基于Gene8310的嵌入式家庭服務(wù)機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1  引言

家庭服務(wù)機(jī)器人是機(jī)器人的發(fā)展方向，是我國(guó)進(jìn)一步加強(qiáng)機(jī)器人技術(shù)研究的突破口。家庭服務(wù)機(jī)器人旨在將家庭成員從家居的繁瑣家務(wù)中解放出來(lái)，給家庭成員提供幫助、娛樂(lè)等。

本文介紹的家庭服務(wù)機(jī)器人如圖1所示。機(jī)器人身高140cm，行走驅(qū)動(dòng)方式采取輪式差動(dòng)驅(qū)動(dòng)。胳膊是模擬肩關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)的三自由度結(jié)構(gòu)，采用伺服電機(jī)作為關(guān)節(jié)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。機(jī)器人上面安裝了攝像頭、麥克風(fēng)接口、觸摸液晶屏、超聲波

傳感器?？梢耘c家庭成員完成人機(jī)交互，回答家庭成員的提問(wèn)問(wèn)題。

本文設(shè)計(jì)的家庭服務(wù)機(jī)器人是基于Gene8310的嵌入式設(shè)備，在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了自主移動(dòng)、動(dòng)作表演、人臉跟蹤、語(yǔ)音交互、遠(yuǎn)程遙控等功能，測(cè)試表明，本系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)定性、使用性和可操作性，可以實(shí)現(xiàn)家庭服務(wù)機(jī)器人的各項(xiàng)工作要求。

Gene8310是Intel推出的一款嵌入式設(shè)備，具有體積小巧，工作穩(wěn)定，可擴(kuò)展性強(qiáng)等特性，支持單5V供電工作。

Gene8310嵌入式主板尺寸長(zhǎng)146mm寬101.6mm，內(nèi)置Intel Celeron處理器主頻600MHz，最大可支持1GB的SODIMM內(nèi)存插槽，配有CF卡插槽，硬盤接口，PS2接口、4個(gè)USB2.0接口，2個(gè) RS232接口，音頻輸入輸出接口，可接CRT/LCD顯示器。

2  系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1  整體系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文系統(tǒng)設(shè)計(jì)如圖2所示。

針對(duì)家庭服務(wù)機(jī)器人的任務(wù)要求，將機(jī)器人控制系統(tǒng)分成以下模塊：嵌入式系統(tǒng)、攝像頭、揚(yáng)聲器、麥克風(fēng)、人臉跟蹤系統(tǒng)、語(yǔ)音識(shí)別系統(tǒng)、無(wú)線通訊系統(tǒng)等。嵌入式系統(tǒng)采用Gene8310微型主板作為硬件平臺(tái)，運(yùn)行Windows操作系統(tǒng)；人臉跟蹤系統(tǒng)、語(yǔ)音識(shí)別系統(tǒng)是運(yùn)行在Windows操作系統(tǒng)下面的基于VC的程序；無(wú)線通訊系統(tǒng)是基于Q2501B的GPRS通訊模塊；動(dòng)作控制是基于PIC16F877A的7自由度伺服電機(jī)的控制；行走控制是雙行走輪差動(dòng)控制的驅(qū)動(dòng)方式。

2.2  動(dòng)作控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

家庭服務(wù)機(jī)器人的動(dòng)作主要是讓機(jī)器人模擬人的手臂關(guān)節(jié)，以便機(jī)器人實(shí)現(xiàn)人的一些動(dòng)作，本論文設(shè)計(jì)的機(jī)器人手臂有三個(gè)自由度，分別模擬人體的肩關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)，可以實(shí)現(xiàn)抬臂、彎臂、擺臂等動(dòng)作，一個(gè)手臂三個(gè)自由度的組合，可以實(shí)現(xiàn)握手、揮手、招手等動(dòng)作，兩個(gè)手臂的組合又可以實(shí)現(xiàn)鼓掌、擁抱等人的基本動(dòng)作。

2.3  行走控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

家庭服務(wù)機(jī)器人行走控制系統(tǒng)采用的是雙行走輪差動(dòng)控制的驅(qū)動(dòng)方式，機(jī)器人的模型如圖3所示。這里我們假定機(jī)器人和地面之間是純滾動(dòng)的，行走輪只旋轉(zhuǎn)不打滑，得到運(yùn)動(dòng)學(xué)模型公式：

