劉小峰, 周 旭, 汪建明, 劉 策, 李殷勇, 蔣愛民

(河海大學 a.物聯網工程學院； b.常州市特種機器人與智能技術重點實驗室，江蘇 常州 213022)

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·實驗教學與創(chuàng)新·

大學生創(chuàng)新技能培養(yǎng)的NAO機器人交互平臺

劉小峰a,b, 周 旭a, 汪建明a, 劉 策a, 李殷勇a, 蔣愛民a,b

(河海大學 a.物聯網工程學院； b.常州市特種機器人與智能技術重點實驗室，江蘇 常州 213022)

人機交互以研究系統與用戶的交互關系為核心，在人們生產、生活中應用日趨廣泛?；邴溈孙L、攝像頭、紅外線收發(fā)裝置、壓力傳感器等環(huán)境感知設備，人與人形機器人之間可以有語言、視覺和動作多種形式進行交互，涉及了語音信號處理、圖像算法處理、機器人平衡控制等多種技術。本文主要探討如何利用被國際上諸多研發(fā)機構與國際機器人比賽所廣泛采用的NAO人形機器人平臺，開發(fā)互動技術，主要包括人機對話、肢體互動以及人臉識別等人機交互形式。基于此，探討這個交互平臺如何提高工科大學生的創(chuàng)新意識與創(chuàng)新技能.探討主要包括如何將課程學習融入到直觀的實踐中，并通過與生活密切聯系的人機互動技術，激發(fā)課程學習興趣，啟發(fā)創(chuàng)新思路，旨在鍛煉學生的實驗動手能力，培養(yǎng)創(chuàng)作熱情。

NAO機器人; 大學生創(chuàng)新訓練; 人機交互

0 引 言

自從計算機問世以來，功能新穎的人機交互技術一直為人們所追求，隨著機器人研究領域的不斷發(fā)展，與機器人的交互也隨之步入人類的世界。如今科技日新月異，科技創(chuàng)新蓬勃發(fā)展，人工智能創(chuàng)新技術領突飛猛進，大學生正是這股發(fā)展力量的主力軍。學生創(chuàng)新意識與創(chuàng)新思維特質和創(chuàng)新實踐之間有顯著的回歸關系，創(chuàng)新能力的培養(yǎng)離不開實踐，學生在創(chuàng)新創(chuàng)作時需要一些平臺，這些平臺也反饋創(chuàng)作靈感[1]。因此，擁有一個適合的開發(fā)平臺是十分重要的 ，目前基于本論點搭建的自制平臺已經成功運用，該平臺完全由學生自己設計互動形式與功能，但是依靠輪子移動的自制平臺，結構單一、功能不夠完善，隨著人機交互追求的提高，人機交互開發(fā)中對硬件的要求也變得苛刻，在人工智能領域發(fā)展迅速的機器人正符合這個位置，而機器人身為人工智能領域中的一員，在人機交互開發(fā)中也起著非常重要的作用。法國Aldebaran Robotic公司研制的58 cm高的類人機器人——NAO機器人，于2007年取代了索尼機器狗愛寶(Aibo)，被ROBOCUP組委會選定為標準平臺。同時NAO在其他領域也有相當重要的研究價值，如人工智能領域的圖像處理、目標追蹤，醫(yī)學領域的自閉癥患者的康復治療，基于機器人自身行動緩慢的步態(tài)規(guī)劃研究，這些基于人機交互的研究，在其所在領域都具有一定的成就[2]。NAO的各硬件設施能實現的單一功能目前是十分普遍的，如其語音、動作等功能，但是NAO機器人能憑借其給人的新鮮感，能激發(fā)學生的創(chuàng)新動機，強化學生的創(chuàng)新意識，發(fā)展學生的創(chuàng)新思維，加上復雜的硬件設計和先進的軟件支持使得它擁有許多“人”的氣息，合理搭配使得NAO機器人與人的交互范圍變得更加廣泛，為人機交互的開發(fā)提供了更合乎人們思維的互動開發(fā)方向[3]。NAO機器人已經進入了人們的生活：在幼兒園的教室里，NAO可以給機器人“聲情并茂”地講小故事；在缺陷兒童康復中心，NAO可以持之以恒的輔助訓練；在孤寡老人的家中，NAO還可以孜孜不倦地陪伴。這個創(chuàng)新平臺入門簡單，其潛在的研究價值能經得起國內外學者的不斷挖掘，作為面向多學科的大學生創(chuàng)新技能培養(yǎng)的人機交互標準開發(fā)平臺，NAO機器人擁有全面而穩(wěn)定的功能，學生可以利用這個平臺發(fā)揮自己的想象，將自己的創(chuàng)意展現在這個標準平臺上，這樣可以鞏固學生所學，激發(fā)學習興趣，鍛煉團隊合作精神，培養(yǎng)創(chuàng)新能力。機器人是人工智能的集合體，在如今科技發(fā)展飛速的科技時代，NAO機器人的誕生具有重要的意義，NAO機器人的開發(fā)可以基于多種平臺，多種環(huán)境。本文主要是介紹如何使用NAO機器人這個標準開發(fā)平臺的相關信息。

