Arduino平臺(tái)下的智能機(jī)器人玩具設(shè)計(jì)

金玉潔，王奧，龍慧

(長(zhǎng)沙師范學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410100)

0 引言

依據(jù)現(xiàn)有研究成果發(fā)現(xiàn)，游戲是兒童認(rèn)知社會(huì)、學(xué)習(xí)知識(shí)的有效手段之一[1]。玩具是游戲的載體，不但能夠帶給兒童快樂(lè)，還能幫助兒童去探索、學(xué)習(xí)世界。在游戲過(guò)程中，構(gòu)建兒童的思維體系，幫助兒童身心健康發(fā)展。兒童具備游戲本能，而玩具是打開(kāi)兒童未知世界的鑰匙，對(duì)兒童想象力、認(rèn)知能力、思維邏輯能力的開(kāi)發(fā)均起著至關(guān)重要的作用。

目前，兒童玩具正向著智能化、高科技方向發(fā)展。智能機(jī)器人玩具指的是借助傳統(tǒng)玩具外形，安裝高效電子器件的新型智能玩具設(shè)備[2]。相較于傳統(tǒng)玩具，智能機(jī)器人玩具具備創(chuàng)新性、自學(xué)習(xí)性、反饋性等優(yōu)勢(shì)，能夠在玩具與兒童之間建立更加親密的聯(lián)系，為兒童提供更加豐富的游戲體驗(yàn)。如基于信息技術(shù)和“互聯(lián)網(wǎng)+”的兒童智能玩具[3]和陪伴型動(dòng)畫機(jī)器人玩具[4]等。由于控制器自身性能限制，現(xiàn)今市面上的智能機(jī)器人玩具存在著交互種類較少、交互響應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)的缺點(diǎn)，難以滿足現(xiàn)今兒童成長(zhǎng)的需求，故本文提出Arduino平臺(tái)下的智能機(jī)器人玩具設(shè)計(jì)研究。

1 智能機(jī)器人玩具硬件單元設(shè)計(jì)

硬件單元是智能機(jī)器人玩具運(yùn)行的基礎(chǔ)與前提。本文依據(jù)兒童成長(zhǎng)需求，設(shè)計(jì)智能機(jī)器人玩具硬件單元，其主要包括主控制器單元、電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元與交互裝置硬件選取單元三部分。

1.1 主控制器單元

隨著Arduino平臺(tái)應(yīng)用范圍的不斷擴(kuò)大，采用Arduino芯片實(shí)現(xiàn)智能機(jī)器人玩具的控制已經(jīng)成為現(xiàn)今電子領(lǐng)域的重點(diǎn)研究問(wèn)題之一[5]。Arduino平臺(tái)中硬件控制板豐富，故具備較好的控制性能。在Arduino平臺(tái)應(yīng)用過(guò)程中，Arduino芯片選型至關(guān)重要。

依據(jù)智能機(jī)器人玩具設(shè)計(jì)需求，Arduino芯片需要控制遙控、電機(jī)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，因此Arduino芯片I/O口最少20個(gè)。此研究選取AVR單片機(jī)制作與Arduino平臺(tái)兼容的核心Arduino藍(lán)核，其I/O口數(shù)量為32個(gè)，主頻為16MHz，存儲(chǔ)為64K Flash，AD接口數(shù)量為8個(gè)，串口數(shù)量為2個(gè)，適合快速開(kāi)發(fā)項(xiàng)目的應(yīng)用。

Arduino藍(lán)核技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 Arduino藍(lán)核技術(shù)參數(shù)表

由上述可知，Arduino芯片具備32個(gè)I/O口，對(duì)其第二功能進(jìn)行介紹，具體如表2所示。

表2 I/O口第二功能表

此外，Arduino藍(lán)核還具備擴(kuò)展板，這是芯片發(fā)揮功能、擴(kuò)展外圍服務(wù)電路的關(guān)鍵。本文采用的是雙電源IC供電方式，此種方式能夠在I/O口短路后，保障Arduino芯片的正常作業(yè)，提升設(shè)計(jì)玩具的穩(wěn)定性。

