智能DIY玩具的制作要點分析程英展

劉濱豪　劉云　柴晨翔　王怡靜

摘要：隨著人工智能技術的快速發(fā)展，智能手工玩具市場不斷膨脹，越來越多的智能玩具進入人們生活中。文章結合當前市場人工智能玩具同質化嚴重以及缺乏創(chuàng)造性的情況，通過分析智能手工玩具制作過程中應注意的要素，以智能手工玩具的交互為研究對象，從而更好的滿足當前人們對于智能化手工玩具的個性化需求。

關鍵詞：人工智能；DIY玩具；制作交互要素

前言

據相關數(shù)據統(tǒng)計，2017年我國玩具市場銷售額為110億美元，預計到2019年，我國玩具市場零售額將有望達到123億美元，平均年增長率在6%。但目前我國80%以上的玩具企業(yè)仍采用代工廠生產模式，缺乏核心技術，市場抵御風險能力低。隨著國家經濟技術的快速發(fā)展，傳統(tǒng)玩具行業(yè)也向智能化發(fā)展方向轉型。玩具的智能化將成為行業(yè)新增長點，并將逐步成為智能玩具市場的主流方向。

一、了解智能手工玩具交互原理

交互是指用戶與數(shù)字控制系統(tǒng)之間發(fā)生的信息交換過程，以輸入和輸出裝置為具體媒介。用戶與智能玩具在交流過程中存在一個相互作用的平臺，這個平臺即為 User Interface（用戶界面）。所以在制作智能玩具時首先要理解人機之間的交互原理，因為用戶與智能玩具之間的信息交流和活動控制都在交互過程中實現(xiàn)。通過處理好這個相互作用的用戶界面來實現(xiàn)流程的人機信息傳遞，對是否可以成功聯(lián)系人機之間互動至關重要。

二、熟知智能玩具的信息處理系統(tǒng)

智能玩具的傳感器分為內部傳感器、外部傳感器。內部傳感器是用來自我檢查內部狀態(tài)，如系統(tǒng)的速度、位置等物理性能，同時將自我檢查的信息及時反饋給智能控制器。

外部傳感器是智能玩具與外界進行交互獲取信息的重要通道，通過感知用戶以及周圍環(huán)境的信息來實現(xiàn)與用戶的交流。外部傳感器的優(yōu)良是體現(xiàn)智能玩具是否“智能”的關鍵所在。當智能玩具有了內外部的傳感器，就形如智能玩具有了感覺器官。

目前市面上的智能玩具的外部傳感器主要有6種：

（1）視覺傳感器即為通過對獲取圖像進行分析，達到對物體進行辨識、定位等。

（2）聲音傳感器即能夠接收聲波，通過對聲波頻率進行分析從而對獲取的語音詞匯進行辨別。

（3）激光雷達傳感器可以用于導航和躲避障礙物。觸覺傳感器就像人類皮膚，通過感知外部環(huán)境的軟硬、溫度等物理要素，主要有成像型觸覺傳感器、壓阻式陣列觸覺傳感器、壓電式觸覺傳感器等。

（4）接近覺傳感器介于觸覺和視覺傳感器中間，能夠測量距離、方位并且融合視覺和觸覺信息。接近覺傳感器主要作用就是通過發(fā)現(xiàn)周圍的障礙物，從而及時調整其活動范圍，通過對接觸對象的距離、角度進行分析為下一步的行動作出預判。

（5）滑覺傳感器主要是用于檢測智能玩具與對象之間的滑移程度，傳感器通過確定一個合適的握力，在不損傷物體、又能克服物體重力的情況下進行抓握，在智能玩具中滑覺檢測功能是實現(xiàn)柔性控制的必備條件。

（6）加速度傳感器是由阻尼器、質量塊、敏感元件、適調電路等部分組成，通過測量對象的加速度可以更加靈敏的感知對象。

通過外部傳感器接受到的信息，這些信息會傳入控制器，智能控制器通過對信息進行收集、分析、整理、評價后進行決策后發(fā)給執(zhí)行器，執(zhí)行器接收指令并對玩具的輸出設備進行控制，最后通過對智能玩具的輸出設備進行信息表達，將信息處理后的電信號轉化成語音或者圖像傳遞給用戶，這就形成了完整了交互系統(tǒng)。

三、以智能玩具小車為例路障方案優(yōu)化

文章通過以生活較為常見的智能玩具小車為例，闡述交互系統(tǒng)在制作智能玩具中的重要性。

（1）智能玩具小車傳感器對比

結合在交互系統(tǒng)中常見的幾種外部傳感器，我們在選擇兩款智能玩具小車在行駛中的避障方案中，1號智能玩具小車采用紅外傳感器，分別安裝在智能小車的四周。2號智能玩具小車采用超聲波傳感器。

通過實踐效果來看，兩種智能玩具小車的避障方案都各有優(yōu)缺點。1號小車通過在行駛過程中接收到紅外線傳感器發(fā)出的信息指令能夠及時的進行前進后退以及轉彎；2號智能玩具小車通過超聲波接收到信號后不僅可以前進后退、轉彎，還可以對行駛軌道作出預判。

結合超聲波傳感器容易受到周圍環(huán)境的干擾，文章中智能小車的控制系統(tǒng)是選用紅外線傳感器來實現(xiàn)小車的前進或者路障處理活動。智能小車的的循跡行駛、避障功能、語音反饋三個部分均需要程序編寫才能實現(xiàn)，以上的三個板塊是需要協(xié)同作用配合才能確保智能玩具小車的正常運轉。

（2）幾何算法在智能玩具車中的應用

在進行智能玩具的設計制造中如何更好的解決路線軌道的問題，研究者引進了邊緣探測法，一些企業(yè)并將這種算法引入到智能玩具的制造中一次玩具在行駛過程中路障問題。邊緣探測法即智能玩具通過對對象的邊緣進行分析并將路障物進行放大，通過對路障所處位置進行自身軌道、方向進行及時的調節(jié)，從而回到正確軌道。邊緣探測法的引入可以讓智能小車在行駛過程中減少弧線的行駛，提高行駛效率。

一是通過圖像識別技術來分析出路障物的具體形狀；二是通過所收集到的信息來分析當前小車所處的環(huán)境；三是通過幾何算法計算最短路徑。在第三步使用中可以利用幾何原理最終確定路障物的范圍以及局限的最小值，以此解決路徑規(guī)劃中的最短路徑的確定問題。

智能小車在整個制作過程中不僅要熟悉內部傳感設備、外部傳感設備，計算機編程也要熟知，通過將單個單片機、電源、傳感器、循跡行駛、避障功能、語音反饋等幾個板塊進行有機結合才能確保智能小車的正常運轉，所以在構架好玩具的框架之后需要逐步將硬件系統(tǒng)、軟件設計充分實驗分析、對用戶界面進行充分實驗使之更加人性化操作才能制作出真正的智能玩具。

結語：

隨著計算機技術以及人工智能的快速發(fā)展，智能玩具的研究領域得到了更加快速的發(fā)展。設計者需要緊跟時代發(fā)展通過不斷的學習數(shù)據挖掘、信息處理、模式識別等核心技術，提升智能玩具的信息的采集、分析、處理、反饋等功能，從而設計出性能更加優(yōu)越、個性更加突出的智能玩具。

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