智能伴老机器人控制系统设计

郁李鑫 朱妍

摘要：现代社会面临着全球性人口老龄化问题，智能伴老机器人作为一种新型辅助生活机器人，可为老年人提供多样化服务。文章设计了基于51单片机的智能伴老机器人控制系统。在硬件设计上，采用TCRT5000传感器实现红外避障，采用SU-03T离线语音识别模组和DY-SV17F智能语音模块相结合实现与使用者的语音交互，采用MQ5可燃气传感器和蜂鸣器组合成可燃气报警器，将MX1508型号双路有刷直流马达驱动电路作为小车的动力驱动，利用TP4056型号单节锂离子电池给系统进行供电。该款智能伴老机器人具有精度高、易操作、外形轻巧、音量大等特点，贴合目标群体的使用习惯。

关键词：智能伴老机器人；51单片机；红外线避障；可燃气传感器；语音识别

中图分类号：TP23  文献标志码：A

0 引言

随着全球老龄化进程的加速，老年人的生活和健康状况已成为一个全球性的问题。智能伴老机器人为解决老年人生活中的各种问题提供了一种新的思路和手段。在此背景下，研究智能伴老机器人具有提高老年人生活质量、推动产业发展、推进老龄化社会建设等意义。

本文旨在提供一种合理的智能伴老机器人控制系统，系统设计的过程中充分发挥51单片机灵活性、兼容性强、体积小、能耗低的特点。

1 国内外的发展概况

1. 1 国内发展概况

国内智能伴老机器人的发展前景非常广阔，随着老龄化趋势加剧、家庭结构单核化等，老年人需要得到更多的关注和照顾。目前，国内智能伴老机器人的应用已经涵盖了医疗机构、养老机构、居家护理等多个领域。

目前，一些中国的科技公司和机器人企业已经开始研发智能伴老机器人，并逐步投入市场应用。UBTECH是一家总部位于深圳的人工智能和机器人公司，致力于研发和生产各类机器人产品，其中包括智能伴老机器人。其智能伴老機器人可以提供健康监测、语音交互、情感陪伴、生活照料等服务；达闼科技是一家总部位于杭州的人工智能和机器人企业，其智能伴老机器人可以通过图像识别、语音识别、姿态感知等技术，为老年人提供陪伴、娱乐、健康监测等服务。其产品已经在多个养老机构和医疗机构得到应用。

然而，国内智能伴老机器人的市场份额还比较小，主要原因是机器人技术的发展还比较新，市场需求和技术瓶颈等问题还需要不断地解决。此外，由于智能伴老机器人涉及老年人的隐私和安全等问题，还需要政府和监管机构的支持和规范。

随着中国老龄化的加剧，智能伴老机器人将逐渐成为老年人关注的热门话题，也将成为未来中国机器人产业发展的重要方向之一。

1.2 国外发展概况

智能伴老机器人作为一种新兴的人工智能应用，在世界范围内得到了越来越多的关注和研究。

日本是全球老龄化最为严重的国家之一，也是重点研发智能伴老机器人的国家之一。例如，日本的索尼公司就推出了一款名为“Aibo”的智能伴老机器人，可以通过人脸识别、语音识别等技术与老年人进行交互和陪伴。美国也是研发生产智能伴老机器人的重要国家之一。例如，美国的RoboKind公司推出了一款名为“Milo”的机器人，可以通过视觉识别和语音识别技术与老年人进行互动，帮助老年人提高社交能力和语言表达能力。智能伴老机器人在全球范围内得到了越来越多的研究和应用，不同国家和地区的企业和机构都在探索如何利用人工智能技术，为老年人提供更好的生活服务。

2 系统论证方案与设计

2.1 总体方案设计

本系统主要由红外避障模块、语音播报模块、语音识别模块、烟雾报警模块、按键模块等组成。

2.2 红外避障模块

机器人系统作为一个需要可以自主移动的系统，整体将搭载在一个小车状的模型上，因此，避障模块是模型中的核心模块之一。红外避障模块的工作原理是发光管发出红外光，光敏接收管接收前方物体反射光，据此判断前方是否有障碍物。根据反射光的强弱可以判断物体的距离，它的原理是接收管接收的光强弱随反射物体距离的变化而变化，距离近则反射光强，距离远则反射光弱［1］。

本文采用红外反射传感器作为避障模块的核心元器件，结合单片机进行控制。红外传感器避障模块具有成本低、体积小、灵敏度高等优点，还可以通过转动其上方的电位器来调节检测范围，符合预期要求。

