幼兒智能玩具機器人的設計與應用

撒宇航

西安市第八十五中學 陜西 西安 710061

引言：對于幼兒來說,玩具的作用不可忽視,幼兒們在玩玩具的時候可以鍛煉其動手能力、想象能力,智能玩具還能夠對幼兒進行良好的啟蒙教育。隨著現代玩具設計理念的不斷變革,智能玩具機器人更能夠滿足娛樂、科學、教育等多種功能的需要,利用智能機器人對幼兒進行智能啟迪還能夠鍛煉幼兒的綜合能力。目前,在智能玩具機器人的設計過程中,應加強新技術的開發應用,不斷提高智能玩具機器人的智能化水平,以便給用戶更加良好的使用體驗。

一、智能玩具機器人

智能玩具機器人是陪伴幼兒玩耍并兼具教育功能的職能玩具設備,是在傳統玩具的基礎上融合現代科學技術以及信息技術而開發出的新型玩具,具有智能性、交互性、教育性等特征。其中智能性主要體現在智能玩具機器人具備對環境的感知能力和理解思考問題的能力,對環境的感知主要是由于其在設計過程中傳感器的應用,傳感器裝置也是當前智能玩具最常見的,理解思考問題的能力主要體現在智能玩具機器人具備自我學習能力,能夠在與人的交互過程中通過對數據的分析不斷獲得新的知識;交互性主要指的是智能玩具機器人可以與幼兒進行情感交流,這也是機器人實現教育功能的前提,讓幼兒在玩中學、玩中做,真正起到寓教于樂的目的,尤其在學齡兒童的教育中,智能玩具機器人能夠起到重要的啟蒙作用。

二、智能玩具機器人的設計構想

相比于傳統的只用于娛樂性的智能玩具,智能玩具機器人應主打人機互動,并實現教育目的。在其設計過程中應加強新技術、新材料的應用,當前在之恩那個玩具機器人的設計中最常見的就是攝像頭的配置,通過高清攝像頭可以有效的實現人機交互以及遠程控制或者視頻捕捉并存儲等功能,除此以外,配備有攝像頭的玩具取機器人還能夠實現紅外避障、超聲波避障等,保證其所處環境的安全,同時WiFi高清視頻監控還能夠滿足家長監督幼兒行為的需求。在設計過程中,智能玩具機器人還需要具有智能跟隨、定時提醒、環境溫濕度檢測等常見功能,這樣的職能玩具機器人不僅起到陪伴幼兒的作用,還可以方便家長利用簡單的模式來控制機器人,并利用機器人監督幼兒的行為。先進的智能玩具機器人還要具備安全模式,這樣能夠及時提醒幼兒遇到的危險源并繼續寧警報。基于此,本文在只能玩具機器人的設計過程中進行以下構想：

(一)硬件系統設計

1、總體設計。硬件系統在設計過程中所應用到的核心處理芯片是Arduino Mega328,包括執行模塊、感應系統模塊、電源系統模塊、遠程控制系統模塊等相關模塊組成(如下圖1所示)。在整個硬件系統中,遠程控制系統中能夠無線Wi－Fi信號,信號需要通過廣域網或者局域網建立通信連接,當連接成功以后就能夠接收相應的服務器指令以及高清攝像頭的圖像數據,最后將以上接收到的內容傳輸到服務器,便于后續的數據分析與處理。再者,主控系統上的定時器可以精準的進行定時計數,用戶們可以根據實際需要來自行設定時間、事件,當達到這一時間點后,機器人就會利用蜂鳴、燈光閃爍等來提醒用戶,便于用戶根據顯示屏上的提示內容處理事件。

圖1 系統整體框圖

2、主控模塊的設計。當前在主控模塊的設計中主要就是以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,該核心芯片還具備讀取信息數據、發送并處理相應的指令數據。同時,并根據其中提取的信息數據來發出控制信號,控制信號可以來控制各部分系統來操作整個系統。

3、電源模塊的設計。電源模塊的設計是整個系統中較為關鍵的一部分,關系到智能玩具機器人的使用安全及其續航能力。當前,電源模塊使用78M05 芯片作固定輸出三端穩壓器,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2%,與此同時,當前在電源模塊的設計中還帶有熱斷保護和限流功能,可以有效保障其充電或者使用中的安全。

