馮曉晨+張鐵成+段家興

摘 要：設(shè)計了綜合應(yīng)用樹莓派等開發(fā)板、以舵機為動力源的機械傳動機構(gòu)、計算機輔助設(shè)計技術(shù)和3D打印技術(shù)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(wù)的機器人。分析和解決了產(chǎn)品造型設(shè)計與內(nèi)部機構(gòu)的有機結(jié)合等相關(guān)問題，使其在產(chǎn)品內(nèi)部機構(gòu)設(shè)計的前提下，外部的造型設(shè)計及結(jié)構(gòu)設(shè)計滿足生產(chǎn)加工的要求，體現(xiàn)出特定的設(shè)計風(fēng)格的同時使機構(gòu)運行平穩(wěn)。討論和研究了如何充分應(yīng)用現(xiàn)有樹莓派等開發(fā)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(tǒng)的設(shè)計，并能進(jìn)行簡單的語音識別、控制指定部件的運動等具體事項。

關(guān)鍵詞：樹莓派；迎賓機器人；F1吉祥物

中圖分類號：TP242 文獻(xiàn)標(biāo)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(yīng)用單片機開發(fā)版、觸屏語言識別、以舵機為動力源的機械傳動機構(gòu)和計算機輔助設(shè)計技術(shù)，在F1會場通過液晶觸摸屏介紹比賽相關(guān)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(shè)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(yīng)器，顯示屏模塊，舵機模塊，語音模塊等模塊的研究，實現(xiàn)機器人認(rèn)知識別、自主互動、動作展示等多項功能，能更準(zhǔn)確地更直接地為每個人提供他們所想要的東西，使人機關(guān)系更加深入。

1 F1吉祥物機器人設(shè)計思路

1.1 F1吉祥物機器人設(shè)計目的

世界一級方程式錦標(biāo)賽（FIA Formula 1 World Championship），簡稱F1，是由國際汽車運動聯(lián)合會（FIA）舉辦的最高等級的年度系列場地賽車比賽，是當(dāng)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(xiàn)對比賽規(guī)則或賽程不夠了解、對比賽會場不夠熟悉等相關(guān)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(nèi)外研究現(xiàn)狀

世界機器人行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀：工業(yè)機器人和服務(wù)機器人的市場規(guī)模持續(xù)擴大，其中工業(yè)機器人發(fā)展高度集中，服務(wù)機器人市場處于起步階段。

我國機器人行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀：根據(jù)新戰(zhàn)略機器人產(chǎn)業(yè)研究所最新公布的分省機器人企業(yè)數(shù)據(jù)情況，整體來看，截至2016年6月，在企業(yè)總量上，與4月份的榜單中3400家企業(yè)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(yè)目前處于高速發(fā)展階段，十分迅猛。我國相繼有餐廳推出服務(wù)迎賓機器人服務(wù)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(chuàng)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(xiàn)人性化。但就目前來說，已應(yīng)用的機器人功能相對單一，最多只能實現(xiàn)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(yīng)器，顯示屏模塊，舵機模塊，語音模塊等模塊的研究，實現(xiàn)機器人認(rèn)知識別、自主互動、動作展示等多項功能，能更準(zhǔn)確地更直接地為每個人提供他們所想要的東西，使人機關(guān)系更加深入。

通過觸屏語言識別等相關(guān)技術(shù)，以脫離傳統(tǒng)的人控制，而進(jìn)入人機協(xié)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(jìn)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(yīng)用的窘境，使機器人能有更好的發(fā)展，更好的在未來為人類提供服務(wù)。

1.4 F1吉祥物機器人應(yīng)用前景

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，機器人的應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣泛，用于服務(wù)業(yè)的機器人數(shù)量也將大大增加，迎賓機器人作為服務(wù)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(shè)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(yīng)用空間，也可作為單片機開發(fā)和機械機構(gòu)教學(xué)的教具。F1吉祥物機器人的設(shè)計實踐可探討單片機開發(fā)板在機械自動化控制中的應(yīng)用過程及方法，為設(shè)計制作運動機構(gòu)及智能化產(chǎn)品奠定了理論基礎(chǔ)，還可研究樹莓派等開發(fā)板結(jié)合傳感器、液晶觸摸屏在大型機械互動裝置中的應(yīng)用方法。

2 F1吉祥物機器人研究內(nèi)容與方法

2.1 產(chǎn)品造型設(shè)計

吉祥物機器人造型設(shè)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(dá)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(biāo)志所用顏色。使用計算機輔助設(shè)計軟件完成機器人整體的設(shè)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(shè)計風(fēng)格，同時代表F1賽車的流線型的線條和結(jié)構(gòu)。

2.2 計算機輔助設(shè)計

機器人機構(gòu)設(shè)計通過計算機輔助設(shè)計的方式，完成機器人頭部的轉(zhuǎn)動及其他身體機構(gòu)的運動。機構(gòu)的運動有舵機作為動力源，通過連桿、齒輪等機構(gòu)完成指定的機構(gòu)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(fā)板作為此機器人的控制中心，完成語音及動作組的設(shè)計，使本機器完成相應(yīng)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(jìn)行測量的傳感器。F1吉祥物機器人通過紅外線感應(yīng)器對周圍環(huán)境的距離進(jìn)行感應(yīng)，一旦有游客或者參賽選手走進(jìn)吉祥物時，將會觸發(fā)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(zhí)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(zhuǎn)換成對應(yīng)的二進(jìn)制代碼，經(jīng)由并行口傳送至核心處理器，核心處理器接收二進(jìn)制代碼后執(zhí)行對應(yīng)的功能。F1吉祥物機器人應(yīng)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(guān)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(xiàn)對主機操作，這樣擺脫了鍵盤和鼠標(biāo)操作，使人機交互更為直截了當(dāng)。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(guān)信息，了解規(guī)則，了解運動員的服務(wù)，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(nèi)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(shè)為中英雙語，方便國際友人查看。

2.7 機械傳動機構(gòu)及結(jié)構(gòu)設(shè)計

舵機也叫伺服電機，是一種位置（角度）伺服的驅(qū)動器，能夠利用簡單的輸入信號比較精確的轉(zhuǎn)動給定角度的電機系統(tǒng)，目前主要應(yīng)用智能小車以實現(xiàn)轉(zhuǎn)向以及機器人各類關(guān)節(jié)運動中。舵機的控制信號由單片機產(chǎn)生，轉(zhuǎn)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(shè)計的方式，在三維數(shù)字化環(huán)境下完成造型設(shè)計、結(jié)構(gòu)設(shè)計和內(nèi)部機構(gòu)的設(shè)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(jié)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(shè)計到計算機輔助設(shè)計，都經(jīng)過了多方案的比較和選取，不斷改進(jìn)；機器人綜合應(yīng)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(shù)。F1吉祥物機器人設(shè)計目的明確，應(yīng)用前景廣泛，其設(shè)計意義還會隨著技術(shù)的不斷發(fā)展得到突破和提高。

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