JP2017134166A

JP2017134166A - 音声認識装置を備えたロボット

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Publication number: JP2017134166A
Application number: JP2016012597A
Authority: JP
Inventors: 侑司大沼; Yuji Onuma; 智哉高谷; Tomoya Takatani
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2016-01-26
Filing date: 2016-01-26
Publication date: 2017-08-03

Abstract

【課題】正しく振動成分を除去する補正フィルタを生成すること。【解決手段】音声認識装置を備えたロボット１００は、マイクロホン３と、振動を検出する加速度センサ４と、前記マイクロホンからの出力信号を周波数領域に変換するＦＦＴ部５と、前記加速度センサからの出力信号を周波数領域に変換するＦＦＴ部６と、ＦＦＴ部６の出力信号について、特性補正フィルタを用いて補正する特性補正部１０と、ＦＦＴ部５の出力信号から、特性補正部１０の出力信号を減算することにより振動成分を抑圧する振動抑圧処理部１１と、アクチュエータ９と、アクチュエータ９の動作を制御する動作制御部８と、アクチュエータ９が振動している際の、ＦＦＴ部５の出力信号及びＦＦＴ部６の出力信号を用いて、加速度センサ４からマイクロホン３間の振動に関する伝達関数を求め、特性補正フィルタを生成する特性計算部７と、を有する。【選択図】図１

Description

本発明は、音声認識装置を備えたロボットに関する。

特許文献１には、音声取得用のマイクロホンと振動取得用の振動センサの異なる２種類のセンサを用いる技術が開示されている。そして、特許文献１では、マイクロホンから出力される音声成分及び振動成分からなる信号から、振動センサから出力される振動成分を減算することにより、音声成分のみの信号を得る。

特開２００３−１１１１８６号公報

しかし、振動成分の減算を正しく行うためには、マイクロホン及び振動センサの利得と周波数特性を合わせる補正を行う必要がある。特許文献１では、マイクロホン及び振動センサに外部振動としてインパルスを入力した時の伝達関数を予め計測し、この伝達関数に基づいてマイクロホン及び振動センサの利得と周波数特性を合わせる補正を行っている。このため、マイクロホン及び振動センサの経年変化、搭載位置や固定方法の経年変化などにより、センサ特性に変化が生じると正しく振動成分を除去できずに性能が劣化するという問題があった。

また、適応的にこの補正を行う手法の場合であると、除去対象である振動成分の信号が高いＳＮ比（信号電力対雑音電力比）で取得されていないと適応フィルタが正しく求められず性能が劣化するという問題があった。

本発明は、このような問題点を解決するためになされたものであり、正しく振動成分を除去する補正フィルタを生成することができる音声認識装置を備えたロボットを提供することを目的とする。

上記目的を達成するための本発明の態様は、音声認識装置を備えたロボットが、音声を検出するマイクロホンと、振動を検出する接触型の加速度センサと、前記マイクロホンからの出力信号を周波数領域に変換する第１の高速フーリエ変換部と、前記加速度センサからの出力信号を周波数領域に変換する第２の高速フーリエ変換部と、前記第２の高速フーリエ変換部の出力信号について、特性補正フィルタを用いて補正する特性補正部と、前記第１の高速フーリエ変換部の出力信号から、前記特性補正部の出力信号を減算することにより振動成分を抑圧する振動抑圧処理部と、アクチュエータと、前記アクチュエータの動作を制御する動作制御部と、前記アクチュエータが振動している際の、前記第１の高速フーリエ変換部の出力信号及び前記第２の高速フーリエ変換部の出力信号を用いて、前記加速度センサから前記マイクロホン間の振動に関する伝達関数を求め、前記特性補正フィルタを生成する特性計算部と、を有するものである。この態様によれば、正しく振動成分を除去する補正フィルタを生成することができる音声認識装置を備えたロボットを提供することができる。

