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摘 要： 摘要：為讓機械制造及其自動化專業(yè)的學生了解和掌握機械、控制和通信等多種技術的交叉應用，在大量的研究及試驗的基礎上，設計了可交互式面部表情機器人綜合實驗。該實驗以現(xiàn)實中的問題為主題，以動手設計和制作為主、老師啟發(fā)引導為輔的形式展開，強調工程
摘要：為讓機械制造及其自動化專業(yè)的學生了解和掌握機械、控制和通信等多種技術的交叉應用，在大量的研究及試驗的基礎上，設計了可交互式面部表情機器人綜合實驗。該實驗以現(xiàn)實中的問題為主題，以動手設計和制作為主、老師啟發(fā)引導為輔的形式展開，強調工程與設計的融合、主動性和實踐能力培養(yǎng)以及在技術學習上采用線上線下混合的學習方式。該課程融合多學科知識，通過動手實驗、啟發(fā)式學習、失敗分析等方法讓學生學習如何融合與應用多學科知識，并用于解決實際工程問題，逐步鍛煉學生的綜合能力和解決問題的能力。
關 鍵 詞：表情機器人;STM32;舵機控制;安卓APP
機器人技術一直都是科技界的重點關注對象，從簡單復現(xiàn)人類的基本示教動作，應用傳感器和數(shù)字技術建立起的感覺能力，到感知、計算、控制等技術的升級，圖像識別、語音處理、深度學習、人工智能，甚至納米科技和材料技術等[1]新型數(shù)字技術的深入應用，機器人逐漸滲透到生產(chǎn)生活中[2]，對機器人功能的要求也越來越高。為了更好地實現(xiàn)人機交流，機器人的面部表情實現(xiàn)及控制也越來越重要[3]。
學生完成機械原理、機械設計、C語言及單片機原理及應用等理論課程和相關實驗的學習之后，具備了一定的理論知識，初步掌握了三維建模軟件、編程軟件的使用方法，以及基本的電路知識。
機器人技術是多學科交叉的科學工程，涉及機械、電子、計算機、通信和傳感器等。面部表情機器人綜合實驗中包含了機械結構、單片機控制系統(tǒng)、無線通信、手機APP等技術的應用，將理論知識和實際應用相結合，有助于幫助學生綜合應用所學到的知識，更好地理解各種技術在實際中的應用;在提高學生的動手能力及創(chuàng)新能力的同時，助力學生工程素養(yǎng)的建立，培養(yǎng)學生分析并解決復雜工程問題的能力。
1總體實驗設計
實驗以現(xiàn)實問題為主題，以動手設計和制作為主、老師啟發(fā)引導為輔的形式展開，強調工程與設計的融合、主動性和實踐能力培養(yǎng)以及在技術學習上采用線上線下混合的學習方式。該課程融合機械、控制和通信等多學科知識，再通過動手實驗、啟發(fā)式學習、失敗分析等方法讓學生學習如何融合與應用多學科知識，并用于解決實際工程問題，逐步鍛煉學生的綜合能力和解決問題的能力。
實驗前老師給定題目、內容及指標要求，實驗時學生根據(jù)題目和指標制定實驗方案并制作實物，實物制作過程中不斷優(yōu)化方案。實驗中涉及的理論知識采用視頻和帶錄音PPT等方式線上教學，方便學生隨時回顧知識點;線下學生完成方案制定和實物制作，方便學生間及學生與老師隨時溝通交流，學生的溝通交流能力和團隊合作能力得以鍛煉。
實驗課程從基本設備使用和獨立創(chuàng)新兩個方面入手，并將部分功能模塊化，引導學生將理論知識應用到實踐中。學生在掌握了3D打印機、雕刻機等設備的使用后，自行設計面部表情機器人的外觀和關鍵結構，獨立動手完成外觀和關鍵結構的加工和安裝;對于控制系統(tǒng)方面，設計了幾個可選的功能模塊，學生獨立完成編程及調試。
