基于micro:bit开发板的可编程动漫衍生形象机器人研究

米晶爽 张铁成 尹晓娇

摘要：为了满足少儿机器人编程产品的发展需求，文章提出了采用micro：bit开发板作为控制中心，以动漫形象作为可编程机器人的造型。从目标人群分析、功能设计分析、造型分析三个方面确定该机器人的设计思路，从功能设计和造型设计两方面开展可编程机器人的设计实践活动。希望对可编程机器人设计提供新的设计方向。

关键词：micro：bit开发板;动漫衍生形象;可编程机器人

中图分类号：TB472 文献标识码：A

文章编码：1672-7053（2020）04-0155-02

1 micro：bit开发板概述

micro：bit是一款由英国广播电视公司（BBC）联合20几家公司和机构，如三星、微软等，专为青少年编程教育设计的微型电脑开发板，BBC希望通过micro：bit驱动青少年参与到创造性的硬件制作和软件编程中去，而不是每天沉浸在各式的娱乐和消费中。该开发板基于ARM体系的嵌入式系统，电路板大小为4cm×5cm，拥有1个ARM Cortex-MO处理器，加速度传感器和磁力传感器，蓝牙通信和USB连接编程能力，由25个LED组成的显示屏，2个可编程按钮，可以用USB或者外部电池包来供电。

2 基于micro：bit开发板的可编程动漫衍生形象机器人设计意义

以micro：bit作为控制系统的可编程机器人，自带显示、按键、声音、姿势传感器，且可使用图形化编程工具进行编程，更易于学习。采用micro：bit开发板作为机器人的控制中心，通过连接语音模块、电机或舵机、显示屏等控制机器人的运转，可探索micro：bit开发板在可编程机器人产品中的应用，探索与常用传感器模块的通信方法。将青少年喜爱的动漫形象与机器人设计相结合，将micro：bit开发板与动漫形象相结合，使用makecodeEditor图像化编程的方式，易于普及micro：bit开发板在青少年编程中的应用，在趣味的学习过程中可培养学生的计算思维和创新解难能力，也可扩展动漫衍生品的设计方向，该机器人产品可作为儿童的智能玩具，也可作为创客教育的教学用具，具有广阔的市场空间。

3 基于micro：bit开发板的可编程动漫衍生形象机器人设计分析

3.1目标群体分析

通过分析儿童对少儿编程知识接受的能力得知，4岁～6岁的孩子只能玩一些编程小游戏，7岁～9岁的孩子可以用一些可视化编程工具如Scratch、APPlnventor来完成一些复杂的任务，10岁以上的孩子可以使用Python等学习一种真正的编程语言，也可以进行硬件机器人编程。确定了该机器人的目标使用人群，该机器人因采用了更易于学习使用的图形化编程工具，可适用于10岁以上的儿童开展软硬件机器人的编程。

3.2功能设计分析

通过对现有创客教育产品、创客教育课程及电商平台主流网店可编程产品的调研，同时参考arduino智能小车等产品，结合目标人群的使用特点，确定了该机器人的主要功能如下：

1）显示功能。能通过编程控制单个或多个LED、LED点阵屏的显示、变换图案、变色、实现流水灯等效果，通过点阵屏能显示静态及动态字符。

2）运动功能。通过对比智能小车的运动方式，常见的普通四轮轮胎仅能实现前后左右的单向运动，为了丰富运动效果，该机器人底部采用了四个麦克娜姆轮，实现全向运动。同时要实现头部左右转动、手臂摆动、握手等运动。

3）智能识别功能。能通过超声波测距传感器、红外传感器等实现黑边线识别、跟随等功能，也可通过颜色传感器识别颜色。

3.3造型设计分析

在造型设计过程中，应考虑所采用的运动部件如麦克纳姆轮等及内部电子元件、外部顯示元件的合理布局。拟采用的麦克纳姆轮将限制机器人底部的尺寸及结构，外部显示使用的柔性屏也对造型产生一定的影响，其他外露电子元件也会对造型产生影响。外观可以将二维或者三维的动漫形象进行立体化的设计。在颜色选择时可结合机器人产品颜色发展趋势及青少年色彩喜好程度，同时也应考虑所采用或者所设计的动漫形象的颜色。

4 基于micro：bit开发板的可编程动漫衍生形象机器人设计实践

4.1功能设计

4.1.1运动功能

动漫衍生机器人具有多种运动方式，并可通过编程来实现不同的运动效果。

1）整体运动。该机器人通过四个麦克纳姆轮（Mecanumwheel）来实现全向运动，在它的轮缘上斜向分布着许多小滚子，故轮子可以横向滑移。小滚子的母线很特殊，当轮子绕着固定的轮心轴转动时，各个小滚子的包络线为圆柱面，所以该轮能够连续地向前滚动[1]。在micro：bit编程工具中使用扩展的库，可通过一条语句控制机器人移动的方向。

2）手臂运动。为使动漫衍生机器人的胳膊能够活动，内部使用了多个舵机，使其可以旋转，可实现握手及手臂摆动功能。握手功能：分别在左右手臂上设置了两个触摸开关，micro：bit控制板判断两个触摸开关的触摸情况，控制连接在机器人扩展板上的舵机转动，实现握手的功能。手臂摆动：在机器人运动过程中，两个手臂可以交替前后摆动，模仿人的手臂摆动效果。

4.1.2声音功能

利用Super：bit扩展板上的无源蜂呜器，使用MakeCode编辑器自带的音乐功能或者使用亚博智能软件包OmniBit中的“音乐播放”功能，编制开机及机器人运动过程中的声音方案。

