智能伴老機器人控制系統設計

郁李鑫 朱妍

摘要：現代社會面臨著全球性人口老齡化問題，智能伴老機器人作為一種新型輔助生活機器人，可為老年人提供多樣化服務。文章設計了基于51單片機的智能伴老機器人控制系統。在硬件設計上，采用TCRT5000傳感器實現紅外避障，采用SU-03T離線語音識別模組和DY-SV17F智能語音模塊相結合實現與使用者的語音交互，采用MQ5可燃氣傳感器和蜂鳴器組合成可燃氣報警器，將MX1508型號雙路有刷直流馬達驅動電路作為小車的動力驅動，利用TP4056型號單節鋰離子電池給系統進行供電。該款智能伴老機器人具有精度高、易操作、外形輕巧、音量大等特點，貼合目標群體的使用習慣。

關鍵詞：智能伴老機器人；51單片機；紅外線避障；可燃氣傳感器；語音識別

中圖分類號：TP23? 文獻標志碼：A

0 引言

隨著全球老齡化進程的加速，老年人的生活和健康狀況已成為一個全球性的問題。智能伴老機器人為解決老年人生活中的各種問題提供了一種新的思路和手段。在此背景下，研究智能伴老機器人具有提高老年人生活質量、推動產業發展、推進老齡化社會建設等意義。

本文旨在提供一種合理的智能伴老機器人控制系統，系統設計的過程中充分發揮51單片機靈活性、兼容性強、體積小、能耗低的特點。

1 國內外的發展概況

1. 1 國內發展概況

國內智能伴老機器人的發展前景非常廣闊，隨著老齡化趨勢加劇、家庭結構單核化等，老年人需要得到更多的關注和照顧。目前，國內智能伴老機器人的應用已經涵蓋了醫療機構、養老機構、居家護理等多個領域。

目前，一些中國的科技公司和機器人企業已經開始研發智能伴老機器人，并逐步投入市場應用。UBTECH是一家總部位于深圳的人工智能和機器人公司，致力于研發和生產各類機器人產品，其中包括智能伴老機器人。其智能伴老機器人可以提供健康監測、語音交互、情感陪伴、生活照料等服務；達闥科技是一家總部位于杭州的人工智能和機器人企業，其智能伴老機器人可以通過圖像識別、語音識別、姿態感知等技術，為老年人提供陪伴、娛樂、健康監測等服務。其產品已經在多個養老機構和醫療機構得到應用。

然而，國內智能伴老機器人的市場份額還比較小，主要原因是機器人技術的發展還比較新，市場需求和技術瓶頸等問題還需要不斷地解決。此外，由于智能伴老機器人涉及老年人的隱私和安全等問題，還需要政府和監管機構的支持和規范。

隨著中國老齡化的加劇，智能伴老機器人將逐漸成為老年人關注的熱門話題，也將成為未來中國機器人產業發展的重要方向之一。

1.2 國外發展概況

智能伴老機器人作為一種新興的人工智能應用，在世界范圍內得到了越來越多的關注和研究。

日本是全球老齡化最為嚴重的國家之一，也是重點研發智能伴老機器人的國家之一。例如，日本的索尼公司就推出了一款名為“Aibo”的智能伴老機器人，可以通過人臉識別、語音識別等技術與老年人進行交互和陪伴。美國也是研發生產智能伴老機器人的重要國家之一。例如，美國的RoboKind公司推出了一款名為“Milo”的機器人，可以通過視覺識別和語音識別技術與老年人進行互動，幫助老年人提高社交能力和語言表達能力。智能伴老機器人在全球范圍內得到了越來越多的研究和應用，不同國家和地區的企業和機構都在探索如何利用人工智能技術，為老年人提供更好的生活服務。

