基于語(yǔ)音識(shí)別的17自由度雙足救援機(jī)器人設(shè)計(jì)

何琦　齊利軍　馬云吉

摘要：為了降低災(zāi)害發(fā)生時(shí)救援過(guò)程中的不必要的人員損傷，利用機(jī)器人的安全可替代性來(lái)輔助人工救援，摒棄日常簡(jiǎn)單遙控器的控制方案，使用當(dāng)前主流的AI技術(shù)中的語(yǔ)音識(shí)別功能實(shí)現(xiàn)控制機(jī)器人的目的，控制程序中大量使用算法以提高運(yùn)算效率。整套系統(tǒng)方案分割成兩部分：控制機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的控制系統(tǒng)以及實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音采集識(shí)別的語(yǔ)音識(shí)別系統(tǒng)，通過(guò)兩子系統(tǒng)的遠(yuǎn)程無(wú)線的信息交互實(shí)現(xiàn)整個(gè)控制體系。硬件方案也采用了供電充足穩(wěn)定的設(shè)計(jì)，使得機(jī)器人運(yùn)行起來(lái)更加的流暢穩(wěn)定。

關(guān)鍵詞：雙足機(jī)器人；非特定語(yǔ)音識(shí)別；PWM；多層封裝；舵機(jī)

中圖分類(lèi)號(hào)： 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： 文章編號(hào)：

引言

科技高速發(fā)展的今天任然無(wú)法避免自然災(zāi)害的發(fā)生，例如抗震救災(zāi)過(guò)程中也存在諸多問(wèn)題，人工直接參與的難度系數(shù)大。因而需要利用機(jī)器人的可控制低成本的優(yōu)勢(shì)，可降低救災(zāi)過(guò)程中的危險(xiǎn)性。雙足機(jī)器人用來(lái)參加救援活動(dòng)再適合不過(guò)了。雙足機(jī)器人因其不需要大量的數(shù)據(jù)計(jì)算故可采用單片機(jī)等微處理器控制。執(zhí)行命令傳輸方面：大多數(shù)的遙控車(chē)、遙控飛機(jī)等都是使用遙控器控制的，但救援的雙足機(jī)器人能執(zhí)行的功能多，如用遙控器方式給其下達(dá)指令，控制就會(huì)顯的繁瑣，效率也大打折扣。

一、系統(tǒng)功能與結(jié)構(gòu)

整個(gè)機(jī)器人系統(tǒng)大體分為兩個(gè)部分，硬件結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)程序。使用最主流的語(yǔ)音識(shí)別技術(shù)來(lái)控制機(jī)器人。操作者通過(guò)手頭的頭戴語(yǔ)音識(shí)別控制設(shè)備來(lái)下達(dá)指令，頭戴語(yǔ)音識(shí)別控制設(shè)備采集到的音頻信息處理成機(jī)器人能夠識(shí)別的命令，并通過(guò)2.4G無(wú)線芯片發(fā)送給機(jī)器人的核心控制板。當(dāng)機(jī)器人身上的核心控制板接收到遠(yuǎn)端語(yǔ)音解析完后的命令，機(jī)會(huì)根據(jù)命令來(lái)完成特定的動(dòng)作。機(jī)器人的供電系統(tǒng)是使用高倍率的航模電池，以確保機(jī)器人能夠穩(wěn)定得工作。

二、系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)總共包括五個(gè)部分：外觀結(jié)構(gòu)、控制電路、動(dòng)力支持。外觀結(jié)構(gòu)采用的是鎂鋁合金為材料仿人型的設(shè)計(jì)，17顆數(shù)字舵機(jī)作為活動(dòng)關(guān)節(jié)?？刂齐娐肥褂肧tm32芯片作為主控，通過(guò)產(chǎn)生PWM信號(hào)來(lái)控制機(jī)器人的舵機(jī)，使用STC11來(lái)讀取LD3320芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音識(shí)別。動(dòng)力方面使用高倍率的航模電池。

（一）外觀結(jié)構(gòu)

由于機(jī)器人是用來(lái)救援的，所以結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性顯得尤為重要。首先的問(wèn)題就是肢體材料的選擇，這里使用的是鋁合金里硬度較大的鎂鋁合金，鎂鋁合金具有重量輕、硬度高等特點(diǎn)。其次，機(jī)器人應(yīng)具有多個(gè)可活動(dòng)的關(guān)節(jié)，市面上的直線電機(jī)、直流電機(jī)、舵機(jī)等等，都能作為機(jī)器人的關(guān)節(jié)使用。為了控制的穩(wěn)定性和優(yōu)質(zhì)性，采用17個(gè)數(shù)字舵機(jī)來(lái)充當(dāng)機(jī)器人的17個(gè)關(guān)節(jié)。

