黃道燚　陳樂珠　陳昌文

摘 ? 要： 融合物聯(lián)網(wǎng)、無(wú)線通信、安卓系統(tǒng)、語(yǔ)音文本播放等技術(shù)，設(shè)計(jì)一款基于圖靈機(jī)器人的多功能智能機(jī)器人。在多功能智能系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)上，以STM32103C8T6作為主控芯片，驅(qū)動(dòng)藍(lán)牙模塊與手機(jī)APP進(jìn)行通信，接收指令和動(dòng)作;與機(jī)器人動(dòng)作控制芯片STC15W4K16S4通信，驅(qū)動(dòng)機(jī)器人關(guān)節(jié)舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)各種動(dòng)作;驅(qū)動(dòng)語(yǔ)音文本播放模塊進(jìn)行語(yǔ)音播報(bào)，實(shí)現(xiàn)聊天功能。在軟件設(shè)計(jì)上，進(jìn)行主控芯片的軟件設(shè)計(jì)、動(dòng)作控制芯片的程序設(shè)計(jì)、安卓應(yīng)用界面和程序組件設(shè)計(jì)，并借助圖靈機(jī)器人系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)與使用者的任意對(duì)話。相比傳統(tǒng)聊天機(jī)器人，擴(kuò)展的圖靈機(jī)器人增加了肢體互動(dòng)、語(yǔ)音互動(dòng)等功能，且性價(jià)比合理。多功能智能機(jī)器人不僅可陪伴學(xué)習(xí)和娛樂，也為工業(yè)領(lǐng)域機(jī)器人設(shè)計(jì)和控制提出了新思路。

關(guān)鍵詞： 圖靈機(jī)器人;智能機(jī)器人;STM32103C8T6;語(yǔ)音文本播放;主控芯片

中圖分類號(hào)：TP3;TN91 ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ?文章編號(hào)：2095-8412 （2020） 04-011-09

工業(yè)技術(shù)創(chuàng)新 URL： http：//gyjs.cbpt.cnki.net ? ?DOI： 10.14103/j.issn.2095-8412.2020.04.003

引言

隨著電子科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展與人民生活水平的提高，智能機(jī)器人產(chǎn)品越來(lái)越受到生產(chǎn)生活各個(gè)領(lǐng)域的關(guān)注。

目前，在智能機(jī)器人設(shè)計(jì)研究中，雙足行走機(jī)器人功能比較單一，其原理大多基于機(jī)器人的行走控制，在人機(jī)互動(dòng)方面尚有不足;在聊天對(duì)話機(jī)器人方面，針對(duì)應(yīng)用軟件的研究較多，硬件設(shè)計(jì)不夠深入[1]。由此，本文從硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)兩方面，設(shè)計(jì)一款具有舞蹈、聊天等功能的智能機(jī)器人。研究思路是：首先進(jìn)行系統(tǒng)整體方案的模塊化設(shè)計(jì);其次對(duì)硬件和軟件進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì);最后從成本、效果等方面對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行評(píng)價(jià)。

1 系統(tǒng)整體方案

本系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示。

系統(tǒng)采用STM32103C8T6作為主控芯片，協(xié)調(diào)整個(gè)系統(tǒng)。主控芯片驅(qū)動(dòng)藍(lán)牙模塊與手機(jī)APP進(jìn)行通信，接收手機(jī)APP下達(dá)的各種指令和動(dòng)作;經(jīng)串口與機(jī)器人動(dòng)作控制芯片STC15W4K16S4進(jìn)行通信，使其驅(qū)動(dòng)機(jī)器人關(guān)節(jié)舵機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的各種動(dòng)作;驅(qū)動(dòng)OLED屏和眼睛動(dòng)作控制舵機(jī)，模擬和顯示機(jī)器人眼睛的動(dòng)作;驅(qū)動(dòng)語(yǔ)音文本播放模塊[2]進(jìn)行語(yǔ)音播報(bào)，實(shí)現(xiàn)聊天功能。電源模塊為整個(gè)系統(tǒng)各個(gè)模塊提供電壓、實(shí)現(xiàn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)。系統(tǒng)各個(gè)部分協(xié)同工作，完成舞蹈、聊天等功能。作品實(shí)物和應(yīng)用APP截圖如圖2所示。

2 ?系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)電路包括：主控芯片子電路、模擬眼睛及動(dòng)作控制子電路、關(guān)節(jié)舵機(jī)控制子電路、聊天語(yǔ)音處理子電路、HC-06藍(lán)牙通信子電路、電源電路。

