关于智能微型桌面机器人论文 2.docx

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关于智能微型桌面机器人论文2

关于智能微型桌面机器人论文

学院：

物理电气信息学院

年级：

2011级

成员：

张雄飞

原晓琪

马学良

陈浩东

指导老师：

时间：

摘要

桌面机器人是自主机器人领域发展的一个重要方向，开发与研究智能型桌面机器人，具有重要的理论研究价值和实际应用前景。

为此，我们团队本着丰富业余知识，拓展学术科研技能，服务社会的宗旨，特地研发了这款“智能微型桌面机器人”。

“智能微型桌面机器人”是一款基于Android+Arduino结构设计，利用android手机作为控制器的智能型，微型化的机器人。

其中，Android和小精灵OTG数据通信方式的实现以及Otg转串口的算法实现，还有TTS技术的运用等都是本文所重点阐述的对象。

关键字：

桌面机器人；android；智能型；OTG算法；TTS；

目录

一.概述1

1.1背景分析2

1.2现有解决方案3

1.3本课题研究内容4

二．整体项目分析3

2.1功能需求3

2.2整体框架构造5

2.3技术改进与扩展应用4

2.4项目使用范围................................................................6

三．系统具体功能结构与实现6

3.1语音交互6

3.2通信交流7

3.3识别功能7

3.4扩展功能........................................................................7

四．技术参数7

4.1步进电动机28BYJ—488

4.2驱动芯片ULN20038

4.3Arduino单片机10

4.4发光二极管..................................................................10

4.5光敏电阻......................................................................10

4.6蓝牙模块......................................................................12

五总结12

六参考文...................................................................................13

一概述

1.1背景分析

改革开放以来，随着我国城市化进程不断加快和市镇人口所占比重的逐渐增加，我国已进入“城市社会”前期。

城市化改善了人们物质生活水平，促进了经济和社会的发展，并实现了与国际社会发展形势需要的有效接轨。

然而，在其炫目的繁荣和成就下，也显露出一系列问题，据最新调查结果，发现34．9％的青少年对“内心孤独”感到担心、忧虑；主流城市的白领亚健康比例高达76%，处于过劳状态者接近6成，真正意义上的“健康人”比例不到3%；65岁以上老年人的家庭户占全国家庭户总数的20.09%，其中，空巢家庭户占22.83%。

以内心孤独、心理压力强烈为代表的“城市病”对都市人群的影响越来越严重。

随着心理压力较大、内心孤独感强烈且对网络比较依赖的现代都市人群越来越多，“城市病”不仅影响了居民的生活和健康，也必将影响“健康城市”的构建，使新世纪人类深受其害，如何有效的解决“城市病”成为了中国城市化健康发展的焦点。

我国以缓解都市人群内心孤独感和心理压力方面的智能型机器人玩具设施目前尚不完善，企业产品较少，品牌较著名的主要有富通彗OU-FS8音乐小机器人和SonyRolly跳舞机器音乐蛋等，国外很多国家此类技术的研究相对成熟，比如日本、美国、德国、韩国等国家。

其中有日本索尼公司的娱乐型机器人QRIO，美国的Robii陪伴型娱乐机器人，德国的桌面宠物Tankbot坦克机器人等等。

这些机器人都有各自的功能特点，但是其价格往往令人叹为观止，并不能够被大众所接受。

因此该市场具有极大的拓展空间。

而在信息爆炸的今天，如今人们所需要的玩具已不再是以单向交流模式即能满足人们心理对玩具的需求，本作品是针对如今“城市病”问题中存在的诸如儿童及老年人孤僻症，生活便利性等问题提出的。

1.2现有解决方式

随着产业升级和企业技术进步的加快，国内机器人、机器人自动化生产线及机器人自动化成套装备的市场也越来越大，机器人制造企业面临巨大的市场机遇，外观丰富，功能完备，价格较低的机器人，走出实验室，进入人们的生活中。

