基于語音識別的17自由度雙足救援機器人設計

何琦　齊利軍　馬云吉

摘要：為了降低災害發生時救援過程中的不必要的人員損傷，利用機器人的安全可替代性來輔助人工救援，摒棄日常簡單遙控器的控制方案，使用當前主流的AI技術中的語音識別功能實現控制機器人的目的，控制程序中大量使用算法以提高運算效率。整套系統方案分割成兩部分：控制機器人運動的控制系統以及實現語音采集識別的語音識別系統，通過兩子系統的遠程無線的信息交互實現整個控制體系。硬件方案也采用了供電充足穩定的設計，使得機器人運行起來更加的流暢穩定。

關鍵詞：雙足機器人；非特定語音識別；PWM；多層封裝；舵機

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引言

科技高速發展的今天任然無法避免自然災害的發生，例如抗震救災過程中也存在諸多問題，人工直接參與的難度系數大。因而需要利用機器人的可控制低成本的優勢，可降低救災過程中的危險性。雙足機器人用來參加救援活動再適合不過了。雙足機器人因其不需要大量的數據計算故可采用單片機等微處理器控制。執行命令傳輸方面：大多數的遙控車、遙控飛機等都是使用遙控器控制的，但救援的雙足機器人能執行的功能多，如用遙控器方式給其下達指令，控制就會顯的繁瑣，效率也大打折扣。

一、系統功能與結構

整個機器人系統大體分為兩個部分，硬件結構和控制系統程序。使用最主流的語音識別技術來控制機器人。操作者通過手頭的頭戴語音識別控制設備來下達指令，頭戴語音識別控制設備采集到的音頻信息處理成機器人能夠識別的命令，并通過2.4G無線芯片發送給機器人的核心控制板。當機器人身上的核心控制板接收到遠端語音解析完后的命令，機會根據命令來完成特定的動作。機器人的供電系統是使用高倍率的航模電池，以確保機器人能夠穩定得工作。

二、系統硬件結構設計

系統硬件結構總共包括五個部分：外觀結構、控制電路、動力支持。外觀結構采用的是鎂鋁合金為材料仿人型的設計，17顆數字舵機作為活動關節。控制電路使用Stm32芯片作為主控，通過產生PWM信號來控制機器人的舵機，使用STC11來讀取LD3320芯片來實現語音識別。動力方面使用高倍率的航模電池。

（一）外觀結構

由于機器人是用來救援的，所以結構的穩定性顯得尤為重要。首先的問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。其次，機器人應具有多個可活動的關節，市面上的直線電機、直流電機、舵機等等，都能作為機器人的關節使用。為了控制的穩定性和優質性，采用17個數字舵機來充當機器人的17個關節。

（二）控制電路

STM32是一類性價比高且穩定的芯片。雙足機器人核心控制板上使用STM32F103RCT6產生17路PWM來控制17路舵機，并實時讀取2.4G無線模塊接收到的信息。頭帶語音識別設備使用的是STC11L08XE為主控制芯片，使用LD330語音識別芯片來完成音頻的采集、匹配和識別，STC11L08XE讀取到識別結果后將會交由2.4G無線模塊，發送給雙足機器人核心控制板。

（三）動力支持

整個系統供電將影響電路的穩定性，而整個系統時候能夠良好的運行關鍵之處就應保證電路的穩定性。由于機器人采用的是17個數字舵機同時運行，需要長時間的大電流供給，而舵機再工作的時，如果供電不足將容易使系統錯亂，帶來十分嚴重的后果。由此可見供電尤為重要。這里采用的是高倍率的航模電池作為機器人的動力。為了隔離舵機全速運行使產生的反饋電流，加入了25A的整流橋。

三、控制系統程序設計

控制系統主要包括兩個部分：17自由度機器人的核心控制程序和頭戴設備的控制程序。機器人核心控制程序一部分產生17路pwm信號，另一部分為無線接收處理程序。頭戴設備程序包括控制LD3320語音識別和無線芯片發送數據程序。

（一）機器人控制核心程序

程序中運用了一系列的設計模式的思想，比如適配器模式，還有大量的分布思想多層封裝來簡化后期程序的調試。編寫void upData（）函數將系統中的17路舵機的pwm變量值更新輸出，為了后續能夠便捷的調整動作，專門設計了一個特定的數組格式使用名為doAction（）函數來調用執行。使用累加算法對動作進行減速控制。

（二）頭戴設備語音識別程序

首先程序的初始化過程LD_Reset（）中將會對LD3320芯片進行初始化設定，例如降噪、增益、識別度等等。接著就啟動一次ASR識別流程，將所需要的識別拼音和對應的識別返回號送入芯片的緩沖區，設置外部中斷來判斷識別完成與否。識別成功后獲取返回來的識別號，通過比對程序設計的識別號得到識別的內容。隨后就不斷循環ASR識別流程。

四、結束語

以STM32與STC11兩種作為控制核心，使用無線模塊進行數據傳輸，運用現今比較火爆的語音識別方式來對機器人進行控制，語音識別的過程中參考了現有產品的設計方式添加了識別的喚醒詞，但現有的方案中每次指令都需要重復喚醒詞，控制效率低下，使用喚醒詞激活的方案來解決問題。通過軟件減速的方案來解決機器人應響應速度過快而導致難以平衡的問題。使用穿透力較為強勁的2.4G頻率的無線信號傳輸信息，實現了超遠程控制。

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由遼寧科技大學大學生創新創業訓練計劃專項經費資助

項目編號：201710146000139

作者簡介：何琦（1997.02.24），本科，研究領域為嵌入式，復雜大系統研究。齊利軍（1996.07.31），本科，研究領域為嵌入式，馬云吉（1970.10.12），副教授，研究領域為網絡安全。