智能DIY玩具的制作要點(diǎn)分析程英展

劉濱豪　劉云　柴晨翔　王怡靜

摘要：隨著人工智能技術(shù)的快速發(fā)展，智能手工玩具市場(chǎng)不斷膨脹，越來(lái)越多的智能玩具進(jìn)入人們生活中。文章結(jié)合當(dāng)前市場(chǎng)人工智能玩具同質(zhì)化嚴(yán)重以及缺乏創(chuàng)造性的情況，通過(guò)分析智能手工玩具制作過(guò)程中應(yīng)注意的要素，以智能手工玩具的交互為研究對(duì)象，從而更好的滿足當(dāng)前人們對(duì)于智能化手工玩具的個(gè)性化需求。

關(guān)鍵詞：人工智能；DIY玩具；制作交互要素

前言

據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，2017年我國(guó)玩具市場(chǎng)銷(xiāo)售額為110億美元，預(yù)計(jì)到2019年，我國(guó)玩具市場(chǎng)零售額將有望達(dá)到123億美元，平均年增長(zhǎng)率在6%。但目前我國(guó)80%以上的玩具企業(yè)仍采用代工廠生產(chǎn)模式，缺乏核心技術(shù)，市場(chǎng)抵御風(fēng)險(xiǎn)能力低。隨著國(guó)家經(jīng)濟(jì)技術(shù)的快速發(fā)展，傳統(tǒng)玩具行業(yè)也向智能化發(fā)展方向轉(zhuǎn)型。玩具的智能化將成為行業(yè)新增長(zhǎng)點(diǎn)，并將逐步成為智能玩具市場(chǎng)的主流方向。

一、了解智能手工玩具交互原理

交互是指用戶與數(shù)字控制系統(tǒng)之間發(fā)生的信息交換過(guò)程，以輸入和輸出裝置為具體媒介。用戶與智能玩具在交流過(guò)程中存在一個(gè)相互作用的平臺(tái)，這個(gè)平臺(tái)即為 User Interface（用戶界面）。所以在制作智能玩具時(shí)首先要理解人機(jī)之間的交互原理，因?yàn)橛脩襞c智能玩具之間的信息交流和活動(dòng)控制都在交互過(guò)程中實(shí)現(xiàn)。通過(guò)處理好這個(gè)相互作用的用戶界面來(lái)實(shí)現(xiàn)流程的人機(jī)信息傳遞，對(duì)是否可以成功聯(lián)系人機(jī)之間互動(dòng)至關(guān)重要。

二、熟知智能玩具的信息處理系統(tǒng)

智能玩具的傳感器分為內(nèi)部傳感器、外部傳感器。內(nèi)部傳感器是用來(lái)自我檢查內(nèi)部狀態(tài)，如系統(tǒng)的速度、位置等物理性能，同時(shí)將自我檢查的信息及時(shí)反饋給智能控制器。

外部傳感器是智能玩具與外界進(jìn)行交互獲取信息的重要通道，通過(guò)感知用戶以及周?chē)h(huán)境的信息來(lái)實(shí)現(xiàn)與用戶的交流。外部傳感器的優(yōu)良是體現(xiàn)智能玩具是否“智能”的關(guān)鍵所在。當(dāng)智能玩具有了內(nèi)外部的傳感器，就形如智能玩具有了感覺(jué)器官。

目前市面上的智能玩具的外部傳感器主要有6種：

（1）視覺(jué)傳感器即為通過(guò)對(duì)獲取圖像進(jìn)行分析，達(dá)到對(duì)物體進(jìn)行辨識(shí)、定位等。

（2）聲音傳感器即能夠接收聲波，通過(guò)對(duì)聲波頻率進(jìn)行分析從而對(duì)獲取的語(yǔ)音詞匯進(jìn)行辨別。

（3）激光雷達(dá)傳感器可以用于導(dǎo)航和躲避障礙物。觸覺(jué)傳感器就像人類(lèi)皮膚，通過(guò)感知外部環(huán)境的軟硬、溫度等物理要素，主要有成像型觸覺(jué)傳感器、壓阻式陣列觸覺(jué)傳感器、壓電式觸覺(jué)傳感器等。

（4）接近覺(jué)傳感器介于觸覺(jué)和視覺(jué)傳感器中間，能夠測(cè)量距離、方位并且融合視覺(jué)和觸覺(jué)信息。接近覺(jué)傳感器主要作用就是通過(guò)發(fā)現(xiàn)周?chē)恼系K物，從而及時(shí)調(diào)整其活動(dòng)范圍，通過(guò)對(duì)接觸對(duì)象的距離、角度進(jìn)行分析為下一步的行動(dòng)作出預(yù)判。

（5）滑覺(jué)傳感器主要是用于檢測(cè)智能玩具與對(duì)象之間的滑移程度，傳感器通過(guò)確定一個(gè)合適的握力，在不損傷物體、又能克服物體重力的情況下進(jìn)行抓握，在智能玩具中滑覺(jué)檢測(cè)功能是實(shí)現(xiàn)柔性控制的必備條件。

