基于纯位置伺服机械臂的无电气接口矿用电话应答方法与流程

本发明涉及矿井通信与机器人交叉，具体是指一种基于纯位置伺服机械臂的无电气接口矿用电话应答方法。

背景技术：

1、根据《煤矿安全规程》规定，井下相关作业地点必须设有直通矿调度室的有线调度电话。矿调度交换机部署于井上，调度电话线路经由交换机侧安全栅延伸至井下各分机终端，安全栅维持的本质安全隔离结构覆盖自交换机至井下分机的整条线路。规程确立了矿用调度电话作为井下安全通信核心基础设施的法定地位，同时对电话终端的智能化改造施加了严苛的合规约束。

2、矿用有线调度电话不设数字拨号装置，呼叫建立依赖终端摘机后在线路中形成的标准电话环路电流。调度交换机通过检测线路环路闭合与开路的状态转换识别终端通话状态：挂机时线路开路，环路电流近似为零；听筒摘起时线路闭合形成直流环路，交换机检测到环路电流后判定摘机并接通话路；听筒放回后线路恢复开路，交换机判定挂机并释放话路。

3、规程明确规定严禁调度电话由井下就地供电且严禁经有源中继器接调度交换机。若采用常规智能化改造路径，即在线路中破线接入ai语音网关、电信号分流器或串联有源中继设备，将面临三方面根本性障碍：其一，有源设备引入直接违反规程关于井下就地供电及有源中继器的禁止性规定；其二，串入额外电气元件将改变线路直流环路参数，导致交换机无法检测标准环路电流信号而误判终端状态；其三，可能破坏安全栅维持的本质安全隔离结构，使通信回路丧失防爆合规性。因此，任何依赖电气直接接入的方案均存在重大隐患。

4、即便暂不考虑合规约束，机械执行机构对听筒的声学耦合同样存在显著障碍。听筒受话端作为被动声学器件，其声学辐射具有方向性，开口形态、辐射面曲率及出声孔分布因话机型号而异。若拾音装置与受话端之间存在位置偏移、角度偏转或贴合间隙，将导致声学耦合质量显著下降，采集音频信噪比与语音清晰度指数低于可识别阈值，后续语音识别将直接失效。视觉位姿解算精度受限于图像采集装置分辨率与算法误差，单纯依赖视觉解算进行一次性夹持难以保证最优声学耦合，需要建立声学耦合质量与位姿调整之间的闭环反馈机制。同时，调度电话无开放电气接口，挂断状态无法通过电信号直接获取，仅依赖断线音校验在话机型号差异及线路状态波动下易产生误判，进而引发话机死锁占线。

5、在不改变现有通信线路、不破坏本质安全隔离结构、不增加井下有源设备的前提下，采用机械执行机构模拟人工完成摘挂机动作，是一种符合煤矿安全规程的技术路径。然而该路径仍存在以下待解决的技术问题：其一，如何在无力矩传感器反馈条件下可靠确认听筒抓取状态；其二，如何在无电气接口约束下通过机械臂末端位姿微调实现拾音装置与听筒受话端之间的高质量声学耦合；其三，如何在无电气反馈信号条件下实现可靠的挂机状态确认；其四，如何在严禁连接外部公共互联网的物理隔离环境下完成高算力的语音识别与语义应答。

6、已有通过机械装置模拟人工操作物理交互界面的方案（如矿用无人驾驶自卸车领域的模拟人工操作方向盘及踏板）通常属于开环执行，未针对交互对象的物理特性建立闭环反馈优化机制。工业机器人领域的示教-再现范式亦未涉及以声学耦合质量参数作为示教目标的场景。本技术所面临的严苛物理约束在于：其一，声学信号在近场耦合下存在混响、驻波及非单调响应，单一指标（如信噪比）无法稳定表征耦合质量，需采用信噪比与语音清晰度指数两项指标的联合判定逻辑以解决方向有效性判定问题；其二，无电气接口约束使得无法获取环路电流等电气反馈作为辅助观测，视觉反馈仅能获取空间几何位姿信息而无法直接表征通信耦合质量，声学反馈成为唯一能够直接反映通信效果的观测手段，这一约束反向逼迫了寻优策略与降级机制的具体选择；其三，机械臂末端夹持部与被动声学器件之间的物理耦合优化问题在已有文献中未被揭示。因此，上述常规技术手段在套用于本技术所面临的严苛物理约束时，存在非显而易见的结合难度。

