幼兒智能玩具機(jī)器人的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

撒宇航

西安市第八十五中學(xué) 陜西 西安 710061

引言：對(duì)于幼兒來(lái)說(shuō),玩具的作用不可忽視,幼兒們?cè)谕嫱婢叩臅r(shí)候可以鍛煉其動(dòng)手能力、想象能力,智能玩具還能夠?qū)τ變哼M(jìn)行良好的啟蒙教育。隨著現(xiàn)代玩具設(shè)計(jì)理念的不斷變革,智能玩具機(jī)器人更能夠滿足娛樂(lè)、科學(xué)、教育等多種功能的需要,利用智能機(jī)器人對(duì)幼兒進(jìn)行智能啟迪還能夠鍛煉幼兒的綜合能力。目前,在智能玩具機(jī)器人的設(shè)計(jì)過(guò)程中,應(yīng)加強(qiáng)新技術(shù)的開(kāi)發(fā)應(yīng)用,不斷提高智能玩具機(jī)器人的智能化水平,以便給用戶更加良好的使用體驗(yàn)。

一、智能玩具機(jī)器人

智能玩具機(jī)器人是陪伴幼兒玩耍并兼具教育功能的職能玩具設(shè)備,是在傳統(tǒng)玩具的基礎(chǔ)上融合現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)以及信息技術(shù)而開(kāi)發(fā)出的新型玩具,具有智能性、交互性、教育性等特征。其中智能性主要體現(xiàn)在智能玩具機(jī)器人具備對(duì)環(huán)境的感知能力和理解思考問(wèn)題的能力,對(duì)環(huán)境的感知主要是由于其在設(shè)計(jì)過(guò)程中傳感器的應(yīng)用,傳感器裝置也是當(dāng)前智能玩具最常見(jiàn)的,理解思考問(wèn)題的能力主要體現(xiàn)在智能玩具機(jī)器人具備自我學(xué)習(xí)能力,能夠在與人的交互過(guò)程中通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)的分析不斷獲得新的知識(shí);交互性主要指的是智能玩具機(jī)器人可以與幼兒進(jìn)行情感交流,這也是機(jī)器人實(shí)現(xiàn)教育功能的前提,讓幼兒在玩中學(xué)、玩中做,真正起到寓教于樂(lè)的目的,尤其在學(xué)齡兒童的教育中,智能玩具機(jī)器人能夠起到重要的啟蒙作用。

二、智能玩具機(jī)器人的設(shè)計(jì)構(gòu)想

相比于傳統(tǒng)的只用于娛樂(lè)性的智能玩具,智能玩具機(jī)器人應(yīng)主打人機(jī)互動(dòng),并實(shí)現(xiàn)教育目的。在其設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)加強(qiáng)新技術(shù)、新材料的應(yīng)用,當(dāng)前在之恩那個(gè)玩具機(jī)器人的設(shè)計(jì)中最常見(jiàn)的就是攝像頭的配置,通過(guò)高清攝像頭可以有效的實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互以及遠(yuǎn)程控制或者視頻捕捉并存儲(chǔ)等功能,除此以外,配備有攝像頭的玩具取機(jī)器人還能夠?qū)崿F(xiàn)紅外避障、超聲波避障等,保證其所處環(huán)境的安全,同時(shí)WiFi高清視頻監(jiān)控還能夠滿足家長(zhǎng)監(jiān)督幼兒行為的需求。在設(shè)計(jì)過(guò)程中,智能玩具機(jī)器人還需要具有智能跟隨、定時(shí)提醒、環(huán)境溫濕度檢測(cè)等常見(jiàn)功能,這樣的職能玩具機(jī)器人不僅起到陪伴幼兒的作用,還可以方便家長(zhǎng)利用簡(jiǎn)單的模式來(lái)控制機(jī)器人,并利用機(jī)器人監(jiān)督幼兒的行為。先進(jìn)的智能玩具機(jī)器人還要具備安全模式,這樣能夠及時(shí)提醒幼兒遇到的危險(xiǎn)源并繼續(xù)寧警報(bào)?；诖?本文在只能玩具機(jī)器人的設(shè)計(jì)過(guò)程中進(jìn)行以下構(gòu)想：

