基于移動(dòng)物聯(lián)技術(shù)的兒童陪伴機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘 要：針對(duì)目前中國(guó)家庭少子化，兒童照顧“赤字化”現(xiàn)狀，為解決傳統(tǒng)的教育資源和家庭陪伴難以完全滿足孩子個(gè)性化發(fā)展需求這一問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一款基于移動(dòng)物聯(lián)技術(shù)的兒童智能陪伴機(jī)器人。系統(tǒng)開(kāi)發(fā)由移動(dòng)管理平臺(tái)和機(jī)器人終端組成，機(jī)器人終端具有無(wú)線控制和自主循跡兩種運(yùn)動(dòng)模式供用戶選擇?；谡Z(yǔ)音交互技術(shù)對(duì)用戶語(yǔ)音信號(hào)特征提取與合成，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人語(yǔ)音交互，基于DFPlayer Mini音頻模塊實(shí)現(xiàn)機(jī)器人兒歌、繪本和知識(shí)百科啟蒙學(xué)習(xí)情景交互，基于Socket技術(shù)設(shè)計(jì)C/S網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)移動(dòng)端與機(jī)器人終端異構(gòu)平臺(tái)數(shù)據(jù)交互。移動(dòng)平臺(tái)具有機(jī)器人控制功能及繪本檢索與閱讀、兒童啟蒙學(xué)習(xí)資源，極大地提升了用戶使用APP的體驗(yàn)。本系統(tǒng)通過(guò)兒童喜愛(ài)的功能與其交流互動(dòng)，為他們提供教育輔助與情感支持，促進(jìn)兒童更有效的學(xué)習(xí)和成長(zhǎng)。

關(guān)鍵詞：移動(dòng)物聯(lián)；智能陪伴；機(jī)器人；循跡；交互；移動(dòng)平臺(tái)

中圖分類號(hào)：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2025）06-00-05

DOI：10.16667/j.issn.2095-1302.2025.06.020

0 引 言

隨著現(xiàn)代社會(huì)的發(fā)展和家庭結(jié)構(gòu)的變化，越來(lái)越多的家庭面臨忙碌的工作和生活壓力，導(dǎo)致孩子缺乏陪伴和親子交流機(jī)會(huì)。不同的兒童有著不同的學(xué)習(xí)和情感需求，而傳統(tǒng)的教育資源和家庭陪伴難以完全滿足孩子的個(gè)性化需求，為了滿足個(gè)性化需要，兒童陪伴機(jī)器人需要通過(guò)個(gè)性化的交互和教育模式[1]，滿足孩子的不同需求。隨著時(shí)代和科技的發(fā)展，移動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)[2-4]已充分融入日常生活的各個(gè)領(lǐng)域，方便人們的生活起居以及智能化管理。兒童陪伴機(jī)器人可以通過(guò)語(yǔ)音識(shí)別、情感識(shí)別、互動(dòng)設(shè)計(jì)等技術(shù)[5-7]，與兒童進(jìn)行溝通互動(dòng)，提供陪伴、教育、娛樂(lè)等功能，幫助兒童提升學(xué)習(xí)、情感和社交技能，填補(bǔ)現(xiàn)實(shí)生活中的陪伴空缺。兒童陪伴機(jī)器人將成為父母繁忙時(shí)兒童優(yōu)秀的陪伴者、傾聽(tīng)者、教育者，對(duì)兒童成長(zhǎng)和父母與孩子之間的情感交流具有重要意義[8-10]。

本文設(shè)計(jì)并開(kāi)發(fā)了一款基于移動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的兒童智能陪伴機(jī)器人，該設(shè)備以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為支撐，通過(guò)穩(wěn)定的通信方式實(shí)現(xiàn)機(jī)器人系統(tǒng)中各功能模塊之間的“互聯(lián)互通”，具備兒童玩具互動(dòng)、語(yǔ)音交互、兒歌播放、繪本閱讀、知識(shí)學(xué)習(xí)等功能，可通過(guò)趣味性互動(dòng)提供知識(shí)傳遞和學(xué)習(xí)引導(dǎo)，旨在解決兒童父母因工作繁忙等原因?qū)е碌呐惆榕c教育問(wèn)題，促進(jìn)兒童全方面健康成長(zhǎng)。

