基于樹莓派開發板的F1吉祥物機器人設計

馮曉晨+張鐵成+段家興

摘 要：設計了綜合應用樹莓派等開發板、以舵機為動力源的機械傳動機構、計算機輔助設計技術和3D打印技術的一款通過液晶觸摸屏在賽前提供給觀眾信息咨詢和迎賓服務的機器人。分析和解決了產品造型設計與內部機構的有機結合等相關問題，使其在產品內部機構設計的前提下，外部的造型設計及結構設計滿足生產加工的要求，體現出特定的設計風格的同時使機構運行平穩。討論和研究了如何充分應用現有樹莓派等開發板、觸屏語言識別模塊、多路舵機控制模塊、舵機、語音模塊，完成機器人控制系統的設計，并能進行簡單的語音識別、控制指定部件的運動等具體事項。

關鍵詞：樹莓派；迎賓機器人；F1吉祥物

中圖分類號：TP242 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2017）30-0032-02

引言

F1吉祥物機器人以世界三大體育盛事之一的F1為依托，是一款綜合應用單片機開發版、觸屏語言識別、以舵機為動力源的機械傳動機構和計算機輔助設計技術，在F1會場通過液晶觸摸屏介紹比賽相關信息、場館信息，同時可以與觀眾簡單互動的智能迎賓機器人。該機器人造型源于為F1賽設計的吉祥物形象、機器人的動作及交互過程具有趣味性等特點。通過對紅外線距離感應器，顯示屏模塊，舵機模塊，語音模塊等模塊的研究，實現機器人認知識別、自主互動、動作展示等多項功能，能更準確地更直接地為每個人提供他們所想要的東西，使人機關系更加深入。

1 F1吉祥物機器人設計思路

1.1 F1吉祥物機器人設計目的

世界一級方程式錦標賽（FIA Formula 1 World Championship），簡稱F1，是由國際汽車運動聯合會（FIA）舉辦的最高等級的年度系列場地賽車比賽，是當今世界最高水平的賽車比賽，與奧運會、世界杯足球賽并稱為“世界三大體育盛事”，但是很多人對此并不了解，第一次去觀看比賽的觀眾難免會出現對比賽規則或賽程不夠了解、對比賽會場不夠熟悉等相關問題，而這些問題都可以在F1吉祥物機器人這里得到解決。

1.2 同類研究工作國內外研究現狀

世界機器人行業發展現狀：工業機器人和服務機器人的市場規模持續擴大，其中工業機器人發展高度集中，服務機器人市場處于起步階段。

我國機器人行業發展現狀：根據新戰略機器人產業研究所最新公布的分省機器人企業數據情況，整體來看，截至2016年6月，在企業總量上，與4月份的榜單中3400家企業相比，6月份3800多家，增幅為12.68%。兩個月有如此增幅，可以說機器人行業目前處于高速發展階段，十分迅猛。我國相繼有餐廳推出服務迎賓機器人服務生，但賽事吉祥物機器人只有海寶機器人這一先例。

1.3 F1吉祥物機器人創新之處

目前的已有的迎賓機器人主要通過逼真的人形，身高，體型，表情來體現人性化。但就目前來說，已應用的機器人功能相對單一，最多只能實現人機交互的作用，給人以新鮮感，并不能從中獲得自己想要的東西。該項目通過對紅外線距離感應器，顯示屏模塊，舵機模塊，語音模塊等模塊的研究，實現機器人認知識別、自主互動、動作展示等多項功能，能更準確地更直接地為每個人提供他們所想要的東西，使人機關系更加深入。

通過觸屏語言識別等相關技術，以脫離傳統的人控制，而進入人機協作的階段，機器人能和人有更多的交互方式，在智能上也能有進一步的提升。

以世界三大體育盛事之一的F1為依托，使機器人能有更大的受眾度，來改善目前機器人不能得到大范圍應用的窘境，使機器人能有更好的發展，更好的在未來為人類提供服務。

1.4 F1吉祥物機器人應用前景

隨著科學技術的發展，機器人的應用領域越來越廣泛，用于服務業的機器人數量也將大大增加，迎賓機器人作為服務機器人的一種，具有廣闊的市場前景。F1吉祥物機器人作為一款專為F1比賽設計的迎賓機器人，會在每年都如期舉行的F1比賽中為上百萬觀眾提供切實的幫助。F1會場迎賓吉祥物機器人也可作為一款玩具或者一款大型的戶外娛樂裝置，具有廣泛的應用空間，也可作為單片機開發和機械機構教學的教具。F1吉祥物機器人的設計實踐可探討單片機開發板在機械自動化控制中的應用過程及方法，為設計制作運動機構及智能化產品奠定了理論基礎，還可研究樹莓派等開發板結合傳感器、液晶觸摸屏在大型機械互動裝置中的應用方法。

