馮曉晨+張鐵成+段家興
摘 要:設(shè)計(jì)了綜合應(yīng)用樹(shù)莓派等開(kāi)發(fā)板、以舵機(jī)為動(dòng)力源的機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)和3D打印技術(shù)的一款通過(guò)液晶觸摸屏在賽前提供給觀眾信息咨詢(xún)和迎賓服務(wù)的機(jī)器人。分析和解決了產(chǎn)品造型設(shè)計(jì)與內(nèi)部機(jī)構(gòu)的有機(jī)結(jié)合等相關(guān)問(wèn)題,使其在產(chǎn)品內(nèi)部機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的前提下,外部的造型設(shè)計(jì)及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)滿(mǎn)足生產(chǎn)加工的要求,體現(xiàn)出特定的設(shè)計(jì)風(fēng)格的同時(shí)使機(jī)構(gòu)運(yùn)行平穩(wěn)。討論和研究了如何充分應(yīng)用現(xiàn)有樹(shù)莓派等開(kāi)發(fā)板、觸屏語(yǔ)言識(shí)別模塊、多路舵機(jī)控制模塊、舵機(jī)、語(yǔ)音模塊,完成機(jī)器人控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì),并能進(jìn)行簡(jiǎn)單的語(yǔ)音識(shí)別、控制指定部件的運(yùn)動(dòng)等具體事項(xiàng)。
關(guān)鍵詞:樹(shù)莓派;迎賓機(jī)器人;F1吉祥物
中圖分類(lèi)號(hào):TP242 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A 文章編號(hào):2095-2945(2017)30-0032-02
引言
F1吉祥物機(jī)器人以世界三大體育盛事之一的F1為依托,是一款綜合應(yīng)用單片機(jī)開(kāi)發(fā)版、觸屏語(yǔ)言識(shí)別、以舵機(jī)為動(dòng)力源的機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù),在F1會(huì)場(chǎng)通過(guò)液晶觸摸屏介紹比賽相關(guān)信息、場(chǎng)館信息,同時(shí)可以與觀眾簡(jiǎn)單互動(dòng)的智能迎賓機(jī)器人。該機(jī)器人造型源于為F1賽設(shè)計(jì)的吉祥物形象、機(jī)器人的動(dòng)作及交互過(guò)程具有趣味性等特點(diǎn)。通過(guò)對(duì)紅外線距離感應(yīng)器,顯示屏模塊,舵機(jī)模塊,語(yǔ)音模塊等模塊的研究,實(shí)現(xiàn)機(jī)器人認(rèn)知識(shí)別、自主互動(dòng)、動(dòng)作展示等多項(xiàng)功能,能更準(zhǔn)確地更直接地為每個(gè)人提供他們所想要的東西,使人機(jī)關(guān)系更加深入。
1 F1吉祥物機(jī)器人設(shè)計(jì)思路
1.1 F1吉祥物機(jī)器人設(shè)計(jì)目的
世界一級(jí)方程式錦標(biāo)賽(FIA Formula 1 World Championship),簡(jiǎn)稱(chēng)F1,是由國(guó)際汽車(chē)運(yùn)動(dòng)聯(lián)合會(huì)(FIA)舉辦的最高等級(jí)的年度系列場(chǎng)地賽車(chē)比賽,是當(dāng)今世界最高水平的賽車(chē)比賽,與奧運(yùn)會(huì)、世界杯足球賽并稱(chēng)為“世界三大體育盛事”,但是很多人對(duì)此并不了解,第一次去觀看比賽的觀眾難免會(huì)出現(xiàn)對(duì)比賽規(guī)則或賽程不夠了解、對(duì)比賽會(huì)場(chǎng)不夠熟悉等相關(guān)問(wèn)題,而這些問(wèn)題都可以在F1吉祥物機(jī)器人這里得到解決。
1.2 同類(lèi)研究工作國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀
世界機(jī)器人行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀:工業(yè)機(jī)器人和服務(wù)機(jī)器人的市場(chǎng)規(guī)模持續(xù)擴(kuò)大,其中工業(yè)機(jī)器人發(fā)展高度集中,服務(wù)機(jī)器人市場(chǎng)處于起步階段。
我國(guó)機(jī)器人行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀:根據(jù)新戰(zhàn)略機(jī)器人產(chǎn)業(yè)研究所最新公布的分省機(jī)器人企業(yè)數(shù)據(jù)情況,整體來(lái)看,截至2016年6月,在企業(yè)總量上,與4月份的榜單中3400家企業(yè)相比,6月份3800多家,增幅為12.68%。兩個(gè)月有如此增幅,可以說(shuō)機(jī)器人行業(yè)目前處于高速發(fā)展階段,十分迅猛。我國(guó)相繼有餐廳推出服務(wù)迎賓機(jī)器人服務(wù)生,但賽事吉祥物機(jī)器人只有海寶機(jī)器人這一先例。
1.3 F1吉祥物機(jī)器人創(chuàng)新之處