技术实现思路

1、（一）技术问题

2、本发明提供一种基于纯位置伺服机械臂的无电气接口矿用调度电话应答方法，旨在解决现有矿用调度电话在本质安全隔离约束与无电气接口约束下无法直接进行智能化软件对接的技术难题，具体为：第一，在无力矩传感器反馈的条件下，如何确认机械臂末端夹持部对听筒的抓取状态；第二，在无电气接口约束下，如何通过独立的声学交互基座实现听筒受话端、送话端与拾音装置、扬声器之间的稳定声学耦合，以及如何在响应来电的第一时间即达到最优耦合状态，避免逐次寻优造成的响应延迟；第三，在无电气反馈信号的条件下，如何实现可靠的挂机状态确认以避免话机死锁占线；第四，在严禁连接外部公共互联网的物理隔离环境下，如何完成高算力的语音识别与语义应答任务。

3、（二）技术内容

4、为解决上述技术问题，本发明的技术方案为：基于纯位置伺服机械臂的无电气接口矿用电话应答方法，采用包含机械臂边缘计算节点与矿区物理隔离本地算力节点的分布式通信架构，所述机械臂工作范围内固定设置有声学交互基座，所述声学交互基座上设置有第一凹槽结构与第二凹槽结构，所述第一凹槽结构内壁设置拾音装置，所述第二凹槽结构内壁设置微型扬声器，所述方法包括以下响应于来电事件执行的步骤：

5、振铃检测步骤：所述边缘计算节点通过图像采集装置获取话机振铃指示灯的图像，并通过环境麦克风采集环境音频信号，对所述环境音频信号进行振铃频谱特征识别且对所述图像进行振铃指示灯状态识别，当两者均判定存在振铃事件时，识别振铃来源话机并触发摘机流程；

6、摘机与抓取步骤：所述边缘计算节点根据振铃来源话机选择对应的预先确定的固定位姿参数，控制所述机械臂根据固定位姿参数运动至听筒位置，控制末端夹持部执行闭合动作，并基于夹持部伺服电机的位置脉冲反馈值判定抓取状态；

7、声学对接步骤：抓取成功后，控制机械臂将听筒的受话端与送话端分别对准并插入第一凹槽结构与第二凹槽结构；

8、声学质量判断步骤：所述边缘计算节点获取由拾音装置采集的通话音频信号，提取通话音频信号的信噪比及语音清晰度指数作为声学质量参数，并判断声学质量参数是否低于预设的质量阈值；

9、语音识别与应答步骤：若声学质量参数不低于质量阈值，则将通话音频信号经由矿区内部局域网传输至物理隔离本地算力节点进行本地化的语音识别及声纹识别，得到通话文本内容及来电身份信息，将所述通话文本内容及来电身份信息与预存的煤矿安全规程知识库进行匹配，生成应答音频数据，经由矿区内部局域网下发至边缘计算节点，通过微型扬声器播放；

10、挂机校验步骤：应答播放完成后，触发第二级逻辑挂机校验以检测通话终止状态，控制机械臂将听筒从第一凹槽结构与第二凹槽结构中撤出，再触发第一级物理挂机校验以确认听筒物理归位，并基于第二级逻辑挂机校验与第一级物理挂机校验的结果生成事件链记录。

11、进一步地，基于夹持部伺服电机的位置脉冲反馈值判定抓取状态，具体为：若该位置脉冲反馈值小于或等于预设的空载闭合阈值，则判定抓取失败；若该位置脉冲反馈值处于预设的有效夹持区间内，则判定抓取成功；若该位置脉冲反馈值大于空载闭合阈值且小于有效夹持区间下限，或大于有效夹持区间上限且小于完全释放容差区间下界，则判定夹持状态异常；所述抓取失败或夹持状态异常时，控制机械臂复位并重新执行摘机与抓取步骤直至抓取成功或重试次数达到预设重试上限后触发异常告警；

12、所述预设的空载闭合阈值为偏离夹持部完全闭合位置预设公差范围内的伺服电机的位置脉冲反馈值，所述预设的有效夹持区间为以听筒外径被稳定夹持时的伺服电机的位置脉冲反馈均值为中心、预设公差范围内的连续区间。

