机器人的耳朵:声音传感器-江西丹巴赫工业机器人

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机器人的耳朵:声音传感器
DANBACH ROBOT


    机器人要和人对话,首先必须能听见人说话,否则就会既聋又哑,不能实现与人的对话。因此,智能机器人的听觉是科学家研究的重点之一。
    
    人的耳朵和眼睛一样是重要的感觉器官,声波叩击耳膜,刺激听觉神经的冲动,之后传给大脑的听觉区,形成人的听觉。机器人的耳朵通常是用“收音器”或“录音机”来做的。被送到太空去的遥控机器人的耳朵就是一架无线电接收机。
    
    人的耳朵是十分灵敏的。我们能听到的最微弱的声音,对耳膜的压强每平方厘米只有一百亿分之几千克。可是,用一种叫做钛酸钡的压电材料做成的“耳朵”比人的耳朵还要灵敏,即使是火柴棍那样细小的东西反射回来的声波也能被它“听”得清清楚楚。如果用这样的耳朵监听粮库,那么即使2千克的粮食里有一条小虫爬动的声音也能被它准确地“听”出来。

    日本京都大学奥乃博教授和科学技术振兴团中台一博研究员在这方面取得了突破,发明出带有“人耳”的机器人。“人耳”机器人利用了仿生学原理,它的耳朵形状和人耳一样,对各个方向传来的声音均有聚音作用,而且分辨能力超过人耳,可以同时听清3个人的讲话。这种“人耳”的制作材料是硅,前后左右装有驱动装置,耳朵深处装有话筒。耳朵起天线的作用,对周围的声音有接收功能。耳朵表面由硅胶包裹,可以防止声音反射,进而增强了聚音效果。

    另外用压电材料做成的机器人“耳朵”也能够听到声音,原理是压电材料在受到拉力或者压力作用时能产生电压,这种电压能使电路发生变化,称为电效应。当它在声波的作用下不断被拉伸或压缩的时候,就产生了随声音信号变化而变化的电流,这种电流经过放大器后送入电子计算机进行处理。这样,机器人就能听到声音了。
    
    听觉传感器是机器人的耳朵。能听到声音只是做到了第一步,更重要的是要能识别不同的声音。目前,人们已经研制成功了能识别连续语音的装置,它能够以99%的比率,识别不是特别指定的人所发出的声音,这项技术使得电子计算机具有了“听话”功能,这将大大降低计算机操作人员的工作复杂度。操作人员可以用嘴直接向计算机发布指令,改变了人们以往操作机器时手和眼睛忙个不停而嘴巴和耳朵却是闲着的状况。利用“机器耳”,一个操作者可以用声音同时控制四面八方的机器,还可以对楼上楼下的机器同时发出指令,而且不需要照明,这样就使得机器人可以在夜间或地下工作。比如管道清理机器人、排爆机器人、装卸机器人等都可以在夜间工作,这样既可以提高工作速度又能节省时间。
   
    仅仅要求对声音产生反应的听觉传感器是比较简单的,只需用一个声电转换器就能办到。但若让家用机器人听懂主人的语言指令,根据指令去打扫房间、开关房门、倒垃圾等,那就很困难了。而若进一步要求机器人能与主人对话,区别主人和其他人的声音,从而只执行主人的命令,那就更是困难重重了。

    声音传感器
    机器人可不可以像人一样有听觉,能听到环境中的声音呢?当然可以,我们可以给机器人安装一个声音传感器。声音传感器实际上就是一个类似话筒或者耳麦的设备,用它来接收声音信息。声音的大小用音量表示,单位是分贝。
    
    一般的声音传感器只能感受到有无声音和音量的大小,而不能分辨语义。比如,一个声控机器人听到声音就开始前进,再次听到声音后就停止运动。声音传感器能够检测到的声压大于90分贝。声压的等级非常复杂,一般的情况下在传感器上的数字越小,就表明声音越小。
    
    现在的研究水平只是通过语音处理及辨识技术识别人的讲话,还可以正解理解一些极简单的语句。由于人类的语言非常复杂,词汇量相当丰富,即使是同一个人,其发音也会随环境及身体状况变化而变化。因此,要使机器人的听觉系统具有接近人耳的功能,除了扩大计算机容量及提高其运算速度外,还需人们在其他方面做大量艰苦的研究、探索工作。另外,人们还在研究使机器人能通过声音鉴别人的心理状态,希望未来的机器人不光能够听懂人说的话,还能够理解人的喜悦、愤怒、惊讶和犹豫等情绪。这些都给机器人的应用带来了极大的发展空间。

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