本實用新型涉及機器人領域，具體說涉及一種面向家用小型智能機器人的電子控制系統(tǒng)。

背景技術：

隨著計算機技術的不斷發(fā)展以及人工智能技術的不斷進步。在家用領域小型智能機器人的應用也越來越廣泛，面向家用的小型智能機器人正在迅猛發(fā)展。

現有面向家用的小型機器人，僅能實現按鈕開閉或語音交互，尚不能通過其他方式，實現用戶與小型機器人的多元溝通。尤其是現有的機器人尚不能達到語音交互過程中同時輸出肢體動作以實現肢體動作上的交互。這不僅限制了了機器人的應用范圍，而且大大降低了機器人的用戶體驗。

因此，為了提高機器人的用戶體驗，拓展機器人的應用范圍，亟需一種面向家用小型智能機器人的電子控制系統(tǒng)。

技術實現要素：

為了提高機器人的用戶體驗，拓展機器人的應用范圍，本實用新型提供了一種面向家用小型智能機器人的電子控制系統(tǒng)，包括：

交互信息采集模塊，其配置為采集外部交互輸入信息，所述交互信息采集模塊包含語音采集單元以及觸摸傳感器，所述語音采集單元配置為采集外界語音信息，所述觸摸傳感器配置為采集外部觸摸壓力數據；

交互處理模塊，其配置為分析所述外部交互輸入信息并輸出相應的語音回應控制信息以及動作回應控制信息，所述語音回應控制信息以及所述動作回應控制信息相互匹配；

語音輸出單元，其配置為根據所述語音回應控制信息輸出匹配的語音回應；

機器人肢體控制單元，其配置為在所述語音輸出單元輸出所述語音回應的同時根據所述動作回應控制信息輸出匹配的機器人肢體控制信號以驅動機器人的 肢體做出相應動作。

在一實施例中，所述交互處理模塊包含聯網交互單元，所述聯網交互單元配置為實現所述交互處理模塊與機器人網絡服務端的數據交互，所述交互處理模塊配置為在所述機器人網絡服務端的輔助下生成所述交互回應控制信息。

在一實施例中，所述系統(tǒng)包含上位機系統(tǒng)以及下位機系統(tǒng)，所述上位機系統(tǒng)以及所述下位機系統(tǒng)分別各包含一塊獨立的主控板，所述交互信息采集模塊、所述交互處理模塊以及所述語音輸出單元被構造在所述上位機系統(tǒng)中，所述機器人肢體控制單元被構造在所述下位機系統(tǒng)中。

在一實施例中，所述上位機系統(tǒng)的主控板為基于全志雙核A20處理器的主控板，所述上位機系統(tǒng)的主控板上集成有無線聯網模塊、麥克降噪模塊以及音頻放大模塊。

在一實施例中，所述系統(tǒng)還包含姿態(tài)傳感器，所述姿態(tài)傳感器被構造在所述下位機系統(tǒng)中，所述姿態(tài)傳感器配置為監(jiān)控機器人當前姿態(tài)，所述機器人肢體控制單元配置為基于所述機器人當前姿態(tài)輸出相應的所述機器人肢體控制信號。

在一實施例中，所述下位機系統(tǒng)的主控板為基于意法半導體微控制器STM32的主控板，所述下位機系統(tǒng)的主控板上集成有六軸姿態(tài)傳感器MPU6500以及電機驅動模塊。

在一實施例中，所述系統(tǒng)還包含電量顯示模塊，所述電量顯示模塊被構造在所述下位機系統(tǒng)中，其中：

所述上位機系統(tǒng)的主控板配置為采集并發(fā)送機器人當前的電量信息；

所述電量顯示模塊配置為根據所述電量信息輸出對應的電量顯示。

在一實施例中，所述系統(tǒng)還包含交互顯示模塊，所述交互顯示模塊被構造在所述下位機系統(tǒng)中，其中：

所述上位機系統(tǒng)的主控板配置為采集并發(fā)送機器人當前的交互狀態(tài)，所述交互狀態(tài)包括錄音狀態(tài)、語音/動作輸出狀態(tài)以及語義解析狀態(tài)；

