CN113352326A - 互动教学机器人的运动控制方法与系统 - Google Patents

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CN113352326A CN202110675551.8A CN202110675551A CN113352326A CN 113352326 A CN113352326 A CN 113352326A CN 202110675551 A CN202110675551 A CN 202110675551A CN 113352326 A CN113352326 A CN 113352326A
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Abstract

本发明提供了互动教学机器人的运动控制方法与系统，其通过采集教学机器人所处环境四周的声音信息，根据声音信息中的声纹特征信息和语义信息，控制教学机器人切换工作状态而实现唤醒，再根据声音信息中的声音强度分布信息，确定用户所处的方位区域以便于拍摄得到环境影像；接着，在环境影像中识别存在的障碍物而确定教学机器人的移动路径，并且指示教学机器人在运动过程中播放相应的语音答复消息，这样能够保证教学机器人在用户的语音控制下能够及时准确地跟随用户，以及快速与用户进行语音互动，从而提高教学机器人与学生互动过程中的运动灵活性以及改善教学机器人与学生的互动智能化和自动化程度。

Description

互动教学机器人的运动控制方法与系统
技术领域
本发明涉及智能教学机器人控制的技术领域，特别涉及互动教学机器人的运动控制方法与系统。
背景技术
教学机器人能够与学生进行语音互动，并且还能够在语音互动过程中进行不同类型知识的教学，这样能够将教学与娱乐互动有机结合在一起。现有的教学机器人通常具有单一的语音互动功能，其无法有效地与学生进行动作上的互动，即教学机器人无法根据学生的语音指令运动至学生所处位置的附近区域，同时教学机器人也无法在运动过程中进行有效准确的障碍物躲避，这不提高教学机器人与学生互动过程中的运动灵活性以及无法改善教学机器人与学生的互动智能化和自动化程度。
发明内容
针对现有技术存在的缺陷，本发明提供互动教学机器人的运动控制方法与系统，其采集教学机器人所处环境四周的声音信息；分析声音信息后得到声音信息对应的声纹特征信息、语义信息和声音强度分布信息；再根据声纹特征信息和语义信息，控制教学机器人进行工作状态切换；根据声音强度分布信息，确定在教学机器人所处环境中用户与教学机器人的相对方位；再根据相对方位，对用户所处的方位区域进行拍摄，从而得到相应的环境影像；最后分析环境影像，确定教学机器人与用户之间的空间区域中障碍物存在状态；根据障碍物存在状态，确定教学机器人运动至用户所处位置的移动路径；并在教学机器人沿移动路径运动的过程中，指示教学机器人针对语义信息，向用户反馈相应的语音答复消息；可见，该互动教学机器人的运动控制方法与系统通过采集教学机器人所处环境四周的声音信息，根据声音信息中的声纹特征信息和语义信息，控制教学机器人切换工作状态而实现唤醒，再根据声音信息中的声音强度分布信息，确定用户所处的方位区域以便于拍摄得到环境影像；接着，在环境影像中识别存在的障碍物而确定教学机器人的移动路径，并且指示教学机器人在运动过程中播放相应的语音答复消息，这样能够保证教学机器人在用户的语音控制下能够及时准确地跟随用户，以及快速与用户进行语音互动，从而提高教学机器人与学生互动过程中的运动灵活性以及改善教学机器人与学生的互动智能化和自动化程度。
本发明提供互动教学机器人的运动控制方法，其特征在于，其包括如下步骤：
步骤S1，采集教学机器人所处环境四周的声音信息；分析所述声音信息后得到所述声音信息对应的声纹特征信息、语义信息和声音强度分布信息；再根据所述声纹特征信息和所述语义信息，控制教学机器人进行工作状态切换；
步骤S2，根据所述声音强度分布信息，确定在教学机器人所处环境中用户与教学机器人的相对方位；再根据所述相对方位，对用户所处的方位区域进行拍摄，从而得到相应的环境影像；
步骤S3，分析所述环境影像，确定教学机器人与用户之间的空间区域中障碍物存在状态；根据所述障碍物存在状态，确定教学机器人运动至用户所处位置的移动路径；并在教学机器人沿所述移动路径运动的过程中，指示教学机器人针对所述语义信息，向用户反馈相应的语音答复消息；
进一步，在所述步骤S1中，指示教学机器人采集自身所处环境四周的声音信息；分析所述声音信息后得到所述声音信息对应的声纹特征信息、语义信息和声音强度分布信息；再根据所述声纹特征信息和所述语义信息，控制教学机器人进行工作状态切换；具体包括：
步骤S101，采集教学机器人所处环境四周的声音信息；分析所述声音信息后得到所述声音信息对应的声纹特征信息、语义信息和声音强度分布信息；再根据所述声纹特征信息和所述语义信息，控制教学机器人进行工作状态切换；
步骤S102，对所述声音信息进行声纹识别，从而提取得到所述声音信息包含的声纹特征信息；对所述声音信息进行语义识别，从而提取得到所述声音信息对应的语义信息；对所述声音信息进行声音强度波形分析，从而提取得到所述声音信息包含的声音强度波峰分布；
步骤S103，将所述声纹特征信息与预先存储的所述用户的实际声纹特征进行比对；若两者不相同，则控制教学机器人维持处于休眠状态；若两者相同，则将所述语义信息与预先存储的语义关键词进行比对；若所述语义信息不包含所述语义关键词，则控制教学机器人维持处于休眠状态；若所述语义信息包含所述语义关键词，则控制教学机器人从休眠状态切换至正常工作状态；
