基于語(yǔ)音技術(shù)的早教寫字機(jī)器人設(shè)計(jì)

王倩+魏鑫+易奎+李文生+何謙+潘小琴

摘要：隨著科技的飛速發(fā)展，兒童的玩伴不再拘泥于傳統(tǒng)玩具，具有人機(jī)交互功能的教育機(jī)器人將得到極大發(fā)展。文章設(shè)計(jì)出一種基于語(yǔ)音技術(shù)的早教寫字機(jī)器人，該機(jī)器人采用輪式結(jié)構(gòu)，以STM32F103作為主控芯片，用x、y、z三自由度寫字機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)寫字功能，語(yǔ)音模塊能夠準(zhǔn)確識(shí)別使用者命令并傳遞控制信號(hào)，超聲波傳感器可實(shí)現(xiàn)機(jī)器人避障。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，語(yǔ)音技術(shù)能較好實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，所寫字跡規(guī)范、清晰。

關(guān)鍵詞：機(jī)器人；語(yǔ)音技術(shù)；人機(jī)交互；寫字技術(shù)

中圖分類號(hào)：TP242 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-2374（2014）06-0021-03

機(jī)器人一直是國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)，其中教育機(jī)器人則是以激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣、提高學(xué)生綜合能力為目標(biāo)，它在豐富兒童童年生活的同時(shí)，激發(fā)了兒童對(duì)科學(xué)技術(shù)的好奇心和求知欲。目前，國(guó)內(nèi)已出現(xiàn)了機(jī)器人寫字相關(guān)技術(shù)的研究。陳雪華、張學(xué)文等人對(duì)四自由度寫字機(jī)器人做了詳細(xì)的研究，并對(duì)其控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、軌跡規(guī)劃、運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真進(jìn)行了詳細(xì)的分析；宮曉博利用IRB140型機(jī)器人做了漢字繪制的研究；但將機(jī)器人寫字技術(shù)與語(yǔ)音技術(shù)相結(jié)合的研究并不多見(jiàn)。漢王科技推出的“雙槍筆”利用語(yǔ)音技術(shù)實(shí)現(xiàn)了當(dāng)使用者對(duì)著麥克風(fēng)朗讀，相應(yīng)文字就會(huì)自動(dòng)錄入電腦，但這一技術(shù)卻沒(méi)能實(shí)現(xiàn)書寫過(guò)程的展示。文章主要闡述基于語(yǔ)音技術(shù)的早教寫字機(jī)器人，通過(guò)x、y、z三自由度機(jī)構(gòu)帶動(dòng)筆的運(yùn)動(dòng)來(lái)展現(xiàn)書寫過(guò)程。語(yǔ)音控制技術(shù)強(qiáng)化了人機(jī)交互功能，使得機(jī)器人更加人性化。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖

系統(tǒng)是基于語(yǔ)音技術(shù)的早教寫字機(jī)器人。該機(jī)器人能按照使用者的語(yǔ)音命令，驅(qū)動(dòng)其寫字機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)——帶動(dòng)上面的常規(guī)繪圖筆，完成10以內(nèi)的算術(shù)運(yùn)算的書寫。系統(tǒng)是典型的機(jī)電聲技術(shù)相結(jié)合的輪式結(jié)構(gòu)機(jī)器人，由STM32F103作為主控芯片，系統(tǒng)按功能由車身驅(qū)動(dòng)部分、寫字部分、語(yǔ)音處理部分、電源模塊和顯示器、播放器等輔助設(shè)備組成。系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。系統(tǒng)由24V，3A的開(kāi)關(guān)電源供電。機(jī)械結(jié)構(gòu)包括車體和寫字機(jī)構(gòu)。車體采用四輪式，以安裝于后輪的兩個(gè)直流電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)；寫字機(jī)構(gòu)放在寫字板上，一同置于車體中層；在車前方安裝了三個(gè)互成一定角度的超聲波傳感器用于避障檢測(cè)。

2 寫字機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖2 “十”字滑塊結(jié)構(gòu)