(一)硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、總體設(shè)計(jì)。硬件系統(tǒng)在設(shè)計(jì)過(guò)程中所應(yīng)用到的核心處理芯片是Arduino Mega328,包括執(zhí)行模塊、感應(yīng)系統(tǒng)模塊、電源系統(tǒng)模塊、遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)模塊等相關(guān)模塊組成(如下圖1所示)。在整個(gè)硬件系統(tǒng)中,遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)中能夠無(wú)線Wi－Fi信號(hào),信號(hào)需要通過(guò)廣域網(wǎng)或者局域網(wǎng)建立通信連接,當(dāng)連接成功以后就能夠接收相應(yīng)的服務(wù)器指令以及高清攝像頭的圖像數(shù)據(jù),最后將以上接收到的內(nèi)容傳輸?shù)椒?wù)器,便于后續(xù)的數(shù)據(jù)分析與處理。再者,主控系統(tǒng)上的定時(shí)器可以精準(zhǔn)的進(jìn)行定時(shí)計(jì)數(shù),用戶們可以根據(jù)實(shí)際需要來(lái)自行設(shè)定時(shí)間、事件,當(dāng)達(dá)到這一時(shí)間點(diǎn)后,機(jī)器人就會(huì)利用蜂鳴、燈光閃爍等來(lái)提醒用戶,便于用戶根據(jù)顯示屏上的提示內(nèi)容處理事件。

圖1 系統(tǒng)整體框圖

2、主控模塊的設(shè)計(jì)。當(dāng)前在主控模塊的設(shè)計(jì)中主要就是以Arduino Mega328為核心處理芯片,其所具備的性能有：Digital I/O 數(shù)字輸入/輸出端共0～13,Analog I/O 模擬輸入/輸出端共0～5,支持ISP 下載功能。同時(shí),該核心芯片還具備讀取信息數(shù)據(jù)、發(fā)送并處理相應(yīng)的指令數(shù)據(jù)。同時(shí),并根據(jù)其中提取的信息數(shù)據(jù)來(lái)發(fā)出控制信號(hào),控制信號(hào)可以來(lái)控制各部分系統(tǒng)來(lái)操作整個(gè)系統(tǒng)。

3、電源模塊的設(shè)計(jì)。電源模塊的設(shè)計(jì)是整個(gè)系統(tǒng)中較為關(guān)鍵的一部分,關(guān)系到智能玩具機(jī)器人的使用安全及其續(xù)航能力。當(dāng)前,電源模塊使用78M05 芯片作固定輸出三端穩(wěn)壓器,輸入電壓范圍在＋5V～＋18V 之間,固定輸出電壓＋5V,額定輸出電流(最大值)為500m A,輸出電壓精度高達(dá)2%,與此同時(shí),當(dāng)前在電源模塊的設(shè)計(jì)中還帶有熱斷保護(hù)和限流功能,可以有效保障其充電或者使用中的安全。

4、執(zhí)行系統(tǒng)模塊的設(shè)計(jì)。執(zhí)行系統(tǒng)模塊主要實(shí)施的就是驅(qū)動(dòng)功能,即通過(guò)驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)和舵機(jī)就能夠讓智能機(jī)器人“走動(dòng)”起來(lái),使得智能玩具機(jī)器人可以在平滑的路面上移動(dòng)。在當(dāng)前的智能玩具機(jī)器人設(shè)計(jì)中,要想實(shí)現(xiàn)其驅(qū)動(dòng)功能,需要采用的是二維舵機(jī)云臺(tái)來(lái)帶動(dòng)視覺(jué)傳感器的轉(zhuǎn)動(dòng),視覺(jué)傳感器即攝像頭,攝像頭可以通過(guò)攝取周圍環(huán)境的數(shù)據(jù)信息來(lái)判斷周邊環(huán)境是否可以“走動(dòng)”。當(dāng)前技術(shù)應(yīng)用的舵機(jī)云臺(tái)最大支持單片機(jī)控制270 度的旋轉(zhuǎn)角度,在實(shí)際操作中還可以通過(guò)輸入信號(hào)脈沖寬度的周期來(lái)控制舵機(jī)輸出周軸轉(zhuǎn)角的大小。通過(guò)該功能可以方便用戶用手機(jī)等移動(dòng)終端來(lái)控制機(jī)器人中的攝像頭進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng),因此用戶就可以控制機(jī)器人在房間中走動(dòng)并利用攝像頭對(duì)各個(gè)場(chǎng)景進(jìn)行監(jiān)控,同時(shí)將監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)記錄下來(lái)。

