基于語音識(shí)別的雙足機(jī)器人行走控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

引 言

科學(xué)技術(shù)的發(fā)展日新月異，近百年來發(fā)展起來的機(jī)器人如今已風(fēng)靡全球，并滲透到各行各業(yè)，時(shí)刻影響著我們的生活。機(jī)器人由于具有良好的市場(chǎng)發(fā)展前景和重大的科學(xué)研究利用價(jià)值，使得全世界的國家都在這一熱門領(lǐng)域中投入了大量的人力、物力以及財(cái)力。我國作為世界上第一大機(jī)器人消費(fèi)市場(chǎng)，對(duì)這一智能化領(lǐng)域十分重視。我國正制定機(jī)器人產(chǎn)業(yè)“十三五”發(fā)展規(guī)劃，推進(jìn)全國機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展。

雙足機(jī)器人是機(jī)器人研究中的一個(gè)熱門方向。它模仿人類的行走方式，通過對(duì)自身的雙腳進(jìn)行類似運(yùn)動(dòng)從而達(dá)到行走的目的。在近十年的發(fā)展過程中，雙足機(jī)器人的研究發(fā)展迅猛，如 2015 年的全國機(jī)器人大會(huì)上那些能獨(dú)立行走、與人交談的各類機(jī)器人 ；日本軟銀大會(huì)上與人互動(dòng)的“Pepper”機(jī)器人等。這些機(jī)器人都標(biāo)志著人們對(duì)機(jī)器人的無限熱情與期待， 智能化時(shí)代已經(jīng)到來，人類的明天會(huì)更加美好。

本文主要針對(duì)雙足機(jī)器人行走控制進(jìn)行了分析與研究， 以STM32 控制器為核心，采用三軸加速度傳感器檢測(cè)行走過程的質(zhì)心軌跡信息，通過信息反饋及時(shí)矯正行走姿態(tài) ；結(jié)合語音傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)特定語音的識(shí)別，從而控制雙足機(jī)器人實(shí)現(xiàn)多種運(yùn)行狀態(tài) ；多傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)的應(yīng)用，提高了整個(gè)系統(tǒng)的可靠性，保證了雙足機(jī)器人平穩(wěn)的運(yùn)行姿態(tài)。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

由于人們?nèi)缃竦纳钏胶退枷刖辰缍荚诓粩嗵岣?，這使得事物的可視化、直觀展現(xiàn)成為必要。因此，通過傳感器完成數(shù)據(jù)采集，經(jīng)各模塊互相通信，由微處理器進(jìn)行處理，以視覺的形式展現(xiàn)某些結(jié)果，最終形成人機(jī)交互便成為研究設(shè)計(jì)的一大趨勢(shì)。

本文控制系統(tǒng)主要由核心控制器 STM32 模塊、傳感器（加速度傳感器和語音傳感器）、信號(hào)采集模塊、舵機(jī)控制器以及液晶顯示組成。利用STM32 自帶的兩個(gè)串口功能分別與語音傳感器和舵機(jī)控制器通信，實(shí)現(xiàn)語音識(shí)別及舵機(jī)控制等功能。通過其自帶的ADC 轉(zhuǎn)換模塊對(duì)三軸加速度傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、分析與處理，將其質(zhì)心軌跡以圖形化的形式顯示到LCD上，并將相應(yīng)的質(zhì)心軌跡信息作為舵機(jī)控制的反饋信號(hào)， 根據(jù)質(zhì)心軌跡的狀態(tài)，通過舵機(jī)控制器及時(shí)調(diào)整舵機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，保證機(jī)器人的平穩(wěn)運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)了對(duì)機(jī)器人姿態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控。系統(tǒng)方案框圖如圖 1 所示，實(shí)物圖如圖 2 所示。

2 質(zhì)心軌跡檢測(cè)

本文采用高精度三軸加速度傳感器MMA7361L 實(shí)現(xiàn)角度測(cè)試，其核心算法是建立輸出電壓和角度之間的函數(shù)映射關(guān)系。以 MMA7361L 傳感器 X 軸方向的傾角計(jì)算為例，取傳感方向 X 軸與重力加速度 g 垂直時(shí)的狀態(tài)為零傾斜角度，當(dāng)傾角為 θ 時(shí)，X 軸方向傾角測(cè)量原理圖如圖 3 所示。

