語音控制的可變形機器人①

褚曉輝 賈文 尚國力 劉聰

(沈陽理工大學 遼寧沈陽 110159)

隨著各種最新傳感技術和電子技術的突破和進步，全球機器人行業進入迅猛的發展期，因為語音控制的可變形機器人的性能更適合人們的要求，所以應用場景也更為廣闊，自動化技術將大大解放人類的雙手，加快生產效率，推動經濟發展。在這種大背景下，本設計采用語音識別技術和單片機控制技術完成機器人的控制，利用合理的機械設計實現服務機器人的多功能特點，結合機器人的特性和語音控制來設計一款可以進行語音控制的變形機器人。

1 語音識別基本原理

語音識別技術是讓變形機器人在不同環境中，經過對不同語音的識別和語音的理解過程把語音信號轉化為可以相應的執行命令的技術（見圖1）。語音識別技術主要包括機器人對語音特征的提取技術、不同語音模式的匹配準則及對于各種語音模型的訓練技術共三個方面。

2 系統的總體設計方案

所設計的語音控制的可變形機器人（見圖2），包括語音模塊、控制器、機器人、攝像頭、傳感器、電源，共六大部分組成。機器人部分包括車輪、減速電機、多個數字舵機和舵機架，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、煙霧報警器、溫度傳感器組成，控制器部分由三個單片機組成，第一塊單片機與語音模塊相連，第二塊單片機分別與紅外模塊、多個數字舵機相連，第三塊單片機分別與蜂鳴器、煙霧報警器、溫度傳感器、攝像頭相連。機器人的機械結構設計，機器人采用人車結合，在舵機機器人的基礎上進行改進，機器人的四肢加上電機和輪子，單片機和各個模塊放在機器人前部，電源放在后部用于平衡重量。

2.1 ASR Board語音識別模塊

ASR Board是一塊開源語音識別的控制板（見圖3），并且可以基于Arduino單片機，本款語音識別模塊不需要使用者事錄音和練習，是一個特別有用的非特定人類語音識別控制模塊。本模塊的所有識別可以設定30項候選識別句，并且識別句可以是單個字，多個字或短句，識別的句子長度為不應該超過8個字或者35個字節的拼音符號，可以通過一個系統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空間的一種模塊，可以應對慢速的MCU，實現圖像的采集控制功能，該模塊特別反應靈敏，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），板子同時可以引出數據管腳和控制管腳，便于用戶的操作和使用。2.3 Arduino

圖1 語音識別的基本原理

圖2 機器人系統總體設計

圖3 ASR Board語音識別模塊

Arduino是一個開源電子原型平臺（見圖6），使用靈活便捷、便于學習。由于語音控制的可變形機器人由8個舵機組成，所需要的引腳過多，這里搭配拓展板使用。采用舵機控制板，可以節省引腳，減少線路中的飛線。性價比高，功能強大，滿足機器人所需要的運算速度，含有大量的庫，編寫程序簡單。

2.4 RB-150CS舵機

RB-150CS的扭矩非常大（見圖7），可以滿足機器人各種變形所需要的扭矩，并且可以進行360度連續旋轉全金屬齒伺服舵機，我們可以安裝舵機配套的車輪，讓舵機實現驅動車輪的功能，對于機器人有重要的作用，可以節省兩個電機以及相應的驅動器，便于我們的安裝使用。

2.5 語音識別機器人的程序設計

語音識別程序（見圖8）包括訓練的樣本和識別。

圖4 模塊原理圖

圖5 攝像頭模塊

我們設計的語音控制的可變形機器人是基于遙控機器人的基礎，來進行的改進，就相當于把遙控指令轉化為語音指令，所以程序設計的主要任務就是完成語音的識別和轉化。因為語音的樣本是存在于內部RAM內，我們的機器人如果發生掉電，我們采集的數據將會丟失，所以我們在給機器人每一次上電復位的時候必須要進行重新的訓練，來保證訓練的準確性，我們這里的訓練的過程是依靠調用庫函數里面的BSR_Train來完成的，為了防止我們的續聯出現錯誤的命令，每個語音命令訓練3遍，并且3次命令相同時才可以成功，訓練的結果可以在BSR_Train函數訓練成功則可以繼續進行下一條的訓練，否則要繼續進行多次訓練。

3 創新點

本次設計的語音控制的可變形機器人可站立行走，而且可通過變換形態，變換成小車形態，從而很好的結合了雙足機器人和小車的各方面優點，避免了單一形態的缺點和不足，達到互補和提高效率的作用。當形態為機器人的時候，可直立行走，做一些規定的動作，但適合小范圍細致化活動，由于其移動緩慢，所以一旦需要快速移動到下一個指定位置的時候，需要花費的時間會很長。因此，將機器人變形為小車狀態，小車的移動迅速，很好的避免了這個移動緩慢的問題，可以很快速的移動到指定位置，然后再變換為機器人形態，進行指定的操作，提高了效率。語音識別系統的使用，又讓機器人得以實現語音操控，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、仿生學、人類大腦工作原理等方面進行突破，語音控制的可變形機器人可以實現多種功能，現階段可應用于智能家居領域，機器人搭載多種傳感器，可以實現室內環境檢測和數據的實時傳輸，也可以作為兒童的助教工具。

圖6 Arduino

圖7 RB-150CS舵機

圖8 程序原理

4 結語

調試結果表明，所設計的語音控制的可變形機器人能夠準確快速識別語音信號，并且可實現語音控制的可變形機器人變化為車形以后向各個方向的移動以及機械手的定點抓取等基本功能。功能一是車形模式，能在變形語音命令發送后迅速的由人形變化為車形，可以根據攝像頭實現小車的全方位移動；功能二是人形模式，能在變形語音命令發送后迅速的由車形變化為人形，可以實現人形機器人的前進和后退，可以實現簡單的機械手的動作要求。語音控制機器人的設計思路采用模塊化搭配，便于加工速度快，便于維修機器人內部電路，更利于機器人硬件電路的升級。符合預期對語音命令實時性以及計劃性的要求，工作穩定，性能良好。就總體效果而言，所設計的語音控制的可變形機器人存在以下兩方面的問題：一方面是機器人語音識別問題，某些特定詞語十分難識別，導致語音相近的命令可能執行錯誤，人與機器人的交流的體驗感不夠好，更換性能更好的語音識別模塊可以解決這個問題；另一方面，機器人的機械結構設計不夠合理，變化為人形時重心較高，左右移動容易摔倒，機械結構過于模仿人形，導致機器人的雙手不能精確抓取，語音控制的可變形機器人這些不足之處將在往后的學習中加以改進和實現。