1 兒童陪伴機(jī)器人系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的兒童智能陪伴機(jī)器人系統(tǒng)如圖1所示。其由陪伴機(jī)器人終端和移動(dòng)管理平臺(tái)組成，陪伴機(jī)器人控制終端采用STM32單片機(jī)作為主控器，運(yùn)動(dòng)控制采用OpenMV視覺(jué)模組配合電機(jī)驅(qū)動(dòng)設(shè)備驅(qū)動(dòng)兩個(gè)5 V直流電機(jī)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人自主循跡，語(yǔ)音交互采用LD3320語(yǔ)音識(shí)別模塊[11]和SYN6288語(yǔ)音合成模塊實(shí)現(xiàn)人機(jī)自主交互對(duì)話，啟蒙學(xué)習(xí)場(chǎng)景采用DFPlayer Mini音頻模塊實(shí)現(xiàn)機(jī)器人兒歌播放、繪本閱讀和知識(shí)百科學(xué)習(xí)情景交互，采用ESP8266 WiFi模塊實(shí)現(xiàn)機(jī)器人控制終端與移動(dòng)管理平臺(tái)Socket網(wǎng)絡(luò)通信，完成異構(gòu)平臺(tái)之間的數(shù)據(jù)交互。移動(dòng)管理平臺(tái)對(duì)兒童陪伴機(jī)器人終端運(yùn)動(dòng)狀態(tài)及終端啟蒙資源學(xué)習(xí)功能進(jìn)行無(wú)線控制。

兒童智能陪伴機(jī)器人移動(dòng)管理平臺(tái)基于Android Studio開(kāi)發(fā)[12]，設(shè)計(jì)并開(kāi)發(fā)了用戶注冊(cè)與登錄、機(jī)器人控制、啟蒙教育場(chǎng)景學(xué)習(xí)和系統(tǒng)設(shè)置等模塊。在用戶注冊(cè)與登錄界面，用戶注冊(cè)賬戶成功后，輸入用戶名和密碼方可登錄軟件進(jìn)行系統(tǒng)操作；機(jī)器人控制界面主要完成移動(dòng)端對(duì)機(jī)器人終端設(shè)備的運(yùn)動(dòng)控制，通過(guò)建立移動(dòng)端與機(jī)器人終端的Socket通信，用戶借助移動(dòng)端便能實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人終端的行駛、轉(zhuǎn)向、兒歌播放、音量調(diào)節(jié)和工作模式選擇等控制；教育啟蒙場(chǎng)景學(xué)習(xí)主要幫助兒童完成對(duì)繪本、兒歌和百科知識(shí)的學(xué)習(xí)，助力兒童養(yǎng)成閱讀習(xí)慣，提升其知識(shí)素養(yǎng)。移動(dòng)端開(kāi)發(fā)系統(tǒng)設(shè)計(jì)架構(gòu)如圖2所示。

2 兒童陪伴機(jī)器人終端硬件設(shè)計(jì)

兒童陪伴機(jī)器人終端硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示。系統(tǒng)通過(guò)升壓模塊將5 V電壓提升至12 V，帶動(dòng)L298N電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊工作，使得5 V直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)器人執(zhí)行運(yùn)動(dòng)操作。自主循跡模式下，機(jī)器人無(wú)需人工干預(yù)即可根據(jù)設(shè)定的軌跡自主行進(jìn)，主控器通過(guò)對(duì)OpenMV視覺(jué)檢測(cè)的循跡信息進(jìn)行綜合分析來(lái)控制機(jī)器人自主行進(jìn)。移動(dòng)端通過(guò)ESP8266 WiFi模塊與機(jī)器人終端組建C/S網(wǎng)絡(luò)，移動(dòng)端發(fā)送操作指令控制機(jī)器人終端執(zhí)行前進(jìn)、后退、順時(shí)針旋轉(zhuǎn)、逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)操作。音頻模塊選用DFPlayer Mini，該模塊基于串行通信與單片機(jī)完成數(shù)據(jù)傳輸，同時(shí)支持TF卡驅(qū)動(dòng)。DFPlayer Mini模塊通過(guò)10字節(jié)的串口指令實(shí)現(xiàn)播放/暫停、播放上一曲、播放下一曲、音量加減等功能。語(yǔ)音識(shí)別模塊采用LD3320，該模塊具有非特定人語(yǔ)音識(shí)別技術(shù)，接收到語(yǔ)音信號(hào)后，LD3320自行將信號(hào)與模塊內(nèi)部的詞條比較并將比對(duì)結(jié)果傳輸給單片機(jī)。STM32單片機(jī)通過(guò)SPI接口與LD3320通信，通過(guò)內(nèi)置咪頭接收外界語(yǔ)音信號(hào)。語(yǔ)音合成模塊采用SYN6288，該模塊通過(guò)串行通信與單片機(jī)完成數(shù)據(jù)交互，SYN6288語(yǔ)音合成模塊將單片機(jī)控制器通過(guò)串行通信發(fā)送的控制命令和文本合成為語(yǔ)音信號(hào)并輸出，通過(guò)功率放大器放大后通過(guò)喇叭播放。兒童陪伴機(jī)器人模型如圖4所示。機(jī)器人LED閃動(dòng)模塊設(shè)計(jì)了六個(gè)不同顏色的LED燈，將LED燈裝入設(shè)計(jì)的機(jī)器人外殼中，一旦機(jī)器人WiFi配置完成，LED燈會(huì)自動(dòng)亮起，表明機(jī)器人進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)，等待移動(dòng)端與其通信。機(jī)器人終端接收到移動(dòng)端發(fā)送的信號(hào)，執(zhí)行閃爍命令，表明信號(hào)已接收，與用戶實(shí)現(xiàn)了良好的人機(jī)交互。