式中： (x, y)為機(jī)器人中心O點(diǎn)的參考坐標(biāo)；θ為機(jī)器人中心O點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)方向角；ν為機(jī)器人中心O點(diǎn)的速度；ω為機(jī)器人差動(dòng)轉(zhuǎn)向的角速度。

根據(jù)上述數(shù)學(xué)模型，結(jié)合機(jī)器人的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，把機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)化為與地面接觸的兩點(diǎn)運(yùn)動(dòng)，兩點(diǎn)的位置決定了機(jī)器人的位置，兩點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)決定了機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。圖3中XOY為全局坐標(biāo)系，xoy為機(jī)器人坐標(biāo)系，O為速度瞬心。

在此，把前進(jìn)的方向作為正方向，把后退的方向作為負(fù)方向，統(tǒng)一起來(lái)分析，設(shè)在某一時(shí)刻，左、右行走輪的速度為vL 、vR ，左、右行走輪角速度為ωL、ωR ，在很短的時(shí)間間隔Δt 內(nèi)，機(jī)器人的方向和線速度可以近似認(rèn)為不改變。兩行走輪與地面接觸點(diǎn)之間的距離（即機(jī)器人兩行走輪的跨距）為l。

在行走過(guò)程中，主控制系統(tǒng)把規(guī)劃好的路徑轉(zhuǎn)變成隨時(shí)間變化的兩個(gè)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)輪的角速度的控制，通過(guò)驅(qū)動(dòng)器和電動(dòng)機(jī)，分別去驅(qū)動(dòng)兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪，兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪的角速度都要根據(jù)規(guī)劃路徑的變化而變化。當(dāng)家庭成員發(fā)出指令讓機(jī)器人去指定地點(diǎn)的時(shí)候，機(jī)器人根據(jù)事先規(guī)劃好的路徑自主到達(dá)指定的目的地。

3  無(wú)線通訊

家庭服務(wù)機(jī)器人的無(wú)線通訊指的是人與機(jī)器人的遠(yuǎn)程通訊，最好利用現(xiàn)有的家庭成員的物件稍加改進(jìn)皆可以實(shí)現(xiàn)對(duì)服務(wù)機(jī)器人的操作。本設(shè)計(jì)基于當(dāng)前比較普及的手機(jī)短信來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人的遠(yuǎn)程通訊，在機(jī)器人控制系統(tǒng)上加一個(gè)手機(jī)模塊，然后通過(guò)家庭成員的手機(jī)發(fā)短信來(lái)控制機(jī)器人。

本設(shè)計(jì)采用的GPRS模塊為wavecom公司的Q2501B，可以快速、安全、可靠的實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信、語(yǔ)音傳輸、短消息服務(wù)，擁有Open AT指令接口，支持文本和PDU模式的短消息，可以方便的通過(guò)串口發(fā)送AT指令來(lái)操作，值得一提的是，Q2501B模塊內(nèi)部還集成了一個(gè)GPS模塊，定位精度3m?？梢苑奖愕膶C(jī)器人的位置信息通過(guò)短消息傳送給終端。

機(jī)器人的遠(yuǎn)程遙控主要是通過(guò)手機(jī)短信的方式實(shí)現(xiàn)的，在外的家庭成員通過(guò)自己的手機(jī)給智能家庭服務(wù)機(jī)器人發(fā)送控制指令，機(jī)器人收到控制指令執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作，如圖4所示。

4  人機(jī)交互

家庭服務(wù)機(jī)器人的人機(jī)交互包括家庭成員對(duì)機(jī)器人的命令以及機(jī)器人對(duì)家庭成員的反饋。本設(shè)計(jì)中的是實(shí)現(xiàn)人與機(jī)器人的語(yǔ)音交互。

本設(shè)計(jì)中家庭服務(wù)機(jī)器人可以完成人臉的識(shí)別，跟蹤，將人臉用紅色矩形框標(biāo)示出來(lái)。如圖5所示。

4.1  人臉檢測(cè)