（二）控制電路

STM32是一類(lèi)性?xún)r(jià)比高且穩(wěn)定的芯片。雙足機(jī)器人核心控制板上使用STM32F103RCT6產(chǎn)生17路PWM來(lái)控制17路舵機(jī)，并實(shí)時(shí)讀取2.4G無(wú)線模塊接收到的信息。頭帶語(yǔ)音識(shí)別設(shè)備使用的是STC11L08XE為主控制芯片，使用LD330語(yǔ)音識(shí)別芯片來(lái)完成音頻的采集、匹配和識(shí)別，STC11L08XE讀取到識(shí)別結(jié)果后將會(huì)交由2.4G無(wú)線模塊，發(fā)送給雙足機(jī)器人核心控制板。

（三）動(dòng)力支持

整個(gè)系統(tǒng)供電將影響電路的穩(wěn)定性，而整個(gè)系統(tǒng)時(shí)候能夠良好的運(yùn)行關(guān)鍵之處就應(yīng)保證電路的穩(wěn)定性。由于機(jī)器人采用的是17個(gè)數(shù)字舵機(jī)同時(shí)運(yùn)行，需要長(zhǎng)時(shí)間的大電流供給，而舵機(jī)再工作的時(shí)，如果供電不足將容易使系統(tǒng)錯(cuò)亂，帶來(lái)十分嚴(yán)重的后果。由此可見(jiàn)供電尤為重要。這里采用的是高倍率的航模電池作為機(jī)器人的動(dòng)力。為了隔離舵機(jī)全速運(yùn)行使產(chǎn)生的反饋電流，加入了25A的整流橋。

三、控制系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)主要包括兩個(gè)部分：17自由度機(jī)器人的核心控制程序和頭戴設(shè)備的控制程序。機(jī)器人核心控制程序一部分產(chǎn)生17路pwm信號(hào)，另一部分為無(wú)線接收處理程序。頭戴設(shè)備程序包括控制LD3320語(yǔ)音識(shí)別和無(wú)線芯片發(fā)送數(shù)據(jù)程序。

（一）機(jī)器人控制核心程序

程序中運(yùn)用了一系列的設(shè)計(jì)模式的思想，比如適配器模式，還有大量的分布思想多層封裝來(lái)簡(jiǎn)化后期程序的調(diào)試。編寫(xiě)void upData（）函數(shù)將系統(tǒng)中的17路舵機(jī)的pwm變量值更新輸出，為了后續(xù)能夠便捷的調(diào)整動(dòng)作，專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)了一個(gè)特定的數(shù)組格式使用名為doAction（）函數(shù)來(lái)調(diào)用執(zhí)行。使用累加算法對(duì)動(dòng)作進(jìn)行減速控制。

（二）頭戴設(shè)備語(yǔ)音識(shí)別程序

首先程序的初始化過(guò)程LD_Reset（）中將會(huì)對(duì)LD3320芯片進(jìn)行初始化設(shè)定，例如降噪、增益、識(shí)別度等等。接著就啟動(dòng)一次ASR識(shí)別流程，將所需要的識(shí)別拼音和對(duì)應(yīng)的識(shí)別返回號(hào)送入芯片的緩沖區(qū)，設(shè)置外部中斷來(lái)判斷識(shí)別完成與否。識(shí)別成功后獲取返回來(lái)的識(shí)別號(hào)，通過(guò)比對(duì)程序設(shè)計(jì)的識(shí)別號(hào)得到識(shí)別的內(nèi)容。隨后就不斷循環(huán)ASR識(shí)別流程。

四、結(jié)束語(yǔ)

以STM32與STC11兩種作為控制核心，使用無(wú)線模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，運(yùn)用現(xiàn)今比較火爆的語(yǔ)音識(shí)別方式來(lái)對(duì)機(jī)器人進(jìn)行控制，語(yǔ)音識(shí)別的過(guò)程中參考了現(xiàn)有產(chǎn)品的設(shè)計(jì)方式添加了識(shí)別的喚醒詞，但現(xiàn)有的方案中每次指令都需要重復(fù)喚醒詞，控制效率低下，使用喚醒詞激活的方案來(lái)解決問(wèn)題。通過(guò)軟件減速的方案來(lái)解決機(jī)器人應(yīng)響應(yīng)速度過(guò)快而導(dǎo)致難以平衡的問(wèn)題。使用穿透力較為強(qiáng)勁的2.4G頻率的無(wú)線信號(hào)傳輸信息，實(shí)現(xiàn)了超遠(yuǎn)程控制。

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由遼寧科技大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃專(zhuān)項(xiàng)經(jīng)費(fèi)資助

項(xiàng)目編號(hào)：201710146000139

作者簡(jiǎn)介：何琦（1997.02.24），本科，研究領(lǐng)域?yàn)榍度胧剑瑥?fù)雜大系統(tǒng)研究。齊利軍（1996.07.31），本科，研究領(lǐng)域?yàn)榍度胧?，馬云吉（1970.10.12），副教授，研究領(lǐng)域?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)安全。