4、執行系統模塊的設計。執行系統模塊主要實施的就是驅動功能,即通過驅動直流電機和舵機就能夠讓智能機器人“走動”起來,使得智能玩具機器人可以在平滑的路面上移動。在當前的智能玩具機器人設計中,要想實現其驅動功能,需要采用的是二維舵機云臺來帶動視覺傳感器的轉動,視覺傳感器即攝像頭,攝像頭可以通過攝取周圍環境的數據信息來判斷周邊環境是否可以“走動”。當前技術應用的舵機云臺最大支持單片機控制270 度的旋轉角度,在實際操作中還可以通過輸入信號脈沖寬度的周期來控制舵機輸出周軸轉角的大小。通過該功能可以方便用戶用手機等移動終端來控制機器人中的攝像頭進行轉動,因此用戶就可以控制機器人在房間中走動并利用攝像頭對各個場景進行監控,同時將監控數據記錄下來。

5、感應系統模塊的設計。感應系統模塊是智能玩具機器人中重要的系統組成部分,其實際運行中主要就是檢測各個傳感器的數據信息,在智能玩具機器人中,數據信息涵蓋視覺、紅外、超聲波、光敏以及煙霧傳感器,當感應系統接收到這些信息后就將其發送到主控系統,主控系統會判斷這些信息數據的可操作性,并根據其具體內容行相應的部件程序并作出相應的操作指令。在感應系統模塊中,煙霧傳感器使其安全模式的重要組成部分,可以直接將警報指令傳送到手機等移動終端,對預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,應用效果較好,可以對環境的溫度和適度進行檢測,判斷其運行環境的可靠性。

(二)系統軟件設計。軟件設計采用的是Arduino 語言編程,以AVR－GCC 和其他開源軟件為基礎,并采用Java編寫。通過軟件設計能夠增強生活等功能的使用效果,讓幼兒家長借助智能玩具機器人與幼兒進行交流。當前,在軟件設計中用到的的算法有目標識別算法、環境監測算法、時鐘控制,其中環境監測算法是通過傳感器返回的數據來判斷其周圍環境是否安全,比如是否有障礙物等,并做出相應的有效措施;時鐘控制采用智能化健康、科學的管理家庭的飲食起居,主要就是利用準時提醒功能來提醒家長或者幼兒,并幫助幼兒睡眠,在設計過程中,還支持各種互動程序,可以更輕松地達成人機的互動

(三)系統測試與分析

1、執行模塊的設計分析。執行模塊的功能實施直接關系到智能玩具機器人的實際操作性能,在其測試過程中主要就是將測試程序導入到主控板中,然后在障礙物環境中進行測試工作,實際測試中需要讓小車實現自動行駛,在無人控制的情況下,觀察其是否能夠實現紅外線避障,超聲波避障的功能,通過該次測試能夠判斷智能玩具機器人是否能夠達到基礎自動行駛功能。

2、攝像頭參數測試。攝像頭本身的默認參數沒有經過調整,因此視頻效果也無法滿足人們的高質量要求,經過程序調整后,可以進一步優化視頻預覽的效果,參數調整的內容包括亮度、色彩飽和度、曝光補償、對比度、濾鏡等等,通過測試、調整能夠達到預期的輸出效果。

3、定時提醒測試。定時提醒功能是當前智能玩具機器人的必備功能,也是用戶常用的功能,用戶對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間、事件等,比如：起床時間、吃飯時間、寫作業時間、睡覺時間等等。在實際測試工作中,到指定時間后,機器人的蜂鳴器響起,指示燈閃爍,顯示屏會彈出事件內容來提醒用戶,用戶需要確認并取消。

(四)總結。在上述智能玩具機器人的設計過程中,主要就是以智能化、互動化為為主來實現人機交互,系統設計中還能夠結合遠程控制系統、感應系統和執行系統方便家長對其進行控制。以上設計具有較高的可玩性、實用性以及安全性,不管是作為幼兒的早教陪伴機器還是家庭用戶的生活機器都具有較好的應用效果,可以說該設計適用于娛樂、科學、教育等多種功能的場景。

