□文/宋宇寧、劉世昌

家用教育娛樂機器人的機遇與挑戰(zhàn)

□文/宋宇寧、劉世昌

家用教育娛樂機器人是集電子技術(shù)、計算機技術(shù)、控制技術(shù)和人工智能等多種技術(shù)于一體的嵌入式系統(tǒng)硬件產(chǎn)品，它的普及與廣泛應(yīng)用是未來機器人行業(yè)發(fā)展的必然趨勢。該類型產(chǎn)品的實現(xiàn)需要結(jié)合運動控制、導(dǎo)航與視覺識別、傳感器數(shù)據(jù)采集、智能監(jiān)控及人工智能等多項技術(shù)。作為這些技術(shù)的硬件載體，機器人控制器是家用教育娛樂機器人的靈魂，機器人控制器的選擇不但決定了產(chǎn)品的主要功能及成本，也成為家用教育娛樂機器人產(chǎn)品成功與否的關(guān)鍵。

宋宇寧 沈陽新松機器人自動化股份有限公司，嵌入式硬件工程師，主要從事嵌入式系統(tǒng)開發(fā)與設(shè)計工作

劉世昌 沈陽新松機器人自動化股份有限公司，副總工程師，負責(zé)制定技術(shù)方案及硬件、電氣設(shè)計規(guī)范

區(qū)別于其他的智能硬件產(chǎn)品，家用教育娛樂機器人幾乎具備了人的一切特征。這其中，被稱為機器人核心技術(shù)的“兩器一系統(tǒng)”是這些特征的關(guān)鍵組成部分：機器人控制器好比是人的大腦，配合應(yīng)用軟件使機器人有了思維、語言、記憶及情感；機器人傳感器就是人的五官，使機器人有了和人一樣，甚至比人更靈敏的視覺、觸覺、嗅覺及聽覺；伺服驅(qū)動系統(tǒng)與機器人本體組成了人的四肢和軀干，可以讓機器人比人跑得更快，跳得更遠。試想，這樣的馬兒跑得好，還不吃草，只要價格能夠接受，哪個家長不想請這樣的一個機器人作為孩子的成長顧問與生活伴侶呢？

圖1：大華樂橙小樂機器人

當今市場上的家用教育娛樂機器人產(chǎn)品琳瑯滿目，層出不窮，雖然不能替代父母在孩子成長中的作用，但有些產(chǎn)品已經(jīng)能夠通過自主學(xué)習(xí)與良好的人機交互體驗成為孩子的良師益友，是父母上班后孩子的重要生活伙伴。根據(jù)產(chǎn)品的市場定位及行走方式的不同，家用教育娛樂機器人可以細分為三種類型，包括桌面型互動機器人、輪式家用機器人、雙足教育機器人。接下來，作者將帶領(lǐng)大家深入這些機器人產(chǎn)品的內(nèi)部，對機器人的“大腦”進行剖析，對機器人的各個“器官”進行拆解，揭開家用教育娛樂機器人產(chǎn)品的神秘面紗。

桌面型互動機器人 孩子們的掌中寶

桌面型互動機器人通常體積較小，功能以互動娛樂為主，且不需要復(fù)雜的運動控制，處理器的選用通常為采用ARM體系結(jié)構(gòu)的中低端手機或者平板電腦的芯片。產(chǎn)品的實現(xiàn)相對簡單，是家用教育娛樂機器人的入門級產(chǎn)品，也是家用機器人廠商紛紛爭搶的市場。但是這類產(chǎn)品往往要通過增強人機交互體驗來體現(xiàn)機器人的價值，否則會被手機和平板電腦搶走他們的飯碗。

大華樂橙的小樂機器人以其呆萌的造型和比較完善的陪伴功能受到了小朋友們的關(guān)注。他的“大腦”是一顆英特爾凌動系列Z8350-T3四核處理器，主頻達到1.92GHz，同時具有圖形處理單元12EU 500MHz Gen8-LP，可以使小樂完成人臉識別功能，并主動識別出每一位家庭成員。除此之外，他還具有自動抓拍、智能提醒、指令響應(yīng)、遠程操控、視頻對話、知識問答、育兒早教等功能。這些功能能夠讓家庭成員和孩子聯(lián)動起來，并能陪伴孩子的成長，使機器人成為孩子們的掌上好伙伴。這款機器人目前售價3999元，在桌面機器人中屬高端產(chǎn)品。