2 系統論證方案與設計

2.1 總體方案設計

本系統主要由紅外避障模塊、語音播報模塊、語音識別模塊、煙霧報警模塊、按鍵模塊等組成。

2.2 紅外避障模塊

機器人系統作為一個需要可以自主移動的系統，整體將搭載在一個小車狀的模型上，因此，避障模塊是模型中的核心模塊之一。紅外避障模塊的工作原理是發光管發出紅外光，光敏接收管接收前方物體反射光，據此判斷前方是否有障礙物。根據反射光的強弱可以判斷物體的距離，它的原理是接收管接收的光強弱隨反射物體距離的變化而變化，距離近則反射光強，距離遠則反射光弱［1］。

本文采用紅外反射傳感器作為避障模塊的核心元器件，結合單片機進行控制。紅外傳感器避障模塊具有成本低、體積小、靈敏度高等優點，還可以通過轉動其上方的電位器來調節檢測范圍，符合預期要求。

在硬件設計方面，紅外避障模塊通過在模型前端布置一個紅外反射傳感器，讓模型能夠識別到前進路線上的障礙。紅外反射傳感器模塊包括一個紅外發射管和一個光敏二極管，通過發射紅外線并接收反射光信號，判斷模型當前位置是否可以行進，從而調整模型的運動方向。另外，在模型上設置一個按鍵，按下按鍵，模型開始行動，再次按下則停止。在軟件設計方面，本設計采用if函數對機器人模型的前進、后退、轉彎、剎車等進行控制。

2.3 語音播報模塊與語音識別模塊

為了滿足智能伴老機器人的語音提示和交互功能，需要設計一個語音播報模塊。

（1）方案一。

該模塊可以通過與主控板的串口通信實現語音的輸入和輸出，通過語音合成芯片將文字轉化為語音，并通過揚聲器播放出來。

模塊硬件設計：該模塊主要由語音合成芯片、串口通信模塊和揚聲器3部分組成。

語音合成芯片：該模塊選用成本較低且功能較為完善的語音合成芯片，如DFRobot的DFPlayer Mini或是AI芯片，如訊飛等。

串口通信模塊：該模塊選用常用的串口通信模塊，如HC-05或ESP8266等，與主控板進行串口通信。

揚聲器：該模塊選用帶有放大器功能的小型揚聲器，通過語音合成芯片進行播放。

模塊軟件設計：該模塊的軟件設計主要包括語音合成程序和串口通信程序。

語音合成程序：開發者在主控板上編寫語音合成程序，通過串口接收文字信息，將其轉換為語音播放出來。語音合成程序可以使用開源的語音合成庫或是自行編寫。

串口通信程序：開發者在主控板上編寫串口通信程序，通過與語音播報模塊進行串口通信實現語音輸入和輸出。串口通信程序可以使用Arduino的Serial庫或是自行編寫。

（2）方案二。

其他部件與方案一相同，區別在于將語音識別直接和語音播報相連，不經過單片機，直接把語音識別的輸出接在語音播報上。

在數字電路中，邏輯電平是用來表示數字信號的一種方式。在通信過程中，發送方通過改變數字信號的邏輯電平來傳輸數據。接收方通過對數字信號的邏輯電平進行解碼來還原原始數據。

如果發送方和接收方采用相同的數字編碼格式，并且使用相同的邏輯電平來表示不同的數字位，則接收方可以正確地解碼數據，并還原原始的數據信息。因此，只要發送方和接收方之間存在著相同的邏輯電平，就可以進行通信。在該系統中，語音識別和語音播報都是3.3 V的邏輯電平，兩者正好可以通信，而單片機是5 V的邏輯電平，需要串口通信模塊才能實現。

相較于方案一，方案二具有更便捷、易操作的特點，本文最終采用方案二。在內容方面包含呼叫名字喚醒以及歌曲/喜劇/小說播放功能。通過該語音播報模塊的設計，機器人可以實現語音提示和交互功能，為用戶提供更加智能化的使用體驗。

