一种基于人脸识别跟踪技术的智能兴趣教育机器人论文和设计

全文摘要

本实用新型公开一种基于人脸识别跟踪技术的智能兴趣教育机器人，属于机器人技术领域，其包括均安装在机器人身上的主控模块、电源模块、倾倒感应模块、语音识别交互模块、人脸识别模块以及电机驱动模块；其中，主控模块与其他模块分别连接，倾倒感应模块水平设置在机器人座体上，语音识别交互模块包括REC‑V2芯片和与REC‑V2芯片连接的语音采集装置和语音播放装置，REC‑V2芯片与主控模块连接，人脸识别模块包括嵌入式处理模块和摄像头接口模块，电机驱动模块为PWM调速型驱动模块，其与机器人座体上的驱动电机连接。本实用新型所设计的机器人可以实现语音互动、无线控制、表情识别、人脸识别的多功能一体化，且能够与用户实现良好的情景交流，增加信任感。

主设计要求

1.一种基于人脸识别跟踪技术的智能兴趣教育机器人，其特征在于：包括均安装在机器人身上的主控模块、电源模块、倾倒感应模块、语音识别交互模块、人脸识别模块以及电机驱动模块；其中，所述主控模块分别连接电源模块、倾倒感应模块、语音识别交互模块、人脸识别模块以及电机驱动模块；所述倾倒感应模块水平设置在机器人座体上，其为三维角度传感器；所述语音识别交互模块包括REC-V2芯片、语音采集装置和语音播放装置，所述REC-V2芯片与主控模块连接，所述语音采集装置和语音播放装置均与REC-V2芯片连接；所述人脸识别模块包括嵌入式处理模块和摄像头接口模块，所述嵌入式处理模块分别连接主控模块、电源模块和摄像头接口模块，所述摄像头接口模块还连接摄像头，且亦连接所述电源模块；所述电机驱动模块为PWM调速型驱动模块，其与所述机器人座体上的驱动电机连接，所述驱动电机连接机器人座体上的轮子以驱动机器人移动。

设计方案

2.如权利要求1所述的智能兴趣教育机器人，其特征在于：所述主控模块为STM32芯片。

3.如权利要求1所述的智能兴趣教育机器人，其特征在于：所述电源模块包括锂离子电池、调压电路以及稳压电路；所述锂离子电池的输出端连接调压电路的输入端，所述调压电路的输出端连接稳压电路的输入端，所述稳压电路的输出端连接主控模块、嵌入式处理模块和摄像头接口模块。

4.如权利要求1所述的智能兴趣教育机器人，其特征在于：所述驱动电机为直流减速电机。

5.如权利要求1所述的智能兴趣教育机器人，其特征在于：所述嵌入式处理模块包括存储模块、第一分割模块、检测模块、第二分割模块、识别模块，所述存储模块连接摄像头接口模块和第一分割模块，所述第一分割模块再依次连接检测模块、第二分割模块和识别模块，所述识别模块再连接主控模块和存储模块。

6.如权利要求1所述的智能兴趣教育机器人，其特征在于：还包括安装在所述机器人身上的WiFi模块，所述主控模块通过WiFi模块连接移动客户端。

7.如权利要求1所述的智能兴趣教育机器人，其特征在于：所述机器人的手臂上安装有手臂舵机，所述手臂舵机包括第一舵机、第二舵机和第三舵机，三者均与所述主控模块连接，且均为采用串行总线的伺服舵机。

设计说明书

技术领域

本实用新型涉及机器人领域，特别涉及一种基于人脸识别跟踪技术的智能兴趣教育机器人。

背景技术

众所周知，在当前教育前景发展下，智能机器人教育正逐步走向人们的生活，但目前大部分的教育机器人仅能完成基本的语音互动。如中国专利(申请公开号为CN108237545A)公布了一种教育机器人，其特征在：包括：用于带动所述教育机器人运动的运动底盘、与所述运动底盘可拆卸连接的壳体和设置于所述壳体内的主控板，所述主控板上设置有主控模块、与所述主控模块连接的通信模块以及多个与所述主控模块连接的用于连接外围传感器的外设接口，所述主控板上还设置有语音识别模块和视觉传感器，所述语音识别模块和视觉传感器均与所述主控模块连接。该专利通过上述设置可实现语音互动，但是此申请仍然没有实现机器人能够根据用户不同心情与用户进行语音互动的问题，而实际上，教育机器人往往需要在与用户实现良好的情景交流，彼此构建信任感后，对教学过程才会有更好的促进作用。因此，很有必要提出一种基于人脸识别跟踪技术的智能兴趣教育机器人来解决上述问题。

