基于Arduino控制板和語音識別模塊的機器人控制系統的制作方法
【專利摘要】本發明屬于語音識別和機器人學這兩門學科領域，目的是通過語音識別模塊辨識人的控制命令，再將語音識別模塊與機器人的機械臂相連，從而實現語音控制機器八完成各種規劃動作以及人與機器的相互交流的綜合控制系統。控制系統是由ASR-M08A模塊、Arduino?MEGA?ATmega1280及Arduino?MEGA1280擴展板模塊、傳感器模塊、串口TTL4路繼電器控制板模塊、藍牙模塊、32路伺服舵機控制器模塊、動作存儲卡模塊、機器人機械臂模塊組成。ASR-M08A模塊主要實現傳遞控制命令給機器人機械臂完成預定的規劃動作，Arduino控制板和傳感器模塊實現傳感數據的采集，繼電器模塊主要實現機器人機械臂動作的開始和停止功能，藍牙模塊實現無線控制，32路伺服舵機控制器模塊和動作存儲卡模塊實現機器人動作的路徑規劃和存儲。而機器人機械臂模塊則為完成動作的硬件條件，自由度為五個。
【專利說明】 基于Arduino控制板和語音識別模塊的機器人控制系統
【技術領域】
[0001]本發明主要屬于語音識別和機器人學這兩門學科領域，目的是通過語音識別模塊辨識人的控制命令，再將語音識別模塊與機器人的機械臂相連，從而實現語音控制機器人完成各種規劃動作以及人與機器的相互交流。
【背景技術】
[0002]機器人學的研究廣泛的涉及到機器視覺、人工智能、數字信號處理、通信理論、電子技術、計算機科學、模式識別等眾多學科。機器人技術的發展將很大程度上幫助人類從繁重的體力勞動中解放出來。一方面服務機器人將更加廣泛地代替人從事各種機械反復的、有害身體健康和危險的生產作業。另一方面家用服務機器人將越來越多的進入到普通家庭中幫助人們，照顧老人，以及完成各種各樣的任務。
[0003]進入21世紀機器人智能化水平得到很大提高，這些智能機器人，不僅應用各種反饋傳感器，而且還運用人工智能中各種學習、推理和決策技術。智能機器人還應用許多最新的智能技術，如臨場感技術、虛擬現實技術、多智能體技術、人工神經網絡技術、遺傳算法和遺傳編程、仿生技術、多傳感器集成和融合技術及納米技術等。
[0004]語音識別技術所涉及的領域包括:信號處理、模式識別、概率論和信息論、發聲機理和聽覺機理、人工智能等等。語音識別過程主要包括預處理、特征參數提取和模型訓練等。語音信號首先經過濾波、采樣與量化得到離散的數字信號，然后就是預加重，預加重的目的在于濾除低頻干擾；語音信號是一種典型的非平穩信號，具有時變特征，所以將語音信號進行分幀操作，在分幀之后會對每一幀做一個加窗的處理；端點檢測的目的是從包含語音的一段信號中確定語音的起點和終點，而準確的找出語音段的起始點和終止點，才有可能使采集到的數據是真正要分析的語音信號。語音識別技術在語音信號特征參數提取上的方法有，線性預測系數(LPC)、線性預測倒譜系數(LPCC)、以及美爾頻率倒譜系數(MFCC)；在模型訓練上使用的方法有動態時間規整(DTW)、隱馬爾科夫模型(HMM)，目前使用比較廣泛的是隱馬爾科夫模型。
[0005]機器人學和語音識別相結合就是讓機器通過識別過程把人類的語音信號轉變為相應的文本或命令，其最終目的就是像人與人之間的談話交流信息一樣，實現人機對話，也就是賦予機器以聽覺，使機器能夠聽懂人的語言，辨明話音的內容和說話人，進一步使機器能夠按照人的意志進行操作，把人類從繁重或危險的勞動中解脫出來。
【發明內容】
[0006]本發明系統的目的在于提供了一種實用性強的基于語音識別模塊實現機器人預定規劃動作的綜合控制系統。
