動物機器人系統的語音導航系統及方法技術方案

本發明專利技術公開了一種動物機器人的語音導航系統，包括麥克風、具有語音識別器和刺激指令開關的主控裝置及微刺激器。本發明專利技術還公開了一種動物機器人的語音導航方法，包括如下步驟：S01，麥克風接收并轉發語音指令；S02，語音指令識別模塊識別語音指令，并對識別結果進行決策：若識別結果為噪音，則不進行操作；若識別結果為刺激參數調節指令，則刺激指令開關根據刺激參數調節指令的內容修改當前刺激參數并保存；若識別結果為控制指令，則刺激指令開關根據控制指令生成刺激參數，進入步驟S03；S03，微刺激器根據刺激參數對動物機器人進行電脈沖刺激從而進行導航。本發明專利技術實現了通過語音靈活控制動物機器人運動的目的。

【技術實現步驟摘要】
動物機器人系統的語音導航系統及方法
本專利技術涉及動物機器人的控制方法，尤其涉及動物機器人系統的語音導航系統及方法。
技術介紹
“動物機器人”也稱為“生物機器人”，它是指行為或動作可控的動物。一般從動物的感覺傳入和神經支配入手，實現對動物的運動和某些行為的人工可控。在自然環境中，傳統的機械的機器人有很多不足的地方，比如穩定性和保持平衡的能力、對環境的應變能力以及需要消耗并不斷補充大量的電能。而動物機器人能夠很好的克服這些缺點，因此在最近十幾年得到了廣泛而深入的研究。1997年，Holzer和Shimoyama等共同研制了世界上第一個基于電刺激的以蟑螂為載體的動物機器人系統。2002年美國紐約州立大學醫學中心的Chapin教授等發現通過在大鼠腦部的體感皮層和內側前腦束植入電極，并給予適當的電刺激，可以控制實驗動物按照人所設想的路徑行走。2006年山東科技大學蘇學成教授團隊利用電刺激的方法，實現了大鼠機器人的原型，并隨后以家鴿為載體實現了對動物機器人鳥的飛行控制。2007年浙江大學求是高等研究院鄭筱祥教授等，利用電刺激的方式，進一步實現了控制大鼠穿越三維障礙物等復雜的動作；隨后他們還發現了一種通過在中腦導水管周圍灰質植入電極來控制動物機器人停止的方法。目前動物機器人的控制大都采用電刺激動物腦神經來實現的，例如對大鼠而言，在其腦部的快感區（控制其前行）、兩側的體覺感受皮層（控制其左右轉向）及中腦導水管周圍灰質（控制其停止）植入刺激電極。這種電刺激的控制方式雖然訓練周期比較短，但強化階段和使用階段的長時間的電刺激會使動物產生神經疲勞和適應性，這就要求我們在每次實驗中提高導航效率。目前，動物機器人的導航實驗主要有兩種，一種是人工導航，一種是自動導航。人工導航是指，導航過程中的指令決策都是通過人的觀察和判斷來給出的，對實驗人員的經驗和判斷力有一定的要求。人工導航雖然具有比較強的主觀性，而且需要試驗人員注意力比較集中、反應較快，但一般而言其效率比較高，對于同樣復雜的任務，人工導航能夠在較短時間內完成。自動導航過程中，動物機器人控制系統通過攝像頭和機器視覺的方法獲取動物當前的狀態，然后以某種算法或規則產生指令決策，控制動物的運動并完成一個復雜的任務，這整個過程是不需要人工干預的，完全由計算機中的控制程序自動完成。由于每次實驗時動物的狀態不同，對獎賞刺激的興奮性反應不同，最佳的刺激參數也不盡相同，因此我們時常需要在實驗中不斷地調整刺激參數，從而在一定程度上提高每次刺激的精準度和效率，現有的導航系統中均是離線通過手動設置完成，非常不方便，并且無法在導航過程中實現刺激參數的動態調整。另外，對于自動導航而言，通過機器視覺的方法來獲取動物狀態（目前主要是動物的位置、頭部位置、頭部的朝向這三個狀態）會由于光線亮度的變化以及復雜環境等因素而出現狀態識別錯誤，從而導致后續的機器自動控制達不到預期效果。因此，自動導航需要一個反饋控制和人工糾正的機制，從而提高整個系統的效率并在最大程度上使動物受到的電刺激創傷最小。
技術實現思路
為了給動物機器人系統提供一種交互更加自然、電刺激參數可調、反饋控制和人工糾正的機制，彌補當前動物機器人系統效率低下，缺乏交互的友好性等缺陷。通過語音控制來糾正從而提高自動導航的效率，并在更短時間內、更少刺激強度內完成同樣復雜的導航任務，本專利技術提供了一種動物機器人的語音導航系統，包括對動物機器人進行電脈沖刺激從而進行導航的微刺激器以及用于向該微刺激器輸出控制指令的主控裝置，還設有用于接收語音指令的麥克風；所述主控裝置包括：用于識別語音指令并對識別結果進行決策的語音指令識別模塊；根據決策結果處理并輸出刺激參數的刺激指令開關模塊。本專利技術通過實時的語音指令識別技術，將通過鼠標、鍵盤與動物機器人進行交互的接口變為更自然的語音交互接口，同時還新引入了調整刺激參數以改變動物運動速度的語音指令，并能夠對自動導航過程進行人工糾正。本專利技術中所述的語音指令是指人能夠聽懂的語言指令，包括“前進”、“左轉”、“右轉”和“停止”等直接控制動物運動的運動控制指令，“升/降前/左/右/停電壓”、“加/減前/左/右/停刺激數”等刺激參數調節指令以及“加/減速前進/左轉/右轉（在預先設定的刺激強度等級之間切換）”等同時調整參數、控制動物運動的速度控制指令。在當前實施例中，每次發出“升/降前/左/右/停電壓”指令，則對應的刺激參數相應地升高/降低0.5伏，在其他應用場景中，每次升高或降低的電壓可設定為其它值；相應地，如果為恒流刺激，則默認升高/降低5mA，在其他場景中每次升高或降低的電流可為其它值。所述主控裝置通過無線通信將刺激參數發送到所述微刺激器。通過無線通信可以遙控進行動物機器人語音導航。利用本專利技術動物機器人的語音導航系統，本專利技術還提供了一種動物機器人的語音導航方法，包括如下步驟：S01，接收語音指令；S02，識別語音指令并對識別結果進行決策，根據決策結果處理并輸出刺激參數，具體為：若識別結果為噪音，則不進行操作；若識別結果為刺激參數調節指令，則根據刺激參數調節指令的內容修改當前刺激參數并保存；若識別結果為運動控制指令，則根據運動控制指令的編號生成對應的刺激參數，進入步驟S03；若識別結果為速度控制指令，則根據速度控制指令的編號調整生成對應的新刺激參數，進入步驟S03；S03，根據接收到的刺激參數對動物機器人相應腦區發送刺激電脈沖從而進行導航。通過語音控制一方面可以提高動物機器人系統交互的友好性，另一方面可以實現對自動導航的人工干預和糾正，從而更好地、更快地完成復雜導航任務，并使得給動物的電刺激強度總量最小化，在一定程度上減少對動物的傷害，延長動物機器人的使用壽命。步驟S02中語音指令識別的步驟為：201，對語音指令進行預處理，其中預處理包括端點檢測；202，對預處理結果進行特征參數的提取；203，根據提取的特征參數進行模式識別，得到識別結果。通過對語音指令進行識別將語音控制指令轉換為相應的刺激參數，并作用于動物機器人的腦部，使動物機器人根據人類的語言作出相應動作。在步驟201中，利用短時平均幅值進行端點檢測。由于語音指令的控制對象——動物具有很強的自我意識，運動狀態變化較快，所以在端點檢測的方法上和語音識別模型的選擇上做了一些優化，即在實時的端點檢測中，采用短時平均幅值作為衡量標準，并使用一個幅值閾值、兩個時間閾值來界定語音段的起止時間。根據語音的統計特性，可以把語音段分為清音、濁音以及靜音(包括背景噪聲)3種。短時平均幅度檢測可以較好地區分出濁音和靜音，從而能夠較好地進行語音識別。另外，短時平均幅值計算簡單，且對瞬時高電平信號敏感度低，在步驟202中，提取的特征參數為梅爾倒譜系數。梅爾倒譜系數(MFCC)能很好地模擬人耳的聽覺效應，采用該參數識別的語音具有良好的識別率。在步驟203中，語音指令識別方法采用DTW算法進行模式識別。由于本專利技術的動物機器人的語音導航系統對于實時性要求比較高，并且指令集固定、指令個數較少，因此本專利技術實施例采用最簡單的DTW算法法。其中DTW算法包括訓練階段，在DTW算法的訓練階段，選擇滿足如下條件的訓練樣本作為測試階段的指令模板：該樣本和相同內容的語音指令的MFCC特征矩陣之本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種動物機器人的語音導航系統，包括對動物機器人進行電脈沖刺激從而進行導航的微刺激器以及用于向該微刺激器輸出控制指令的主控裝置，其特征在于，還設有用于接收語音指令的麥克風；所述主控裝置包括：用于識別語音指令并對識別結果進行決策的語音指令識別模塊；根據決策結果處理并輸出刺激參數的刺激指令開關模塊。