2.1 ?主控芯片子電路

主控芯片子電路主要由主控芯片STM32F103C8T6及其最小系統(tǒng)構(gòu)成，該芯片為32位單片機(jī)芯片，優(yōu)點(diǎn)是具備比較強(qiáng)的抗干擾能力，不僅價(jià)格低廉，還具有較快的處理速度和較多的通信串口，能夠合理地滿足本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需求。主控芯片為本系統(tǒng)的調(diào)劑中心，組織和處理各個(gè)模塊之間的功能配合，主控芯片及其最小系統(tǒng)電路如圖3所示。

2.2 ?模擬眼睛及動(dòng)作控制子電路

模擬眼睛及動(dòng)作控制子電路如圖4所示，主要使用OLED屏來(lái)模擬顯示機(jī)器人的兩只眼睛及其眼珠的滾動(dòng)等動(dòng)作。舵機(jī)模塊則主要控制整個(gè)眼睛的上下移動(dòng)，使得機(jī)器人顯得更加靈活、有趣。舵機(jī)模塊由主控芯片STM32F103C8T6的PB4、PB5管腳控制，而OLED屏則由PB12、PB13、PB14、PB15管腳驅(qū)動(dòng)。

2.3 ?關(guān)節(jié)舵機(jī)控制子電路

關(guān)節(jié)舵機(jī)控制子電路包括兩部分：機(jī)器人動(dòng)作控制芯片電路和機(jī)器人關(guān)節(jié)舵機(jī)電路。

機(jī)器人動(dòng)作控制芯片電路如圖5所示，包括機(jī)器人動(dòng)作控制芯片STC15W4K16S4、串口電平轉(zhuǎn)換芯片CH340G、存儲(chǔ)芯片W25Q64等，主要完成機(jī)器人關(guān)節(jié)舵機(jī)的驅(qū)動(dòng)[3]、動(dòng)作組的存儲(chǔ)、與PC端上位機(jī)及系統(tǒng)主控芯片STM32F103C8T6的串口通信等功能。

機(jī)器人關(guān)節(jié)舵機(jī)電路如圖6所示，由6個(gè)舵機(jī)構(gòu)成。主要功能為配合機(jī)器人動(dòng)作控制芯片，完成機(jī)器人行走、彎腰、翻跟斗等各種動(dòng)作。舵機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)由STC15W4K16S4單片機(jī)的P1.7、P5.4、P5.5、P3.2、P3.5、P3.6等進(jìn)行驅(qū)動(dòng)控制。

2.4 ?聊天語(yǔ)音處理和藍(lán)牙通信子電路

圖7為聊天語(yǔ)音處理和藍(lán)牙通信子電路，由主控芯片STM32F103C8T6的兩個(gè)串口對(duì)其進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。藍(lán)牙模塊起到連接主控芯片和手機(jī)APP的作用，完成手機(jī)APP和主控芯片之間的信息交互，而語(yǔ)音文本播放模塊的功能，主要是將主控芯片發(fā)送過來(lái)的文本信息播讀出來(lái)，完成聊天語(yǔ)音處理和輸出功能。

2.5 ?電源電路

電源電路主要由AMS1117-3.3、AMS1117-5.3穩(wěn)壓芯片、二極管、電容等構(gòu)成。機(jī)器人電源采用鋰電池，電壓為9 V，而主控芯片和機(jī)器人控制芯片的工作電壓分別為3.3 V和5 V。電源電路主要進(jìn)行上述電壓的轉(zhuǎn)換和實(shí)現(xiàn)。

3 ?系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)包括主控芯片的軟件設(shè)計(jì)、動(dòng)作控制芯片的程序設(shè)計(jì)、安卓應(yīng)用界面和程序組件設(shè)計(jì)。

3.1 ?系統(tǒng)主控芯片的軟件設(shè)計(jì)

主控芯片STM32F103C8T6的總體軟件設(shè)計(jì)包括：

（1）初始化。包括I/O口、定時(shí)器、串口通信等的初始化工作。

（2）眼睛顯示。驅(qū)動(dòng)OLED屏顯示初始眼睛圖片，其中單片機(jī)的PB12、PB13管腳驅(qū)動(dòng)左邊屏，令其顯示左眼圖片;PB14、PB15管腳驅(qū)動(dòng)右邊屏，令其顯示右眼圖片。本設(shè)計(jì)所使用的OLED屏具有128×64黑白像素，采用I2C通信。在程序中，使用普通的I/O口來(lái)模擬I2C通信，由于篇幅關(guān)系，具體的驅(qū)動(dòng)過程不作詳述。