寫字機(jī)構(gòu)搭載在寫字板上，采用“十”字滑塊結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)XY平面內(nèi)的任意軌跡運(yùn)動(dòng)；曲柄滑塊機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)Z方向的提筆、下筆運(yùn)動(dòng)?！笆弊只瑝K結(jié)構(gòu)由導(dǎo)軌座、移動(dòng)滑塊、寫字板、滾珠絲杠螺母副和步進(jìn)電機(jī)等部件構(gòu)成，“十”字滑塊結(jié)構(gòu)如圖2所示。兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)作為原動(dòng)機(jī)以驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠，分別安裝在寫字板的X軸和Y軸上。移動(dòng)滑塊位于兩滾珠絲杠的交點(diǎn)處，滾珠絲杠的螺母帶動(dòng)滑塊上的繪圖筆實(shí)現(xiàn)沿x、y平面內(nèi)任意軌跡的運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)繪圖筆對(duì)平面任意點(diǎn)的遍歷。曲柄滑塊機(jī)構(gòu)用來(lái)完成Z方向的提筆和下筆動(dòng)作，曲柄滑塊機(jī)構(gòu)如圖3所示，它能將圓周運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為直線運(yùn)動(dòng)，筆固定于滑塊上，通過(guò)舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)控制曲柄的圓周擺動(dòng)從而使滑塊沿Z方向上下移動(dòng)。

圖3 曲柄滑塊機(jī)構(gòu)

3 寫字功能的實(shí)現(xiàn)及寫字算法

該功能旨在完成10以內(nèi)的算術(shù)運(yùn)算。一個(gè)完整的算術(shù)運(yùn)算由運(yùn)算元和運(yùn)算子構(gòu)成，例如“3+6=9”。以下將運(yùn)算元和運(yùn)算子統(tǒng)稱為運(yùn)算單元，不同的運(yùn)算單元又由不同的直線、斜線、圓弧等組合構(gòu)成。在XY平面，兩個(gè)57系列的步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)寫字機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)。步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開(kāi)環(huán)控制元件。在非超載的情況下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號(hào)的頻率和脈沖數(shù)，而不受負(fù)載變化的影響，即給電機(jī)加一個(gè)脈沖信號(hào)，電機(jī)則轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)步距角。電機(jī)的驅(qū)動(dòng)為TB6560驅(qū)動(dòng)板，由于電機(jī)的步距角為1.8°，再經(jīng)一定的細(xì)分后，定位將更加精確。

由STM32產(chǎn)生一定頻率、一定時(shí)間的PWM波使步進(jìn)電動(dòng)機(jī)完成相應(yīng)的轉(zhuǎn)動(dòng)，滾珠絲杠能將步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)角度轉(zhuǎn)換為繪圖筆相對(duì)于坐標(biāo)軸相應(yīng)距離的直線運(yùn)動(dòng)。當(dāng)一個(gè)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)而另一個(gè)電機(jī)不轉(zhuǎn)動(dòng)的情況下，可完成橫線或豎線的書寫；當(dāng)兩個(gè)電機(jī)同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)，完成斜線的書寫，斜線的斜率取決于兩電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)頻率差值；由于圓弧可看成由若干斜率不同的細(xì)小的直線段構(gòu)成，雖然電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)時(shí)間是離散的，但電機(jī)的步距精度很高，可以實(shí)現(xiàn)圓弧的書寫。

以繪圖板左上角為坐標(biāo)原點(diǎn)建立X-Y平面坐標(biāo)系。設(shè)A（x1，y1），B（x2，y1），C（x3，y1），D（x4，y1），E（x5，y1）分別為書寫過(guò)程中五個(gè)運(yùn)算單元的起始坐標(biāo)。程序根據(jù)對(duì)脈沖的計(jì)數(shù)可定位出繪圖筆當(dāng)前的坐標(biāo)P（xp，yp），計(jì)算過(guò)程如下：

書寫第一個(gè)運(yùn)算單元時(shí)，以A（x1，y1）作為筆的起始坐標(biāo)。設(shè)定控制X軸向運(yùn)動(dòng)的電機(jī)的最小步距角為θ0，某段時(shí)間內(nèi)微控制器輸出給X軸向電機(jī)的脈沖頻率為fxk，對(duì)應(yīng)脈沖個(gè)數(shù)為nxk（k=1，2，3，...），則此時(shí)間段內(nèi)該電機(jī)轉(zhuǎn)過(guò)的角度為θxp，有