进一步，在所述步骤S2中，根据所述声音强度分布信息，确定在教学机器人所处环境中用户与教学机器人的相对方位；再根据所述相对方位，对用户所处的方位区域进行拍摄，从而得到相应的环境影像具体包括：
步骤S201，分析所述声音强度分布信息，从而获得对应的声音强度波形分布；从所述声音强度波形分布中提取具有最大幅值的声音强度波峰，并确定具有最大幅值的声音强度波峰出现时、对教学机器人自身所处环境进行声音信息扫描收集对应的空间方位，从而将所述空间方位作为在教学机器人所处环境中用户与教学机器人的相对方位；
步骤S202，将所述空间方位进行预设倍数的空间方位角扩展后作为用户所处的方位区域，对所述用户所处的方位区域进行扫描拍摄，从而获得相应的环境影像；
进一步，在所述步骤S3中，分析所述环境影像，确定教学机器人与用户之间的空间区域中障碍物存在状态；根据所述障碍物存在状态，确定教学机器人运动至用户所处位置的移动路径；并在教学机器人沿所述移动路径运动的过程中，指示教学机器人针对所述语义信息，向用户反馈相应的语音答复消息具体包括：
步骤S301，将所述环境影像转换为灰度化环境影像，并从所述灰度化环境影像中提取相应的影像像素轮廓信息；再根据所述影像像素轮廓信息，确定教学机器人与用户之间的空间区域存在的障碍物位置和障碍物尺寸；
步骤S302，根据障碍物位置和障碍物尺寸，在教学机器人与用户之间的空间区域确定能够容纳教学机器人运动的连续移动路径，从而使教学机器人能够沿所述连续移动路径运动至用户所处位置；
步骤S303，从预设应答语音数据库中选择与所述语义信息向匹配的语音答复消息；并在教学机器人沿所述连续移动路径运动的过程中，以变化的音量重复播放所述语音答复消息，其中所述变化的音量是指当教学机器人在运动过程中越接近用户，对应的音量越小。
进一步，在所述步骤S301中，根据所述影像像素轮廓信息，确定教学机器人与用户之间的空间区域存在的障碍物位置和障碍物尺寸具体包括：
步骤S3011，根据所述影像像素轮廓信息，分析教学机器人与用户之间的空间区域内的所有像素点是否为所述影像像素轮廓内部的点，进而确定是否为属于障碍物的像素点，并在所述教学机器人与用户之间的空间区域内对障碍物的所有像素点进行标注，从而确定障碍物位置，具体为，
利用下面公式(1)，根据所述影像像素轮廓信息，确定教学机器人与用户之间的空间区域存在障碍物位置，
Figure BDA0003120497530000041
在上述公式(1)中，Aa表示教学机器人与用户之间的空间区域内的第a个像素点是否属于障碍物的像素点的判定值，当Aa＝1时，表示第a个像素点属于障碍物的像素点并对第a个像素点进行标注，从而确定障碍物位置，当Aa＝0时，表示第a个像素点不属于障碍物的像素点并不对第a个像素点进行标注，(Xa,Ya)表示教学机器人与用户之间的空间区域内的第a个像素点的坐标值，(Xi,Yi)表示影像像素轮廓中第i个轮廓点的坐标值，Ximin表示影像像素轮廓中所有轮廓点的最小横坐标值，Ximax表示影像像素轮廓中所有轮廓点的最大横坐标值，Yimin表示影像像素轮廓中所有轮廓点的最小纵坐标值，Yimax表示影像像素轮廓中所有轮廓点的最大纵坐标值，n表示影像像素轮廓包含的轮廓点的总数量；
步骤S3012，利用下面公式(2)，根据所述影像像素轮廓信息，确定教学机器人与用户之间的空间区域存在障碍物尺寸，
Figure BDA0003120497530000051
在上述公式(2)中，Sp表示教学机器人与用户之间的空间区域对应的障碍物影像水平方向上第p行像素点在真实空间上的长度，k表示教学机器人与用户之间的空间区域对应的水平方向上每一行像素点的总数量，L0表示教学机器人与用户之间的空间区域对应的水平方向上每一行像素点在真实空间上的长度；
在所述步骤S302，根据障碍物位置和障碍物尺寸，在教学机器人与用户之间的空间区域确定能够容纳教学机器人运动的连续移动路径具体包括：
利用下面公式(3)，根据障碍物位置和障碍物尺寸，在教学机器人与用户之间的空间区域在行列方向上进行标注，从而在空间区域上标注得到若干像素点，
Figure BDA0003120497530000052
在上述公式(3)中，Apq表示在教学机器人与用户之间的空间区域在第p行第q列方向上进行标注后得到的像素点标注值，L表示教学机器人在水平方向上的长度；
确定像素点标注值为1的所有像素点，并在所述像素点对应存在的空间内找到一条连续移动路径，从而作为容纳教学机器人运动的连续移动路径。
本发明还提供互动教学机器人的运动控制系统，其特征在于，其包括声音采集与分析模块、工作状态切换模块、环境影像拍摄模块，移动路径确定模块和语音答复消息播放模块；其中，
所述声音采集与分析模块用于采集教学机器人所处环境四周的声音信息；分析所述声音信息后得到所述声音信息对应的声纹特征信息、语义信息和声音强度分布信息；
所述工作状态切换模块用于根据所述声纹特征信息和所述语义信息，控制教学机器人进行工作状态切换；
所述环境影像拍摄模块用于根据所述声音强度分布信息，确定在教学机器人所处环境中用户与教学机器人的相对方位；再根据所述相对方位，对用户所处的方位区域进行拍摄，从而得到相应的环境影像；
所述移动路径确定模块用于分析所述环境影像，确定教学机器人与用户之间的空间区域中障碍物存在状态；根据所述障碍物存在状态，确定教学机器人运动至用户所处位置的移动路径；
所述语音答复消息播放模块用于在教学机器人沿所述移动路径运动的过程中，指示教学机器人针对所述语义信息，向用户反馈相应的语音答复消息；
进一步，所述声音采集与分析模块用于采集教学机器人所处环境四周的声音信息；分析所述声音信息后得到所述声音信息对应的声纹特征信息、语义信息和声音强度分布信息具体包括：