目前的已有的迎賓機(jī)器人主要通過(guò)逼真的人形,身高,體型,表情來(lái)體現(xiàn)人性化。但就目前來(lái)說(shuō),已應(yīng)用的機(jī)器人功能相對(duì)單一,最多只能實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互的作用,給人以新鮮感,并不能從中獲得自己想要的東西。該項(xiàng)目通過(guò)對(duì)紅外線距離感應(yīng)器,顯示屏模塊,舵機(jī)模塊,語(yǔ)音模塊等模塊的研究,實(shí)現(xiàn)機(jī)器人認(rèn)知識(shí)別、自主互動(dòng)、動(dòng)作展示等多項(xiàng)功能,能更準(zhǔn)確地更直接地為每個(gè)人提供他們所想要的東西,使人機(jī)關(guān)系更加深入。
通過(guò)觸屏語(yǔ)言識(shí)別等相關(guān)技術(shù),以脫離傳統(tǒng)的人控制,而進(jìn)入人機(jī)協(xié)作的階段,機(jī)器人能和人有更多的交互方式,在智能上也能有進(jìn)一步的提升。
以世界三大體育盛事之一的F1為依托,使機(jī)器人能有更大的受眾度,來(lái)改善目前機(jī)器人不能得到大范圍應(yīng)用的窘境,使機(jī)器人能有更好的發(fā)展,更好的在未來(lái)為人類(lèi)提供服務(wù)。
1.4 F1吉祥物機(jī)器人應(yīng)用前景
隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域越來(lái)越廣泛,用于服務(wù)業(yè)的機(jī)器人數(shù)量也將大大增加,迎賓機(jī)器人作為服務(wù)機(jī)器人的一種,具有廣闊的市場(chǎng)前景。F1吉祥物機(jī)器人作為一款專(zhuān)為F1比賽設(shè)計(jì)的迎賓機(jī)器人,會(huì)在每年都如期舉行的F1比賽中為上百萬(wàn)觀眾提供切實(shí)的幫助。F1會(huì)場(chǎng)迎賓吉祥物機(jī)器人也可作為一款玩具或者一款大型的戶(hù)外娛樂(lè)裝置,具有廣泛的應(yīng)用空間,也可作為單片機(jī)開(kāi)發(fā)和機(jī)械機(jī)構(gòu)教學(xué)的教具。F1吉祥物機(jī)器人的設(shè)計(jì)實(shí)踐可探討單片機(jī)開(kāi)發(fā)板在機(jī)械自動(dòng)化控制中的應(yīng)用過(guò)程及方法,為設(shè)計(jì)制作運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)及智能化產(chǎn)品奠定了理論基礎(chǔ),還可研究樹(shù)莓派等開(kāi)發(fā)板結(jié)合傳感器、液晶觸摸屏在大型機(jī)械互動(dòng)裝置中的應(yīng)用方法。
2 F1吉祥物機(jī)器人研究?jī)?nèi)容與方法
2.1 產(chǎn)品造型設(shè)計(jì)
吉祥物機(jī)器人造型設(shè)計(jì)以白色為主,連接處采用黑色,頭盔及其他部分采用紅色,紅色傳達(dá)出象征賽車(chē)的熱烈、激情的視覺(jué)感受,紅黑白三色也是F1比賽標(biāo)志所用顏色。使用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件完成機(jī)器人整體的設(shè)計(jì),包括胸口的液晶觸摸屏、有輪子的底盤(pán)等部分??紤]到安全性,所以整體造型采用流暢圓滑的設(shè)計(jì)風(fēng)格,同時(shí)代表F1賽車(chē)的流線型的線條和結(jié)構(gòu)。
2.2 計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)
機(jī)器人機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)通過(guò)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的方式,完成機(jī)器人頭部的轉(zhuǎn)動(dòng)及其他身體機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)。機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)有舵機(jī)作為動(dòng)力源,通過(guò)連桿、齒輪等機(jī)構(gòu)完成指定的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)。在計(jì)算機(jī)仿真合理的前提下,制作實(shí)物模型。
2.3 單片機(jī)控制
采用樹(shù)莓派等開(kāi)發(fā)板作為此機(jī)器人的控制中心,完成語(yǔ)音及動(dòng)作組的設(shè)計(jì),使本機(jī)器完成相應(yīng)指令下的語(yǔ)音介紹和簡(jiǎn)單的握手等動(dòng)作。
2.4 紅外線距離傳感器
紅外線測(cè)距離傳感器是一種利用紅外線反射原理對(duì)障礙物距離進(jìn)行測(cè)量的傳感器。F1吉祥物機(jī)器人通過(guò)紅外線感應(yīng)器對(duì)周?chē)h(huán)境的距離進(jìn)行感應(yīng),一旦有游客或者參賽選手走進(jìn)吉祥物時(shí),將會(huì)觸發(fā)語(yǔ)音模塊使其主動(dòng)向人們打招呼。
