语音控制的可变形机器人①

褚晓辉 贾文 尚国力 刘聪

(沈阳理工大学 辽宁沈阳 110159)

随着各种最新传感技术和电子技术的突破和进步，全球机器人行业进入迅猛的发展期，因为语音控制的可变形机器人的性能更适合人们的要求，所以应用场景也更为广阔，自动化技术将大大解放人类的双手，加快生产效率，推动经济发展。在这种大背景下，本设计采用语音识别技术和单片机控制技术完成机器人的控制，利用合理的机械设计实现服务机器人的多功能特点，结合机器人的特性和语音控制来设计一款可以进行语音控制的变形机器人。

1 语音识别基本原理

语音识别技术是让变形机器人在不同环境中，经过对不同语音的识别和语音的理解过程把语音信号转化为可以相应的执行命令的技术（见图1）。语音识别技术主要包括机器人对语音特征的提取技术、不同语音模式的匹配准则及对于各种语音模型的训练技术共三个方面。

2 系统的总体设计方案

所设计的语音控制的可变形机器人（见图2），包括语音模块、控制器、机器人、摄像头、传感器、电源，共六大部分组成。机器人部分包括车轮、减速电机、多个数字舵机和舵机架，电源部分采用航模电池为各部件供电，传感器部分主要由红外模块、烟雾报警器、温度传感器组成，控制器部分由三个单片机组成，第一块单片机与语音模块相连，第二块单片机分别与红外模块、多个数字舵机相连，第三块单片机分别与蜂鸣器、烟雾报警器、温度传感器、摄像头相连。机器人的机械结构设计，机器人采用人车结合，在舵机机器人的基础上进行改进，机器人的四肢加上电机和轮子，单片机和各个模块放在机器人前部，电源放在后部用于平衡重量。

2.1 ASR Board语音识别模块

ASR Board是一块开源语音识别的控制板（见图3），并且可以基于Arduino单片机，本款语音识别模块不需要使用者事录音和练习，是一个特别有用的非特定人类语音识别控制模块。本模块的所有识别可以设定30项候选识别句，并且识别句可以是单个字，多个字或短句，识别的句子长度为不应该超过8个字或者35个字节的拼音符号，可以通过一个系统来支持多种场景的使用（见图4）。

2.2 OV7670带FIFO模块

本模块是一款具有缓冲存储空间的一种模块，可以应对慢速的MCU，实现图像的采集控制功能，该模块特别反应灵敏，功能齐全，同样包括30W像素的CMOS图像感光芯片，板载CMOS芯片所需要的各种不同电源。并且了包含3.8mm焦距的镜头和镜头底座（见图5），板子同时可以引出数据管脚和控制管脚，便于用户的操作和使用。2.3 Arduino

图1 语音识别的基本原理

图2 机器人系统总体设计

图3 ASR Board语音识别模块

Arduino是一个开源电子原型平台（见图6），使用灵活便捷、便于学习。由于语音控制的可变形机器人由8个舵机组成，所需要的引脚过多，这里搭配拓展板使用。采用舵机控制板，可以节省引脚，减少线路中的飞线。性价比高，功能强大，满足机器人所需要的运算速度，含有大量的库，编写程序简单。

2.4 RB-150CS舵机

RB-150CS的扭矩非常大（见图7），可以满足机器人各种变形所需要的扭矩，并且可以进行360度连续旋转全金属齿伺服舵机，我们可以安装舵机配套的车轮，让舵机实现驱动车轮的功能，对于机器人有重要的作用，可以节省两个电机以及相应的驱动器，便于我们的安装使用。

2.5 语音识别机器人的程序设计

语音识别程序（见图8）包括训练的样本和识别。

图4 模块原理图

图5 摄像头模块

我们设计的语音控制的可变形机器人是基于遥控机器人的基础，来进行的改进，就相当于把遥控指令转化为语音指令，所以程序设计的主要任务就是完成语音的识别和转化。因为语音的样本是存在于内部RAM内，我们的机器人如果发生掉电，我们采集的数据将会丢失，所以我们在给机器人每一次上电复位的时候必须要进行重新的训练，来保证训练的准确性，我们这里的训练的过程是依靠调用库函数里面的BSR_Train来完成的，为了防止我们的续联出现错误的命令，每个语音命令训练3遍，并且3次命令相同时才可以成功，训练的结果可以在BSR_Train函数训练成功则可以继续进行下一条的训练，否则要继续进行多次训练。

3 创新点

本次设计的语音控制的可变形机器人可站立行走，而且可通过变换形态，变换成小车形态，从而很好的结合了双足机器人和小车的各方面优点，避免了单一形态的缺点和不足，达到互补和提高效率的作用。当形态为机器人的时候，可直立行走，做一些规定的动作，但适合小范围细致化活动，由于其移动缓慢，所以一旦需要快速移动到下一个指定位置的时候，需要花费的时间会很长。因此，将机器人变形为小车状态，小车的移动迅速，很好的避免了这个移动缓慢的问题，可以很快速的移动到指定位置，然后再变换为机器人形态，进行指定的操作，提高了效率。语音识别系统的使用，又让机器人得以实现语音操控，使人的控制更加敏捷，解放了双手去完成其他的事情。在控制学、仿生学、人类大脑工作原理等方面进行突破，语音控制的可变形机器人可以实现多种功能，现阶段可应用于智能家居领域，机器人搭载多种传感器，可以实现室内环境检测和数据的实时传输，也可以作为儿童的助教工具。

图6 Arduino

图7 RB-150CS舵机

图8 程序原理

4 结语

调试结果表明，所设计的语音控制的可变形机器人能够准确快速识别语音信号，并且可实现语音控制的可变形机器人变化为车形以后向各个方向的移动以及机械手的定点抓取等基本功能。功能一是车形模式，能在变形语音命令发送后迅速的由人形变化为车形，可以根据摄像头实现小车的全方位移动；功能二是人形模式，能在变形语音命令发送后迅速的由车形变化为人形，可以实现人形机器人的前进和后退，可以实现简单的机械手的动作要求。语音控制机器人的设计思路采用模块化搭配，便于加工速度快，便于维修机器人内部电路，更利于机器人硬件电路的升级。符合预期对语音命令实时性以及计划性的要求，工作稳定，性能良好。就总体效果而言，所设计的语音控制的可变形机器人存在以下两方面的问题：一方面是机器人语音识别问题，某些特定词语十分难识别，导致语音相近的命令可能执行错误，人与机器人的交流的体验感不够好，更换性能更好的语音识别模块可以解决这个问题；另一方面，机器人的机械结构设计不够合理，变化为人形时重心较高，左右移动容易摔倒，机械结构过于模仿人形，导致机器人的双手不能精确抓取，语音控制的可变形机器人这些不足之处将在往后的学习中加以改进和实现。