利用麦克风阵列扫描收集教学机器人自身所处环境四周方向的声音信息；并对所述声音信息进行卡尔曼滤波处理，从而剔除所述声音信息包含的背景噪声；
对所述声音信息进行声纹识别，从而提取得到所述声音信息包含的声纹特征信息；对所述声音信息进行语义识别，从而提取得到所述声音信息对应的语义信息；对所述声音信息进行声音强度波形分析，从而提取得到所述声音信息包含的声音强度波峰分布；
以及，
所述工作状态切换模块用于根据所述声纹特征信息和所述语义信息，控制教学机器人进行工作状态切换具体包括：
将所述声纹特征信息与预先存储的所述用户的实际声纹特征进行比对；若两者不相同，则控制教学机器人维持处于休眠状态；若两者相同，则将所述语义信息与预先存储的语义关键词进行比对；若所述语义信息不包含所述语义关键词，则控制教学机器人维持处于休眠状态；若所述语义信息包含所述语义关键词，则控制教学机器人从休眠状态切换至正常工作状态；
进一步，所述环境影像拍摄模块用于根据所述声音强度分布信息，确定在教学机器人所处环境中用户与教学机器人的相对方位；再根据所述相对方位，对用户所处的方位区域进行拍摄，从而得到相应的环境影像具体包括：
分析所述声音强度分布信息，从而获得对应的声音强度波形分布；从所述声音强度波形分布中提取具有最大幅值的声音强度波峰，并确定具有最大幅值的声音强度波峰出现时、对教学机器人自身所处环境进行声音信息扫描收集对应的空间方位，从而将所述空间方位作为在教学机器人所处环境中用户与教学机器人的相对方位；
将所述空间方位进行预设倍数的空间方位角扩展后作为用户所处的方位区域，对所述用户所处的方位区域进行扫描拍摄，从而获得相应的环境影像；
进一步，所述移动路径确定模块用于分析所述环境影像，确定教学机器人与用户之间的空间区域中障碍物存在状态；根据所述障碍物存在状态，确定教学机器人运动至用户所处位置的移动路径具体包括：
将所述环境影像转换为灰度化环境影像，并从所述灰度化环境影像中提取相应的影像像素轮廓信息；再根据所述影像像素轮廓信息，确定教学机器人与用户之间的空间区域存在的障碍物位置和障碍物尺寸；
根据障碍物位置和障碍物尺寸，在教学机器人与用户之间的空间区域确定能够容纳教学机器人运动的连续移动路径，从而使教学机器人能够沿所述连续移动路径运动至用户所处位置；
以及，
所述语音答复消息播放模块用于在教学机器人沿所述移动路径运动的过程中，指示教学机器人针对所述语义信息，向用户反馈相应的语音答复消息具体包括：
从预设应答语音数据库中选择与所述语义信息向匹配的语音答复消息；并在教学机器人沿所述连续移动路径运动的过程中，以变化的音量重复播放所述语音答复消息，其中所述变化的音量是指当教学机器人在运动过程中越接近用户，对应的音量越小。
相比于现有技术，该互动教学机器人的运动控制方法与系统采集教学机器人所处环境四周的声音信息；分析声音信息后得到声音信息对应的声纹特征信息、语义信息和声音强度分布信息；再根据声纹特征信息和语义信息，控制教学机器人进行工作状态切换；根据声音强度分布信息，确定在教学机器人所处环境中用户与教学机器人的相对方位；再根据相对方位，对用户所处的方位区域进行拍摄，从而得到相应的环境影像；最后分析环境影像，确定教学机器人与用户之间的空间区域中障碍物存在状态；根据障碍物存在状态，确定教学机器人运动至用户所处位置的移动路径；并在教学机器人沿移动路径运动的过程中，指示教学机器人针对语义信息，向用户反馈相应的语音答复消息；可见，该互动教学机器人的运动控制方法与系统通过采集教学机器人所处环境四周的声音信息，根据声音信息中的声纹特征信息和语义信息，控制教学机器人切换工作状态而实现唤醒，再根据声音信息中的声音强度分布信息，确定用户所处的方位区域以便于拍摄得到环境影像；接着，在环境影像中识别存在的障碍物而确定教学机器人的移动路径，并且指示教学机器人在运动过程中播放相应的语音答复消息，这样能够保证教学机器人在用户的语音控制下能够及时准确地跟随用户，以及快速与用户进行语音互动，从而提高教学机器人与学生互动过程中的运动灵活性以及改善教学机器人与学生的互动智能化和自动化程度。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明提供的互动教学机器人的运动控制方法与系统的结构示意图。
图2为本发明提供的互动教学机器人的运动控制方法与系统的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
参阅图1，为本发明实施例提供的互动教学机器人的运动控制方法的流程示意图。该互动教学机器人的运动控制方法包括如下步骤：
步骤S1，采集教学机器人所处环境四周的声音信息；分析该声音信息后得到该声音信息对应的声纹特征信息、语义信息和声音强度分布信息；再根据该声纹特征信息和该语义信息，控制教学机器人进行工作状态切换；
步骤S2，根据该声音强度分布信息，确定在教学机器人所处环境中用户与教学机器人的相对方位；再根据该相对方位，对用户所处的方位区域进行拍摄，从而得到相应的环境影像；
步骤S3，分析该环境影像，确定教学机器人与用户之间的空间区域中障碍物存在状态；根据该障碍物存在状态，确定教学机器人运动至用户所处位置的移动路径；并在教学机器人沿该移动路径运动的过程中，指示教学机器人针对该语义信息，向用户反馈相应的语音答复消息。
上述技术方案的有益效果为：该互动教学机器人的运动控制方法通过采集教学机器人所处环境四周的声音信息，根据声音信息中的声纹特征信息和语义信息，控制教学机器人切换工作状态而实现唤醒，再根据声音信息中的声音强度分布信息，确定用户所处的方位区域以便于拍摄得到环境影像；接着，在环境影像中识别存在的障碍物而确定教学机器人的移动路径，并且指示教学机器人在运动过程中播放相应的语音答复消息，这样能够保证教学机器人在用户的语音控制下能够及时准确地跟随用户，以及快速与用户进行语音互动，从而提高教学机器人与学生互动过程中的运动灵活性以及改善教学机器人与学生的互动智能化和自动化程度。