13、进一步地，所述质量阈值包括预设信噪比阈值和预设清晰度阈值，声学质量判断步骤中，若所述信噪比低于预设信噪比阈值或所述语音清晰度指数低于预设清晰度阈值，则中止后续的自动识别流程，将当前通信链路转接至人工调度终端，生成携带待人工复核标记的事件链记录，并生成建议重新校准的事件标记；

14、转接人工调度终端后，所述边缘计算节点控制机械臂维持夹持状态将听筒从所述第一凹槽结构与第二凹槽结构中撤出，并运动至预设交接位姿等待人工取走听筒；等待期间循环读取所述夹持部伺服电机的位置脉冲反馈值，若该位置脉冲反馈值降至空载闭合阈值以下，则判定听筒已被取走，控制夹持部张开并退避至待机位姿。

15、进一步地，所述生成建议重新校准的事件标记之后，所述边缘计算节点基于历史通话频率统计识别可校准时间窗口并提示，经调度员人工确认后，由人工在另一话机上手动发起呼叫至待校准话机以触发离线校准步骤；或响应于调度员的主动触发指令执行所述离线校准步骤。

16、进一步地，所述固定位姿参数通过以下离线校准步骤预先确定：

17、控制机械臂运动至听筒位置进行视觉预对准，记录当前位姿作为基线坐标；

18、由人工在另一话机上手动发起呼叫至待校准话机，待振铃后控制夹持部抓取听筒并摘机建立话路，控制机械臂将听筒的受话端与送话端分别对准并插入第一凹槽结构与第二凹槽结构，由呼叫方话机播放预录的参考音频；

19、激活基于带方向续行的坐标下降启发式位姿寻优策略，依次控制机械臂沿末端工具坐标系的预设轴向进行步进平移或绕预设轴线进行定长角度偏转，每次微调后重新提取声学质量参数，当单次微调后信噪比与语音清晰度指数均未出现下降、且至少一项指标的增加量大于预设的波动阈值时，确认该微调方向有效并保留，继续迭代，直至信噪比不低于预设信噪比阈值且语音清晰度指数不低于预设清晰度阈值，或迭代次数达到预设上限；

20、若达到预设上限时声学质量参数仍低于预设的质量阈值，则调用历次迭代中声学质量参数最优的位姿数据作为候选最优位姿，比较候选最优位姿与基线坐标对应的声学质量参数，若候选最优位姿的声学质量参数低于基线坐标对应的声学质量参数，则还原至基线坐标并标记校准失败，否则将候选最优位姿锁定为该听筒对应的固定位姿参数并持久化存储；

21、对调度台两侧话机分别独立执行上述校准流程，分别记录固定位姿参数。

22、进一步地，所述本地算力节点进行本地化的语音识别及声纹识别得到通话文本内容及来电身份信息之后，还包括三因子身份联合校验：所述本地算力节点获取来电分机号及对应的固定作业地点信息，获取本地存储的当前班次排班表数据，将来电身份信息、来电分机号以及排班表数据进行一致性比对，仅当三者完全匹配时，开放涉及安全指令的自动应答权限，否则将通信链路转接至人工调度台。

23、进一步地，所述边缘计算节点提取通话音频信号的信噪比及语音清晰度指数作为声学质量参数之前，还包括：利用自适应滤波器对所述通话音频信号进行背景噪声抑制，自适应滤波器的参考噪声输入为由独立设置于矿用调度电话机外部的环境麦克风采集的调度室环境背景噪声信号。

24、进一步地，所述矿区内部局域网为通过部署于边缘计算节点上的无线通信模块与矿区内网接入点连接、或通过交换机直连网线的专用网络，且所述物理隔离本地算力节点与外部公共互联网之间不存在数据路由交换。

25、进一步地，所述第一凹槽结构与所述第二凹槽结构均为朝开口方向渐扩的喇叭口状导向结构，用于在机械臂对接位姿存在偏差时，通过凹槽斜面引导听筒受话端、送话端分别进入凹槽预定位置。

