本实用新型实施例涉及智能机器人领域，尤其涉及一种基于麦克风阵列的机器人。
背景技术：
随着人工智能行业的发展，语音交互已经比较普遍。特别是机器人与人类交流也越来越频繁，在现有的机器人中通常使用语音识别技术进行语音交互。然而由于语音识别技术的性能受到许多因素的影响。
但是，现有机器人拾音装置都只是单个拾音器结构设计，这种拾音装置的设计简单，机器人与用户交流时仅仅通过麦克风传输声音，存在不能辨认音源的方向以及出现杂音和回音等问题。现今越来越多的机器人用于服务人类，不能准确分辨声音的来源方向显然对服务行业的机器人是不合格的，因此有必要研发能准确识别音源方向的机器人。
技术实现要素：
本实用新型提供一种基于麦克风阵列的机器人，以实现在机器人与用户交流时准确辨认音源的方向，提高人机交互体验。
本实用新型实施例提供了一种基于麦克风阵列的机器人，包括麦克风矩阵装置和机器人本体；其中，
所述麦克风矩阵装置，用于获取声源发出的语音信号；在获取所述语音信号的过程中根据所述语音信号确定所述声源的当前声源角度；当所述当前声源角度大于预先设置的声源角度阈值时，调整所述当前声源角度，使所述当前声源角度不大于所述声源角度阈值；其中，所述当前声源角度为所述麦克风矩阵装置到所述声源的方向与参考方向之间的角度；
所述机器人本体，与所述麦克风矩阵装置连接，用于接收通过所述麦克风矩阵装置获取的所述声源发出的语音信号。
进一步的，所述麦克风矩阵装置包括：麦克风阵列模块、语音处理模块、控制模块和方向转动模块；其中，
所述麦克风阵列模块，与所述语音处理模块连接，用于获取声源发出的语音信号，并将所述语音信号发送至所述语音处理模块；
所述语音处理模块，与所述控制模块连接，用于在获取所述语音信号的过程中根据所述语音信号计算所述声源的当前声源角度，并将所述当前声源角度发送至所述控制模块；其中，所述当前声源角度为所述麦克风矩阵装置到所述声源的方向与参考方向之间的角度；
所述控制模块，与所述方向转动模块连接，用于当所述当前声源角度大于预先设置的声源角度阈值时，调整所述当前声源角度，使所述当前声源角度不大于所述声源角度阈值。
进一步的，所述语音处理模块，还用于：对所述语音信号进行回音消除处理，获取处理后的语音信号，并在所述控制模块的控制下将所述处理后的语音信号发送至所述机器人本体。
进一步的，所述麦克风阵列模块包括至少两个麦克风，所述至少两个麦克风之间采用线性阵列；其中，相邻的两个麦克风之间的距离小于或等于预设距离值。
进一步的，所述麦克风矩阵装置还包括：电源指示灯、信号指示灯、音频输出接口和电源接口中的至少一项。
进一步的，所述机器人本体包括：机器人身体、设置在机器人身体上端的头部和设置在机器人身体左右两端的手臂；其中，所述头部设置有LED灯阵列和摄像头。
进一步的，所述机器人还包括底台，其中，所述机器人本体设置在所述底台上端，所述底台上还设置有触摸显示屏和发声设备。
进一步的，在所述底台的上端设置有第一支架，所述机器人本体通过所述第一支架设置在所述底台上；其中，所述第一支架的底端与所述底台的顶端固定连接。
进一步的，述第一支架的顶端设置有横向的转轴，所述转轴的轴身与所述机器人本体的身体可拆卸式连接。
进一步的，在所述底台的上还设置有第二支架，所述底台通过所述第二支架设置有宣传显示屏，所述宣传显示屏位于所述机器人本体的上方。
本实用新型实施例提供的基于麦克风阵列的机器人，包括麦克风矩阵装置和机器人本体；麦克风矩阵装置，用于获取声源发出的语音信号；在获取语音信号的过程中根据语音信号确定声源的当前声源角度；在当前声源角度大于预先设置的声源角度阈值时，调整当前声源角度，使所述当前声源角度不大于所述声源角度阈值；机器人本体，与麦克风矩阵装置连接，用于接收通过麦克风矩阵装置获取的声源发出的语音信号。本实用新型实施例解决了现有机器人无法分辨声音的来源方向的问题，实现了在机器人与用户交流时准确辨认音源的方向，提高了人机交互体验。
附图说明
图1是本实用新型实施例一提供的一种基于麦克风阵列的机器人的结构示意图；
图2是本实用新型实施例一提供的一种基于麦克风阵列的机器人的麦克风矩阵装置和声源的声源角度俯视示意图；
图3是本实用新型实施例二提供的一种基于麦克风阵列的机器人的结构示意图；