2 F1吉祥物機器人研究內容與方法

2.1 產品造型設計

吉祥物機器人造型設計以白色為主，連接處采用黑色，頭盔及其他部分采用紅色，紅色傳達出象征賽車的熱烈、激情的視覺感受，紅黑白三色也是F1比賽標志所用顏色。使用計算機輔助設計軟件完成機器人整體的設計，包括胸口的液晶觸摸屏、有輪子的底盤等部分?？紤]到安全性，所以整體造型采用流暢圓滑的設計風格，同時代表F1賽車的流線型的線條和結構。

2.2 計算機輔助設計

機器人機構設計通過計算機輔助設計的方式，完成機器人頭部的轉動及其他身體機構的運動。機構的運動有舵機作為動力源，通過連桿、齒輪等機構完成指定的機構運動。在計算機仿真合理的前提下，制作實物模型。

2.3 單片機控制

采用樹莓派等開發板作為此機器人的控制中心，完成語音及動作組的設計，使本機器完成相應指令下的語音介紹和簡單的握手等動作。

2.4 紅外線距離傳感器

紅外線測距離傳感器是一種利用紅外線反射原理對障礙物距離進行測量的傳感器。F1吉祥物機器人通過紅外線感應器對周圍環境的距離進行感應，一旦有游客或者參賽選手走進吉祥物時，將會觸發語音模塊使其主動向人們打招呼。

2.5 語音模塊

語音模塊執行的具體過程為：語音識別模塊接收到外部語音，并對所接收到的外部語言做出識別并轉換成對應的二進制代碼，經由并行口傳送至核心處理器，核心處理器接收二進制代碼后執行對應的功能。F1吉祥物機器人應用語音模塊完成一些簡單的語句，比如：“你好啊，我是F1的吉祥物機器人”或者是：“Hello，很高興遇到你”，通過這種方式快速拉近吉祥物機器人和人之間的關系。endprint

2.6 觸屏語言識別

觸摸屏顯示器可以讓使用者只要用手指輕輕地碰計算機顯示屏上的圖符或文字就能實現對主機操作，這樣擺脫了鍵盤和鼠標操作，使人機交互更為直截了當。F1吉祥物機器人胸前的觸摸顯示器可以為觀眾提供了解比賽相關信息，了解規則，了解運動員的服務，可以通過點擊顯示屏上的各種選項來獲取所需要知道的內容；顯示屏也可顯示場館的地圖，從而方便觀眾更快的找到所想去的位置。顯示屏設為中英雙語，方便國際友人查看。

2.7 機械傳動機構及結構設計

舵機也叫伺服電機，是一種位置（角度）伺服的驅動器，能夠利用簡單的輸入信號比較精確的轉動給定角度的電機系統，目前主要應用智能小車以實現轉向以及機器人各類關節運動中。舵機的控制信號由單片機產生，轉軸的角度隨輸入信號的脈沖寬度變化成正比。F1吉祥物機器人通過舵機完成對手腳的控制，平時保持揮手歡迎的動作，也可與人握手互動；底盤的輪子方便機器人到處移動，不時地走動更加顯得活潑真實。

2.8 3D打印實踐

通過計算機輔助設計的方式，在三維數字化環境下完成造型設計、結構設計和內部機構的設計，采用3D打印機完成實物模型的打印，通過實物展示互動效果。

3 結束語

本文概述了F1吉祥物機器人的研究成果吉祥物形象從外觀設計到計算機輔助設計，都經過了多方案的比較和選取，不斷改進；機器人綜合應用片機控制、紅外線距離傳感器、語音模塊、觸屏語言識別、舵機以及3D打印技術。F1吉祥物機器人設計目的明確，應用前景廣泛，其設計意義還會隨著技術的不斷發展得到突破和提高。

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