所述交互顯示模塊配置為根據所述交互狀態(tài)輸出對應的交互狀態(tài)顯示。

在一實施例中，所述系統(tǒng)還包括視覺傳感器以及視覺處理單元，其中：

所述視覺傳感器配置為采集外界圖像信息；

所述視覺處理單元配置為分析處理所述外界圖像信息并把圖像分析處理結果發(fā)送到所述交互處理模塊；

所述交互處理模塊配置為綜合分析所述外部交互輸入信息以及所述圖像分析處理結果并輸出相應的語音回應控制信息以及動作回應控制信息。

根據本實用新型的機器人電子控制系統(tǒng)可以在進行語音交互的同時實現動作交互，與現有技術的機器人控制系統(tǒng)相比，其體積小、結構簡單，具有更廣的應用范圍以及更好的用戶體驗。

本實用新型的其它特征或優(yōu)點將在隨后的說明書中闡述。并且，本實用新型的部分特征或優(yōu)點將通過說明書而變得顯而易見，或者通過實施本實用新型而被了解。本實用新型的目的和部分優(yōu)點可通過在說明書、權利要求書以及附圖中所特別指出的步驟來實現或獲得。

附圖說明

附圖用來提供對本實用新型的進一步理解，并且構成說明書的一部分，與本實用新型的實施例共同用于解釋本實用新型，并不構成對本實用新型的限制。在附圖中：

圖1是根據本實用新型一實施例系統(tǒng)結構簡圖；

圖2是根據本實用新型一實施例系統(tǒng)主控板接口分布示意圖。

具體實施方式

以下將結合附圖及實施例來詳細說明本實用新型的實施方式，借此本實用新型的實施人員可以充分理解本實用新型如何應用技術手段來解決技術問題，并達成技術效果的實現過程并依據上述實現過程具體實施本實用新型。需要說明的是，只要不構成沖突，本實用新型中的各個實施例以及各實施例中的各個特征可以相互結合，所形成的技術方案均在本實用新型的保護范圍之內。

現有面向家用的小型機器人，僅能實現按鈕開閉或語音交互，尚不能通過其他方式，實現用戶與小型機器人的多元溝通。尤其是現有的機器人尚不能達到語音交互過程中同時輸出肢體動作以實現肢體動作上的交互。這不僅限制了了機器人的應用范圍，而且大大降低了機器人的用戶體驗。

為了提高機器人的用戶體驗，拓展機器人的應用范圍，本實用新型提供了一種面向家用小型智能機器人的電子控制系統(tǒng)。

本實用新型的機器人電子控制系統(tǒng)主要組成部分包括交互信息采集模塊、交 互處理模塊、語音輸出單元以及機器人肢體控制單元。

如圖1所示，交互信息采集模塊110配置為采集外部交互輸入信息。交互信息采集模塊110包含語音采集單元111以及觸摸傳感器112，語音采集單元111配置為采集外界語音信息，觸摸傳感器112配置為采集外部觸摸壓力數據。

交互處理模塊120配置為分析外部交互輸入信息并輸出相應的語音回應控制信息以及動作回應控制信息，語音回應控制信息以及動作回應控制信息相互匹配。

語音輸出單元130配置為根據語音回應控制信息輸出匹配的語音回應；

機器人肢體控制單元140配置為根據動作回應控制信息輸出匹配的機器人肢體控制信號以驅動機器人的肢體做出相應動作。

由于交互處理模塊120同時輸出與外部交互輸入信息分析結果對應的語音回應控制信息以及動作回應控制信息，并且語音回應控制信息以及動作回應控制信息相互匹配。因此機器人可以在做出語音回應的同時做出與語音回應配套的動作回應。這就大大拓展了機器人的應用范圍，并提高了機器人的用戶體驗。