本発明によれば、正しく振動成分を除去する補正フィルタを生成することができる音声認識装置を備えたロボットを提供することができる。

本発明の実施の形態にかかる音声認識装置を備えたロボットの概略的なシステム構成を示すブロック図である。本発明の実施の形態にかかる特性補正フィルタの具体例を示す図である。本発明の実施の形態にかかるメカストッパを利用したインパルス状の加振方法を説明するための図である。本発明の実施の形態にかかるロボット動作による加振方法を説明するための図である。本発明の実施の形態にかかる特性補正フィルタの生成・調整処理を示すフローチャートである。

実施の形態
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。まず、図１に示すブロック図を用いて、本発明の実施の形態にかかる音声認識装置を備えたロボットの概略的なシステム構成について説明する。音声認識装置を備えたロボット１００は、マイク装置２と、ＦＦＴ（Fast Fourier Transform）部５と、ＦＦＴ部６と、特性計算部７と、動作制御部８と、アクチュエータ９と、特性補正部１０と、振動抑圧処理部１１とを備えている。また、マイク装置２は、マイクロホン３と、加速度センサ４とを備えている。なお、図１に示すロボット内部１は、アクチュエータ９によるマイク装置２への振動伝達が、ロボット内部において行われることを明示的に示すための記載である。

マイクロホン３は、音声を検出するマイクロホンである。マイクロホン３は、発声者の音声を検出する。また、モータの回転等により発生する機械的な振動についてもマイクロホン３により検出される。そして、マイクロホン３は、検出した音声成分及び振動成分からなるマイクロホン３の振動波形をＦＦＴ部５へ出力する。

加速度センサ４は、振動を検出する接触型の加速度センサである。加速度センサ４は、振動を検出する。また、加速度センサ４は、検出した振動成分からなる加速度センサ４の振動波形をＦＦＴ部６へ出力する。

ＦＦＴ部５は、マイクロホン３の振動波形を受け取る。また、ＦＦＴ部５は、高速フーリエ変換を行うことにより、マイクロホン３の振動波形を周波数領域に変換する。これにより、マイクロホン３の複素スペクトルが得られる。そして、マイクロホン３の複素スペクトルを、特性計算部７及び振動抑圧処理部１１へ出力する。

ＦＦＴ部６は、加速度センサ４の振動波形を受け取る。また、ＦＦＴ部６は、高速フーリエ変換を行うことにより、加速度センサ４の振動波形を周波数領域に変換する。これにより、加速度センサ４の複素スペクトルが得られる。そして、加速度センサ４の複素スペクトルを、特性計算部７及び特性補正部１０へ出力する。

特性計算部７は、マイクロホン３の複素スペクトルを、ＦＦＴ部５から受け取る。また、特性計算部７は、加速度センサ４の複素スペクトルを、ＦＦＴ部６から受け取る。また、特性計算部７は、アクチュエータ９が振動している際の、マイクロホン３の複素スペクトル及び加速度センサ４の複素スペクトルを用いて、マイクロホン３と加速度センサ４の振動に関する伝達関数を求め、センサの特性補正フィルタを生成する。そして、特性計算部７は、算出した特性補正フィルタを特性補正部１０へ出力する。

ここで、加速度センサ４とマイクロホン３の間の周波数特性を補正する特性補正フィルタを生成する２つの手法について説明する。

１つ目の手法は、以下の数式（１）を用いて、加速度センサ４とマイクロホン３の間の周波数ゲイン特性を補正する伝達関数Ｆ（ｆ）を求める手法である。ここで、Ｘ_１（ｆ）は加速度センサ４の複素スペクトル、Ｘ_２（ｆ）はマイクロホン３の複素スペクトル、Ｐ_１（ｆ）は加速度センサ４のパワースペクトル、Ｐ_２（ｆ）はマイクロホン３のパワースペクトルである。

１つ目の手法によれば、図２に示すように、Ｘ_１（ｆ）が入力されると、加速度センサ４とマイクロホン３の間の周波数ゲイン特性を補正してＸ_２（ｆ）を出力する、伝達関数Ｆ（ｆ）の特性補正フィルタを生成することができる。

