高?？破栈刂腔壑v解機器人的設計與實現

摘要：傳統的機器人以演示為主，功能單一，智能化程度較低。文章設計了一款面向科普基地的智慧講解機器人，主要具有主動迎賓、智能帶路、智慧講解功能。該講解機器人能夠在科普基地識別到訪客并向訪客致歡迎詞，為訪客帶路，與訪客進行人機交互并為訪客提供問詢服務和講解服務，是一種更加豐富綜合的智慧講解機器人。

關鍵詞：機器人；人機交互；主動迎賓；智能帶路；智慧講解

中圖分類號：TP242.6" 文獻標志碼：A

基金項目：承德醫學院2022年國家級大學生創新創業訓練計劃項目；項目編號：2022013。

作者簡介：王雪倩（2002— ），女，本科生；研究方向：生物信息與人工智能。

*通信作者：董現玲（1982— ），男，副教授，博士；研究方向：醫學影像與人工智能。

0" 引言

隨著科技的發展、社會的進步，人工智能技術的研究和應用不斷蔓延。人工智能技術的發展極其迅速，已經滲透到各行各業和社會生活的各個領域。機器人依托云服務和大數據挖掘進行自主學習，不斷完善智能交互能力和對環境的感知能力。例如：跳舞機器人能夠根據不同的音樂起舞［1］。在一些售票大廳里，也可以看到各種自助服務的售票機器人［2］，它們為購票服務帶來了極大的便利。當前，無人機的發展也十分迅速，如國內的大疆無人機［3］。在一些地震事故中，無人機可以很方便地進入災區，為搶救行動提供重要信息。但目前服務機器人仍存在一些不足，如我國市面上出現的一款輪式移動送餐機器人［4］，其僅可行走在固定的路線上，以地面的引導軌跡為輔助，靈活度比較低，無語音功能，僅提供送餐服務，給客戶提供新鮮感的體驗。此外，由北京某大學研制的一款雙足服務機器人“匯童”M1能夠直立行走，其平衡能力雖然良好［2］，但仍不足以讓“匯童”更好地執行任務。目前，“匯童”的工作重心仍然聚焦于平衡力的進一步研發上，這也限制了其工作重心難以向服務方向轉移。

隨著數字科普基地的建設，打造沉浸式服務路徑，為用戶營造濃厚、積極的閱讀氛圍和環境是至關重要的。目前，科普基地都有大量的迎賓人員或者解說員，他們都在從事著重復性工作，既耗費了人力資源，又增加了高校的人力成本。另外，服務人員長時間從事重復性的工作，會造成工作熱情銳減，從而影響服務質量。因此，設計一款面向科普基地且實用、可靠、功能豐富、綜合性強的機器人具有重要的應用價值。

本文以高校科普基地解說員為原型，旨在為高?？破栈卦O計出一款智慧講解機器人，服務于高?？破栈?。機器人主要有迎賓、帶路、語音交互、智慧講解等功能，人性化、智能化較高，可以在降低高校人力成本的同時，提高高?？破栈氐姆账健１疚耐ㄟ^對機器人整體的設計與實現，將先進的技術應用于機器人，使得機器人具有很高的人工智能特性［5］。

1" 智慧講解機器人設計與實現

1.1" 硬件設計

機器人的整體設計為類人型機器人，本體由深度相機、麥克風、顯示器、急停開關、機械臂、音響、激光雷達及底盤等硬件組成。機器人硬件如圖1所示。

1.2" 硬件功能

1.2.1" 麥克風

麥克風可進行聲源定位，抑制背景噪聲、干擾等；進行信號的提取與分離，將聲音信號轉為電信號，以實現語音識別，是實現人機交互功能的關鍵硬件。

1.2.2" 急停開關

在急須停止機器運行的情況下，急停開關能夠使機器人立即停止動作，防止危害或者損失擴大。

1.2.3nbsp; 機械臂

機械臂可實現機械擺臂，表示對訪客的歡迎，可實現4/6自由度的機械臂視覺抓取。

1.2.4" 深度相機

深度相機作為機器人的“眼睛”，既可幫助機器人高效完成人臉識別，又可檢測出拍攝空間和景深距離，便于機器人避障、導航。

1.2.5" 激光雷達

激光雷達作為機器人的第二雙“眼睛”，通過不停掃描來獲取二維空間的點陣數據，配合即時定位與地圖構建（Simultaneous Localization and Mapping，SLAM）技術，可幫助機器人實現自主定位、地圖構建及路徑規劃等功能。

1.2.6" 底盤

底盤作為機器人的“小腦”，承載了機器人本身" 的定位、導航及避障等基本功能，可幫助機器人實現智能行走。

1.3" 功能實現

當講解員進行科普基地解說時，其講述內容通常具有一定的重復性。鑒于此，本文提出采用機器人替代講解員，為游客提供服務，在減少人力的同時增加科普基地的科技感，在游客感受歷史文化的同時，體驗高科技的新時代感［2］。

