语音识别技术设计机械手臂人机交互系统
摘 要随着时代的发展，人类开始研究生产、工业的自动化。机械手就是这个时代的典型代表，它能够替代人类进行体力劳动。机械手相关技术在不断发展，从一开始的只能执行命令到后来能够根据环境和对象的信息进行实时处理，它正步步向智能化迈进。本设计的硬件系统主要是由一个三自由度的机械手臂和一个手爪构成的。运用单片机来完成底层关节运动的控制。通过语音识别技术设计机器人人机交互系统。机器人可识别语音指令包括关节动作指令和简单的逻辑推理指令。在操作者语音指令下该机器人可以实现关节运动和简单的人机交互功能，实现机器人的智能化。
目 录
1. 前言 1
1.1 课题的背景及意义 1
1.2 课题的主要内容 1
2. 机器人手臂本体设计 1
2.1 机械手臂 2
2.2 运动学设计 2
2.2.1 运动学正解 4
2.2.2 运动学逆解 5
2.3 参数说明 6
2.4 舵机选择 7
2.5 安装 8
3. 控制系统硬件设计 9
3.1 STC12C5A60S2系列单片机控制系统 9
3.1.1 单片机最小系统 10
3.1.2 单片机控制舵机 11
3.2 LD3320 语音控制系统 12
3.2.1 LD3320简介 12
3.2.2 LD3320电路设计 13
3.2.3 LD3320控制系统 14
3.3 光耦隔离电路 15
3.4 按键设计 15
4. 控制系统软件设计 15
4.1 手动控制系统 16
4.2 语音控制系统 17
5. 实验说明 19
5.1 语音控制系统 19
5.2 搬运控制 20
5.3 算术控制 21
6. 结论 22
参考文献 23
附录 24
致谢 33
1．前言
1.1 课题的背景及意义
机器人是20世纪出现的新名词，国际标准化组织于1987年对机
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器人的定义如下：“机器人是一种自动的、位置可控的、具有编程能力的多功能机械手，这种机械手具有几个轴，能够借助于可编程序操作来处理各种材料、零件、工具和专用配置，以执行种种任务[1]”。 机器人来源于1920年捷克作家卡雷尔查雷克（Kapel Capek）所编写的戏剧中的人造劳动者。随着科学技术的进步，人类最终将虚拟财产从戏剧变成了现实，从而产生一个真正的机器人[2]。
早在计算机发明之前，自动语音识别的设想就已经被提上了议事日程，早期的声码器可被视作语音识别及合成的雏形。1920的生产的“雷克斯电台”玩具狗可能是一个语音识别的最早期应用，当叫狗的名字时，狗就会弹出来。最早的基于电子计算机的语音识别系统是由AT&T贝尔实验室开发的Audrey语音识别系统，它能够识别10个英文数字。识别的方法是跟踪共振峰。该系统具有98%的正确率。到1950年代末，伦敦学院（Colledge of London）的Denes已经将语法概率加入语音识别中[3]。
机器人给我们的生活带来了巨大的变化，它取代了人类大量的体力劳动。经过了多年的发展，现在的机器人更是遍布人类世界。它们的存在给人们带来更加方便、舒适、高效的生活方式。为了能够更加方便的控制机器人，人们就开始研究机器人的智能化。语音是人们最直接、最简单、最自然的交流方式所以它被理所当然的加以应用。因此，机器人和语音识别应用是息息相关的。本课题主要是用语音来控制机器人，不仅能促进对机器人的研究同时若能够将语音控制推广应用到一般的工业机器人身上，也能够提高经济效益和社会效益。
1.2 课题的主要内容
运用单片机来完成底层关节运动的控制。通过语音识别技术设计机器人人机交互系统。在操作者语音指令下机器人可可以实现关节运动和简单的人机交互功能。
2．机器人手臂本体设计
2.1 机械手臂
