一種智能教育迎賓機器人的設計與實現

陳濤，洪梓榕

（蘭州石化職業技術學院電子電氣工程學院，甘肅蘭州，730060）

0 引言

面對人工智能技術浪潮的再次爆發,如何將其融入學校教育成為社會各界和學者們關注的熱點,基于此，本文從體驗學習的角度出發，設計一款兼具輔助教學和智能迎賓功能的機器人，可應用于學校實訓基地、展覽館等場所，提供一種實驗教育教學智能化的方案。

1 智能教育迎賓機器人總體設計

智能教育迎賓機器人總體結構主要分為頭部、中間身體、底盤三部分。機器人頭部由7寸觸摸屏、Openmv4攝像頭、指示燈構成。機器人中間身體部分由機械手臂和中間軀干組成，中間軀干由控制系統和信息處理系統組成，控制系統設有Arduino主控制板、電機驅動板、電源監測模塊、電池盒，信息處理系統設有無線接/發送模塊、語音控制模塊、音頻輸出模塊。底盤由驅動機構和檢測機構組成，檢測機構包括內傳感器和外傳感器。結構圖如圖1所示。

圖1 智能教育迎賓機器人總體結構圖

2 智能教育迎賓機器人機械結構設計

2.1 機器人頭部的設計

智能教育迎賓機器人頭部由7寸觸摸屏、Openmv4攝像頭、指示燈構成。機器人頭部設計有7寸觸摸屏，操作簡單容易上手，相當于人的面部，能表現人類各種“喜怒哀樂”，實現人機交互功能。機器人頭部設有openmv4攝像頭，能實現自主控制與遠程控制。機器人自主控制系統通過頭部的openmv4攝像頭采集信息并轉化發送至主控Arduino控制器中然后驅動相應的運動模塊進行運動，從而達到了自主運動的能力；遠程控制通過PC端發送相應指令去完成對機器人運動的控制同時將openmv4采集到的視頻信息實時上傳到PC端從而實現遠程操作。機器人頭部還設有“紅、綠、黃”三色指示燈，親切的表現了機器人的各種運行狀態。

2.2 機器人中間軀體的設計

機器人中間軀體部分由機械手臂和中間軀干組成，機械手臂相當于人手臂一樣，可完成各種工作；中間軀干由控制系統和信息處理系統組成，控制系統是機器人的指揮中心，相當于人腦或中樞神經，它能控制機器人各部位協調動作；信息處理系統，是人與機器人溝通的工具，可根據外界的環境變化、靈活變更機器人的動作。

2.3 機器人底盤的設計

底盤由驅動機構和檢測機構組成，驅動機構相當于人的腳，機器人靠它來“走路”，感知機器人自身或外部環境變化信息的檢測機構是它的感覺器官，相當于人的眼、耳、皮膚等。底盤結構圖如圖2所示。

圖2 智能教育迎賓機器人底盤結構圖

3 智能教育迎賓機器人控制系統的設計

3.1 語音模塊的設計

智能教育迎賓機器人語音模塊搭載科大訊飛最新的的人機交互解決方案，可進行非特定人群的自然語言交互（中文或英文），將記錄聲音并轉化為數字信號，操縱機器人各種運動，利用強大的計算機處理功能和先進的語音識別技術，可與機器人交流“奧運知識” 、“航天知識”等科技問答題，機器人可以語音介紹工作環境內的的基本情況并播放相應的視頻或圖片，并可以自主的介紹各個工作場景內容。語音模塊設計如圖3所示。

圖3 語音模塊設計

3.2 驅動控制電機選擇

智能教育迎賓機器人驅動機構用24V直流電機進行驅動，電機的控制信號為周期是20ms的脈寬調制（PWM）信號，其中脈沖寬度從0.5ms-2.5ms，呈線性變化。電機原理圖如圖4所示。

圖4 電機原理圖

3.3 檢測機構的設計

智能教育迎賓機器人檢測機構包括內傳感器和外傳感器，內傳感器由設在底盤上部的雷達傳感器組成，外傳感器由設在底部的磁條傳感器和設在機器人底盤四周的超聲波傳感器組成，內傳感器和外傳感器的有機結合，實現定位與導航的作用。作用的實現基于 Monte Carlo算法的機器人自主定位，并結合視覺信息和其他傳感器信息對定位結果進行校正，實現定位精度在20cm以內；利用激光、聲納等多種傳感器信息融合，實現對周圍環境的地圖構建。機器人可以根據地圖信息，在指定起點和終點的軌跡上自主導航，到達各教室完成解說。機器人行走過程中實現自主避障，躲避行人、固定物體等障礙物，避障半徑達到2m。機器人融合多種傳感器信息，認知外界環境，并通過人工智能算法決定機器人的迎賓動作。檢測機構設計如圖5所示。

圖5 檢測機構設計

4 結束語

本文針對學校實驗基地、展覽館等場所設計了一款室內輔助教學、自主迎賓教育機器人，通過控制系統、信息處理系統、語音模塊和驅動機構的相互配合能實現智能教育迎賓機器人的輔助教學、自主導航、語音交互、娛樂互動、后臺遠程操控等基本功能，具有良好的交互性和操作性，為智能教育迎賓機器人設計與實現提供一種合理的方案。