根據(jù)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局2016年公布的數(shù)據(jù)顯示,我國(guó)60歲以上的老年人超過2.3億,且老年人口規(guī)模不斷擴(kuò)大。隨著人口年齡結(jié)構(gòu)急劇變化,人們的生活節(jié)奏越來越快,老年人往往不能得到周到的照料。為了順應(yīng)社會(huì)的轉(zhuǎn)變,充分考慮當(dāng)今的科技進(jìn)步和時(shí)代發(fā)展,本文設(shè)計(jì)一種基于物聯(lián)網(wǎng)的智能家庭機(jī)器人。智能家庭機(jī)器人作為一種服務(wù)型人工智能可以更好地解決養(yǎng)老問題,讓老年人享受到更高品質(zhì)的生活的同時(shí),也大大減輕年輕人與社會(huì)的壓力。

本文系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

該系統(tǒng)的機(jī)器人集合各種模塊進(jìn)行設(shè)計(jì),以樹莓派為處理核心,搭載Linux系統(tǒng),以STM32芯片輔助連接各個(gè)模塊。機(jī)器人的底盤主要由兩個(gè)直流減速電機(jī)、激光雷達(dá)、SLAMWARE模塊、自動(dòng)充電模塊和超聲波模塊組成,中間部分安裝功放模塊、煙霧檢測(cè)模塊和鋰電池組,上部安裝麥克風(fēng)陣列板、語音增強(qiáng)核心板和樹莓派核心板,頭部搭載舵機(jī)云臺(tái)、攝像頭模塊、遙控模塊和心率檢測(cè)模塊。

設(shè)計(jì)采用樹莓派4B作為數(shù)據(jù)的處理核心,并加上STM32芯片及其他硬件模塊MCU的輔助完成各個(gè)硬件模塊的數(shù)據(jù)處理與控制。樹莓派4B型搭載了基于Cortex-A72架構(gòu)的64位四核處理器BCM2711,主頻可達(dá)1.5 GHz,性能強(qiáng)勁,并集成了雙頻WiFi模塊和Bluetooth 5.0模塊,可以非常便捷地連接互聯(lián)網(wǎng)及家中的智能設(shè)備,同時(shí)外接上EMMC存儲(chǔ)器進(jìn)一步提升其數(shù)據(jù)的讀寫性能。在樹莓派上可以運(yùn)行多種Linux系統(tǒng)或Windows 10 IoT Core系統(tǒng),有圖形界面和眾多SDK的支持,可以更加簡(jiǎn)單快速的進(jìn)行開發(fā),同時(shí)能夠簡(jiǎn)單高效的進(jìn)行程序線程的處理,系統(tǒng)的穩(wěn)定性也能得到保障。

語音交互模組設(shè)計(jì)如圖2所示。語音交互模組包括:環(huán)形麥克風(fēng)陣列[1]模塊、語音增強(qiáng)[2]核心、功放模塊。

首先得明確該機(jī)器的的語音識(shí)別環(huán)境是在室內(nèi),相比手機(jī)上的近場(chǎng)語音交互,其環(huán)境更加苛刻,人的聲源位置是不斷變化的,還會(huì)有背景噪音、混響、回聲、多人聲混肴等多種干擾因素。面對(duì)這樣的遠(yuǎn)場(chǎng)語音識(shí)別[3]環(huán)境,語音前端的設(shè)備和算法的處理十分重要。設(shè)計(jì)采用“環(huán)形6+1”麥克風(fēng)陣列方案,配合語音增強(qiáng)模塊的算法可以有效增強(qiáng)遠(yuǎn)場(chǎng)拾音能力和抑噪能力。主流的麥克風(fēng)陣列拾音流程分為回聲抵消[4]、聲源定位[5]、波束形成[6]、去混響[7]、信號(hào)增益這幾個(gè)步驟,這些需要前端通過算法完成,而且需要不間斷地實(shí)時(shí)監(jiān)聽運(yùn)算,顯然無法通過樹莓派來完成這些算法,而必須借助專用的語音處理單元。如今,市面上如百度、科大訊飛等公司都推出了功能完善的麥克風(fēng)陣列模塊和語音增強(qiáng)模塊,無需理解其復(fù)雜的算法便可以完成語音信號(hào)的前端處理。再通過樹莓派接入云端語音識(shí)別RestfulAPI和TTS語音引擎,完成語音的識(shí)別、自然語言理解、業(yè)務(wù)邏輯分析、語音合成和語音模型的訓(xùn)練。

