語音控制的可變形機(jī)器人①

褚曉輝 賈文 尚國力 劉聰

(沈陽理工大學(xué) 遼寧沈陽 110159)

隨著各種最新傳感技術(shù)和電子技術(shù)的突破和進(jìn)步，全球機(jī)器人行業(yè)進(jìn)入迅猛的發(fā)展期，因?yàn)檎Z音控制的可變形機(jī)器人的性能更適合人們的要求，所以應(yīng)用場景也更為廣闊，自動(dòng)化技術(shù)將大大解放人類的雙手，加快生產(chǎn)效率，推動(dòng)經(jīng)濟(jì)發(fā)展。在這種大背景下，本設(shè)計(jì)采用語音識(shí)別技術(shù)和單片機(jī)控制技術(shù)完成機(jī)器人的控制，利用合理的機(jī)械設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)服務(wù)機(jī)器人的多功能特點(diǎn)，結(jié)合機(jī)器人的特性和語音控制來設(shè)計(jì)一款可以進(jìn)行語音控制的變形機(jī)器人。

1 語音識(shí)別基本原理

語音識(shí)別技術(shù)是讓變形機(jī)器人在不同環(huán)境中，經(jīng)過對(duì)不同語音的識(shí)別和語音的理解過程把語音信號(hào)轉(zhuǎn)化為可以相應(yīng)的執(zhí)行命令的技術(shù)（見圖1）。語音識(shí)別技術(shù)主要包括機(jī)器人對(duì)語音特征的提取技術(shù)、不同語音模式的匹配準(zhǔn)則及對(duì)于各種語音模型的訓(xùn)練技術(shù)共三個(gè)方面。

2 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案

所設(shè)計(jì)的語音控制的可變形機(jī)器人（見圖2），包括語音模塊、控制器、機(jī)器人、攝像頭、傳感器、電源，共六大部分組成。機(jī)器人部分包括車輪、減速電機(jī)、多個(gè)數(shù)字舵機(jī)和舵機(jī)架，電源部分采用航模電池為各部件供電，傳感器部分主要由紅外模塊、煙霧報(bào)警器、溫度傳感器組成，控制器部分由三個(gè)單片機(jī)組成，第一塊單片機(jī)與語音模塊相連，第二塊單片機(jī)分別與紅外模塊、多個(gè)數(shù)字舵機(jī)相連，第三塊單片機(jī)分別與蜂鳴器、煙霧報(bào)警器、溫度傳感器、攝像頭相連。機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，機(jī)器人采用人車結(jié)合，在舵機(jī)機(jī)器人的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，機(jī)器人的四肢加上電機(jī)和輪子，單片機(jī)和各個(gè)模塊放在機(jī)器人前部，電源放在后部用于平衡重量。

2.1 ASR Board語音識(shí)別模塊

ASR Board是一塊開源語音識(shí)別的控制板（見圖3），并且可以基于Arduino單片機(jī)，本款語音識(shí)別模塊不需要使用者事錄音和練習(xí)，是一個(gè)特別有用的非特定人類語音識(shí)別控制模塊。本模塊的所有識(shí)別可以設(shè)定30項(xiàng)候選識(shí)別句，并且識(shí)別句可以是單個(gè)字，多個(gè)字或短句，識(shí)別的句子長度為不應(yīng)該超過8個(gè)字或者35個(gè)字節(jié)的拼音符號(hào)，可以通過一個(gè)系統(tǒng)來支持多種場景的使用（見圖4）。

2.2 OV7670帶FIFO模塊

本模塊是一款具有緩沖存儲(chǔ)空間的一種模塊，可以應(yīng)對(duì)慢速的MCU，實(shí)現(xiàn)圖像的采集控制功能，該模塊特別反應(yīng)靈敏，功能齊全，同樣包括30W像素的CMOS圖像感光芯片，板載CMOS芯片所需要的各種不同電源。并且了包含3.8mm焦距的鏡頭和鏡頭底座（見圖5），板子同時(shí)可以引出數(shù)據(jù)管腳和控制管腳，便于用戶的操作和使用。2.3 Arduino

圖1 語音識(shí)別的基本原理

圖2 機(jī)器人系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

圖3 ASR Board語音識(shí)別模塊

Arduino是一個(gè)開源電子原型平臺(tái)（見圖6），使用靈活便捷、便于學(xué)習(xí)。由于語音控制的可變形機(jī)器人由8個(gè)舵機(jī)組成，所需要的引腳過多，這里搭配拓展板使用。采用舵機(jī)控制板，可以節(jié)省引腳，減少線路中的飛線。性價(jià)比高，功能強(qiáng)大，滿足機(jī)器人所需要的運(yùn)算速度，含有大量的庫，編寫程序簡單。

2.4 RB-150CS舵機(jī)

RB-150CS的扭矩非常大（見圖7），可以滿足機(jī)器人各種變形所需要的扭矩，并且可以進(jìn)行360度連續(xù)旋轉(zhuǎn)全金屬齒伺服舵機(jī)，我們可以安裝舵機(jī)配套的車輪，讓舵機(jī)實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)車輪的功能，對(duì)于機(jī)器人有重要的作用，可以節(jié)省兩個(gè)電機(jī)以及相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)器，便于我們的安裝使用。

2.5 語音識(shí)別機(jī)器人的程序設(shè)計(jì)