（1）

設(shè)步進(jìn)電機(jī)輸出軸半徑為R0，則筆的當(dāng)前X軸向坐標(biāo)為xp，有：

xp=x1+R0θxp （2）

同理，對(duì)Y軸向上的運(yùn)動(dòng)有：

yp=y1+R0θyp （3）

（4）

弧線的書寫是算法實(shí)現(xiàn)過(guò)程中較為復(fù)雜的部分，下面介紹從A點(diǎn)開(kāi)始畫半徑為R的弧APn的算法實(shí)現(xiàn)過(guò)程。如圖4，將圓若干等細(xì)分后每部分弧線均可看做直線，且對(duì)應(yīng)的圓心角為α°。設(shè)筆已經(jīng)完成了弧APn-1的書寫，弧Pn-1Pn近視等效為直線Pn-1Pn，此時(shí)：

（5）

（6）

將xPn-1，xPn的值分別代入式2中的x1、xp，聯(lián)立式1和式2，即可求出書寫弧Pn-1Pn這一過(guò)程中X軸向電機(jī)接受單片機(jī)輸出脈沖個(gè)數(shù)nxk。同理可求出yxk。

當(dāng)完成一個(gè)運(yùn)算單元的書寫，滑塊上的舵機(jī)完成Z方向提筆，接下來(lái)需完成由上一個(gè)運(yùn)算單元的結(jié)束位置（x'p，y'p）到下一個(gè)運(yùn)算單元的起始坐標(biāo)（xk，yk）（k=2，3，4...）后落筆的動(dòng)作，然后書寫下一個(gè)運(yùn)算單元。

圖4 畫弧示意圖

4 機(jī)器人驅(qū)動(dòng)及避障的實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)利用兩個(gè)差速電機(jī)提供動(dòng)力，采用L298作為此電機(jī)驅(qū)動(dòng)。為解決單個(gè)超聲波的檢測(cè)不準(zhǔn)確的問(wèn)題，系統(tǒng)使用3個(gè)超聲波傳感器，通過(guò)計(jì)算出最小盲區(qū)和最小干擾范圍，設(shè)計(jì)出合理的超聲波傳感器擺放位置。超聲波測(cè)距的公式為：

L=C×T （7）

式中L為測(cè)量的距離長(zhǎng)度；T為超聲波從發(fā)射到接收的時(shí)間間隔的一半；C為超聲波在空氣中的傳播速度，計(jì)算公式為：

C=C0+0.607×T℃ （8）

C0為零攝氏度時(shí)的聲波速度332m/s，T為環(huán)境當(dāng)前的攝氏溫度，這樣補(bǔ)償了溫度變化對(duì)于超聲波傳播速度的影響。

系統(tǒng)依靠3路超聲波進(jìn)行距離測(cè)量，得到3個(gè)方位的距離數(shù)據(jù)后進(jìn)行判斷，當(dāng)距離小于最小避障距離30cm后，底盤上兩直流電機(jī)形成差速使機(jī)器人避障。具體策略如表1所示：

表1 超聲波避障策略

傳感器編號(hào) 策略

左 中 右 左轉(zhuǎn)優(yōu)先

0 0 0 前進(jìn)

0 0 1 左轉(zhuǎn)

0 1 0 左轉(zhuǎn)

1 0 0 右轉(zhuǎn)

0 1 1 左轉(zhuǎn)

1 0 1 后退

1 1 0 右轉(zhuǎn)

1 1 1 后退

注：圖示：1.進(jìn)入避障范圍；0.不在避障范圍

5 語(yǔ)音控制技術(shù)

語(yǔ)音控制技術(shù)包括語(yǔ)音識(shí)別和單片機(jī)控制技術(shù)。

系統(tǒng)采用以IC公司LD3320語(yǔ)音芯片為核心的ASR（Automatic Speech Recognition）模塊，實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音識(shí)別功能。系統(tǒng)通過(guò)穩(wěn)定的算法可完成非特定語(yǔ)音識(shí)別，不需要用戶事先錄音和訓(xùn)練。經(jīng)測(cè)試，在口令觸發(fā)模式下識(shí)別準(zhǔn)確率高達(dá)95%，非口令觸發(fā)模式下識(shí)別準(zhǔn)確率可達(dá)70%；內(nèi)置功放電路，麥克風(fēng)、立體聲耳機(jī)和單聲道喇叭，方便與芯片管腳連接；用戶每次可設(shè)置50項(xiàng)不超過(guò)79字節(jié)的拼音串候選識(shí)別句。