２つ目の手法は、厳密に逆フィルタを求めて、加速度センサ４とマイクロホン３の間の周波数ゲイン特性、及び周波数位相特性を補正する伝達関数Ｆ（ｆ）を求める手法である。例えば、以下の参考文献１等の手法を用いて、逆フィルタ問題として伝達関数Ｆ（ｆ）を求めて特性補正フィルタとする。なお、厳密な逆フィルタの求め方としては、参考文献１の手法に限らず、公知のいかなる手法を用いてもよい。
（参考文献１）Hikichi, T., Delcroix, M., Miyoshi, M.: Inverse filtering for speech dereverberation less sensitive to noise. In: Proc. Int. Workshop Acoust. Echo Noise Control (IWAENC), pp. 1−4 (2006)

２つ目の手法によれば、図２に示すように、Ｘ_１（ｆ）が入力されると、加速度センサ４とマイクロホン３の間の周波数ゲイン特性、及び周波数位相特性を補正してＸ_２（ｆ）を出力する、伝達関数Ｆ（ｆ）の特性補正フィルタを生成することができる。

図１に戻り説明を続ける。特性計算部７は、動作制御部８へ動作開始の指示を出力する。さらに、特性計算部７は、アクチュエータ９の補正用動作のパターンや強度の変更を行い、補正用動作の指示を動作制御部８へ出力する。

動作制御部８は、特性計算部７から動作開始の指示が入力されると、補正用動作をアクチュエータ９へ指示する。

アクチュエータ９は、動作制御部８からの指示により、補正用動作を行い、音声認識装置を備えたロボット１００の筐体を加振する。この加振により、アクチュエータ９は、マイク装置２への振動伝達を行う。

ここで、アクチュエータ９の補正用動作について説明する。アクチュエータ９の補正用動作は、振動に対して高いＳＮ比が得られるように行う。具体的には、次の２つの手法を用いる。

１つ目の手法は、マイク装置２に入力されるその他の外来音が小さくなるように補正用動作を決定することである。この手法は、周囲で音が鳴っている環境では補正を行わないように補正を行うタイミングを設定する。また、加振時の気道音を小さくし固体伝搬が大きくなるように制御する等によっても相対的に振動音を大きくすることができる。

２つ目の手法は、マイクロホン３及び加速度センサ４の線形観測域内で十分に大きな振動を発生させるように補正用動作を決定することである。この手法は、発生させる振動を、マイクロホン３及び加速度センサ４が飽和しない範囲で最大化することにより実現できる。

また、アクチュエータ９の補正用動作は、振動に関して広帯域な周波数成分を含むように加振を行う。これは、例えば、インパルス状の衝突振動や、時間掃引したロボット動作振動により行う。

ここで、メカストッパを利用したインパルス状の加振方法、及びロボット動作による加振方法について、図３及び図４を用いて説明する。

まず、図３を用いて、メカストッパを利用したインパルス状の加振方法について説明する。アクチュエータ９は、動作制御部８からの指示により、動作部１２をメカストッパ１３に衝突させる。この衝突による振動によって、マイク装置２に対してインパルス状の加振を行う。

続いて、図４を用いて、ロボット動作による加振方法について説明する。アクチュエータ９は、動作制御部８からの指示により、動作部１２を動作させる。動作部１２の動作によって、マイク装置２に対して急峻なロボット動作を行いインパルス状の加振を行う。または、動作部１２の動作を低速なロボット動作から高速なロボット動作へ連続的に変化させて、振動の周波数を時間掃引した様な加振を行う。

図１に戻り説明を続ける。特性補正部１０は、加速度センサ４の複素スペクトルをＦＦＴ部６から受け取る。また、特性補正部１０は、特性補正フィルタを特性計算部７から受け取る。さらに、特性補正部１０は、加速度センサ４の複素スペクトルについて、特性補正フィルタを用いて補正する。そして、特性補正部１０は、特性補正後の加速度センサ４の複素スペクトルを振動抑圧処理部１１へ出力する。