考慮到分析外部交互輸入信息并生成語音回應控制信息以及動作回應控制信息需要進行大量的數據處理。為了降低交互處理模塊的性能需求，減小機器人控制系統(tǒng)的體積以及成本，在本實用新型的一實施例中，在交互處理模塊120中構造有聯網交互單元121。

聯網交互單元121配置為實現交互處理模塊120與機器人網絡服務端100的數據交互，交互處理模塊120配置為在機器人網絡服務端100的輔助下生成交互回應控制信息。這樣就相當于將本來需要交互處理模塊120完成的數據處理操作交與了機器人網絡服務端100完成，另外，本來需要存儲在交互處理模塊120的數據資料也可以存儲在機器人網絡服務端100。交互處理模塊120的性能需求被大大降低，其體積和成本得到了有效控制。

進一步的，在圖1所示實施例中，機器人電子控制系統(tǒng)還包含姿態(tài)傳感器150，姿態(tài)傳感器150配置為監(jiān)控機器人當前姿態(tài)，機器人肢體控制單元140配置為基于機器人當前姿態(tài)輸出相應的機器人肢體控制信號。這樣就可以避免機器人無視當前自身的姿態(tài)強行執(zhí)行動作，從而避免動作姿態(tài)錯誤或失去平衡摔倒等情況的發(fā)生。另外，姿態(tài)傳感器150直接將監(jiān)控數據發(fā)送到機器人肢體控制單元140，交互處理模塊在生成動作回應控制信息時快速獲取當前機器人的姿態(tài)，從而減少 了交互處理單元的數據處理量。

為了有效控制機器人電子控制系統(tǒng)的體積以實現機器人的小型化，在本實用新型一實施例中，采用了將各個功能模塊集成在主控板上的方式?？紤]到各個功能模塊的電源需求、數據處理需求以及功能上的不同，在本實用新型一實施例中，機器人電子控制系統(tǒng)被構造成上位機系統(tǒng)以及下位機系統(tǒng)兩部分。上位機系統(tǒng)以及下位機系統(tǒng)分別各包含一塊獨立的主控板，上位機系統(tǒng)以及下位機系統(tǒng)的外部電路原件連接到各自的主控板上。這樣在保證系統(tǒng)整體的集成度的前提下將資源有沖突的模塊分開，從而保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定高效運行。

在本實用新型的一實施例中，作如下分析：

首先考慮到系統(tǒng)在分析外部交互輸入信息并生成相應的語音回應控制信息以及動作回應控制信息、生成機器人肢體控制信號時均需要進行較大量的數據運算；

生成機器人肢體控制信號(驅動機器人肢體)需要較大功率的電源支持；

根據語音回應控制信息輸出語音以及采集外部交互輸入信息數據運算量很大。

因此，將交互信息采集模塊、交互處理模塊以及語音輸出單元構造在上位機系統(tǒng)中；將機器人肢體控制單元以及姿態(tài)傳感器構造在下位機系統(tǒng)中。上位機系統(tǒng)實現外部交互輸入信息的采集分析、語音回應控制信息以及動作回應控制信息的生成以及語音回應的輸出；上位機主控板將動作回應控制信息發(fā)送到下位機主控板，下位機系統(tǒng)實現機器人肢體控制信號的生成以及機器人肢體的驅動。這樣就使得生成機器人肢體控制信號以及驅動機器人肢體得到相對獨立的數據處理硬件以及電源支持。

如圖1所示，交互信息采集模塊110、交互處理模塊120以及語音輸出單元130被構造在上位機系統(tǒng)101中，機器人肢體控制單元140以及姿態(tài)傳感器150被構造在下位機系統(tǒng)102中。

進一步的，為了便于用戶了解機器人當前的電量狀態(tài)。在本實用新型一實施例中，系統(tǒng)還包含電量顯示模塊，電量顯示模塊配置為顯示機器人當前的電量信息?？紤]到電量顯示需要的數據處理量不高但是需要一定的電源驅動支持(驅動發(fā)光二極管)，因此電量顯示模塊被構造在下位機系統(tǒng)中，其中：

