基于EV3教育機器人的電子寵物應用研究*

周穎怡

（嶺南師范學院，廣東 湛江 524048）

0 概述

由于人口結構、家庭、社會結構的變化，空巢青年、老年群體人數正在逐漸增多，為了尋求精神的寄托，人們開始需要更豐富的精神生活，電子寵物應運而生[1]。電子寵物可以實現陪伴、緩解壓力等功能，具有巨大的發展潛力[2]。

本課題采用EV3機器人作為搭載電子寵物的基本套件，EV3機器人擁有獨立開放的編程程序，它的功能強大，通過機械部件與編程的組合，能夠完成多種機械動作[3]；配備編程軟件以及使用手冊，讓廣大用戶能夠根據自身的需要來改變程序，以實現更多功能，親身體驗編程的樂趣，培養用戶的科學素養[4]。

1 EV3套件介紹

本課題設計的EV3寵物機器人是指以EV3機器人為搭建主體的電子寵物狗“小白”，寵物的身體由各類積木、電動機、傳感器以及主控制器組成，在編程軟件上完成程序編寫并導入到主控制器，則可實現預設功能[5]。該電子寵物的主要功能包括：能夠完成基本動作，如發聲、揮手等，并且能夠實現人寵互動，對使用者的指令實現實時響應。

EV3機器人核心套件如下：

1）“智能磚頭”——EV3程序塊。EV3機器人的特點之一就是它擁有一個“大腦”一般的主控制器[6]。以往使用者在編程完成后，往往需要將程序從計算機下載到機器人，而在配備了主控制器之后，使用者不僅可以將程序儲存在上面，還可以直接通過主控制器完成編程，從而快速檢驗程序有效性。

2）各類傳感器，包括超聲波傳感器、紅外傳感器、陀螺儀傳感器、顏色傳感器、聲音傳感器以及觸動傳感器等等。如果說主控制器是EV3機器人的“大腦”，那么這些傳感器就相當于機器人的“五官”，高精度的傳感器能夠幫助機器人感受周圍的環境，并根據預設做出響應[7]。

3）各類積木和電機，即EV3機器人的“軀干”和“四肢”。通過改變不同積木之間的搭配，能夠組合出多種多樣的機器人模型，電機為機器人的行動提供動力[8]。

4）配備了搭建手冊和編程軟件EST。EV3機器人采用圖形化編程，將不同的模塊進行合理組合，則可以實現指定動作，如前進、后退、轉彎等，配合不同傳感器能接收不同的信號，實現更高級的動作[9]。

2 電子寵物“小白”的造型制作

電子寵物“小白”的頭部由主程序塊構成，主屏幕能夠顯示它的表情，兩只“耳朵”讓它看起來更加生動形象，超聲波傳感器、顏色傳感器位于“下巴”處。“小白”的軀干部分由中型電機、聲音傳感器、觸碰傳感器以及各種積木構成，尾部用金屬圓球模擬小狗的“尾巴”。電子寵物“小白”的正視圖如圖1所示，側視圖如圖2所示。

圖1 “小白”正視圖

圖2 “小白”側視圖

3 電子寵物“小白”的程序設計

3.1 電子驅動的實現

“小白”的軀干有一個中型電機，連接的是主程序塊的A端口。中型電機帶動蝸輪轉動，通過蝸輪蝸桿傳動，可以實現上下點頭的動作。

“小白”的后肢有兩個大型電機，連接的分別是主程序塊的B端口和D端口。大型電機帶動齒輪轉動，通過齒輪之間相互嚙合傳動，使得輪胎轉動，實現移動。

3.2 傳感器的實現

“小白”身上有4個傳感器，分別是超聲波傳感器、聲音傳感器、顏色傳感器及觸動傳感器。聲音傳感器連接的是主程序塊的1端口，超聲波傳感器連接的是主程序塊的2端口，顏色傳感器連接的是主程序塊的3端口，觸動傳感器連接的是主程序塊的4端口。

當聲音傳感器檢測環境聲音達到50 dB以上時，主程序塊屏幕將會出現“EST”字樣；當超聲波傳感器感應到前方20 cm以內有物體時，主程序塊屏幕將會出現“EST”字樣；當顏色傳感器感應到物體顏色為紅色時，主程序屏幕塊將會出現“EST”字樣；當觸碰傳感器受到擠壓時，主程序屏幕塊將會出現“EST”字樣。

3.3 對聲音的實時響應

“小白”能夠對使用者的命令做出反應，當使用者喊出“小白”的名字或者拍掌呼喚“小白”時，它會緩緩向使用者走來，同時抬起頭“看著”使用者。利用切換模塊，將模式設置為聲音傳感器。設定閾值，當聲音傳感器檢測到周圍環境聲音達到40 dB以上時，中型電機以20%的功率逆時針轉動3 600°，通過蝸輪蝸桿傳動，“小白”做出抬頭的動作；兩個大型電機同時以20%的功率轉動一圈，“小白”向使用者走來；同時，主程序塊屏幕顯示表情“仰視”。當周圍環境聲音低于或等于40 dB時，“小白”無動作。最后使用一個無限制循環模塊將該程序包含在內，讓該程序能夠在“小白”啟動時一直運行。

3.4 顯示預設表情

“小白”在不同的情境下會顯示不同的表情，配合發聲功能，可以表現出“小白”的情緒狀態。當“小白”閑置時，每5 s會轉換一次表情并顯示在主程序塊屏幕上。程序如圖3所示。