（3）播報(bào)啟動(dòng)提示音。驅(qū)動(dòng)語(yǔ)音文本播放模塊播報(bào)“主人你好，請(qǐng)連接藍(lán)牙！”（語(yǔ)音文本播放模塊的驅(qū)動(dòng)過程見后）。

（4）串口中斷處理子程序。在本程序中，串口中斷主要是指收到來(lái)自藍(lán)牙模塊的數(shù)據(jù)而產(chǎn)生的中斷，而藍(lán)牙模塊的數(shù)據(jù)來(lái)源為手機(jī)APP，所以實(shí)際上所處理的數(shù)據(jù)為手機(jī)APP的動(dòng)作指令或文本信息。將信息接收并存儲(chǔ)到對(duì)應(yīng)的數(shù)組，等待后續(xù)處理。

串口中斷處理子程序流程圖如圖8所示。根據(jù)幀頭判斷數(shù)據(jù)是動(dòng)作指令還是語(yǔ)音文本，然后對(duì)后面的數(shù)據(jù)進(jìn)行接收，并存入相應(yīng)的數(shù)組。當(dāng)數(shù)據(jù)為語(yǔ)音文本信息時(shí)，累加信息數(shù)據(jù)長(zhǎng)度，作為后面語(yǔ)音文本輸入的參數(shù)之一。

動(dòng)作指令緩存數(shù)組res[]的各個(gè)元素為：

{0X5A，0X5A，0X02，0X01，0X00，0X00，0X96，0X96};

各個(gè)元素的含義依次為：

幀頭、幀頭、動(dòng)作組序號(hào)、運(yùn)行次數(shù)、左眼參數(shù)、右眼參數(shù)、左眼舵機(jī)1參數(shù)、右眼舵機(jī)2參數(shù)。

文本信息數(shù)組hanzi[]存儲(chǔ)要播報(bào)的文本數(shù)據(jù)，變量cnt存儲(chǔ)文本數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度。

（5）驅(qū)動(dòng)機(jī)器人動(dòng)作控制MCU。當(dāng)機(jī)器人收到來(lái)自手機(jī)APP的動(dòng)作指令時(shí)，判斷動(dòng)作指令，并按照與機(jī)器人動(dòng)作控制MCU事先約定好的通信協(xié)議[3]，發(fā)送對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)組，令機(jī)器人執(zhí)行相對(duì)應(yīng)的動(dòng)作。處理動(dòng)作指令及驅(qū)動(dòng)機(jī)器人動(dòng)作控制MCU子程序流程如圖9所示，其中res[2]存儲(chǔ)的值為動(dòng)作組序號(hào)。

機(jī)器人動(dòng)作控制MCU的通信協(xié)議如下：

{0X55，0X55，0X05，0X06，0X01，0X00，0X02};

各個(gè)元素的含義依次為：

幀頭、幀頭、數(shù)據(jù)長(zhǎng)度（幀頭除外）、動(dòng)作組指令、動(dòng)作組編號(hào)、動(dòng)作組運(yùn)行次數(shù)、動(dòng)作組運(yùn)行次數(shù)。

（6）語(yǔ)音文本播放子程序。當(dāng)機(jī)器人收到來(lái)自手機(jī)APP的文本信息時(shí)，驅(qū)動(dòng)語(yǔ)音文本播放模塊播讀收到的文本信息。該文本的起始文本來(lái)源于圖靈機(jī)器人服務(wù)器[4]，其針對(duì)用戶對(duì)話進(jìn)行回復(fù)，播讀出來(lái)，相當(dāng)于回答了用戶的對(duì)話。語(yǔ)音文本播放子程序流程如圖10所示。

（7）眼睛動(dòng)作子程序。眼睛動(dòng)作使用OLED屏來(lái)實(shí)現(xiàn)，對(duì)眼睛圖片進(jìn)行切換，使用定時(shí)器對(duì)圖片組進(jìn)行定時(shí)切換，模擬出眼珠的滾動(dòng)、眨眼等動(dòng)作。另外，配合眼部動(dòng)作舵機(jī)，控制整個(gè)眼睛的晃動(dòng)。

3.2 ?動(dòng)作控制芯片的程序設(shè)計(jì)

