基于语音识别的双足机器人行走控制系统设计

引 言

科学技术的发展日新月异，近百年来发展起来的机器人如今已风靡全球，并渗透到各行各业，时刻影响着我们的生活。机器人由于具有良好的市场发展前景和重大的科学研究利用价值，使得全世界的国家都在这一热门领域中投入了大量的人力、物力以及财力。我国作为世界上第一大机器人消费市场，对这一智能化领域十分重视。我国正制定机器人产业“十三五”发展规划，推进全国机器人产业的健康发展。

双足机器人是机器人研究中的一个热门方向。它模仿人类的行走方式，通过对自身的双脚进行类似运动从而达到行走的目的。在近十年的发展过程中，双足机器人的研究发展迅猛，如 2015 年的全国机器人大会上那些能独立行走、与人交谈的各类机器人 ；日本软银大会上与人互动的“Pepper”机器人等。这些机器人都标志着人们对机器人的无限热情与期待， 智能化时代已经到来，人类的明天会更加美好。

本文主要针对双足机器人行走控制进行了分析与研究， 以STM32 控制器为核心，采用三轴加速度传感器检测行走过程的质心轨迹信息，通过信息反馈及时矫正行走姿态 ；结合语音传感器实现对特定语音的识别，从而控制双足机器人实现多种运行状态 ；多传感器数据融合技术的应用，提高了整个系统的可靠性，保证了双足机器人平稳的运行姿态。

1 系统硬件设计

由于人们如今的生活水平和思想境界都在不断提高，这使得事物的可视化、直观展现成为必要。因此，通过传感器完成数据采集，经各模块互相通信，由微处理器进行处理，以视觉的形式展现某些结果，最终形成人机交互便成为研究设计的一大趋势。

本文控制系统主要由核心控制器 STM32 模块、传感器（加速度传感器和语音传感器）、信号采集模块、舵机控制器以及液晶显示组成。利用STM32 自带的两个串口功能分别与语音传感器和舵机控制器通信，实现语音识别及舵机控制等功能。通过其自带的ADC 转换模块对三轴加速度传感器的数据进行采集、分析与处理，将其质心轨迹以图形化的形式显示到LCD上，并将相应的质心轨迹信息作为舵机控制的反馈信号， 根据质心轨迹的状态，通过舵机控制器及时调整舵机运行状态，保证机器人的平稳运行，实现了对机器人姿态的实时监控。系统方案框图如图 1 所示，实物图如图 2 所示。

2 质心轨迹检测

本文采用高精度三轴加速度传感器MMA7361L 实现角度测试，其核心算法是建立输出电压和角度之间的函数映射关系。以 MMA7361L 传感器 X 轴方向的倾角计算为例，取传感方向 X 轴与重力加速度 g 垂直时的状态为零倾斜角度，当倾角为 θ 时，X 轴方向倾角测量原理图如图 3 所示。

传感 X轴方向的重力加速度分量 g（θ）=g·sin（θ），当θ→0 时，有：

从上式可以看出，当倾斜角 θ 为一个小角度时，其角度的变化率（即导数）越大并趋向于 g 时有助于提高小角度测量的分辨率。因此该零倾斜角度的选择方式有助于小角度的精确测量。由于传感器的加速度分量与其电压成正比，且精度是 800 V/g，因此倾角为：

因此，我们通过三轴加速度传感器可以对双足机器人的运动质心状态进行监控。

具体显示流程图如图 4所示。首先通过ARM处理器对MMA7361L模块进行数据采集，然后将数据存储在ARM的内存中，并取多次平均值以保证其正确性，将结果代入公式（2） 对角度进行换算，并将检验结果与最大质心偏离角对比，若大于该值，则让ARM发送矫正指令，使机器人停止运动，返回上一姿态，以保证其稳定性。与此同时，通过相应的变换将角度值变换为LCD坐标数据。因为LCD已提前建立以时间为 X轴，偏离角为 Y轴的坐标轴，将数据填充进去后，反复多次便可得到机器人行走过程中的质心轨迹图。

3 语音控制

人类与机器进行语音交流，让其明白我们的意图并给予 回应，这是人类梦寐以求的事情，也是科学进步发展的趋势。 要让机器人听懂人类的意思，就需要一个“听觉系统”，即语 音识别。

本文采用语音识别集成控制模块 ASRM08-A，该模块包 含语音采集、前级处理、语音训练、语音识别、语音输出等 电路，具有体积小、操作简单、识别度较高、串口通信等优点。 其基本原理如图 5 所示，将外部语音信号通过 ADC 进行采集， 然后进行一系列的处理，通过线性预测（LPC）参数提取出其 相应的特征，之后将提取的语音特征矢量参数与参考模式库 中的模式进行相似性度量比较，并结合一定的判别规则和专 家知识得出最终的识别结果，以呈现好的人机交互界面。

本文通过 ASR M08-A 模块对外界环境产生的语音信号 进行监控。当外界有“走路”、“跳舞”之类的特定语音信号 产生时，模块就会接收这个语音信号并进行采集、特征提取、 比较与匹配。其内部可以人为的存储一些语音指令信息，若该 语音信号与初始设置的语音指令一致时，如 01，zou lu，001， $ 表示若收到“走路”这条语音信息后，便通过串口发送数据 “01”作为标志，提示用户外界的语音信息是“走路”。所以此 时其自带的串口便输出一个对应的值，ARM 处理器检测串口 接收的数据信息，分析判断后执行相应的指令，让机器人做出 相应的动作。

4 结 语

本文研究了一种以 ARM 处理器、三轴加速度传感器和 舵机控制器为一体的机器人系统控制方法，通过对双足机器 人的行走步伐进行规划并以质心轨迹为反馈信号来检测相应 的行走状态，最终以人性化语音指令来控制双足机器人进行 稳定行走。实验结果表明，质心轨迹检测方法能让双足机器 人按照特定的语音实现较为稳定的运行，具有一定的市场价值 和实用性，为后续双足机器人控制的深入研究打下了坚实的 基础。