一種智能教育迎賓機(jī)器人的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

陳濤，洪梓榕

（蘭州石化職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子電氣工程學(xué)院，甘肅蘭州，730060）

0 引言

面對人工智能技術(shù)浪潮的再次爆發(fā),如何將其融入學(xué)校教育成為社會(huì)各界和學(xué)者們關(guān)注的熱點(diǎn),基于此，本文從體驗(yàn)學(xué)習(xí)的角度出發(fā)，設(shè)計(jì)一款兼具輔助教學(xué)和智能迎賓功能的機(jī)器人，可應(yīng)用于學(xué)校實(shí)訓(xùn)基地、展覽館等場所，提供一種實(shí)驗(yàn)教育教學(xué)智能化的方案。

1 智能教育迎賓機(jī)器人總體設(shè)計(jì)

智能教育迎賓機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)主要分為頭部、中間身體、底盤三部分。機(jī)器人頭部由7寸觸摸屏、Openmv4攝像頭、指示燈構(gòu)成。機(jī)器人中間身體部分由機(jī)械手臂和中間軀干組成，中間軀干由控制系統(tǒng)和信息處理系統(tǒng)組成，控制系統(tǒng)設(shè)有Arduino主控制板、電機(jī)驅(qū)動(dòng)板、電源監(jiān)測模塊、電池盒，信息處理系統(tǒng)設(shè)有無線接/發(fā)送模塊、語音控制模塊、音頻輸出模塊。底盤由驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和檢測機(jī)構(gòu)組成，檢測機(jī)構(gòu)包括內(nèi)傳感器和外傳感器。結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 智能教育迎賓機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)圖

2 智能教育迎賓機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 機(jī)器人頭部的設(shè)計(jì)

智能教育迎賓機(jī)器人頭部由7寸觸摸屏、Openmv4攝像頭、指示燈構(gòu)成。機(jī)器人頭部設(shè)計(jì)有7寸觸摸屏，操作簡單容易上手，相當(dāng)于人的面部，能表現(xiàn)人類各種“喜怒哀樂”，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互功能。機(jī)器人頭部設(shè)有openmv4攝像頭，能實(shí)現(xiàn)自主控制與遠(yuǎn)程控制。機(jī)器人自主控制系統(tǒng)通過頭部的openmv4攝像頭采集信息并轉(zhuǎn)化發(fā)送至主控Arduino控制器中然后驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)模塊進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，從而達(dá)到了自主運(yùn)動(dòng)的能力；遠(yuǎn)程控制通過PC端發(fā)送相應(yīng)指令去完成對機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的控制同時(shí)將openmv4采集到的視頻信息實(shí)時(shí)上傳到PC端從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操作。機(jī)器人頭部還設(shè)有“紅、綠、黃”三色指示燈，親切的表現(xiàn)了機(jī)器人的各種運(yùn)行狀態(tài)。

2.2 機(jī)器人中間軀體的設(shè)計(jì)

機(jī)器人中間軀體部分由機(jī)械手臂和中間軀干組成，機(jī)械手臂相當(dāng)于人手臂一樣，可完成各種工作；中間軀干由控制系統(tǒng)和信息處理系統(tǒng)組成，控制系統(tǒng)是機(jī)器人的指揮中心，相當(dāng)于人腦或中樞神經(jīng)，它能控制機(jī)器人各部位協(xié)調(diào)動(dòng)作；信息處理系統(tǒng)，是人與機(jī)器人溝通的工具，可根據(jù)外界的環(huán)境變化、靈活變更機(jī)器人的動(dòng)作。

2.3 機(jī)器人底盤的設(shè)計(jì)

底盤由驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和檢測機(jī)構(gòu)組成，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)相當(dāng)于人的腳，機(jī)器人靠它來“走路”，感知機(jī)器人自身或外部環(huán)境變化信息的檢測機(jī)構(gòu)是它的感覺器官，相當(dāng)于人的眼、耳、皮膚等。底盤結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 智能教育迎賓機(jī)器人底盤結(jié)構(gòu)圖

3 智能教育迎賓機(jī)器人控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

3.1 語音模塊的設(shè)計(jì)

智能教育迎賓機(jī)器人語音模塊搭載科大訊飛最新的的人機(jī)交互解決方案，可進(jìn)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(zhuǎn)化為數(shù)字信號，操縱機(jī)器人各種運(yùn)動(dòng)，利用強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)處理功能和先進(jìn)的語音識別技術(shù)，可與機(jī)器人交流“奧運(yùn)知識” 、“航天知識”等科技問答題，機(jī)器人可以語音介紹工作環(huán)境內(nèi)的的基本情況并播放相應(yīng)的視頻或圖片，并可以自主的介紹各個(gè)工作場景內(nèi)容。語音模塊設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖3 語音模塊設(shè)計(jì)

3.2 驅(qū)動(dòng)控制電機(jī)選擇

智能教育迎賓機(jī)器人驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)用24V直流電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，電機(jī)的控制信號為周期是20ms的脈寬調(diào)制（PWM）信號，其中脈沖寬度從0.5ms-2.5ms，呈線性變化。電機(jī)原理圖如圖4所示。

圖4 電機(jī)原理圖

3.3 檢測機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

智能教育迎賓機(jī)器人檢測機(jī)構(gòu)包括內(nèi)傳感器和外傳感器，內(nèi)傳感器由設(shè)在底盤上部的雷達(dá)傳感器組成，外傳感器由設(shè)在底部的磁條傳感器和設(shè)在機(jī)器人底盤四周的超聲波傳感器組成，內(nèi)傳感器和外傳感器的有機(jī)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)定位與導(dǎo)航的作用。作用的實(shí)現(xiàn)基于 Monte Carlo算法的機(jī)器人自主定位，并結(jié)合視覺信息和其他傳感器信息對定位結(jié)果進(jìn)行校正，實(shí)現(xiàn)定位精度在20cm以內(nèi)；利用激光、聲納等多種傳感器信息融合，實(shí)現(xiàn)對周圍環(huán)境的地圖構(gòu)建。機(jī)器人可以根據(jù)地圖信息，在指定起點(diǎn)和終點(diǎn)的軌跡上自主導(dǎo)航，到達(dá)各教室完成解說。機(jī)器人行走過程中實(shí)現(xiàn)自主避障，躲避行人、固定物體等障礙物，避障半徑達(dá)到2m。機(jī)器人融合多種傳感器信息，認(rèn)知外界環(huán)境，并通過人工智能算法決定機(jī)器人的迎賓動(dòng)作。檢測機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖5所示。

圖5 檢測機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

4 結(jié)束語

本文針對學(xué)校實(shí)驗(yàn)基地、展覽館等場所設(shè)計(jì)了一款室內(nèi)輔助教學(xué)、自主迎賓教育機(jī)器人，通過控制系統(tǒng)、信息處理系統(tǒng)、語音模塊和驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的相互配合能實(shí)現(xiàn)智能教育迎賓機(jī)器人的輔助教學(xué)、自主導(dǎo)航、語音交互、娛樂互動(dòng)、后臺(tái)遠(yuǎn)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(jī)器人設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)提供一種合理的方案。