2.4 可燃氣報警模塊

為了增強智能伴老機器人的安全性能，系統需要設計一個可燃氣報警模塊，用于檢測機器人所在環境中是否存在可燃氣體，并及時發出警報提示。

硬件設計：該模塊主要由可燃氣體傳感器、報警器和單片機3部分組成。

可燃氣體傳感器：該模塊采用靈敏度較高的MQ-5可燃氣體傳感器，可以快速檢測到環境中的可燃氣體。

報警器：該模塊采用高亮度LED與蜂鳴器作為報警器。

通過該可燃氣體報警模塊可以提高伴老機器人的安全性能，機器人可及時檢測出環境中的可燃氣體并發出警報提示，為用戶提供更加安全、放心的使用體驗。

2.5 系統方案框架

基于以上方案論證，本系統最終由按鍵模塊、紅外循跡模塊、語音識別、播報模塊以及可燃氣傳感、報警模塊組成。在系統中，機器人可以實現自主避障、檢測室內環境中的可燃氣體并報警，識別語音并作出相應的語音答復或者程序反應。系統原理如圖1所示。

3 系統硬件設計

3.1 驅動馬達設計

本系統采用的是MX1508雙路有刷直流馬達驅動電路，該型號電路采用的是H橋電路結構設計，其高可靠性功率管工藝馬達特別適合驅動線圈、馬達等感性負載。電路內部集成N溝道和P溝道功率MOSFET，工作電壓范圍覆蓋2～9.6 V。在27 ℃、VDD為6.5 V時，兩個通道同時工作的條件下，2通道最大持續輸出電流達到0.8 A，最大峰值輸出電流達到1.5 A［2］；1通道最大持續輸出電流達到1.5 A，最大峰值輸出電流達到2.5 A。

該電機驅動電路為具備一定內阻的功率器件，電路的發熱與負載電流、功率管導通內阻以及環境溫度密切相關。電路設計包含芯片級溫度檢測電路，可以實時監控芯片內部發熱。當芯片內部溫度超過設定值150 ℃時，功率管就會產生關斷信號，關閉負載電流，避免因異常使用導致的溫度持續升高，進而造成塑料封裝冒煙、起火等嚴重安全事故，非常契合以安全性為重要因素的伴老機器人系統。另外，芯片內置的溫度遲滯電路將確保電路恢復到安全溫度后，才允許重新對功率管進行控制。電動機驅動電路如圖2所示。

3.2 紅外線避障設計

系統選用的TCRT5000模塊具有緊湊的結構，模塊使用排列在同一側的發射光源和檢測器。其中，發射光源使用來自物體反射的波長為950 mm的紅外光束檢測物體的存在，而檢測器由光電晶體管組成。

接好VCC（3.3～5 V）和GND接口后，模塊電源指示燈亮起。對于TCRT5000傳感器的紅外發射二極管，當發射出的紅外線沒有被反射回來或被反射回來但強度不夠大時，紅外接收管一直處于關斷狀態，此時模塊的輸出端為高電平，指示二極管一直處于熄滅狀態；當被檢測物體出現在檢測范圍內時就會把紅外線反射回來且強度足夠大，紅外接收管飽和，此時模塊的輸出端為低電平，指示二極管被點亮［3］。

DO輸出接口可以與單片機IO口直接相連。模擬輸出AO，當發射管的紅外信號經反射被接收管接收后，接收管的電阻會發生變化，在電路上一般以電壓變化的形式體現出來，經過轉換或LM324等電路整形后得到輸出結果。電阻的變化取決于接收管所接收的紅外信號強度，常表現在反射面的顏色（反射率）、形狀和反射面接收管的距離等方面。

另外，紅外傳感的靈敏度也可以自行調整，使模型根據需求在某一特定距離發揮避障功能。該紅外傳感器自帶檢測距離調節器，使用者需要改變靈敏度時，只需要操作調節器的旋鈕。該調節器可以調節傳感器的檢測距離，對于白色的物體，反射的最遠距離最大；黑色物體，反射的最遠距離最小。面積大的物體所能探測的距離大；面積小的物體所能探測的距離小。紅外傳感器最短檢測距離為2 cm，最長檢測距離可以達到20 cm，工作電壓較低，同時可以檢測偏移角為40°的物體。當傳感器模塊檢測到障礙物或者有物? 體靠近時，其模塊的綠色燈會亮起，同時OUT引腳會變低電平。模塊是非接觸式傳感器，具有響應快、精度高等特點。避障傳感器模塊電路如圖3所示，按鍵電路如圖4所示。