語(yǔ)音控制框圖如圖5所示，圖中“LD3320與外圍電路”實(shí)現(xiàn)將采集到的非特定語(yǔ)音信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，并與語(yǔ)音庫(kù)進(jìn)行信號(hào)匹配，確定有用信息及信息內(nèi)容，并通過(guò)串口將有效內(nèi)容以十進(jìn)制數(shù)方式傳遞給主控制器，主控制器控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)做出相應(yīng)動(dòng)作，同時(shí)MP3模塊發(fā)出提示音。

圖5 語(yǔ)音控制框圖

6 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證及總結(jié)

實(shí)驗(yàn)證明，本系統(tǒng)能較好地實(shí)現(xiàn)早教功能；寫字機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定、噪聲小，定位精度達(dá)90%，所寫字跡清晰，圓潤(rùn)，書寫結(jié)果正確率達(dá)99%；語(yǔ)音控制方便、靈活，識(shí)別準(zhǔn)確率高達(dá)95%。通過(guò)使用者與機(jī)器人的良好交互，機(jī)器人完成的書寫效果如圖6所示。

圖 6 寫字效果圖

參考文獻(xiàn)

[1] Carson-Berndsen Julie.Finite-state models，

event logics and statistics in speech recognition

[J].Philosophical Transactions of the Royal

Society A： Mathematical， Physical and Engineering

Sciences，2000，358.

[2] Lixiao Huang，Terri Varnado ，Douglas Gillan.

An Exploration of Robot BuildersAttachment to

Their LEGO Robots[J].Proceedings of the Human

Factors and Ergonomics Society Annual Meeting，

2013，（1）.

[3] 李楊.基于智能語(yǔ)音識(shí)別的云電視系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].

中國(guó)高新技術(shù)企業(yè)，2012，（7）.

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[D].北京：北京化工大學(xué)，2011.

[5] 張學(xué)文，陳小安，梁錫昌.寫字機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

及仿真[J].現(xiàn)代制造工程，2009，（10）.

[6] 謝光輝，梁錫昌，李偉.一種機(jī)器人繪字控制系統(tǒng)

的研制[J].制造業(yè)自動(dòng)化，2007，（2）.

[7] 楊晶東，楊敬輝，蔡則蘇.基于多目標(biāo)優(yōu)化的移動(dòng)

機(jī)器人避障算法[J].上海交通大學(xué)學(xué)報(bào)2012，

（2）.

基金項(xiàng)目：本文系西南科技大學(xué)實(shí)驗(yàn)技術(shù)研究項(xiàng)目（14syjs-10）；西南科技大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新基金項(xiàng)目（CX13-053）研究成果。

作者簡(jiǎn)介：王倩（1991—），女，四川南充人，西南科技大學(xué)“智能機(jī)器人”創(chuàng)新實(shí)踐班班長(zhǎng)，研究方向：機(jī)器人控制技術(shù)、機(jī)器人運(yùn)動(dòng)規(guī)劃。

圖4 畫弧示意圖

4 機(jī)器人驅(qū)動(dòng)及避障的實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)利用兩個(gè)差速電機(jī)提供動(dòng)力，采用L298作為此電機(jī)驅(qū)動(dòng)。為解決單個(gè)超聲波的檢測(cè)不準(zhǔn)確的問(wèn)題，系統(tǒng)使用3個(gè)超聲波傳感器，通過(guò)計(jì)算出最小盲區(qū)和最小干擾范圍，設(shè)計(jì)出合理的超聲波傳感器擺放位置。超聲波測(cè)距的公式為：

L=C×T （7）

式中L為測(cè)量的距離長(zhǎng)度；T為超聲波從發(fā)射到接收的時(shí)間間隔的一半；C為超聲波在空氣中的傳播速度，計(jì)算公式為：

C=C0+0.607×T℃ （8）

C0為零攝氏度時(shí)的聲波速度332m/s，T為環(huán)境當(dāng)前的攝氏溫度，這樣補(bǔ)償了溫度變化對(duì)于超聲波傳播速度的影響。

系統(tǒng)依靠3路超聲波進(jìn)行距離測(cè)量，得到3個(gè)方位的距離數(shù)據(jù)后進(jìn)行判斷，當(dāng)距離小于最小避障距離30cm后，底盤上兩直流電機(jī)形成差速使機(jī)器人避障。具體策略如表1所示：