動(dòng)作控制芯片STC15W4K16S4的程序設(shè)計(jì)流程如圖11所示。

系統(tǒng)啟動(dòng)后，對(duì)串口通信、定時(shí)器等進(jìn)行初始化。初始化完成后，等待串口通信中斷，并接收數(shù)據(jù)指令，根據(jù)收到的指令執(zhí)行相對(duì)應(yīng)的動(dòng)作操作或存儲(chǔ)。機(jī)器人的動(dòng)作執(zhí)行由6個(gè)舵機(jī)來(lái)完成，6個(gè)舵機(jī)分別由單片機(jī)P1.7、P5.4、P5.5、P3.2、P3.5、P3.6口進(jìn)行控制。本設(shè)計(jì)采用的舵機(jī)為脈沖控制，單片機(jī)向舵機(jī)發(fā)送周期為20 ms的方波脈沖，其中高電平的持續(xù)時(shí)間為0～2.5 ms，通過改變高電平的持續(xù)時(shí)間來(lái)改變舵機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度。程序通過定時(shí)器配合來(lái)實(shí)現(xiàn)，先用定時(shí)器定時(shí)輸出所需要的高電平時(shí)間t1，此段時(shí)間管腳輸出高電平，從高電平到再定時(shí)輸出低電平的持續(xù)時(shí)間為t2，且t2=20 ms-t1，此段時(shí)間管腳輸出低電平，以此往復(fù)，即可輸出所需要的方波脈沖。在本設(shè)計(jì)中，6個(gè)舵機(jī)使用同一個(gè)定時(shí)器，采用時(shí)分復(fù)用的方法對(duì)6個(gè)舵機(jī)分別進(jìn)行控制。

3.3 ?安卓應(yīng)用界面和程序組件設(shè)計(jì)

手機(jī)APP基于安卓系統(tǒng)，主要使用app-inventor軟件[5]進(jìn)行設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)界面如圖12所示，其中包括藍(lán)牙操作按鈕和列表選擇框、動(dòng)作控制按鈕、畫布和精靈球（方向球）、話筒按鈕，以及顯示文本、布局、背景等。

APP啟動(dòng)后，引導(dǎo)用戶進(jìn)行機(jī)器人藍(lán)牙模塊的配對(duì)和連接。

藍(lán)牙連接完成后，實(shí)現(xiàn)與人的動(dòng)作交互，例如：若用戶點(diǎn)擊了動(dòng)作按鈕或者拖動(dòng)了方向球，則通過藍(lán)牙客戶端發(fā)送相對(duì)應(yīng)的指令到藍(lán)牙模塊，藍(lán)牙模塊再將指令轉(zhuǎn)發(fā)到系統(tǒng)主控芯片，讓其控制機(jī)器人完成相對(duì)應(yīng)的動(dòng)作。

當(dāng)用戶與APP進(jìn)行語(yǔ)音交互時(shí)，調(diào)用科大訊飛語(yǔ)記程序?qū)τ脩舻恼Z(yǔ)音進(jìn)行識(shí)別，并根據(jù)識(shí)別后的文本內(nèi)容進(jìn)行處理，流程如圖13所示。如果包含關(guān)鍵字，則按照?qǐng)D13中“含關(guān)鍵字”的流程進(jìn)行處理;如果不含關(guān)鍵字，則為普通聊天，此時(shí)需要將用戶已被識(shí)別的語(yǔ)音文本通過手機(jī)網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到圖靈機(jī)器人服務(wù)器進(jìn)行處理。APP與圖靈服務(wù)器的通信協(xié)議為http協(xié)議，在這個(gè)通信過程中，APP發(fā)送get請(qǐng)求到圖靈機(jī)器人服務(wù)器，請(qǐng)求地址為服務(wù)器的地址，請(qǐng)求的參數(shù)一個(gè)為在服務(wù)器申請(qǐng)的api-key[6]，另一個(gè)則為識(shí)別后的文本。圖靈機(jī)器人服務(wù)器經(jīng)云計(jì)算、知識(shí)庫(kù)等進(jìn)行處理，處理后會(huì)返回相對(duì)于該文本的應(yīng)答語(yǔ)句文本。圖靈機(jī)器人服務(wù)器的應(yīng)答數(shù)據(jù)為JSON格式，需要對(duì)里面的文本信息進(jìn)行提取，提取后再用GB2312格式對(duì)其進(jìn)行編碼（服務(wù)器返回的格式為UTF-8，不能直接被系統(tǒng)的語(yǔ)音文本模塊識(shí)別）。此外，幀頭、幀尾通過藍(lán)牙客戶端被發(fā)送到主控MCU，主控MCU其進(jìn)行處理后，將其發(fā)送到語(yǔ)音文本播放模塊進(jìn)行播報(bào)，相當(dāng)于語(yǔ)音回復(fù)了用戶的對(duì)話。