圖2：JIBO家寶機器人外觀及內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

JIBO機器人來自MIT家庭機器人領(lǐng)域的專家Cynthia Breazeal之手，是一款典型的桌面型家用陪伴型機器人。它可以通過攝像頭識別家庭成員，與家庭成員進行語音交互，并通過不斷學(xué)習(xí)，成為家庭生活的助手。

JIBO機器人的核心是一款來自著名GPU生產(chǎn)廠商英偉達的Jetson TX1處理器，內(nèi)部具有四核ARM Cortex-A57架構(gòu)微處理器，單核頻率達到1.73GHz，同時具有256核GPU，非常適用于圖像識別及視覺應(yīng)用的算法加速。JIBO機器人內(nèi)部擁有大量的電子部件，包括高分辨率立體相機、六個麥克風(fēng)、一對音箱、一個LCD觸摸屏、兩個冷卻風(fēng)扇、WiFi和藍牙模塊、LED燈、觸控傳感器等。將TX1處理器和這些硬件進行連接，就構(gòu)成了機器人的硬件結(jié)構(gòu)。

圖3：JIBO家寶機器人硬件框圖

JIBO設(shè)計中最巧妙的部分是其身體結(jié)構(gòu)。它包含三個大致圓柱形的結(jié)構(gòu)，分別用作基座、軀干和頭部，它們之間按一定的角度連接在一起。當機器人轉(zhuǎn)動時，這三個部件之間也會發(fā)生相對移動，表現(xiàn)出各種各樣的姿勢。旋轉(zhuǎn)動作是通過機器人體內(nèi)的三個直流電機和傳動帶共同完成的，整個過程非常平穩(wěn)，也不會產(chǎn)生噪聲。機械結(jié)構(gòu)上實現(xiàn)360°旋轉(zhuǎn)，無限位，所有的電線都位于機器人軀體的中心，以免在旋轉(zhuǎn)時纏繞起來。

JIBO擁有兩個高清攝像頭，用于識別和追蹤面部、照相和視頻聊天。他會識別并且記住每一個家庭成員，通過面部識別為不同的人提供不同的服務(wù)。 360°全向的麥克風(fēng)和自然語言處理系統(tǒng)方便用戶在任何方向?qū)χ堇锏腏IBO說話，他都能聽到并識別。當收到郵件或者一些待辦事項通知時，JIBO在看到你后會把它們朗讀出來，無需任何額外的操作。JIBO通過機器學(xué)習(xí)算法具備一定的學(xué)習(xí)能力，長時間使用后它會記住每一個家庭成員的習(xí)慣和行為模式，更好地在生活中為家庭成員服務(wù)。JIBO熟悉人類的社交習(xí)慣，因此在和 JIBO交流時，用戶會感到非常的自然，它可以陪伴家里的孩子，為他們講故事。

輪式家用機器人 保姆管家一把抓

輪式家用機器人通常依靠雙輪驅(qū)動，使機器人能夠在家中自由地行走。他們不僅能夠陪伴兒童，看護老人，且能夠通過自主導(dǎo)航技術(shù)在家中巡邏，報告家中的異常情況，是一種集多種功能于一身的管家機器人。由于價格相對較高，輪式家用機器人的銷量要低于桌面型的互動機器人，但隨著功能的不斷完善和成本的不斷降低，輪式家用機器人將會成為未來幾年內(nèi)家用機器人的主流產(chǎn)品。

雷動云合的雷大白是一款具備兒童陪伴、老人看護及自主導(dǎo)航功能的管家機器人。不僅外形可愛憨厚，他還具有8核2.0GHz的高速處理器，有了這樣強勁的“大腦”，他能夠輕松完成看家護院的任務(wù)。通過2D深度攝像頭的數(shù)據(jù)采集以及圖像優(yōu)化算法的處理，大白能夠建立家中的地圖，并在家庭環(huán)境中自主行走，自動監(jiān)控，發(fā)現(xiàn)異常情況會通過手機自動報警。家庭成員還可以通過手機遠程控制大白監(jiān)控家中的環(huán)境，將圖像顯示在手機上，和家中的孩子視頻，享受機器人帶給家人的無限樂趣。目前該產(chǎn)品已經(jīng)接受預(yù)定。

北京進化者小胖機器人是一款功能豐富的家用教育娛樂機器人，他的身高達到1米，可以通過導(dǎo)航功能在室內(nèi)自主行走，他的功能包括了教育功能、娛樂功能、服務(wù)功能、智能監(jiān)控幾個大類，定位于高端家用市場，為家庭成員們量身定制的一個智能伙伴。