优选地，在该步骤S1中，采集教学机器人所处环境四周的声音信息；分析所述声音信息后得到所述声音信息对应的声纹特征信息、语义信息和声音强度分布信息；再根据所述声纹特征信息和所述语义信息，控制教学机器人进行工作状态切换具体包括：
步骤S101，利用麦克风阵列扫描收集教学机器人自身所处环境四周方向的声音信息；并对该声音信息进行卡尔曼滤波处理，从而剔除该声音信息包含的背景噪声；
步骤S102，对该声音信息进行声纹识别，从而提取得到该声音信息包含的声纹特征信息；对该声音信息进行语义识别，从而提取得到该声音信息对应的语义信息；对该声音信息进行声音强度波形分析，从而提取得到该声音信息包含的声音强度波峰分布；
步骤S103，将该声纹特征信息与预先存储的该用户的实际声纹特征进行比对；若两者不相同，则控制教学机器人维持处于休眠状态；若两者相同，则将该语义信息与预先存储的语义关键词进行比对；若该语义信息不包含该语义关键词，则控制教学机器人维持处于休眠状态；若该语义信息包含该语义关键词，则控制教学机器人从休眠状态切换至正常工作状态。
上述技术方案的有益效果为：教学机器人在工作过程中，学生可能处于教学机器人四周的任意方位位置(比如正南方位或者东北方位)，当学生需要呼唤教学机器人运动接近自己时，需要向教学机器人发出相应的语音声音。此时，利用麦克风阵列扫描收集环境四周方向的声音信息，能够全面地和准确地收集来自学生的语音声音。
由于学生自身的声纹特征信息是特定固有的，通过提取声音信息中的声纹特征信息并将其与预先存储的授权用户的实时声纹特征进行比对，当两者相同时，表明对应学生为授权能够使用教学机器人的用户。此时，再将声音信息中的语义信息进行与预先存储的语义关键词进行比对，则确定用户发出的语音声音是否为召唤教学机器人的语音声音，比如该语义关键词可为但不限与是“过来”，当该语义信息包含“过来”这一关键词时，则将该教学机器人从休眠状态切换至正常工作状态，这样能够保证教学机器人能够随时进入不同的工作模式。
优选地，在该步骤S2中，根据该声音强度分布信息，确定在教学机器人所处环境中用户与教学机器人的相对方位；再根据该相对方位，对用户所处的方位区域进行拍摄，从而得到相应的环境影像具体包括：
步骤S201，分析该声音强度分布信息，从而获得对应的声音强度波形分布；从该声音强度波形分布中提取具有最大幅值的声音强度波峰，并确定具有最大幅值的声音强度波峰出现时、对教学机器人自身所处环境进行声音信息扫描收集对应的空间方位，从而将该空间方位作为在教学机器人所处环境中用户与教学机器人的相对方位；
步骤S202，将该空间方位进行预设倍数的空间方位角扩展后作为用户所处的方位区域，对该用户所处的方位区域进行扫描拍摄，从而获得相应的环境影像。
上述技术方案的有益效果为：当用户从某一方位位置(比如正南方位)向教学机器人发出语音声音时，在相应的扫描收集声音信息的过程中，当扫描到用户所处的方位位置(比如正南方位)时，收集到的声音信息对应的声音强度波峰具有最大幅值。基于上述过程，从该声音强度波形分布中提取具有最大幅值的声音强度波峰，并确定具有最大幅值的声音强度波峰出现时、对教学机器人自身所处环境进行声音信息扫描收集对应的空间方位，就能够准确地确定用户与教学机器人的相对方位。此外，为了保证对用户所处位置区域进行广角拍摄，可将该空间方位在上下左右的方向上将该空间方位对应的空间方位角扩大两倍或者三倍后作为用户所处的方位区域，再对该方位区域进行扫描拍摄，这样能够最大限度将用户周围存在的障碍物进行拍摄记录。
优选地，在该步骤S3中，分析该环境影像，确定教学机器人与用户之间的空间区域中障碍物存在状态；根据该障碍物存在状态，确定教学机器人运动至用户所处位置的移动路径；并在教学机器人沿该移动路径运动的过程中，指示教学机器人针对该语义信息，向用户反馈相应的语音答复消息具体包括：
步骤S301，将该环境影像转换为灰度化环境影像，并从该灰度化环境影像中提取相应的影像像素轮廓信息；再根据该影像像素轮廓信息，确定教学机器人与用户之间的空间区域存在的障碍物位置和障碍物尺寸；
步骤S302，根据障碍物位置和障碍物尺寸，在教学机器人与用户之间的空间区域确定能够容纳教学机器人运动的连续移动路径，从而使教学机器人能够沿该连续移动路径运动至用户所处位置；
步骤S303，从预设应答语音数据库中选择与该语义信息向匹配的语音答复消息；并在教学机器人沿该连续移动路径运动的过程中，以变化的音量重复播放该语音答复消息，其中该变化的音量是指当教学机器人在运动过程中越接近用户，对应的音量越小。
上述技术方案的有益效果为：由于环境影像中障碍物对应的影像像素轮廓会与其他区域的影像像素轮廓在轮廓线条走向和轮廓线条密度上存在差异(障碍物对应的影像像素轮廓的轮廓线条通常呈曲线状和轮廓线条密度也较大，而其他区域的影像像素轮廓的轮廓线条通常呈直线状和轮廓线条密度也较小)，通过上述差异能够准确地确定教学机器人与用户之间的空间区域存在的障碍物位置和障碍物尺寸。当障碍物位置和障碍物尺寸确定后，即可确定不同障碍物之间的空隙区域，再将这些空隙区域进行拼接，以此确定能够容纳教学机器人运动的连续移动路径，以便教学机器人能够在不与障碍物发生碰撞的情况下能够顺利快速地运动至用户所处位置。此外，从预设应答语音数据库中选择与该语义信息向匹配的语音答复消息，这样能够提高教学机器人与用户的互动灵活性(比如语音信息可为“过来”，对应的语音答复消息可为“好的”)。并且在教学机器人沿该连续移动路径运动的过程中，以变化的音量重复播放该语音答复消息，这样能够使得当教学机器人与用户距离较远时也能够清楚地听到该语音答复消息，当教学机器人与用户距离较近时能够避免语音答复消息音量过大而损坏用户的听力。
