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基于Gene8310的嵌入式家庭服務(wù)機(jī)器人
摘 要：為了實(shí)現(xiàn)智能家庭服務(wù)機(jī)器人的人臉跟蹤、語音識別、自主移動、動作響應(yīng)、遠(yuǎn)程遙控等功能，采用了基于Gene8310的嵌入式設(shè)備系統(tǒng)，對家庭服務(wù)機(jī)器人進(jìn)行整體設(shè)計(jì)，在硬件上外擴(kuò)相應(yīng)的通訊、傳感、驅(qū)動等系統(tǒng)，在軟件上引入人臉跟蹤，語音識別技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人與人的和諧交互。實(shí)踐證明該系統(tǒng)具有較好的實(shí)時性和魯棒性。
關(guān)鍵詞：Gene8310 家庭服務(wù)機(jī)器人 嵌入式系統(tǒng)
1 引言
家庭服務(wù)機(jī)器人是機(jī)器人的發(fā)展方向，是我國進(jìn)1步加強(qiáng)機(jī)器人技術(shù)研究的突破口。家庭服務(wù)機(jī)器人旨在將家庭成員從家居的繁瑣家務(wù)中解放出來，給家庭成員提供幫助、娛樂等。
本文介紹的家庭服務(wù)機(jī)器人如圖1所示。機(jī)器人身高140cm，行走驅(qū)動方式采取輪式差動驅(qū)動。胳膊是模擬肩關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)的3自由度結(jié)構(gòu)，采用伺服電機(jī)作為關(guān)節(jié)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。機(jī)器人上面安裝了攝像頭、麥克風(fēng)接口、觸摸液晶屏、超聲波
圖1 家庭服務(wù)機(jī)器人實(shí)物圖
傳感器�？梢耘c家庭成員完成人機(jī)交互，回答家庭成員的提問問題。
本文設(shè)計(jì)的家庭服務(wù)機(jī)器人是基于Gene8310的嵌入式設(shè)備，在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了自主移動、動作表演、人臉跟蹤、語音交互、遠(yuǎn)程遙控等功能，測試表明，本系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)定性、使用性和可操作性，可以實(shí)現(xiàn)家庭服務(wù)機(jī)器人的各項(xiàng)工作要求。
Gene8310是Intel推出的1款嵌入式設(shè)備，具有體積小巧，工作穩(wěn)定，可擴(kuò)展性強(qiáng)等特性，支持單5V供電工作。
Gene8310嵌入式主板尺寸長146mm寬101.6mm，內(nèi)置Intel Celeron處理器主頻600MHz，最大可支持1GB的SODIMM內(nèi)存插槽，配有CF卡插槽，硬盤接口，PS2接口、4個USB2.0接口，2個RS232接口，音頻輸入輸出接口，可接CRT/LCD顯示器。
2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)
2.1 整體系統(tǒng)設(shè)計(jì)
本文系統(tǒng)設(shè)計(jì)如圖2所示。
圖2 機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖
針對家庭服務(wù)機(jī)器人的任務(wù)要求，將機(jī)器人控制系統(tǒng)分成以下模塊：嵌入式系統(tǒng)、攝像頭、揚(yáng)聲器、麥克風(fēng)、人臉跟蹤系統(tǒng)、語音識別系統(tǒng)、無線通訊系統(tǒng)等。嵌入式系統(tǒng)采用Gene8310微型主板作為硬件平臺，運(yùn)行Windows操作系統(tǒng);人臉跟蹤系統(tǒng)、語音識別系統(tǒng)是運(yùn)行在Windows操作系統(tǒng)下面的基于VC的程序;無線通訊系統(tǒng)是基于Q2501B的GPRS通訊模塊;動作控制是基于PIC16F877A的7自由度伺服電機(jī)的控制;行走控制是雙行走輪差動控制的驅(qū)動方式。
2.2 動作控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
