一种面向家用小型智能机器人的电子控制系统的制作方法

本实用新型涉及机器人领域，具体说涉及一种面向家用小型智能机器人的电子控制系统。

背景技术：

随着计算机技术的不断发展以及人工智能技术的不断进步。在家用领域小型智能机器人的应用也越来越广泛，面向家用的小型智能机器人正在迅猛发展。

现有面向家用的小型机器人，仅能实现按钮开闭或语音交互，尚不能通过其他方式，实现用户与小型机器人的多元沟通。尤其是现有的机器人尚不能达到语音交互过程中同时输出肢体动作以实现肢体动作上的交互。这不仅限制了了机器人的应用范围，而且大大降低了机器人的用户体验。

因此，为了提高机器人的用户体验，拓展机器人的应用范围，亟需一种面向家用小型智能机器人的电子控制系统。

技术实现要素：

为了提高机器人的用户体验，拓展机器人的应用范围，本实用新型提供了一种面向家用小型智能机器人的电子控制系统，包括：

交互信息采集模块，其配置为采集外部交互输入信息，所述交互信息采集模块包含语音采集单元以及触摸传感器，所述语音采集单元配置为采集外界语音信息，所述触摸传感器配置为采集外部触摸压力数据；

交互处理模块，其配置为分析所述外部交互输入信息并输出相应的语音回应控制信息以及动作回应控制信息，所述语音回应控制信息以及所述动作回应控制信息相互匹配；

语音输出单元，其配置为根据所述语音回应控制信息输出匹配的语音回应；

机器人肢体控制单元，其配置为在所述语音输出单元输出所述语音回应的同时根据所述动作回应控制信息输出匹配的机器人肢体控制信号以驱动机器人的 肢体做出相应动作。

在一实施例中，所述交互处理模块包含联网交互单元，所述联网交互单元配置为实现所述交互处理模块与机器人网络服务端的数据交互，所述交互处理模块配置为在所述机器人网络服务端的辅助下生成所述交互回应控制信息。

在一实施例中，所述系统包含上位机系统以及下位机系统，所述上位机系统以及所述下位机系统分别各包含一块独立的主控板，所述交互信息采集模块、所述交互处理模块以及所述语音输出单元被构造在所述上位机系统中，所述机器人肢体控制单元被构造在所述下位机系统中。

在一实施例中，所述上位机系统的主控板为基于全志双核A20处理器的主控板，所述上位机系统的主控板上集成有无线联网模块、麦克降噪模块以及音频放大模块。

在一实施例中，所述系统还包含姿态传感器，所述姿态传感器被构造在所述下位机系统中，所述姿态传感器配置为监控机器人当前姿态，所述机器人肢体控制单元配置为基于所述机器人当前姿态输出相应的所述机器人肢体控制信号。

在一实施例中，所述下位机系统的主控板为基于意法半导体微控制器STM32的主控板，所述下位机系统的主控板上集成有六轴姿态传感器MPU6500以及电机驱动模块。

在一实施例中，所述系统还包含电量显示模块，所述电量显示模块被构造在所述下位机系统中，其中：

所述上位机系统的主控板配置为采集并发送机器人当前的电量信息；

所述电量显示模块配置为根据所述电量信息输出对应的电量显示。

在一实施例中，所述系统还包含交互显示模块，所述交互显示模块被构造在所述下位机系统中，其中：

所述上位机系统的主控板配置为采集并发送机器人当前的交互状态，所述交互状态包括录音状态、语音/动作输出状态以及语义解析状态；

所述交互显示模块配置为根据所述交互状态输出对应的交互状态显示。

在一实施例中，所述系统还包括视觉传感器以及视觉处理单元，其中：

所述视觉传感器配置为采集外界图像信息；

所述视觉处理单元配置为分析处理所述外界图像信息并把图像分析处理结果发送到所述交互处理模块；

所述交互处理模块配置为综合分析所述外部交互输入信息以及所述图像分析处理结果并输出相应的语音回应控制信息以及动作回应控制信息。

根据本实用新型的机器人电子控制系统可以在进行语音交互的同时实现动作交互，与现有技术的机器人控制系统相比，其体积小、结构简单，具有更广的应用范围以及更好的用户体验。