2" 主動迎賓功能的設計與實現

機器人具備人體識別感應功能，當訪客靠近機器人時，機器人自動感應程序被喚醒，在LCD屏幕中顯示笑臉并主動與客人打招呼，致歡迎詞。針對陌生訪客，當其喚醒機器人后，機器人致歡迎詞，如：歡迎您來到XX科普基地。針對后臺有身份標記的特殊訪客，機器人可以播報后臺設置的個性化歡迎語，如：尊敬的X老師，您好，歡迎前來指導工作。

要做好主動迎賓服務，則須要進行控制系統的設計。按照人機交互系統設計要求，智慧機器人控制系統如圖2所示。采用控制算法能夠達到有效驅動的目的，以此實現智慧機器人與用戶之間的積極互動，實現對環境信息的反饋，提升智慧機器人迎賓服務的水平和能力。

主動迎賓功能建立在ROS平臺上，通過話題進行節點之間的通信，完成人臉識別功能與語音合成功能之間的連接。智慧機器人主動迎賓功能服務的設計可以減少傳統意義上的人力投入，提升數字科普基地服務水平，切實構建全新的服務體系，拉近用戶與數字科普基地之間的距離，將數字科普基地完整、系統地展示出來，真正利用智慧機器人為數字科普基地的提質增效運行注入源源不斷的活力［4］。

2.1" 人臉識別功能的實現

人臉識別功能基于臉部特征信息進行身份識別：通過攝像機采集含有人臉的圖像并自動在圖像中跟蹤和檢測人臉；對檢測到的人臉進行一系列的相關操作；與數據庫人臉特征底片進行匹配并對人臉身份信息進行判斷［6］。具體流程如圖3所示，具體步驟如下。

（1）系統對科普基地人臉圖像進行采集，以實現不同人臉圖像的收集，建立人臉特征底片數據庫。

（2）數據采集后對人臉進行檢測，在圖像中準確地定位人臉的位置和大小。

（3）對采集的人臉圖像進行預處理，過程中主要包括對原始圖像的灰度矯正、噪聲過濾以及光線處理等。

（4）對處理后的圖像進行人臉特征提取，通常采用視覺特征以及像素計算特征等，實際上是對人臉表征信息進行特征建模的過程。

（5）系統對處理后的圖像與數據庫中存有的人臉特征底片進行匹配，根據對比結果判斷人臉的身份信息，區分普通訪客與特殊訪客。

當機器人對已存儲在數據庫中人員的人臉信息進行識別時，能識別出人員的名字，且具有一定的置信度，置信度越高，表示識別越準確。

2.2" 語音生成功能的實現

語音生成又被稱為文語轉換、語音合成。語音生成是語音識別的逆過程，其基本原理為：在不考慮韻律的情況下，語音生成可將文本信息分解為基本的音節，在語音語料庫查詢后，按照一定的規則拼接在一起，合成語音波形；在考慮韻律的情況下，語音生成對文本進行語法分析，將分析后的文本信息傳入神經網絡，網絡會直接將語音波形輸出。本文基于科大訊飛平臺語音識別包，利用機器人操作系統（Robot Operating System，ROS）語言實現語音合成的功能。

ROS運行在Ubuntu中是一個開源的次級操作系統，提供了與操作系統類似的功能，如硬件的抽象、驅動程序的管理、消息傳遞等。ROS也是一個分布式處理架構，可使不同模塊或執行節點分開，使其既可獨自處理，又可相互通信［2］。

3" 智能帶路功能的設計與實現

科普基地智能機器人帶路服務是一項基于人工智能技術的服務，旨在為訪客提供更加便捷的科普基地體驗。

機器人擁有強大的SLAM室內建圖能力，訪客可通過語音命令實現機器人導航帶路。針對導航帶路功能，若訪客對機器人說“我要去看XXX”，則機器人接收指令后將親自帶領訪客前往目的地，甚至在途中還會提醒訪客注意安全、避免碰撞等。因此，在講解過程中，導航系統的實現能夠促進訪客有序化觀看［7］，帶領訪客到達目的地。針對自主返回功能，當機器人到達目的地后，若訪客無其他要求或不被其他訪客召喚，則機器人將自動返回出發點等待為下一個客人服務。

智慧機器人帶路服務是在用戶、機器人之間構建相應的運行系統，如圖4所示，將“任務級”“指令級”與機器人“場景顯示”“任務解析”“自主推理”“指令解析”“自主研判”“執行”有效串聯，促進系統有序運行。科普基地智能機器人帶路服務是一種高效、便捷的服務方式，不僅可以幫助訪客更快地找到他們需要的科普作品，還可以提高科普基地的工作效率，為訪客提供更優質的服務［8］。

