陳濤，洪梓榕

（蘭州石化職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子電氣工程學(xué)院，甘肅蘭州，730060）

0 引言

面對人工智能技術(shù)浪潮的再次爆發(fā),如何將其融入學(xué)校教育成為社會各界和學(xué)者們關(guān)注的熱點,基于此，本文從體驗學(xué)習(xí)的角度出發(fā)，設(shè)計一款兼具輔助教學(xué)和智能迎賓功能的機器人，可應(yīng)用于學(xué)校實訓(xùn)基地、展覽館等場所，提供一種實驗教育教學(xué)智能化的方案。

1 智能教育迎賓機器人總體設(shè)計

智能教育迎賓機器人總體結(jié)構(gòu)主要分為頭部、中間身體、底盤三部分。機器人頭部由7寸觸摸屏、Openmv4攝像頭、指示燈構(gòu)成。機器人中間身體部分由機械手臂和中間軀干組成，中間軀干由控制系統(tǒng)和信息處理系統(tǒng)組成，控制系統(tǒng)設(shè)有Arduino主控制板、電機驅(qū)動板、電源監(jiān)測模塊、電池盒，信息處理系統(tǒng)設(shè)有無線接/發(fā)送模塊、語音控制模塊、音頻輸出模塊。底盤由驅(qū)動機構(gòu)和檢測機構(gòu)組成，檢測機構(gòu)包括內(nèi)傳感器和外傳感器。結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 智能教育迎賓機器人總體結(jié)構(gòu)圖

2 智能教育迎賓機器人機械結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 機器人頭部的設(shè)計

智能教育迎賓機器人頭部由7寸觸摸屏、Openmv4攝像頭、指示燈構(gòu)成。機器人頭部設(shè)計有7寸觸摸屏，操作簡單容易上手，相當(dāng)于人的面部，能表現(xiàn)人類各種“喜怒哀樂”，實現(xiàn)人機交互功能。機器人頭部設(shè)有openmv4攝像頭，能實現(xiàn)自主控制與遠程控制。機器人自主控制系統(tǒng)通過頭部的openmv4攝像頭采集信息并轉(zhuǎn)化發(fā)送至主控Arduino控制器中然后驅(qū)動相應(yīng)的運動模塊進行運動，從而達到了自主運動的能力；遠程控制通過PC端發(fā)送相應(yīng)指令去完成對機器人運動的控制同時將openmv4采集到的視頻信息實時上傳到PC端從而實現(xiàn)遠程操作。機器人頭部還設(shè)有“紅、綠、黃”三色指示燈，親切的表現(xiàn)了機器人的各種運行狀態(tài)。

2.2 機器人中間軀體的設(shè)計

機器人中間軀體部分由機械手臂和中間軀干組成，機械手臂相當(dāng)于人手臂一樣，可完成各種工作；中間軀干由控制系統(tǒng)和信息處理系統(tǒng)組成，控制系統(tǒng)是機器人的指揮中心，相當(dāng)于人腦或中樞神經(jīng)，它能控制機器人各部位協(xié)調(diào)動作；信息處理系統(tǒng)，是人與機器人溝通的工具，可根據(jù)外界的環(huán)境變化、靈活變更機器人的動作。

2.3 機器人底盤的設(shè)計

底盤由驅(qū)動機構(gòu)和檢測機構(gòu)組成，驅(qū)動機構(gòu)相當(dāng)于人的腳，機器人靠它來“走路”，感知機器人自身或外部環(huán)境變化信息的檢測機構(gòu)是它的感覺器官，相當(dāng)于人的眼、耳、皮膚等。底盤結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 智能教育迎賓機器人底盤結(jié)構(gòu)圖

3 智能教育迎賓機器人控制系統(tǒng)的設(shè)計

3.1 語音模塊的設(shè)計

智能教育迎賓機器人語音模塊搭載科大訊飛最新的的人機交互解決方案，可進行非特定人群的自然語言交互（中文或英文），將記錄聲音并轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，操縱機器人各種運動，利用強大的計算機處理功能和先進的語音識別技術(shù)，可與機器人交流“奧運知識” 、“航天知識”等科技問答題，機器人可以語音介紹工作環(huán)境內(nèi)的的基本情況并播放相應(yīng)的視頻或圖片，并可以自主的介紹各個工作場景內(nèi)容。語音模塊設(shè)計如圖3所示。

圖3 語音模塊設(shè)計

3.2 驅(qū)動控制電機選擇

智能教育迎賓機器人驅(qū)動機構(gòu)用24V直流電機進行驅(qū)動，電機的控制信號為周期是20ms的脈寬調(diào)制（PWM）信號，其中脈沖寬度從0.5ms-2.5ms，呈線性變化。電機原理圖如圖4所示。

圖4 電機原理圖

3.3 檢測機構(gòu)的設(shè)計

智能教育迎賓機器人檢測機構(gòu)包括內(nèi)傳感器和外傳感器，內(nèi)傳感器由設(shè)在底盤上部的雷達傳感器組成，外傳感器由設(shè)在底部的磁條傳感器和設(shè)在機器人底盤四周的超聲波傳感器組成，內(nèi)傳感器和外傳感器的有機結(jié)合，實現(xiàn)定位與導(dǎo)航的作用。作用的實現(xiàn)基于 Monte Carlo算法的機器人自主定位，并結(jié)合視覺信息和其他傳感器信息對定位結(jié)果進行校正，實現(xiàn)定位精度在20cm以內(nèi)；利用激光、聲納等多種傳感器信息融合，實現(xiàn)對周圍環(huán)境的地圖構(gòu)建。機器人可以根據(jù)地圖信息，在指定起點和終點的軌跡上自主導(dǎo)航，到達各教室完成解說。機器人行走過程中實現(xiàn)自主避障，躲避行人、固定物體等障礙物，避障半徑達到2m。機器人融合多種傳感器信息，認知外界環(huán)境，并通過人工智能算法決定機器人的迎賓動作。檢測機構(gòu)設(shè)計如圖5所示。

圖5 檢測機構(gòu)設(shè)計

4 結(jié)束語

本文針對學(xué)校實驗基地、展覽館等場所設(shè)計了一款室內(nèi)輔助教學(xué)、自主迎賓教育機器人，通過控制系統(tǒng)、信息處理系統(tǒng)、語音模塊和驅(qū)動機構(gòu)的相互配合能實現(xiàn)智能教育迎賓機器人的輔助教學(xué)、自主導(dǎo)航、語音交互、娛樂互動、后臺遠程操控等基本功能，具有良好的交互性和操作性，為智能教育迎賓機器人設(shè)計與實現(xiàn)提供一種合理的方案。