【技術特征摘要】
1.一種動物機器人的語音導航系統，包括對動物機器人進行電脈沖刺激從而進行導航的微刺激器以及用于向該微刺激器輸出控制指令的主控裝置，其特征在于，還設有用于接收語音指令的麥克風；所述主控裝置包括：用于識別語音指令并對識別結果進行決策的語音指令識別模塊；根據決策結果處理并輸出刺激參數的刺激指令開關模塊；其中，語音指令識別模塊識別語音指令并對識別結果進行決策，刺激指令開關模塊根據決策結果處理并輸出刺激參數，具體過程為：若識別結果為噪音，則不進行操作；若識別結果為刺激參數調節指令，則根據刺激參數調節指令的內容修改當前刺激參數并保存；若識別結果為運動控制指令，則根據運動控制指令的編號生成對應的刺激參數，進入下一步；若識別結果為速度控制指令，則根據速度控制指令的編號調整生成對應的新刺激參數，進入下一步；根據接收到的刺激參數對動物機器人相應腦區發送刺激電脈沖從而進行導航；語音指令識別的步驟為：201，對語音指令進行預處理，其中預處理包括端點檢測，利用...

【專利技術屬性】
技術研發人員：吳朝暉，楊瑩春，夏兵朝，鄭能干，潘綱，鄭筱祥，
申請(專利權)人：浙江大學，
類型：發明
國別省市：