5、感應(yīng)系統(tǒng)模塊的設(shè)計(jì)。感應(yīng)系統(tǒng)模塊是智能玩具機(jī)器人中重要的系統(tǒng)組成部分,其實(shí)際運(yùn)行中主要就是檢測(cè)各個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)信息,在智能玩具機(jī)器人中,數(shù)據(jù)信息涵蓋視覺(jué)、紅外、超聲波、光敏以及煙霧傳感器,當(dāng)感應(yīng)系統(tǒng)接收到這些信息后就將其發(fā)送到主控系統(tǒng),主控系統(tǒng)會(huì)判斷這些信息數(shù)據(jù)的可操作性,并根據(jù)其具體內(nèi)容行相應(yīng)的部件程序并作出相應(yīng)的操作指令。在感應(yīng)系統(tǒng)模塊中,煙霧傳感器使其安全模式的重要組成部分,可以直接將警報(bào)指令傳送到手機(jī)等移動(dòng)終端,對(duì)預(yù)防家庭安全事故具有重要的作用。再者,其中的溫濕度傳感器前采用的是下一代的敏感器溫濕度傳感器,其智能性、精確性都較高,應(yīng)用效果較好,可以對(duì)環(huán)境的溫度和適度進(jìn)行檢測(cè),判斷其運(yùn)行環(huán)境的可靠性。

(二)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)。軟件設(shè)計(jì)采用的是Arduino 語(yǔ)言編程,以AVR－GCC 和其他開(kāi)源軟件為基礎(chǔ),并采用Java編寫(xiě)。通過(guò)軟件設(shè)計(jì)能夠增強(qiáng)生活等功能的使用效果,讓幼兒家長(zhǎng)借助智能玩具機(jī)器人與幼兒進(jìn)行交流。當(dāng)前,在軟件設(shè)計(jì)中用到的的算法有目標(biāo)識(shí)別算法、環(huán)境監(jiān)測(cè)算法、時(shí)鐘控制,其中環(huán)境監(jiān)測(cè)算法是通過(guò)傳感器返回的數(shù)據(jù)來(lái)判斷其周圍環(huán)境是否安全,比如是否有障礙物等,并做出相應(yīng)的有效措施;時(shí)鐘控制采用智能化健康、科學(xué)的管理家庭的飲食起居,主要就是利用準(zhǔn)時(shí)提醒功能來(lái)提醒家長(zhǎng)或者幼兒,并幫助幼兒睡眠,在設(shè)計(jì)過(guò)程中,還支持各種互動(dòng)程序,可以更輕松地達(dá)成人機(jī)的互動(dòng)

(三)系統(tǒng)測(cè)試與分析

1、執(zhí)行模塊的設(shè)計(jì)分析。執(zhí)行模塊的功能實(shí)施直接關(guān)系到智能玩具機(jī)器人的實(shí)際操作性能,在其測(cè)試過(guò)程中主要就是將測(cè)試程序?qū)氲街骺匕逯?然后在障礙物環(huán)境中進(jìn)行測(cè)試工作,實(shí)際測(cè)試中需要讓小車實(shí)現(xiàn)自動(dòng)行駛,在無(wú)人控制的情況下,觀察其是否能夠?qū)崿F(xiàn)紅外線避障,超聲波避障的功能,通過(guò)該次測(cè)試能夠判斷智能玩具機(jī)器人是否能夠達(dá)到基礎(chǔ)自動(dòng)行駛功能。

2、攝像頭參數(shù)測(cè)試。攝像頭本身的默認(rèn)參數(shù)沒(méi)有經(jīng)過(guò)調(diào)整,因此視頻效果也無(wú)法滿足人們的高質(zhì)量要求,經(jīng)過(guò)程序調(diào)整后,可以進(jìn)一步優(yōu)化視頻預(yù)覽的效果,參數(shù)調(diào)整的內(nèi)容包括亮度、色彩飽和度、曝光補(bǔ)償、對(duì)比度、濾鏡等等,通過(guò)測(cè)試、調(diào)整能夠達(dá)到預(yù)期的輸出效果。

