一种多功能人机交互仿人教育机器人的控制系统和方法与流程

本发明涉及机器人技术领域，具体说是一种多功能人机交互仿人教育机器人的控制系统及其控制方法。

背景技术：

随着移动网络的普及、智能硬件制造技术和云计算、大数据等互联网技术的大力发展，服务机器人行业开始进入快速增长阶段。工业机器人在汽车、3C等领域早已普及运用，而服务机器人则刚刚开始起步，呈现出指数型需求增长趋势。服务机器人是机器人家族中较为年轻的成员，最早萌芽于上世纪90年代，经历了20多年的发展，随着科学技术水平的提高及互联网的普及，服务机器人类型越来越丰富，功能也越来越齐全，目前服务机器人广泛应用于个人、家庭、娱乐休闲、医疗、农业、物流、救援和国防等领域，引领着新一轮资本投资的热潮。国家《服务机器人科技发展“十二五”专项规划》指出：把服务机器人产业培育成我国未来战略性新兴产业。其中，服务类教育机器人正在受到公众越来越多的青睐，涉及各个年龄阶段的人群。然而，在当前众多服务型机器人的市面上，还没有一款人机互动性强、技术成熟、多功能应用的仿人教育机器人出现。

为了使得仿人型服务教育机器人能基于语音识别、蓝牙APP客户端控制，而且又可以通过远程监控完成人机友好交互控制，还能在非结构环境中完成自主导航、寻迹检测，提出了本

技术实现要素：
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发明内容

为解决上述问题，本发明的目的是针对现有的仿人型教育机器人性能单一、人机互动性不足、环境适应性差等特点，为了让教育机器人能更加方便灵活的操控，功能多元化，人机互动性化强，且对不同年龄阶段适应范围广，结合已研发的软、硬件操作平台，提出一种人机交互性强、控制功能多元化、可在已研发的手机软件APP客户端连接引导下操控仿人型教育机器人的一种新型机器人嵌入式控制系统和控制方法。

本发明为实现上述目的，一种多功能人机交互仿人教育机器人的控制系统，包括远程监控模块、实时防护模块、语音模块、手机APP模块、机器人运动模块、无线通信模块、舵机集成模块、控制模块，各模块均与嵌入式控制器通过导线连接进行实时的数据交换，远程监控模块位于机器人头部，远程监控模块由一个微型摄像机、热红外以及无线驱动模块组成，实时防护模块位于机器人肩膀，由超声波、红外检测传感器阵列组成，无线通信模块位于机器人的胸部，无线通信模块由三种通讯模块组成，可以进行蓝牙协议、无线2.4G、无线WiFi互联网通讯，机器人运动模块和舵机集成模块是由机器人颈部、机器人手臂、机器人脚部位置及对称侧的共计五个数字舵机、两个直流电机、舵机集成控制器、直流驱动器构成的机器人运动执行机构总成，机器人手臂的末端为机器人手掌，机器人胸部通过机器人腿部支撑在机器人脚部上，且机器人运动模块和舵机集成模块通过接收控制模块发来的控制指令，手机APP模块由谷歌Android ADT函数库和开发工具，通过Java、C++语言编程编成，其界面包括各舵机动作、左右臂抬放、前进动作、后退动作、向左动作、向右动作、顺时针动作、逆时针动作、唱歌、跳舞、聊天、视频监控功能操作；

语音模块通过编写烧录语音控制指令到语音系统模块数据库，语音模块还连接有语音驱动接口，并将控制指令传送至控制模块；

控制模块接收来自语音控制模块、手机APP模块的左臂抬、左臂放、前进、后退、向左、向右、顺时针、逆时针、头旋转、右臂抬、右臂放、跳舞控制指令，控制模块通过接收语音模块或者手机APP模块的控制指令，在识别确认指令后，再向驱动模块发送识别的指令，驱动机器人的各个舵机及直流电机动作。

一种多功能人机交互仿人教育机器人的控制方法统，包括以下步骤：

第一步：教育机器人操作人员打开控制系统，远程监控模块和实时防护模块客户端开始运转工作，该教育机器人处于自我防护模式，同时保持静止状态；

第二步：操作者打开装有控制教育机器人的APP客户端软件，同时开放手机蓝牙协议连接，然后，APP客户端软件与教育机器人无线通信模块中的蓝牙加密连接，同时通过WiFi网络将PC端与远程无线WiFi微型摄像机连接，此时，操作人员可以在PC端软件窗口界面实时了解教育机器人前方的实时动态状况；

第三步：操作人员上电测试语音模块，根据周围环境情况选取最佳的语音识别检测模式，如果通信连接测试成功，语音模块外放扩音器发出提示欢迎词，此时此刻，语音模块处于待命状态，时刻分析、识别、筛选语音关键词；

