一种基于Arduino的智能跳舞机器人设计

2018-12-12杨海涛

科技传播 2018年22期

杨海涛

摘要文章介绍了一种基于Arduino的智能跳舞机器人，该机器人以Arduino单片机作为控制核心，通过语音识别技术模拟人类的跳舞动作，并在舞蹈过程中利用超声测距模块自主避障，同时可在手机端通过蓝牙模块进行控制，从而增加机器人的交互能力和趣味性，具有一定的应用价值。

关键词语音识别；Arduino单片机；超声避障；蓝牙控制

中图分类号 TP2 文献标识码 A 文章编号 1674-6708（2018）223-0151-03

随着科学技术的发展，机器人已经逐步走进我们的生活[1-2]。作为一种娱乐机器人的跳舞机器人，是一种集合了结构设计、计算机技术、控制技术、传感器技术以及通信技术等多学科知识的融合产物，在具备极强的观赏性和趣味性的同时，更体现了现代科技的日新月异[ 3 ]。

文章介绍了一款基于Arduino开源平台的小型跳舞机器人系统的设计与实现，该系统基于3D打印技术对机器人的主要结构部件进行设计和制造，利用PWM信号对机器人舵机进行控制，在主控制器的控制下模拟人类在音乐中翩翩起舞。同时，利用超声测距技术实现机器人的避障；通过语音识别技术，为机器人设计语音系统，在表演舞蹈前，实现语音控制与良好的交互功能。

1 跳舞机器人设计方案

跳舞机器人的主要结构部件如足部、头部外壳、腿部等均采用3D打印技术制作完成，极大地提高制作的效率，减少了制作的成本。机器人的控制核心采用Arduino开源平台，足部为2个自由度，驱动采用舵机作为驱动器，完成机器人的舞蹈动作。此外，蓝牙模块方便手机端进行交互，超声波模块能够实时避开障碍物的阻挡，语音控制模块实现机器人的语音控制。根据上述基本要求，所设计的整体方案如图1所示。

2 系统硬件设计

2.1 主控模块

由于Arduino的开源特点，并且便于初学者进行学习和开发，故采用Arduino作为跳舞机器人的主控模块，本设计选用以ATmega32u4作为主控芯片的Arduino？NANO作为主控制器对跳舞机器人进行设计与开发。它是Arduino系列中基于ATmega32u4的一款微控制器。它直接使用ATmega32u4的USB通信功能，在调试时候通过USB连接电脑和Arduino？ NANO即可进行程序的编写。

2.2 避障模塊

为了使得所设计的跳舞机器人在舞蹈过程中能够自主避开障碍物，本文采用超声波测距的方式，选用的避障模块型号为HC-SR04。该模块传输距离远、测距精度高，非常适合于智能机器人的避障设计。将该模块安装于跳舞机器人的头部位置，根据超声波原理和主控单元的接口配置，对HC-SR04超声波测距模块进行设计。所设计的电路如图2所示，主要包括超声波发射与接收电路、主控单元的接口电路等。

2.3 智能语音交互模块

智能语音交互控制模块主要用于机器人和操作人员进行交流控制。本文采用凌阳公司生产的型号为SPCE061A的专用语音处理模块。该模块具有一套完整的具备基本功能的语音模块电路，除了内置的具有自动增益控制功能的单通道声音模—数转换器之外，还配置了麦克风放大电路，提供有系统的语音开发API工具包及资料，方便开发使用。

在该模块的放音电路中，采用了仅需2.4V供电的型号为SPY0030的功放集成电路，其输出功率可高达0.7W。设计过程中，在运算放大器前端添加了阻值为1K的精密可调电阻器，用以调整音量的大小，使得音量能够达到较好的使用效果。所设计的放音电路如图3所示。

语音识别的好坏在很大程度上取决于麦克风输入电路的设计，因此，在设计过程中添加了滤波电路的同时，引入了自动增益（AGC）功能来提高识别的效果。所设计的麦克风输入电路如图4所示。从图中可以看出，随着MIC产生的波形变化，MICP端和MICN端也发生变化，并且在这两个端口上形成的波形互为反相。经过放电电路将语音数据信号放大，再经过模数转换送到主控模块进行诸如语音数据压缩、识别等处理。

3 系统软件设计

在完成跳舞机器人的总体结构与硬件电路设计的基础上，基于模块化软件设计详细，采用C语言完成系统的软件设计。整个系统的软件结构主要由主程序和若干个子程序构成，跳舞机器人的舞蹈动作、语音交互控制以及自主避障功能等均在相应的子程序中完成。主程序仅根据时序要求进行子程序的调用，从而使得整个软件具有清晰的结构和良好的可维护性。

3.1 主程序设计

主程序主要负责整个系统的时序流程，包括系统设置的初始化、堆栈指针设置、中断向量设置以及系统的主循环结构等。系统的初始化主要包括舞蹈动作的初始化和寄存器初始化。主程序流程如图5所示。