在機器人控制器的選擇方面，由于機器人功能較多，對圖形和算法運算速度的要求較高，所以選擇了英偉達的Jetson TX1作為核心處理器。為實現(xiàn)各模塊功能，小胖機器人在上位機和下位機分別采用了兩種控制器。其中，上位機控制板采用ARM Cortex-A系列微處理器，連接WiFi路由模塊、音響模塊、攝像頭、顯示屏及聲音采集定位等模塊，主要用于實現(xiàn)人機交互功能；下位機控制器則采用Nvidia Jetson TX1嵌入式處理器，連接電源模塊、定位導(dǎo)航模塊、投影模塊、電機驅(qū)動模塊及凈化器等模塊，實現(xiàn)定位導(dǎo)航、電機驅(qū)動、移動投影、空氣凈化、傳感器數(shù)據(jù)采集等功能。

圖4：雷動云合管家機器人雷大白

圖5：進化者小胖機器人結(jié)構(gòu)圖

作為一款功能豐富的教育娛樂機器人，除了具有百科全書、單詞翻譯、英語教學(xué)等功能，他的娛樂性能也非常強大，內(nèi)置移動投影及體感游戲功能。用戶可以將喜歡觀看的電影和視頻通過小胖機器人內(nèi)置的微型投影機投射到家里的墻壁上，并可通過游戲手柄和攝像頭體驗機器人內(nèi)置的體感游戲。除此之外，小胖機器人還具有一些比較實用的服務(wù)功能。包括空氣凈化、家電遙控、運送物品、緊急報警、定時提醒、遠程視頻及遠程遙控等功能，通過多種實用功能豐富用戶的互動體驗。

小胖機器人目前擁有標準版和尊享版兩個版本，標準版官網(wǎng)售價為12988元，尊享版與標準版相比擁有更高的性能及更大的存儲空間，售價為16988元。此外，進化者還提供小胖的商用版，可根據(jù)需求定制小胖機器人的功能，并對微型投影儀和空氣凈化等功能模塊進行選配，使得小胖機器人在商用領(lǐng)域具有一定的價格優(yōu)勢。

雙足教育機器人 麻雀雖小五臟俱全

雙足教育機器人是家用教育娛樂機器人中最復(fù)雜的一種，他可以像人一樣使用雙足完成直立行走。這不僅需要高性能硬件的支持，還需要成熟的軟件控制算法，對機器人的行走步態(tài)及平衡進行實時的控制。目前，大型的雙足機器人由于高昂的成本及復(fù)雜的控制算法很少出現(xiàn)在家用領(lǐng)域。更多的機器人研發(fā)公司將小型的雙足機器人作為市場的切入點，引起消費者對于雙足機器人的關(guān)注。而學(xué)術(shù)界通常將小型的雙足機器人作為機器人專業(yè)的教育輔助工具，吸引更多的機器人愛好者及在校學(xué)生投入到雙足機器人的開發(fā)工作中來。

提到小型的雙足機器人，來自法國Aldebaran Robotics 公司的NAO機器人具有舉足輕重的地位。他是世界范圍內(nèi)學(xué)術(shù)領(lǐng)域中應(yīng)用最廣泛的雙足機器人，他的身高為58cm、體重5.4kg，擁有25個自由度，因取代了索尼的機器狗AIBO成為機器人世界杯比賽的標準平臺而世界聞名。目前超過6000個NAO機器人已被全球50個國家的1000多所高校和實驗室購買作為研究工具。

圖6：進化者小胖機器人硬件框圖

作為一款教育娛樂類的人形機器人，除了具有唱歌、跳舞、踢足球、語音交互等功能外，他還開放了編程接口，使得用戶能夠在上位機通過圖形化的編程方式為機器人設(shè)定一套動作，或者編輯語音交互的內(nèi)容，成為一個可定制內(nèi)容與服務(wù)的智能人形機器人。NAO機器人的一大亮點是它全身遍布的多種傳感器模塊，包括接觸傳感器、慣性傳感器、位置傳感器、紅外收發(fā)器及聲吶測距模塊等，使他具備了人的“五官”，也使他擁有了對外界環(huán)境進行感知的硬件條件。

