一種舞蹈機器人控制方案的設計

張培彥 羅帥

摘 要：舞蹈機器人具有娛樂性和觀賞性，市場前景廣闊。該控制方案設計在傳統舞蹈機器人的基礎上進行了創新，加上語音識別、傳感器、人機交互等模塊，配上相應的末端抓取機構，使舞蹈機器人可以利用輔助舞蹈器械完成更為復雜的動作。

關鍵詞：舞蹈機器人;示教-再現;人機交互;聲音識別

中圖分類號：TP242.6 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2019）31-0026-03

The Design of a Dance Robot Control Scheme

ZHANG PeiYan LUO Shuai

（College of Mechanical and Electrical Engineering， Zhengzhou Tourism College，Zhengzhou Henan 451464）

Abstract： The dance robot is entertaining and ornamental， and has a broad market prospect. The control scheme is designed to be innovative on the basis of traditional dance robots， adding speech recognition， sensors， human-computer interaction and other modules， coupled with corresponding end grabbing mechanisms， so that dance robots can use auxiliary dance equipment to complete more complex action.

Keywords： dance robot;teaching-reproduction;human-computer interaction;voice recognition

舞蹈機器人作為一種娛樂性、觀賞性、互動性機器人，具有很大的研究價值和市場開發價值。舞蹈機器人的制作涉及機械、電子、自控、通信、傳感、人工智能、機器人學、精密機構和仿生材料等多個領域[1]。舞蹈機器人的動作設計、夾持的輔助器械、對音樂節奏的契合程度、人機互動的靈敏度等對整體舞蹈效果都至關重要。本文設計的舞蹈機器人在機械設計、控制方案、音樂節奏識別、人機交互等方面進行了創新，可以實現語音交互、自動選擇舞蹈器械、舞蹈動作與音樂節奏自動匹配等功能。

1 方案的總體設計

本文設計的舞蹈機器人由機械模塊、語音識別模塊、傳感器模塊、電源模塊等組成[2]。

當舞蹈機器人接到語音指令后，通過語音識別模塊識別執行的信號，機器人開始執行動作，自動抓取舞蹈器械，當傳感器檢測到舞蹈器械時，將信號傳到機器人控制器，機器人控制器產生控制信號，使末端執行器動作，接下來根據音樂節奏執行編好的舞蹈動作。整體方案如圖1所示。

2 機械設計

為了實現舞蹈機器人舞蹈動作的多樣化，手臂的末端執行機構要實現對舞蹈器械進行順利抓取，如刀、劍、扇、棍等，在進行這部分機械設計時，重點考慮以下幾方面：①抓取對象的大小、質量、長短等;②多種抓取對象之間的轉換;③抓取對象是否有明確的位置和位相、正反方向;④抓取對象運動的速度變化[3]。

本次設計的主要工作對象就是刀和劍，舞蹈過程中要保證夾持牢固，動作順滑，設計過程如下：①選擇合適的夾持方式;②計算夾持力;③設計夾爪;④傳感器安裝位置。

根據以上分析及設計步驟，在三維設計軟件平臺上完成末端執行器部分設計與運動仿真，如圖2所示。

3 控制方案設計

舞蹈機器人的舞蹈動作是一連串有節奏、有快慢、四肢協調的連貫動作，機器人的形態主要靠關節位置來實現，因此，讓機器人處于多個不同關節狀態，就能形成一個舞蹈動作，而且舞蹈種類繁多，在實際應用中也可以讓使用者自己設計舞蹈動作，進一步提高舞蹈機器人的娛樂性和觀賞性[4]。在設計控制方案時，不但要考慮安全穩定可靠，而且要考慮易學習、易操作、易修改等功能。針對以上控制要求，采用最經典、易學習操作的示教-再現法，重點是語音識別和音樂與舞蹈相配合的人機交互上。控制流程如圖3所示。

首先，要確認舞蹈機器人各關節是否在機械零點處，確保四肢時刻能運行到程序指定的位置上;然后選擇四肢的工作方式，選擇示教-再現功能，讀取控制器中的程序數據，按照編制好的程序數據驅動四肢完成舞蹈動作;最后選擇程序運行方式，實現整個舞蹈過程[5]。

4 人機交互功能的實現

舞蹈機器人的舞蹈動作選擇是能根據人的語言指令進行程序選擇和舞蹈動作的，通過語音識別模塊，識別人的身份和聲音指令，舞蹈機器人根據指令作出相應動作。基于聲卡的工作原理，采用聲卡搭建數據采集系統，從而采集外部的人的聲音。根據人的語音波形中反映人生理和行為特征等一些獨特信息的參數，從而自動識別說話者身份的技術，通過分析人的聲音，并建立分析模型，再用計算機對模型和輸入的語音進行配對，根據配對結果辨認說話人。基于LabVIEW開發環境實現人機交互的主程序流程如圖4所示。

5 語音識別方案設計與實現

語音識別的作用是將人的語言中的詞匯轉化成計算機或其他控制器可讀的輸入，例如，按鍵、二進制或者字符序列等。語音識別系統都是由3個模塊組成的，分別是參考模型庫、聲音特征提取及模式匹配[6]，基本框圖如圖5所示。

舞蹈機器人通過麥克風等拾音設備，將人的原始聲音信號轉換為電信號，接下來語音識別系統對信號進行處理，通過特殊算法提取出可以表現人語音特點的特征參數，用來區分不同人的語音信號，然后將該語音信號與參考語音庫中的語音特征參數進行匹配，經過比對后將最佳結果作為識別結果，以此作為控制信號進行后續操作。本舞蹈機器人利用LD3320語音芯片，大大簡化語音處理的技術步驟，從而使語音識別的功能得以模塊化處理。LD3320芯片是一款非特定人語音識別芯片，其所提供的語音識別技術是基于關鍵詞語列表的識別技術，即ASR技術[7]，當識別到人的語音信號中有關鍵詞信息時，其就可以給出識別結果，再將結果傳給后續的處理器。工作過程如圖6所示。

主控制器采用STM32，結合語音識別芯片LD3320共同實現既定功能[8]。當用戶發出指令信息后，LD3320模塊將處理過的聲音信息傳送到主控制器，經由處理器處理后，將命令數據傳送給計算機，通過計算機的再分配處理進行后續控制。

6 方案整體測試

舞蹈機器人的整體結構如圖7所示。本方案搭建完畢后，經過反復測試，語音識別及控制功能正常，系統運行穩定，可以達到預期效果。

7 結語

本文探討了一種舞蹈機器人控制方案的設計思路。運用模塊化的方法對舞蹈機器人系統中的各個部分進行詳細介紹，重點在人機交互、語音識別、末端執行器設計等方面進行創新。按照系統分析設計的一般規律，從預想的設計效果到給出實現方案，拓展了舞蹈機器人的功能。

參考文獻：

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[5]翟敬梅，董鵬飛，張鐵.基于視覺引導的工業機器人定位抓取系統設計[J].機械設計與研究，2014（5）：45-49.

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