优选地，在该步骤S301中，根据该影像像素轮廓信息，确定教学机器人与用户之间的空间区域存在的障碍物位置和障碍物尺寸具体包括：
步骤S3011，根据该影像像素轮廓信息，分析教学机器人与用户之间的空间区域内的所有像素点是否为该影像像素轮廓内部的点，进而确定是否为属于障碍物的像素点，并在该教学机器人与用户之间的空间区域内对障碍物的所有像素点进行标注，从而确定障碍物位置，具体为，
利用下面公式(1)，根据该影像像素轮廓信息，确定教学机器人与用户之间的空间区域存在障碍物位置，
Figure BDA0003120497530000141
在上述公式(1)中，Aa表示教学机器人与用户之间的空间区域内的第a个像素点是否属于障碍物的像素点的判定值，当Aa＝1时，表示第a个像素点属于障碍物的像素点并对第a个像素点进行标注，从而确定障碍物位置，当Aa＝0时，表示第a个像素点不属于障碍物的像素点并不对第a个像素点进行标注，(Xa,Ya)表示教学机器人与用户之间的空间区域内的第a个像素点的坐标值，(Xi,Yi)表示影像像素轮廓中第i个轮廓点的坐标值，Ximin表示影像像素轮廓中所有轮廓点的最小横坐标值，Ximax表示影像像素轮廓中所有轮廓点的最大横坐标值，Yimin表示影像像素轮廓中所有轮廓点的最小纵坐标值，Yimax表示影像像素轮廓中所有轮廓点的最大纵坐标值，n表示影像像素轮廓包含的轮廓点的总数量；
步骤S3012，利用下面公式(2)，根据该影像像素轮廓信息，确定教学机器人与用户之间的空间区域存在障碍物尺寸，
Figure BDA0003120497530000142
在上述公式(2)中，Sp表示教学机器人与用户之间的空间区域对应的障碍物影像水平方向上第p行像素点在真实空间上的长度，k表示教学机器人与用户之间的空间区域对应的水平方向上每一行像素点的总数量，L0表示教学机器人与用户之间的空间区域对应的水平方向上每一行像素点在真实空间上的长度；
在该步骤S302，根据障碍物位置和障碍物尺寸，在教学机器人与用户之间的空间区域确定能够容纳教学机器人运动的连续移动路径具体包括：
利用下面公式(3)，根据障碍物位置和障碍物尺寸，在教学机器人与用户之间的空间区域在行列方向上进行标注，从而在空间区域上标注得到若干像素点，
Figure BDA0003120497530000151
在上述公式(3)中，Apq表示在教学机器人与用户之间的空间区域在第p行第q列方向上进行标注后得到的像素点标注值，L表示教学机器人在水平方向上的长度；
确定像素点标注值为1的所有像素点，并在该像素点对应存在的空间内找到一条连续移动路径，从而作为容纳教学机器人运动的连续移动路径。
上述技术方案的有益效果为：由于影像像素轮廓信息包含障碍物的像素轮廓信息，通过对障碍物的像素轮廓信息进行轮廓点的识别处理后，能够快速地和准确地确定障碍物的位置和尺寸。利用上述公式(1)，对教学机器人与用户之间的空间区域存在的所有像素点进行逐一识别排查，从而确定属于障碍物的所有像素点，这样能够对障碍物占用的空间位置进行精确的确定。其次，利用上述公式(2)，能够以属于障碍物的所有像素点作为基准，结合影像与真实空间转换的方式确定教学机器人在水平方向上的尺寸，因为教学机器人在移动过程中其在水平方向上的尺寸大小直接决定其是否会与障碍物发生碰撞。最后，利用上述公式(3)，能够在空间区域中标注允许教学机器人通过的像素点区域，在寻找出允许教学机器人通过的连续像素点区域作为连续移动路径，能够保证教学机器人顺畅平稳地运动至用户附近。
参阅图2，为本发明实施例提供的互动教学机器人的运动控制系统的结构示意图。该互动教学机器人的运动控制系统包括声音采集与分析模块、工作状态切换模块、环境影像拍摄模块，移动路径确定模块和语音答复消息播放模块；其中，
该声音采集与分析模块用于采集教学机器人所处环境四周的声音信息；分析该声音信息后得到该声音信息对应的声纹特征信息、语义信息和声音强度分布信息；
该工作状态切换模块用于根据该声纹特征信息和该语义信息，控制教学机器人进行工作状态切换；
该环境影像拍摄模块用于根据该声音强度分布信息，确定在教学机器人所处环境中用户与教学机器人的相对方位；再根据该相对方位，对用户所处的方位区域进行拍摄，从而得到相应的环境影像；
该移动路径确定模块用于分析该环境影像，确定教学机器人与用户之间的空间区域中障碍物存在状态；根据该障碍物存在状态，确定教学机器人运动至用户所处位置的移动路径；
该语音答复消息播放模块用于在教学机器人沿该移动路径运动的过程中，指示教学机器人针对该语义信息，向用户反馈相应的语音答复消息。
上述技术方案的有益效果为：该互动教学机器人的运动控制系统通过采集教学机器人所处环境四周的声音信息，根据声音信息中的声纹特征信息和语义信息，控制教学机器人切换工作状态而实现唤醒，再根据声音信息中的声音强度分布信息，确定用户所处的方位区域以便于拍摄得到环境影像；接着，在环境影像中识别存在的障碍物而确定教学机器人的移动路径，并且指示教学机器人在运动过程中播放相应的语音答复消息，这样能够保证教学机器人在用户的语音控制下能够及时准确地跟随用户，以及快速与用户进行语音互动，从而提高教学机器人与学生互动过程中的运动灵活性以及改善教学机器人与学生的互动智能化和自动化程度。
优选地，该声音采集与分析模块用于采集教学机器人所处环境四周的声音信息；分析该声音信息后得到该声音信息对应的声纹特征信息、语义信息和声音强度分布信息具体包括：
利用麦克风阵列扫描收集教学机器人自身所处环境四周方向的声音信息；并对该声音信息进行卡尔曼滤波处理，从而剔除该声音信息包含的背景噪声；