三、智能玩具機器人的應用

智能機器人是人工智能領域中發展的前沿領域,具有高度綜合性、前瞻未來性、創新實踐性,蘊含著極其豐富的教育資源和應用價值,尤其是對學齡前期幼兒來說,智能玩具機器人能夠滿足他們與外界交流的溝通的需要,智能玩具機器人也成為幼兒們認識世界、了解世界的第一把鑰匙。當前,各國針對智能玩具機器人的研究越來越深入,在其設計過程中普遍運用了自然交互的特性,以下將具體介紹幾款智能玩具機器人的應用。

(一)阿爾法小蛋。國內專注于智能語音識別的科大訊飛推出的阿爾法小蛋是一款個人陪伴型智能玩具機器人,其具備陪伴功能、教育功能、生活功能以及家長交流功能,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題,并教給幼兒一些科學知識等;生活功能則是可以回答氣候天氣以及咨詢等相關問題,并提供定時提供等功能;家長交流功能是指可以讓家長通過手機等移動終端來控制阿爾法小蛋,并用它監督幼兒或者與幼兒交流。同時,阿爾法小蛋還具備深度學習能力,當它無法回答幼兒所提出的問題時,阿爾法小蛋就會通過自我學習功能進行學習,直到尋找到答案,幼兒在玩耍過程中就能夠從阿爾法小蛋中學習到很多知識,在與阿爾法小蛋的聊天中還能夠鍛煉幼兒的語言表達能力,促進其社會性的發展。

(二)小帥機器人7.0萌芽熊。小帥機器人聯合愛奇藝定制開發的0－8歲全智能安卓教育機器人——小帥機器人7.0萌芽熊,集國內硬件工程專家、軟件開發專家、智能教育專家,而開發的一款具有云智慧的全智能安卓機器人,可愛的外觀設計更能夠吸引幼兒的目光,而且小巧輕便的機身也便于移動、攜帶;它本身自帶護目屏,在使用時不僅能聽還能看,而且具有護眼功能,能夠保護小朋友眼睛視力;它帶有觸摸按鍵,既可以語音控制也可以觸摸按鍵控制,既能動口也能訓練孩子的動手能力,因此也不會有按鍵殘缺,下陷造成的操作精準度失誤。相比于當前市面上的智能玩具機器人,小帥萌芽熊的反應速度較快。內容拓展性也比較強,而且還支持遠端更新功能,進一步延長及其的使用時間。除此以外,小帥萌芽熊基于先進的AI圖像智能識別和語音交互技術,能夠實現真人聲音閱讀繪本功能,在學齡前幼兒中,其教育功能更強悍。

(三)360兒童智能機器人。360兒童智能機器人是一種陪伴智能玩具機器人,它有一個叫巴迪的虛擬形象,幼兒們只需要喊出“你好巴迪”就能夠啟動機器人,而且機器人還帶有攝像頭,如果設代好的幼兒的臉出現在機器人的面前也可以瞬間開啟,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各種問題,而且能夠通過攝像頭與家長視頻聊天,或者記錄下幼兒的玩耍影像。

(四)Cozmo智能機器人。Cozmo是美國Anki公司開發研究的一款人工智能微型機器人玩具,主要針對三歲到六歲之間的幼兒,即學齡前幼兒,這個機器人擁有較為完善的情緒各個性特征,豈會自行判斷周圍環境并做出相應的反應,其屏幕上的藍色眼睛可以較好的表達機器人的情緒。除此以外,在它的眼睛下方還有一個攝像頭,能夠支持面部識別技術,主要就是識別它所認識的幼兒,并與幼兒進行游戲,總的來說,這款智能玩具機器人的娛樂性更強,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。

結語：綜上所述,幼兒智能玩具機器人在幼兒的世界中主要起到的是陪伴作用,因此在其設計過程中應注重體現智能性、交互性,當幼兒與智能玩具機器人建立起良好的溝通機制,也就能夠起到教育作用,同時要求智能玩具的交互方式也應該盡可能的引起幼兒的興趣。設計人員也應該加強對先進科學技術以及信息技術的應用,不斷提高智能玩具機器人的智能性、交互性與教育性。