陈涛，洪梓榕

（兰州石化职业技术学院电子电气工程学院，甘肃兰州，730060）

0 引言

面对人工智能技术浪潮的再次爆发,如何将其融入学校教育成为社会各界和学者们关注的热点,基于此，本文从体验学习的角度出发，设计一款兼具辅助教学和智能迎宾功能的机器人，可应用于学校实训基地、展览馆等场所，提供一种实验教育教学智能化的方案。

1 智能教育迎宾机器人总体设计

智能教育迎宾机器人总体结构主要分为头部、中间身体、底盘三部分。机器人头部由7寸触摸屏、Openmv4摄像头、指示灯构成。机器人中间身体部分由机械手臂和中间躯干组成，中间躯干由控制系统和信息处理系统组成，控制系统设有Arduino主控制板、电机驱动板、电源监测模块、电池盒，信息处理系统设有无线接/发送模块、语音控制模块、音频输出模块。底盘由驱动机构和检测机构组成，检测机构包括内传感器和外传感器。结构图如图1所示。

图1 智能教育迎宾机器人总体结构图

2 智能教育迎宾机器人机械结构设计

2.1 机器人头部的设计

智能教育迎宾机器人头部由7寸触摸屏、Openmv4摄像头、指示灯构成。机器人头部设计有7寸触摸屏，操作简单容易上手，相当于人的面部，能表现人类各种“喜怒哀乐”，实现人机交互功能。机器人头部设有openmv4摄像头，能实现自主控制与远程控制。机器人自主控制系统通过头部的openmv4摄像头采集信息并转化发送至主控Arduino控制器中然后驱动相应的运动模块进行运动，从而达到了自主运动的能力；远程控制通过PC端发送相应指令去完成对机器人运动的控制同时将openmv4采集到的视频信息实时上传到PC端从而实现远程操作。机器人头部还设有“红、绿、黄”三色指示灯，亲切的表现了机器人的各种运行状态。

2.2 机器人中间躯体的设计

机器人中间躯体部分由机械手臂和中间躯干组成，机械手臂相当于人手臂一样，可完成各种工作；中间躯干由控制系统和信息处理系统组成，控制系统是机器人的指挥中心，相当于人脑或中枢神经，它能控制机器人各部位协调动作；信息处理系统，是人与机器人沟通的工具，可根据外界的环境变化、灵活变更机器人的动作。

2.3 机器人底盘的设计

底盘由驱动机构和检测机构组成，驱动机构相当于人的脚，机器人靠它来“走路”，感知机器人自身或外部环境变化信息的检测机构是它的感觉器官，相当于人的眼、耳、皮肤等。底盘结构图如图2所示。

图2 智能教育迎宾机器人底盘结构图

3 智能教育迎宾机器人控制系统的设计

3.1 语音模块的设计

智能教育迎宾机器人语音模块搭载科大讯飞最新的的人机交互解决方案，可进行非特定人群的自然语言交互（中文或英文），将记录声音并转化为数字信号，操纵机器人各种运动，利用强大的计算机处理功能和先进的语音识别技术，可与机器人交流“奥运知识” 、“航天知识”等科技问答题，机器人可以语音介绍工作环境内的的基本情况并播放相应的视频或图片，并可以自主的介绍各个工作场景内容。语音模块设计如图3所示。

图3 语音模块设计

3.2 驱动控制电机选择

智能教育迎宾机器人驱动机构用24V直流电机进行驱动，电机的控制信号为周期是20ms的脉宽调制（PWM）信号，其中脉冲宽度从0.5ms-2.5ms，呈线性变化。电机原理图如图4所示。

图4 电机原理图

3.3 检测机构的设计

智能教育迎宾机器人检测机构包括内传感器和外传感器，内传感器由设在底盘上部的雷达传感器组成，外传感器由设在底部的磁条传感器和设在机器人底盘四周的超声波传感器组成，内传感器和外传感器的有机结合，实现定位与导航的作用。作用的实现基于 Monte Carlo算法的机器人自主定位，并结合视觉信息和其他传感器信息对定位结果进行校正，实现定位精度在20cm以内；利用激光、声纳等多种传感器信息融合，实现对周围环境的地图构建。机器人可以根据地图信息，在指定起点和终点的轨迹上自主导航，到达各教室完成解说。机器人行走过程中实现自主避障，躲避行人、固定物体等障碍物，避障半径达到2m。机器人融合多种传感器信息，认知外界环境，并通过人工智能算法决定机器人的迎宾动作。检测机构设计如图5所示。

图5 检测机构设计

4 结束语

本文针对学校实验基地、展览馆等场所设计了一款室内辅助教学、自主迎宾教育机器人，通过控制系统、信息处理系统、语音模块和驱动机构的相互配合能实现智能教育迎宾机器人的辅助教学、自主导航、语音交互、娱乐互动、后台远程操控等基本功能，具有良好的交互性和操作性，为智能教育迎宾机器人设计与实现提供一种合理的方案。