3 兒童陪伴機(jī)器人終端軟件設(shè)計(jì)

3.1 兒童陪伴機(jī)器人運(yùn)動(dòng)功能

機(jī)器人終端運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)了兩種工作模式，即利用無(wú)線通信的方式控制陪伴機(jī)器人終端前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)；陪伴機(jī)器人終端依據(jù)行駛軌道自主循跡。

（1）利用無(wú)線通信的方式控制機(jī)器人終端運(yùn)動(dòng)的實(shí)現(xiàn)方法

①設(shè)計(jì)兒童陪伴機(jī)器人移動(dòng)平臺(tái)作為客戶端（Client）、陪伴機(jī)器人終端設(shè)備作為服務(wù)器端（Server），移動(dòng)端基于Android Studio開(kāi)發(fā)并采用Java語(yǔ)言進(jìn)行控制程序設(shè)計(jì)，移動(dòng)端設(shè)置服務(wù)器端IP地址為192.168.4.1，端口號(hào)PORT為8080，用于與陪伴機(jī)器人終端設(shè)備建立Socket通信連接。

②通過(guò)Android移動(dòng)端輸出流控制算法，實(shí)現(xiàn)陪伴機(jī)器人手動(dòng)控制模式下的五種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)（前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)和停止）。設(shè)計(jì)移動(dòng)端圓盤控制器，將圓環(huán)分割成上下左右四個(gè)扇形按鈕，每一個(gè)按鈕分別控制機(jī)器人終端的一個(gè)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，在圓環(huán)中間設(shè)計(jì)一個(gè)圓形“STOP”按鈕用于使機(jī)器人停止動(dòng)作。

③五個(gè)按鈕控件對(duì)應(yīng)事件監(jiān)聽(tīng)機(jī)制下的“G”“B”“L”“R”“S”狀態(tài)信息，一旦觸發(fā)事件監(jiān)聽(tīng)機(jī)制setOnClickListener，將其加載到sport變量數(shù)組中，設(shè)計(jì)write方法將sport數(shù)組寫入Socket輸出流，依托移動(dòng)端與終端之間的WiFi網(wǎng)絡(luò)將輸出流的數(shù)據(jù)發(fā)送給陪伴機(jī)器人終端。

④終端單片機(jī)控制器接收到移動(dòng)端發(fā)送的輸出流信息并對(duì)其解析，解析結(jié)果依據(jù)獲取不同的“G”“B”“L”“R”“S”狀態(tài)信息分別控制陪伴機(jī)器人完成前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)和停止五種運(yùn)動(dòng)功能。

⑤移動(dòng)端發(fā)送“G”信號(hào)至陪伴機(jī)器人終端，控制兩個(gè)電機(jī)正轉(zhuǎn)，機(jī)器人前進(jìn)；移動(dòng)端發(fā)送“B”至陪伴機(jī)器人終端，控制兩個(gè)電機(jī)反轉(zhuǎn)，機(jī)器人后退；移動(dòng)端發(fā)送“L”信號(hào)至陪伴機(jī)器人終端，控制左側(cè)電機(jī)反轉(zhuǎn)，右側(cè)電機(jī)正轉(zhuǎn)，機(jī)器人左轉(zhuǎn)；移動(dòng)端發(fā)送“R”信號(hào)至陪伴機(jī)器人終端，控制左側(cè)電機(jī)正轉(zhuǎn)，右側(cè)電機(jī)反轉(zhuǎn)，機(jī)器人右轉(zhuǎn)。