第四步：通过PC端软件显示的远程实时监控界面，操作人员即时根据自己的意向通过发出已烧录至语音数据库的控制指令，或者应用已经通过蓝牙协议连接的手机APP软件界面上的控制功能按钮，来控制教育机器人做出相应的动作，与此同时，控制系统的实时防护模块对周围环境进行实时传感检测，避免教育机器人与周围障碍物发生碰撞；如果在教育机器人运动过程中，操作人员命令机器人停止或者做其他命令指示，此时，操作者可以人为地发出其他语音控制指令，或者通过手机APP遥控教育机器人；

第五步：当教育机器人通过语音识别控制指令或者无线通信模块收到控制指令时，在行进动作中的教育机器人的嵌入式控制系统会通过识别检测确认控制指令的真实性，然后做出准确的判断，再将信息转到控制模块；

第六步：操作人员通过嵌入式控制器发送的指令，由控制模块将指令发送给机器人运动模块和舵机集成模块，由此驱动教育机器人相应的数字舵机、直流电机完成相应的左臂抬、左臂放、前进、后退、向左、向右、顺时针旋转、逆时针旋转、头旋转、右臂抬、右臂放、停止、跳舞动作以及语音互动聊天操作。

上述教育机器人控制系统和方法采用非特定人语音识别、手机Android APP软件、远程摄像实时监控的方式，通过嵌入式机器人控制器对来自周围声音源的识别检测、无线控制信号的接收，并通过电脑软件界面的远程监控，来控制教育机器人进行人机实时互动互通式动作操作、对话聊天、唱歌跳舞等操作。当操作者通过语音或者手机APP软件发出左臂抬指令时，机器人的左肩膀的舵机就根据命令指示做抬起动作，当操作者通过语音或者手机APP软件发出左臂放指令时，机器人的左臂就会基于目前位置向下动作；当操作者通过语音或者手机APP软件发出前进指令时，机器人底座就会朝前运行一段距离；当操作者通过语音或者手机APP软件发出后退指令时，机器人底座就会朝后运行一段距离；当操作者通过语音或者手机APP软件发出向左指令时，机器人底座右侧直流电机运转一段时间；当操作者通过语音或者手机APP软件发出向右指令时，机器人底座左侧直流电机运转一段时间；当操作者通过语音或者手机APP软件发出顺时针指令时，机器人底座左直流电机正转，与此同时，右直流电机反转；当操作者通过语音或者手机APP软件发出逆时针指令时，机器人底座左直流电机反转，与此同时，右直流电机正转；当操作者通过语音或者手机APP软件发出头旋转指令时，机器人头部舵机左右来回旋转；当操作者通过语音或者手机APP软件发出右臂抬指令时，机器人右臂做抬起动作；当操作者通过语音或者手机APP软件发出右臂放指令时，机器人右臂基于当前位置做向下动作；当操作者通过语音或者手机APP软件发出跳舞指令时，机器人会开始跳一段舞蹈；当操作者通过语音或者手机APP软件发出停止指令时，机器人会即刻停止一切动作，再发一次停止指令时，机器人回归作业原点的初始状态位置。

这种控制方法能够弥补当前仿人教育机器人操作不灵活、功能控制单一、人机交互性差特点的不足，方便操控者选择最优的控制方式，与本发明的仿人教育机器人更好的人机互动互通，动作展示，语言交流，使得操作者的意愿能更加人性化、多元化的描述和实现。通过电脑客户端监控远程自主导航、智能防碰撞移动的教育机器人，结合嵌入式控制器数据库的其它控制指令，容易控制教育机器人完成前后左右、抬臂、转身动作，以及语音对话、唱歌跳舞等。这种控制方法明显区别于市场上现有的服务类仿人机器人，它对操作者来说更加容易快速掌握，同时加大了人员的互动参与性，而且通过无线互联网的开放性连接控制，是未来居家服务类教育机器人非常有前景的操控方式。该控制系统和方法系统简单明了、人机互动性好、老少皆宜、功能强大、方便操作、结构设计人性化，且控制指令识别检测精确、自我安全防护性高，能按照操作者指示快速高效完成相应动作和准确的位置，其应用领域非常广泛，如老人陪聊伴侣、特种环境作业、孩子智能家教等等。