為了保證擴(kuò)展板與其他版塊的有效連接，將中間數(shù)據(jù)線接口轉(zhuǎn)換為串口通信線，并且用戶可以對(duì)任意I/O口進(jìn)行自定義，為用戶提供更加優(yōu)質(zhì)的服務(wù)[6]。

1.2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元

電機(jī)驅(qū)動(dòng)是智能機(jī)器人玩具運(yùn)行的關(guān)鍵硬件單元之一。若是使用擴(kuò)展板驅(qū)動(dòng)電機(jī)，需要單獨(dú)對(duì)擴(kuò)展板進(jìn)行充電，較為復(fù)雜與混亂，故設(shè)計(jì)玩具以驅(qū)動(dòng)芯片驅(qū)動(dòng)電機(jī)。依據(jù)設(shè)計(jì)需求，電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片有兩種備選方案，一種是集成驅(qū)動(dòng)芯片，其優(yōu)勢(shì)為電路簡(jiǎn)單、調(diào)試容易、故障率低等；劣勢(shì)為內(nèi)阻較大、利用率低、電流驅(qū)動(dòng)能力有限等。另一種是MOS橋驅(qū)動(dòng)芯片，其優(yōu)勢(shì)為負(fù)載能力強(qiáng)、可定制能力強(qiáng)、成本低廉等，劣勢(shì)暫無(wú)。故設(shè)計(jì)玩具選取L293D驅(qū)動(dòng)芯片作為電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元的核心。

L293D驅(qū)動(dòng)芯片實(shí)質(zhì)上是一款高電流、4通道高電壓的芯片，主要承擔(dān)著連接電機(jī)邏輯門輸出與控制信號(hào)的責(zé)任[7]。常用L293D驅(qū)動(dòng)芯片具備引腳數(shù)量為16個(gè)，具體如圖1所示。

圖1 L293D驅(qū)動(dòng)芯片引腳示意圖

L293D驅(qū)動(dòng)芯片峰值輸出電流約為1.2A，連續(xù)輸出電流約為600mA，電壓范圍約為4.5～36V。L293D驅(qū)動(dòng)芯片需要成對(duì)使用，能夠同時(shí)驅(qū)動(dòng)一個(gè)或者兩個(gè)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。L293D驅(qū)動(dòng)芯片驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)為“H”橋，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化圖如圖2所示。

圖2 簡(jiǎn)化“H”橋結(jié)構(gòu)示意圖

如圖2所示，當(dāng)Q1Q4導(dǎo)通時(shí)，電流方向由左向右，電機(jī)按順時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)；當(dāng)Q2Q3導(dǎo)通時(shí)，電流方向由右向左，電機(jī)按逆時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)。由此可見(jiàn)，導(dǎo)通方式的不同決定著電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的方向。

1.3 交互裝置硬件選取單元

自然交互是智能機(jī)器人玩具的主要功能，而交互裝置硬件選取也是硬件單元中的關(guān)鍵。交互裝置硬件主要由信號(hào)輸入、信號(hào)處理與反饋輸出三部分構(gòu)成。其中，信號(hào)輸入硬件主要包含溫度傳感器、濕度傳感器、壓力傳感器、姿勢(shì)傳感器等，由于篇幅的限制不再對(duì)各種傳感器進(jìn)行詳細(xì)描述。

信號(hào)處理需要依據(jù)智能機(jī)器人玩具的實(shí)際負(fù)載與精度進(jìn)行適當(dāng)?shù)?、科學(xué)地選取，此研究利用Arduino平臺(tái)相關(guān)開(kāi)發(fā)板來(lái)設(shè)計(jì)相應(yīng)信號(hào)處理硬件。

