校園智能服務(wù)機器人研究與設(shè)計

山東科技大學(xué)電氣與自動化工程學(xué)院 蘇衍保 劉自清 聶 磊

校園智能服務(wù)機器人研究與設(shè)計

山東科技大學(xué)電氣與自動化工程學(xué)院 蘇衍保 劉自清 聶 磊

傳統(tǒng)的機器人都是以演示為主，功能單一，智能化程度較低。本文設(shè)計了一款面向校園的智能迎賓機器人，具有迎賓禮儀和教學(xué)實踐功能。本文重點介紹面向校園的智能服務(wù)機器人系統(tǒng)架構(gòu)，包括軟件和硬件結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)，以及實現(xiàn)方案和實驗結(jié)果。該機器人能夠在展館進行接待和引導(dǎo)服務(wù)，具有自主移動、智能引導(dǎo)、人臉識別、語音識別與合成等功能，是一種更加豐富可靠的智能引導(dǎo)服務(wù)機器人。通過實踐表明，該機器人系統(tǒng)具有可靠的穩(wěn)定行，實現(xiàn)了在校園的來賓接待和教學(xué)服務(wù)功能，實現(xiàn)了人工智能。

智能引導(dǎo)；圖像處理；人工智能

0　引言

隨著機器人技術(shù)日臻成熟和社會水平的提高,機器人的應(yīng)用已不再僅限于工業(yè)制造領(lǐng)域，服務(wù)機器人是其發(fā)展的一個新的領(lǐng)域。迎賓機器人有多變且友善的外觀，可以和人類進行良好的音頻視頻互動，具有自主移動定位功能，并且方便搭載各行業(yè)專業(yè)的儀器設(shè)備。由于機器人技術(shù)的復(fù)雜性，應(yīng)用過程中難免會出現(xiàn)一些錯誤，因此研究一種實用、靈活、可靠性高的智能引導(dǎo)服務(wù)機器人具有重要的應(yīng)用價值[1]。

本文以山東科技大學(xué)迎新現(xiàn)場和校史館迎賓為應(yīng)用背景，研發(fā)設(shè)計一款形象逼真、生動活潑的校園服務(wù)機器人。主要有語音識別與合成、人臉識別、迎賓、娛樂、知識問答、照相錄像、運動避障等功能。具有很高的人性化、智能化，方便快捷，為同學(xué)的校園生活增加樂趣。本文主要通過對機器人系統(tǒng)的研究與設(shè)計，把先進的技術(shù)應(yīng)用到了機器人上，使得機器人具有很高的人工智能性。

1　系統(tǒng)設(shè)計

1.1整體設(shè)計

迎賓機器人功能主要在于是否能與人友好交流，迎接賓客。為了實現(xiàn)智能服務(wù)和自主移動，設(shè)計了機器人如圖1。機器人的總體設(shè)計為類人形機器人，由LED顯示模塊、運動模塊、工控機、雙目攝像頭、機械手臂、鋰電池等其他部分構(gòu)成。機器人功能模塊主要包含語音模塊、人臉識別模塊、機器人運動模塊、表情模塊、運動壁障等模塊。

圖1　機器人內(nèi)部結(jié)構(gòu)

1.2設(shè)計功能

機器人設(shè)計功能包括：1）全向輪自由行走，局部自主定位。2）人機語音交互功能。可與機器人交流“學(xué)校新聞動態(tài)”“機器人知識”、“教育知識”等。機器人可以語音介紹學(xué)校的基本情況，并回答來賓問題。3）基于語音識別的舞蹈、抓取物體等任務(wù)。4）可以進行身份識。5）教學(xué)輔助功能，可以幫助老師播放PPT和錄制課堂視頻。

2　人臉識別技術(shù)及其實現(xiàn)

本機器人在漢唐龍城人臉識別引擎的基礎(chǔ)上，對OpenCv在Visual C++ 2013開發(fā)環(huán)境下進行配置，開發(fā)了自己的人臉識別程序包。本機器人通過其頸部的攝像頭檢測人臉，傳入工控機進行人臉識。人臉識別是通過AdaBoost算法和膚色檢測算法相結(jié)合，通過C++程序?qū)崿F(xiàn)的。首先進行人員信息注冊，建立人臉識別身份數(shù)據(jù)庫，然后采集人臉圖片進行注冊。人臉識別測試界面如圖2所示，試驗結(jié)果：ID為8，score為0.81。識別結(jié)果為數(shù)據(jù)庫儲存的人員信息，人臉識別準確率符合要求。當識別成功時，機器人會主動向來賓打招呼，合成“***您好，歡迎您來到，山東科技大學(xué)”等語音，并提示賓客選擇相應(yīng)的服務(wù)功能。如果未注冊人員識別，就合成語音“您好，我還不認識您，請您先注冊信息”，讓來訪的賓客感受山東科技大學(xué)的熱情。

圖2　人臉識別

圖3　教學(xué)及人臉功能測試

3　實驗結(jié)果

為了測試機器人的語音識和運動壁障功能，我們進行了握手、再見、舞蹈、前進、后退等動作測試。通過實驗發(fā)現(xiàn)，機器人能準確識別人說話，并完成指定動作表演，通過語音合成與人進行交流表達服務(wù)意愿。機器人的運動壁障功能讓本機器人，具有更強的自主性，能快速、準確的躲避障礙物。此外還進行人臉識別測試和教學(xué)功能測試，如圖3所示。實驗表明，機器人能完成視頻播放錄制，拍照，播放課件，人臉識別等功能。最終機器人能很好的實現(xiàn)校園服務(wù)功能。

4　總結(jié)和展望

本文設(shè)計了一款類人型智能迎賓機器人系，具有自主移動壁障功能，采用先進的語音識別，人臉識別軟件，使機器人實現(xiàn)了智能人機交互，并且實現(xiàn)了最大15m的語音控制。本機器人主具有低成本、低功耗、可靠性高、綜合性高、實時性好、功能豐富、更能提供優(yōu)質(zhì)的服務(wù)功能。控制方式靈活多變可適應(yīng)不同場合的要求最終實現(xiàn)了一種集多種功能為一體，實用、靈活、操作方便的交互式智能迎賓機器人。

在未來的應(yīng)用中，可以加入機器人自主定位，校園導(dǎo)航和在線自動搜索功能，讓機器人更具實用性，而不僅限于校園應(yīng)用。

[1]蔡自興.機器人學(xué)(第二版)[M].北京:清華大學(xué)出版社礦業(yè)大學(xué)出版社,2010.9:1-68,158-218.

[2]劉玉芹,劉敬文.超聲波測距儀在移動機器人壁障中的應(yīng)用[A].儀器儀表學(xué)報,2006,6:1568-1560.

[3]蔡自興,鄭敏捷,鄒小兵.基于激光雷達的移動機器人實時避障策略[J].中南大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2006,37(2):324-329.

[4]魏冬冬,諶海新,聶鐵濤.人臉特征提取與識別技術(shù)研究[A].計算機與現(xiàn)代化,2007,3:69-72.

[5]李盛文,鮑蘇蘇.基于PCA+Adaboost算法的人臉識別技術(shù)[A].計算機工程與應(yīng)用,2010,46(10):170-173.

[6]宋章軍.服務(wù)機器人的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J].集成技術(shù),Vol.1,No.3,Sep. 2012:1-9.

蘇衍保（1988—），男，山東菏澤人，山東科技大學(xué)碩士研究生，主要研究方向：嵌入式軟件開發(fā)與系統(tǒng)集成，機器人控制與系統(tǒng)集成。