語音識(shí)別程序（見圖8）包括訓(xùn)練的樣本和識(shí)別。

圖4 模塊原理圖

圖5 攝像頭模塊

我們?cè)O(shè)計(jì)的語音控制的可變形機(jī)器人是基于遙控機(jī)器人的基礎(chǔ)，來進(jìn)行的改進(jìn)，就相當(dāng)于把遙控指令轉(zhuǎn)化為語音指令，所以程序設(shè)計(jì)的主要任務(wù)就是完成語音的識(shí)別和轉(zhuǎn)化。因?yàn)檎Z音的樣本是存在于內(nèi)部RAM內(nèi)，我們的機(jī)器人如果發(fā)生掉電，我們采集的數(shù)據(jù)將會(huì)丟失，所以我們?cè)诮o機(jī)器人每一次上電復(fù)位的時(shí)候必須要進(jìn)行重新的訓(xùn)練，來保證訓(xùn)練的準(zhǔn)確性，我們這里的訓(xùn)練的過程是依靠調(diào)用庫函數(shù)里面的BSR_Train來完成的，為了防止我們的續(xù)聯(lián)出現(xiàn)錯(cuò)誤的命令，每個(gè)語音命令訓(xùn)練3遍，并且3次命令相同時(shí)才可以成功，訓(xùn)練的結(jié)果可以在BSR_Train函數(shù)訓(xùn)練成功則可以繼續(xù)進(jìn)行下一條的訓(xùn)練，否則要繼續(xù)進(jìn)行多次訓(xùn)練。

3 創(chuàng)新點(diǎn)

本次設(shè)計(jì)的語音控制的可變形機(jī)器人可站立行走，而且可通過變換形態(tài)，變換成小車形態(tài)，從而很好的結(jié)合了雙足機(jī)器人和小車的各方面優(yōu)點(diǎn)，避免了單一形態(tài)的缺點(diǎn)和不足，達(dá)到互補(bǔ)和提高效率的作用。當(dāng)形態(tài)為機(jī)器人的時(shí)候，可直立行走，做一些規(guī)定的動(dòng)作，但適合小范圍細(xì)致化活動(dòng)，由于其移動(dòng)緩慢，所以一旦需要快速移動(dòng)到下一個(gè)指定位置的時(shí)候，需要花費(fèi)的時(shí)間會(huì)很長。因此，將機(jī)器人變形為小車狀態(tài)，小車的移動(dòng)迅速，很好的避免了這個(gè)移動(dòng)緩慢的問題，可以很快速的移動(dòng)到指定位置，然后再變換為機(jī)器人形態(tài)，進(jìn)行指定的操作，提高了效率。語音識(shí)別系統(tǒng)的使用，又讓機(jī)器人得以實(shí)現(xiàn)語音操控，使人的控制更加敏捷，解放了雙手去完成其他的事情。在控制學(xué)、仿生學(xué)、人類大腦工作原理等方面進(jìn)行突破，語音控制的可變形機(jī)器人可以實(shí)現(xiàn)多種功能，現(xiàn)階段可應(yīng)用于智能家居領(lǐng)域，機(jī)器人搭載多種傳感器，可以實(shí)現(xiàn)室內(nèi)環(huán)境檢測和數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸，也可以作為兒童的助教工具。

圖6 Arduino

圖7 RB-150CS舵機(jī)

圖8 程序原理

4 結(jié)語

調(diào)試結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的語音控制的可變形機(jī)器人能夠準(zhǔn)確快速識(shí)別語音信號(hào)，并且可實(shí)現(xiàn)語音控制的可變形機(jī)器人變化為車形以后向各個(gè)方向的移動(dòng)以及機(jī)械手的定點(diǎn)抓取等基本功能。功能一是車形模式，能在變形語音命令發(fā)送后迅速的由人形變化為車形，可以根據(jù)攝像頭實(shí)現(xiàn)小車的全方位移動(dòng)；功能二是人形模式，能在變形語音命令發(fā)送后迅速的由車形變化為人形，可以實(shí)現(xiàn)人形機(jī)器人的前進(jìn)和后退，可以實(shí)現(xiàn)簡單的機(jī)械手的動(dòng)作要求。語音控制機(jī)器人的設(shè)計(jì)思路采用模塊化搭配，便于加工速度快，便于維修機(jī)器人內(nèi)部電路，更利于機(jī)器人硬件電路的升級(jí)。符合預(yù)期對(duì)語音命令實(shí)時(shí)性以及計(jì)劃性的要求，工作穩(wěn)定，性能良好。就總體效果而言，所設(shè)計(jì)的語音控制的可變形機(jī)器人存在以下兩方面的問題：一方面是機(jī)器人語音識(shí)別問題，某些特定詞語十分難識(shí)別，導(dǎo)致語音相近的命令可能執(zhí)行錯(cuò)誤，人與機(jī)器人的交流的體驗(yàn)感不夠好，更換性能更好的語音識(shí)別模塊可以解決這個(gè)問題；另一方面，機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不夠合理，變化為人形時(shí)重心較高，左右移動(dòng)容易摔倒，機(jī)械結(jié)構(gòu)過于模仿人形，導(dǎo)致機(jī)器人的雙手不能精確抓取，語音控制的可變形機(jī)器人這些不足之處將在往后的學(xué)習(xí)中加以改進(jìn)和實(shí)現(xiàn)。