機(jī)器人的自主定位導(dǎo)航[8]包括:自主定位、自動(dòng)地圖建模和自主路徑規(guī)劃,還需要實(shí)時(shí)自動(dòng)避障,并在環(huán)境發(fā)生變化時(shí)重定位。

本設(shè)計(jì)采用SLAMTEC思嵐科技的自主定位導(dǎo)航套裝:RPLIDAR激光雷達(dá)加SLAMWARE自主定位導(dǎo)航核心。SLAMWARE核心集成了9自由度的IMU,內(nèi)置了SLAM算法[9]引擎、改良的D*算法[10],配合激光雷達(dá)可以自動(dòng)快速完成機(jī)器人的定位、建圖和路徑規(guī)劃。并且思嵐科技提供了SLAMWARESDK,可以在電腦上通過串口連接SLAMWARE核心方便地查看實(shí)時(shí)地圖、修改參數(shù)和命令等。SLAMWARE還提供了算法和API接口配合超聲波傳感器、防跌落傳感器,完成實(shí)時(shí)自動(dòng)避障和激光雷達(dá)測(cè)量受阻時(shí)的重定位。SLAMWARE還提供了“自動(dòng)回巢”的算法,以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的自動(dòng)回充[11]。

家電遙控模塊:由紅外遙控模塊和WiFi模塊組成。

心率檢測(cè)模塊:使用MAX30102心率血氧檢測(cè)模塊。

攝像頭模塊:考慮到攝像頭需要完成室內(nèi)監(jiān)控、視頻通話、人臉識(shí)別、物品識(shí)別等功能,攝像頭模塊采用無畸變、可夜視的高清攝像頭,同時(shí)加裝由兩個(gè)微型舵機(jī)組成的自動(dòng)云臺(tái)來自動(dòng)調(diào)整攝像的視角。

煙霧檢測(cè)模塊:由MQ-2,MQ-5,ME3-CO和ME3-H2S等多個(gè)不同的煙霧檢測(cè)傳感器組成,主要檢測(cè)室內(nèi)氣體的天然氣、液化氣、甲烷、一氧化碳、硫化氫等氣體的濃度。

機(jī)器人的軟件系統(tǒng)由樹莓派、語音增強(qiáng)核心、SLAMWARE核心和云端服務(wù)器4部分進(jìn)行分模塊的處理。樹莓派作為主系統(tǒng)負(fù)責(zé)其他模塊的連接調(diào)用、進(jìn)程的調(diào)配、本地語音識(shí)別、云端的數(shù)據(jù)交互等任務(wù)。語音增強(qiáng)核心負(fù)責(zé)語音識(shí)別的前端聲音處理,SLAMWARE負(fù)責(zé)機(jī)器人的自主定位導(dǎo)航功能,云端服務(wù)器負(fù)責(zé)語音、語義的識(shí)別,做出對(duì)應(yīng)的執(zhí)行邏輯處理,合成應(yīng)答語音,并返回命令和語音數(shù)據(jù)給機(jī)器人終端。

4 結(jié) 語

本文設(shè)計(jì)了一種以語音為核心交互方式,集成多種智能服務(wù)的家庭養(yǎng)老監(jiān)護(hù)機(jī)器人。以機(jī)器人作為智能中樞,借助簡(jiǎn)單的語音交互,使老人能夠簡(jiǎn)便地使用眾多的智能家電,給千萬家庭帶來生活質(zhì)量的提升。