上位機系統(tǒng)的主控板配置為采集并發(fā)送機器人當前的電量信息；

電量顯示模塊配置為根據電量信息輸出對應的電量顯示。

進一步的，為了便于用戶了解機器人當前的交互狀態(tài)。在本實用新型一實施例中，系統(tǒng)還包含交互顯示模塊，交互顯示模塊配置為顯示機器人當前的交互狀態(tài)?？紤]到交互狀態(tài)顯示需要的數據處理量不高但是需要一定的電源驅動支持(驅動發(fā)光二極管)，因此交互顯示模塊被構造在下位機系統(tǒng)中，其中：

上位機系統(tǒng)的主控板配置為采集并發(fā)送機器人當前的交互狀態(tài)，交互狀態(tài)包括錄音狀態(tài)、語音/動作輸出狀態(tài)以及語義解析狀態(tài)；

交互顯示模塊配置為根據交互狀態(tài)輸出對應的交互狀態(tài)顯示。

具體的，在本實用新型一實施例中，上位機系統(tǒng)的主控板為基于全志雙核A20處理器的主控板，上位機系統(tǒng)的主控板上集成有無線聯網模塊(WiFi)、麥克降噪模塊以及音頻放大模塊。利用A20處理器進行外部交互輸入信息的分析、語音回應控制信息以及動作回應控制信息的生成；利用WiFi聯網模塊實現與機器人網絡服務端的數據交互；利用麥克降噪模塊以及連接在主控板上的麥克風實現外界語音信息的采集；利用音頻放大模塊以及連接在主控板上的揚聲器實現語音回應的輸出。

如圖2所示，上位機主控板210為基于全志雙核A20處理器的主控板，其板載wifi聯網模塊，麥克降噪及音頻放大模塊以及電源管理模塊。上位機主控板210提供的接口有：

電容觸摸接口212，三線接口，線序為供電(VCC)接地(GND)輸出(OUT)，其連接到觸摸模塊204；

串口通信接口216，三線接口，線序為接地(GND)上行(RX)下行(TX)，其連接到下位機主控板217的串口通信接口227；

揚聲器接口213，兩線接口，線序為音頻信號正(Speaker+)音頻信號負(Speaker-)(在本實用新型一實施例中，具有2個揚聲器接口)，其連接到揚聲器205；

麥克接口211，兩線接口，線序為麥克風信號正(Mic+)麥克風信號負(Mic-)，其連接到麥克風203；

充電口214，兩線接口，線序為供電(VCC)接地(GND)，其連接到機器人充電口201并連接電源管理模塊215；

電源管理模塊215的電池充電接口，兩線接口，線序為電源輸入(DCIN)接 地(GND)，其連接到鋰電池202。

上位機主控板210尺寸為60mm*40mm，麥克風203為直徑6mm的駐極體麥克，揚聲器205為直徑25mm的高低音同軸的揚聲器，觸摸模塊204為2mm*2mm的觸摸模塊。

具體的，在本實用新型一實施例中，下位機系統(tǒng)的主控板為基于意法半導體微控制器STM32的主控板，下位機系統(tǒng)的主控板上集成有六軸姿態(tài)傳感器MPU6500以及電機驅動模塊。利用微控制器STM32生成機器人肢體控制信號；利用六軸姿態(tài)傳感器MPU6500監(jiān)控機器人當前姿態(tài)；利用電機驅動模塊驅動機器人肢體動作。

如圖2所示，下位機主控板220為基于意法半導體微控制器STM32的主控板。下位機主控板220內部集成電源管理模塊、電源顯示模塊，交互狀態(tài)顯示模塊、六軸姿態(tài)傳感器MPU6500以及電機驅動。