图4A是本实用新型实施例二提供的一种基于麦克风阵列的机器人的麦克风矩阵装置的正视结构示意图；
图4B是本实用新型实施例二提供的图4A中沿A1-A2方向的剖面结构示意图；
图4C是本实用新型实施例二提供的一种基于麦克风阵列的机器人的麦克风矩阵装置的后视结构示意图；
图5是本实用新型实施例三提供的一种基于麦克风阵列的机器人的正视结构示意图；
图6是本实用新型实施例三提供的一种基于麦克风阵列的机器人的侧视结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本实用新型，而非对本实用新型的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本实用新型相关的部分而非全部结构。
实施例一
图1是本实用新型实施例一提供的一种基于麦克风阵列的机器人的结构示意图，本实施例可适用于机器人与用户交流时无法准确辨认音源方向的应用场景。如图1所示，该基于麦克风阵列的机器人可以包括：麦克风矩阵装置101和机器人本体102；其中，
麦克风矩阵装置101，用于获取声源发出的语音信号；在获取语音信号的过程中根据语音信号确定声源的当前声源角度；在当前声源角度大于预先设置的声源角度阈值时，调整当前声源角度，使当前声源角度不大于声源角度阈值；其中，当前声源角度为麦克风矩阵装置到声源的方向与参考方向之间的角度。
机器人本体102，与麦克风矩阵装置101连接，用于接收通过麦克风矩阵装置101获取的声源发出的语音信号。
在本实施例中，图2是本实用新型实施例一提供的一种基于麦克风阵列的机器人的麦克风矩阵装置和声源的声源角度俯视示意图。参见图2，用户可以作为一个声源100发出语音信号，麦克风矩阵装置接收声源100发出的语音信号。在获取语音信号的过程中，可以根据语音信号确定声源100的当前声源角度；其中，当前声源角度为麦克风矩阵装置到声源的方向与参考方向之间的角度。需要注意的是，麦克风矩阵装置101获取语音信号和根据语音信号确定当前声源角度并对声源角度进行调整可以看作是同步进行的。也就是说，麦克风矩阵装置101在根据语音信号确定当前声源角度并对声源角度进行调整时，仍然在获取声源100发出的语音信号，并在获取的过程中实时调整麦克风矩阵装置101的方向，即调整当前声源角度。
具体地，参见图2，以麦克风矩阵装置101作为参照物，声源100可以在麦克风矩阵装置101前段的一个类似扇形的区域进行移动并发出语音信号。麦克风矩阵装置101前端中心位置到声源100中心位置所在的方向作为方向1；麦克风矩阵装置101左端中心位置到麦克风矩阵装置101右端中心位置所在方向作为方向2；麦克风矩阵装置101后端中心位置到麦克风矩阵装置101前端中心位置所在方向作为方向3。其中，方向2或方向3均可以作为本实施例中麦克风矩阵装置101到声源100的方向的参考方向；相应的，当前声源角度可以是方向1和方向2之间的角度α，或者当前声源角度还可以是方向1和方向3之间的角度β。当前声源角度大于预先设置的声源角度阈值时，调整当前声源角度，使当前声源角度不大于预先设置的声源角度阈值。
例如，参见图2，在当前声源角度为方向1和方向2之间的角度α，如果角度α较大，就可能导致麦克风装置101不能很好地面向声源100，进而无法获取质量较好的语音信号。因此在当角度α大于预设的角度阈值(比如1°～3°之间的任一值)时，就调整声源角度α，使得声源角度α不大于预设角度阈值。当调整后的声源角度α小于预设角度阈值后，就可以认为麦克风矩阵装置101已经面向声源100获取语音信号。当然，参考方向的设定不局限于本实施例提出的方式，可以根据需要自行设定，只要设定的参考方向可以表示出麦克风矩阵装置101与声源100之间的角度关系，进而根据角度关系判断麦克风矩阵装置是否正向面向声源100即可。
在本实施例中，麦克风矩阵装置101获取声源100发出的语音信号，并将该语音信号发送至与麦克风矩阵装置101连接的机器人本体102中进行后续操作处理。在麦克风矩阵装置101获取声源100发出的语音信号过程中，麦克风矩阵装置101同时会调整自身的方向，即调整当前声源角度，并在调整后的声源角度下继续获取语音信号。可选的，麦克风矩阵装置101与机器人本体102之间语音信号的传输可以采用无线或有线传输。无线传输可以是无线WiFi、蓝牙和其他无线传输方式。