反饋輸出是自然交互部分的關(guān)鍵構(gòu)成組分之一，直接影響著用戶的體驗(yàn)感覺(jué)。反饋輸出硬件主要包含聲音信號(hào)輸出、光信號(hào)輸出、電信號(hào)輸出等。

交互裝置硬件選取并沒(méi)有固定的標(biāo)準(zhǔn)，存在著一定的變化性，但信號(hào)輸入、信號(hào)處理與反饋輸出三個(gè)部分缺一不可，只有同時(shí)包含三個(gè)部分，才是一個(gè)完整的自然交互裝置系統(tǒng)。

利用上述過(guò)程完成了智能機(jī)器人玩具硬件單元的設(shè)計(jì)與選取，但是依然無(wú)法實(shí)現(xiàn)智能機(jī)器人玩具的穩(wěn)定運(yùn)行，故以設(shè)計(jì)硬件單元為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)智能機(jī)器人玩具軟件模塊。

1.4 硬件整體結(jié)構(gòu)原理

通過(guò)對(duì)各種硬件的整體結(jié)構(gòu)原理和系統(tǒng)比較分析，在最初的設(shè)計(jì)階段，智能故事機(jī)的設(shè)計(jì)定位是交互性強(qiáng)的玩具設(shè)計(jì)，并著重強(qiáng)調(diào)了親子游戲或多個(gè)小朋友參與的寓教于樂(lè)的設(shè)計(jì)理念?；谶@一設(shè)計(jì)理念，對(duì)游戲W和故事機(jī)進(jìn)行了一些新功能的設(shè)計(jì)。對(duì)新產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的故事機(jī)設(shè)計(jì)元素、解決功能元素、系統(tǒng)整體元素、產(chǎn)品關(guān)鍵技術(shù)元素、專用資源分析、新產(chǎn)品設(shè)計(jì)方案比較分析，研究確定故事機(jī)的合理性能，從中選擇最佳方案。

2 智能機(jī)器人玩具軟件模塊設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的智能機(jī)器人玩具軟件模塊包含Arduino開(kāi)發(fā)環(huán)境配置模塊、自然交互方式原則模塊與自然交互應(yīng)用模塊三部分。

2.1 軟件模塊功能

該系統(tǒng)包括語(yǔ)音識(shí)別模塊功能、藍(lán)牙模塊、LCD顯示模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、按鍵模塊和最小系統(tǒng)，多串口STC12C5A60S2單片機(jī)作為系統(tǒng)主控芯片。利用ASRM08-A語(yǔ)音控制模塊實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音交互功能，識(shí)別精度高。通過(guò)HC-06藍(lán)牙串口通信模塊，單片機(jī)與移動(dòng)電話端的 APP應(yīng)用程序進(jìn)行通信，以控制機(jī)器人的移動(dòng)。通過(guò)藍(lán)牙模塊將機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)指令發(fā)送到單片機(jī)，如前進(jìn)、后退、旋轉(zhuǎn)、加速、舞蹈等，通過(guò)單片機(jī)將控制指令發(fā)送到電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，控制機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)。LCD模組主要負(fù)責(zé)互動(dòng)過(guò)程中的指令顯示及其他與娛樂(lè)、教學(xué)相關(guān)的界面顯示。

2.2 軟件系統(tǒng)的整體組成與流程

程序軟件設(shè)計(jì)的組成與流程，如圖3所示。在程序開(kāi)始時(shí)根據(jù)外部開(kāi)關(guān)的狀態(tài)選擇了串口1和串口2狀態(tài)。在選擇串口1進(jìn)入藍(lán)牙控制模式后，主控機(jī)器人前進(jìn)、后退和轉(zhuǎn)向，選擇串口2進(jìn)入語(yǔ)音識(shí)別模塊。使用已有的語(yǔ)音模式識(shí)別檢測(cè)軟件完成語(yǔ)音識(shí)別測(cè)試。