[0007]基于Arduino控制板和語音識別模塊的機器人控制系統是由ASR-M08A模塊、Arduino MEGA ATmegal280 及 Arduino MEGA1280 擴展板模塊、傳感器模塊、串口 TTL4 路繼電器控制板模塊、WE-40C藍牙模塊、32路伺服舵機控制器模塊、動作存儲卡模塊、機器人機械臂模塊組成。其中所述ASR-M08A模塊主要實現傳遞控制命令給機器人機械臂完成預定的規劃動作以及人機對話功能；Arduino MEGA ATmegal280,Arduino MEGA1280擴展板模塊和傳感器模塊主要完成機器人傳感數據的采集和顯示功能；繼電器模塊主要實現機器人機械臂動作的開始和停止功能；WE-40C藍牙模塊連接在ASR-M08A模塊和串口 TTL4路繼電器控制板模塊之間，實現語音識別無線控制功能；32路伺服舵機控制器模塊和動作存儲卡模塊實現機器人動作的路徑規劃和存儲。而機器人機械臂模塊則為完成動作的硬件條件，由RB-421伺服舵機組成，機械臂自由度為五個。
[0008]所述的ASR-M08A模塊與串口 TTL4路繼電器控制板模塊連接，所述的串口 TTL4路繼電器控制板模塊與32路伺服舵機控制器模塊連接，所述的藍牙模塊連接在ASR-M08A模塊和串口 TTL4路繼電器控制板模塊之間，所述的32路伺服舵機控制器模塊與動作存儲卡模塊連接，所述的Arduino MEGA ATmegal280及Arduino MEGA1280擴展板模塊與32路伺服舵機控制器模塊連接，所述的傳感器模塊與Arduino MEGA ATmegal280及ArduinoMEGA1280擴展板模塊連接，所述的機器人機械臂模塊與32路伺服舵機控制器模塊連接。
[0009]控制系統可根據需要完成各種預定動作的規劃，以及語音模塊中語音庫的內容。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0010]圖1為本發明系統硬件模塊連接示意圖
【具體實施方式】
[0011 ] 在所述的ASR-M08A語音識別模塊中先通過訊飛語音合成系統建立語音識別模塊的語音庫，語音庫的大小和內容可根據需要而設定。ASR-M08A模塊的識別原理是通過預先設定的關鍵字與從麥克風輸入的語音對比，輸出我們想要的語音識別內容。
[0012]ASR-M08A模塊與串口 TTL4路繼電器控制板模塊連接，串口 TTL4路繼電器控制板模塊中嵌入了算法，使得ASR-M08A模塊的輸出與繼電器模塊的輸入對應，從而可以通過語音控制串口 TTL4路繼電器控制板模塊的通斷。ASR-M08A語音識別模塊中含有三種語音檢測模式，分別是循環檢測模式、口令檢測模式、按鈕檢測模式。循環檢測模式下，模塊會不停檢測周圍聲音，所以你任意時刻說對了指令都會被檢測并識別，缺點是這個模式存在比較大的誤識別率；口令檢測模式下是通過兩條指令控制一個動作，只有在通過第一條指令情況下，并在一定時間內說對第二條指令才能正確識別；按鈕模式下每按一次按鈕8秒內講出指令才能識別，8秒過后得重新講指令，這種模式就是不會誤觸發，但不夠靈活。
[0013]在本發明專利中，語音識別模塊采用口令檢測模式。串口 TTL4路繼電器控制板模塊中繼電器輸出為三位的接線端子，分別以1、2、3代替，其中1、2是常閉觸點，即繼電器不通電的時候是通的，通電之后斷開；而2、3是常開觸點，即繼電器不通電的時候是斷開的，通電之后是閉合的。串口 TTL4路繼電器控制板模塊與32路伺服舵機控制器模塊連接，所以在32路伺服舵機控制板供電端和電源端之間連接串口 TTL4路繼電器模塊時，將32路伺服舵機控制板的電源供電端連接在2、3常開觸點上。同時為了實現無線語音控制，ASR-M08A模塊和串口 TTL4路繼電器控制板模塊分別加裝藍牙模塊。其中ASR-M08A模塊3.3V電源線與藍牙模塊3.3接口連接，ASR-M08A模塊RX端與WE-40C藍牙模塊的TX端相連，ASR-M08A模塊TX端與WE-40C藍牙模塊的RX端相連，ASR-M08A模塊GND端與WE-40C藍牙模塊的GND端相連；而串口 TTL4路繼電器控制板模塊與WE-40C藍牙模塊連接時，串口 TTL4路繼電器模塊3.3V接口與WE-40C藍牙模塊的3.3V連接，串口 TTL4路繼電器模塊RX端與WE-40C藍牙模塊TX端連接，串口 TTL4路繼電器模塊TX端與WE-40C藍牙模塊RX端連接，串口 TTL4路繼電器模塊GND端與WE-40C藍牙模塊GND端連接。
