CN104808670B - 一种智能互动机器人 - Google Patents

Abstract

为了降低交互过程中的噪声，本发明提供了一种智能互动机器人，包括：控制模块、包括多个电机和传动单元的运动模块、运动控制模块、音频播放模块和视觉识别模块，所述智能互动机器人还包括主动降噪模块。本发明能够高效地降低了机器人行动和各种动作等原因产生的噪声，能够保障应用环境适于老人和孩子休息和正常生活不受干扰。

Description

一种智能互动机器人

技术领域

本发明涉及机器人技术领域，更具体地，涉及一种智能互动机器人。

背景技术

近年来，随着人们生活质量的日益提高，交互机器人技术发展迅速，已经成为智能家居技术最为迅猛的发展方向，交互机器人也已经开始进入家庭服务行业，例如代替人完成清洁卫生、控制家庭娱乐、电话接听等。但是，中控控制、传统防盗报警和独立水、电、气泄露报警仍然是目前智能家居系统的主要市场发展方向，并且增长迅速，年增长速度已超过20％。

虽然这些机器人对家居智能化、家庭安防能起到一定的作用，但由于其仅仅实现了简单的控制信号传递，不能帮人们完成更多的家庭服务活动，而且还要求每一间房间都需部署一个，这很难满足今天人们对功能强大，高“智商”的理想智能家居产品的需求；于是，各种功能强大，可以在各个房间自由“走动”的智能家用机器人不断进入人们的视野，例扫地机器人，其已经开始进入普通家庭，代替人们进行房间的清洁工作。

然而，现有的交互机器人还无法实现管理家庭事务的问题，例如，对家庭安全环境进行监测并及时发出警报，或者对陌生人员进行报警等。尤其是先有的机器人多使用轮子类驱动装置，而这类装置在人与机器人互动过程中以及机器人自身行动或动作的过程中产生了较大的噪声。

发明内容

为了降低交互过程中的噪声，本发明提供了一种智能互动机器人，包括：控制模块、包括多个电机和传动单元的运动模块、运动控制模块、音频播放模块和视觉识别模块，所述智能互动机器人还包括主动降噪模块，其中所述控制模块前端面设置有液晶显示屏，所述控制模块内设置有通信模块，所述控制模块通过所述通信模块接收信号并对其进行处理；运动控制模块，通过串口通信接口与所述控制模块进行通信，用于接收所述控制模块通过所述通信模块发送的控制信号并分别对运动模块进行控制；所述音频播放模块用于播放声音或语音；所述视觉识别模块用于对采集到的机器视觉图像进行图像预处理、特征提取和面部识别；所述主动式降噪模块包括控制单元、噪声采集单元、噪声分类单元、开关矩阵、包络分析单元、包络处理单元、第一反相谱生成单元、噪声谱生成单元、噪声谱处理单元、第二反相谱生成单元、降噪输出单元，所述控制单元控制开关矩阵中的各个开关的闭合或打开并控制其他所述单元的参数设置，所述噪声采集单元采集噪声信号，噪声分类单元对所述噪声信号按照预定规则进行分类，开关矩阵用于选择被分类后的噪声信号的输出与否，噪声谱生成单元用于对开关矩阵输出的噪声信号生成噪声谱，噪声谱处理单元用于对噪声谱进行数字化处理，第二反相谱生成单元根据噪声谱处理单元的输出产生第二降噪信号，降噪输出单元用于将第二降噪信号发射出去，与噪声信号进行叠加抵消。

进一步地，所述智能互动机器人还包括障碍物躲避模块，用于使所述智能互动机器人在自由移动过程中自动避开障碍物。

进一步地，所述液晶显示屏为多点触控电容屏。

进一步地，所述控制模块中的处理器采用双核处理器。

进一步地，所述智能互动机器人还包括环境安全性检测模块，用于检测环境中的有害气体和火警。

进一步地，所述噪音采集模块包括多个降噪麦克风。

进一步地，所述多个降噪麦克风被布置于所述音频播放模块和运动模块。

进一步地，所述障碍物躲避模块包括超声波收发装置，该超声波收发装置用于发射超声波信号并接收返回的超声波信号，并将发射与接收超声波信号的时间差传输给控制模块。

进一步地，所述环境安全性检测模块包括多个环境检测器、温度检测器以及烟雾浓度检测器。

进一步地，所述视觉识别模块包括面部特征参考库、面部图像采集单元以及图像处理单元。

本发明的有益效果为：高效地降低了机器人行动和各种动作等原因产生的噪声，能够保障应用环境适于老人和孩子休息和正常生活不受干扰。

附图说明

图1示出了根据本发明的智能互动机器人的结构框图。

具体实施方式

如图1所示，根据本发明的一个实施例，智能互动机器人包括：控制模块、包括多个电机和传动单元的运动模块、运动控制模块、音频播放模块、视觉识别模块，以及主动降噪模块。本申请的智能互动机器人的外壳采用ABS工程塑料，重量更轻，便携性更高。所述控制模块包括处理器，且优选地处理器采用双核处理器。