智能微型桌面机器人集语音交互、远程控制、通信交流等多种交互方式于一身，实现了科学性、新颖性、先进性、实用性、完整性，通过语音交互、网络化实时交互等来实现人机交互，有助于改变当今社会中存在的“城市病”问题，同时通过全新的人机交互模式，方便人们对于电子化产品的使用和操作，从而进一步方便人们的生活。

智能微型桌面机器人改变了现有的人机交流模式，增强了人机互动能力，运用安卓手机可以对机器人进行远程控制，是一种全新概念的玩具机器人。

作为一款类似于宠物的桌面网络养成的陪伴型机器人，微型桌面陪伴精灵能通过完善的使用功能、精巧的外形设计来吸引用户的关注和喜爱，逐步替代网络虚拟宠物，减少用户对网络的依赖，帮助用户控制上网时间、保护视力、培养良好的上网习惯和缓解心理压力，还可以直接和小精灵语音对话、聊天，做游戏，是价格高昂的家用娱乐机器人产品的替代品。

在能够生动的展现小精灵的功能的同时，研制开发性能优越、价格适宜的智能微型桌面机器人是符合社会和市场要求的。

1.3本课题研究的内容

为了研制出性能价格比例较高的基于android技术的机器人控制器我们进行了大量的实验与开发工作。

主要有：

（1）、深入地了解、熟悉了现在传感器状况，为项目的提出做准备；

（2）、系统地学习了C#语言及其运行环境arduino1.0.1，结合现在传感技术的发展，提出了利用Android+Arduino结构设计，利用android手机作为控制器可以扩展出丰富的功能的思想；

（3）、设计了系统控制电路，并进行了软件调试；编制了控制器软件程序的设计，设计了语音识别的功能实现了对机器人的控制；

（4）、设计了利用Arduino单片机通过接收电脑分析过的数据，控制整个微型桌面机器人实现提示主人适时调整灯光强弱、保护视力，以及提示环境温度的变化等诸多功能。

二.整体项目分析

2.1功能需求

基于android的智能微型桌面机器人具有以下功能：

（1）提示人们注意适时调整灯光强弱、保护视力；

（2）提示环境温度的变化让人注意添减衣物；

（3）根据相应指令做出一些可爱的动作；

（4）作为主人的“出气筒”，让主人拥有一个好心情工作，极大地促进工作效率。

2.2整体框架构造

作品集成了安卓系统手机，步进电机28BYJ-48,驱动芯片ULN2003，Arduino单片机，蓝牙模块，发光二极管，光敏电阻。

安卓系统手机作为本作品的控制中枢，由它指挥完成小精灵的所有动作（左转、右转、前进、后退）。

利用所学的物联网的知识，运用蓝牙之间的信息传输对小精灵进行控制，该智能小精灵能够在蓝牙搜索到的任何范围内活动，当玩家对手机发送指令时，通过蓝牙之间的传送将信息发送给小精灵，此时小精灵将完成相应的动作。

语音识别

通信功能

2.3技术改进与扩展应用

我们以后会在小精灵上扩展多种传感器，比如红外感应，能感知房间里有人进入，代码的不断进化提高语音识别能力，通过回答问题确认是否是主人；具备自我情感和性格；背唐诗，讲故事，做游戏；等等；最后，我们把它设计成一种可以供客户自己开发的产品，比如，我们提供各种传感器的接口和软件控制模块，客户可以根据他们的需求购买传感器和我们的软件模块实现他们想要的功能。