实用新型内容

为达到上述目的，本实用新型所采用的技术方案是：

一种基于人脸识别跟踪技术的智能兴趣教育机器人，包括均安装在机器人身上的主控模块、电源模块、倾倒感应模块、语音识别交互模块、人脸识别模块以及电机驱动模块；其中，所述主控模块分别连接电源模块、倾倒感应模块、语音识别交互模块、人脸识别模块以及电机驱动模块；所述倾倒感应模块水平设置在机器人座体上，其为三维角度传感器；所述语音识别交互模块包括REC-V2芯片、语音采集装置和语音播放装置，所述REC-V2芯片与主控模块连接，所述语音采集装置和语音播放装置均与REC-V2芯片连接；所述人脸识别模块包括嵌入式处理模块和摄像头接口模块，所述嵌入式处理模块分别连接主控模块、电源模块和摄像头接口模块，所述摄像头接口模块还连接摄像头，且亦连接所述电源模块；所述电机驱动模块为PWM调速型驱动模块，其与所述机器人座体上的驱动电机连接，所述驱动电机连接机器人座体上的轮子以驱动机器人移动。

进一步地，所述主控模块为STM32芯片。

进一步地，所述电源模块包括锂离子电池、调压电路以及稳压电路；所述锂离子电池的输出端连接调压电路的输入端，所述调压电路的输出端连接稳压电路的输入端，所述稳压电路的输出端连接主控模块、嵌入式处理模块和摄像头接口模块。

进一步地，所述驱动电机为直流减速电机。

进一步地，所述嵌入式处理模块包括存储模块、第一分割模块、检测模块、第二分割模块、识别模块，所述存储模块连接摄像头接口模块和第一分割模块，所述第一分割模块再依次连接检测模块、第二分割模块和识别模块，所述识别模块再连接主控模块和存储模块。

进一步地，所述的智能兴趣教育机器人还包括安装在所述机器人身上的WiFi模块，所述主控模块通过WiFi模块连接移动客户端。

进一步地，所述机器人的手臂上安装有手臂舵机，所述手臂舵机包括第一舵机、第二舵机和第三舵机，三者均与所述主控模块连接，且均为采用串行总线的伺服舵机。

本实用新型具有以下有益效果：

本实用新型通过设置倾倒感应模块来感应机器人是否处于倾倒状态，从而使得用户及时获知机器人的状态；通过设置人脸识别模块，可使得所设计的机器人能够识别人脸，加之语音识别交互模块，使得所述机器人能够准确识别并说出不同用户的名字，从而使得用户的信任感更好，再者，该人脸识别模块还能够识别人脸的面部表情，从而使得所述机器人能够较为准确的分析出用户当前的心情，进而使机器人作出相应的情景反应，与用户形成良好的人机交流；通过设置WiFi模块，使得所述机器人能够与移动客户端(如手机)连接，从而方便用户通过移动客户端对机器人的肢体动作进行操控，进而使机器人不仅可以成为孩子的学习伙伴，还能成为兴趣伙伴；综上可知，本实用新型所设计的机器人可以实现语音互动、无线控制、表情识别、人脸识别的多功能一体化，且能够与用户实现良好的情景交流，增加信任感，弥补了现在市场上的教育机器人功能单一、刻板教学的不足，其对教学过程具有更好的促进作用。

附图说明

图1是本实用新型的系统结构框图。

图2是图1中嵌入式处理模块的结构框图。

图3是图1中嵌入式处理模块表情识别功能实现的结构框图。

如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本实用新型。

具体实施方式

请参阅图1，在本实用新型的一种较佳实施方式中，一种基于人脸识别跟踪技术的智能兴趣教育机器人，包括均安装在机器人身上的主控模块、电源模块、倾倒感应模块、语音识别交互模块、人脸识别模块以及电机驱动模块。

其中，所述主控模块分别连接电源模块、倾倒感应模块、语音识别交互模块、人脸识别模块以及电机驱动模块，以集中收集各模块的信息并对相应模块进行控制，在本实施方式中，所述主控模块为STM32芯片，STM32芯片具有高性能、低成本、低功耗的优点，能够满足教育机器人控制系统设计的要求。

所述倾倒感应模块水平设置在机器人座体上，其为三维角度传感器，三维角度传感器具有低功耗、体积小、抗干扰、精度高等优点，能够准确地感应出所述机器人主体是否处于倾倒状态。

所述语音识别交互模块包括REC-V2芯片、语音采集装置和语音播放装置，所述REC-V2芯片与主控模块连接，所述语音采集装置和语音播放装置均与REC-V2芯片连接，以通过采用REC-V2芯片构建语音识别交互模块，其中，REC-V2芯片具有高性能、低功耗、稳定、安全、设计资源丰富等优点，便于用户与本实用新型进行友好交互。

所述人脸识别模块包括嵌入式处理模块和摄像头接口模块，所述嵌入式处理模块分别连接主控模块、电源模块和摄像头接口模块，所述摄像头接口模块还连接摄像头，且亦连接所述电源模块，所述摄像头获取人脸图像，其通过所述摄像头接口模块将所获取的人脸图像传递给嵌入式处理模块，所述嵌入式处理模块再对人脸图像进行识别处理，从而识别出用户及其表情，并通过识别结果获知用户的名字及心情，且将识别结果传递给主控模块，主控模块再驱动语音识别交互模块运行，以说出用户名字及根据用户的心情与用户进行沟通。在本实用新型中，所述摄像头为一个或者多个。

