仿人机器人语音交互系统设计与实现

摘要

仿人机器人作为一种服务机器人，被广泛应用于迎宾、导览等生活场景,越来越多的仿人机器人出现在商场、机场、银行、餐厅、展览馆等场所。仿人机器人具有与人类相似的外表，并能通过语言与人类交互。论文设计并实现了一种仿人机器人的语音交互系统。　　论文首先分析语音交互系统的需求，确定仿人机器人语音交互系统需要实现的功能和满足的要求。然后根据功能将硬件平台分为几个子系统，主要包括语音硬件，上位机硬件和仿人头部模型，分析各个子系统的需求并完成硬件选型，搭建出仿人机器人的硬件平台。　　论文重点研究了语音交互系统的软件设计，运用模块化设计思想，将软件系统分为几个子系统，包括语音软件，云服务软件和上位机软件，其中云服务软件又包括AIUI云服务和自定义云服务。语音软件是Android系统应用程序，开发了APP AiuiHandle处理AIUI的各种事件，实现语音的合成播报，语音板与上位机的串口消息处理以及与AIUI云服务的通信功能。开发了AIUI云服务的语音技能，配合上位机的消息解析模块实现机器人的动作控制。通过搭建云服务器开发Web应用程序调用Turing API，提高了自然语言处理的能力，使机器人可以应对日常大部分的对话场景，第三方服务的信息查询功能进一步丰富了机器人的使用场景。开发了上位机软件，实现主函数业务逻辑以及对舵机，语音板的控制和机器人面部动作的处理。　　论文还研究了仿人机器人讲话时嘴部动作与发音的匹配规则，通过将人类不同音节发音对应的嘴部动作进行分类归纳，得到了嘴巴张开度与发音音节的关系，在机器人讲话时设置合适的嘴巴张开度和动作速度，实现仿人机器人讲话时的口形与发音的基本匹配。　　最后，对论文设计的语音交互系统进行功能性和非功能性测试。结果表明，仿人机器人能够实现预期功能。

目录

1 绪论

1.1研究背景

1.2研究意义

1.3国内外研究现状

1.4研究内容

1.5章节安排

2 需求分析

2.1.1功能性需求分析

2.1.2非功能性需求分析

2.2硬件平台需求分析与选型

2.2.1语音硬件

2.2.2上位机硬件

2.2.3仿人头部模型

2.2.4硬件平台整体结构

2.3语音交互系统软件需求分析

2.3.1语音软件需求分析

2.3.2云服务软件需求分析

2.3.3上位机软件需求分析

2.4本章小结

3 软件系统设计与实现

3.1软件系统整体架构

3.2语音软件设计与实现

3.2.1 AiuiHandle处理流程

3.2.2唤醒事件处理流程

3.2.3休眠事件处理流程

3.2.4结果事件处理流程

3.2.5错误事件处理流程

3.3 AIUI云服务开发

3.3.1动作识别技能开发

3.3.2动作指令交互流程

3.4自定义云服务设计与实现

3.4.1 AIUI消息校验流程

3.4.2自然语言处理流程

3.4.3文本情感识别流程

3.5上位机软件设计与实现

3.5.1通用模块设计与实现

3.5.2舵机控制模块设计与实现

3.5.3串口通信模块设计与实现

3.5.4业务逻辑设计与实现

3.6嘴部动作匹配设计与实现

3.6.1嘴巴张开度研究与分析

3.6.2嘴部动作匹配流程

3.7本章小结

4 系统测试

4.1.1对话

4.1.2动作

4.2非功能性测试

4.3本章小结

5 总结与展望

5.1总结

5.2展望

参考文献

附录

A. 作者在攻读硕士学位期间申请的专利

B. 学位论文数据集

致谢