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基于模块化设计的人工智能服务机器人

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摘要

以STM32F427CPU为核心,集成了OV7725摄像头芯片的openmv视觉模块.使用外部终端触发拍摄或者执行视觉算法，结合TB6612电机拓展板驱动运动系统使机器人实现追踪、跟随、引路等效果。运用Arduino来接收处理OpenMV和树莓派传递的信息，配合相应模块来实现机械臂夹取物品、眼睛表情的控制、以及机器人的行走系统，手臂肩部转动，模拟人类手臂的简单动作等。配合语音交互模块，可以完成人机交流，并叫信号传输给其他模块，从而形成人工智能。

关键词：STM32，机器人，表情控制，人工智能

引言

粤港澳合作不断深化实化，粤港澳大湾区经济实力，区域竞争力明显增强，已经具备国际一流大湾区和世界级城市群的基础条件。与此同时，服务市场迎来了重大的挑战，也带来了很多机遇，许多服务型产业如旅游业，饮食业等快速发展，人工人力却存在跟不上服务市场需求的问题。近年来，随着经济的发展和科学技术的进步，机器人的应用领域在逐渐扩大，机器人的功能已不仅仅是只能从事某些简单的操作任务，而且可以进行多种任务的执行；机器人的工作坏境也开始由固定在车间现场和工厂，慢慢走向太空、海洋与户外，某些机器人甚至已经进入家庭、医院及娱乐场所。如今，在工业生产中使用机器人工作是十分普遍的，但是在其他行业比如服务业，则很少有使用服务机器人，功能也很单一，可见智能机器人在服务业的推广程度有待提高。针对上述问题，本项目开发了很多功能，智能服务机器人主要由四个系统构成：运动系统，表情系统，视觉系统和语音系统。运动系统负责机器人的行进后退转向以及手臂摆动和夹取功能等；表情系统可以更换眼睛的表情；视觉系统可以识别特定颜色的物体或者标记，控制电机带动轮子运动，达到寻找和跟随物体或标记效果，甚至可以跟随指定的人员；语音系统则可以实现智能对话，人机交互等功能。这些系统会在下文进行详细介绍。

1.总体设计

1.1整体设计方案。

采用三种开发板为控制核心，通过语音交互模块、电机驱动模块、遥控模块等来实现对机器人的控制。每个模块分别调试，调试完成后，整合所有模块。

1.2设计优化。

相较于上一代产品，我们的智能服务机器人在各方面都有了很多改进：新增了表情系统；使用基于网络API接口的实时语音引擎替代了语音识别模块采用百度AI语音识别技术，图灵人工对话接口和百度语言合成技术实现了人工智能对话。识别范围广，别精度高，大大地改进了使用语音识别模块时识别准确率低，识别范围少，识别语句有限，功能和实用性差等特点；新增夹取功能；改善了产品外观等。

2.系统功能分析

2.1外观设计介绍

我们使用已经被广泛认可的SolidWorks三维建模软件进行外观的设计，再使用三维打印机把设计好的模型用PLA材料把整体外形打印好，再把零件安装上去，机器底盘方面主要使用CorelDRAW软件绘制底盘形状，再使用激光切割技术将亚克力板切割成设计好的形状，拼装底盘，最后完成组装工作。

2.2开发板

由于采用了模块化设计，我们使用了arduinoUNO开发板，树莓派和openmv3三种开发板。各个开发板独立控制不同的系统，相互独立，互不干涉。模块化设计有很多优点，每个模块都可以独立完成某特定的功能，相互之间彼此独立。各模块之间可以方便地组合装配，不仅要保证机械连接能够快速有效，同时还要保证相互之间可以实现电气、信息的联系。主要优点有：1.保持输出一致性2.提高设计效率3.适用性强便于维护4.便于协作。

2.3语音识别模块

语音识别系统是一个前后端的系统，前端是我们的树莓派对我们人的自然语言语音信号进行采集以及降噪，然后通过网络连接的形式调用百度语言API进行语言识别，目前准确率可以达到90%，同时为了更加好的人机交互效果，我们通过增加后端API--图灵机器人接口，实现了人机简单对话，对比目前市面上智能语音助手丝毫没有逊色。能够给人带来更加自然，贴心的舒适感。

2.4遥控器模块

遥控器的控制板采用App，通过手机蓝牙进行连接。手机上有多个按钮，可以对机器人实现各种操控。

2.3视觉系统

视觉系统是基于openmv的视觉识别跟踪一体化系统，以STM32F427CPU为核心，集成了OV7725摄像头芯片的openmv视觉模块，可以很容易的使用外部终端触发拍摄或者执行视觉算法，结合TB6612电机拓展板驱动运动系统使机器人实现追踪、跟随等效果，使用openmv3模块，目前达到识别某个颜色或标记，根据所识别的物品，进行像素面积和方位的计算对X,Y串口发送数据报告，从而驱动电机完成识别跟踪等效果。

2.4语音系统

语音系统基于网络API接口的实时语音引擎，采用了百度AI语言识别技术，做到天气查询，智能对