張培彥 羅帥

摘 要：舞蹈機(jī)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(jì)在傳統(tǒng)舞蹈機(jī)器人的基礎(chǔ)上進(jìn)行了創(chuàng)新，加上語音識(shí)別、傳感器、人機(jī)交互等模塊，配上相應(yīng)的末端抓取機(jī)構(gòu)，使舞蹈機(jī)器人可以利用輔助舞蹈器械完成更為復(fù)雜的動(dòng)作。

關(guān)鍵詞：舞蹈機(jī)器人;示教-再現(xiàn);人機(jī)交互;聲音識(shí)別

中圖分類號(hào)：TP242.6 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：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(jī)器人作為一種娛樂性、觀賞性、互動(dòng)性機(jī)器人，具有很大的研究價(jià)值和市場開發(fā)價(jià)值。舞蹈機(jī)器人的制作涉及機(jī)械、電子、自控、通信、傳感、人工智能、機(jī)器人學(xué)、精密機(jī)構(gòu)和仿生材料等多個(gè)領(lǐng)域[1]。舞蹈機(jī)器人的動(dòng)作設(shè)計(jì)、夾持的輔助器械、對(duì)音樂節(jié)奏的契合程度、人機(jī)互動(dòng)的靈敏度等對(duì)整體舞蹈效果都至關(guān)重要。本文設(shè)計(jì)的舞蹈機(jī)器人在機(jī)械設(shè)計(jì)、控制方案、音樂節(jié)奏識(shí)別、人機(jī)交互等方面進(jìn)行了創(chuàng)新，可以實(shí)現(xiàn)語音交互、自動(dòng)選擇舞蹈器械、舞蹈動(dòng)作與音樂節(jié)奏自動(dòng)匹配等功能。

1 方案的總體設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的舞蹈機(jī)器人由機(jī)械模塊、語音識(shí)別模塊、傳感器模塊、電源模塊等組成[2]。

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

2 機(jī)械設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)舞蹈機(jī)器人舞蹈動(dòng)作的多樣化，手臂的末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)要實(shí)現(xiàn)對(duì)舞蹈器械進(jìn)行順利抓取，如刀、劍、扇、棍等，在進(jìn)行這部分機(jī)械設(shè)計(jì)時(shí)，重點(diǎn)考慮以下幾方面：①抓取對(duì)象的大小、質(zhì)量、長短等;②多種抓取對(duì)象之間的轉(zhuǎn)換;③抓取對(duì)象是否有明確的位置和位相、正反方向;④抓取對(duì)象運(yùn)動(dòng)的速度變化[3]。

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

根據(jù)以上分析及設(shè)計(jì)步驟，在三維設(shè)計(jì)軟件平臺(tái)上完成末端執(zhí)行器部分設(shè)計(jì)與運(yùn)動(dòng)仿真，如圖2所示。

3 控制方案設(shè)計(jì)

舞蹈機(jī)器人的舞蹈動(dòng)作是一連串有節(jié)奏、有快慢、四肢協(xié)調(diào)的連貫動(dòng)作，機(jī)器人的形態(tài)主要靠關(guān)節(jié)位置來實(shí)現(xiàn)，因此，讓機(jī)器人處于多個(gè)不同關(guān)節(jié)狀態(tài)，就能形成一個(gè)舞蹈動(dòng)作，而且舞蹈種類繁多，在實(shí)際應(yīng)用中也可以讓使用者自己設(shè)計(jì)舞蹈動(dòng)作，進(jìn)一步提高舞蹈機(jī)器人的娛樂性和觀賞性[4]。在設(shè)計(jì)控制方案時(shí)，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(duì)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(diǎn)是語音識(shí)別和音樂與舞蹈相配合的人機(jī)交互上。控制流程如圖3所示。

首先，要確認(rèn)舞蹈機(jī)器人各關(guān)節(jié)是否在機(jī)械零點(diǎn)處，確保四肢時(shí)刻能運(yùn)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(dòng)四肢完成舞蹈動(dòng)作;最后選擇程序運(yùn)行方式，實(shí)現(xiàn)整個(gè)舞蹈過程[5]。

4 人機(jī)交互功能的實(shí)現(xiàn)