对该声音信息进行声纹识别，从而提取得到该声音信息包含的声纹特征信息；对该声音信息进行语义识别，从而提取得到该声音信息对应的语义信息；对该声音信息进行声音强度波形分析，从而提取得到该声音信息包含的声音强度波峰分布；
以及，
该工作状态切换模块用于根据该声纹特征信息和该语义信息，控制教学机器人进行工作状态切换具体包括：
将该声纹特征信息与预先存储的该用户的实际声纹特征进行比对；若两者不相同，则控制教学机器人维持处于休眠状态；若两者相同，则将该语义信息与预先存储的语义关键词进行比对；若该语义信息不包含该语义关键词，则控制教学机器人维持处于休眠状态；若该语义信息包含该语义关键词，则控制教学机器人从休眠状态切换至正常工作状态。
上述技术方案的有益效果为：教学机器人在工作过程中，学生可能处于教学机器人四周的任意方位位置(比如正南方位或者东北方位)，当学生需要呼唤教学机器人运动接近自己时，需要向教学机器人发出相应的语音声音。此时，利用麦克风阵列扫描收集环境四周方向的声音信息，能够全面地和准确地收集来自学生的语音声音。
由于学生自身的声纹特征信息是特定固有的，通过提取声音信息中的声纹特征信息并将其与预先存储的授权用户的实时声纹特征进行比对，当两者相同时，表明对应学生为授权能够使用教学机器人的用户。此时，再将声音信息中的语义信息进行与预先存储的语义关键词进行比对，则确定用户发出的语音声音是否为召唤教学机器人的语音声音，比如该语义关键词可为但不限与是“过来”，当该语义信息包含“过来”这一关键词时，则将该教学机器人从休眠状态切换至正常工作状态，这样能够保证教学机器人能够随时进入不同的工作模式。
优选地，该环境影像拍摄模块用于根据该声音强度分布信息，确定在教学机器人所处环境中用户与教学机器人的相对方位；再根据该相对方位，对用户所处的方位区域进行拍摄，从而得到相应的环境影像具体包括：
分析该声音强度分布信息，从而获得对应的声音强度波形分布；从该声音强度波形分布中提取具有最大幅值的声音强度波峰，并确定具有最大幅值的声音强度波峰出现时、对教学机器人自身所处环境进行声音信息扫描收集对应的空间方位，从而将该空间方位作为在教学机器人所处环境中用户与教学机器人的相对方位；
将该空间方位进行预设倍数的空间方位角扩展后作为用户所处的方位区域，对该用户所处的方位区域进行扫描拍摄，从而获得相应的环境影像。
上述技术方案的有益效果为：当用户从某一方位位置(比如正南方位)向教学机器人发出语音声音时，在相应的扫描收集声音信息的过程中，当扫描到用户所处的方位位置(比如正南方位)时，收集到的声音信息对应的声音强度波峰具有最大幅值。基于上述过程，从该声音强度波形分布中提取具有最大幅值的声音强度波峰，并确定具有最大幅值的声音强度波峰出现时、对教学机器人自身所处环境进行声音信息扫描收集对应的空间方位，就能够准确地确定用户与教学机器人的相对方位。此外，为了保证对用户所处位置区域进行广角拍摄，可将该空间方位在上下左右的方向上将该空间方位对应的空间方位角扩大两倍或者三倍后作为用户所处的方位区域，再对该方位区域进行扫描拍摄，这样能够最大限度将用户周围存在的障碍物进行拍摄记录。
优选地，该移动路径确定模块用于分析该环境影像，确定教学机器人与用户之间的空间区域中障碍物存在状态；根据该障碍物存在状态，确定教学机器人运动至用户所处位置的移动路径具体包括：
将该环境影像转换为灰度化环境影像，并从该灰度化环境影像中提取相应的影像像素轮廓信息；再根据该影像像素轮廓信息，确定教学机器人与用户之间的空间区域存在的障碍物位置和障碍物尺寸；
根据障碍物位置和障碍物尺寸，在教学机器人与用户之间的空间区域确定能够容纳教学机器人运动的连续移动路径，从而使教学机器人能够沿该连续移动路径运动至用户所处位置；
以及，
该语音答复消息播放模块用于在教学机器人沿该移动路径运动的过程中，指示教学机器人针对该语义信息，向用户反馈相应的语音答复消息具体包括：
从预设应答语音数据库中选择与该语义信息向匹配的语音答复消息；并在教学机器人沿该连续移动路径运动的过程中，以变化的音量重复播放该语音答复消息，其中该变化的音量是指当教学机器人在运动过程中越接近用户，对应的音量越小。
上述技术方案的有益效果为：由于环境影像中障碍物对应的影像像素轮廓会与其他区域的影像像素轮廓在轮廓线条走向和轮廓线条密度上存在差异(障碍物对应的影像像素轮廓的轮廓线条通常呈曲线状和轮廓线条密度也较大，而其他区域的影像像素轮廓的轮廓线条通常呈直线状和轮廓线条密度也较小)，通过上述差异能够准确地确定教学机器人与用户之间的空间区域存在的障碍物位置和障碍物尺寸。当障碍物位置和障碍物尺寸确定后，即可确定不同障碍物之间的空隙区域，再将这些空隙区域进行拼接，以此确定能够容纳教学机器人运动的连续移动路径，以便教学机器人能够在不与障碍物发生碰撞的情况下能够顺利快速地运动至用户所处位置。此外，从预设应答语音数据库中选择与该语义信息向匹配的语音答复消息，这样能够提高教学机器人与用户的互动灵活性(比如语音信息可为“过来”，对应的语音答复消息可为“好的”)。并且在教学机器人沿该连续移动路径运动的过程中，以变化的音量重复播放该语音答复消息，这样能够使得当教学机器人与用户距离较远时也能够清楚地听到该语音答复消息，当教学机器人与用户距离较近时能够避免语音答复消息音量过大而损坏用户的听力。
从上述实施例的内容可知，该互动教学机器人的运动控制方法与系统通过采集教学机器人所处环境四周的声音信息，根据声音信息中的声纹特征信息和语义信息，控制教学机器人切换工作状态而实现唤醒，再根据声音信息中的声音强度分布信息，确定用户所处的方位区域以便于拍摄得到环境影像；接着，在环境影像中识别存在的障碍物而确定教学机器人的移动路径，并且指示教学机器人在运动过程中播放相应的语音答复消息，这样能够保证教学机器人在用户的语音控制下能够及时准确地跟随用户，以及快速与用户进行语音互动，从而提高教学机器人与学生互动过程中的运动灵活性以及改善教学机器人与学生的互动智能化和自动化程度