本实用新型的其它特征或优点将在随后的说明书中阐述。并且，本实用新型的部分特征或优点将通过说明书而变得显而易见，或者通过实施本实用新型而被了解。本实用新型的目的和部分优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的步骤来实现或获得。

附图说明

附图用来提供对本实用新型的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本实用新型的实施例共同用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的限制。在附图中：

图1是根据本实用新型一实施例系统结构简图；

图2是根据本实用新型一实施例系统主控板接口分布示意图。

具体实施方式

以下将结合附图及实施例来详细说明本实用新型的实施方式，借此本实用新型的实施人员可以充分理解本实用新型如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程并依据上述实现过程具体实施本实用新型。需要说明的是，只要不构成冲突，本实用新型中的各个实施例以及各实施例中的各个特征可以相互结合，所形成的技术方案均在本实用新型的保护范围之内。

现有面向家用的小型机器人，仅能实现按钮开闭或语音交互，尚不能通过其他方式，实现用户与小型机器人的多元沟通。尤其是现有的机器人尚不能达到语音交互过程中同时输出肢体动作以实现肢体动作上的交互。这不仅限制了了机器人的应用范围，而且大大降低了机器人的用户体验。

为了提高机器人的用户体验，拓展机器人的应用范围，本实用新型提供了一种面向家用小型智能机器人的电子控制系统。

本实用新型的机器人电子控制系统主要组成部分包括交互信息采集模块、交 互处理模块、语音输出单元以及机器人肢体控制单元。

如图1所示，交互信息采集模块110配置为采集外部交互输入信息。交互信息采集模块110包含语音采集单元111以及触摸传感器112，语音采集单元111配置为采集外界语音信息，触摸传感器112配置为采集外部触摸压力数据。

交互处理模块120配置为分析外部交互输入信息并输出相应的语音回应控制信息以及动作回应控制信息，语音回应控制信息以及动作回应控制信息相互匹配。

语音输出单元130配置为根据语音回应控制信息输出匹配的语音回应；

机器人肢体控制单元140配置为根据动作回应控制信息输出匹配的机器人肢体控制信号以驱动机器人的肢体做出相应动作。

由于交互处理模块120同时输出与外部交互输入信息分析结果对应的语音回应控制信息以及动作回应控制信息，并且语音回应控制信息以及动作回应控制信息相互匹配。因此机器人可以在做出语音回应的同时做出与语音回应配套的动作回应。这就大大拓展了机器人的应用范围，并提高了机器人的用户体验。

考虑到分析外部交互输入信息并生成语音回应控制信息以及动作回应控制信息需要进行大量的数据处理。为了降低交互处理模块的性能需求，减小机器人控制系统的体积以及成本，在本实用新型的一实施例中，在交互处理模块120中构造有联网交互单元121。

联网交互单元121配置为实现交互处理模块120与机器人网络服务端100的数据交互，交互处理模块120配置为在机器人网络服务端100的辅助下生成交互回应控制信息。这样就相当于将本来需要交互处理模块120完成的数据处理操作交与了机器人网络服务端100完成，另外，本来需要存储在交互处理模块120的数据资料也可以存储在机器人网络服务端100。交互处理模块120的性能需求被大大降低，其体积和成本得到了有效控制。

进一步的，在图1所示实施例中，机器人电子控制系统还包含姿态传感器150，姿态传感器150配置为监控机器人当前姿态，机器人肢体控制单元140配置为基于机器人当前姿态输出相应的机器人肢体控制信号。这样就可以避免机器人无视当前自身的姿态强行执行动作，从而避免动作姿态错误或失去平衡摔倒等情况的发生。另外，姿态传感器150直接将监控数据发送到机器人肢体控制单元140，交互处理模块在生成动作回应控制信息时快速获取当前机器人的姿态，从而减少 了交互处理单元的数据处理量。

为了有效控制机器人电子控制系统的体积以实现机器人的小型化，在本实用新型一实施例中，采用了将各个功能模块集成在主控板上的方式。考虑到各个功能模块的电源需求、数据处理需求以及功能上的不同，在本实用新型一实施例中，机器人电子控制系统被构造成上位机系统以及下位机系统两部分。上位机系统以及下位机系统分别各包含一块独立的主控板，上位机系统以及下位机系统的外部电路原件连接到各自的主控板上。这样在保证系统整体的集成度的前提下将资源有冲突的模块分开，从而保证了系统的稳定高效运行。