4.1.3显示功能

1）机身LED点阵屏。身体中间的显示屏为8×8的WS2812B柔性像素屏，可以根据不同的喜好来设置像素屏的图案，通过自动的软件包可实现多种标签图标以及滚动图标的显示。

2）机身LED灯及手臂LED灯。为了节省micro：bit的引脚，机身LED灯及手臂LED灯共同使用一条内含WS2812芯片的LED RGB灯条，该灯条合有多个RGB LED，根据机器人机身及手臂的尺寸，通过延长各LED间的导线，使各LED按照设计要求合理安装在机器人的机身及手臂处。使用micro：bit编程工具中的Neopixel功能，通过简单的图形化编程就可以控制每个LED。

4.1.4巡线功能

该机器人可在地平面上特定的黑白线进行巡线，沿特定的轨迹前进。使用的光电传感器是各种光电检测系统中实现光电转换的关键元件[2]。

4.1.5超声波测距、避障及跟随

1）超声波测距及避障。在机身前部安装了两组卧式超声波测距传感器，两组超声波传感器通过圆盘安装在竖立放置的舵机上，两组超声波传感器布置在圆盘的圆周四分之一位置处，成90度分布，通过舵机的往复旋转，同步带动两个超声波测距传感器旋转，根据两个超声波测距测得的距离来判断前方是否有障碍物，并驱动电机正反转，实现左右转动，从而绕过障碍物[3]。

2）跟随。当切换到跟随模式时，仅使用一组超声波模块，舵机旋转使这组超声波面向正前方，当物体在超声波正前方20CM时启动跟随功能，根据前方物体距机器人超声波的距离，随时控制机器人的运动，使其间距保持在20CM，实现跟随效果。

4.1.6遥控功能

1）用手机遥控。该机器人的采用的micro：bit开发板板载了BLE（低功耗蓝牙），允许手机和平板电脑通过蓝牙控制micro：bit。

2）红外遥控。为了丰富控制方式，在该机器人的扩展板上也连接了红外接收模块，可通过红外无线遥控器控制机器人的前后左右运动，也可控制灯光效果，运动模式的切换。

3）手柄遥控。该机器人也可以在2块micro：bit板子之间进行无线通讯。将一块microbit板子连接按钮、手柄、震动、无源蜂鸣器等模块，制作成遥控手柄，在两个板子使用相同的编组号后，用无线电发送信息到其他的micro：bit板子上。

4.2造型设计

首先，确定产品的控制系统及常用传感器，尤其是运动功能的实现及显示部分的效果及实现方式，设计了动漫形象的平面图;其次，根据动漫形象，结合机器人发展趋势[4]，开展机器人的造型设计，在造型过程中考虑内部各元件的布置，同时对内部运动机构的设计，完成了底盘、舵机固定等固定结构的设计;再次，通过计算机辅助设计的方式，在三维数字化环境下完成符合生產要求的三维文件;最后，通过3D打印机完成各部件的打印，将micro：bit控制板及各电子元件进行组装，打磨后进行上色，进行功能上的调试，完成了产品原型的制作。

考虑到为儿童及青少年设计的动漫衍生形象，所以使用了以猫为元素的形象，简单可爱。鲜艳的色彩带来更多的活泼氛围，促进使用的兴趣及动力。

5 结语

micro：bit开发板具有功能丰富、编程简单等特点，更适合作为可编程机器人的控制中心。以动漫衍生形象为机器人的造型，更符合青少年的喜好。通过计算机辅助设计、3D打印外壳及主要部件，将micro：bit开发板及开发板、电机、轮子、舵机、显示屏等元件进行组装，并通过makecode Editor图像化编程控制电机、显示屏等，经过不断调试实现了一款可蓝牙、手柄、红外遥控的可编程机器人，也具有灯光颜色切换、激光测距、避障及跟随等功能。将micro：bit开发板与动漫形象机器人结合，扩展了动漫机器人衍生品的设计方向。

本文系辽宁省2019年大学生创新创业训练计划项目（国家级）《基于micro：bit开发板的可编程动漫衍生形象机器人》（项目编号：201911258003）。

参考文献

[1]孙全胜.基于STM32单片机的麦克纳姆轮小车设计[J].现代信息科技，2019，3（22）：174-175+178.

[2]李博恒.基于激光传感器的智能车设计[D].北京邮电大学，2017.

[3]陈乐鹏，谭晓东，曹江沽，刘升云，高智伟.超声波定位系统智能跟随小车设计[J].科技创新与应用，2019（35）：24-26.

[4]田蕴，李帅，王真.智能巡捡机器人的发展与设计趋势探析[J].工业设计，2019（11）：143-144.

[5]张琪.基于Micro：bit的小学创客课程设计与实践研究[D].华中师范大学，2019.

[6]刘天阳.基于STEAM教育的可拼装编程机器人调查与分析[J].中国农村教育，2019（15）：75-77.

[7]夏扬.面向小学生的micro：bit交互机器人教学项目设计与开发[D].重庆师范大学，2019.

作者简介

米晶爽/1998年生/女/辽宁朝阳人/本科/研究方向为工业设计（辽宁大连116622）

张铁成（通讯作者）/1975年生/男/辽宁昌图人/硕士/副教授/研究方向为工业设计（辽宁大连116622）

尹晓娇/1999年生/女/云南楚雄人/本科/研究方向为工业设计（辽宁大连116622）