在本实施例中，该麦克风矩阵装置能够实现服务机器人在语音识别过程中的方向增强和回声消除功能、提升服务机器人的语音识别能力。通过麦克风矩阵装置在机器人中的合理设计与布局，实现了机器人外部语音采集、声源定位、回声消除的功能，配合机器人头部的触摸屏显示器及扬声器的使用，使机器人更易于与人交流互动。
本实用新型实施例提供的基于麦克风阵列的机器人，包括麦克风矩阵装置和机器人本体；麦克风矩阵装置，用于获取声源发出的语音信号；在获取语音信号的过程中根据语音信号确定声源的当前声源角度；在当前声源角度大于预先设置的声源角度阈值时，调整当前声源角度，使所述当前声源角度不大于所述声源角度阈值；机器人本体，与麦克风矩阵装置连接，用于接收通过麦克风矩阵装置获取的声源发出的语音信号。本实用新型实施例解决了现有机器人无法分辨声音的来源方向的问题，实现了在机器人与用户交流时准确辨认音源的方向，提高了人机交互体验。
实施例二
图3是本实用新型实施例二提供的一种基于麦克风阵列的机器人的结构示意图。本实施例在上述实施例一的基础上进行优化，如图3所示，该基于麦克风阵列的机器人可以包括：麦克风矩阵装置101和机器人本体102；其中，
麦克风矩阵装置101可以包括：麦克风阵列模块1011、语音处理模块1012、控制模块1013和方向转动模块1014。具体的：
麦克风阵列模块1011，与语音处理模块1012连接，用于获取声源发出的语音信号，并将语音信号发送至语音处理模块1012。
语音处理模块1012，与控制模块1013连接，用于在获取语音信号的过程中根据语音信号计算声源的当前声源角度，并将当前声源角度发送至控制模块1013；其中，当前声源角度为麦克风矩阵装置到声源的方向与参考方向之间的角度。
控制模块1013，与方向转动模块1014连接，用于当当前声源角度大于预先设置的声源角度阈值时，调整当前声源角度，使当前声源角度不大于声源角度阈值。
机器人本体102，与麦克风矩阵装置101连接，用于接收通过麦克风矩阵装置101获取的声源发出的语音信号。
在本实施例中，通过麦克风阵列模块1011可以提高获取的语音信号的信噪比。具体地，麦克风阵列模块1011可以对远场噪声具有很强的抑制作用，在噪声环境中具有良好的信号采集性。麦克风阵列模块1011可以包括至少两个麦克风，麦克风之间可以采用线性阵列进行设置。麦克风阵列模块1011中包含的各个麦克风可以按照一定的距离采用线性排列方式进行放置，此时声源发出的语音信号抵达麦克风阵列模块1011中各个麦克风之间就会存在微小的时间差，使得麦克风阵列比单个麦克风更具有指向性。即通过麦克风阵列模块1101中各模块的相互作用，可以使麦克风阵列模块1101组合成一个强指向性麦克风，形成具有指向特性的波束。优选的，麦克风阵列模块1011可以包括四个麦克风，麦克风之间按照一定的距离采用线性排列进行放置。麦克风阵列模块1101的波束可以由电路或程序进行处理，使麦克风阵列模块1101指向声源方向加强语音信号的采集效果，只接收说话人的声音的同时抑制环境中的噪声与干扰。
在本实施例中，由于麦克风阵列模块1101中不同麦克风到声源处的距离不同，以及不同麦克风和声源之间形成的角度也不同，因此同一声源发出的语音信号到达麦克风阵列模块1101中不同麦克风的时间各不相同。声源方位估计算法(Time Different of Arrival，TDOA)主要分为两步，具体包括：第1步为时延估计，用于计算来自同一个声源的信号到达具有配对关系的两个麦克风的时间差；第2步为定位估计，用于计算声源位置，即根据所得到的时延估计，利用麦克风阵元相互之间的几何位置关系确定声源位置。
在本实施例中，语音处理模块1012可以采用声源方位估计算法(TimeDifferent of Arrival，TDOA)计算声源的位置信息，并根据声源位置确定声源的当前声源角度。其中，声源位置信息包括声源与麦克风阵列模块1101中不同麦克风之间的距离和角度信息。示例性的，语音处理模块1012通过不同麦克风和声源之间的距离和角度计算声源发出语音信号到达各个不同麦克风的时间差，进一步根据声源发出语音信号到达各个不同麦克风的时间差在二维空间中对二维声源进行定位，然后根据声源的定位信息确定当前声源角度。可选的，语音处理模块1012可以采用全志R16芯片。