圖3 顯示預設表情程序

3.5 距離感應

“小白”能夠通過超聲波傳感器感應到前方物體的存在，當探測到該物體的存在時，“小白”能夠隨著物體的運動而運動，并與物體保持一定的距離。利用切換模塊，將模式設置為超聲波傳感器。設定閾值，當超聲波傳感器探測到物體距離“小白”大于15 cm時，將此時探測到的距離的值設為a，利用數學模塊將a與15的差值乘以10，并將結果輸入為電機的功率值，使電機以該功率順時針運轉，達到跟隨的效果；當物體距離“小白”大于10 cm、小于15 cm時，電機關閉，“小白”保持靜止；當物體距離“小白”小于10 cm時，將此時探測到的距離的值設為b，利用數學模塊將10與b的差值乘以-10，并將結果輸入為電機的功率值，使電機以該功率逆時針運轉。程序如圖4所示。

圖4 距離感應程序

3.6 手動調節頭部

使用者可以通過按壓程序塊按鈕，手動調節“小白”頭部的角度。利用切換模塊，將輸入模式設為“程序塊按鈕——比較”，將動作狀態設為擠壓，當程序塊上按鈕受到擠壓時，中型電機會以-100%的功率運轉，“小白”做出抬頭的動作；當程序塊下按鈕受到擠壓時，中型電機會以100%的功率運轉，“小白”做出低頭的動作。使用者可以根據需要手動調節“小白”頭部的角度。程序如圖5所示。

圖5 手動調節頭部

3.7 辨別“食物”

“小白”配備了顏色傳感器，通過辨別物體的顏色，能夠分辨該物體是否為食物，并做出反應。利用切換模塊，將模式設置為“顏色傳感器——比較”。若顏色傳感器探測物體顏色為紅色時，即該物體為“食物”，此時主程序塊顯示表情“熱愛的”，發出聲音“嘎吱”，同時，以50%的功率前后移動；若顏色傳感器探測到物體顏色不為紅色時，即物體不為“食物”，此時主程序塊顯示表情“傷心的”。

3.8 感應觸碰

使用者擠壓“小白”身上的觸動傳感器時，“小白”會抬頭“望向”使用者，做出“瞇眼”的表情，并發出可愛的叫聲。利用切換模塊，將模式設置為觸動傳感器，并將動作狀態設為“擠壓”。當觸動傳感器的按鈕受到擠壓時，主程序塊會顯示表情“瞇眼著”，發出聲音“啵嚶”，并且中型電機會以20%的功率逆時針旋轉3 600°。如果一段時間沒有進行操作，“小白”會進入睡眠狀態。

3.9 遙控

使用者通過擠壓“小白”身上的兩個觸動傳感器，通過不同的動作組合來遙控“小白”前進、后退、左轉及右轉。利用切換模塊，將模式設置為觸動傳感器（端口為1，即1號觸動傳感器），并將動作狀態設為“擠壓”。同時嵌套兩個切換模塊，將模式設置為觸動傳感器（端口為2，即2號觸動傳感器）。當1號觸動傳感器和2號觸動傳感器同時“松開”時，“小白”前進；當1號觸動傳感器和2號觸動傳感器同時“擠壓”時，“小白”后退；當1號觸動傳感器“擠壓”，同時2號觸動傳感器“松開”時，“小白”左轉；當1號觸動傳感器“松開”，同時2號觸動傳感器“擠壓”時，“小白”右轉。

3.10 聲控調速

使用者能夠用聲音讓“小白”前進，并且能夠通過改變聲音分貝的大小來改變“小白”前進的速度[10]。利用切換模塊，將模式設置為聲音傳感器。當檢測到聲音分貝大于20 dB時，利用聲音傳感器模塊測量出當前聲音分貝值的大小，將聲音分貝測量值作為電機功率，從而達到聲控調速的效果[11]。考慮到直接將聲音分貝值作為電機功率，可能會導致電機功率過高、速度過快，所以在程序中加入了一個數學模塊，在讀取測量結果之后，將其設為數學模塊的a值，用a除以固定值2，再將結果作為電機功率。改良后的程序既避免了電機速度過快，又避免了輸出值為負數而導致電機反轉。程序如圖6所示。

圖6 聲控調速

3.11 觸動調速

使用者通過擠壓“小白”身上的觸動傳感器來控制“小白”前進，隨著使用者擠壓觸動傳感器次數的增多，電機功率隨之增高。程序說明：使用常量模塊，設置常量值為20，并將其導入變量模塊，作為變量1初始值。利用等待模塊，將模式設置為觸動傳感器，當使用者擠壓一次觸動傳感器，變量模塊將變量1的值導入數學模塊中作為a值，加上固定值10，然后利用變量模塊讀取結果，并將結果導入電機功率。使用者每擠壓一次觸動傳感器，電機功率就會增加10%，最終電機功率達到100%，“小白”全速前進。程序如圖7所示。

圖7 觸動調速

4 小結

EV3機器人是一款教育機器人，越來越多的學校、教育機構開始使用它作為教學工具，越來越多人看到了它的優勢和潛力。本課題中的“小白”是基于EV3機器人的電子寵物，是對EV3機器人應用的一次嘗試。雖然現今為止寵物狗“小白”的表現與人們的預期還無法相提并論，但在日后的研究中定會不斷發展進步。