2面部表情機器人總體設計思路
面部表情機器人分為三維模型設計和控制系統(tǒng)兩個部分，如圖1所示。三維模型由學生自行設計，要求有6個以上的自由度，使用3D打印和雕刻機完成三維模型實物制作。控制系統(tǒng)以STM32作為控制器，設計預留了多種傳感器接口。舵機控制模塊用于控制舵機以控制面部表情機器人做出不同的表情。該實驗可通過多種方式實現(xiàn)人機交互，例如語音、藍牙手機APP、串口以及按鍵等方式發(fā)布指令，面部機器人自主完成接收到的指令。
語音控制模塊用于實現(xiàn)語音識別與語音對話功能。無線控制模塊采用安卓APP，通過藍牙與STM32無線連接，實現(xiàn)面部表情機器人的無線控制。智能感知模塊用于根據(jù)需要添加各種傳感器，如紅外傳感器、超聲波傳感器、溫濕度傳感器等。
3三維模型設計及加工
在設計面部表情機器人的三維模型時，應當給定一些基本準則。外形以仿生為主，要求有6個以上的自由度。
3.1面部表情機器人三維模型設計原則
3.1.1外形設計準則
面部表情機器人在外形上大小應與人的頭部相近，結構簡單靈活、方便控制且重量要輕，并要留出足夠的空間放置機械零件及電機，實現(xiàn)多自由度的協(xié)調運轉[4]。
3.1.2動作設計要求要求
面部表情機器人有6個以上的自由度，實現(xiàn)的運動結構包括眉毛、眼球、眼皮、嘴巴、脖頸等[5]，各結構的運動可自由組合以實現(xiàn)各種動態(tài)表情，如興奮、悲傷、憤怒、厭惡等。
3.2三維模型設計范例
3.2.1三維模型建模人類面部表情機器人的三維模型如圖2所示。
本文模型設計時包
含了13個自由度，通過舵機來控制各個機械結構，可以實現(xiàn)眉毛、眼球、眼皮、嘴巴以及整個頭部的轉動。面部表情機器人動作單元、運動方向和自由度分配如表1所示，機器人的脖子、眉毛和下頜等部分直接連接舵機，通過控制舵機轉動來實現(xiàn);眼球部分，采用了四桿機構的原理，通過連桿實現(xiàn)眼球轉動以及眼皮的開合，同時利用一對齒輪嚙合實現(xiàn)機器人的抬頭動作。
3.2.2模型加工及裝配
面部表情機器人的機械結構主要由亞克力板雕刻而成，眼球部分為3D打印。為了使整個結構更加穩(wěn)固，在組裝過程中使用熱熔膠進行固定，裝配完成后如圖3所示。
4面部表情機器人控制系統(tǒng)
選用了STM32F103系列微處理器作為系統(tǒng)的控制器，按系統(tǒng)擴展需要添加了外設接口電路，包括藍牙模塊的串口接口，24路舵機接口，語音識別模塊和MP3播放模塊接口，5V、3.3V外接電源接口等。
4.1電源電路
由于同時控制多個舵機轉動，需要較大的電流，為了不干擾控制電路的正常工作，同時保證安全，設計了雙路電源輸入，如圖4所示，將舵機電源電路與控制芯片電源電路隔離開，更加安全、穩(wěn)定。
一路電源為控制部分供電，使用電壓為12V的直流電輸入，串聯(lián)了一個肖特基二極管防止電流倒灌;然后串聯(lián)AMS1117-5.0正向低壓降穩(wěn)壓器將電壓降為5V;再串聯(lián)AMS1117-3.3正向低壓降穩(wěn)壓器將電壓降為3.3V，為單片機供電。通過這樣的設計，可以同時獲得5V和3.3V的輸出，以方便給其他模塊提供電源，并且電壓更為穩(wěn)定。
