基于语音技术的早教写字机器人设计

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1、描述：随着科技的飞速发展，儿童的玩伴不再拘泥于传统玩具，具有人机交互功能的教育机器人将得到极大发展。文章设计出一种基于语音技术的早教写字机器人，该机器人采用轮式结构，以STM32F103作为主控芯片，用x...摘要：随着科技的飞速发展，儿童的玩伴不再拘泥于传统玩具，具有人机交互功能的教育机器人将得到极大发展。文章设计出一种基于语音技术的早教写字机器 人，该机器人采用轮式结构，以STM32F103作为主控芯片，用x、y、z三自由度写字机构实现写字功能，语音模块能够准确识别使用者命令并传递控制信 号，超声波传感器可实现机器人避障。实验结果表明，语音技术能较好实现人机

2、交互，所写字迹规范、清晰。 　　机器人一直是国内外研究的热点，其中教育机器人则是以激发学生学习兴趣、提高学生综合能力为目标，它在丰富儿童童年生活的同时，激发了儿童对 科学技术的好奇心和求知欲。目前，国内已出现了机器人写字相关技术的研究。陈雪华、张学文等人对四自由度写字机器人做了详细的研究，并对其控制系统设计、 轨迹规划、运动学仿真进行了详细的分析；宫晓博利用IRB140型机器人做了汉字绘制的研究；但将机器人写字技术与语音技术相结合的研究并不多见。汉王科 技推出的“双枪笔”利用语音技术实现了当使用者对着麦克风朗读，相应文字就会自动录入电脑，但这一技术却没能实现书写

3、过程的展示。文章主要阐述基于语音技 术的早教写字机器人，通过x、y、z三自由度机构带动笔的运动来展现书写过程。语音控制技术强化了人机交互功能，使得机器人更加人性化。 　　1 系统总体设计 　　　　系统是基于语音技术的早教写字机器人。该机器人能按照使用者的语音命令，驱动其写字机构运动——带动上面的常规绘图笔，完成10以内的算术运 算的书写。系统是典型的机电声技术相结合的轮式结构机器人，由STM32F103作为主控芯片，系统按功能由车身驱动部分、写字部分、语音处理部分、电源 模块和显示器、播放器等辅助设备组成。系统总体设计框图如图1所示。系统由24V，3A的开关电源

4、供电。机械结构包括车体和写字机构。车体采用四轮式，以 安装于后轮的两个直流电机作为驱动；写字机构放在写字板上，一同置于车体中层；在车前方安装了三个互成一定角度的超声波传感器用于避障检测。 　　2 写字机构设计 写字机构搭载在写字板上，采用“十”字滑块结构实现XY平面内的任意轨迹运动；曲柄滑块机构实现Z方向的提笔、下笔运动。“十”字滑块结构由 导轨座、移动滑块、写字板、滚珠丝杠螺母副和步进电机等部件构成，“十”字滑块结构如图2所示。两个步进电机作为原动机以驱动滚珠丝杠，分别安装在写字板 的X轴和Y轴上。移动滑块位于两滚珠丝杠的交点处，滚珠丝杠的螺母带动滑块上的绘图

5、笔实现沿x、y平面内任意轨迹的运动，从而实现绘图笔对平面任意点的遍 历。曲柄滑块机构用来完成Z方向的提笔和下笔动作，曲柄滑块机构如图3所示，它能将圆周运动转换为直线运动，笔固定于滑块上，通过舵机转动控制曲柄的圆周 摆动从而使滑块沿Z方向上下移动。  　　3 写字功能的实现及写字算法 　　该功能旨在完成10以内的算术运算。一个完整的算术运算由运算元和运算子构成，例如“3+6=9”。以下将运算元和运算子统称为运算单元，不 同的运算单元又由不同的直线、斜线、圆弧等组合构成。在XY平面，两个57系列的步进电机带动写字机构运动。步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移 

6、的开环控制元件。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过 一个步距角。电机的驱动为TB6560驱动板，由于电机的步距角为1.8°，再经一定的细分后，定位将更加精确。 　　由STM32产生一定频率、一定时间的PWM波使步进电动机完成相应的转动，滚珠丝杠能将步进电机的旋转角度转换为绘图笔相对于坐标轴相应距 离的直线运动。当一个电机转动而另一个电机不转动的情况下，可完成横线或竖线的书写；当两个电机同时转动，完成斜线的书写，斜线的斜率取决于两电机转动频 率差值；由于圆弧可看成由若干斜

7、率不同的细小的直线段构成，虽然电机的转动对时间是离散的，但电机的步距精度很高，可以实现圆弧的书写。 　　以绘图板左上角为坐标原点建立X-Y平面坐标系。设A（x1，y1），B（x2，y1），C（x3，y1），D（x4，y1），E（x5，y1）分别为书写过程中五个运算单元的起始坐标。程序根据对脉冲的计数可定位出绘图笔当前的坐标P（xp，yp），计算过程如下： 　　书写第一个运算单元时，以A（x1，y1）作为笔的起始坐标。设定控制X轴向运动的电机的最小步距角为θ0，某段时间内微控制器输出给X轴向电机的脉冲频率为fxk，对应脉冲个数为nxk（k=1，2，3，...），则

8、此时间段内该电机转过的角