山東科技大學(xué)電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院 蘇衍保 劉自清 聶 磊

校園智能服務(wù)機(jī)器人研究與設(shè)計(jì)

山東科技大學(xué)電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院 蘇衍保 劉自清 聶 磊

傳統(tǒng)的機(jī)器人都是以演示為主，功能單一，智能化程度較低。本文設(shè)計(jì)了一款面向校園的智能迎賓機(jī)器人，具有迎賓禮儀和教學(xué)實(shí)踐功能。本文重點(diǎn)介紹面向校園的智能服務(wù)機(jī)器人系統(tǒng)架構(gòu)，包括軟件和硬件結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)，以及實(shí)現(xiàn)方案和實(shí)驗(yàn)結(jié)果。該機(jī)器人能夠在展館進(jìn)行接待和引導(dǎo)服務(wù)，具有自主移動(dòng)、智能引導(dǎo)、人臉識(shí)別、語(yǔ)音識(shí)別與合成等功能，是一種更加豐富可靠的智能引導(dǎo)服務(wù)機(jī)器人。通過(guò)實(shí)踐表明，該機(jī)器人系統(tǒng)具有可靠的穩(wěn)定行，實(shí)現(xiàn)了在校園的來(lái)賓接待和教學(xué)服務(wù)功能，實(shí)現(xiàn)了人工智能。

智能引導(dǎo)；圖像處理；人工智能

0　引言

隨著機(jī)器人技術(shù)日臻成熟和社會(huì)水平的提高,機(jī)器人的應(yīng)用已不再僅限于工業(yè)制造領(lǐng)域，服務(wù)機(jī)器人是其發(fā)展的一個(gè)新的領(lǐng)域。迎賓機(jī)器人有多變且友善的外觀，可以和人類(lèi)進(jìn)行良好的音頻視頻互動(dòng)，具有自主移動(dòng)定位功能，并且方便搭載各行業(yè)專(zhuān)業(yè)的儀器設(shè)備。由于機(jī)器人技術(shù)的復(fù)雜性，應(yīng)用過(guò)程中難免會(huì)出現(xiàn)一些錯(cuò)誤，因此研究一種實(shí)用、靈活、可靠性高的智能引導(dǎo)服務(wù)機(jī)器人具有重要的應(yīng)用價(jià)值[1]。

本文以山東科技大學(xué)迎新現(xiàn)場(chǎng)和校史館迎賓為應(yīng)用背景，研發(fā)設(shè)計(jì)一款形象逼真、生動(dòng)活潑的校園服務(wù)機(jī)器人。主要有語(yǔ)音識(shí)別與合成、人臉識(shí)別、迎賓、娛樂(lè)、知識(shí)問(wèn)答、照相錄像、運(yùn)動(dòng)避障等功能。具有很高的人性化、智能化，方便快捷，為同學(xué)的校園生活增加樂(lè)趣。本文主要通過(guò)對(duì)機(jī)器人系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)，把先進(jìn)的技術(shù)應(yīng)用到了機(jī)器人上，使得機(jī)器人具有很高的人工智能性。

1　系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1整體設(shè)計(jì)

迎賓機(jī)器人功能主要在于是否能與人友好交流，迎接賓客。為了實(shí)現(xiàn)智能服務(wù)和自主移動(dòng)，設(shè)計(jì)了機(jī)器人如圖1。機(jī)器人的總體設(shè)計(jì)為類(lèi)人形機(jī)器人，由LED顯示模塊、運(yùn)動(dòng)模塊、工控機(jī)、雙目攝像頭、機(jī)械手臂、鋰電池等其他部分構(gòu)成。機(jī)器人功能模塊主要包含語(yǔ)音模塊、人臉識(shí)別模塊、機(jī)器人運(yùn)動(dòng)模塊、表情模塊、運(yùn)動(dòng)壁障等模塊。

圖1　機(jī)器人內(nèi)部結(jié)構(gòu)

1.2設(shè)計(jì)功能

機(jī)器人設(shè)計(jì)功能包括：1）全向輪自由行走，局部自主定位。2）人機(jī)語(yǔ)音交互功能?？膳c機(jī)器人交流“學(xué)校新聞動(dòng)態(tài)”“機(jī)器人知識(shí)”、“教育知識(shí)”等。機(jī)器人可以語(yǔ)音介紹學(xué)校的基本情況，并回答來(lái)賓問(wèn)題。3）基于語(yǔ)音識(shí)別的舞蹈、抓取物體等任務(wù)。4）可以進(jìn)行身份識(shí)。5）教學(xué)輔助功能，可以幫助老師播放PPT和錄制課堂視頻。

2　人臉識(shí)別技術(shù)及其實(shí)現(xiàn)