1 系統結構

NAO機器人開發(fā)平臺的系統結構,見圖1,包含電腦，WiFi(藍牙、紅外線等)以及NAO機器人，平臺的之間無線通信中以WiFi最為常用。使用筆記本電腦通過WiFi網絡對機器人進行控制。

圖1 系統結構示意圖

用紅外線和藍牙這樣的設備控制相對WiFi來說十分便攜，操作也很簡單，但是有幾點不足：①控制空間范圍狹隘，局限性很大;②障礙物或過長距離會嚴重影響控制效率;③傳輸速率過慢，會造成很長的延遲反應。

2 上位機系統

上位機硬件平臺主要為普通的PC，如今絕大多數大學生都擁有自己的筆記本電腦，在使用本系統時只需安裝相應軟件即可。上位機也可以是手機，可以是Android系統，也可以是IOS系統，只需為手機編寫相應的控制APP，就能實現更為方便的控制。

3 下位機系統

3.1 硬件平臺

NAO身上有紅外線傳感器、壓力傳感器、揚聲器、聲吶及麥克風，內部有1.6 GHz的CPU，處理著整個機器人的活動信息，1 GB的隨機訪問內存，同時還有2 GB的外部存儲能力，并安裝有NAO-Qi操作系統，目前該系統已經更新至第五代，經過不斷地完善，NAO機器人有一定的人工智能，在當今的機器人領域有十分重要的地位，在全球各大高校都很受歡迎(見圖2)；而其成熟的互動功能也能迎合普通大眾的喜好，不但能給學術帶來巨大的進步，同時也能加速機器人的普及[4]。

3.2 開發(fā)平臺

3.2.1 CHOREGRAPHY

本款軟件是由Aldebaran Robotic公司隨機器人一同研發(fā)的用于機器人控制的圖形用戶界面控制的軟件。十分適合初學者的使用，入門簡單。通過該軟件，使用者可以很方便的給機器人下達命令，將機器人與控制該機器人的計算機(操作系統可以是當下流行的Windows、Linux、Mac OS任一種)連入同一局域網(NAO機器人在首次開機后，可以通過網線進行局域網的默認設置)，通過計算機瀏覽機器人的網頁界面，設置機器人聯網模式(有線或無線)，啟動軟件(Windows系統下界面見圖3)。

圖2 平臺的實體圖形

圖3 CHOREGRAPHY軟件界面

即可開始控制機器人，軟件對機器人的行為控制已經有足夠全面，能夠實現的功能也相當豐富，通過多種組合，機器人能實現的功能十分多樣。已有的控制圖形能實現機器人的動作控制(移動、坐下、起立、揮手和太極拳等)、音頻控制(放音、錄音、音量調節(jié)、聲音定位及檢測和將文字轉換成聲音輸出等)、信息交流(收發(fā)郵件、紅外線信息接收與傳遞實現遙控和訪問因特網等)、數據的編輯(角度編輯、顏色編輯、數字編輯和文本編輯等)等[5]，在此軟件下還可以有Python的指令編輯盒子，并且能夠執(zhí)行所編寫的代碼。

3.2.2 開發(fā)語言

Python的優(yōu)勢：Python語言最大的特點就是簡單，語言十分簡潔，易讀，開發(fā)快。所以Python語言用于NAO機器人的編程控制十分方便，十分易讀，這是在熟悉CHOREGRAPHY這個軟件之后進一步熟練開發(fā)NAO的必備編程語言。Python語言能夠直接使用其它語言的接口，如C++的接口，而其本身又是一門非常靈活的易用的腳本語言，對于初學者來說，無論他(她)是否有編程基礎，Python語言都是十分易于入門的語言。

(1) 搭建Python2.7開發(fā)。①先下載并安裝Python2.7,②到NAO機器人的官方網站去下載NAO機器人的SDK，③將SDK復制到Python2.7的根目錄下并安裝,④打開IDLE(Python GUI)輸入import naoqi，沒有出現問題說明成功了。

(2) 直接使用CHOREGRAPHY內的Python腳本。在CHOREGRAPHY中新建如圖4所示。

圖4 新建Python腳本

NAO機器人的Python編程示例：hello，world！

from NAOqi import ALProxy

tts = ALProxy("ALTextToSpeech", "10.6.57.129", 9559)#機器人的IP以及端口

tts.say("Hello, world!")