在本实用新型的一实施例中，作如下分析：

首先考虑到系统在分析外部交互输入信息并生成相应的语音回应控制信息以及动作回应控制信息、生成机器人肢体控制信号时均需要进行较大量的数据运算；

生成机器人肢体控制信号(驱动机器人肢体)需要较大功率的电源支持；

根据语音回应控制信息输出语音以及采集外部交互输入信息数据运算量很大。

因此，将交互信息采集模块、交互处理模块以及语音输出单元构造在上位机系统中；将机器人肢体控制单元以及姿态传感器构造在下位机系统中。上位机系统实现外部交互输入信息的采集分析、语音回应控制信息以及动作回应控制信息的生成以及语音回应的输出；上位机主控板将动作回应控制信息发送到下位机主控板，下位机系统实现机器人肢体控制信号的生成以及机器人肢体的驱动。这样就使得生成机器人肢体控制信号以及驱动机器人肢体得到相对独立的数据处理硬件以及电源支持。

如图1所示，交互信息采集模块110、交互处理模块120以及语音输出单元130被构造在上位机系统101中，机器人肢体控制单元140以及姿态传感器150被构造在下位机系统102中。

进一步的，为了便于用户了解机器人当前的电量状态。在本实用新型一实施例中，系统还包含电量显示模块，电量显示模块配置为显示机器人当前的电量信息。考虑到电量显示需要的数据处理量不高但是需要一定的电源驱动支持(驱动发光二极管)，因此电量显示模块被构造在下位机系统中，其中：

上位机系统的主控板配置为采集并发送机器人当前的电量信息；

电量显示模块配置为根据电量信息输出对应的电量显示。

进一步的，为了便于用户了解机器人当前的交互状态。在本实用新型一实施例中，系统还包含交互显示模块，交互显示模块配置为显示机器人当前的交互状态。考虑到交互状态显示需要的数据处理量不高但是需要一定的电源驱动支持(驱动发光二极管)，因此交互显示模块被构造在下位机系统中，其中：

上位机系统的主控板配置为采集并发送机器人当前的交互状态，交互状态包括录音状态、语音/动作输出状态以及语义解析状态；

交互显示模块配置为根据交互状态输出对应的交互状态显示。

具体的，在本实用新型一实施例中，上位机系统的主控板为基于全志双核A20处理器的主控板，上位机系统的主控板上集成有无线联网模块(WiFi)、麦克降噪模块以及音频放大模块。利用A20处理器进行外部交互输入信息的分析、语音回应控制信息以及动作回应控制信息的生成；利用WiFi联网模块实现与机器人网络服务端的数据交互；利用麦克降噪模块以及连接在主控板上的麦克风实现外界语音信息的采集；利用音频放大模块以及连接在主控板上的扬声器实现语音回应的输出。

如图2所示，上位机主控板210为基于全志双核A20处理器的主控板，其板载wifi联网模块，麦克降噪及音频放大模块以及电源管理模块。上位机主控板210提供的接口有：

电容触摸接口212，三线接口，线序为供电(VCC)接地(GND)输出(OUT)，其连接到触摸模块204；

串口通信接口216，三线接口，线序为接地(GND)上行(RX)下行(TX)，其连接到下位机主控板217的串口通信接口227；

扬声器接口213，两线接口，线序为音频信号正(Speaker+)音频信号负(Speaker-)(在本实用新型一实施例中，具有2个扬声器接口)，其连接到扬声器205；

麦克接口211，两线接口，线序为麦克风信号正(Mic+)麦克风信号负(Mic-)，其连接到麦克风203；

充电口214，两线接口，线序为供电(VCC)接地(GND)，其连接到机器人充电口201并连接电源管理模块215；

电源管理模块215的电池充电接口，两线接口，线序为电源输入(DCIN)接 地(GND)，其连接到锂电池202。

上位机主控板210尺寸为60mm*40mm，麦克风203为直径6mm的驻极体麦克，扬声器205为直径25mm的高低音同轴的扬声器，触摸模块204为2mm*2mm的触摸模块。

