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贵州健康职业学院 郭永强 于喜志 王 磊
电热器是利用
本文针对写字机器人进行学习研究，写字机器人的系统设计还不尽完善，本文将语音识别技术用用到写字机器人的设计中，设计并完成以STM32F103小型嵌入式控制器为核心的具有语音识别功能的写字机器人系统。该系统能够实现分辨判断键盘输入和语音输入确定书写内容，根据坐标转换算法对走笔轨迹进行规划，控制伺服驱动器x，y，z三自由度机械书写机构，以驱动笔的运动，然后根据正确的笔划顺序显示书写过程。结合语音输入和液晶显示，提供良好的人机交互。
引言：机器人研究一直是国内外的热门话题，写字机器人已成为机器人家族的重要分支。编写机器人的研究可以激发学生的学习兴趣，提高学生的综合能力。能够实现人机交互功能的机器人得到一个极大的发展机会。目前写字大多不具备人机交互功能，本文开发一个多功能语音写字机器人系统，该系统可通过语音识别及按键输入两种方式控制机器人书写数字、运算符号、英文字母及汉字等，并可进行简单的数学运算，同时可对书写内容进行朗读，并通过液晶屏幕图案显示。本文采用预先设定的字体及字符，通过设计坐标转换算法对走笔轨迹进行规划，利用三自由度书写机构来准确展示文字书写过程，系统的可移植性较强。该设计将机器人书写技术及语音技术、屏幕显示技术有机结合起来，并且增加简单提问人机对话功能，强化人机交互性能，使得机器人更加人性化，同时书写内容还可灵活扩展，配合朗读及图案显示，系统功能更为丰富。
蒸汽减压减温装置1 写字机器人系统硬件设计
1.1 系统硬件总体结构设计
该系统硬件运用多模块化设计，STM32作为控制核心，含有主控电路、人机交互模块（键盘和语音输入，并可进行语音播放）、书写模块及显示模块四部分。硬件总体结构方案如图1
所示。
图1 硬件总体结构方案 1.2 主控电路
STM32主控电路由电源电路、复位电路及时钟电路组成，并定义书写模块舵机驱动端口、键盘模块（矩阵键盘及光电开关阵列）及语音模块通信端口、液晶显示控制端口等（刘士川，邓甲昊，占银玉，等.基于STM32的小型机械手的设计与控制方法：探测与控制学报,2017,39(2):19-23），端口功能详见后文。1.3 书写模块硬件设计
写作模块是本文工作的核心部分，包括机械部分和电子控制部分设计。
机械部分设计：书写模块组成结构如图2所示，其由x ，y ，z 的三自由度机械结构组成，上面由四连杆机构构成书写机械臂，其前面两连杆铰接在一起，用于握持书写笔，后面两连杆分别和两舵机轴相连，控制走笔。下面一个单连杆由另一舵机控制，实现抬笔及
落笔控制。
图2 书写模块机械结构
电控部分设计：写入模块的机械部分由三个小转向器驱动，三个伺服器分别由控制器PA1（DJ-PW1）控制、PB0（DJ-PW2）、PA2（DJ-PW3）端口输出PWM 信号进行控制。舵机采用外部电源单独供
电，一方面可以使其与单片机系统分开，改善单片机系统供电质量，提高系统稳定性以及输出PWM 控制信号的质量，同时稳定舵机实际电压，增大电流，提高驱动能力，避免抖舵，保证控制精度。转向器的动力接地连接到单片机的电源地，此部分电源采用DC-DC 开关型电压转换芯片LM2596 S-5.0，将6V 电池电压转换为伺服所需的稳定5V 工作电压，输出用LC 滤波器，以保持输出电压稳定。开关SS1用以选择舵机的电源输入，电池电压下降时，可拨动开关使电池对舵机直接供电。舵机只有三条线，分别是地、电源、控制信号输入，三个舵机分别接到了控制器的PA11、PB0、PA2端口上，软件控制每个输出端口的PWM 高电平时间，可以控制伺服
的转向。由于采用的是stm32控制器，其输出最高电平为3.3V ，所
