智能語音管家機器人的設計

摘 要：為了使人們的生活更加安全、舒適、高效、便利、節能、環保，擁有一個智能的家。構想制作一個無線語音管家機器人，能通過無線控制常用家電（電視機，風扇，空調等），能通過無線語音控制自動窗簾，家用機器人動作，可進行人機對話，完善我們的生活，通過系統控制家用電器，獲取需要的信息，減少人力資源的浪費。智能家居能夠創造簡便、舒適的生活方式，安全、便捷的生活環境，經濟、節約的生活平臺。文章通過制作這個系統，探討降低智能生活的成本，使智能生活離我們更近。

關鍵詞：智能；機器人；設計

引言

本系統包含一個智能無線管家系統和所控家用機器人，整個系統采用無線控制，減少了布線的繁瑣；機器人還采用了語音識別控制，更加智能、人性化，具有簡單人體功能的、模擬人體動作的類人型機器人，可完成人體的基本動作：前進、后退，左右側行，左右轉彎和前后擺動手臂，舉手、轉臂，頭部180度轉動靈活，并具備部分語音識別功能。通過語音識別技術，機器人可以進行語音控制，即通過發出語音命令，控制機器人的行動。還具有遠程監控功能，當主人不在家時，可以在遠端監視器上察看機器人對家里的巡視場景畫面，如有小偷等，可以報警和進行阻嚇。

無線語音管家機器人最大的難度在于家用機器人的制作，包含多個關節共十三個電機，通過軟件和傳感器實現各個關節的組合控制。機器人包括底座、頭部、上身、下肢、以及電路控制板，分別控制手臂、頭部和底盤運動的電機及傳動機構等。通過電路控制和機械傳動，可使機器人執行多種擬人化動作。機器人的設計首先需作總體方案設計，包括機械和電氣兩部分。根據機械基礎知識，從整體上來講，機械結構設計必須與機器人所要完成的功能相適應。機械部分設計主要包括底盤設計、尺寸選擇、驅動方式設計、電機選擇等；電控是機器人最重要的部分，直接影響著機器人功能的實現于否。語音機器人要求完全自動控制，采用單片機為控制核心，它類似于機器人的大腦，接收和處理所有外界信息，指揮并控制機器人的所有動作。語音識別等功能是制作機器人硬件的難點，它要求機器人具有一定的語音詞匯識別能力。機器人還安裝了多種傳感器，傳感器把接收到的外部信息輸入到單片機，再通過軟件進行控制，從而單片機發出命令指揮機器人動作。軟件編程可以豐富機器人的功能，使機器人動作更加完善。總體方案設計框圖如圖1所示。

機械部分

機械部分包括：底盤機構的設計、彎腰機構的設計、轉身機構的設計、手臂機構的設計、轉頭機構的設計、及材料與型材選擇。機械設計主要要求機構簡單，容易制造及裝配。

底盤驅動方式如圖2所示，采用兩個驅動輪，兩個萬向輪，萬向輪用于平衡，能在原地旋轉以獲得不同的方向；采用連桿來實現彎腰機構及轉身機構；機器人的手臂由一根橫桿構成，左右兩端分別固定左右手的兩個電機，可做前后360度的旋轉，中間固定機器人的頭部電機，可帶動頭部做180度的旋轉，其中手臂的機構還可以繼續擴展，在肩部上臂末端可再擴展兩個電機，實現三個自由度的動作。機器人的制作，材料選用了密度較小的鋁制作，因為鋁易于加工，質量又輕，不會增加機器人的承載負擔。

硬件設計

電機驅動電路采用繼電器構成橋式換向電路，繼電器和主控制電路間用光電隔離器。考慮到電機的起動電流和制動時比較大，會造成電源電壓不穩定容易對單片機和傳感器的工作產生干擾，所以，電機驅動電路和單片機以及傳感器電路用TLP521-4光耦隔離。提高電路的可靠性。同時還可以采用相互獨立的電源供電。以確保單片機正常運行，進而以保證整個系統正常工作。

在機器人的控制系統中最主要的就是傳感器電路，傳感器是機器人感知外界事物的關鍵。機器人通過傳感器收集外界信息，通過電路把這種信息轉變成CPU能識別的數字信號，再通過軟件算法對所收集的信息進行處理后，形成相應的控制信號，通過端口去控制相關的電機動作。

傳感器采用多種傳感器相互配合使用。使用光電編碼器判斷角位移和行程位移。主要用在機械手臂的轉動上，使機械手臂動作更準確。行程開關用于位置的檢測，主要用在機器人，或機械手臂上。當機器人行走，或機械手臂動作到達某種位置時給單片機一個電信號，讓單片機發出相應的控制信號。

軟件設計

在完成了硬件的設計之后，需要進行相應的軟件設計，軟件主要展示機器人的控制的思想。機器人的軟件設計是整個設計過程中最重要的部分之一，它關系到機器人動作的編輯、存儲和執行，關系到機器人姿勢的“優美”與否。從家用機器人的執行過程來看，單片機程序包括初始化程序，外部中斷、定時器中斷、串行中斷、機器人動作執行子程序等；機器人根據指令或對話查詢并讀取動作控制代碼、執行和傳感器反饋處理程序等組成。可以在系統中對機器人各種動作進行手動編程，再把動作數據表下載到單片機中，由單片機來控制各個關節，順序執行動作表中的各個動作，實現各種擬人化的動作。由于增加了單片機MP3播放器，所以語音識別后，按語音信號查詢，可播放事先錄好的對話和執行后續的設計動作。

拓展

無線語音管家機器人還可控制各種家用電器，采用了語音識別控制，更加智能、人性化，系統還采用了光強、溫濕度傳感器，可根據外界參數進行實時播報。無線語音管家機器人還可以接入無線網絡，通過網絡實行遠程控制與信息傳遞，在家中有孤寡老人或留守兒童等場合有很多實際需求的拓展應用，還需要有針對性的去完善和改進。

參考文獻

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