表1 超聲波避障策略

傳感器編號(hào) 策略

左 中 右 左轉(zhuǎn)優(yōu)先

0 0 0 前進(jìn)

0 0 1 左轉(zhuǎn)

0 1 0 左轉(zhuǎn)

1 0 0 右轉(zhuǎn)

0 1 1 左轉(zhuǎn)

1 0 1 后退

1 1 0 右轉(zhuǎn)

1 1 1 后退

注：圖示：1.進(jìn)入避障范圍；0.不在避障范圍

5 語(yǔ)音控制技術(shù)

語(yǔ)音控制技術(shù)包括語(yǔ)音識(shí)別和單片機(jī)控制技術(shù)。

系統(tǒng)采用以IC公司LD3320語(yǔ)音芯片為核心的ASR（Automatic Speech Recognition）模塊，實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音識(shí)別功能。系統(tǒng)通過(guò)穩(wěn)定的算法可完成非特定語(yǔ)音識(shí)別，不需要用戶事先錄音和訓(xùn)練。經(jīng)測(cè)試，在口令觸發(fā)模式下識(shí)別準(zhǔn)確率高達(dá)95%，非口令觸發(fā)模式下識(shí)別準(zhǔn)確率可達(dá)70%；內(nèi)置功放電路，麥克風(fēng)、立體聲耳機(jī)和單聲道喇叭，方便與芯片管腳連接；用戶每次可設(shè)置50項(xiàng)不超過(guò)79字節(jié)的拼音串候選識(shí)別句。

語(yǔ)音控制框圖如圖5所示，圖中“LD3320與外圍電路”實(shí)現(xiàn)將采集到的非特定語(yǔ)音信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，并與語(yǔ)音庫(kù)進(jìn)行信號(hào)匹配，確定有用信息及信息內(nèi)容，并通過(guò)串口將有效內(nèi)容以十進(jìn)制數(shù)方式傳遞給主控制器，主控制器控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)做出相應(yīng)動(dòng)作，同時(shí)MP3模塊發(fā)出提示音。

圖5 語(yǔ)音控制框圖

6 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證及總結(jié)

實(shí)驗(yàn)證明，本系統(tǒng)能較好地實(shí)現(xiàn)早教功能；寫字機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定、噪聲小，定位精度達(dá)90%，所寫字跡清晰，圓潤(rùn)，書寫結(jié)果正確率達(dá)99%；語(yǔ)音控制方便、靈活，識(shí)別準(zhǔn)確率高達(dá)95%。通過(guò)使用者與機(jī)器人的良好交互，機(jī)器人完成的書寫效果如圖6所示。

圖 6 寫字效果圖

參考文獻(xiàn)

[1] Carson-Berndsen Julie.Finite-state models，

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[5] 張學(xué)文，陳小安，梁錫昌.寫字機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

及仿真[J].現(xiàn)代制造工程，2009，（10）.

[6] 謝光輝，梁錫昌，李偉.一種機(jī)器人繪字控制系統(tǒng)

的研制[J].制造業(yè)自動(dòng)化，2007，（2）.

[7] 楊晶東，楊敬輝，蔡則蘇.基于多目標(biāo)優(yōu)化的移動(dòng)

機(jī)器人避障算法[J].上海交通大學(xué)學(xué)報(bào)2012，

（2）.

基金項(xiàng)目：本文系西南科技大學(xué)實(shí)驗(yàn)技術(shù)研究項(xiàng)目（14syjs-10）；西南科技大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新基金項(xiàng)目（CX13-053）研究成果。

作者簡(jiǎn)介：王倩（1991—），女，四川南充人，西南科技大學(xué)“智能機(jī)器人”創(chuàng)新實(shí)踐班班長(zhǎng)，研究方向：機(jī)器人控制技術(shù)、機(jī)器人運(yùn)動(dòng)規(guī)劃。