NAO機器人主控制器芯片采用Intel凌動系列Z530處理器，該芯片主頻為1.6GHz，內(nèi)存1GB，閃存2GB，擴展內(nèi)存8GB，處理器運行基于Linux的Gentoo版本操作系統(tǒng)。主控制板上通過有線以太網(wǎng)口與上位機連接，用于圖形化編程及二次開發(fā)。而內(nèi)置的WiFi模塊則用于接入云端。主控板上還集成了CODEC芯片，連接揚聲器及攝像頭實現(xiàn)人機交互功能。主控板還連接了一塊高度復(fù)用的以DSP為核心的驅(qū)動板卡，用于連接紅外收發(fā)模塊用于紅外指令的學(xué)習(xí)及智能家電的遙控。主控板與ARM9的微控制器板采用USB接口連接?；贏RM9的微控制器板卡通過485總線連接DSP驅(qū)動板，用于連接身體各部位的直流有刷電機及用于閉環(huán)控制的編碼器。微控制器板卡上還通過I2C接口連接了聲吶、加速度計、陀螺儀等傳感器模塊，用于行走避障及行走姿態(tài)的反饋。

NAO機器人的一個重要特性是它具有摔倒管理器及摔倒后的自動站立功能。無論機器人向哪個方向摔倒，他都能夠通過加速度計和陀螺儀實時檢測自身的位姿并通過內(nèi)置的摔倒保護程序自動站起。

在2016年的春節(jié)聯(lián)歡晚會上，來自優(yōu)必選公司的540臺Alpha機器人整齊的舞蹈動作給人們留下了深刻的印象。作為一款高性能的雙足機器人，Alpha2選用了三星的基于ARM Cortex-A15體系結(jié)構(gòu)的Exynos 5260六核處理器，并搭載2GB內(nèi)存，800萬像素攝像頭，具備20個自由度，可以靈活模擬人類骨骼肢體動作。同時他還具有英文翻譯、個人助理、天氣播報、唱歌、跳舞、瑜伽指導(dǎo)等豐富的功能。

在價格方面，Alpha2的官網(wǎng)售價是19999元，Alpha1 Pro價格是4999元，Alpha 1S售價是3999元，可根據(jù)個人需求選購不同的產(chǎn)品。

未來五年迎接家用教育娛樂機器人的搶灘登陸

隨著生活水平的不斷提高，人民對生活質(zhì)量的要求也日益提高。伴隨著二孩政策的全面放開，家用教育娛樂機器人的需求量必會與日俱增，市場上的各類機器人產(chǎn)品的競爭也會更加激烈。機器人廠商想要在這片市場上率先搶灘登陸，就要在硬件處理器的選擇和成本的控制上進行一番較量。

圖7：NAO機器人外觀及傳感器分布圖

通過對桌面型互動機器人、輪式家用機器人、雙足教育機器人這三個市場比較有代表性的家用教育娛樂類型的機器人產(chǎn)品的介紹以及硬件方案的分析，可以總結(jié)出這些機器人在控制器及硬件方案選擇上存在的差異。因為高性能的處理器往往價格不菲，機器人廠商在選擇機器人控制器時會對機器人的產(chǎn)品類別進行定位，對功能進行一番取舍。桌面型陪伴機器人的功能以互動娛樂為主，控制器的選擇傾向于性價比高的ARM v7架構(gòu)處理器；雙足機器人的步態(tài)控制較為復(fù)雜，驅(qū)動電機眾多且較為昂貴，功能上注重二次開發(fā)與編程，目前更多的被用于學(xué)校的教學(xué)研究及機器人大賽，處理器則以x86架構(gòu)或ARM架構(gòu)的單板電腦為主；以小胖機器人為代表的較大型的家用服務(wù)機器人則整合了智能家居、互動娛樂、自主導(dǎo)航與定位等多種功能，處理器則選用更高性能的ARMv8架構(gòu)的處理器或具有高性能GPU的英偉達Jetson TX1/TX2系列處理器。

未來五年，隨著硬件迭代速度的進一步提升以及行業(yè)硬件及傳感器解決方案的不斷成熟，硬件價格的競爭將告一段落。隨著視覺導(dǎo)航、人工智能等技術(shù)在家用機器人上的不斷發(fā)展，處理器的選擇更傾向于運算能力更快的嵌入式系統(tǒng)平臺，而軟件算法的競爭將會日趨白熱化，人臉識別、機器學(xué)習(xí)、人機交互等功能的完美體驗將成為產(chǎn)品在競爭中勝出的關(guān)鍵。雖然目前處理器價格較高，軟件算法還有待進一步完善，但隨著機器人控制器、傳感器、伺服驅(qū)動系統(tǒng)技術(shù)的不斷成熟及軟件算法的不斷革新，相信家用智能機器人服務(wù)千家萬戶的理想不久就會成為現(xiàn)實。

圖8：NAO機器人硬件框圖

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