3.1" 語音識別功能的實現

語音識別是將機器人收到的語音符號轉換為文字并在終端顯示，本文基于科大訊飛平臺語音識別包，利用ROS語言實現語音識別的功能。其基本流程如圖5所示，具體如下。

特征提?。簭恼Z音波形中提取隨時間變化的特征語音序列，從而得到特征向量。

聲學模型：輸入特征向量，利用聲學特性計算出特征向量在聲學特征上的得分并輸出音素信息。

字典：將音素與字或者詞相匹配，中文為拼音與漢字的匹配，英文為音標與單詞的匹配。

語言模型：通過卷積神經網絡對大量文本信息進行訓練，從而得到字或者詞相匹配的概率。

解碼：通過聲學模型、字典與語言模型對音頻數據進行文字性的輸出。

通過對麥克風設置輸入音量后，對準麥克風說“你好，智慧講解機器人”，機器人LCD屏幕隨后便會展示其識別效果。

3.2" 自主導航功能的實現

3.2.1" 利用激光SLAM實現對科普基地的物理構圖

用戶將機器人置于科普基地，利用其傳感器測量機器人和周圍環境的距離信息，通過此信息完成地圖的構建。與此同時，用戶進行一致性檢查，利用自主定位，檢查機器人是否運動到已構建過地圖的地方，最終輸出定位結果與地圖。

以實驗室工作空間為例，本文構建的物理地圖如圖6所示。

3.2.2" 利用AMCL實現自主定位與導航

機器人在清楚目標點的位置后，通過自適應蒙特卡羅定位（Adaptive Monte Carlo Localization，AMCL）進行自我定位，明確自身位置，通過始發點與目標點進行全局路徑規劃，找到最優路徑。在運動的過程中，機器人難免會遇到障礙物，此時，通過本地路徑規劃，規劃好路徑后驅電機驅動，完成最終的運動。

用戶標定初始點與目標點，機器人自主導航的效果如圖7所示。

4" 智慧講解功能的設計與實現

智慧講解功能為機器人的核心功能，以科大訊飛開放平臺作為開放的智能交互技術服務平臺，其主要功能為語音識別與合成功能，能與訪客進行語音交互，為訪客提供問詢服務和講解服務。如訪客對機器人說：“您能為我簡單講解一下科普基地XXX嗎？”機器人收到指令后便會回復：“好的，很高興為您服務。下面我將為您進行講解。科普基地XXX……。我的講解結束了，請問您還有別的需求嗎？”若訪客還有其他需求，則機器人將會根據不同需求來執行不同的命令為訪客服務。若訪客無其他需求，則機器人將回復：“好的，期待下次為您服務。”結束這次講解服務。

智慧機器人的智慧講解是一項前沿而富有潛力的技術，將極大地改變人們獲取信息和解決問題的方式。因此，在數字科普基地的建設中，應結合智慧講解方面的要求和標準，進行深入設計，以此為用戶的服務提供積極支持，使用戶結合科普基地知識學習需求，積極參與數字科普基地系列的服務［9］。

4.1" 人機交互功能的實現

當機器人被喚醒時，會對訪客的需求進行語音識別，在嘈雜的情況下定向拾音，進行回聲消除與遠場消噪，之后會對語音轉換所得文本進行語義理解。該過程包括內容管理、糾錯、上下文信息以及對話管理，最后通過揚聲器發出聲音，完成人類與機器人的對話。功能實現的總體流程如圖8所示。

4.2" 智能迎賓機器人功能的實現過程

本文設計的機器人具有如下功能：主動迎賓功能，可識別到訪客并向訪客致歡迎詞；智能帶路功能，根據訪客需求為訪客帶路；智慧講解功能，可與訪客進行人機交互，為訪客提供問詢服務和講解服務。具體的實現過程如下。

當智能機器人檢測到有參觀者進入時，會主動播放歡迎語并提供基礎的導覽服務；系統可以根據參觀者的位置，自動調整機器人的朝向和行走路線，確保與參觀者保持適當的距離和角度；參觀者可以通過語音交流向智能機器人提出目的地需求；智能機器人根據需求規劃最優路徑，引領參觀者前往指定地點，在引領過程中，智能機器人可以通過語音提供導航信息和相關介紹；智能機器人內置科普知識庫，能夠回答參觀者關于科普展覽、展品等方面的常見問題。

智能機器人可以與參觀者進行互動問答，延伸介紹展品的歷史背景、科學原理等相關知識；通過語音交互方式，參觀者可以自主選擇感興趣的話題進行深入了解；智能機器人可以在科普基地內自由移動，為不同區域的參觀者提供講解服務［10］；對于重點展品" 或展覽區域，智能機器人可以提供更加詳細和深入的講解內容，支持單獨引領參觀者進行觀看和學習。