家庭服務(wù)機(jī)器人的動作主要是讓機(jī)器人模擬人的手臂關(guān)節(jié)，以便機(jī)器人實(shí)現(xiàn)人的1些動作，本論文設(shè)計(jì)的機(jī)器人手臂有3個自由度，分別模擬人體的肩關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)，可以實(shí)現(xiàn)抬臂、彎臂、擺臂等動作，1個手臂3個自由度的組合，可以實(shí)現(xiàn)握手、揮手、招手等動作，兩個手臂的組合又可以實(shí)現(xiàn)鼓掌、擁抱等人的基本動作。
2.3 行走控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
家庭服務(wù)機(jī)器人行走控制系統(tǒng)采用的是雙行走輪差動控制的驅(qū)動方式，機(jī)器人的模型如圖3所示。這里我們假定機(jī)器人和地面之間是純滾動的，行走輪只旋轉(zhuǎn)不打滑，得到運(yùn)動學(xué)模型公式：
式中： （x, y）為機(jī)器人中心O點(diǎn)的參考坐標(biāo);θ為機(jī)器人中心O點(diǎn)的運(yùn)動方向角;ν為機(jī)器人中心O點(diǎn)的速度;ω為機(jī)器人差動轉(zhuǎn)向的角速度。
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根據(jù)上述數(shù)學(xué)模型，結(jié)合機(jī)器人的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，把機(jī)器人的運(yùn)動簡化為與地面接觸的兩點(diǎn)運(yùn)動，兩點(diǎn)的位置決定了機(jī)器人的位置，兩點(diǎn)的運(yùn)動狀態(tài)決定了機(jī)器人的運(yùn)動狀態(tài)。圖3中XOY為全局坐標(biāo)系，xoy為機(jī)器人坐標(biāo)系，O為速度瞬心。
圖3 家庭服務(wù)機(jī)器人行走控制
在此，把前進(jìn)的方向作為正方向，把后退的方向作為負(fù)方向，統(tǒng)1起來分析，設(shè)在某1時刻，左、右行走輪的速度為vL 、vR ，左、右行走輪角速度為ωL、ωR ，在很短的時間間隔Δt 內(nèi)，機(jī)器人的方向和線速度可以近似認(rèn)為不改變。兩行走輪與地面接觸點(diǎn)之間的距離（即機(jī)器人兩行走輪的跨距）為l。
在行走過程中，主控制系統(tǒng)把規(guī)劃好的路徑轉(zhuǎn)變成隨時間變化的兩個獨(dú)立驅(qū)動輪的角速度的控制，通過驅(qū)動器和電動機(jī)，分別去驅(qū)動兩個驅(qū)動輪，兩個驅(qū)動輪的角速度都要根據(jù)規(guī)劃路徑的變化而變化。當(dāng)家庭成員發(fā)出指令讓機(jī)器人去指定地點(diǎn)的時候，機(jī)器人根據(jù)事先規(guī)劃好的路徑自主到達(dá)指定的目的地。
3 無線通訊
家庭服務(wù)機(jī)器人的無線通訊指的是人與機(jī)器人的遠(yuǎn)程通訊，最好利用現(xiàn)有的家庭成員的物件稍加改進(jìn)皆可以實(shí)現(xiàn)對服務(wù)機(jī)器人的操作。本設(shè)計(jì)基于當(dāng)前比較普及的手機(jī)短信來實(shí)現(xiàn)對機(jī)器人的遠(yuǎn)程通訊，在機(jī)器人控制系統(tǒng)上加1個手機(jī)模塊，然后通過家庭成員的手機(jī)發(fā)短信來控制機(jī)器人。
本設(shè)計(jì)采用的GPRS模塊為wavecom公司的Q2501B，可以快速、安全、可靠的實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信、語音傳輸、短消息服務(wù)，擁有Open AT指令接口，支持文本和PDU模式的短消息，可以方便的通過串口發(fā)送AT指令來操作，值得1提的是，Q2501B模塊內(nèi)部還集成了1個GPS模塊，定位精度3m�？梢苑奖愕膶C(jī)器人的位置信息通過短消息傳送給終端。
機(jī)器人的遠(yuǎn)程遙控主要是通過手機(jī)短信的方式實(shí)現(xiàn)的，在外的家庭成員通過自己的手機(jī)給智能家庭服務(wù)機(jī)器人發(fā)送控制指令，機(jī)器人收到控制指令執(zhí)行相應(yīng)的動作，如圖4所示。
圖4 無線通訊模塊系統(tǒng)框圖
4 人機(jī)交互
