关键词：
教育机器人
硬件设计
语音交互
人工智能
摘要：
背景与意义:近年来人工智能的快速发展,带动了机器人智能化的浪潮。教育机器人作为一个问世不久的产品,也得到了越来越多的关注。我国从二十世纪八十年代开始抓信息技术的发展,自2017年全面二胎的政策的放开,以及中国城市化不断加速的现状。适龄儿童所需要的教育资源较之以前有了极大的提升,如何保证他们在当今信息化社会不被淘汰,并跟上当今教育的浪潮。价廉质优的教育机器人产品是保障他们充分享受教育资源的一个有力手段。父母在传统家庭中扮演的教育角色也日益产生变化,如今加上智能化工具参与家庭教育环节愈发成为了一项趋势。教育机器人将会带动现在孩子们共同成长,扮演教育环节里一个不可缺失的角色。因而教育机器人有着良好的市场与较大的市场潜力,也是我国中国制造2025的一个重要研究重点。基于教育机器人的市场需求,本文设计了一款智能教育机器人,具体工作如下:(1)分析与研究世界教育机器人的发展现状,对最新的教育机器人热点进行追踪与解析。再对市场进行调研,了解市场上的主流教育机器人的功能与价位,进而归纳总结出本文设计的教育机器人的基本定位与功能方案。(2)本文阐述了所设计的教育机器人核心功能,从功能出发,设计出硬件方案与软件方案,选定开源软硬件平台,经过一系列实验与学习,选出相应的器材与软件,进行所设计的教育机器人方案的组装。给出了实现功能的教育机器人器材选型与关键技术的基础原理、设计思路与具体步骤。(3)完成机器人的组装后,组织一定数量的志愿者以事先定好的教育机器人测试方案与标准进行多次测试。对每个测试结果进行详尽的比对并给出原因和改进方案。内容1:Arduino作为一个新兴的电子硬件平台,以开源性,低成本,模块化为主要特点。可以通过光源、电机、声音传感器来实现设计功能,同时板子上的微型控制器可以通过Arduino自带语音进行程序烧录。同时,在Arduino项目中,在和PC端通信时,可以进行多种软件之间通信(Flash,Msp)来实现的。本文在比对多款微型控制器:51单片机,树莓派与arduino中,51单片机开发程序较为繁琐,实现功能比较单一,树莓派实现功能较多,但本身的电源供电有一定的局限性,模块化一般。Arduino在实际开发中,开发的难度较为简单,模块化资源丰富,较为适合本文的设计方案。在硬件设计方案中,采用Arduino UNO开发板,驱动板选择L298N,并采用Arduino拓展版来实现其他模块的互联。在中文语音识别芯片上选用LD3320,来进行中文语音的识别。识别的策略是将所需识别的内容简化成关键字。当麦克风采集到声音信号时,MCU执行ASR识别程序。录人的语音内容将被储存经由arduinowifi模块并上传到云端。此外再选取常用5v马达,在供电方面采用18650锂电池,此电池一节标准电压为3.7V,电池充满电为4.2V,在以前的经验中,当一节电池电压下降到3.2V便无法正常使用。那么采用两节锂电池进行串联,标准电压为7.4V,充满电为8.4V,可使用最低电压为6.4V。故需要使用一款AOZ1016芯片转5V出来给整块板子供电(因为USB等各种接口均为5V),使得7.4v转为5v。在具体的操作中,对其中两个电阻阻值调节即可实现预期目标。在语音识别的技术实现中,在语音引擎选择上,因为经费受限,百度语音平台自2017年起便采用终身免费,科大讯飞在一部分的API接口采用免费。同时在语音识别率上,后起的百度语音时劣于科大讯飞的,为了解约成本,我们采用百度语音进行语音识别加用科大讯飞平台进行语音合成,由于条件受限,暂时不加入离线模块,只从线上模式进行考虑。从语音交互流程设计上看,将机器人的常态设为待机状态,处于低功耗待唤醒的模式,唤醒词可以通过内部设置,即呼唤机器人名字“tiri”。机器人由待机状态进入工作状态,工作状态下即可进行语音输入,机器人开始主动聆听。例如询问“今天是几号”。经过相关模块处理,语音内容录入成SST,云端语音识别文字,提取关键词破译意图与语料库匹配。然后文本转化为语音进行输出。如果无法匹配,将信息传人云端,得到云端回答后输出。在语音识别得过程中,儿童可以通过教育机器人询问并获得天气,新闻,科教,文化,笑话,故事等知识,既可以陪伴留守儿童得身心成长,也可以一定程度上缓解教师与家长的教学压力。使得教育机器人本身的教育功能予以发挥。内容2:此外,语音的反馈还可以从机器人实物的运动中出发,对于机器人的驱动,与之前进行在线识别不同的是,该运动模块采用LD3320中文识别芯片在线下识别,此时机器人用动作反馈,即让机器人前进、后退、左转、右转和停止的操作。从流程上分析,第一步建立指令子集集合,第二部解析并运动,此时需要硬件设备(电机与电机驱动)的支持,用arduino的库与L298N电机驱动通过串口链接来实现运动。在教育机器人模块组装完毕后,我们