[0014]32路伺服舵機控制器與機器人機械臂模塊連接，32路伺服舵機控制器通過上位機軟件規劃機器人機械臂的運動路徑，而運動路徑規劃是通過分別控制每個RB-421伺服舵機的旋轉角度來實現的。在本發明中，規劃的運動路徑是敬禮、放下。然后將規劃運動路徑的代碼存入動作存儲卡模塊。動作存儲卡模塊是與32路伺服舵機控制器模塊連接的。
[0015]Arduino MEGA1280 擴展板模塊是 Arduino MEGA ATmegal280 外部接口 的擴充，可通過卡槽直接將Arduino MEGA1280擴展板模塊插在Arduino MEGA ATmegal280上，豐富Arduino MEGA ATmegal280的輸入輸出接口。為了使得機器人的功能多樣化，本發明專利中還給機器人增加了傳感器模塊，傳感器模塊連接在Arduino MEGA1280擴展板上，傳感器模塊中含有的傳感器有DHTll溫濕度傳感器、火焰傳感器、蜂鳴器、RB URF vl.1超聲波傳感吳坐
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[0016]使用Arduino MEGA ATmegal280>Arduino MEGA1280 擴展板和火焰傳感器、蜂鳴器模塊可搭建一個機器人消防報警系統；將火焰傳感器與Arduino MEGA1280擴展板上模擬接口相連，蜂鳴器與數字接口連接，然后定義火焰傳感器的模擬輸出值作為蜂鳴器的輸入值，當蜂鳴器讀取輸入的模擬值大于一定的參數時，蜂鳴器響，發出火災警報。
[0017]使用Arduino MEGA ATmegal280、Arduino MEGA1280 擴展板和 DHTll 可獲得機器人周圍的溫度和濕度傳感數據；
[0018]使用Arduino MEGA ATmegal280> Arduino MEGA1280 擴展板、避障傳感器和超聲波傳感器可實現機器人測距和避障。首先將RB URF vl.1超聲波傳感器連接在ArduinoMEGA1280擴展板上的超聲波接口，其對應發射和接收口分別為數字14和數字15接口，因此我們首先定義數字14和數字15接口為超聲波傳感器的接收接口和發出接口，然后超聲波傳感器發出脈沖信號，讀取脈沖時間，將脈沖時間轉化為距離，同時我們定義一個距離參數作為機器人避障的臨界值，當脈沖時間轉換的距離小于臨界值時，機器人避障轉向，當脈沖時間轉換的距離大于臨界值時，機器人不用避障轉向。
【權利要求】
1.基于Arduino控制板和語音識別模塊的機器人控制系統，其特征在于包括如下步驟: 步驟(1):ASR-M08A模塊通過預先設定的關鍵字與從麥克風輸入的語音對比，輸出我們想要的語音識別內容； 步驟(2)ASR-M08A模塊與串口 TTL4路繼電器控制板模塊通過藍牙模塊連接，串口 TTL4路繼電器控制板模塊中嵌入了算法，使得ASR-M08A模塊的輸出與繼電器模塊的輸入對應，從而可以通過語音控制串口 TTL4路繼電器控制板模塊的通斷； 步驟(3):串口 TTL4路繼電器控制板模塊與32路伺服舵機控制器模塊連接，所以在32路伺服舵機控制板供電端和電源端之間連接串口 TTL4路繼電器模塊時，將32路伺服舵機控制板的電源供電端連接在常開觸點上； 步驟(4):32路伺服舵機控制器與機器人機械臂模塊連接，32路伺服舵機控制器通過上位機軟件規劃機器人機械臂的運動路徑，而運動路徑規劃是通過分別控制每個RB-421伺服舵機的旋轉角度來實現的； 步驟(5):將規劃運動路徑的代碼存入動作存儲卡模塊。動作存儲卡模塊是與32路伺服舵機控制器模塊連接的； 步驟(6) =Arduino控制板模塊與傳感器模塊連接，豐富機器人對環境的傳感數據的采 集。
【文檔編號】G05B19/418GK104076747SQ201310102165
【公開日】2014年10月1日 申請日期:2013年3月27日 優先權日:2013年3月27日
【發明者】劉治, 蘇敏發, 謝杰騰 申請人:廣東工業大學