（2）陪伴機(jī)器人終端依據(jù)設(shè)定的軌道自主循跡的實(shí)現(xiàn)方法

①地面鋪設(shè)寬度為2 cm黑色循跡路徑，包括直線路況、十字路況、T型路口，終點(diǎn)鋪設(shè)寬度為4 cm的黑色虛線。通過(guò)機(jī)器人上方的OpenMV視覺(jué)模組實(shí)時(shí)拍攝行駛地面圖像，并對(duì)圖像進(jìn)行灰度處理、濾波、閾值分割，將處理后的圖像沿縱向分割為3個(gè)區(qū)域，再將中間區(qū)域沿橫向分割成3個(gè)區(qū)域，得到5個(gè)目標(biāo)區(qū)域。

②前進(jìn)過(guò)程中分別對(duì)分割后的5個(gè)目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行像素值遍歷，找到區(qū)域內(nèi)像素值最大的色塊，并獲取該色塊的左、右端點(diǎn)坐標(biāo)，多次進(jìn)行線段擬合，從而將多個(gè)區(qū)域內(nèi)的最大色塊擬合成一條循跡直線，作為目標(biāo)直線。

③獲取目標(biāo)直線左、右端點(diǎn)坐標(biāo)并計(jì)算目標(biāo)直線中心坐標(biāo)，再計(jì)算預(yù)處理圖像中心坐標(biāo)相對(duì)目標(biāo)直線中心坐標(biāo)的偏移量，通過(guò)偏移量調(diào)整機(jī)器人的前進(jìn)方向。

式中：Δdx為目標(biāo)直線的偏移量；Rc為預(yù)處理圖像分割后的目標(biāo)區(qū)域的權(quán)值；X0為道路循跡預(yù)處理圖像的中心橫坐標(biāo)；X為目標(biāo)直線中心橫坐標(biāo)。

④終點(diǎn)識(shí)別過(guò)程中，由于終點(diǎn)鋪設(shè)了寬度為4 cm的黑色虛線，因此形成了多個(gè)黑色色塊，故需設(shè)定終點(diǎn)處黑色方塊的數(shù)量閾值，檢測(cè)中間3個(gè)目標(biāo)區(qū)域中和上方兩個(gè)目標(biāo)區(qū)域中黑色方塊的數(shù)量，如果目標(biāo)區(qū)域黑色方塊數(shù)量大于閾值，則機(jī)器人行駛至終點(diǎn)，完成機(jī)器人自主循跡過(guò)程。

3.2 兒童陪伴機(jī)器人語(yǔ)音交互功能

語(yǔ)音交互功能設(shè)計(jì)時(shí)首先通過(guò)LD3320進(jìn)行語(yǔ)音識(shí)別，當(dāng)識(shí)別到對(duì)應(yīng)的關(guān)鍵詞時(shí)，STM32單片機(jī)向SYN8266發(fā)送指令合成相應(yīng)的回復(fù)。由于用戶使用機(jī)器人的環(huán)境具有不確定性，所以在嘈雜環(huán)境下機(jī)器人會(huì)錯(cuò)誤地觸發(fā)一些語(yǔ)音回復(fù)關(guān)鍵詞，為了消除這些疑似關(guān)鍵詞的影響，在軟件算法中設(shè)計(jì)了一級(jí)關(guān)鍵詞和二級(jí)關(guān)鍵詞。在接收到一級(jí)關(guān)鍵詞“卡繆”后，SYN8266會(huì)回復(fù)語(yǔ)音“我在，主人請(qǐng)吩咐”，才能喚醒后續(xù)的二級(jí)關(guān)鍵詞識(shí)別功能并進(jìn)行相應(yīng)的回復(fù)，從而提高系統(tǒng)的準(zhǔn)確度。等到機(jī)器人聽(tīng)到關(guān)鍵詞“再見(jiàn)”后，機(jī)器人將回復(fù)“主人，我們下次再見(jiàn)”，之后退出二級(jí)關(guān)鍵詞等待進(jìn)程，重新等待一級(jí)關(guān)鍵詞。機(jī)器人語(yǔ)音交互設(shè)計(jì)流程如圖5所示。