目前，机械手臂是机器人技术的广泛应用，自动化机械设备在工业、军事、医疗、娱乐、半导体制造和空间探索都存在它的身影。虽然他们的形态是不同的，但他们都有一个共同点，即能接收指令，并能准确定位到三维或二维的工作一点空间。它是一个机械臂，和我们人类的手臂一样，拥有肩、肘、腕关节，和手指关节，保证手臂的灵活性，只要我们简化复杂的问题，采用4个伺服舵机，巧妙的设计其结构，就可以形成一个4自由度的机械手控制系统[4]。
2.2 运动学设计
对于一个固定的多关节机械臂，其运动控制显得非常复杂：运算量大，运算速度高，对运算的精确度也做出了明确的要求。在确定其结构后，我们需要建立机械臂模型以达到对机械臂的完美控制要求。所以，模型建立的复杂程度与机械臂的有效控制息息相关。
首先需要确定机械臂的结构。对于机械臂而言，主要是由多个舵机和其他部件组合而成的。对于机械臂的结构选择有很多种方案，可以设计为：二自由度，三自由度，四自由度等。如此之多的选择，从结构的合理性与控制的复杂度来考虑，选择三自由度方案，模型如下图21所示[5]。
图21 机械臂结构设计
分析机械臂的运动原理在机械臂的控制系统中，就是要先确定位姿然后通过逆向运动学反解求出机器人每个关节的转角或机器人的位移，这对于机器人设计机械臂的控制是一个关键。位姿主要就是机械臂最前端的坐标，位姿有很多中，但不是所有位姿都是合理的、符合条件的，如下图22与图23所示：
图22 机械手臂合理位姿 图23 机械手臂不合理位姿
其中合理的位姿应该选用图22。在图22中，对于已确定的位姿，就是求解舵机的旋转角度以达到对机械臂的控制。旋转角度的求解也可以看做约束连杆运动求解的问题，还可作为机械臂运动学的逆问题。只要机械臂位姿调整完成，通过控制机械手的张角，就可以实现机器人抓取、搬运功能。
机器人运动学就是描述机器人运动时机器人关节和机器人的身体的关系。在机器人工作时，要通过空间中一系列的点组成的3维空间点域，这一系列空间点构成了机器人的工作范围，此工作范围可通过运动学正解得到。3个关节和3个手臂连杆就可以组成一个3自由度的机械手。机械手运动学研究中最常用的方法是基于D一H参数的齐次变换解法。DH是指：用齐次坐标系来描述机器人的链接与空间关系的参考坐标系，对于相邻两杆的空间几何关系我们是用4 X4的齐次变换矩阵来描述的，我们用这个齐次变换矩阵来推导出机器人手爪坐标系相对于参考坐标系的空间关系。我们确定连杆的坐标系位置如图24所示[7]。
目 录
1. 前言 1
1.1 课题的背景及意义 1
1.2 课题的主要内容 1
2. 机器人手臂本体设计 1
2.1 机械手臂 2
2.2 运动学设计 2
2.2.1 运动学正解 4
2.2.2 运动学逆解 5
2.3 参数说明 6
2.4 舵机选择 7
2.5 安装 8
3. 控制系统硬件设计 9
3.1 STC12C5A60S2系列单片机控制系统 9
3.1.1 单片机最小系统 10
3.1.2 单片机控制舵机 11
3.2 LD3320 语音控制系统 12
3.2.1 LD3320简介 12
3.2.2 LD3320电路设计 13
3.2.3 LD3320控制系统 14
3.3 光耦隔离电路 15
3.4 按键设计 15
4. 控制系统软件设计 15
4.1 手动控制系统 16
4.2 语音控制系统 17
5. 实验说明 19
5.1 语音控制系统 19
5.2 搬运控制 20
5.3 算术控制 21
6. 结论 22
参考文献 23
附录 24
致谢 33
1．前言
1.1 课题的背景及意义
机器人是20世纪出现的新名词，国际标准化组织于1987年对机
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器人的定义如下：“机器人是一种自动的、位置可控的、具有编程能力的多功能机械手，这种机械手具有几个轴，能够借助于可编程序操作来处理各种材料、零件、工具和专用配置，以执行种种任务[1]”。 机器人来源于1920年捷克作家卡雷尔查雷克（Kapel Capek）所编写的戏剧中的人造劳动者。随着科学技术的进步，人类最终将虚拟财产从戏剧变成了现实，从而产生一个真正的机器人[2]。
