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一款全方位立体行走娱乐机器人的构想与设计

发表时间：2021/6/15 来源：《基层建设》2021年第6期作者：吴一建指导老师：俞国阳

[导读] 摘要：为解决社会中出现的家庭中大人们因工作忙而无法陪伴儿童的问题，从陪伴儿童的角度出发，本文提出了一款娱乐型全方位立体行走机器人。

        宁波财经学院浙江宁波 315175
        摘要：为解决社会中出现的家庭中大人们因工作忙而无法陪伴儿童的问题，从陪伴儿童的角度出发，本文提出了一款娱乐型全方位立体行走机器人。通过对该款机器人各功能模块的设计与结合，使得该款机器人可吸附于墙面上，同时它还将拥有人机语音问答、蓝牙控制、超声波避障等功能模块。所设计的机器人模块设计简单，功能明确，具有一定的趣味性。在此基础该款机器人的出现能达到陪伴儿童，成为儿童“玩伴”的目的。
        关键词：家庭；陪伴儿童；娱乐型全方位立体行走机器人；功能模块；设计与结合
        一、研发的背景与意义
        1.1研发背景
        机器人技术的飞速发展和信息时代的到来，使得近几年的机器人制造成本变得越来越低廉。这一现象的出现让原本在普通人看来遥不可及的高科技产品逐渐在人们的日常生活中变得常见了起来。最早生产机器人的原因是为了让机器人帮助人们将工作变得更加快速与便捷。但现如今，随着经济的发展与人们生活水平的不断提高，人们开始逐渐希望科技产品能带给我们带来乐趣。因此，对人们而言，机器人在漫长发展进程中又起到了一个作用，即机器人开始作为娱乐工具出现在人们的生活中。
        1.2研发意义
        玩具机器人作为娱乐机器人的主要分支，主要面向儿童。作为玩具的一种，其功能之一是给孩子带来乐趣，同时其具有的功能之二便是能让儿童在玩耍中拓展思维，并从中学习。在生活中，随着生活节奏变快等原因父母们常常因忙于工作而导致陪伴孩子的时间变得越来越少。因此本文打算设计一款娱乐型全方位立体行走机器人来陪伴孩子玩耍与学习。调查表明，市面上现存的爬行玩具机器人大多数都是在地上进行爬行的。相比之下，该产品将打破这一现状，结合运用吸盘技术，使该产品实现在垂直墙面进行爬行的功能。同时，本文提出的该款产品将具备人机语音交互功能、蓝牙功能、超声波避障功能等多种功能，并结合各功能模块，给使用者带来愉快的使用。设计该款产品的最终目的是为了让人们在生活中感受科技产品所带来的乐趣，缩进人们与高科技之间的距离，让儿童在生活中能增添一个“玩伴”，为儿童时期添加一份色彩。
        二、总体结构的组成与设计
        该款娱乐家庭型全方位立体行走机器人由机身，头部与足部组成。机身内部由中央控制器、语音模块装置、蓝牙模块装置、电磁阀等装置组成。头部内设有超声波避障模块装置。足部由舵机、真空吸盘、导管三部分构成。
        足部结构为该款产品的主要构成部位之一，整款产品共设有四条腿，每条腿由三个关节组成，每条腿关节相连处设有三个舵机，舵机由中央控制器统一控制。此外，各足部末端设置有真空吸盘，真空吸盘用导管与电磁阀连接，电磁阀由中央控制器控制。在该产品进行运作时，由中央控制器输出信号指令，控制电磁阀进行运作，使得空气通过导管吸收或放出，并由此进一步实现真空吸盘的吸附与放开，以实现该款机器人在墙上吸附的功能。
        三、机器人的技术原理设计
        该机器人大体由中央控制器、语音模块、Arduino Sensor Shield V5.0传感器扩展板三部分组成。同时在Arduino Sensor Shield V5.0传感器扩展板上载有超声波避障模块与蓝牙模块的相关装置。通过超声波避障模块可使该款机器人在行进过程中若在前方遇到障碍物时，作出反应并更改行进路线，以避免机器人在运作时因碰撞到障碍物而受到破损。通过语音模块的设计使用者在与机器人进行“玩耍”时，可与机器人进行简单的语音人机交互，其设计目的主要是为了增强该款机器人的趣味性。蓝牙模块的设计可以让人们通过蓝牙进行控制，使得该款机器人可以在接收使用者信号指令的情况下作出相应的动作反应。