所述控制模块前端面设置有液晶显示屏，根据本发明的优选实施例，液晶显示屏为多点触控电容屏。所述控制模块内设置有WiFi模块，所述控制模块通过所述WiFi模块接收信号并对其进行处理。根据本发明的优选实施例，所述运动模块包括被设置于机器人底部供其移动的轮子，以及驱动该轮子的电机和传动部件，例如，齿轮、皮带等。此外，机器人的其他可动部件，例如手臂、头部、腰部等也包括驱动用的电机和传动部件。与该运动模块相对应的运动控制模块通过串口通信接口与所述控制模块进行通信，用于接收所述控制模块通过所述WiFi模块发送的控制信号并分别对运动模块进行控制。

所述音频播放模块包括音频驱动单元以及喇叭，用于播放声音或语音，其中音频驱动单元用于获取音频信息。

所述视觉识别模块包括面部特征参考库、面部图像采集单元以及图像处理单元，用于对采集到的机器视觉图像进行图像预处理、特征提取和面部识别。所述面部特征参考库存储有安全人员，例如，家庭成员的面部特征信息；面部图像采集单元为摄像头，其采集待识别人的头像；图像处理单元对图像进行于处理，提取面部特征并与面部特征参考库中的安全人员的面部特征信息进行对比，判断待识别人是否属于安全人员。如果不是，则发出报警。

所述主动式降噪模块包括控制单元、噪声采集单元、噪声分类单元、开关矩阵、包络分析单元、包络处理单元、第一反相谱生成单元、噪声谱生成单元、噪声谱处理单元、第二反相谱生成单元、降噪输出单元，所述控制单元控制开关矩阵中的各个开关的闭合或打开并控制其他所述单元的参数设置，所述噪声采集单元采集噪声信号，噪声分类单元对所述噪声信号按照预定规则进行分类，开关矩阵用于选择被分类后的噪声信号的输出与否，噪声谱生成单元用于对开关矩阵输出的噪声信号生成噪声谱，噪声谱处理单元用于对噪声谱进行数字化处理，第二反相谱生成单元根据噪声谱处理单元的输出产生第二降噪信号，降噪输出单元用于将第二降噪信号发射出去，与噪声信号进行叠加抵消。所述噪音采集模块包括多个降噪麦克风。且这些降噪麦克风被布置于所述音频播放模块和运动模块，以获得可能产生噪声的部位的噪声或声音。

优选地，所述智能互动机器人还包括障碍物躲避模块，包括超声波收发装置，该超声波收发装置用于发射超声波信号并接收返回的超声波信号，并将发射与接收超声波信号的时间差传输给控制模块，用于使所述智能互动机器人在自由移动过程中自动避开障碍物。

优选地，所述智能互动机器人还包括环境安全性检测模块，例如，包括：甲醛传感器，烟雾传感器、CO传感器、红外线热能传感器、粉尘传感器和温度传感器，用于检测环境中的有害气体和火警。

所述包络分析单元用于分析开关矩阵输出的信号的包络是否具有重复性并将其中具有重复性包络的信号输出，所述包络处理单元用于根据包络分析单元的输出进行数字化，所述第一反相谱生成单元根据数字化后的信号产生第一降噪信号。包络分析单元首先对输入包络分析单元的噪声信号按照一定时间间隔(例如5ms)进行采样，然后将采样得到的幅值点连线成包络线。得到包络线后，确定极大值之间的间隔是否有重复甚至是规律性的重复，如果存在，则表明被输入包络分析单元的噪声信号存在重复性的声音。实际应用过程中，存在重复性的声音一般不被认为是语音信号，因此，可以确定该重复性的声音是应当被消除掉的。若表明被输入包络分析单元的噪声信号存在重复性的声音，则包络分析单元将周期性重复的包络幅值构成的包络线输出到包络处理单元，进行数字化处理等后续处理。否则，包络分析单元输出的信号将直接进入噪声谱生成单元而跳过包络处理单元和第一反相谱生成单元。