在硬件设计方面，红外避障模块通过在模型前端布置一个红外反射传感器，让模型能够识别到前进路线上的障碍。红外反射传感器模块包括一个红外发射管和一个光敏二极管，通过发射红外线并接收反射光信号，判断模型当前位置是否可以行进，从而调整模型的运动方向。另外，在模型上设置一个按键，按下按键，模型开始行动，再次按下则停止。在软件设计方面，本设计采用if函数对机器人模型的前进、后退、转弯、刹车等进行控制。

2.3 语音播报模块与语音识别模块

为了满足智能伴老机器人的语音提示和交互功能，需要设计一个语音播报模块。

（1）方案一。

该模块可以通过与主控板的串口通信实现语音的输入和输出，通过语音合成芯片将文字转化为语音，并通过扬声器播放出来。

模块硬件设计：该模块主要由语音合成芯片、串口通信模块和扬声器3部分组成。

语音合成芯片：该模块选用成本较低且功能较为完善的语音合成芯片，如DFRobot的DFPlayer Mini或是AI芯片，如讯飞等。

串口通信模块：该模块选用常用的串口通信模块，如HC-05或ESP8266等，与主控板进行串口通信。

扬声器：该模块选用带有放大器功能的小型扬声器，通过语音合成芯片进行播放。

模块软件设计：该模块的软件设计主要包括语音合成程序和串口通信程序。

语音合成程序：开发者在主控板上编写语音合成程序，通过串口接收文字信息，将其转换为语音播放出来。语音合成程序可以使用开源的语音合成库或是自行编写。

串口通信程序：开发者在主控板上编写串口通信程序，通过与语音播报模块进行串口通信实现语音输入和输出。串口通信程序可以使用Arduino的Serial库或是自行编写。

（2）方案二。

其他部件与方案一相同，区别在于将语音识别直接和语音播报相连，不经过单片机，直接把语音识别的输出接在语音播报上。

在数字电路中，逻辑电平是用来表示数字信号的一种方式。在通信过程中，发送方通过改变数字信号的逻辑电平来传输数据。接收方通过对数字信号的逻辑电平进行解码来还原原始数据。

如果发送方和接收方采用相同的数字编码格式，并且使用相同的逻辑电平来表示不同的数字位，则接收方可以正确地解码数据，并还原原始的数据信息。因此，只要发送方和接收方之间存在着相同的逻辑电平，就可以进行通信。在该系统中，语音识别和语音播报都是3.3 V的逻辑电平，两者正好可以通信，而单片机是5 V的逻辑电平，需要串口通信模块才能实现。

相较于方案一，方案二具有更便捷、易操作的特点，本文最终采用方案二。在内容方面包含呼叫名字唤醒以及歌曲/喜剧/小说播放功能。通过该语音播报模块的设计，机器人可以实现语音提示和交互功能，为用户提供更加智能化的使用体验。

2.4 可燃气报警模块

为了增强智能伴老机器人的安全性能，系统需要设计一个可燃气报警模块，用于检测机器人所在环境中是否存在可燃气体，并及时发出警报提示。

硬件设计：该模块主要由可燃气体传感器、报警器和单片机3部分组成。

可燃气体传感器：该模块采用灵敏度较高的MQ-5可燃气体传感器，可以快速检测到环境中的可燃气体。

报警器：该模块采用高亮度LED与蜂鸣器作为报警器。

通过该可燃气体报警模块可以提高伴老机器人的安全性能，机器人可及时检测出环境中的可燃气体并发出警报提示，为用户提供更加安全、放心的使用體验。

2.5 系统方案框架

基于以上方案论证，本系统最终由按键模块、红外循迹模块、语音识别、播报模块以及可燃气传感、报警模块组成。在系统中，机器人可以实现自主避障、检测室内环境中的可燃气体并报警，识别语音并作出相应的语音答复或者程序反应。系统原理如图1所示。

3 系统硬件设计

3.1 驱动马达设计

本系统采用的是MX1508双路有刷直流马达驱动电路，该型号电路采用的是H桥电路结构设计，其高可靠性功率管工艺马达特别适合驱动线圈、马达等感性负载。电路内部集成N沟道和P沟道功率MOSFET，工作电压范围覆盖2～9.6 V。在27 ℃、VDD为6.5 V时，两个通道同时工作的条件下，2通道最大持续输出电流达到0.8 A，最大峰值输出电流达到1.5 A［2］；1通道最大持续输出电流达到1.5 A，最大峰值输出电流达到2.5 A。