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以使用了ULN2803A驱动器与上拉电阻相结合，可提高控制信号的
电平和驱动能力。
1.4 人机交互模块硬件设计
矩阵键盘电路：采用标准的4×4矩阵薄膜开关构成矩阵键盘，8个端口分别连接至主控器的H0-H3及L0-L3端口。其中S0-S14用于输入数据内容控制，S15用于清除控制。
光电开关阵列：因需要利用同一个4×4矩阵键盘输入来定义不同的输入内容，设计采用4个槽型光电开关构成一字形阵列，并根据矩阵键盘大小及位置，将不同的输入内容用硬纸板制成不同的卡片，卡片一端打出不同分布的矩形透光孔，当不同的卡插入光电开关阵列时，光电开关阵列电路的开/关状态将改变，并产生“0”和“1”信号。即可产生一个4位的二进制编码，即可判断不同的输入。槽型光电开关阵列电路因本设计中选择槽型光耦做开关使用，因此将其接收端三极管用集电极作输出端。用5v电压串联限流电阻，用以发射。因为接收的是光敏信号，输出电压不稳定是模拟信号，因此信号输出需要整形滤波，在此用运放处理成TTL电平（即获得其电压比较强的作用，判断出0或1）接到主控制器四个端口发送二进制码。
语音模块：语音模块电路采用LD3320（洪家平.LD3320的嵌入式语音识别系统的应用：单片机与嵌入式系统应用,2012,12(2):47-49；钟晨帆.基于LD3320芯片的语音识别系统设计与开发：南京大学,2015），LD3320复位信号（RSTB）由单片机提供，复位后芯片将进入休眠状态，此后一个CSB
信号就可以重新激活芯片进入工作状态。芯片必须连接外部时钟，时钟输入引脚CLK可接受的频率范围是4—48MHz。LD3320与主控制器间采用串行通信方式。LD3320工作供电为3.3V。MBS所接的RC电路为麦克风偏置的辅助电路。适当控制管脚接了10k的上拉电阻，以保证芯片控制端口的信号稳定，辅助系统稳定工作。
2 系统软件设计
软件设计同样采用模块化设计，含有主程序、初始化子程序、键盘输入子程序、语音识别子程序、书写子程序、显示子程序及语音播放子程序。
2.1 软件主程序设计
软件主程序流程如图3所示，系统初始化后，先判断输入模式，根据键盘输入或语音输入确定内容，调用相应子程序，执行书写、显示及播放功能。
2.2 书写程序
书写程序流程：程序流程下。不书写时，系统默认设置关闭定时器。由键盘输入或语音输入触发开始写字时，首先要使能定时器。根据输入数据个数进行书写位置规划，规划起点位置坐标及书写轨迹，根据坐标转换算法获得舵机转角信息，通过调节PWM的高电平时间使舵机转到需要位置，控制走笔。
每书写完一个数据要对参考变量加一，用于确定写了多少数据，并对其值进行判断，当参考变量值与计数变量值不等时，表示数据还没有写完，则再读取数据继续写，当参考变量值与计数变量值相等时，则表示数据已经
全部书写完毕，则退出子程序。
图3 软件主程序流程图
坐标转换算法：坐标转换算法的设计将会影响书写是否准确美观。以左侧连杆中心轴与工作台平面的交点为原点，建立基坐标系，以此为参照，每一个关节建立相对运动坐标系。按D-H方法建立写字机器人的运动学方程（项有元，陈万米，邹国柱.基于D-H算法的自主机器人机械臂建模方法研究：工业控制计算机,2014,27(7):113-115；哈乐，王东辉.基于D-H参数方法的微创手术机器人运动仿真研究：医疗卫生装备,2014,35(11):19-21）。
若已知关节变量值，利用D-H建立的运动学方程推导可求得笔尖在基坐标系下的坐标如下式(1)
所示：
(1)
超导电机
其中，，D为前后连杆之间的距离，当二者共面时，取D=0。
对上式求运动学逆解，可求得舵机转角值，如下式(2)