另一路電源為舵機供電，選用的舵機型號為SG90，所需電壓為5V，利用LM2596降壓模塊將12V輸入電壓降為5V電壓，用于驅動舵機旋轉。
4.2各模塊接口電
路為了方便擴展功能，采用了模塊化思想來設計這部分電路。
4.2.1語音控制模塊
語音控制模塊包括語音識別模塊和語音播放模塊。
語音識別模塊采用的是LD3320語音識別模塊。該模塊和單片機控制系統(tǒng)可通過串口連接[6]，實現(xiàn)語音識別、聲音控制和人機對話等多種功能;還可以手動編輯可識別的關鍵詞列表，達到對特定詞匯/語句的識別，以提高識別準確率[7]。語音識別模塊與STM32通過串口3連接：RXD3和TXD3。
語音識別采用了訊飛的語音識別接口，得益于服務器的強大處理能力，可將連續(xù)的音頻流內容實時識別返回對應的文字流內容，識別率比純硬件的識別率高。在對獲取到的JSON信息進行解析之后，編寫對應的處理程序，并在APP中預先設定表情機器人的指令和對話，程序流程圖如圖5所示。
語音播放模塊的TX引腳連接串口2的發(fā)送引腳TXD2，使用串口通信協(xié)議，通過串口發(fā)送指令控制播放預設的音頻。
4.2.2無線控制模塊
無線控制模塊包括手機APP和藍牙通信兩個部分。
本系統(tǒng)選用Androidstudio軟件開發(fā)基于AndroidOS智能手機的移動應用程序(APP)[8]，Androidstudio提供了方便的圖形化界面編程，通過簡易的設置即可完成APP的界面開發(fā)。根據(jù)控制系統(tǒng)的設計要求，設計了表情控制、舵機控制和藍牙連接3個界面，如圖6所示。
相關期刊推薦：《實驗科學與技術》(雙月刊)創(chuàng)刊于2003年，是電子科技大學和四川省高教學會主辦、西南六省、市、自治區(qū)高校實驗室工作研究會協(xié)辦的學術性、技術性科技期刊，探索實驗教學改革、提高實驗室管理水平及綜合效益的新思路、新途徑、新舉措，交流有關研究成果與改革經(jīng)驗;為高等學校、科研單位、科技企業(yè)從事科學實驗與技術研究的教師、研究人員、研究生、工程與實驗技術人員提供學術交流的場所;研究各級各類實驗室建設管理、對外開放、隊伍建設、提高投資效益的共性問題;交流儀器設備設計研制、功能開發(fā)、維護管理及技術物資供應管理的研究成果與經(jīng)驗。
無線傳輸選擇的是HC-05主從一體藍牙串口模塊，該模塊與STM32通過串口連接[9]，由于藍牙模塊和語音識別模塊使用時互不影響，因此使用了相同的串口接口−RXD3和TXD3。
手機APP與連接STM32通過藍牙傳輸信號，如圖7所示的藍牙連接程序流程圖，在連接藍牙前，首先要獲取藍牙權限，然后打開藍牙，開啟新的線程用于藍牙搜索，此時會搜索到附近一定范圍內的藍牙設備，如果此設備已經(jīng)和移動端完成匹配，則直接點擊建立連接，如果是新的設備，則需要發(fā)起配對請求，在輸入正確的PIN碼后建立連接。
4.2.3舵機控制模塊
由于SG90是模擬舵機，需要不斷地發(fā)送PWM信號，才能旋轉到指定位置。PWM信號由信號線進入舵機信號調制芯片，獲得直流偏置電壓[10]。舵機內部的基準電路會產(chǎn)生周期為20ms、脈寬為1.5ms的標準脈寬信號，將直流偏置電壓與舵機內部的標準電壓做差，得到的電壓差[11]控制電機的轉動方向。
當電機轉速是一個定值時，通過級聯(lián)減速齒輪帶動電位器旋轉，使得電壓差為0，電機停止轉動。本設計采用的舵機旋轉角度為180°，對應的控制關系如表2所示。