该电机驱动电路为具备一定内阻的功率器件，电路的发热与负载电流、功率管导通内阻以及环境温度密切相关。电路设计包含芯片级温度检测电路，可以实时监控芯片内部发热。当芯片内部温度超过设定值150 ℃时，功率管就会产生关断信号，关闭负载电流，避免因异常使用导致的温度持续升高，进而造成塑料封装冒烟、起火等严重安全事故，非常契合以安全性为重要因素的伴老机器人系统。另外，芯片内置的温度迟滞电路将确保电路恢复到安全温度后，才允许重新对功率管进行控制。电动机驱动电路如图2所示。

3.2 红外线避障设计

系统选用的TCRT5000模块具有紧凑的结构，模块使用排列在同一侧的发射光源和检测器。其中，发射光源使用来自物体反射的波长为950 mm的红外光束检测物体的存在，而检测器由光电晶体管组成。

接好VCC（3.3～5 V）和GND接口后，模块电源指示灯亮起。对于TCRT5000传感器的红外发射二极管，当发射出的红外线没有被反射回来或被反射回来但强度不够大时，红外接收管一直处于关断状态，此时模块的输出端为高电平，指示二极管一直处于熄灭状态；当被检测物体出现在检测范围内时就会把红外线反射回来且强度足够大，红外接收管饱和，此时模块的输出端为低电平，指示二极管被点亮［3］。

DO输出接口可以与单片机IO口直接相连。模拟输出AO，当发射管的红外信号经反射被接收管接收后，接收管的电阻会发生变化，在电路上一般以电压变化的形式体现出来，经过转换或LM324等电路整形后得到输出结果。电阻的变化取决于接收管所接收的红外信号强度，常表现在反射面的颜色（反射率）、形状和反射面接收管的距离等方面。

另外，红外传感的灵敏度也可以自行调整，使模型根据需求在某一特定距离发挥避障功能。该红外传感器自带检测距离调节器，使用者需要改变灵敏度时，只需要操作调节器的旋钮。该调节器可以调节传感器的检测距离，对于白色的物体，反射的最远距离最大；黑色物体，反射的最远距离最小。面积大的物体所能探测的距离大；面积小的物体所能探测的距离小。红外传感器最短检测距离为2 cm，最长检测距离可以达到20 cm，工作电压较低，同时可以检测偏移角为40°的物体。当传感器模块检测到障碍物或者有物  体靠近时，其模块的绿色灯会亮起，同时OUT引脚会变低电平。模块是非接触式传感器，具有响应快、精度高等特点。避障传感器模块电路如图3所示，按键电路如图4所示。

3.3 语音交流设计

SU-03T 是一款低成本、低功耗、小体积的离线语音识别模组，32 bit RISC内核，运行频率240 M；支持DSP指令集以及FPU浮点运算单元，内置5 V转3.3 V。语音识别模块电路如图5所示。

DY-SV17F是一款智能语音模块，集成IO分段触发、UART串口控制、ONE_line单总线串口控制、标准MP3等7种工作模式；板载5 WD类功放，可直接驱动4 Ω、3～5 W的喇叭；支持 MP3、WAV解码格式，板载32Mbit（4MByte）flash存储，可通过USB数据线连接电脑更新音频文件［4］。语言识别模块实物与电路如图6与图7所示。

语音识别和语音播报都是3.3 V的逻辑电平，两者正好可以通信。电平转换电路如图8所示。

电平触发模式（电平不释放）：触发指定曲目，循环播放指定曲目，直至电平释放；播放中途释放电平，即刻停止播放；若有其他电平触发，则播放新曲目，有新的组合或按键播放新曲目。

3.4 可燃气报警设计

MQ-5气体传感器可检测多种可燃性气体，特别是液化气（即丙烷），对丁烷、丙烷、甲烷等可燃性气体灵敏度高，是一款适合于多种应用场景的气体传感器。它在较宽的浓度范围内对可燃气体（特别是丙烷）均有良好的灵敏度，具有寿命长、成本低、电路原理简单等优点［5］。

MQ-5气体传感器所使用的气敏材料是在清洁空气中电导率较低的二氧化锡（SnO2）。当传感器所处环境中存在可燃气体时，传感器的电导率随空气中可燃气体浓度的增加而增大。使用简单的电路即可将电导率的变化转换为与该气体浓度相对应的输出信号［6］。单片机采集到数字信号后进行内部数据处