当从包络分析单元输出的具有周期性重复特征的包络信号被输入到包络处理单元后，包络处理单元对该输入的信号进行数字化。在该数字化过程中，以包络的重复周期以及极值为二维数据组成二维矩阵。然后，将该数字化的二维矩阵输出到第一反相谱生成单元。该第一反相谱生成单元包括矩阵变换单元和信号生成单元，其中矩阵变换单元对上述二维矩阵进行取反操作，信号生成单元通过例如IFFT根据取反后得到的新的二维矩阵产生时域的波形，该波形在产生过程中量化尺度与上述时间间隔相同(例如5ms)。然后，该时域波形被通过降噪输出单元发送出去，以消除待处理的噪声信号中的周期性重复噪声。在上述包络分析、处理和输出的过程中，采用数字化反相能够确保生成与周期性噪声反相的信号的幅值、周期与原噪声信号中的幅值、周期高精度地相同。这是单纯地利用模拟SOC降噪芯片无法比拟的。

所述噪声谱处理单元包括滤波单元，该滤波单元根据预定的规则滤除经过数字化处理的噪声谱的一部分。根据本发明一个实施例，所述预定的规则是设置该滤波单元为高通滤波器、低通滤波器或带通滤波器等中的至少一种的参数的方式。例如，对于嘈杂的环境，需要滤除的主要是高通噪声，此时通过该主动式降噪模块中的滤波方式规则选取就可以设置其中的滤波单元为低通滤波器。优选地，该滤波单元少一个模数转换器和与之对应的数字滤波器。这样，输入到噪声谱处理单元的信号首先被转换成数字信号，然后通过IIR数字滤波器、FIR数字滤波器等进行数字滤波。这种将模拟信号转换成数字信号进行处理的方式能够极大地提高对信号的处理精度且避免滤波过程中滤波器本身的干扰以及外界其他因素造成的干扰。

所述降噪输出单元包括多个降噪喇叭，且这些喇叭与所述的麦克风位置一一对应地设置。这些降噪喇叭用于输出第一降噪信号(如果有的话)以及第二降噪信号。

所述噪声分类单元包括存储器、波形特征分析单元以及声音特征比较单元。存储器中预先保存了机器人可能发出的传递信息使用的语音和声音，例如报警声、提示音等，的声纹。这些声纹可以通过现有技术中的声纹获取装置或声纹库建立装置或方法等获取，并被以文件的形式保存在存储器中。优选地，该文件中的数据被保存为参考声纹矩阵。波形特征分析单元对输入噪声分类单元的信号进行声纹提取，并将提取的结果通过TES算法保存为实际声纹矩阵，将该矩阵输出到声音特征比较单元。声音特征比较单元将实际声纹矩阵与存储器中预先存储的参考声纹矩阵进行比较，根据比较结果确定该被输入的声音中包括哪些存储器中已有的声音。这样，控制单元就可以通过设置噪声分类单元的分类参数，而向存储器中保存、修改或删除声纹信息。

噪声分类单元输出的信号被输入到开关矩阵。开关矩阵包括多个通道，每个通道均包括一个可控制该通道断开或闭合的开关。各个开关的闭合或打开由控制单元控制。这样，就能够通过该开关矩阵选择性地保留实际环境中机器人发出的某些特定的语音或声音不被当作是噪声(而不被丢弃)或被当作是噪声(而被丢弃)。

所述噪声谱生成单元包括FFT计算单元，其根据输入到噪声谱生成单元的时域信号进行FFT运算，得到该输入信号的频谱。

所述第二反相谱生成单元包括反相矩阵生成单元、IFFT计算单元和波形产生器。该第二反相谱生成单元与第一反相谱生成单元的原理和工作过程相类似，只是在该第二反相谱生成单元中，第一反相谱生成单元的矩阵变换单元相当于IFFT计算单元和波形产生器。而在第二反相谱生成单元中，将IFFT计算单元和波形产生器相互分隔开，有助于提高对于复杂频谱信号的处理能力，降低处理过程中波形产生器中的模拟器件带来的干扰。本领域技术人员应当清楚的是，该IFFT计算单元和波形产生器在满足降噪精度要求的前提下可以合二为一，采用第一反相谱生成单元中的矩阵变换单元。