2.5 語(yǔ)音模塊
語(yǔ)音模塊執(zhí)行的具體過(guò)程為:語(yǔ)音識(shí)別模塊接收到外部語(yǔ)音,并對(duì)所接收到的外部語(yǔ)言做出識(shí)別并轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制代碼,經(jīng)由并行口傳送至核心處理器,核心處理器接收二進(jìn)制代碼后執(zhí)行對(duì)應(yīng)的功能。F1吉祥物機(jī)器人應(yīng)用語(yǔ)音模塊完成一些簡(jiǎn)單的語(yǔ)句,比如:“你好啊,我是F1的吉祥物機(jī)器人”或者是:“Hello,很高興遇到你”,通過(guò)這種方式快速拉近吉祥物機(jī)器人和人之間的關(guān)系。endprint
2.6 觸屏語(yǔ)言識(shí)別
觸摸屏顯示器可以讓使用者只要用手指輕輕地碰計(jì)算機(jī)顯示屏上的圖符或文字就能實(shí)現(xiàn)對(duì)主機(jī)操作,這樣擺脫了鍵盤(pán)和鼠標(biāo)操作,使人機(jī)交互更為直截了當(dāng)。F1吉祥物機(jī)器人胸前的觸摸顯示器可以為觀眾提供了解比賽相關(guān)信息,了解規(guī)則,了解運(yùn)動(dòng)員的服務(wù),可以通過(guò)點(diǎn)擊顯示屏上的各種選項(xiàng)來(lái)獲取所需要知道的內(nèi)容;顯示屏也可顯示場(chǎng)館的地圖,從而方便觀眾更快的找到所想去的位置。顯示屏設(shè)為中英雙語(yǔ),方便國(guó)際友人查看。
2.7 機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
舵機(jī)也叫伺服電機(jī),是一種位置(角度)伺服的驅(qū)動(dòng)器,能夠利用簡(jiǎn)單的輸入信號(hào)比較精確的轉(zhuǎn)動(dòng)給定角度的電機(jī)系統(tǒng),目前主要應(yīng)用智能小車(chē)以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向以及機(jī)器人各類(lèi)關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)中。舵機(jī)的控制信號(hào)由單片機(jī)產(chǎn)生,轉(zhuǎn)軸的角度隨輸入信號(hào)的脈沖寬度變化成正比。F1吉祥物機(jī)器人通過(guò)舵機(jī)完成對(duì)手腳的控制,平時(shí)保持揮手歡迎的動(dòng)作,也可與人握手互動(dòng);底盤(pán)的輪子方便機(jī)器人到處移動(dòng),不時(shí)地走動(dòng)更加顯得活潑真實(shí)。
2.8 3D打印實(shí)踐
通過(guò)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的方式,在三維數(shù)字化環(huán)境下完成造型設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和內(nèi)部機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì),采用3D打印機(jī)完成實(shí)物模型的打印,通過(guò)實(shí)物展示互動(dòng)效果。
3 結(jié)束語(yǔ)
本文概述了F1吉祥物機(jī)器人的研究成果吉祥物形象從外觀設(shè)計(jì)到計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì),都經(jīng)過(guò)了多方案的比較和選取,不斷改進(jìn);機(jī)器人綜合應(yīng)用片機(jī)控制、紅外線距離傳感器、語(yǔ)音模塊、觸屏語(yǔ)言識(shí)別、舵機(jī)以及3D打印技術(shù)。F1吉祥物機(jī)器人設(shè)計(jì)目的明確,應(yīng)用前景廣泛,其設(shè)計(jì)意義還會(huì)隨著技術(shù)的不斷發(fā)展得到突破和提高。
參考文獻(xiàn):
[1]張常友.基于樹(shù)莓派和Arduino平臺(tái)的移動(dòng)式家庭服務(wù)機(jī)器人設(shè)計(jì)[J].山東工業(yè)技術(shù),2017(09):222.
[2]朱朗.嵌入式系統(tǒng)中觸摸屏應(yīng)用技術(shù)的研究與應(yīng)用[D].武漢理工大學(xué),2013.
[3]王艷強(qiáng).仿人家庭移動(dòng)服務(wù)機(jī)器人應(yīng)用研究[D].內(nèi)蒙古科技大學(xué),2011.
[4]蘇鵬,周風(fēng)余,陳磊.基于STM32的嵌入式語(yǔ)音識(shí)別模塊設(shè)計(jì)[J].單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用,2011(02):42-45.
[5]楊志鵬.導(dǎo)游機(jī)器人的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].浙江大學(xué),2010.
[6]謝森林,董曉慶.智能導(dǎo)游機(jī)器人的研制[J].科技信息,2009(16):83+85.
[7]宮晨.多傳感器智能機(jī)器人設(shè)計(jì)[D].浙江大學(xué),2008.endprint