4 ?結(jié)論與討論

本文從硬件和軟件設(shè)計(jì)兩方面，融合物聯(lián)網(wǎng)、無(wú)線通信、安卓軟件、語(yǔ)音文本播放等技術(shù)，設(shè)計(jì)了一款能夠舞蹈、聊天的智能機(jī)器人。該機(jī)器人不僅通過關(guān)節(jié)舵機(jī)控制電路，實(shí)現(xiàn)了翻跟斗、踢腿、舞蹈等高難度動(dòng)作，而且借助圖靈機(jī)器人，實(shí)現(xiàn)了與使用者的任意對(duì)話。雖然該機(jī)器人目前主要用于陪伴學(xué)習(xí)和娛樂，但其也為工業(yè)領(lǐng)域機(jī)器人設(shè)計(jì)和控制提出了一種新思路。

從成本上考慮，市場(chǎng)上的舞蹈機(jī)器人或聊天機(jī)器人一般都比較昂貴，而且大部分聊天機(jī)器人都是固定對(duì)話機(jī)器人，而任意對(duì)話的聊天機(jī)器人一般都要數(shù)千元。本文借助圖靈機(jī)器人服務(wù)器的設(shè)計(jì)思路使得互動(dòng)功能的成本大大降低，由原來(lái)的數(shù)千元降低為數(shù)十元。盡管目前語(yǔ)音聊天只能配合手機(jī)才能完成，但相信這個(gè)缺點(diǎn)是容易解決的。

基金項(xiàng)目

1. 教育部“高等職業(yè)教育創(chuàng)新發(fā)展行動(dòng)計(jì)劃”項(xiàng)目電子信息公共實(shí)訓(xùn)中心（教職成函〔2019〕10號(hào)）;

2. 教育部產(chǎn)教融合促進(jìn)計(jì)劃（教規(guī)建中心函〔2019〕9號(hào)）;

3. “廣東省高職教育校內(nèi)實(shí)踐教學(xué)基地”項(xiàng)目智能產(chǎn)品技術(shù)與開發(fā)實(shí)訓(xùn)基地（粵教職函〔2018〕194號(hào)）;

4. 汕尾職業(yè)技術(shù)學(xué)院高水平專業(yè)群建設(shè)項(xiàng)目（汕職院發(fā)〔2019〕62號(hào)）。

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[6] 黃道燚， 陳敏敏. 多功能化智能臺(tái)燈[J]. 電子制作， 2020（2）： 11-16.

作者簡(jiǎn)介：

黃道燚（1984—），男，漢族，廣東潮州人，講師，碩士。主要從事電子技術(shù)方面的工作。

陳樂珠（1986—），女，漢族，廣東揭陽(yáng)人，講師，碩士研究生。主要從事電子技術(shù)方面的工作。

陳昌文（1969—），通信作者，男，廣東陽(yáng)春人，副高，汕尾職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程系主任，主要從事教育管理、數(shù)理統(tǒng)計(jì)、應(yīng)用統(tǒng)計(jì)、智能制造專業(yè)群建設(shè)研究。

E-mail： sw_chenchangwen@163.com

（收稿日期：2020-06-02）

Realization of Multi-functional Intelligent System Based on Turing Robot

HUANG Dao-yi， CHEN Le-zhu， CHEN Chang-wen

（Shanwei Polytechnic， Shanwei 516600， China）

Abstract： A multi-functional intelligent robot based on Turing robot is designed by integrating technologies including Internet of Things， wireless communication， Android system and voice text playback. In the hardware design of such a multi-functional intelligent system， STM32103C8T6 is used as the main control chip to drive the Bluetooth module to communicate with the mobile APP， and further to receive commands and actions; by communicating with the robot action control chip STC15W4K16S4， the joint steering gear of the robot is driven to rotate and realize various actions; the voice text playback module is driven to carry out the voice broadcast and realize the chat function. Meanwhile， in the software design， the software design of the main control chip， the program design of the action control chip， the design of the Android application interface and the program component are carried out， and with the help of Turing robot system， any dialogue with the user can be realized. Compared with traditional chat robots， the advanced Turing robot increases functions including gesture interaction and voice interaction， with a reasonable cost performance. Such a multi-functional intelligent robot cannot only accompany learning and entertainment， but also provide a new idea for the robot design and control in the industrial field.

Key words： Turing Robot; Intelligent Robot; STM32103C8T6; Voice Text Playback; Main Control Chip