圖4 畫弧示意圖

4 機(jī)器人驅(qū)動(dòng)及避障的實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)利用兩個(gè)差速電機(jī)提供動(dòng)力，采用L298作為此電機(jī)驅(qū)動(dòng)。為解決單個(gè)超聲波的檢測(cè)不準(zhǔn)確的問(wèn)題，系統(tǒng)使用3個(gè)超聲波傳感器，通過(guò)計(jì)算出最小盲區(qū)和最小干擾范圍，設(shè)計(jì)出合理的超聲波傳感器擺放位置。超聲波測(cè)距的公式為：

L=C×T （7）

式中L為測(cè)量的距離長(zhǎng)度；T為超聲波從發(fā)射到接收的時(shí)間間隔的一半；C為超聲波在空氣中的傳播速度，計(jì)算公式為：

C=C0+0.607×T℃ （8）

C0為零攝氏度時(shí)的聲波速度332m/s，T為環(huán)境當(dāng)前的攝氏溫度，這樣補(bǔ)償了溫度變化對(duì)于超聲波傳播速度的影響。

系統(tǒng)依靠3路超聲波進(jìn)行距離測(cè)量，得到3個(gè)方位的距離數(shù)據(jù)后進(jìn)行判斷，當(dāng)距離小于最小避障距離30cm后，底盤上兩直流電機(jī)形成差速使機(jī)器人避障。具體策略如表1所示：

表1 超聲波避障策略

傳感器編號(hào) 策略

左 中 右 左轉(zhuǎn)優(yōu)先

0 0 0 前進(jìn)

0 0 1 左轉(zhuǎn)

0 1 0 左轉(zhuǎn)

1 0 0 右轉(zhuǎn)

0 1 1 左轉(zhuǎn)

1 0 1 后退

1 1 0 右轉(zhuǎn)

1 1 1 后退

注：圖示：1.進(jìn)入避障范圍；0.不在避障范圍

5 語(yǔ)音控制技術(shù)

語(yǔ)音控制技術(shù)包括語(yǔ)音識(shí)別和單片機(jī)控制技術(shù)。

系統(tǒng)采用以IC公司LD3320語(yǔ)音芯片為核心的ASR（Automatic Speech Recognition）模塊，實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音識(shí)別功能。系統(tǒng)通過(guò)穩(wěn)定的算法可完成非特定語(yǔ)音識(shí)別，不需要用戶事先錄音和訓(xùn)練。經(jīng)測(cè)試，在口令觸發(fā)模式下識(shí)別準(zhǔn)確率高達(dá)95%，非口令觸發(fā)模式下識(shí)別準(zhǔn)確率可達(dá)70%；內(nèi)置功放電路，麥克風(fēng)、立體聲耳機(jī)和單聲道喇叭，方便與芯片管腳連接；用戶每次可設(shè)置50項(xiàng)不超過(guò)79字節(jié)的拼音串候選識(shí)別句。

語(yǔ)音控制框圖如圖5所示，圖中“LD3320與外圍電路”實(shí)現(xiàn)將采集到的非特定語(yǔ)音信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，并與語(yǔ)音庫(kù)進(jìn)行信號(hào)匹配，確定有用信息及信息內(nèi)容，并通過(guò)串口將有效內(nèi)容以十進(jìn)制數(shù)方式傳遞給主控制器，主控制器控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)做出相應(yīng)動(dòng)作，同時(shí)MP3模塊發(fā)出提示音。

圖5 語(yǔ)音控制框圖

6 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證及總結(jié)

實(shí)驗(yàn)證明，本系統(tǒng)能較好地實(shí)現(xiàn)早教功能；寫字機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定、噪聲小，定位精度達(dá)90%，所寫字跡清晰，圓潤(rùn)，書寫結(jié)果正確率達(dá)99%；語(yǔ)音控制方便、靈活，識(shí)別準(zhǔn)確率高達(dá)95%。通過(guò)使用者與機(jī)器人的良好交互，機(jī)器人完成的書寫效果如圖6所示。

圖 6 寫字效果圖

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基金項(xiàng)目：本文系西南科技大學(xué)實(shí)驗(yàn)技術(shù)研究項(xiàng)目（14syjs-10）；西南科技大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新基金項(xiàng)目（CX13-053）研究成果。

作者簡(jiǎn)介：王倩（1991—），女，四川南充人，西南科技大學(xué)“智能機(jī)器人”創(chuàng)新實(shí)踐班班長(zhǎng)，研究方向：機(jī)器人控制技術(shù)、機(jī)器人運(yùn)動(dòng)規(guī)劃。