舞蹈機(jī)器人的舞蹈動(dòng)作選擇是能根據(jù)人的語言指令進(jìn)行程序選擇和舞蹈動(dòng)作的，通過語音識(shí)別模塊，識(shí)別人的身份和聲音指令，舞蹈機(jī)器人根據(jù)指令作出相應(yīng)動(dòng)作?；诼暱ǖ墓ぷ髟?，采用聲卡搭建數(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(dú)特信息的參數(shù)，從而自動(dòng)識(shí)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(jì)算機(jī)對(duì)模型和輸入的語音進(jìn)行配對(duì)，根據(jù)配對(duì)結(jié)果辨認(rèn)說話人。基于LabVIEW開發(fā)環(huán)境實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互的主程序流程如圖4所示。

5 語音識(shí)別方案設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

語音識(shí)別的作用是將人的語言中的詞匯轉(zhuǎn)化成計(jì)算機(jī)或其他控制器可讀的輸入，例如，按鍵、二進(jìn)制或者字符序列等。語音識(shí)別系統(tǒng)都是由3個(gè)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(jī)器人通過麥克風(fēng)等拾音設(shè)備，將人的原始聲音信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，接下來語音識(shí)別系統(tǒng)對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理，通過特殊算法提取出可以表現(xiàn)人語音特點(diǎn)的特征參數(shù)，用來區(qū)分不同人的語音信號(hào)，然后將該語音信號(hào)與參考語音庫中的語音特征參數(shù)進(jìn)行匹配，經(jīng)過比對(duì)后將最佳結(jié)果作為識(shí)別結(jié)果，以此作為控制信號(hào)進(jìn)行后續(xù)操作。本舞蹈機(jī)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(shí)別的功能得以模塊化處理。LD3320芯片是一款非特定人語音識(shí)別芯片，其所提供的語音識(shí)別技術(shù)是基于關(guān)鍵詞語列表的識(shí)別技術(shù)，即ASR技術(shù)[7]，當(dāng)識(shí)別到人的語音信號(hào)中有關(guān)鍵詞信息時(shí)，其就可以給出識(shí)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(shí)別芯片LD3320共同實(shí)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(jì)算機(jī)，通過計(jì)算機(jī)的再分配處理進(jìn)行后續(xù)控制。

6 方案整體測試

舞蹈機(jī)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(shí)別及控制功能正常，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，可以達(dá)到預(yù)期效果。

7 結(jié)語

本文探討了一種舞蹈機(jī)器人控制方案的設(shè)計(jì)思路。運(yùn)用模塊化的方法對(duì)舞蹈機(jī)器人系統(tǒng)中的各個(gè)部分進(jìn)行詳細(xì)介紹，重點(diǎn)在人機(jī)交互、語音識(shí)別、末端執(zhí)行器設(shè)計(jì)等方面進(jìn)行創(chuàng)新。按照系統(tǒng)分析設(shè)計(jì)的一般規(guī)律，從預(yù)想的設(shè)計(jì)效果到給出實(shí)現(xiàn)方案，拓展了舞蹈機(jī)器人的功能。

參考文獻(xiàn)：

[1]鄭睿，廖勝凱.冰上芭蕾舞蹈機(jī)器人的實(shí)現(xiàn)[J].電子世界2004（7）：37-40.

[2]曹文祥，馮雪梅.工業(yè)機(jī)器人研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].機(jī)械制造，2011（2）：41-43.

[3]馬江.六自由度機(jī)械臂控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真[D].北京：北京工業(yè)大學(xué)，2009.

[4]張愛紅，張秋菊.機(jī)器人示教編程方法[J].組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù)，2003（4）：49-51.

[5]翟敬梅，董鵬飛，張鐵.基于視覺引導(dǎo)的工業(yè)機(jī)器人定位抓取系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與研究，2014（5）：45-49.

[6]祝賀.一種音樂驅(qū)動(dòng)的機(jī)器人舞蹈系統(tǒng)及其計(jì)算實(shí)現(xiàn)[D].廈門：廈門大學(xué)，2017.

[7]陳睿，羅文寬，王碩，等.仿人形舞蹈機(jī)器人的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].產(chǎn)業(yè)與科技論壇，2017（7）：42-44.

[8]熊芳.雙足舞蹈機(jī)器人穩(wěn)定性研究[D].蘭州：蘭州理工大學(xué)，2012.