（6）加速度傳感器是由阻尼器、質(zhì)量塊、敏感元件、適調(diào)電路等部分組成，通過(guò)測(cè)量對(duì)象的加速度可以更加靈敏的感知對(duì)象。

通過(guò)外部傳感器接受到的信息，這些信息會(huì)傳入控制器，智能控制器通過(guò)對(duì)信息進(jìn)行收集、分析、整理、評(píng)價(jià)后進(jìn)行決策后發(fā)給執(zhí)行器，執(zhí)行器接收指令并對(duì)玩具的輸出設(shè)備進(jìn)行控制，最后通過(guò)對(duì)智能玩具的輸出設(shè)備進(jìn)行信息表達(dá)，將信息處理后的電信號(hào)轉(zhuǎn)化成語(yǔ)音或者圖像傳遞給用戶，這就形成了完整了交互系統(tǒng)。

三、以智能玩具小車(chē)為例路障方案優(yōu)化

文章通過(guò)以生活較為常見(jiàn)的智能玩具小車(chē)為例，闡述交互系統(tǒng)在制作智能玩具中的重要性。

（1）智能玩具小車(chē)傳感器對(duì)比

結(jié)合在交互系統(tǒng)中常見(jiàn)的幾種外部傳感器，我們?cè)谶x擇兩款智能玩具小車(chē)在行駛中的避障方案中，1號(hào)智能玩具小車(chē)采用紅外傳感器，分別安裝在智能小車(chē)的四周。2號(hào)智能玩具小車(chē)采用超聲波傳感器。

通過(guò)實(shí)踐效果來(lái)看，兩種智能玩具小車(chē)的避障方案都各有優(yōu)缺點(diǎn)。1號(hào)小車(chē)通過(guò)在行駛過(guò)程中接收到紅外線傳感器發(fā)出的信息指令能夠及時(shí)的進(jìn)行前進(jìn)后退以及轉(zhuǎn)彎；2號(hào)智能玩具小車(chē)通過(guò)超聲波接收到信號(hào)后不僅可以前進(jìn)后退、轉(zhuǎn)彎，還可以對(duì)行駛軌道作出預(yù)判。

結(jié)合超聲波傳感器容易受到周?chē)h(huán)境的干擾，文章中智能小車(chē)的控制系統(tǒng)是選用紅外線傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)小車(chē)的前進(jìn)或者路障處理活動(dòng)。智能小車(chē)的的循跡行駛、避障功能、語(yǔ)音反饋三個(gè)部分均需要程序編寫(xiě)才能實(shí)現(xiàn)，以上的三個(gè)板塊是需要協(xié)同作用配合才能確保智能玩具小車(chē)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

（2）幾何算法在智能玩具車(chē)中的應(yīng)用

在進(jìn)行智能玩具的設(shè)計(jì)制造中如何更好的解決路線軌道的問(wèn)題，研究者引進(jìn)了邊緣探測(cè)法，一些企業(yè)并將這種算法引入到智能玩具的制造中一次玩具在行駛過(guò)程中路障問(wèn)題。邊緣探測(cè)法即智能玩具通過(guò)對(duì)對(duì)象的邊緣進(jìn)行分析并將路障物進(jìn)行放大，通過(guò)對(duì)路障所處位置進(jìn)行自身軌道、方向進(jìn)行及時(shí)的調(diào)節(jié)，從而回到正確軌道。邊緣探測(cè)法的引入可以讓智能小車(chē)在行駛過(guò)程中減少弧線的行駛，提高行駛效率。

一是通過(guò)圖像識(shí)別技術(shù)來(lái)分析出路障物的具體形狀；二是通過(guò)所收集到的信息來(lái)分析當(dāng)前小車(chē)所處的環(huán)境；三是通過(guò)幾何算法計(jì)算最短路徑。在第三步使用中可以利用幾何原理最終確定路障物的范圍以及局限的最小值，以此解決路徑規(guī)劃中的最短路徑的確定問(wèn)題。

智能小車(chē)在整個(gè)制作過(guò)程中不僅要熟悉內(nèi)部傳感設(shè)備、外部傳感設(shè)備，計(jì)算機(jī)編程也要熟知，通過(guò)將單個(gè)單片機(jī)、電源、傳感器、循跡行駛、避障功能、語(yǔ)音反饋等幾個(gè)板塊進(jìn)行有機(jī)結(jié)合才能確保智能小車(chē)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，所以在構(gòu)架好玩具的框架之后需要逐步將硬件系統(tǒng)、軟件設(shè)計(jì)充分實(shí)驗(yàn)分析、對(duì)用戶界面進(jìn)行充分實(shí)驗(yàn)使之更加人性化操作才能制作出真正的智能玩具。

結(jié)語(yǔ)：

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)以及人工智能的快速發(fā)展，智能玩具的研究領(lǐng)域得到了更加快速的發(fā)展。設(shè)計(jì)者需要緊跟時(shí)代發(fā)展通過(guò)不斷的學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)挖掘、信息處理、模式識(shí)別等核心技術(shù)，提升智能玩具的信息的采集、分析、處理、反饋等功能，從而設(shè)計(jì)出性能更加優(yōu)越、個(gè)性更加突出的智能玩具。

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