家庭服務(wù)機(jī)器人的人機(jī)交互包括家庭成員對機(jī)器人的命令以及機(jī)器人對家庭成員的反饋。本設(shè)計(jì)中的是實(shí)現(xiàn)人與機(jī)器人的語音交互。
4.1 人臉檢測
本設(shè)計(jì)采用人臉膚色模型結(jié)合相似度以及人臉輪廓來檢測和定位人臉。在YCbCr 色彩空間（其中Y 表示亮度, Cb 表示飽和度，Cr 表示色調(diào)）中Y 值不同的地方，CbCr 子平面中膚色聚類區(qū)域是不同的，膚色聚類區(qū)域隨Y 變化而呈現(xiàn)出非線性變化�？紤]Y 值的影響，對YCbCr 色彩格式進(jìn)行非線性分段色彩變換，再將變換后的圖形投影到Cb-Cr2維子空間就可以得到實(shí)用的人臉膚色聚類模型。根據(jù)該模型，可采用基于相似度的方法來檢測人臉。為了消除亮度對人臉膚色的影響，定義r=R/（R+G+B），b=B/（R+G+B），把3維基色空間降解成2維的半基色空間，然后用基于頻域的同態(tài)濾波法對圖像進(jìn)行光照補(bǔ)償處理。這樣就能大大地提高人臉檢測的準(zhǔn)確率。
4.2 語音識別
本設(shè)計(jì)采用的語音識別引擎是基于漢語語義識別的語音識別系統(tǒng)，其對于漢字的識別有2000個漢字，可以滿足家居生活對話的基本需求，當(dāng)前機(jī)器人與人的對話可以實(shí)現(xiàn)生活常識、旅游常識、腦筋急轉(zhuǎn)彎、背詩、聊天等功能，給家庭成員提供娛樂、教育、幫助等功能。
4.3 運(yùn)動響應(yīng)
機(jī)器人對人的運(yùn)動響應(yīng)主要指得是機(jī)器人對人發(fā)出的運(yùn)動指令的相應(yīng)，在本設(shè)計(jì)當(dāng)中，機(jī)器人可以相應(yīng)的運(yùn)動指令有：前進(jìn)、后退、左傳、右轉(zhuǎn)、搖頭、請、招手、擺手、擺臂、揮手、鼓掌、握手、擁抱、再見等。機(jī)器人動作相應(yīng)的過程如下圖所示。
圖5 服務(wù)機(jī)器人運(yùn)動響應(yīng)
家庭成員通過麥克風(fēng)向服務(wù)機(jī)器人發(fā)運(yùn)動要求，語音識別引擎啟動，將識別出來的語義與數(shù)據(jù)庫匹配，取得動作指令碼，然后將動作指令碼通過串口發(fā)送到控制模塊，機(jī)器人執(zhí)行機(jī)構(gòu)執(zhí)行相應(yīng)的動作。
5 結(jié)束語
本文設(shè)計(jì)了基于Gene8310微型主板的智能家庭服務(wù)機(jī)器人系統(tǒng)，本智能家庭服務(wù)機(jī)器人實(shí)現(xiàn)了人臉跟蹤、語音識別、自主移動、動作響應(yīng)、遠(yuǎn)程遙控等功能。其中自主移動采用的是雙行走輪差動控制的驅(qū)動方式，很好的滿足了室內(nèi)全方位移動的特性;遠(yuǎn)程遙控采用的是基于Q2501B的GPRS網(wǎng)絡(luò)，成本低，無距離限制，受環(huán)境影響較小，可以充分利用無線共網(wǎng)的其他優(yōu)點(diǎn)，由于受到現(xiàn)有無線通信公網(wǎng)帶寬的限制，其視頻傳輸?shù)奶攸c(diǎn)較弱，隨著3G技術(shù)的發(fā)展，高帶寬將豐富機(jī)器人遠(yuǎn)程遙控的多媒體交互信息，家庭成員可以遠(yuǎn)程視頻家居內(nèi)部的情況;人臉跟蹤是基于膚色模型和人臉輪廓理論實(shí)現(xiàn)人臉識別跟蹤，模型有較好的實(shí)時性和魯棒性;語音識別采用的是基于模式識別的語音識別引擎，在特定數(shù)據(jù)庫里面可以達(dá)到很好的識別效果，下1步研究將機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)加進(jìn)來，可以讓機(jī)器人在特定家居環(huán)境下完成技能學(xué)習(xí)。經(jīng)測試，機(jī)器人可以完成預(yù)定家庭服務(wù)機(jī)器人的各項(xiàng)基本功能。
參考文獻(xiàn)
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2 陳凱楓. 家庭服務(wù)機(jī)器人的人臉檢測、跟蹤與識別研究[J]. 微計(jì)算機(jī)信息,2006,5-2 : 228-230
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