在本实施例中，控制模块1013与方向转动模块1014连接，接收语音处理模块1012确定的当前声源角度，然后根据当前声源角度和预先设置的声源角度阈值确定是否需要对当前声源角度进行调整。可选的，在当前声源角度大于预先设置的声源角度阈值时，调整当前声源角度，使当前声源角度不大于声源角度阈值；在当前声源角度大于预先设置的声源角度阈值时，不调整声源角度，使麦克风矩阵装置101的麦克风阵列模块1011仍然保持原有声源角度继续获取声源发出的语音信号。可选的，控制模块1013可以采用微控制器，比如ARM控制器和单片机等。通过对声源角度的调整可以是保证麦克风矩阵装置101一直面向声源附近区域获取语音信号，使得麦克风矩阵装置101从除声源之外的其他区域获取的语音信号受到大幅度衰减，降低回声、混响和其它噪声对麦克风矩阵装置101获取声源发出语音信号的影响。
值得注意的，无论是否对当前声源角度进行调整，麦克风矩阵装置101可以一直在获取声源发出的语音信号；在声源角度调整前后获取的语音信号并没有断开而是连续的，仅仅是换了一个方向继续获取。
在上述实施例的基础上，可选的，语音处理模块1012，还用于：对语音信号进行回音消除处理，获取处理后的语音信号，并在控制模块的控制下将所述处理后的语音信号发送至所述机器人本体。
具体地，语音处理模块1012还可以采用高通滤波器、自适应算法滤波器和回音消除算法对麦克风阵列模块1011获取的语音信号进行处理，完成噪声的滤除与语音信号的增强，降低了使用距离、环境噪声等限制因素对语音信号的影响，抑制在语音信号中的回声和混响干扰，提高获取的语音信号的质量，得到清晰地语音信号，方便后续对语音信号的识别。
在上述实施例的基础上，可选的，麦克风矩阵装置101还包括：电源指示灯、信号指示灯、音频输出接口和电源接口中的至少一项。
在本实施例中，电源接口为对麦克风矩阵装置进行供电的接口，通过电源接口可以连接电源进行供电。电源指示灯可以指示麦克风矩阵模块的电源连接情况；信号指示灯用于指示麦克风矩阵装置是否正在获取声源发出的语音信号。可选的，电源指示灯和信号指示灯可以采用发光二极管。音频输出接口可以作为麦克风装置与机器人本体进行语音信号传输的介质，通过音频输出接口可以将语音信号通过有线方式传输给机器人本体。
示例性的，图4A是本实用新型实施例二提供的一种基于麦克风阵列的机器人的麦克风矩阵装置的主视图。参见图4A，麦克风矩阵装置包括麦克风阵列模块1011和方向转动模块1014，麦克风阵列模块1011具体有四个麦克风，分别为麦克风1011a、麦克风1011b、麦克风1011c和麦克风1011d；方向转动模块1014可以采用一个可旋转的支架；其中，麦克风1011a、麦克风1011b、麦克风1011c和麦克风1011d可以采用相同的麦克风，只是麦克风之间的距离可以相同，也可以不相同。图4B是本实用新型实施例二提供的图4A中沿A1-A2方向的剖面结构示意图。参见图4B，麦克风矩阵装置包括语音处理模块1012、控制模块1013和方向转动模块1014。图4C是本实用新型实施例二提供的一种基于麦克风阵列的机器人的麦克风矩阵装置的后视结构示意图。参见图4C，麦克风矩阵装置还包括电源接口1015、电源指示灯1016、信号指示灯1017、音频输入接口1018和音频输出接口1019。
本实用新型实施例提供的基于麦克风阵列的机器人，包括麦克风矩阵装置和机器人本体；麦克风矩阵装置，用于获取声源发出的语音信号；在获取语音信号的过程中根据语音信号确定声源的当前声源角度；在当前声源角度大于预先设置的声源角度阈值时，调整当前声源角度，使所述当前声源角度不大于所述声源角度阈值；机器人本体，与麦克风矩阵装置连接，用于接收通过麦克风矩阵装置获取的声源发出的语音信号。本实用新型实施例解决了现有机器人无法分辨声音的来源方向的问题，实现了在机器人与用户交流时准确辨认音源的方向，提高了人机交互体验。
实施例三
