基于树莓派开发板的F1吉祥物机器人设计

冯晓晨+张铁成+段家兴

摘 要：设计了综合应用树莓派等开发板、以舵机为动力源的机械传动机构、计算机辅助设计技术和3D打印技术的一款通过液晶触摸屏在赛前提供给观众信息咨询和迎宾服务的机器人。分析和解决了产品造型设计与内部机构的有机结合等相关问题，使其在产品内部机构设计的前提下，外部的造型设计及结构设计满足生产加工的要求，体现出特定的设计风格的同时使机构运行平稳。讨论和研究了如何充分应用现有树莓派等开发板、触屏语言识别模块、多路舵机控制模块、舵机、语音模块，完成机器人控制系统的设计，并能进行简单的语音识别、控制指定部件的运动等具体事项。

关键词：树莓派；迎宾机器人；F1吉祥物

中图分类号：TP242 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2017）30-0032-02

引言

F1吉祥物机器人以世界三大体育盛事之一的F1为依托，是一款综合应用单片机开发版、触屏语言识别、以舵机为动力源的机械传动机构和计算机辅助设计技术，在F1会场通过液晶触摸屏介绍比赛相关信息、场馆信息，同时可以与观众简单互动的智能迎宾机器人。该机器人造型源于为F1赛设计的吉祥物形象、机器人的动作及交互过程具有趣味性等特点。通过对紅外线距离感应器，显示屏模块，舵机模块，语音模块等模块的研究，实现机器人认知识别、自主互动、动作展示等多项功能，能更准确地更直接地为每个人提供他们所想要的东西，使人机关系更加深入。

1 F1吉祥物机器人设计思路

1.1 F1吉祥物机器人设计目的

世界一级方程式锦标赛（FIA Formula 1 World Championship），简称F1，是由国际汽车运动联合会（FIA）举办的最高等级的年度系列场地赛车比赛，是当今世界最高水平的赛车比赛，与奥运会、世界杯足球赛并称为“世界三大体育盛事”，但是很多人对此并不了解，第一次去观看比赛的观众难免会出现对比赛规则或赛程不够了解、对比赛会场不够熟悉等相关问题，而这些问题都可以在F1吉祥物机器人这里得到解决。

1.2 同类研究工作国内外研究现状

世界机器人行业发展现状：工业机器人和服务机器人的市场规模持续扩大，其中工业机器人发展高度集中，服务机器人市场处于起步阶段。

我国机器人行业发展现状：根据新战略机器人产业研究所最新公布的分省机器人企业数据情况，整体来看，截至2016年6月，在企业总量上，与4月份的榜单中3400家企业相比，6月份3800多家，增幅为12.68%。两个月有如此增幅，可以说机器人行业目前处于高速发展阶段，十分迅猛。我国相继有餐厅推出服务迎宾机器人服务生，但赛事吉祥物机器人只有海宝机器人这一先例。

1.3 F1吉祥物机器人创新之处

目前的已有的迎宾机器人主要通过逼真的人形，身高，体型，表情来体现人性化。但就目前来说，已应用的机器人功能相对单一，最多只能实现人机交互的作用，给人以新鲜感，并不能从中获得自己想要的东西。该项目通过对红外线距离感应器，显示屏模块，舵机模块，语音模块等模块的研究，实现机器人认知识别、自主互动、动作展示等多项功能，能更准确地更直接地为每个人提供他们所想要的东西，使人机关系更加深入。

通过触屏语言识别等相关技术，以脱离传统的人控制，而进入人机协作的阶段，机器人能和人有更多的交互方式，在智能上也能有进一步的提升。

以世界三大体育盛事之一的F1为依托，使机器人能有更大的受众度，来改善目前机器人不能得到大范围应用的窘境，使机器人能有更好的发展，更好的在未来为人类提供服务。

1.4 F1吉祥物机器人应用前景

随着科学技术的发展，机器人的应用领域越来越广泛，用于服务业的机器人数量也将大大增加，迎宾机器人作为服务机器人的一种，具有广阔的市场前景。F1吉祥物机器人作为一款专为F1比赛设计的迎宾机器人，会在每年都如期举行的F1比赛中为上百万观众提供切实的帮助。F1会场迎宾吉祥物机器人也可作为一款玩具或者一款大型的户外娱乐装置，具有广泛的应用空间，也可作为单片机开发和机械机构教学的教具。F1吉祥物机器人的设计实践可探讨单片机开发板在机械自动化控制中的应用过程及方法，为设计制作运动机构及智能化产品奠定了理论基础，还可研究树莓派等开发板结合传感器、液晶触摸屏在大型机械互动装置中的应用方法。