：
(2)
其中，
因需要求运动学逆解获得舵机转角值，在此利用Matlab软件辅助求解，获得坐标转换表，以便在单片机程序中调用相关数据。2.3 键盘输入程序
键盘输入程序流程：首先根据光电开关接收端口值判断是否已插
卫星星历
（下转第130页）
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（3）应用层
智能应用层应包括三维监视系统、泄漏监视系统、壁温监测系统、炉膛温度场模拟系统、当量温度计算及超温报警系统、历史趋势分析系统、风险评估系统、寿命趋势分析系统和远程监控系统。
智能应用层的硬件应包括工程师站、操作员站、历史站、服务器、通讯设备等。
智能应用层的软件宜互相兼容并开放接口，具备相互通讯的能力。2.2 远程监督网络架构
（1）集团公司级
a)使用单位间互联互通的网络线路（裸光纤/DDN/VPN ）。b)购置可以在原有网络平台上搭建VPN 专网的设备。
c)使用运营商处租用互联网光纤专线，并带有固定公网ip 地址，速率在50M 及以上。
d)使用企业级的防火墙或者路由器作为外网出口设备，吞吐量在25Gbps-40Gbps 之间。
e)使用三层交换机作为局域网内部核心交换机，端口速率必须是1000Mbps 及以上。
f)大型网络为便于管理和维护方便，需要配置专门的网管软件。g)使用安全设备，如：防火墙、IPS(入侵检测)、行为管理器等。（2）发电厂级
塑木葡萄架
a)购置可以在原有网络平台上搭建VPN 专网的设备。b)租用普通宽带，并使用带有vpn 功能的路由器。c)使用企业级的防火墙或者路由器作为外网出口设备。d)使用二层交换机端口速率必须是100Mbps 及以上。2.3 智能管控系统部署方式及数据传输
智能管控系统利用网络分层控制和管理，集团公司可利用网络
进行远程技术支撑和数据分析，并给出科学决策。具体网络部署及数据传输如图6
所示。
图6 网络部署及数据传输架构图
3.结论
上彩
锅炉受热面管智能管控，从海量数据中发现锅炉受热面管异常并进行早期预警，准确预测受热面管故障，帮助故障分析，提高锅炉的性能和可靠性。通过该的技术应用，大大降低非停事故的经济损失，提高了锅炉运行的安全性和经济性。
作者简介：冯亦武(1983—)，男，湖北黄冈人，硕士，高级工程师，主要研究方向：热力控制、供热、金属材料。
（上接第127页）
入卡片，如果已插入，则查询光电开关阵列返回的二进制编码值，如果矩阵键盘中有键被按下，则判断键值，并结合卡片编码值根据既定
规则对输入内容进行编码，如果按下清除键，则发送清除指令。
图4 写字机器人实图
2.4 语音识别与播放程序
语音识别程序：语音识别程序流程：LD3320把麦克风收录的声音信号频谱分析后得到语音特征，与关键词语列表中的关键词语匹配对比，最后出得分最高的关键词语作为识别结果输出，并产
生中断信号，单片机响应中断后，读取BA 寄存器的值，得到几个候选答案，C5寄存器中存放得分最高值、此最可能正确的答案，识别后发送语音识别返回值。
语音播放程序：语音播放程序流程：当单片机判断有按键被按下后，则查询输入内容编码，并读取存放在SD 卡中的相应的MP3文件，然后通过SPI 方式将数据送入LD3320中的FIFO 寄存器，播放相应的语音（图4）。
4 结论
基于语音识别技术的写字机器人设计设计并实现了其功能如图4所示；该设计以STM32控制器为控制核心，集合了语音识别模块，键盘模块，写字机器人机构和液晶显示模块实现了语音写字机器人。该
系统成本低，可移植性强，为进一步扩展应用奠定了基础。
作者简介：郭永强（1990—），男，河南商丘人，硕士研究生，中级职称，主要研究方向为智能化测量和控制，应用算法。