图5是本实用新型实施例三提供的一种基于麦克风阵列的机器人的正视结构示意图。本实施例在上述实施例一和实施例二的基础上进行优化，如图5所示，该基于麦克风阵列的机器人可以包括：麦克风矩阵装置101、机器人本体102和底台103；其中，麦克风矩阵装置101包括麦克风阵列模块、语音处理模块、控制模块和方向转动模块；麦克风矩阵装置101设置在机器人本体102的上端区域；机器人本体102设置在底台103的上端。
在本实施例中，可选的，机器人本体102可以包括：机器人身体1023、设置在机器人身体1023上端的头部1021和设置在机器人身体1023左右两端的手臂1022。机器人身体1023、头部1021和手臂1022可以根据需要与用户进行头部运动和手臂运动，实现与用户之间的人机互动。可选的，头部1021上还可以设置有LED灯阵列1024和摄像头1025。LED灯阵列1024主要起到眼睛的作用，可以组合成高兴、悲伤、哭泣、迷惑等多种表情，极大的增强了机器人的表现力。
图6是本实用新型实施例三提供的一种基于麦克风阵列的机器人的侧视结构示意图。在上述实施例的基础上，参见图5和图6，底台103上还设置触摸显示屏1031和发生设备1032。用户可以通过触摸屏对机器人的功能进行选择，以及进行其他操作处理，方便用户根据需要进行机器人相关功能的设置。通过发生设备1032，比如扬声器，可以将在机器人需要发出语音时，使机器人进行语音信号的播放。麦克风矩阵装置101实现了机器人的外部语音采集、声源定位、回声消除的功能，配合触摸显示屏1031及发声设备1032的使用，使机器人更易于与人交流互动。
在上述实施例的基础上，底台103的上端设置有第一支架104，机器人本体102可以通过第一支架104设置在底台103上；其中，第一支架104的底端与底台103的顶端固定连接。
在本实施例中，参见图6，机器人本体102通过第一支架104设置在底台103上，第一支架104的底端与底台103的顶面固定，第一支架104的顶端设置有横向的转轴，转轴的轴身可以与机器人本体102的身体1023可拆卸式连接；通过转轴的转动可带动机器人本体102的转动，效果类似与弯腰鞠躬，很是生动。
在上述实施例的基础上，可选的，底台103的上还设置有第二支架105，底台103通过第二支架105设置有宣传显示屏106，宣传显示屏106位于机器人本体102的上方。宣传显示屏106可以实时播放宣传视频和图片。
示例性的，启动服务机器人后，用户与搭载麦克风矩阵服务机器人进行语音交互时，机器人头部上方的麦克风矩阵装置，通过麦克风矩阵装置中的可旋转支架，来将麦克风矩阵装置转动到用户的声音方向，通过麦克风阵列采集用户的声音信号，电源指示灯进行闪烁，麦克风矩阵装置中的语音处理模块和控制模块通过特殊算法对用户的语音进行声源定位和回音消除，将处理好的音源通过麦克风矩阵装置中的音频输出接口传输到机器人的发生设备中进行播放。实现了机器人外部语音采集、声源定位、回声消除的功能，配合机器人头部的LED灯阵列和机器人本体的触摸屏显示器及扬声器的使用，使机器人更易于与人交流互动。
本实用新型实施例提供的基于麦克风阵列的机器人，包括麦克风矩阵装置、机器人本体和底台；其中，麦克风矩阵装置包括麦克风阵列模块、语音处理模块、控制模块和方向转动模块；麦克风矩阵装置设置在机器人本体的上端区域；机器人本体设置在底台的上端。本实用新型实施例解决了现有机器人无法分辨声音的来源方向的问题，实现了在机器人与用户交流时准确辨认音源的方向，提高了人机交互体验。
注意，上述仅为本实用新型的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本实用新型不限于这里的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本实用新型的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本实用新型进行了较为详细的说明，但是本实用新型不仅仅限于以上实施例，在不脱离本实用新型构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本实用新型的范围由所附的权利要求范围决定。