2.4项目适用范围

众所周知，随着我国城市化进程不断加快和市镇人口所占比重的逐渐增加，我国已进入“城市社会”前期。

作为一款类似于宠物的桌面网络养成的陪伴型机器人，高智能玩具机器人是价格高昂的家用娱乐机器人产品的替代品。

在能够生动的展现宠物机器人喜怒哀乐等表情和有趣可爱的动作的基础上，研制开发性能优越、价格适宜的高智能玩具是符合社会和市场要求的。

智能性机器人的使用者和购买者是学业压力较重的学生、孤独感较重的老人和工作竞争激烈的白领，购买影响者是朋友、同事、相关权威组织及媒介。

市场特征呈现为使用者、购买决策者分离的特殊性。

具有很大的商业价值。

三.系统具体功能结构与实现

本作品是一款基于安卓手机控制的微型机器人，为玩家们提供了一个更方便，更好的娱乐形式，本作品具有以下功能：

3.1语音交互

自然语音交互就是研究人们如何通过自然的语音或机器合成的语音同计算机进行交互的技术。

本作品自然语音交互功能，即结合TTS技术，对AIML扩展，开发完成的基于自然语言技术的智能交互引擎。

赋予了小精灵与玩家的“交流”能力，增强了小精灵的趣味性。

玩家可以根据自己的需求，通过数据交互与手机进行交流，再通过语音识别调用所需语音命令语句、软件等实现相应功能。

3.2通信交流

当玩家对手机发送前进、后退、左转、右转、停止的指令时，手机会对指令进行处理，通过蓝牙之间的信息传递，将检索到的指令后发送给小精灵，小精灵在接收到命令后会执行相应的动作。

这将是实现物联网的一个过程。

3.3识别功能

此外，小精灵具有循迹功能，具有极高的智能化水平。

玩家可以在纸上用黑色的笔画任何一个比小车体大的任何图形，小精灵的四个轮子都装有光敏电阻，当光敏电阻识别到有黑线时就会停止，保证小精灵绝对不会跑出黑线以外，方便玩家更好的控制。

玩家也可以在面积较小的地方玩，比如桌面上，让玩家不离开位子便能享受到玩的乐趣。

3.4扩展功能

（1）蔽障功能，微型机器人既然智能，至少要求其在行走过程中不会碰到东西。

当在一定的范围内检测到有物体时，小精灵会自动停下，以免遭到损坏或者造成财物损失。

（2）当检测到前方有物体时，小精灵会发出报警信号，我们还可以用运这个功能让小精灵作为一个导航系统。

（3）我们还可以对这项技术进行扩展，比如实现对家用电器的远程控制、汽车遥控、门窗遥控等等。

四.技术参数

4.1步进电机28BYJ-48

步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件，步进电机28BYJ-48型四相八拍电机，红线接电源5V，只要对步进电机的各绕组按合适的时序通电，就能使步进电机转动。