3.3 語音交流設計

SU-03T 是一款低成本、低功耗、小體積的離線語音識別模組，32 bit RISC內核，運行頻率240 M；支持DSP指令集以及FPU浮點運算單元，內置5 V轉3.3 V。語音識別模塊電路如圖5所示。

DY-SV17F是一款智能語音模塊，集成IO分段觸發、UART串口控制、ONE_line單總線串口控制、標準MP3等7種工作模式；板載5 WD類功放，可直接驅動4 Ω、3～5 W的喇叭；支持 MP3、WAV解碼格式，板載32Mbit（4MByte）flash存儲，可通過USB數據線連接電腦更新音頻文件［4］。語言識別模塊實物與電路如圖6與圖7所示。

語音識別和語音播報都是3.3 V的邏輯電平，兩者正好可以通信。電平轉換電路如圖8所示。

電平觸發模式（電平不釋放）：觸發指定曲目，循環播放指定曲目，直至電平釋放；播放中途釋放電平，即刻停止播放；若有其他電平觸發，則播放新曲目，有新的組合或按鍵播放新曲目。

3.4 可燃氣報警設計

MQ-5氣體傳感器可檢測多種可燃性氣體，特別是液化氣（即丙烷），對丁烷、丙烷、甲烷等可燃性氣體靈敏度高，是一款適合于多種應用場景的氣體傳感器。它在較寬的濃度范圍內對可燃氣體（特別是丙烷）均有良好的靈敏度，具有壽命長、成本低、電路原理簡單等優點［5］。

MQ-5氣體傳感器所使用的氣敏材料是在清潔空氣中電導率較低的二氧化錫（SnO2）。當傳感器所處環境中存在可燃氣體時，傳感器的電導率隨空氣中可燃氣體濃度的增加而增大。使用簡單的電路即可將電導率的變化轉換為與該氣體濃度相對應的輸出信號［6］。單片機采集到數字信號后進行內部數據處

理，如可燃氣體濃度達到報警器設置的臨界點時，單片機將給蜂鳴器下達指令發出報警信號，使用者可以盡早感知到危險，避免釀成悲劇。實物與電路如圖9與圖10所示。

3.5 電池部分設計

TP4056是一款完整的單節鋰離子電池，采用恒定電流、恒定電壓的線性充電器。SOP8/MSOP8封裝底部帶有散熱片，加上較少的外部元件數目［7］，使得TP4056可以適用于USB電源和適配器電源，成為便攜式應用的理想選擇。因為采用了內部PMOSFET架構，加上防倒充電路，所以不需要增設外部隔離二極管。

熱反饋可對充電電流進行自動調節，以便在大功率操作或高溫環境條件下對芯片溫度加以限制。充電電壓固定為4.2 V，而充電電流可通過一個電阻器進行外部設置。在達到最終浮充電壓之后，充電電流降至設定值的1/10時，TP4056將自動終止充電循環。

當輸入電壓（交流適配器或USB電源）被去掉時，TP4056自動進入一個低電流狀態，將電池漏電流降至2 μA以下。TP4056在有電源時也可置于停機模式，進而將供電電流降至55 μA。TP4056的其他特點包括電池溫度檢測、欠壓閉鎖、自動再充電，還包含2個用于指示充電或充電結束的LED狀態引腳［8］。電池電路如圖11所示。

圖11 電池電路

4 系統軟件設計

4.1 馬達驅動設計

在本系統中，模型的行動全部依賴于馬達驅動，因此，此模塊是相當重要的部分。馬達驅動的工作流程大致為：在機器人工作開啟后驅動初始化，檢測到按鍵的按下狀態則開始行動，再次按下則停止行動。