附图说明

现结合附图对本发明做进一步说明。

图1为仿人教育机器人控制系统的原理框图；

图2为仿人教育机器人实体图；

图3为手机APP模块示意图；

图4为语音模块系统框图；

图5为控制模块图；

图6为仿人教育机器人控制方法实施例的程序框图。

具体实施方式

如图1-6所示，一种多功能人机交互仿人教育机器人的控制系统，包括远程监控模块、实时防护模块、语音模块、手机APP模块、机器人运动模块、无线通信模块、舵机集成模块、控制模块，各模块均与嵌入式控制器通过导线连接进行实时的数据交换；

远程监控模块位于机器人头部1，远程监控模块由一个微型摄像机、热红外以及无线驱动模块组成，带无线驱动的热红外感应微型摄像机，其作用一方面是为操作系统远程监控端实时采集影像视频，便于操作人员了解运动过程中教育机器人前方视界的即时状况信息；另一方面是为操作人员人机面对面式对话、互动互通提供语音交流及控制平台，在此，仿人教育机器人头部底座是可活动的，操作人员通过控制机器人头部底座舵机左右旋转，更加增大了教育机器人“眼睛”的视野范围，动作更加接近人类的生理特性，让该教育机器人更加人性化；

实时防护模块位于机器人肩膀3，由超声波、红外检测传感器阵列组成；其主要功能是在操作人员控制教育机器人运动、交流互动过程中，实时为机器人本体提供防护屏障，避免自身与周围环境中的障碍物产生干涉，发生碰撞危险。在机器人自主导航、按控制指令运转过程，当机器人控制系统检测到障碍物时，该防护模块立即将检测信号反馈给系统控制器，控制器接收到反馈信息,立即发出停止前进信号，另外自主选取合适的路线前行；此时，防护模块发出的信号优先于外部发出的控制指令执行；

无线通信模块位于机器人的胸部，无线通信模块由三种通讯模块组成，该模块由三种通讯模块组成，可以进行蓝牙协议、无线2.4G、无线WiFi互联网通讯，互不干扰，其中蓝牙模块为手机APP软件与教育机器人搭建连接；无线模块作为PC软件端与上述远程监控模块牵线搭桥的平台；

机器人运动模块和舵机集成模块是由机器人颈部2、机器人手臂4、机器人脚部7位置及对称侧的共计五个数字舵机、两个直流电机、舵机集成控制器、直流驱动器构成的机器人运动执行机构总成，机器人手臂4的末端为机器人手掌5，机器人胸部通过机器人腿部6支撑在机器人脚部7上，且机器人运动模块和舵机集成模块通过接收控制模块发来的控制指令；这两个系统模块主要是通过接收控制模块发来的控制指令，然后执行相应的动作，同时将速度位置信息反馈给机器人嵌入式控制器；其中直流电机在直流驱动器的作用下做正转、反转动作，左右两路直流电机正反转组合，可以实现机器人前进、后退、向左、向右、顺时针、逆时针动作；数字舵机在舵机集成模块的作用下，可以单独点动控制每一个舵机动作，也可以同时控制多个舵机协调动作，例如，教育机器人左右臂的抬放动作；机器人运动模块与舵机集成模块配合，编程控制可使直流电机与舵机共同协调运转，从而实现仿人教育机器人跳舞功能；

手机APP模块是使用谷歌Android ADT函数库和开发工具，通过Java、C++语言编程，自主开发设计的一款针对本发明仿人教育机器人的控制软件，通过上面所述的无线通信模块作用，通过点动软件界面左下方的“连接蓝牙”按钮，界面会显示周围扫描到的可连接蓝牙装置，然后点击连接控制器无线通信模块发出的蓝牙名称，当手机APP软件与机器人嵌入式控制器通过蓝牙通讯协议连接成功后，手机APP界面会显示蓝牙连接的对象名称，如图3界面所示，操作者可以单独点动控制各序号的舵机动作，控制仿人教育机器人左右臂抬放，并反馈其模拟量实时位置数据信息，遥控教育机器人前进动作、后退动作、向左动作、向右动作、顺时针动作、逆时针动作；还可以实现唱歌、跳舞、聊天、视频监控功能操作；在此，APP软件还编程设置了外部网路IP地址链接通道，方便操作者进入迈赫公司主页及信息分享到网络中；

语音模块，操作人员通过编写烧录语音控制指令到语音系统模块数据库，当外界声音带有所烧录语音控制指令关键词时，语音模块通过筛选有用语音信息，将16进制信号发至语音驱动接口，将控制指令传送至控制模块，从而实现语音识别控制，从图4可知，语音检测有三大检测模式：循环、按键、口令模式，该语音模块的识别控制，识别率高达95%，能实现与上述手机APP模块实施所述的所有功能控制，在此就不在赘述；