上述具体实施方式仅是本发明的具体个案，本发明的专利保护范围包括但不限于上述具体实施方式，任何符合本发明的权利要求书的且任何所属技术领域的普通技术人员对其所做的适当变化或替换，皆应落入本发明的专利保护范围。

Claims (10)

1.一种智能互动机器人，包括：控制模块、包括多个电机和传动单元的运动模块、运动控制模块、音频播放模块和视觉识别模块，其特征在于，所述智能互动机器人还包括主动降噪模块，其中

所述控制模块前端面设置有液晶显示屏，所述控制模块内设置有通信模块，所述控制模块通过所述通信模块接收信号并对其进行处理；运动控制模块，通过串口通信接口与所述控制模块进行通信，用于接收所述控制模块通过所述通信模块发送的控制信号并对运动模块进行控制；所述音频播放模块用于播放声音或语音；所述视觉识别模块用于对采集到的机器视觉图像进行图像预处理、特征提取和面部识别；所述主动降噪模块包括控制单元、噪声采集单元、噪声分类单元、开关矩阵、包络分析单元、包络处理单元、第一反相谱生成单元、噪声谱生成单元、噪声谱处理单元、第二反相谱生成单元、降噪输出单元，所述控制单元控制开关矩阵中的各个开关的闭合或打开并控制其他所述单元的参数设置，所述噪声采集单元采集噪声信号，噪声分类单元对所述噪声信号按照预定规则进行分类，开关矩阵用于选择被分类后的噪声信号的输出与否，噪声谱生成单元用于对开关矩阵输出的噪声信号生成噪声谱，噪声谱处理单元用于对噪声谱进行数字化处理，第二反相谱生成单元根据噪声谱处理单元的输出产生第二降噪信号，降噪输出单元用于将第二降噪信号发射出去，与噪声信号进行叠加抵消；所述包络分析单元用于分析开关矩阵输出的信号的包络是否具有重复性并将其中具有重复性包络的信号输出，所述包络处理单元用于根据包络分析单元的输出进行数字化，所述第一反相谱生成单元根据数字化后的信号产生第一降噪信号；包络分析单元首先对输入包络分析单元的噪声信号按照一定时间间隔进行采样，然后将采样得到的幅值点连线成包络线；得到包络线后，确定极大值之间的间隔是否有重复甚至是规律性的重复，如果存在，则表明被输入包络分析单元的噪声信号存在重复性的声音；

当从包络分析单元输出的具有周期性重复特征的包络信号被输入到包络处理单元后，包络处理单元对该输入的信号进行数字化；在该数字化过程中，以包络的重复周期以及极值为二维数据组成二维矩阵；然后，将该数字化的二维矩阵输出到第一反相谱生成单元；该第一反相谱生成单元包括矩阵变换单元和信号生成单元，其中矩阵变换单元对上述二维矩阵进行取反操作，信号生成单元通过IFFT根据取反后得到的新的二维矩阵产生时域的波形，该波形在产生过程中量化尺度与上述时间间隔相同。

2.根据权利要求1的智能互动机器人，其特征在于，所述智能互动机器人还包括障碍物躲避模块，用于使所述智能互动机器人在自由移动过程中自动避开障碍物。

3.根据权利要求1的智能互动机器人，其特征在于，所述液晶显示屏为多点触控电容屏。

4.根据权利要求1的智能互动机器人，其特征在于，所述控制模块中的处理器采用双核处理器。

5.根据权利要求1的智能互动机器人，其特征在于，所述智能互动机器人还包括环境安全性检测模块，用于检测环境中的有害气体和火警。

6.根据权利要求1的智能互动机器人，其特征在于，所述噪声采集模块包括多个降噪麦克风。

7.根据权利要求6的智能互动机器人，其特征在于，所述多个降噪麦克风被布置于所述音频播放模块和运动模块。

8.根据权利要求2的智能互动机器人，其特征在于，所述障碍物躲避模块包括超声波收发装置，该超声波收发装置用于发射超声波信号并接收返回的超声波信号，并将发射与接收超声波信号的时间差传输给控制模块。

9.根据权利要求5的智能互动机器人，其特征在于，所述环境安全性检测模块包括多个环境检测器、温度检测器以及烟雾浓度检测器。

10.根据权利要求1的智能互动机器人，其特征在于，所述视觉识别模块包括面部特征参考库、面部图像采集单元以及图像处理单元。