图4.1步进电机

￭技术指标

工作电压：

DC5V—12V

相数：

4

启动频率：

>550p.p.s

定位转矩：

>300g.cm

噪声：

<350dB

4.2驱动芯片ULN2003

ULN2003是高耐压、大电流达林顿陈列,由七个硅NPN达林顿管组成。

图4.2驱动芯片封装外形图

￭产品特点

ULN2003的每一对达林顿都串联一个2.7K的基极电阻,在5V的工作电压下它能与TTL和CMOS电路直接相连,可以直接处理原先需要标准逻辑缓冲器来处理的数据。

ULN2003采用DIP-16或SOP-16塑料封装。

￭技术指标

表1

项目

符号

数值

单位

最大输入电压

Vi（max）

30

V

集电极-发射极电压

Vo（max）

50

V

最大基极发射电流

IB（max）

25

Ma

输出电流

Io

500

Ma

存储温度

TS

-65～150

℃

引线耐焊接温度

TD

300

℃

4.3Arduino单片机

Arduino单片机的电压是DC—5v，它是一块基于开放源代码的单片机。

USB接口Simplei/o接口板（包括12通道数字GPIO，4通道PWM输出，6-8通道10bitAD）。

4.4发光二极管

发光二极管（LightEmittingDiode,LED），是一种半导体组件，它由砷化镓、磷化镓、磷砷化镓等半导体制成的，其核心部件是PN结。

它具有正向导通，反向击穿、截止的特性。

图4.3发光二极管剖面图

￭技术指标

工作电压：

DC1.4～3V

工作电流：

5～20mA

工作功率：

30～60毫瓦

工作环境：

正常温度

4.5光敏电阻

￭产品介绍

光敏电阻器是利用半导体的光电效应制成的一种电阻值随入射光的强弱而改变的电阻器；入射光强，电阻减小，入射光弱，电阻增大。

光敏电阻器一般用于光的测量、光的控制和光电转换。

图4.4光敏电阻及其结构图

￭技术指标

（1）光电流、亮电阻。

光敏电阻器在一定的外加电压下，当有光照射时，流过的电流称为光电流，外加电压与光电流之比称为亮电阻，常用“100LX”表示。

（2）暗电流、暗电阻。

光敏电阻在一定的外加电压下，当没有光照射的时候，流过的电流称为暗电流。

外加电压与暗电流之比称为暗电阻，常用“0LX”表示。

（3）灵敏度。

灵敏度是指光敏电阻不受光照射时的电阻值（暗电阻）与受光照射时的电阻值（亮电阻）的相对变化值。

（4）光谱响应。

光谱响应又称光谱灵敏度，是指光敏电阻在不同波长的单色光照射下的灵敏度。

若将不同波长下的灵敏度画成曲线，就可以得到光谱响应的曲线。

（5）光照特性。

光照特性指光敏电阻输出的电信号随光照度而变化的特性。

从光敏电阻的光照特性曲线可以看出，随着的光照强度的增加，光敏电阻的阻值开始迅速下降。

若进一步增大光照强度，则电阻值变化减小，然后逐渐趋向平缓。

在大多数情况下，该特性为非线性。

（6）伏安特性曲线。

伏安特性曲线用来描述光敏电阻的外加电压与光电流的关系，对于光敏器件来说，其光电流随外加电压的增大而增大。

（7）温度系数。

光敏电阻的光电效应受温度影响较大，部分光敏电阻在低温下的光电灵敏较高，而在高温下的灵敏度则较低。

4.6蓝牙模块

蓝牙技术是一种尖端的开放式无线通讯标准，能够在短距离范围内无线连接桌上型电脑与笔记本电脑、手机，便携设备。

“蓝牙”是一种大容量近距离无线数字通信技术标准，其目标是实现最高数据传输速率1Mbps、最大传输距离为10厘米～10米，通过增加发射功率可达到100米，实现数据和信息的传递。

五总结

利用安卓手机作为小精灵的主控器极大地方便了系统的更新和升级，让每个人都可以定做自己喜欢的精灵软件。

利用手机上丰富的传感设备舍去了以往众多的传感器模块，不但缩小了机器人的体积，而且提高了稳定性。

还极大地降低了制作成本。

机器人动作可爱，通信方式达4种之多，我们期待在不久的将来，智能微型桌面机器人走进千家万户，将科技之美展现。

六参考文献

1.余玲;刘幺和；邹邵文；基于物联网的二维码识别及语音播报的研究

2.王保云.物联网技术研究综述[J].电子测量与仪器学报.2009（12）

3.刘陈,景兴红,董钢.浅谈物联网的技术特点及其广泛应用[J].科学咨询（科技·管理）.2011（09）

4.邵顺增.物联网应用及发展[J].硅谷.2010（24）

5.张应福.物联网应用的问题分析及引入原则[J].通信与信息技术.2010（03）

6.邹川阳.Android平台中蓝牙设备的应用[J].软件导刊.2012（07）

7.林长青,成海量.基于Android系统和蓝牙通信的手机遥控车设计[J].山西电子技术.2012（03）

8.郑昊,钟志峰,郭昊,许骏.基于Arduino/Android的蓝牙通信系统设计[J].物联网技术.2012（05）

9.王鸿钰编著.步进电机控制技术入门[M].同济大学出版社,1990