張培彥 羅帥

摘 要：舞蹈機器人具有娛樂性和觀賞性，市場前景廣闊。該控制方案設(shè)計在傳統(tǒng)舞蹈機器人的基礎(chǔ)上進行了創(chuàng)新，加上語音識別、傳感器、人機交互等模塊，配上相應(yīng)的末端抓取機構(gòu)，使舞蹈機器人可以利用輔助舞蹈器械完成更為復(fù)雜的動作。

關(guān)鍵詞：舞蹈機器人;示教-再現(xiàn);人機交互;聲音識別

中圖分類號：TP242.6 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1003-5168（2019）31-0026-03

The Design of a Dance Robot Control Scheme

ZHANG PeiYan LUO Shuai

（College of Mechanical and Electrical Engineering， Zhengzhou Tourism College，Zhengzhou Henan 451464）

Abstract： The dance robot is entertaining and ornamental， and has a broad market prospect. The control scheme is designed to be innovative on the basis of traditional dance robots， adding speech recognition， sensors， human-computer interaction and other modules， coupled with corresponding end grabbing mechanisms， so that dance robots can use auxiliary dance equipment to complete more complex action.

Keywords： dance robot;teaching-reproduction;human-computer interaction;voice recognition

舞蹈機器人作為一種娛樂性、觀賞性、互動性機器人，具有很大的研究價值和市場開發(fā)價值。舞蹈機器人的制作涉及機械、電子、自控、通信、傳感、人工智能、機器人學(xué)、精密機構(gòu)和仿生材料等多個領(lǐng)域[1]。舞蹈機器人的動作設(shè)計、夾持的輔助器械、對音樂節(jié)奏的契合程度、人機互動的靈敏度等對整體舞蹈效果都至關(guān)重要。本文設(shè)計的舞蹈機器人在機械設(shè)計、控制方案、音樂節(jié)奏識別、人機交互等方面進行了創(chuàng)新，可以實現(xiàn)語音交互、自動選擇舞蹈器械、舞蹈動作與音樂節(jié)奏自動匹配等功能。

1 方案的總體設(shè)計

本文設(shè)計的舞蹈機器人由機械模塊、語音識別模塊、傳感器模塊、電源模塊等組成[2]。

當(dāng)舞蹈機器人接到語音指令后，通過語音識別模塊識別執(zhí)行的信號，機器人開始執(zhí)行動作，自動抓取舞蹈器械，當(dāng)傳感器檢測到舞蹈器械時，將信號傳到機器人控制器，機器人控制器產(chǎn)生控制信號，使末端執(zhí)行器動作，接下來根據(jù)音樂節(jié)奏執(zhí)行編好的舞蹈動作。整體方案如圖1所示。

2 機械設(shè)計

為了實現(xiàn)舞蹈機器人舞蹈動作的多樣化，手臂的末端執(zhí)行機構(gòu)要實現(xiàn)對舞蹈器械進行順利抓取，如刀、劍、扇、棍等，在進行這部分機械設(shè)計時，重點考慮以下幾方面：①抓取對象的大小、質(zhì)量、長短等;②多種抓取對象之間的轉(zhuǎn)換;③抓取對象是否有明確的位置和位相、正反方向;④抓取對象運動的速度變化[3]。

本次設(shè)計的主要工作對象就是刀和劍，舞蹈過程中要保證夾持牢固，動作順滑，設(shè)計過程如下：①選擇合適的夾持方式;②計算夾持力;③設(shè)計夾爪;④傳感器安裝位置。

根據(jù)以上分析及設(shè)計步驟，在三維設(shè)計軟件平臺上完成末端執(zhí)行器部分設(shè)計與運動仿真，如圖2所示。

3 控制方案設(shè)計

舞蹈機器人的舞蹈動作是一連串有節(jié)奏、有快慢、四肢協(xié)調(diào)的連貫動作，機器人的形態(tài)主要靠關(guān)節(jié)位置來實現(xiàn)，因此，讓機器人處于多個不同關(guān)節(jié)狀態(tài)，就能形成一個舞蹈動作，而且舞蹈種類繁多，在實際應(yīng)用中也可以讓使用者自己設(shè)計舞蹈動作，進一步提高舞蹈機器人的娛樂性和觀賞性[4]。在設(shè)計控制方案時，不但要考慮安全穩(wěn)定可靠，而且要考慮易學(xué)習(xí)、易操作、易修改等功能。針對以上控制要求，采用最經(jīng)典、易學(xué)習(xí)操作的示教-再現(xiàn)法，重點是語音識別和音樂與舞蹈相配合的人機交互上?？刂屏鞒倘鐖D3所示。