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (9)

1.互动教学机器人的运动控制方法，其特征在于，其包括如下步骤：
步骤S1，采集教学机器人所处环境四周的声音信息；分析所述声音信息后得到所述声音信息对应的声纹特征信息、语义信息和声音强度分布信息；再根据所述声纹特征信息和所述语义信息，控制教学机器人进行工作状态切换；
步骤S2，根据所述声音强度分布信息，确定在教学机器人所处环境中用户与教学机器人的相对方位；再根据所述相对方位，对用户所处的方位区域进行拍摄，从而得到相应的环境影像；
步骤S3，分析所述环境影像，确定教学机器人与用户之间的空间区域中障碍物存在状态；根据所述障碍物存在状态，确定教学机器人运动至用户所处位置的移动路径；并在教学机器人沿所述移动路径运动的过程中，指示教学机器人针对所述语义信息，向用户反馈相应的语音答复消息。
2.如权利要求1所述的互动教学机器人的运动控制方法，其特征在于：
在所述步骤S1中，采集教学机器人所处环境四周的声音信息；分析所述声音信息后得到所述声音信息对应的声纹特征信息、语义信息和声音强度分布信息；再根据所述声纹特征信息和所述语义信息，控制教学机器人进行工作状态切换；具体包括：
步骤S101，利用麦克风阵列扫描收集教学机器人自身所处环境四周方向的声音信息；并对所述声音信息进行卡尔曼滤波处理，从而剔除所述声音信息包含的背景噪声；
步骤S102，对所述声音信息进行声纹识别，从而提取得到所述声音信息包含的声纹特征信息；对所述声音信息进行语义识别，从而提取得到所述声音信息对应的语义信息；对所述声音信息进行声音强度波形分析，从而提取得到所述声音信息包含的声音强度波峰分布；
步骤S103，将所述声纹特征信息与预先存储的所述用户的实际声纹特征进行比对；若两者不相同，则控制教学机器人维持处于休眠状态；若两者相同，则将所述语义信息与预先存储的语义关键词进行比对；若所述语义信息不包含所述语义关键词，则控制教学机器人维持处于休眠状态；若所述语义信息包含所述语义关键词，则控制教学机器人从休眠状态切换至正常工作状态。
3.如权利要求2所述的互动教学机器人的运动控制方法，其特征在于：
在所述步骤S2中，根据所述声音强度分布信息，确定在教学机器人所处环境中用户与教学机器人的相对方位；再根据所述相对方位，对用户所处的方位区域进行拍摄，从而得到相应的环境影像具体包括：
步骤S201，分析所述声音强度分布信息，从而获得对应的声音强度波形分布；从所述声音强度波形分布中提取具有最大幅值的声音强度波峰，并确定具有最大幅值的声音强度波峰出现时、对教学机器人自身所处环境进行声音信息扫描收集对应的空间方位，从而将所述空间方位作为在教学机器人所处环境中用户与教学机器人的相对方位；
步骤S202，将所述空间方位进行预设倍数的空间方位角扩展后作为用户所处的方位区域，对所述用户所处的方位区域进行扫描拍摄，从而获得相应的环境影像。
4.如权利要求3所述的互动教学机器人的运动控制方法，其特征在于：
在所述步骤S3中，分析所述环境影像，确定教学机器人与用户之间的空间区域中障碍物存在状态；根据所述障碍物存在状态，确定教学机器人运动至用户所处位置的移动路径；并在教学机器人沿所述移动路径运动的过程中，指示教学机器人针对所述语义信息，向用户反馈相应的语音答复消息具体包括：
步骤S301，将所述环境影像转换为灰度化环境影像，并从所述灰度化环境影像中提取相应的影像像素轮廓信息；再根据所述影像像素轮廓信息，确定教学机器人与用户之间的空间区域存在的障碍物位置和障碍物尺寸；
步骤S302，根据障碍物位置和障碍物尺寸，在教学机器人与用户之间的空间区域确定能够容纳教学机器人运动的连续移动路径，从而使教学机器人能够沿所述连续移动路径运动至用户所处位置；
步骤S303，从预设应答语音数据库中选择与所述语义信息向匹配的语音答复消息；并在教学机器人沿所述连续移动路径运动的过程中，以变化的音量重复播放所述语音答复消息，其中所述变化的音量是指当教学机器人在运动过程中越接近用户，对应的音量越小。
5.如权利要求4所述的互动教学机器人的运动控制方法，其特征在于：
在所述步骤S301中，根据所述影像像素轮廓信息，确定教学机器人与用户之间的空间区域存在的障碍物位置和障碍物尺寸具体包括：
步骤S3011，根据所述影像像素轮廓信息，分析教学机器人与用户之间的空间区域内的所有像素点是否为所述影像像素轮廓内部的点，进而确定是否为属于障碍物的像素点，并在所述教学机器人与用户之间的空间区域内对障碍物的所有像素点进行标注，从而确定障碍物位置，具体为，利用下面公式(1)，根据所述影像像素轮廓信息，确定教学机器人与用户之间的空间区域存在障碍物位置，
Figure FDA0003120497520000031
在上述公式(1)中，Aa表示教学机器人与用户之间的空间区域内的第a个像素点是否属于障碍物的像素点的判定值，当Aa＝1时，表示第a个像素点属于障碍物的像素点并对第a个像素点进行标注，从而确定障碍物位置，当Aa＝0时，表示第a个像素点不属于障碍物的像素点并不对第a个像素点进行标注，(Xa,Ya)表示教学机器人与用户之间的空间区域内的第a个像素点的坐标值，(Xi,Yi)表示影像像素轮廓中第i个轮廓点的坐标值，Ximin表示影像像素轮廓中所有轮廓点的最小横坐标值，Ximax表示影像像素轮廓中所有轮廓点的最大横坐标值，Yimin表示影像像素轮廓中所有轮廓点的最小纵坐标值，Yimax表示影像像素轮廓中所有轮廓点的最大纵坐标值，n表示影像像素轮廓包含的轮廓点的总数量；