3、定時(shí)提醒測(cè)試。定時(shí)提醒功能是當(dāng)前智能玩具機(jī)器人的必備功能,也是用戶常用的功能,用戶對(duì)其精確性要求也較高。在該功能中,用戶需要在界面中輸入自己所需要的時(shí)間、事件等,比如：起床時(shí)間、吃飯時(shí)間、寫(xiě)作業(yè)時(shí)間、睡覺(jué)時(shí)間等等。在實(shí)際測(cè)試工作中,到指定時(shí)間后,機(jī)器人的蜂鳴器響起,指示燈閃爍,顯示屏?xí)棾鍪录?nèi)容來(lái)提醒用戶,用戶需要確認(rèn)并取消。

(四)總結(jié)。在上述智能玩具機(jī)器人的設(shè)計(jì)過(guò)程中,主要就是以智能化、互動(dòng)化為為主來(lái)實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互,系統(tǒng)設(shè)計(jì)中還能夠結(jié)合遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)、感應(yīng)系統(tǒng)和執(zhí)行系統(tǒng)方便家長(zhǎng)對(duì)其進(jìn)行控制。以上設(shè)計(jì)具有較高的可玩性、實(shí)用性以及安全性,不管是作為幼兒的早教陪伴機(jī)器還是家庭用戶的生活機(jī)器都具有較好的應(yīng)用效果,可以說(shuō)該設(shè)計(jì)適用于娛樂(lè)、科學(xué)、教育等多種功能的場(chǎng)景。

三、智能玩具機(jī)器人的應(yīng)用

智能機(jī)器人是人工智能領(lǐng)域中發(fā)展的前沿領(lǐng)域,具有高度綜合性、前瞻未來(lái)性、創(chuàng)新實(shí)踐性,蘊(yùn)含著極其豐富的教育資源和應(yīng)用價(jià)值,尤其是對(duì)學(xué)齡前期幼兒來(lái)說(shuō),智能玩具機(jī)器人能夠滿足他們與外界交流的溝通的需要,智能玩具機(jī)器人也成為幼兒們認(rèn)識(shí)世界、了解世界的第一把鑰匙。當(dāng)前,各國(guó)針對(duì)智能玩具機(jī)器人的研究越來(lái)越深入,在其設(shè)計(jì)過(guò)程中普遍運(yùn)用了自然交互的特性,以下將具體介紹幾款智能玩具機(jī)器人的應(yīng)用。

(一)阿爾法小蛋。國(guó)內(nèi)專注于智能語(yǔ)音識(shí)別的科大訊飛推出的阿爾法小蛋是一款個(gè)人陪伴型智能玩具機(jī)器人,其具備陪伴功能、教育功能、生活功能以及家長(zhǎng)交流功能,其中陪伴功能指的是能夠與幼兒聊天,給幼兒講故事;教育功能是可以回答幼兒所提出的一些天馬行空的問(wèn)題,并教給幼兒一些科學(xué)知識(shí)等;生活功能則是可以回答氣候天氣以及咨詢等相關(guān)問(wèn)題,并提供定時(shí)提供等功能;家長(zhǎng)交流功能是指可以讓家長(zhǎng)通過(guò)手機(jī)等移動(dòng)終端來(lái)控制阿爾法小蛋,并用它監(jiān)督幼兒或者與幼兒交流。同時(shí),阿爾法小蛋還具備深度學(xué)習(xí)能力,當(dāng)它無(wú)法回答幼兒所提出的問(wèn)題時(shí),阿爾法小蛋就會(huì)通過(guò)自我學(xué)習(xí)功能進(jìn)行學(xué)習(xí),直到尋找到答案,幼兒在玩耍過(guò)程中就能夠從阿爾法小蛋中學(xué)習(xí)到很多知識(shí),在與阿爾法小蛋的聊天中還能夠鍛煉幼兒的語(yǔ)言表達(dá)能力,促進(jìn)其社會(huì)性的發(fā)展。