為了能夠同時驅動更多的舵機，本設計選擇用定時器控制I/O口的方式來產(chǎn)生PWM波，如圖8所示。這種方式可以實現(xiàn)一個定時器同時控制8路舵機，3個定時器就可以同時控制多達24路的舵機。
4.2.4智能感知模塊
在完成面部機器人基本表情仿真的基礎上，還可以添加感知模塊，如光電開關、紅外傳感器和陀螺儀等，進一步完善機器人的功能。
5表情仿真機器人功能實現(xiàn)表情
機器人連接上位機后，發(fā)送指令將預定的表情指令放入儲存芯片，就可以通過語音識別或者APP控制的方式控制機器人做出各種表情，如圖9所示，展示了8種不同的表情。各個表情均由13個舵機共同實現(xiàn)，不同表情對應的舵機旋轉角度不同。如高興時：眉毛不動，兩個眼瞼轉動15°，左右眼分別向上看3°，下巴張開3°，上嘴角上揚45°，脖子上抬3°。
6實驗模式
本實驗采用了開放性實驗模式，實驗室提供舵機、STM32F103舵機控制版和多種傳感器等元器件，以及微型機床、3D打印機、雕刻機等加工設備。
實驗課前將實驗題目、內容和指標要求下發(fā)學生，學生進行資料調研，在符合實驗要求的前提下，學生可自主設計實驗方案，完成方案報告;上課時與教師討論，確認方案的可行性，經(jīng)審核后，進行后續(xù)實驗。
實驗過程中開放實驗室，學生可以在需要的時間預約使用加工設備，方便學生制作、加工及裝配機械結構，這樣學生可以利用課余時間自主合理規(guī)劃實驗進度和學習任務，最終按進度完成實驗內容。
實驗過程中教師負責管控實驗進度;實驗結果驗收時，要求學生完成設計報告，并用PPT演講和現(xiàn)場展示兩種方式匯報實驗結果，教師根據(jù)方案難度、工作量、完成度、創(chuàng)新性和表達能力打分。
一輪課程完成后，發(fā)現(xiàn)學生間具有差異性，部分學生課前已經(jīng)學習并掌握單片機的應用以及3D打印機和雕刻機的使用方法，能很快完成基礎要求，因此為符合學生的個性化發(fā)展，實驗內容分為基礎指標和拓展內容。
1)基礎指標
學生自行設計機器人的三維模型，要求有6個以上的自由度，使用3D打印和雕刻機完成三維模型實物制作，利用STM32F1控制器實現(xiàn)機器人的表情控制。
2)拓展實驗內容
①智能感知模塊學生可自由選擇傳感器完成相關功能;
②機器人視覺，在機器人眼睛處增加攝像頭模塊，實現(xiàn)圖像獲取、分析、識別、檢測等技術的綜合應用[12];
③運動底盤，本機器人設計時所用的都是舵機，為豐富實驗內容，可以增加運動底盤，使用直流電機，并進行閉環(huán)控制;
④對部分機械結構進行力學仿真分析，如眉毛、嘴巴等，以設計出仿真效果更好的機構[13]。
7結束語
1)面部表情機器人實驗融合了機械、控制和通信等多個領域的知識點，綜合性強，不僅能有效地幫助學生鞏固課程基礎知識，同時可以引導和激發(fā)學生對智能制造和工業(yè)人工智能的興趣
2)面部表情機器人實驗內容由淺入深，可靈活選擇。學生2~3人一組完成實驗，面部表情機器人整體功能既可由一組學生完成，也可兩組學生共同完成。
3)實驗具有開放性和創(chuàng)新性。實驗方案有學生自主設計，并提供拓展實驗內容，學生可選擇喜歡的內容進行深入研究。實驗驗收時要求采用多種方式展示實驗結果，鍛煉了學生文獻查閱能力、創(chuàng)新能力、團隊合作能力，以及分析和解決復雜工程問題的能力。——論文作者：肖茜，邢曉松，王成棟
