁后的具体工作流程参照图5，以下具体说明智能餐厅服务机器人的工作流程：

(1)智能餐厅服务机器人在待机位置处开机，待机位置为初始位置；

(2)智能餐厅服务机器人开机后，首先进行各个传感器及模块的初始化，包括循迹模块、wifi模块、超声波避障模块、rfid读卡器模块、isd1760语音模块、电磁锁模块、电机驱动和碰撞开关等；

(3)服务机器人在领餐处打卡等待，后厨工作人员根据改进bl算法的调度结果依次放置餐品，当需要传送的餐品放置完毕后，设置目标餐桌，电磁锁对餐品加锁，直至将所需运送餐品放置完毕后，按下启动开关，服务机器人将进行自动循迹并且通过rfid读卡器模块进行餐桌定位；

(4)若与餐桌匹配成功，则停车等待执行送餐检测机制，打开相应电磁锁，并进行语音提示和led灯闪烁提示，若餐品未正确拿取，服务机器人会继续等待并提示，若用户正确取走相应餐品并按下启动开关，服务机器人将按照送餐次序继续运送下一餐品；

(5)若服务机器人检测到电磁锁全部打开，则送餐完毕，服务机器人返回领餐处，领取餐品进行新一轮送餐。

bl算法广泛应用于集装箱物品放置问题中，是一种利用相同的装箱模式来处理每次矩形放置位置及过程的算法。bl算法要求当前要放置的矩形要尽可能快的到达容器底部，同时，要尽可能快的到达容器的左侧。结合图1bl算法二维集装箱问题图例，假设用p表示每一个放置矩形，用p加上序号表示矩阵排列次序，算法步骤描述如下：

步骤(1)放置p(1)到容器的左下角；

步骤(i)移动p(i)，从容器的右上角开始，首先尽可能快地到达底部，到达底部后尽可能快地到达左侧。

基于上述bl算法基本思想，本实施例提出改进的bl算法，综合考虑配送问题中的路径相关性与紧迫程度，解决配送任务的选择放置问题。本实施例引入时间因子和路径相关性系数进行表述。时间因子越小，代表物品的运送越迫切，路径相关性系数越高，代表本次物品运送位置与上次运送位置相隔位置越近。如图2所示，从左上角开始进行物品传送有更好的送餐效果及效率。本实施例提出改进的bl放置算法描述如下：

步骤(1)放置p(1)到车体平面的左上角；

步骤(i)移动p(i)，从车体平面的右下角开始，首先考虑送餐任务紧迫性，需要运送的餐品尽可能快地到达车体平面左部；到达左部后，结合路径相关性考虑，使物品尽可能快地到达车体平面顶部。

举例说明，结合配送任务的紧迫程度与路径相关性综合考虑，5号物品应该放置4号物品的下方，可以达到更高的传送效果。

参照图6具体说明改进bl算法的结构流程，最终依据任务综合度

t(i)＝w1γ+w2ρ+w3(4)

进行任务选择，其中w1、w2为各项系数，w3为附加因子项，具体操作说明如下：

步骤(1)，参数表达。引入时间因子γ，采用[0,1]区间(也可以使用[0,9]之间的整数值表达紧迫程度，数值越小，表示越紧迫)的数值表达送餐任务的紧迫程度，γ初始赋值为1，任务开始后台记录每个任务的开始时间e(i)并开始任务计时，随计时时间的增长，γ开始减小；引入路径相关性系数ρ，采用[0,1]区间的数值表达两次运送餐品之间的紧邻程度，设置每个餐桌与其他餐桌之间的路径相关性系数，若两餐桌位置相邻相近，ρ取较大值。此外，两参数系数w1、w2初始值为1，附加项因子w3初始值为0；

步骤(2)，在餐车上放置餐品即指定运送任务，对所有所需运送餐品进行任务标号，按照任务紧迫程度即时间因子大小进行由小到大排序，建立任务数组1，但原有任务标号不变；

步骤(3)，在任务数组1中按照次序依次与时间因子阈值(比如阈值取为0.8)进行比较，并建立任务数组2，若大于该阈值，跳转至步骤(4)，若小于该阈值，则正常记录该可选任务，判断任务数组1是否比较完毕，未比较完毕跳转至步骤(5)，比较完毕后跳转至步骤(6)；

步骤(4)，检测该任务餐桌号出现次数，若出现次数为0，即对应餐桌处于无餐品状态，提高附加因子项w3，减小时间因子项系数w1并重新跳转至步骤(2)进行比较；若餐桌号出现次数不为0，跳转至步骤(5)；

步骤(5)，把当前任务从任务数组1中除去，任务数组1右移一个单位，转至步骤(2)进行下一次比较；

步骤(6)，对筛选过的任务数组2按照相关性系数大小重新排序，按式(9)计算任务综合度t(i)＝w1γ+w2ρ+w3，选取t(i)值最大的任务进行放置，任务选择后，餐车可用运送位置减1，看是否还有未放置的任务，若存在未放置任务，跳转至步骤(2)重新排列任务数组，若无放置任务，算法结束。

上述算法可以在存储介质、处理器、服务器或者终端设备上运行。

本领域内的技术人员应明白，本公开的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本公开可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本公开可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本公开是参照根据本公开实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

以上所述仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

上述虽然结合附图对本公开的具体实施方式进行了描述，但并非对本公开保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本公开的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本公开的保护范围以内。