4.3" 中醫文化長廊機器人功能的實現過程

中醫文化長廊的設計以中醫藥起源為前景，運用典型人物特征表現精神氣質，結合背景陪襯和相關文字說明，虛實有致之中濃縮概括出中醫的文化特色，利用創新科技的機器人對公眾進行講解，吸引了大量的來訪嘉賓參觀體驗。具體實現過程如下。

中醫文化長廊機器通過人臉識別功能被喚醒，主動與客人打招呼，致歡迎詞；對訪客的需求進行語音識別，機器人對語音轉換所得文本進行語義理解；與訪客進行語音交互，為訪客提供問詢服務和講解服務。例如訪客對中醫文化長廊機器人說：“您能為我簡單講解一下中醫文化長廊嗎？”機器人收到指令后便會回復：“好的，很高興為您服務。下面我將為您進行講解。中醫文化長廊的設計擷取了中醫文化精華……。我的講解結束了，請問您還有別的需求嗎？”若訪客還有其他需求，則機器人將會根據不同需求來執行不同的命令為訪客服務。若訪客無其他需求，則機器人將回復：“好的，期待下次為您服務。”并結束這次講解服務。該過程包括內容管理、糾錯、上下文信息以及對話管理，從而通過揚聲器發出聲音，完成人類與機器人的對話。

長廊按照時間的順序來表現中醫歷史的成就。整張長卷自左向右分為中醫藥概述、中醫藥大事年表、中醫學理論體系基本特點、中醫學的認知與思維方法、中醫治未病思想、中醫治法術要6個篇章，將中醫的歷史文化加以展示，讓訪客更加直觀地感受和體會中醫文化。中醫文化長廊展項如表1所示。

5" 結語

運用數字化，借助智能技術，做好智慧機器人的功能設計，提升智慧機器人服務水平，有助于數字科普基地穩定有序、并行不悖地運行。本文設計了高校科普基地智慧講解機器人，采用先進的語音識別與合成、人臉識別以及物理建圖與自主導航技術，實現了主動迎賓、智能帶路、智慧講解3大功能。本文設計的智慧機器人是一款靈活、實用、操作方便的交互式智能講解機器人，可為用戶提供全面化的服務，具有低功耗、可靠性好、綜合性高、實時性強、功能豐富等特點；可降低當前科普基地人力成本，提升機器人的服務質量；為訪客提供更優質的服務，助力數字科普基地積極參與用戶服務，助力數字科普基地有序參與當前社會的運行和發展。

參考文獻

［1］孫景文.邊唱歌邊跳舞的機器人：CN2011104 57356.4［P］.2011-12-31.

［2］陳志威.博物館講解機器人的設計與實現［D］.南京：南京郵電大學，2017.

［3］吉克.大疆創新：全球無人機領航者［J］.中國品牌，2015（4）：72-74.

［4］袁銀瑤，宋天麟.送餐服務機器人研究及設計［J］.科技創新與應用，2017（4）：62.

［5］王義翠，楊愛華.智能機器人在圖書館開架書庫中應用研究［J］.新世紀圖書館，2022（6）：42-48.

［6］黃敦華，汪雅楠，周寶海.校園內導游服務型自主移動機器人設計與實現［J］.微計算機信息，2011（1）：121-123，46.

［7］張靜，褚麗莉，周影.基于OpenCV的ROS平臺人臉識別系統的研究［J］.信息系統工程，2020（2）：44-45.

［8］李桂英.智能機器人對圖書館服務效能的影響因素及提升策略研究［J］.中文科技期刊數據庫（全文版）圖書情報，2022（11）：135-140.

［9］李立睿，張嘉程，魏銀珍，等.智能機器人賦能圖書館服務：內涵，特征與實施路向［J］.圖書館學研究，2022（11）：10-18.

［10］張創軍.“人工智能+圖書館”的應用前景分析［J］.甘肅科技，2022（1）：86-90.

（編輯" 沈" 強）

Design and realization of intelligent explanation robot in

university science popularization base

WANG" Xueqian， SHAO" Zilun， SUN" Yutao， GONG" Wenbin， XU" Jiaxin， SUN" Jialu， DONG" Xianling*

（Biomedical Engineering Department， Chengde Medical College， Chengde 067000， China）

Abstract： Traditional robots are mainly focused on demonstration，with single function and low level of intelligence. This paper designs an intelligent explaining robot for the scientific popularization base， which mainly has the functions of active welcoming， intelligent leading， and intelligent explaining. The robot can recognize the visitors in the science popularization base and make a welcome speech to the visitors， lead the way for the visitors， carry out human-computer interaction with the visitors， and provide inquiry service and explanation service for the visitors， which is a richer and more comprehensive intelligent explanation robot.

Key words： robots; human-computer interaction; active welcoming; intelligent leading; intelligent explanation