基于语音识别的17自由度双足救援机器人设计

何琦　齐利军　马云吉

摘要：为了降低灾害发生时救援过程中的不必要的人员损伤，利用机器人的安全可替代性来辅助人工救援，摒弃日常简单遥控器的控制方案，使用当前主流的AI技术中的语音识别功能实现控制机器人的目的，控制程序中大量使用算法以提高运算效率。整套系统方案分割成两部分：控制机器人运动的控制系统以及实现语音采集识别的语音识别系统，通过两子系统的远程无线的信息交互实现整个控制体系。硬件方案也采用了供电充足稳定的设计，使得机器人运行起来更加的流畅稳定。

关键词：双足机器人；非特定语音识别；PWM；多层封装；舵机

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引言

科技高速发展的今天任然无法避免自然灾害的发生，例如抗震救灾过程中也存在诸多问题，人工直接参与的难度系数大。因而需要利用机器人的可控制低成本的优势，可降低救灾过程中的危险性。双足机器人用来参加救援活动再适合不过了。双足机器人因其不需要大量的数据计算故可采用单片机等微处理器控制。执行命令传输方面：大多数的遥控车、遥控飞机等都是使用遥控器控制的，但救援的双足机器人能执行的功能多，如用遥控器方式给其下达指令，控制就会显的繁琐，效率也大打折扣。

一、系统功能与结构

整个机器人系统大体分为两个部分，硬件结构和控制系统程序。使用最主流的语音识别技术来控制机器人。操作者通过手头的头戴语音识别控制设备来下达指令，头戴语音识别控制设备采集到的音频信息处理成机器人能够识别的命令，并通过2.4G无线芯片发送给机器人的核心控制板。当机器人身上的核心控制板接收到远端语音解析完后的命令，机会根据命令来完成特定的动作。机器人的供电系统是使用高倍率的航模电池，以确保机器人能够稳定得工作。

二、系统硬件结构设计

系统硬件结构总共包括五个部分：外观结构、控制电路、动力支持。外观结构采用的是镁铝合金为材料仿人型的设计，17颗数字舵机作为活动关节。控制电路使用Stm32芯片作为主控，通过产生PWM信号来控制机器人的舵机，使用STC11来读取LD3320芯片来实现语音识别。动力方面使用高倍率的航模电池。

（一）外观结构

由于机器人是用来救援的，所以结构的稳定性显得尤为重要。首先的问题就是肢体材料的选择，这里使用的是铝合金里硬度较大的镁铝合金，镁铝合金具有重量轻、硬度高等特点。其次，机器人应具有多个可活动的关节，市面上的直线电机、直流电机、舵机等等，都能作为机器人的关节使用。为了控制的稳定性和优质性，采用17个数字舵机来充当机器人的17个关节。

（二）控制电路

STM32是一类性价比高且稳定的芯片。双足机器人核心控制板上使用STM32F103RCT6产生17路PWM来控制17路舵机，并实时读取2.4G无线模块接收到的信息。头带语音识别设备使用的是STC11L08XE为主控制芯片，使用LD330语音识别芯片来完成音频的采集、匹配和识别，STC11L08XE读取到识别结果后将会交由2.4G无线模块，发送给双足机器人核心控制板。

（三）动力支持

整个系统供电将影响电路的稳定性，而整个系统时候能够良好的运行关键之处就应保证电路的稳定性。由于机器人采用的是17个数字舵机同时运行，需要长时间的大电流供给，而舵机再工作的时，如果供电不足将容易使系统错乱，带来十分严重的后果。由此可见供电尤为重要。这里采用的是高倍率的航模电池作为机器人的动力。为了隔离舵机全速运行使产生的反馈电流，加入了25A的整流桥。

三、控制系统程序设计

控制系统主要包括两个部分：17自由度机器人的核心控制程序和头戴设备的控制程序。机器人核心控制程序一部分产生17路pwm信号，另一部分为无线接收处理程序。头戴设备程序包括控制LD3320语音识别和无线芯片发送数据程序。

（一）机器人控制核心程序

程序中运用了一系列的设计模式的思想，比如适配器模式，还有大量的分布思想多层封装来简化后期程序的调试。编写void upData（）函数将系统中的17路舵机的pwm变量值更新输出，为了后续能够便捷的调整动作，专门设计了一个特定的数组格式使用名为doAction（）函数来调用执行。使用累加算法对动作进行减速控制。

（二）头戴设备语音识别程序

首先程序的初始化过程LD_Reset（）中将会对LD3320芯片进行初始化设定，例如降噪、增益、识别度等等。接着就启动一次ASR识别流程，将所需要的识别拼音和对应的识别返回号送入芯片的缓冲区，设置外部中断来判断识别完成与否。识别成功后获取返回来的识别号，通过比对程序设计的识别号得到识别的内容。随后就不断循环ASR识别流程。

四、结束语

以STM32与STC11两种作为控制核心，使用无线模块进行数据传输，运用现今比较火爆的语音识别方式来对机器人进行控制，语音识别的过程中参考了现有产品的设计方式添加了识别的唤醒词，但现有的方案中每次指令都需要重复唤醒词，控制效率低下，使用唤醒词激活的方案来解决问题。通过软件减速的方案来解决机器人应响应速度过快而导致難以平衡的问题。使用穿透力较为强劲的2.4G频率的无线信号传输信息，实现了超远程控制。

参考文献：

[1] 刘志远.两足机器人的动态行走研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，1991

[2] 谢涛，徐建峰，张永学.仿人机器人的研究历史、现状及展望【J】.机器人，2002，14（4）：367-384

[3] 方亚彬，陈秉聪，江村超.仿人步行二足机器人的研制[J].机器人，1994，16（1）：30.36

[4] 李晶皎·《嵌入式语音技术及凌阳16位单片机应用》· 北京航空航天大学出版社

[5] 方建淳·《语音合成技术与单片微机综合系统》. 北京：北京航空航天大学出版社

[6] 薛钧义等·《凌阳16位单片机原理与应用》·北京：北京航天航空大学出版社，2003

[7] 任致远·《语音录放和识别集成电路应用与制作实例》·北京：人民邮电出版社，1999

由辽宁科技大学大学生创新创业训练计划专项经费资助

项目编号：201710146000139

作者简介：何琦（1997.02.24），本科，研究领域为嵌入式，复杂大系统研究。齐利军（1996.07.31），本科，研究领域为嵌入式，马云吉（1970.10.12），副教授，研究领域为网络安全。