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

      2021-10-26 13:37:40金玉潔王奧龍慧
      機(jī)械制造與自動(dòng)化 2021年5期
      關(guān)鍵詞:玩具芯片驅(qū)動(dòng)

      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。

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