基于Gene8310的嵌入式家庭服務(wù)機(jī)器人
系統(tǒng)設(shè)計和實現(xiàn)

魯振王志良

北京科技大學(xué)
摘要：為了實現(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，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)，實現(xiàn)了機(jī)器人與人的和諧交互。實踐證明該系統(tǒng)具有較好的實時性和魯棒性。
關(guān)鍵詞：Gene8310?家庭服務(wù)機(jī)器人?嵌入式系統(tǒng)

Design and?Realization of Embedded System Based on Gene8310 for a Home Serve Robot

Lu Zhen Wang Zhiliang

Abstract: The home serve robot has many functions, such as: face track, voice recognition, autonomous move, action performance, and remote control. This design use Gene8310 SubCompact Boards as embedded system. Besides this, communication, sensor, motor driver have expand in this system. Face tracking, voice recognition have also import in this system. Tests have shown that the designed system is automatically and robustly in real-time.
Keywords:?Gene8310 home serve robot embedded system

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)一步加強機(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)的三自由度結(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)器人實物圖

傳感器。可以與家庭成員完成人機(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，可以實現(xiàn)家庭服務(wù)機(jī)器人的各項工作要求。
Gene8310是Intel推出的一款嵌入式設(shè)備，具有體積小巧，工作穩(wěn)定，可擴(kuò)展性強等特性，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

2.1?整體系統(tǒng)設(shè)計

本文系統(tǒng)設(shè)計如圖2所示。

圖2?機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計框圖

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，運行Windows操作系統(tǒng)；人臉跟蹤系統(tǒng)、語音識別系統(tǒng)是運行在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

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)器人實現(xiàn)人的一些動作，本論文設(shè)計的機(jī)器人手臂有三個自由度，分別模擬人體的肩關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)，可以實現(xiàn)抬臂、彎臂、擺臂等動作，一個手臂三個自由度的組合，可以實現(xiàn)握手、揮手、招手等動作，兩個手臂的組合又可以實現(xiàn)鼓掌、擁抱等人的基本動作。
2.3?行走控制系統(tǒng)設(shè)計

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，得到運動學(xué)模型公式：
式中：?(x,?y)為機(jī)器人中心O點的參考坐標(biāo)；θ為機(jī)器人中心O點的運動方向角；ν為機(jī)器人中心O點的速度；ω為機(jī)器人差動轉(zhuǎn)向的角速度。
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，把機(jī)器人的運動簡化為與地面接觸的兩點運動，兩點的位置決定了機(jī)器人的位置，兩點的運動狀態(tài)決定了機(jī)器人的運動狀態(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)一起來分析，設(shè)在某一時刻，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)皆可以實現(xiàn)對服務(wù)機(jī)器人的操作。本設(shè)計基于當(dāng)前比較普及的手機(jī)短信來實現(xiàn)對機(jī)器人的遠(yuǎn)程通訊，在機(jī)器人控制系統(tǒng)上加一個手機(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)計采用的GPRS模塊為wavecom公司的Q2501B，可以快速、安全、可靠的實現(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，值得一提的是，Q2501B模塊內(nèi)部還集成了一個GPS模塊，定位精度3m。可以方便的將機(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)計中的是實現(xiàn)人與機(jī)器人的語音交互。
本設(shè)計中家庭服務(wù)機(jī)器人可以完成人臉的識別，跟蹤，將人臉用紅色矩形框標(biāo)示出來。如圖5所示。

圖5?人機(jī)交互窗口

4.1?人臉檢測

本設(shè)計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。考慮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-Cr二維子空間就可以得到實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)，把三維基色空間降解成二維的半基色空間，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?運動響應(yīng)

機(jī)器人對人的運動響應(yīng)主要指得是機(jī)器人對人發(fā)出的運動指令的相應(yīng)，在本設(shè)計當(dāng)中，機(jī)器人可以相應(yīng)的運動指令有：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6?服務(wù)機(jī)器人運動響應(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，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現(xiàn)人臉識別跟蹤，模型有較好的實時性和魯棒性；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，下一步研究將機(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)器人的各項基本功能。
參考文獻(xiàn)
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