控制模块接收来自语音控制模块、手机APP模块的主要有左臂抬、左臂放、前进、后退、向左、向右、顺时针、逆时针、头旋转、右臂抬、右臂放、跳舞等控制指令，该控制模块通过接收语音模块或者手机APP模块的控制指令，在识别确认指令后，再向驱动模块发送识别的指令，当教育机器人操作人员进行人机互动式监控操控机器人嵌入式控制系统时，通过发出语音指令或者点击软件界面上的遥控按钮，控制模块发出所需的信号指示，教育机器人控制系统中各模块协调配合运转，共同来完成对教育机器人的控制。

当教育机器人操作人员进行人机互动时，通过发出语音指令或者点击软件界面上的遥控按钮，控制模块发出所需的信号指示，教育机器人控制系统中各模块协调配合运转，共同来完成对教育机器人的控制，具体为：

1）当控制模块发出左臂抬指令时，语音模块或手机APP模块识别、检测发出指令信号，确认指令后反馈给控制系统，由机器人运动模块、舵机集成模块的驱动装置，驱动左臂肩膀舵机、左臂关节舵机协调朝上旋转一定角度，产生教育机器人左臂上抬的动作；

2）当控制模块发出左臂放指令时，语音模块或手机APP模块识别、检测发出指令信号，确认指令后反馈给控制系统，由机器人运动模块、舵机集成模块的驱动装置，驱动左臂肩膀舵机、左臂关节舵机协调朝下旋转一定角度，产生教育机器人左臂下放的动作；

3）当控制模块发出前进指令时，语音模块或手机APP模块识别、检测发出指令信号，确认指令后反馈给控制系统，由机器人运动模块、舵机集成模块的驱动装置，驱动机器人底座左右两个直流电机同时顺时针旋转一段时间，使得机器人做出前行一段距离的动作；

4）当控制模块发出后退指令时，语音模块或手机APP模块识别、检测发出指令信号，确认指令后反馈给控制系统，由机器人运动模块、舵机集成模块的驱动装置，驱动机器人底座左右两个直流电机同时逆时针旋转一段时间，使得机器人做出后退一段距离的动作；

5）当控制模块发出指令时，语音模块或手机APP模块识别、检测发出指令信号，确认指令后反馈给控制系统，由机器人运动模块、舵机集成模块的驱动装置，驱动机器人底座左右两个直流电机同时逆时针旋转一段时间，使得机器人做出后退一段距离的动作。

一种多功能人机交互仿人教育机器人的控制方法统，包括以下步骤：

第一步：教育机器人操作人员打开控制系统，远程监控模块和实时防护模块客户端开始运转工作，该教育机器人处于自我防护模式，同时保持静止状态；

第二步：操作者打开装有控制教育机器人的APP客户端软件，同时开放手机蓝牙协议连接，然后，APP客户端软件与教育机器人无线通信模块中的蓝牙加密连接，同时通过WiFi网络将PC端与远程无线WiFi微型摄像机连接，此时，操作人员可以在PC端软件窗口界面实时了解教育机器人前方的实时动态状况；

第三步：操作人员上电测试语音模块，根据周围环境情况选取最佳的语音识别检测模式，如果通信连接测试成功，语音模块外放扩音器发出提示欢迎词，此时此刻，语音模块处于待命状态，时刻分析、识别、筛选语音关键词；

第四步：通过PC端软件显示的远程实时监控界面，操作人员即时根据自己的意向通过发出已烧录至语音数据库的控制指令，或者应用已经通过蓝牙协议连接的手机APP软件界面上的控制功能按钮，来控制教育机器人做出相应的动作，与此同时，控制系统的实时防护模块对周围环境进行实时传感检测，避免教育机器人与周围障碍物发生碰撞；如果在教育机器人运动过程中，操作人员命令机器人停止或者做其他命令指示，此时，操作者可以人为地发出其他语音控制指令，或者通过手机APP遥控教育机器人；

第五步：当教育机器人通过语音识别控制指令或者无线通信模块收到控制指令时，在行进动作中的教育机器人的嵌入式控制系统会通过识别检测确认控制指令的真实性，然后做出准确的判断，再将信息转到控制模块；

第六步：操作人员通过嵌入式控制器发送的指令，由控制模块将指令发送给机器人运动模块和舵机集成模块，由此驱动教育机器人相应的数字舵机、直流电机完成相应的左臂抬、左臂放、前进、后退、向左、向右、顺时针旋转、逆时针旋转、头旋转、右臂抬、右臂放、停止、跳舞动作以及语音互动聊天操作。

以上所述仅为本发明示意性的具体实施方式，并非用以限定本发明的范围。任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的构思和原则的前提下所作出的等同变化与修改，均应属于本发明保护的范围。