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        3.1中央控制模块
        中央控制模块采用装置为Arduino开发板，利用开发板上的微控制器，可通过Arduino的编程语言来进行编写程序，同时在将其编译后的文件烧录至微控制器后，便可以实现对各足部舵机、Arduino Sensor Shield V5.0传感器扩展板、电磁阀等装置的控制。
        3.2语音模块设计
        语音模块不与中央控制器相连，它独立存在于机身内。大体由LD3320串口版、继电器底板、扬声器三个构件组成，LD3320串口版与扬声器都安装于继电器底板上，继电器底板上载有CH340C芯片。在LD3320串口版装置已经按照指定词语进行编程与烧录的条件下，使用者若对该机器人说出指定词语时，机器人可根据所听到的语句对数据库进行搜索寻找与之配对的目标语句，并通过扬声器根据所编写程序做出回应。
        3.3 Arduino Sensor Shield V5.0传感器扩展板设计
        该款产品使用的Arduino Sensor Shield V5.0传感器扩展板可直接将超声波避障装置与蓝牙装置连接在板上所对应的接口处，在完成连接后，通过编写相应的程序便可达到对超声波避障装置与蓝牙装置的控制。
        3.3.1超声波模块设计
        该款机器人所具有的超声波避障模块由HC-SR04超声波传感器组成。其工作原理为该模块在运作时，可通过发射器（触发引脚）向前进方向发送一段高频信号；当信号在遇到一个物体后，它会被反射回发射器的回收引脚，在传感器接收到反射信号后，它会向中央控制器输入“前方遇到障碍物”的信号，再由中央控制器作出反应，对舵机进行控制，更改行进路线。
        3.3.2蓝牙模块设计
        蓝牙模块采用HC-06装置，在编写并烧录好程序后，通过在使用者手机上下载蓝牙串口助手APP进行控制。主要操作为使用者在打开手机的蓝牙功能时，可以在APP上手动输入相关动作指令，运用手机蓝牙与机器人蓝牙模块的信号连接，将手动输入的动作指令信号传递至中央控制器，并控制该机器人的舵机按照目标指令进行改变运行路径或做出相关动作。
        四、设计理念创新
        该产品保留了传统玩具作为玩乐产品的主要目的，进一步结合了传统玩具与高科技产品的特点，。在玩具原本就具有趣味性的基础上，额外增添了人机互动、智能控制等现代化科技功能，进一步提高了玩具的可玩性。通过对各功能模块装置的简单结合与设计，让此款产品的功能变得多种多样。让儿童在童年时期便可以感受到当今科技发展所带来的欢乐。
        五、总结与展望
        本文对此款产品的设计理念进行了初步说明，通过采用真空吸盘，能让机器人可以吸附在墙壁上，使得此款产品打破了市面上大多数的二维娱乐型机器人的格局，更好的利用了三维空间。同时通过对各功能模块的设计使得此款产品可更好的作为益智玩具出现在儿童的生活中，陪伴儿童。但此款产品还存在动作缓慢、环境对其具有局限性等缺陷与不足，这是该款产品在今后的设计中需要进行进一步研究与改进的。
        参考文献
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        [4]曹素红.基于Arduino平台的蓝牙智能小车开发[J].科技与创新,2019,(23):22-23.
        [5]赵璐,吴蒙.基于Arduino的语音识别与控制系统实现[J].微型机与应用,2015,(21):55-57,60.