步骤S3012，利用下面公式(2)，根据所述影像像素轮廓信息，确定教学机器人与用户之间的空间区域存在障碍物尺寸，
Figure FDA0003120497520000041
在上述公式(2)中，Sp表示教学机器人与用户之间的空间区域对应的障碍物影像水平方向上第p行像素点在真实空间上的长度，k表示教学机器人与用户之间的空间区域对应的水平方向上每一行像素点的总数量，L0表示教学机器人与用户之间的空间区域对应的水平方向上每一行像素点在真实空间上的长度；
在所述步骤S302，根据障碍物位置和障碍物尺寸，在教学机器人与用户之间的空间区域确定能够容纳教学机器人运动的连续移动路径具体包括：
利用下面公式(3)，根据障碍物位置和障碍物尺寸，在教学机器人与用户之间的空间区域在行列方向上进行标注，从而在空间区域上标注得到若干像素点，
Figure FDA0003120497520000051
在上述公式(3)中，Apq表示在教学机器人与用户之间的空间区域在第p行第q列方向上进行标注后得到的像素点标注值，L表示教学机器人在水平方向上的长度；
确定像素点标注值为1的所有像素点，并在所述像素点对应存在的空间内找到一条连续移动路径，从而作为容纳教学机器人运动的连续移动路径。
6.互动教学机器人的运动控制系统，其特征在于，其包括声音采集与分析模块、工作状态切换模块、环境影像拍摄模块，移动路径确定模块和语音答复消息播放模块；其中，
所述声音采集与分析模块用于采集教学机器人所处环境四周的声音信息；分析所述声音信息后得到所述声音信息对应的声纹特征信息、语义信息和声音强度分布信息；
所述工作状态切换模块用于根据所述声纹特征信息和所述语义信息，控制教学机器人进行工作状态切换；
所述环境影像拍摄模块用于根据所述声音强度分布信息，确定在教学机器人所处环境中用户与教学机器人的相对方位；再根据所述相对方位，对用户所处的方位区域进行拍摄，从而得到相应的环境影像；
所述移动路径确定模块用于分析所述环境影像，确定教学机器人与用户之间的空间区域中障碍物存在状态；根据所述障碍物存在状态，确定教学机器人运动至用户所处位置的移动路径；
所述语音答复消息播放模块用于在教学机器人沿所述移动路径运动的过程中，指示教学机器人针对所述语义信息，向用户反馈相应的语音答复消息。
7.如权利要求6所述的互动教学机器人的运动控制系统，其特征在于：
所述声音采集与分析模块用于采集教学机器人所处环境四周的声音信息；分析所述声音信息后得到所述声音信息对应的声纹特征信息、语义信息和声音强度分布信息具体包括：
采集教学机器人所处环境四周的声音信息；分析所述声音信息后得到所述声音信息对应的声纹特征信息、语义信息和声音强度分布信息；再根据所述声纹特征信息和所述语义信息，控制教学机器人进行工作状态切换；
对所述声音信息进行声纹识别，从而提取得到所述声音信息包含的声纹特征信息；对所述声音信息进行语义识别，从而提取得到所述声音信息对应的语义信息；对所述声音信息进行声音强度波形分析，从而提取得到所述声音信息包含的声音强度波峰分布；
以及，
所述工作状态切换模块用于根据所述声纹特征信息和所述语义信息，控制教学机器人进行工作状态切换具体包括：
将所述声纹特征信息与预先存储的所述用户的实际声纹特征进行比对；
若两者不相同，则控制教学机器人维持处于休眠状态；若两者相同，则将所述语义信息与预先存储的语义关键词进行比对；若所述语义信息不包含所述语义关键词，则控制教学机器人维持处于休眠状态；若所述语义信息包含所述语义关键词，则控制教学机器人从休眠状态切换至正常工作状态。
8.如权利要求7所述的互动教学机器人的运动控制系统，其特征在于：
所述环境影像拍摄模块用于根据所述声音强度分布信息，确定在教学机器人所处环境中用户与教学机器人的相对方位；再根据所述相对方位，对用户所处的方位区域进行拍摄，从而得到相应的环境影像具体包括：分析所述声音强度分布信息，从而获得对应的声音强度波形分布；从所述声音强度波形分布中提取具有最大幅值的声音强度波峰，并确定具有最大幅值的声音强度波峰出现时、对教学机器人自身所处环境进行声音信息扫描收集对应的空间方位，从而将所述空间方位作为在教学机器人所处环境中用户与教学机器人的相对方位；
将所述空间方位进行预设倍数的空间方位角扩展后作为用户所处的方位区域，对所述用户所处的方位区域进行扫描拍摄，从而获得相应的环境影像。
9.如权利要求6所述的互动教学机器人的运动控制系统，其特征在于：
所述移动路径确定模块用于分析所述环境影像，确定教学机器人与用户之间的空间区域中障碍物存在状态；根据所述障碍物存在状态，确定教学机器人运动至用户所处位置的移动路径具体包括：
将所述环境影像转换为灰度化环境影像，并从所述灰度化环境影像中提取相应的影像像素轮廓信息；再根据所述影像像素轮廓信息，确定教学机器人与用户之间的空间区域存在的障碍物位置和障碍物尺寸；
根据障碍物位置和障碍物尺寸，在教学机器人与用户之间的空间区域确定能够容纳教学机器人运动的连续移动路径，从而使教学机器人能够沿所述连续移动路径运动至用户所处位置；
以及，
所述语音答复消息播放模块用于在教学机器人沿所述移动路径运动的过程中，指示教学机器人针对所述语义信息，向用户反馈相应的语音答复消息具体包括：
从预设应答语音数据库中选择与所述语义信息向匹配的语音答复消息；
并在教学机器人沿所述连续移动路径运动的过程中，以变化的音量重复播放所述语音答复消息，其中所述变化的音量是指当教学机器人在运动过程中越接近用户，对应的音量越小。
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