本機(jī)器人在漢唐龍城人臉識(shí)別引擎的基礎(chǔ)上，對(duì)OpenCv在Visual C++ 2013開(kāi)發(fā)環(huán)境下進(jìn)行配置，開(kāi)發(fā)了自己的人臉識(shí)別程序包。本機(jī)器人通過(guò)其頸部的攝像頭檢測(cè)人臉，傳入工控機(jī)進(jìn)行人臉識(shí)。人臉識(shí)別是通過(guò)AdaBoost算法和膚色檢測(cè)算法相結(jié)合，通過(guò)C++程序?qū)崿F(xiàn)的。首先進(jìn)行人員信息注冊(cè)，建立人臉識(shí)別身份數(shù)據(jù)庫(kù)，然后采集人臉圖片進(jìn)行注冊(cè)。人臉識(shí)別測(cè)試界面如圖2所示，試驗(yàn)結(jié)果：ID為8，score為0.81。識(shí)別結(jié)果為數(shù)據(jù)庫(kù)儲(chǔ)存的人員信息，人臉識(shí)別準(zhǔn)確率符合要求。當(dāng)識(shí)別成功時(shí)，機(jī)器人會(huì)主動(dòng)向來(lái)賓打招呼，合成“***您好，歡迎您來(lái)到，山東科技大學(xué)”等語(yǔ)音，并提示賓客選擇相應(yīng)的服務(wù)功能。如果未注冊(cè)人員識(shí)別，就合成語(yǔ)音“您好，我還不認(rèn)識(shí)您，請(qǐng)您先注冊(cè)信息”，讓來(lái)訪的賓客感受山東科技大學(xué)的熱情。

圖2　人臉識(shí)別

圖3　教學(xué)及人臉功能測(cè)試

3　實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為了測(cè)試機(jī)器人的語(yǔ)音識(shí)和運(yùn)動(dòng)壁障功能，我們進(jìn)行了握手、再見(jiàn)、舞蹈、前進(jìn)、后退等動(dòng)作測(cè)試。通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，機(jī)器人能準(zhǔn)確識(shí)別人說(shuō)話，并完成指定動(dòng)作表演，通過(guò)語(yǔ)音合成與人進(jìn)行交流表達(dá)服務(wù)意愿。機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)壁障功能讓本機(jī)器人，具有更強(qiáng)的自主性，能快速、準(zhǔn)確的躲避障礙物。此外還進(jìn)行人臉識(shí)別測(cè)試和教學(xué)功能測(cè)試，如圖3所示。實(shí)驗(yàn)表明，機(jī)器人能完成視頻播放錄制，拍照，播放課件，人臉識(shí)別等功能。最終機(jī)器人能很好的實(shí)現(xiàn)校園服務(wù)功能。

4　總結(jié)和展望

本文設(shè)計(jì)了一款類(lèi)人型智能迎賓機(jī)器人系，具有自主移動(dòng)壁障功能，采用先進(jìn)的語(yǔ)音識(shí)別，人臉識(shí)別軟件，使機(jī)器人實(shí)現(xiàn)了智能人機(jī)交互，并且實(shí)現(xiàn)了最大15m的語(yǔ)音控制。本機(jī)器人主具有低成本、低功耗、可靠性高、綜合性高、實(shí)時(shí)性好、功能豐富、更能提供優(yōu)質(zhì)的服務(wù)功能。控制方式靈活多變可適應(yīng)不同場(chǎng)合的要求最終實(shí)現(xiàn)了一種集多種功能為一體，實(shí)用、靈活、操作方便的交互式智能迎賓機(jī)器人。

在未來(lái)的應(yīng)用中，可以加入機(jī)器人自主定位，校園導(dǎo)航和在線自動(dòng)搜索功能，讓機(jī)器人更具實(shí)用性，而不僅限于校園應(yīng)用。

[1]蔡自興.機(jī)器人學(xué)(第二版)[M].北京:清華大學(xué)出版社礦業(yè)大學(xué)出版社,2010.9:1-68,158-218.

[2]劉玉芹,劉敬文.超聲波測(cè)距儀在移動(dòng)機(jī)器人壁障中的應(yīng)用[A].儀器儀表學(xué)報(bào),2006,6:1568-1560.

[3]蔡自興,鄭敏捷,鄒小兵.基于激光雷達(dá)的移動(dòng)機(jī)器人實(shí)時(shí)避障策略[J].中南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2006,37(2):324-329.

[4]魏冬冬,諶海新,聶鐵濤.人臉特征提取與識(shí)別技術(shù)研究[A].計(jì)算機(jī)與現(xiàn)代化,2007,3:69-72.

[5]李盛文,鮑蘇蘇.基于PCA+Adaboost算法的人臉識(shí)別技術(shù)[A].計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用,2010,46(10):170-173.

[6]宋章軍.服務(wù)機(jī)器人的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)[J].集成技術(shù),Vol.1,No.3,Sep. 2012:1-9.

蘇衍保（1988—），男，山東菏澤人，山東科技大學(xué)碩士研究生，主要研究方向：嵌入式軟件開(kāi)發(fā)與系統(tǒng)集成，機(jī)器人控制與系統(tǒng)集成。