傳感 X軸方向的重力加速度分量 g（θ）=g·sin（θ），當(dāng)θ→0 時(shí)，有：

從上式可以看出，當(dāng)傾斜角 θ 為一個(gè)小角度時(shí)，其角度的變化率（即導(dǎo)數(shù)）越大并趨向于 g 時(shí)有助于提高小角度測(cè)量的分辨率。因此該零傾斜角度的選擇方式有助于小角度的精確測(cè)量。由于傳感器的加速度分量與其電壓成正比，且精度是 800 V/g，因此傾角為：

因此，我們通過三軸加速度傳感器可以對(duì)雙足機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)質(zhì)心狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控。

具體顯示流程圖如圖 4所示。首先通過ARM處理器對(duì)MMA7361L模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，然后將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在ARM的內(nèi)存中，并取多次平均值以保證其正確性，將結(jié)果代入公式（2） 對(duì)角度進(jìn)行換算，并將檢驗(yàn)結(jié)果與最大質(zhì)心偏離角對(duì)比，若大于該值，則讓ARM發(fā)送矯正指令，使機(jī)器人停止運(yùn)動(dòng)，返回上一姿態(tài)，以保證其穩(wěn)定性。與此同時(shí)，通過相應(yīng)的變換將角度值變換為LCD坐標(biāo)數(shù)據(jù)。因?yàn)長CD已提前建立以時(shí)間為 X軸，偏離角為 Y軸的坐標(biāo)軸，將數(shù)據(jù)填充進(jìn)去后，反復(fù)多次便可得到機(jī)器人行走過程中的質(zhì)心軌跡圖。

3 語音控制

人類與機(jī)器進(jìn)行語音交流，讓其明白我們的意圖并給予 回應(yīng)，這是人類夢(mèng)寐以求的事情，也是科學(xué)進(jìn)步發(fā)展的趨勢(shì)。 要讓機(jī)器人聽懂人類的意思，就需要一個(gè)“聽覺系統(tǒng)”，即語 音識(shí)別。

本文采用語音識(shí)別集成控制模塊 ASRM08-A，該模塊包 含語音采集、前級(jí)處理、語音訓(xùn)練、語音識(shí)別、語音輸出等 電路，具有體積小、操作簡(jiǎn)單、識(shí)別度較高、串口通信等優(yōu)點(diǎn)。 其基本原理如圖 5 所示，將外部語音信號(hào)通過 ADC 進(jìn)行采集， 然后進(jìn)行一系列的處理，通過線性預(yù)測(cè)（LPC）參數(shù)提取出其 相應(yīng)的特征，之后將提取的語音特征矢量參數(shù)與參考模式庫 中的模式進(jìn)行相似性度量比較，并結(jié)合一定的判別規(guī)則和專 家知識(shí)得出最終的識(shí)別結(jié)果，以呈現(xiàn)好的人機(jī)交互界面。

本文通過 ASR M08-A 模塊對(duì)外界環(huán)境產(chǎn)生的語音信號(hào) 進(jìn)行監(jiān)控。當(dāng)外界有“走路”、“跳舞”之類的特定語音信號(hào) 產(chǎn)生時(shí)，模塊就會(huì)接收這個(gè)語音信號(hào)并進(jìn)行采集、特征提取、 比較與匹配。其內(nèi)部可以人為的存儲(chǔ)一些語音指令信息，若該 語音信號(hào)與初始設(shè)置的語音指令一致時(shí)，如 01，zou lu，001， $ 表示若收到“走路”這條語音信息后，便通過串口發(fā)送數(shù)據(jù) “01”作為標(biāo)志，提示用戶外界的語音信息是“走路”。所以此 時(shí)其自帶的串口便輸出一個(gè)對(duì)應(yīng)的值，ARM 處理器檢測(cè)串口 接收的數(shù)據(jù)信息，分析判斷后執(zhí)行相應(yīng)的指令，讓機(jī)器人做出 相應(yīng)的動(dòng)作。

4 結(jié) 語

本文研究了一種以 ARM 處理器、三軸加速度傳感器和 舵機(jī)控制器為一體的機(jī)器人系統(tǒng)控制方法，通過對(duì)雙足機(jī)器 人的行走步伐進(jìn)行規(guī)劃并以質(zhì)心軌跡為反饋信號(hào)來檢測(cè)相應(yīng) 的行走狀態(tài)，最終以人性化語音指令來控制雙足機(jī)器人進(jìn)行 穩(wěn)定行走。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，質(zhì)心軌跡檢測(cè)方法能讓雙足機(jī)器 人按照特定的語音實(shí)現(xiàn)較為穩(wěn)定的運(yùn)行，具有一定的市場(chǎng)價(jià)值 和實(shí)用性，為后續(xù)雙足機(jī)器人控制的深入研究打下了堅(jiān)實(shí)的 基礎(chǔ)。