C++控制NAO機器人可以加快代碼的執(zhí)行效率，許多底層的應用都要用C++程序來完成，現今的機器人足球大賽大多利用C++來處理機器人的視覺模塊，NAO機器人的強大系統為其提供了許多API供開發(fā)者使用，熟悉了NAO機器人的基礎操作以后可以用NAO機器人進行深層次的算法研究，實現更加完美的人機交互，C++語言也是對NAO機器人相當熟悉后推薦使用的[6]。

3.3 傳感器及接口

3.3.1 傳感器

本平臺包含多種傳感器，包括紅外線傳感器、壓力傳感器、揚聲器、觸摸傳感器、聲吶及麥克風，各傳感器集成于機器人一身，使機器人的功能十分完善，使用者可以按照自己的創(chuàng)意加以利用。

(1) 紅外線傳感器。安裝在機器人的“眼睛”部位，能夠通過紅外線傳遞控制命令或者字符串信號。

(2) 壓力傳感器。在機器人的腳底有壓力傳感器(測量范圍介紹介紹)，機器人憑此可以計算出并調整重心位置以保持平衡，因此機器人可以在大理石、玻璃、木板等多種材質的地面上進行自如的移動。

(3) 揚聲器。在機器人頭頂下方兩側有兩個揚聲器(型號、功率介紹)，這兩個揚聲器的音量大小可調，從CHOREGRAPHY軟件和機器人網頁中均可以調節(jié)，且機器人能播放包括MP3在內的多種音頻格式的文件。

(4) 聲吶。在機器人的胸前，除去開關按鈕還有4個聲吶裝置。兩個發(fā)送器，兩個接收器，分別能夠發(fā)射或者接收胸正前方60°范圍的超聲波。機器人還能準確的根據超聲波計算出0.01 m精度的距離。

(5) 觸摸傳感器。在機器人的頭、手、足部共有9個觸摸傳感器，這些傳感器在被接觸后會有相應的反饋，頭部的LED燈能在觸摸的時候點亮，手、足部的觸摸可使眼部的LED燈點亮，也可通話這些傳感器控制機器人的關節(jié)鎖定與解放。

(6) 麥克風。機器人的頭頂有四個呈菱形排列的麥克風，能夠采集來自外界的聲音，機器人的多個麥克風一方面使機器人能夠盡可能完整地采集聲音信息，另一方面能夠根據聲音的接收時間差來判斷聲源的位置，在CHOREGRAPHY軟件中有一個集成好的盒子，直接運行，當外界有較為清晰的聲音產生時，機器人會把頭轉向聲源。

3.3.2 接口

本平臺可可使用兩種常用通信接口，包括以太網和WiFi，還有藍牙和紅外線不常用接口。用WiFi進行通信最為常見，以太網用以輔助機器人以連入無線網。

以太網是一種技術規(guī)范，是目前局域網最為常用的通信協議標準，機器人可以直接通過以太網訪問Internet進行升級系統或者獲取資訊。當機器人接上網線以后，相應得到一個IP，在網頁瀏覽器中輸入機器人的IP，可以進入機器人的網頁界面，輸入機器人的名稱和密碼，可以瀏覽機器人的相關信息，也可以設置機器人的部分屬性。

4 實驗演示

NAO機器人的能實現的功能多樣，能處理視頻、識別語音、輔助治療自閉癥、模仿動作等。

4.1 處理視頻

NAO機器人自帶攝像頭兩枚，能處理的其采集的圖像。機器人自帶人臉處理算法，能識別環(huán)境中的人臉，也能記住特定的人臉；同時機器人也支持用戶開發(fā)的圖像處理算法，研究者可以自己開發(fā)并且運用到機器人上。

4.2 識別語音

機器人的NAO-Qi操作系統能識別包括英語、法語、西班牙語、中文、韓文及日文等多國的語言，解析語義。機器人擁有的四個麥克風位于頭頂，能根據聲音傳遞時間差進行聲音定位[7-8]。

4.3 輔助治療自閉癥

NAO機器人的互動性是分討人喜歡，甚至不愿與人交流的自閉癥患者也能被它獨特的魅力吸引，自閉癥患者害怕眼神的交流，機器人虛設的眼睛不會影響與自閉癥患者的交流。NAO為代表的仿人機器人具備和人相似的外表，但它們的面部表情和肢體語言卻要簡單得多，且NAO機器人58 cm的身高相當于一個蹣跚學步的嬰兒外形，更易于與自閉癥患兒親近[9]。目前在機器人用于自閉癥兒童輔助治療也有相當廣泛的研究[10-13]。