(二)小帥機(jī)器人7.0萌芽熊。小帥機(jī)器人聯(lián)合愛(ài)奇藝定制開(kāi)發(fā)的0－8歲全智能安卓教育機(jī)器人——小帥機(jī)器人7.0萌芽熊,集國(guó)內(nèi)硬件工程專家、軟件開(kāi)發(fā)專家、智能教育專家,而開(kāi)發(fā)的一款具有云智慧的全智能安卓機(jī)器人,可愛(ài)的外觀設(shè)計(jì)更能夠吸引幼兒的目光,而且小巧輕便的機(jī)身也便于移動(dòng)、攜帶;它本身自帶護(hù)目屏,在使用時(shí)不僅能聽(tīng)還能看,而且具有護(hù)眼功能,能夠保護(hù)小朋友眼睛視力;它帶有觸摸按鍵,既可以語(yǔ)音控制也可以觸摸按鍵控制,既能動(dòng)口也能訓(xùn)練孩子的動(dòng)手能力,因此也不會(huì)有按鍵殘缺,下陷造成的操作精準(zhǔn)度失誤。相比于當(dāng)前市面上的智能玩具機(jī)器人,小帥萌芽熊的反應(yīng)速度較快。內(nèi)容拓展性也比較強(qiáng),而且還支持遠(yuǎn)端更新功能,進(jìn)一步延長(zhǎng)及其的使用時(shí)間。除此以外,小帥萌芽熊基于先進(jìn)的AI圖像智能識(shí)別和語(yǔ)音交互技術(shù),能夠?qū)崿F(xiàn)真人聲音閱讀繪本功能,在學(xué)齡前幼兒中,其教育功能更強(qiáng)悍。

(三)360兒童智能機(jī)器人。360兒童智能機(jī)器人是一種陪伴智能玩具機(jī)器人,它有一個(gè)叫巴迪的虛擬形象,幼兒們只需要喊出“你好巴迪”就能夠啟動(dòng)機(jī)器人,而且機(jī)器人還帶有攝像頭,如果設(shè)代好的幼兒的臉出現(xiàn)在機(jī)器人的面前也可以瞬間開(kāi)啟,巴迪既具有拒了功能又兼具教育功能,幼兒們可以向巴迪提問(wèn)各種問(wèn)題,而且能夠通過(guò)攝像頭與家長(zhǎng)視頻聊天,或者記錄下幼兒的玩耍影像。

(四)Cozmo智能機(jī)器人。Cozmo是美國(guó)Anki公司開(kāi)發(fā)研究的一款人工智能微型機(jī)器人玩具,主要針對(duì)三歲到六歲之間的幼兒,即學(xué)齡前幼兒,這個(gè)機(jī)器人擁有較為完善的情緒各個(gè)性特征,豈會(huì)自行判斷周圍環(huán)境并做出相應(yīng)的反應(yīng),其屏幕上的藍(lán)色眼睛可以較好的表達(dá)機(jī)器人的情緒。除此以外,在它的眼睛下方還有一個(gè)攝像頭,能夠支持面部識(shí)別技術(shù),主要就是識(shí)別它所認(rèn)識(shí)的幼兒,并與幼兒進(jìn)行游戲,總的來(lái)說(shuō),這款智能玩具機(jī)器人的娛樂(lè)性更強(qiáng),因其帶有情緒化的特征可以與幼兒有更加深入的情感交流。

結(jié)語(yǔ)：綜上所述,幼兒智能玩具機(jī)器人在幼兒的世界中主要起到的是陪伴作用,因此在其設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)注重體現(xiàn)智能性、交互性,當(dāng)幼兒與智能玩具機(jī)器人建立起良好的溝通機(jī)制,也就能夠起到教育作用,同時(shí)要求智能玩具的交互方式也應(yīng)該盡可能的引起幼兒的興趣。設(shè)計(jì)人員也應(yīng)該加強(qiáng)對(duì)先進(jìn)科學(xué)技術(shù)以及信息技術(shù)的應(yīng)用,不斷提高智能玩具機(jī)器人的智能性、交互性與教育性。