具体的，在本实用新型一实施例中，下位机系统的主控板为基于意法半导体微控制器STM32的主控板，下位机系统的主控板上集成有六轴姿态传感器MPU6500以及电机驱动模块。利用微控制器STM32生成机器人肢体控制信号；利用六轴姿态传感器MPU6500监控机器人当前姿态；利用电机驱动模块驱动机器人肢体动作。

如图2所示，下位机主控板220为基于意法半导体微控制器STM32的主控板。下位机主控板220内部集成电源管理模块、电源显示模块，交互状态显示模块、六轴姿态传感器MPU6500以及电机驱动。

具体的，下位机主控板220提供的接口有：

电源接口，两线接口，线序为VCC GND，电源管理模块的稳压芯片223通过电源接口与锂电池202以及上位机主控板210的电源管理模块215相连；

串口通信接口227，三线接口，线序为GND RX TX，上位机主控板210以及下位机主控板220之间通过串口通信实现数据传输；

三路电机接口，每路为两线接口，线序为电机正(Motor+)电机负(Motor-)，电机驱动(224、225、226)通过三路电机接口驱动机器人的电机(231、232、233)(三个电机分别为两个腿部电机一个手臂电机)运转以实现机器人动作；

系统电量显示接口，四线接口，线序为输出(IO)输出(IO)输出(IO)接地(GND)，连接到电量显示灯206(电量显示灯为多色发光二极管(LED)灯，三个IO接口分别对应红R、绿G、蓝B)；

交互显示接口，两线接口，线序为PWM GND，连接到交互显示灯207(交互显示灯为鼻子呼吸灯)。

下位机主控板220尺寸为55mm*35mm，交互显示灯207为直径3mm的LED灯，电量显示灯206为直径3mm的LED灯。

系统上下位机主控板210和220由一个物理开关控制。系统开机过程为：

系统上电，上位机主控板210完成联网、初始化；

下位机主控板220的交互显示灯207处于呼吸状态等待上位机主控板210初 始化完成。

交互过程：

上位机主控板210初始化完成，上下位机主控板210和220通过串口(216、227)正常传递数据；

麦克风203采集音频信号，经过对音频的降噪和放大送给上位机主控板210的处理芯片A20，A20通过联网模块将语音信息传递给机器人网络服务端，机器人网络服务端对语音信息作出准确的判断并将判断结果传回A20，A20控制扬声器205反馈给用户语音回应，于此同时A20将动作回应控制信息(需要执行的动作)、电量信息以及交互状态信息通过串口发送给下位机主控板220；

下位机主控板220通过串口接收A20的控制指令，完成电量显示，交互显示，腿部及手部动作等多模态交互动作。

在电量显示过程中，系统电量通过RGB三色灯展现：R代表电量不足，B代表电量正常，G代表电量充足。同时上位机主控板210通过扬声器告知用户电量情况。在交互显示过程中，通过PWM控制的LED灯：常亮提示用户此时机器人处于录音状态，常灭提示用户此时机器人语音输出，闪烁提示用户机器人在联网进行语义解析。

为了进一步拓展机器人的应用范围，提高机器人的用户体验，在本实用新型一实施例中，机器人电子控制系统还包含视觉传感器，视觉传感器配置为采集外界图像信息。这样机器人电子控制系统的交互处理模块配置就可以综合分析外部交互输入信息以及外界图像信息并输出相应的语音回应控制信息以及动作回应控制信息。

考虑到外界图像信息的分析具有较高的数据处理量，因此，在本实用新型一实施例中，系统还包括视觉处理单元，视觉处理单元配置为分析处理外界图像信息并把图像分析处理结果发送到交互处理模块。交互处理模块配置为综合分析外部交互输入信息以及图像分析处理结果并输出相应的语音回应控制信息以及动作回应控制信息。

综上，本实用新型的机器人电子控制系统可以在进行语音交互的同时实现动作交互，与现有技术的机器人控制系统相比，其体积小、结构简单，具有更广的应用范围以及更好的用户体验。

虽然本实用新型所公开的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本 实用新型而采用的实施方式，并非用以限定本实用新型。本实用新型所述的系统还可有其他多种实施例。在不背离本实用新型实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本实用新型作出各种相应的改变或变形，但这些相应的改变或变形都应属于本实用新型的权利要求的保护范围。