振動抑圧処理部１１は、マイクロホン３の複素スペクトルをＦＦＴ部５から受け取る。また、振動抑圧処理部１１は、特性補正後の加速度センサ４の複素スペクトルを特性補正部１０から受け取る。さらに、振動抑圧処理部１１は、マイクロホン３の複素スペクトルと、特性補正後の加速度センサ４の複素スペクトルを用いて振動成分を抑圧する。すなわち、振動抑圧処理部１１は、マイクロホン３により検出された音声成分及び振動成分からなる信号から、加速度センサ４により検出された振動成分からなる信号を減算することにより、振動成分が抑圧された出力音を生成する。

続いて、図５に示すフローチャートを用いて、本発明の実施の形態にかかる特性補正フィルタの生成・調整処理について説明する。特性補正フィルタの生成・調整は、組付け後の調整時、電源投入時、再調整時等の補正の必要な任意のタイミングで行われる。

まず、特性計算部７は、動作制御部８へ動作開始を指示する（Ｓ１０１）。次に、動作制御部８が補正用動作をアクチュエータ９へ指示する（Ｓ１０２）ことにより、アクチュエータ９が動作して、音声認識装置を備えたロボット１００の筐体を加振する（Ｓ１０３）。

音声認識装置を備えたロボット１００の筐体が加振されている際の、加速度センサ４の振動波形を検出し（Ｓ１０４）、高速フーリエ変換を行う（Ｓ１０５）。また、音声認識装置を備えたロボット１００の筐体が加振されている際の、マイクロホン３の振動波形を検出し（Ｓ１０６）、高速フーリエ変換を行う（Ｓ１０７）。

特性計算部７は、加速度センサ４の複素スペクトル及びマイクロホン３の複素スペクトルから、加速度センサ４からマイクロホン３への振動に関する伝達特性を求めて、特性補正フィルタを生成する（Ｓ１０８）。

特性計算部７は、特性補正フィルタができたか否かを判定する（Ｓ１０９）。Ｓ１０９により、特性補正フィルタができていないと判定された場合、特性計算部７は、アクチュエータ９の補正用動作のパターンや強度を変更し（Ｓ１１０）、Ｓ１０２へ戻る。他方、Ｓ１０９により、特性補正フィルタができたと判定された場合、特性計算部７は、特性補正部１０へ特性補正フィルタを出力する（Ｓ１１１）。

以上、説明したように、本発明の実施の形態にかかる音声認識装置を備えたロボットでは、加速度センサの特性補正を行う際に、外部からの加振は行わず、ロボット自らに搭載されたアクチュエータを用いて自らの筐体を加振する構成としている。また、このアクチュエータによる振動を用いて、マイクロホンの信号から、振動に関する成分を抑圧処理するために必要な加速度センサの特性補正フィルタを求める構成としている。これにより、ロボット自らの装置のみで加速度センサの特性補正が行うことができる。すなわち、正しく振動成分を除去する補正フィルタを生成することができる音声認識装置を備えたロボットを提供することができる。

なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。

３マイクロホン
４加速度センサ
５ＦＦＴ部
６ＦＦＴ部
７特性計算部
８動作制御部
９アクチュエータ
１０特性補正部
１１振動抑圧処理部
１００音声認識装置を備えたロボット

Claims

音声を検出するマイクロホンと、
振動を検出する接触型の加速度センサと、
前記マイクロホンからの出力信号を周波数領域に変換する第１の高速フーリエ変換部と、
前記加速度センサからの出力信号を周波数領域に変換する第２の高速フーリエ変換部と、
前記第２の高速フーリエ変換部の出力信号について、特性補正フィルタを用いて補正する特性補正部と、
前記第１の高速フーリエ変換部の出力信号から、前記特性補正部の出力信号を減算することにより振動成分を抑圧する振動抑圧処理部と、
アクチュエータと、
前記アクチュエータの動作を制御する動作制御部と、
前記アクチュエータが振動している際の、前記第１の高速フーリエ変換部の出力信号及び前記第２の高速フーリエ変換部の出力信号を用いて、前記加速度センサから前記マイクロホン間の振動に関する伝達関数を求め、前記特性補正フィルタを生成する特性計算部と、
を有する音声認識装置を備えたロボット。