26、进一步地，所述边缘计算节点在控制机械臂根据固定位姿参数运动至听筒位置之前，还将解算的听筒当前位姿与固定位姿参数进行比对，以确认听筒仍在预期位置。

27、进一步地，挂机校验步骤中，所述第二级逻辑挂机校验为：在应答播放完成后的预设时间窗口内，通过拾音装置持续监听以检测通信网络忙音特征及人声特征；所述第一级物理挂机校验为：通过图像采集装置确认听筒进入话机座的预设归位区域，且检测到夹持部伺服电机的位置脉冲反馈值到达预设的释放容差区间。

28、进一步地，基于第二级逻辑挂机校验与第一级物理挂机校验的结果生成事件链记录，具体为：若第一级物理挂机校验通过且所述第二级逻辑挂机校验条件已满足，则生成正常闭环的事件链记录；若第一级物理挂机校验通过但第二级逻辑挂机校验条件未满足，则生成携带有待复核异常标记的事件链记录；若第一级物理挂机校验未通过，则重新执行挂机动作直至第一级物理挂机校验通过或重试次数达到预设上限。

29、（三）技术效果

30、本发明与现有技术相比优点在于：

31、1.针对无电气反馈下的挂机确认问题，本发明采用多模态级联校验机制，以忙音特征提取与人声超时检测构成第二级逻辑挂机校验先行执行，以视觉归位确认与位置脉冲反馈构成第一级物理挂机校验后续执行，并设置以物理级结果为准的降级处理路径，该机制在逻辑和物理双层实现了无电气反馈下的挂机确认，避免了无电气反馈条件下单纯依赖断线音校验所产生的死锁占线问题。

32、2.针对无力矩传感器下的抓取确认问题，本发明通过提取夹持部伺服电机的位置脉冲反馈值并设定空载闭合阈值与有效夹持区间，以纯位置伺服的方式实现了听筒抓取状态的无触觉可靠判定，该方案规避了力矩传感器在本质安全隔离约束下的应用限制，且判定依据为伺服电机固有的位置反馈量，无需额外增加电气元件，符合矿用本质安全要求。

33、3.针对无电气接口约束下被动声学器件的物理对准问题，本发明采用独立声学交互基座与离线校准、在线运行分离的两阶段架构相结合的方案。在机械臂工作范围内固定设置声学交互基座，其上设置两个凹槽结构分别容纳听筒的受话端与送话端，凹槽内壁分别设置拾音装置与微型扬声器，离线校准阶段以声学耦合质量参数作为示教目标，并以话路建立后播放的参考音频作为示教信号，该示教信号与在线运行阶段声学质量参数提取所使用的输入信号属于同类型参考语音信号，使得校准阶段所优化的耦合质量与在线运行阶段所判断的耦合质量在信号特性上一致。在线运行阶段根据离线校准阶段确定的固定位姿参数直接将听筒插入声学交互基座的对应凹槽，可避免逐次寻优造成的响应延迟，使响应来电的第一时间即达到由离线校准阶段确定的最优声学耦合状态，离线校准阶段采用信噪比与语音清晰度指数两项声学指标的and双阈值收敛逻辑以解决非单调声学映射下的方向有效性判定问题，并设置坐标还原保护机制以防止写入劣于初始视觉预对准结果的位姿参数。

34、4.针对物理隔离环境下的高算力处理问题，本发明采用边缘计算节点与矿区物理隔离本地算力节点的非对称算力分配架构，边缘节点负责低算力实时控制任务，包括位姿解算、位置脉冲读取、信噪比计算，并在离线校准阶段执行位姿寻优；本地算力节点负责高算力业务逻辑，包括语音识别、声纹识别、规程库匹配及应答音频生成，两者经由矿区内部局域网通信，且所述物理隔离本地算力节点与外部公共互联网之间不存在任何数据路由交换，该架构可满足矿区数据安全隔离要求，从物理层面上防止数据外泄风险，符合国家数据隐私及安全生产法规的要求。

35、5.本发明是针对矿区无电气接口且必须网络隔离这一严苛技术约束提出的系统级解决方案，其结合纯视觉与声学的降级级联挂机确认，打破了无电气反馈条件下的死锁难题；在边缘端以夹爪伺服位置脉冲反馈平替力矩传感器实现无触觉抓取确认，并以离线校准确定固定位姿参数、在线运行直接复用的两阶段架构克服了被动声学器件物理对准精度不足导致的盲抓漏音问题；在架构上构建了边缘实时物理控制与本地高算力语义处理的非对称协同模式。