早在计算机发明之前，自动语音识别的设想就已经被提上了议事日程，早期的声码器可被视作语音识别及合成的雏形。1920的生产的“雷克斯电台”玩具狗可能是一个语音识别的最早期应用，当叫狗的名字时，狗就会弹出来。最早的基于电子计算机的语音识别系统是由AT&T贝尔实验室开发的Audrey语音识别系统，它能够识别10个英文数字。识别的方法是跟踪共振峰。该系统具有98%的正确率。到1950年代末，伦敦学院（Colledge of London）的Denes已经将语法概率加入语音识别中[3]。
机器人给我们的生活带来了巨大的变化，它取代了人类大量的体力劳动。经过了多年的发展，现在的机器人更是遍布人类世界。它们的存在给人们带来更加方便、舒适、高效的生活方式。为了能够更加方便的控制机器人，人们就开始研究机器人的智能化。语音是人们最直接、最简单、最自然的交流方式所以它被理所当然的加以应用。因此，机器人和语音识别应用是息息相关的。本课题主要是用语音来控制机器人，不仅能促进对机器人的研究同时若能够将语音控制推广应用到一般的工业机器人身上，也能够提高经济效益和社会效益。
1.2 课题的主要内容
运用单片机来完成底层关节运动的控制。通过语音识别技术设计机器人人机交互系统。在操作者语音指令下机器人可可以实现关节运动和简单的人机交互功能。
2．机器人手臂本体设计
2.1 机械手臂
目前，机械手臂是机器人技术的广泛应用，自动化机械设备在工业、军事、医疗、娱乐、半导体制造和空间探索都存在它的身影。虽然他们的形态是不同的，但他们都有一个共同点，即能接收指令，并能准确定位到三维或二维的工作一点空间。它是一个机械臂，和我们人类的手臂一样，拥有肩、肘、腕关节，和手指关节，保证手臂的灵活性，只要我们简化复杂的问题，采用4个伺服舵机，巧妙的设计其结构，就可以形成一个4自由度的机械手控制系统[4]。
2.2 运动学设计
对于一个固定的多关节机械臂，其运动控制显得非常复杂：运算量大，运算速度高，对运算的精确度也做出了明确的要求。在确定其结构后，我们需要建立机械臂模型以达到对机械臂的完美控制要求。所以，模型建立的复杂程度与机械臂的有效控制息息相关。
首先需要确定机械臂的结构。对于机械臂而言，主要是由多个舵机和其他部件组合而成的。对于机械臂的结构选择有很多种方案，可以设计为：二自由度，三自由度，四自由度等。如此之多的选择，从结构的合理性与控制的复杂度来考虑，选择三自由度方案，模型如下图21所示[5]。
图21 机械臂结构设计
分析机械臂的运动原理在机械臂的控制系统中，就是要先确定位姿然后通过逆向运动学反解求出机器人每个关节的转角或机器人的位移，这对于机器人设计机械臂的控制是一个关键。位姿主要就是机械臂最前端的坐标，位姿有很多中，但不是所有位姿都是合理的、符合条件的，如下图22与图23所示：
图22 机械手臂合理位姿 图23 机械手臂不合理位姿
其中合理的位姿应该选用图22。在图22中，对于已确定的位姿，就是求解舵机的旋转角度以达到对机械臂的控制。旋转角度的求解也可以看做约束连杆运动求解的问题，还可作为机械臂运动学的逆问题。只要机械臂位姿调整完成，通过控制机械手的张角，就可以实现机器人抓取、搬运功能。
机器人运动学就是描述机器人运动时机器人关节和机器人的身体的关系。在机器人工作时，要通过空间中一系列的点组成的3维空间点域，这一系列空间点构成了机器人的工作范围，此工作范围可通过运动学正解得到。3个关节和3个手臂连杆就可以组成一个3自由度的机械手。机械手运动学研究中最常用的方法是基于D一H参数的齐次变换解法。DH是指：用齐次坐标系来描述机器人的链接与空间关系的参考坐标系，对于相邻两杆的空间几何关系我们是用4 X4的齐次变换矩阵来描述的，我们用这个齐次变换矩阵来推导出机器人手爪坐标系相对于参考坐标系的空间关系。我们确定连杆的坐标系位置如图24所示[7]。
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