2 F1吉祥物机器人研究内容与方法

2.1 产品造型设计

吉祥物机器人造型设计以白色为主，连接处采用黑色，头盔及其他部分采用红色，红色传达出象征赛车的热烈、激情的视觉感受，红黑白三色也是F1比赛标志所用颜色。使用计算机辅助设计软件完成机器人整体的设计，包括胸口的液晶触摸屏、有轮子的底盘等部分。考虑到安全性，所以整体造型采用流畅圆滑的设计风格，同时代表F1赛车的流线型的线条和结构。

2.2 计算机辅助设计

机器人机构设计通过计算机辅助设计的方式，完成机器人头部的转动及其他身体机构的运动。机构的运动有舵机作为动力源，通过连杆、齿轮等机构完成指定的机构运动。在计算机仿真合理的前提下，制作实物模型。

2.3 单片机控制

采用树莓派等开发板作为此机器人的控制中心，完成语音及动作组的设计，使本机器完成相应指令下的语音介绍和简单的握手等动作。

2.4 红外线距离传感器

红外线测距离传感器是一种利用红外线反射原理对障碍物距离进行测量的传感器。F1吉祥物机器人通过红外线感应器对周围环境的距离进行感应，一旦有游客或者参赛选手走进吉祥物时，将会触发语音模块使其主动向人们打招呼。

2.5 语音模块

语音模块执行的具体过程为：语音识别模块接收到外部语音，并对所接收到的外部语言做出识别并转换成对应的二进制代码，经由并行口传送至核心处理器，核心处理器接收二进制代码后执行对应的功能。F1吉祥物机器人应用语音模块完成一些简单的语句，比如：“你好啊，我是F1的吉祥物机器人”或者是：“Hello，很高兴遇到你”，通过这种方式快速拉近吉祥物机器人和人之间的关系。endprint

2.6 触屏语言识别

触摸屏显示器可以让使用者只要用手指轻轻地碰计算机显示屏上的图符或文字就能实现对主机操作，这样摆脱了键盘和鼠标操作，使人机交互更为直截了当。F1吉祥物机器人胸前的触摸显示器可以为观众提供了解比赛相关信息，了解规则，了解运动员的服务，可以通过点击显示屏上的各种选项来获取所需要知道的内容；显示屏也可显示场馆的地图，从而方便观众更快的找到所想去的位置。显示屏设为中英双语，方便国际友人查看。

2.7 机械传动机构及结构设计

舵机也叫伺服电机，是一种位置（角度）伺服的驱动器，能够利用简单的输入信号比较精确的转动给定角度的电机系统，目前主要应用智能小车以实现转向以及机器人各类关节运动中。舵机的控制信号由单片机产生，转轴的角度随输入信号的脉冲宽度变化成正比。F1吉祥物机器人通过舵机完成对手脚的控制，平时保持挥手欢迎的动作，也可與人握手互动；底盘的轮子方便机器人到处移动，不时地走动更加显得活泼真实。

2.8 3D打印实践

通过计算机辅助设计的方式，在三维数字化环境下完成造型设计、结构设计和内部机构的设计，采用3D打印机完成实物模型的打印，通过实物展示互动效果。

3 结束语

本文概述了F1吉祥物机器人的研究成果吉祥物形象从外观设计到计算机辅助设计，都经过了多方案的比较和选取，不断改进；机器人综合应用片机控制、红外线距离传感器、语音模块、触屏语言识别、舵机以及3D打印技术。F1吉祥物机器人设计目的明确，应用前景广泛，其设计意义还会随着技术的不断发展得到突破和提高。

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