4.2 紅外避障設計

紅外避障模塊是在馬達驅動的基礎上增加了紅外感應的功能。首先對模塊初始化，接著由傳感模塊的紅外發射二極管不斷發射紅外線，當發射的紅外線沒有被反射回來或者被反射回來但強度不夠大時，光敏電三極管一直處于關斷的狀態，此時模塊的輸出端為低電平，指示二極管一直處于熄滅狀態，同時，模型也會一直勻速前進；直到在檢測范圍內檢測到物體，二極管發出的紅外線被反射回來且強度夠大，光敏三極管達到飽和，此時模塊輸出端為高電平，指示二極管被點亮［9］，同時給模型下達指令，命令模型后退一段距離并轉向繼續移動。

4.3 可燃氣報警

MQ5可燃氣報警模塊的工作原理相對其他幾個模塊比較簡單，在系統開機初始化后即開始自動檢測空氣中是否有可燃氣體，如果檢測到有，則轉化為電信號告知主控制器，同時打開應急燈和蜂鳴器進行報警處理，直到按下復位鍵后停止報警。

4.4 語音識別播報

語音互動部分的代碼文件使用智能公元協助生成。首先對系統需要實現的功能進行分析。前端信號處理方面選擇單MIC以及遠場識別，因為模型本身并無嚴重噪聲所以無需選擇穩態降噪。

然后由開發者配置喚醒詞和命令詞。因為該系統主要是針對老年人用戶設計的，所以系統添加了一些戲曲及小說的播報等額外功能。語音控制內容的關鍵詞、PIN腳配置與電平情況如表1所示。

系統收到對應指令后語音回復情況如表2所示。

系統添加機器人喚醒以及關閉的控制行為，占空比均設為0。

系統在完成開關機控制行為的添加之后，挑選戲曲及小說的音頻。戲曲選用了經典戲曲串燒，小說選用了《紅樓夢》的有聲書節選。系統還添加了小說和戲劇音樂的音頻，生成代碼和燒錄文件。

5 結語

本設計采用STC89C52RC作為主控芯片，在硬件設計上，采用TCRT5000傳感器實現機器人的紅外避障；采用SU-03T離線語音識別模組和DY-SV17F智能語音模塊相結合實現機器人與使用者的語音交互，提供了更加智能且人性化的使用體驗；采用MQ5可燃氣傳感器和蜂鳴器組合成可燃氣報警器，提高居住安全性；采用MX1508型號雙路有刷直流電動機驅動電路作為小車的動力驅動，采用TP4056型號單節鋰離子電池為系統供電。本文所述智能伴老機器人具有精度高、易操作、外形輕巧、音量大等特點，貼合目標群體的使用習慣。智能伴老機器人的出現，為解決老年人生活中的各種問題提供了一種新的思路和? 手段。

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（編輯 何 琳編輯）

Design of intelligent companion robot control system

Yu? Lixin1，2， Zhu? Yan1

（1.Wuxi Taihu University， Wuxi 214063， China;

2.Nanjing University of Information Science & Technology， Nanjing 210000， China）

Abstract：? Modern society is facing the problem of global population aging，? intelligent elderly care robots as a new type of assistive living robot， can provide diversified services for the elderly. The paper designs an intelligent elderly care robot control system based on the 51 microcontroller. In terms of hardware design， the system uses TCRT5000 sensors to achieve infrared obstacle avoidance， combines SU-03T offline speech recognition module with DY-SV17F intelligent speech module to achieve voice interaction with users， combines MQ5 combustible gas sensor and buzzer to form combustible gas alarm， uses MX1508 dual path brushed DC motor drive circuit as the power drive of the car， and uses TP4056 single lithium-ion battery to power the system. This intelligent elderly care robot has the characteristics of high precision， easy operation， lightweight appearance， and large volume， which is suitable for the usage habits of the target group.

Key words： intelligent elderly care robot; 51 microcontroller; infrared obstacle avoidance; gas sensor; speech recognition