4.4 模仿動作

NAO機器人精巧的設計，使得它能活動自如，身上的每一個零件都是設計的很周密的，這也使得機器人的活動十分類人。致使機器人能夠做到很多人的動作，如行走、坐下、起立以及舞蹈等。NAO機器人還可以借助外接設備進行動作學習：利用Kinect采集人的肢體參數傳送給機器人，機器人將會做出相似的動作。目前這一研究已經應用于一些醫(yī)療領域。例如自閉癥兒童康復訓練等等[14-16]。而且就機器人動作控制，以及模仿研究本身，也有著廣泛而深入的探索[17-18]。機器人舞蹈開發(fā)(見圖5)。

NAO機器人的功能還有很多，如它的紅外線發(fā)射接收器能夠傳遞并且接受紅外線，這些紅外線能攜帶指令、字符串等信息，這使得它可以用作遙控器控制的家電；NAO的聲吶還可以用于測距，它發(fā)射的40 kHz的超聲波可以探測0.01～3 m的距離，通過移動測距，NAO機器人甚至可以用于一些特殊情景的勘測，比如在一個未知安全狀況的陌生環(huán)境代替人去進行測量繪圖，保障人的生命安全；NAO各關節(jié)處可自由活動的電機更是能夠讓機器人高度地模仿人的姿勢，通過模仿音色，可以用來陪伴孤獨老人，也可以用于幼兒教學，吸引兒童對機器人的興趣，減輕幼師的教學壓力，提高兒童的學習興趣。

圖5 Nao Robot正在表演太極拳

5 結 語

日常生活中，人與和機器人的交互，甚至互動，日漸頻繁。先進的人機交互技術給用戶帶來卓越的體驗，無論是醫(yī)療領域、教育領域，還是軍事領域都具有重要應用價值。我國大學生創(chuàng)新如何訓練，技能如何培養(yǎng)，需要不斷地深入探索與創(chuàng)新?；谌藱C交互的平臺可以激發(fā)學習興趣，鍛煉動手能力，是當下工科學生創(chuàng)新實踐的好機會。我們系統介紹了基于已有標準機器人平臺——NAO機器人，其相關技術相對成熟，是人機交互的開發(fā)最佳選擇之一。本文就介紹了NAO機器人的使用方法以及基本功能，在對NAO機器人有了充分的了解之后，便可發(fā)掘其蘊含的潛在價值。目前工科學生面對硬件資源匱乏，實際實驗氛圍缺失的尷尬局面[19]，通過機器人這一新鮮的事物結合個人的實踐能力能有效加深對所學知識的理解能有效提高學生學習興趣，并培養(yǎng)其創(chuàng)新技能。

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[4] NAO datasheet[Online],available:https://www.aldebaran.com/zh/geng-shang-yi-ceng-lou

[5] CHOREGRAPHY軟件使用手冊https://community.aldebaran.com/en/resources/documents 2014.

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An Interaction Platform Based on NAO Humanoid Robot for Enhancing Innovation and Creativity of Undergraduates

LIUXiao-fenga,b,ZHOUXua,WANGJian-minga,LIUCea,LIYin-yonga,JIANGAi-mina,b

(a. College of IoT Engineering; b. Changzhou Key Laboratory of Robotics and Intelligent Technology Hohai University, Changzhou 213022, China)

HMI(Human-Machine Interaction)focuses on studying the relationship between systems and human-beings, and has an wide application in people daily life. Interaction between human and machine is based on the language, vision, and motion, and involves speech processing, image processing algorithm, robot control, etc. This paper mainly discusses how to use the NAO humanoid robot platform to train the undergraduates for developing practical skills and competence by designing and constructing interaction programs, such as man-machine dialogue, motion imitation, and face identification and so on. The paper discusses how to use the interactive platform to improve the creative thinking and cultivate practical ability.

NAO robot; innovation ability training for students; human-machine interaction

2015-04-02

國家自然科學基金(31101643);中央高?；A研究項目(2011B11114,2012B07314);國家大學生創(chuàng)新訓練項目(201302941059G，201510294101);江蘇省自然科學基金(BK20141157)

劉小峰(1974-)，男，山西翼城人,博士，教授,現任河海大學物聯網工程學院電子與信息技術研究所所長，常州市特種機器人與智能技術重點實驗室副主任。研究方向包括：自然導航、人機互動、神經工程。Tel.：0519-85191725; E-mail:xfliu@hhu.edu.cn

TP 391.4; TP 391.7

A

1006-7167(2016)03-0147-05