圖3 系統(tǒng)軟件總體流程圖

2.3 Arduino開(kāi)發(fā)環(huán)境配置模塊

Arduino平臺(tái)實(shí)質(zhì)上是一款開(kāi)源硬件設(shè)計(jì)平臺(tái)，其配套的軟件設(shè)計(jì)平臺(tái)為Arduino IDE，也是Arduino藍(lán)核的編譯器，編寫語(yǔ)言為Java。

Arduino IDE是智能機(jī)器人玩具軟件開(kāi)發(fā)的關(guān)鍵平臺(tái)。首先應(yīng)該依據(jù)串口類型配置相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序，驅(qū)動(dòng)程序安裝完成后，在控制面板中即可看到安裝完成的端口號(hào)。另外，進(jìn)入Arduino平臺(tái)，在工具欄中選取對(duì)應(yīng)的板子以及端口號(hào)，在板子與端口號(hào)配置完備后，對(duì)軟件代碼進(jìn)行編寫、調(diào)試與下載。

2.4 自然交互方式原則模塊

自然交互方式原則主要分為三種，詳細(xì)描述如下：

原則一 以用戶為中心，即將用戶行為與感受考慮在智能機(jī)器人玩具設(shè)計(jì)的整個(gè)過(guò)程中[8]。在現(xiàn)今智能機(jī)器人玩具設(shè)計(jì)領(lǐng)域中，用戶體驗(yàn)主要包含感官體驗(yàn)、娛樂(lè)與教育、情感體驗(yàn)與互動(dòng)體驗(yàn)；

原則二 多模態(tài)交互，即設(shè)計(jì)玩具中多種感官通道融合的交互方式，也是自然交互方式的最大特點(diǎn)。智能機(jī)器人玩具自然交互的要點(diǎn)為多感覺(jué)通道、交互雙向性、隱式性與非精確性等；

原則三 智能感知，即利用多種傳感器對(duì)使用者及其周邊環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)的感知，為自然交互提供全面信息以及多維度感知能力。智能感知是智能機(jī)器人玩具實(shí)現(xiàn)自然交互性的關(guān)鍵和基礎(chǔ)。

2.5 自然交互應(yīng)用模塊

所設(shè)計(jì)的智能機(jī)器人玩具中，自然交互應(yīng)用主要包含語(yǔ)音交互、手勢(shì)交互、穿戴交互與情感交互等，由于篇幅的限制，本文僅針對(duì)情感交互模型進(jìn)行詳細(xì)描述。

利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來(lái)創(chuàng)建設(shè)計(jì)玩具的情感交互模型。設(shè)定BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸入層節(jié)點(diǎn)數(shù)量為4，分別代表4種情感值(高興、悲傷、驚訝與厭惡)，節(jié)點(diǎn)輸入范圍為[0,1]，輸出層節(jié)點(diǎn)數(shù)量與涵義與輸入層相同，但輸出量取值范圍為0或者1，描述某種情感是否被激活。

為了加快BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練速度，以此來(lái)降低設(shè)計(jì)玩具的響應(yīng)時(shí)間，設(shè)置動(dòng)量系數(shù)α為0.5，初始步長(zhǎng)η為0.4，BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)總誤差計(jì)算公式如下：

(1)

其中：E表示BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際輸出；Ep表示BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的目標(biāo)輸出。

BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練樣本設(shè)置為20組，由于篇幅的限制，只對(duì)其中部分進(jìn)行展示，具體如表3所示。

表3 部分BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練樣本表

通過(guò)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)誤差計(jì)算可知，當(dāng)隱含層節(jié)點(diǎn)數(shù)量為4時(shí)，BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)總誤差為0.361 916；當(dāng)隱含層節(jié)點(diǎn)數(shù)量為5時(shí)，BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)總誤差為0.359 574；隱含層節(jié)點(diǎn)數(shù)量為6時(shí)，BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)總誤差為0.366 202。故確定BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)隱含層節(jié)點(diǎn)數(shù)量為5，最小神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)誤差取值為0.3。