具體的，下位機主控板220提供的接口有：

電源接口，兩線接口，線序為VCC GND，電源管理模塊的穩(wěn)壓芯片223通過電源接口與鋰電池202以及上位機主控板210的電源管理模塊215相連；

串口通信接口227，三線接口，線序為GND RX TX，上位機主控板210以及下位機主控板220之間通過串口通信實現數據傳輸；

三路電機接口，每路為兩線接口，線序為電機正(Motor+)電機負(Motor-)，電機驅動(224、225、226)通過三路電機接口驅動機器人的電機(231、232、233)(三個電機分別為兩個腿部電機一個手臂電機)運轉以實現機器人動作；

系統(tǒng)電量顯示接口，四線接口，線序為輸出(IO)輸出(IO)輸出(IO)接地(GND)，連接到電量顯示燈206(電量顯示燈為多色發(fā)光二極管(LED)燈，三個IO接口分別對應紅R、綠G、藍B)；

交互顯示接口，兩線接口，線序為PWM GND，連接到交互顯示燈207(交互顯示燈為鼻子呼吸燈)。

下位機主控板220尺寸為55mm*35mm，交互顯示燈207為直徑3mm的LED燈，電量顯示燈206為直徑3mm的LED燈。

系統(tǒng)上下位機主控板210和220由一個物理開關控制。系統(tǒng)開機過程為：

系統(tǒng)上電，上位機主控板210完成聯網、初始化；

下位機主控板220的交互顯示燈207處于呼吸狀態(tài)等待上位機主控板210初 始化完成。

交互過程：

上位機主控板210初始化完成，上下位機主控板210和220通過串口(216、227)正常傳遞數據；

麥克風203采集音頻信號，經過對音頻的降噪和放大送給上位機主控板210的處理芯片A20，A20通過聯網模塊將語音信息傳遞給機器人網絡服務端，機器人網絡服務端對語音信息作出準確的判斷并將判斷結果傳回A20，A20控制揚聲器205反饋給用戶語音回應，于此同時A20將動作回應控制信息(需要執(zhí)行的動作)、電量信息以及交互狀態(tài)信息通過串口發(fā)送給下位機主控板220；

下位機主控板220通過串口接收A20的控制指令，完成電量顯示，交互顯示，腿部及手部動作等多模態(tài)交互動作。

在電量顯示過程中，系統(tǒng)電量通過RGB三色燈展現：R代表電量不足，B代表電量正常，G代表電量充足。同時上位機主控板210通過揚聲器告知用戶電量情況。在交互顯示過程中，通過PWM控制的LED燈：常亮提示用戶此時機器人處于錄音狀態(tài)，常滅提示用戶此時機器人語音輸出，閃爍提示用戶機器人在聯網進行語義解析。

為了進一步拓展機器人的應用范圍，提高機器人的用戶體驗，在本實用新型一實施例中，機器人電子控制系統(tǒng)還包含視覺傳感器，視覺傳感器配置為采集外界圖像信息。這樣機器人電子控制系統(tǒng)的交互處理模塊配置就可以綜合分析外部交互輸入信息以及外界圖像信息并輸出相應的語音回應控制信息以及動作回應控制信息。

考慮到外界圖像信息的分析具有較高的數據處理量，因此，在本實用新型一實施例中，系統(tǒng)還包括視覺處理單元，視覺處理單元配置為分析處理外界圖像信息并把圖像分析處理結果發(fā)送到交互處理模塊。交互處理模塊配置為綜合分析外部交互輸入信息以及圖像分析處理結果并輸出相應的語音回應控制信息以及動作回應控制信息。

綜上，本實用新型的機器人電子控制系統(tǒng)可以在進行語音交互的同時實現動作交互，與現有技術的機器人控制系統(tǒng)相比，其體積小、結構簡單，具有更廣的應用范圍以及更好的用戶體驗。

雖然本實用新型所公開的實施方式如上，但所述的內容只是為了便于理解本 實用新型而采用的實施方式，并非用以限定本實用新型。本實用新型所述的系統(tǒng)還可有其他多種實施例。在不背離本實用新型實質的情況下，熟悉本領域的技術人員當可根據本實用新型作出各種相應的改變或變形，但這些相應的改變或變形都應屬于本實用新型的權利要求的保護范圍。