进一步地，请参阅图2，所述嵌入式处理模块包括存储模块、第一分割模块、检测模块、第二分割模块、识别模块，所述存储模块连接摄像头接口模块和第一分割模块，所述第一分割模块再依次连接检测模块、第二分割模块和识别模块，所述识别模块再连接主控模块和存储模块。

所述嵌入式处理模块识别人脸的步骤如下：

步骤一：创建人脸识别对比数据库，并存储在存储模块中；

步骤二：存储模块通过摄像头接口模块获取由摄像头传递的视频流，并判断是否存在运动区域，若存在运动区域则依据对比帧差法计算出运动区域，然后截取运动区域组成一维图像标签数组A；若没有运动区域，直接获取静态视频组成一维图像标签数组A；

步骤三：第一分割模块依据步骤二获取的图像对图像进行平均分割成子图像；

步骤四：检测模块通过非极大值抑制(NMS)定位特征点判断子图像中是否存在人脸区域，对存在人脸区域的子图像重新进行编码组成新的一维标图像签数组A*，舍弃不存在人脸区域的子图像；

步骤五：第二分割模块对一维标图像签数组A*中的每个图像均进行平均分割组成二维图像标签数组B；

步骤六：识别模块对二维图像标签数组B中的每张图像设置节点与人脸识别数据库中的样本图像的节点进行比对识别，若识别相应的人脸后，输出被识别者的身份给主控模块，进入步骤八；若无法识别到相应的人脸，则进入步骤七；

步骤七：更新人脸识别数据对比库，增加该人的人脸识别样本图像至存储模块中；

步骤八：依据关联矩阵确定人脸的特征点，根据这些特征点进行追踪。

请参阅图3，所述嵌入式处理模块融合深度信念网络(DBNs)和多层感知器(MLP)技术对人脸进行表情识别，包括四个步骤：人脸表情图像的预处理、深度信念网络的训练、多层感知器的初始化以及人脸表情识别结果的输出。

其中，人脸表情图像的预处理，是指对表情图像进行采样，以便降低表情图像的特征维数，并将表情图像的每个像素值归一化到方差为1和均值为0；深度信念网络的训练，包括预训练和微调两个步骤；多层感知器的初始化，是指建立一个在隐层层数、隐层节点数、以及每一层隐层的网络权重值三个方面上，与训练好之后的深度信念网络完全一样的多层感知器模型；人脸表情识别结果的输出，是指采用初始化之后的多层感知器模型进行人脸表情图像样本的识别测试，输出人脸表情识别结果。

所述电机驱动模块为PWM调速型驱动模块，其与所述机器人座体上的驱动电机连接，所述驱动电机连接机器人座体上的轮子以驱动机器人移动，以通过上述的设置便于用户根据需要调节所述驱动电机的转速，从而调节所述机器人主体的移动速度。优选的，所述驱动电机为直流减速电机，以使得所述驱动电机具有较低的转速和较大的力矩，避免所述机器人移动过快，方便用户对所述机器人进行控制。

进一步地，所述电源模块包括锂离子电池、调压电路以及稳压电路；所述锂离子电池的输出端连接调压电路的输入端，所述调压电路的输出端连接稳压电路的输入端，所述稳压电路的输出端连接主控模块、嵌入式处理模块和摄像头接口模块。以通过上述设置使得所述电源模块能够为主控模块等用电模块提供持久且稳定的电能。

进一步地，所述的智能兴趣教育机器人还包括安装在所述机器人身上的WiFi模块，所述主控模块通过WiFi模块连接移动客户端，以使得所述机器人可与移动终端建立无线连接关系，便于用户通过移动终端控制所述机器人执行相应的指令动作。上述的移动客户端可为手机、电脑或者平板。

进一步地，在本实用新型的另一种实施方式中，所述机器人的手臂上安装有手臂舵机，所述手臂舵机包括第一舵机、第二舵机和第三舵机，三者均与所述主控模块连接，且均为采用串行总线的伺服舵机，以使得机械臂具有布线简单、控制精确、稳定性高以及方便设计等优点，从而使得机械臂灵活可控。所述手臂舵机配合倾倒感应模块使用，可使得机器人能够自动起身。

上述说明是针对本实用新型较佳可行实施例的详细说明，但实施例并非用以限定本实用新型的专利申请范围，凡本实用新型所提示的技术精神下所完成的同等变化或修饰变更，均应属于本实用新型所涵盖专利范围。

设计图

一种基于人脸识别跟踪技术的智能兴趣教育机器人论文和设计

一种基于人脸识别跟踪技术的智能兴趣教育机器人论文和设计

全文摘要

主设计要求

设计方案

设计说明书

设计图

相关信息详情

猜你喜欢