首先，要確認(rèn)舞蹈機器人各關(guān)節(jié)是否在機械零點處，確保四肢時刻能運行到程序指定的位置上;然后選擇四肢的工作方式，選擇示教-再現(xiàn)功能，讀取控制器中的程序數(shù)據(jù)，按照編制好的程序數(shù)據(jù)驅(qū)動四肢完成舞蹈動作;最后選擇程序運行方式，實現(xiàn)整個舞蹈過程[5]。

4 人機交互功能的實現(xiàn)

舞蹈機器人的舞蹈動作選擇是能根據(jù)人的語言指令進行程序選擇和舞蹈動作的，通過語音識別模塊，識別人的身份和聲音指令，舞蹈機器人根據(jù)指令作出相應(yīng)動作?；诼暱ǖ墓ぷ髟恚捎寐暱ù罱〝?shù)據(jù)采集系統(tǒng)，從而采集外部的人的聲音。根據(jù)人的語音波形中反映人生理和行為特征等一些獨特信息的參數(shù)，從而自動識別說話者身份的技術(shù)，通過分析人的聲音，并建立分析模型，再用計算機對模型和輸入的語音進行配對，根據(jù)配對結(jié)果辨認(rèn)說話人。基于LabVIEW開發(fā)環(huán)境實現(xiàn)人機交互的主程序流程如圖4所示。

5 語音識別方案設(shè)計與實現(xiàn)

語音識別的作用是將人的語言中的詞匯轉(zhuǎn)化成計算機或其他控制器可讀的輸入，例如，按鍵、二進制或者字符序列等。語音識別系統(tǒng)都是由3個模塊組成的，分別是參考模型庫、聲音特征提取及模式匹配[6]，基本框圖如圖5所示。

舞蹈機器人通過麥克風(fēng)等拾音設(shè)備，將人的原始聲音信號轉(zhuǎn)換為電信號，接下來語音識別系統(tǒng)對信號進行處理，通過特殊算法提取出可以表現(xiàn)人語音特點的特征參數(shù)，用來區(qū)分不同人的語音信號，然后將該語音信號與參考語音庫中的語音特征參數(shù)進行匹配，經(jīng)過比對后將最佳結(jié)果作為識別結(jié)果，以此作為控制信號進行后續(xù)操作。本舞蹈機器人利用LD3320語音芯片，大大簡化語音處理的技術(shù)步驟，從而使語音識別的功能得以模塊化處理。LD3320芯片是一款非特定人語音識別芯片，其所提供的語音識別技術(shù)是基于關(guān)鍵詞語列表的識別技術(shù)，即ASR技術(shù)[7]，當(dāng)識別到人的語音信號中有關(guān)鍵詞信息時，其就可以給出識別結(jié)果，再將結(jié)果傳給后續(xù)的處理器。工作過程如圖6所示。

主控制器采用STM32，結(jié)合語音識別芯片LD3320共同實現(xiàn)既定功能[8]。當(dāng)用戶發(fā)出指令信息后，LD3320模塊將處理過的聲音信息傳送到主控制器，經(jīng)由處理器處理后，將命令數(shù)據(jù)傳送給計算機，通過計算機的再分配處理進行后續(xù)控制。

6 方案整體測試

舞蹈機器人的整體結(jié)構(gòu)如圖7所示。本方案搭建完畢后，經(jīng)過反復(fù)測試，語音識別及控制功能正常，系統(tǒng)運行穩(wěn)定，可以達到預(yù)期效果。

7 結(jié)語

本文探討了一種舞蹈機器人控制方案的設(shè)計思路。運用模塊化的方法對舞蹈機器人系統(tǒng)中的各個部分進行詳細(xì)介紹，重點在人機交互、語音識別、末端執(zhí)行器設(shè)計等方面進行創(chuàng)新。按照系統(tǒng)分析設(shè)計的一般規(guī)律，從預(yù)想的設(shè)計效果到給出實現(xiàn)方案，拓展了舞蹈機器人的功能。

參考文獻：

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