本設(shè)計(jì)采用人臉膚色模型結(jié)合相似度以及人臉輪廓來(lái)檢測(cè)和定位人臉。在YCbCr 色彩空間（其中Y 表示亮度, Cb 表示飽和度，Cr 表示色調(diào)）中Y 值不同的地方，CbCr 子平面中膚色聚類區(qū)域是不同的，膚色聚類區(qū)域隨Y 變化而呈現(xiàn)出非線性變化?？紤]Y 值的影響，對(duì)YCbCr 色彩格式進(jìn)行非線性分段色彩變換，再將變換后的圖形投影到Cb-Cr二維子空間就可以得到實(shí)用的人臉膚色聚類模型。根據(jù)該模型，可采用基于相似度的方法來(lái)檢測(cè)人臉。為了消除亮度對(duì)人臉膚色的影響，定義r=R/(R+G+B)，b=B/(R+G+B)，把三維基色空間降解成二維的半基色空間，然后用基于頻域的同態(tài)濾波法對(duì)圖像進(jìn)行光照補(bǔ)償處理。這樣就能大大地提高人臉檢測(cè)的準(zhǔn)確率。

4.2  語(yǔ)音識(shí)別

本設(shè)計(jì)采用的語(yǔ)音識(shí)別引擎是基于漢語(yǔ)語(yǔ)義識(shí)別的語(yǔ)音識(shí)別系統(tǒng)，其對(duì)于漢字的識(shí)別有2000個(gè)漢字，可以滿足家居生活對(duì)話的基本需求，當(dāng)前機(jī)器人與人的對(duì)話可以實(shí)現(xiàn)生活常識(shí)、旅游常識(shí)、腦筋急轉(zhuǎn)彎、背詩(shī)、聊天等功能，給家庭成員提供娛樂(lè)、教育、幫助等功能。

4.3  運(yùn)動(dòng)響應(yīng)

機(jī)器人對(duì)人的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)主要指得是機(jī)器人對(duì)人發(fā)出的運(yùn)動(dòng)指令的相應(yīng)，在本設(shè)計(jì)當(dāng)中，機(jī)器人可以相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)指令有：前進(jìn)、后退、左傳、右轉(zhuǎn)、搖頭、請(qǐng)、招手、擺手、擺臂、揮手、鼓掌、握手、擁抱、再見等。機(jī)器人動(dòng)作相應(yīng)的過(guò)程如下圖所示。

家庭成員通過(guò)麥克風(fēng)向服務(wù)機(jī)器人發(fā)運(yùn)動(dòng)要求，語(yǔ)音識(shí)別引擎啟動(dòng)，將識(shí)別出來(lái)的語(yǔ)義與數(shù)據(jù)庫(kù)匹配，取得動(dòng)作指令碼，然后將動(dòng)作指令碼通過(guò)串口發(fā)送到控制模塊，機(jī)器人執(zhí)行機(jī)構(gòu)執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作。

5  結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了基于Gene8310微型主板的智能家庭服務(wù)機(jī)器人系統(tǒng)，本智能家庭服務(wù)機(jī)器人實(shí)現(xiàn)了人臉跟蹤、語(yǔ)音識(shí)別、自主移動(dòng)、動(dòng)作響應(yīng)、遠(yuǎn)程遙控等功能。其中自主移動(dòng)采用的是雙行走輪差動(dòng)控制的驅(qū)動(dòng)方式，很好的滿足了室內(nèi)全方位移動(dòng)的特性；遠(yuǎn)程遙控采用的是基于Q2501B的GPRS網(wǎng)絡(luò)，成本低，無(wú)距離限制，受環(huán)境影響較小，可以充分利用無(wú)線共網(wǎng)的其他優(yōu)點(diǎn)，由于受到現(xiàn)有無(wú)線通信公網(wǎng)帶寬的限制，其視頻傳輸?shù)奶攸c(diǎn)較弱，隨著3G技術(shù)的發(fā)展，高帶寬將豐富機(jī)器人遠(yuǎn)程遙控的多媒體交互信息，家庭成員可以遠(yuǎn)程視頻家居內(nèi)部的情況；人臉跟蹤是基于膚色模型和人臉輪廓理論實(shí)現(xiàn)人臉識(shí)別跟蹤，模型有較好的實(shí)時(shí)性和魯棒性；語(yǔ)音識(shí)別采用的是基于模式識(shí)別的語(yǔ)音識(shí)別引擎，在特定數(shù)據(jù)庫(kù)里面可以達(dá)到很好的識(shí)別效果，下一步研究將機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)加進(jìn)來(lái)，可以讓機(jī)器人在特定家居環(huán)境下完成技能學(xué)習(xí)。經(jīng)測(cè)試，機(jī)器人可以完成預(yù)定家庭服務(wù)機(jī)器人的各項(xiàng)基本功能。

參考文獻(xiàn)
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