理，如可燃气体浓度达到报警器设置的临界点时，单片机将给蜂鸣器下达指令发出报警信号，使用者可以尽早感知到危险，避免酿成悲剧。实物与电路如图9与图10所示。

3.5 电池部分设计

TP4056是一款完整的单节锂离子电池，采用恒定电流、恒定电压的线性充电器。SOP8/MSOP8封装底部带有散热片，加上较少的外部元件数目［7］，使得TP4056可以适用于USB电源和适配器电源，成为便携式应用的理想选择。因为采用了内部PMOSFET架构，加上防倒充电路，所以不需要增设外部隔离二极管。

热反馈可对充电电流进行自动调节，以便在大功率操作或高温环境条件下对芯片温度加以限制。充电电压固定为4.2 V，而充电电流可通过一个电阻器进行外部设置。在达到最终浮充电压之后，充电电流降至设定值的1/10时，TP4056将自动终止充电循环。

当输入电压（交流适配器或USB电源）被去掉时，TP4056自动进入一个低电流状态，将电池漏电流降至2 μA以下。TP4056在有电源时也可置于停机模式，进而将供电电流降至55 μA。TP4056的其他特点包括电池温度检测、欠压闭锁、自动再充电，还包含2个用于指示充电或充电结束的LED状态引脚［8］。电池电路如图11所示。

图11 电池电路

4 系统软件设计

4.1 马达驱动设计

在本系统中，模型的行动全部依赖于马达驱动，因此，此模块是相当重要的部分。马达驱动的工作流程大致为：在机器人工作开启后驱动初始化，检测到按键的按下状态则开始行动，再次按下则停止行动。

4.2 红外避障设计

红外避障模块是在马达驱动的基础上增加了红外感应的功能。首先對模块初始化，接着由传感模块的红外发射二极管不断发射红外线，当发射的红外线没有被反射回来或者被反射回来但强度不够大时，光敏电三极管一直处于关断的状态，此时模块的输出端为低电平，指示二极管一直处于熄灭状态，同时，模型也会一直匀速前进；直到在检测范围内检测到物体，二极管发出的红外线被反射回来且强度够大，光敏三极管达到饱和，此时模块输出端为高电平，指示二极管被点亮［9］，同时给模型下达指令，命令模型后退一段距离并转向继续移动。

4.3 可燃气报警

MQ5可燃气报警模块的工作原理相对其他几个模块比较简单，在系统开机初始化后即开始自动检测空气中是否有可燃气体，如果检测到有，则转化为电信号告知主控制器，同时打开应急灯和蜂鸣器进行报警处理，直到按下复位键后停止报警。

4.4 语音识别播报

语音互动部分的代码文件使用智能公元协助生成。首先对系统需要实现的功能进行分析。前端信号处理方面选择单MIC以及远场识别，因为模型本身并无严重噪声所以无需选择稳态降噪。

然后由开发者配置唤醒词和命令词。因为该系统主要是针对老年人用户设计的，所以系统添加了一些戏曲及小说的播报等额外功能。语音控制内容的关键词、PIN脚配置与电平情况如表1所示。

系统收到对应指令后语音回复情况如表2所示。

系统添加机器人唤醒以及关闭的控制行为，占空比均设为0。

系统在完成开关机控制行为的添加之后，挑选戏曲及小说的音频。戏曲选用了经典戏曲串烧，小说选用了《红楼梦》的有声书节选。系统还添加了小说和戏剧音乐的音频，生成代码和烧录文件。

5 结语

本设计采用STC89C52RC作为主控芯片，在硬件设计上，采用TCRT5000传感器实现机器人的红外避障；采用SU-03T离线语音识别模组和DY-SV17F智能语音模块相结合实现机器人与使用者的语音交互，提供了更加智能且人性化的使用体验；采用MQ5可燃气传感器和蜂鸣器组合成可燃气报警器，提高居住安全性；采用MX1508型号双路有刷直流电动机驱动电路作为小车的动力驱动，采用TP4056型号单节锂离子电池为系统供电。本文所述智能伴老机器人具有精度高、易操作、外形轻巧、音量大等特点，贴合目标群体的使用习惯。智能伴老机器人的出现，为解决老年人生活中的各种问题提供了一种新的思路和  手段。

参考文献

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（编辑 何 琳编辑）

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