通過(guò)上述硬件單元與軟件模塊的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了智能機(jī)器人玩具的運(yùn)行，為兒童提供更加優(yōu)質(zhì)的智能機(jī)器人玩具，幫助兒童健康成長(zhǎng)。

3 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

為了驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)的Arduino平臺(tái)下的智能機(jī)器人玩具與現(xiàn)有玩具之間的差距，設(shè)計(jì)如下對(duì)比實(shí)驗(yàn)。

3.1 設(shè)計(jì)玩具自然交互方式

以用戶需求為主，設(shè)計(jì)玩具的自然交互方式，具體如表4所示。

表4 玩具交互方式表

依據(jù)用戶(兒童)喜愛(ài)的動(dòng)漫形象，將智能機(jī)器人玩具外觀設(shè)置為白色，取名為小白智能機(jī)器人玩具，其外觀設(shè)計(jì)如圖4所示。

圖4 小白智能機(jī)器人玩具示意圖

語(yǔ)音交互是設(shè)計(jì)玩具的核心功能，故制定完備的語(yǔ)音自然交互模型，如圖5所示。

圖5 語(yǔ)音自然交互模型示意圖

3.2 設(shè)計(jì)玩具調(diào)試連接圖

設(shè)計(jì)玩具調(diào)試連接是保障實(shí)驗(yàn)順利進(jìn)行的基礎(chǔ)與關(guān)鍵，主要是指將驅(qū)動(dòng)芯片、Arduino板子、遙控手柄、電源模塊等進(jìn)行接線，這也是調(diào)試的最后一個(gè)步驟，如圖6所示。

圖6 設(shè)計(jì)玩具調(diào)試連接示意圖

3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

采用傳統(tǒng)的基于信息技術(shù)和“互聯(lián)網(wǎng)+”的兒童智能機(jī)器人玩具與本文設(shè)計(jì)的智能機(jī)器人玩具進(jìn)行功能測(cè)試，通過(guò)交互種類的多少與交互響應(yīng)時(shí)間來(lái)反映設(shè)計(jì)玩具的基本性能。

通過(guò)實(shí)驗(yàn)獲得不同機(jī)器人玩具的交互種類數(shù)據(jù)如表5所示。

表5 交互種類數(shù)據(jù)表

如表5所示，相較于傳統(tǒng)的智能機(jī)器人玩具，本文設(shè)計(jì)的智能機(jī)器人玩具的交互種類更多，可實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音、手勢(shì)、穿戴和情感四方面的交互。

通過(guò)實(shí)驗(yàn)獲得不同機(jī)器人玩具的交互響應(yīng)時(shí)間數(shù)據(jù)如表6所示。

表6 平均交互響應(yīng)時(shí)間數(shù)據(jù)表

如表6數(shù)據(jù)顯示，本文設(shè)計(jì)的智能機(jī)器人玩具的交互響應(yīng)時(shí)間數(shù)據(jù)范圍為9.56ms～12.45ms，傳統(tǒng)的智能機(jī)器人玩具的交互響應(yīng)時(shí)間數(shù)據(jù)范圍為18.56ms～25.71ms。相比之下，本文設(shè)計(jì)的智能機(jī)器人玩具的交互響應(yīng)速度更快。

上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示：與傳統(tǒng)的玩具相比較，本文設(shè)計(jì)的智能機(jī)器人玩具交互種類較多，且交互響應(yīng)時(shí)間較短，充分證明其基本功能更優(yōu)。

4 結(jié)語(yǔ)

本文基于Arduino平臺(tái)設(shè)計(jì)了一種新的智能機(jī)器人玩具，增加了玩具的交互種類，縮短了玩具的交互響應(yīng)時(shí)間，為兒童提供更全面、良好的游戲體驗(yàn)，也為兒童發(fā)展與成長(zhǎng)提供更加優(yōu)質(zhì)的服務(wù)與幫助。