3.3 兒童啟蒙學(xué)習(xí)交互功能

兒童啟蒙學(xué)習(xí)資源交互主要通過(guò)音頻交互模塊DFPlayer Mini通過(guò)串行通信控制音頻文件播放如兒歌、百科小知識(shí)等。DFPlayer Mini模塊通過(guò)串口TXD（發(fā)送）和RXD（接收）引腳與兒童陪伴機(jī)器人終端系統(tǒng)控制器相連，通過(guò)串行通信接收主控器發(fā)送的指令。兒歌、繪本和百科知識(shí)對(duì)應(yīng)的音頻文件（MP3、WAV）存儲(chǔ)在microSD卡中，microSD卡需插入DFPlayer Mini模塊。主控器采用DFRobotDFPlayerMini庫(kù)進(jìn)行指令調(diào)用，主控器發(fā)送的指令為10字節(jié)，分別表示為起始位、版本信息、數(shù)據(jù)長(zhǎng)度、命令字、命令反饋、參數(shù)1、參數(shù)2、兩字節(jié)校驗(yàn)和、結(jié)束位。設(shè)計(jì)的功能主要編輯命令字、參數(shù)和校驗(yàn)和。由于機(jī)器人兒歌播放功能和兒童繪本閱讀、知識(shí)百科學(xué)習(xí)都由DFPlayer模塊實(shí)現(xiàn)，需要對(duì)MP3文件進(jìn)行分類播放。設(shè)計(jì)DFPlayer播放指定文件夾的指定曲目，兒歌放置于SD卡01文件夾，繪本放置于02文件夾，知識(shí)百科放置于03文件夾，用戶通過(guò)移動(dòng)平臺(tái)發(fā)送對(duì)應(yīng)的功能指令，機(jī)器人終端進(jìn)行指令解析后，根據(jù)指令的不同播放不同的學(xué)習(xí)資源。例如移動(dòng)端發(fā)送兒歌指令被單片機(jī)終端接收后，單片機(jī)解析兒歌指令“7E FF 06 0F 00 01 01 FE E8 EF”，表征“01”即播放兒歌文件夾第一首兒歌，DFPlayer Mini模塊完成相應(yīng)的播放，同理“7E FF 06 0F 00 02 01 FE E7 EF”表征“02”，即播放繪本文件夾內(nèi)第一個(gè)繪本故事，DFPlayer Mini模塊完成對(duì)相關(guān)繪本文件的播放。

4 移動(dòng)管理平臺(tái)開(kāi)發(fā)

陪伴機(jī)器人移動(dòng)平臺(tái)設(shè)計(jì)基于Android Studio開(kāi)發(fā)環(huán)境，開(kāi)發(fā)功能包含系統(tǒng)注冊(cè)與登錄、機(jī)器人控制、啟蒙學(xué)習(xí)和系統(tǒng)設(shè)置。設(shè)計(jì)登錄界面時(shí)，為保證軟件的安全性，每個(gè)用戶登錄該軟件時(shí)需注冊(cè)其賬號(hào)，用戶通過(guò)輸入專屬用戶名和密碼才能完成登錄。該登錄界面具備注冊(cè)賬號(hào)、顯示與隱藏密碼、登錄系統(tǒng)功能，如圖6所示。

機(jī)器人控制界面用于控制機(jī)器人終端不同的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，如前進(jìn)、后退、順時(shí)針旋轉(zhuǎn)、逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。該界面由一個(gè)圓盤遙控器和下方的返回按鍵組成，以屏幕為中心繪制出外圈的API圓環(huán)，通過(guò)將圓環(huán)分割成上下左右四個(gè)扇形部分，以控制機(jī)器人終端的運(yùn)動(dòng)功能。在圓環(huán)中間設(shè)計(jì)了一個(gè)圓形“STOP”按鈕用于停止機(jī)器人的動(dòng)作。設(shè)計(jì)過(guò)程中首先需確定中心，根據(jù)中心點(diǎn)和中心圓的半徑確定圓環(huán)的大小和位置，由于遙控器的四個(gè)按鍵是由“X”形切割形成，可以設(shè)置每個(gè)弧形的角度為90°并調(diào)整其偏移角度，將圓環(huán)平均分成四個(gè)區(qū)域。根據(jù)中心點(diǎn)和內(nèi)部停止按鍵半徑繪制出一個(gè)圓形圖案，然后在圖案內(nèi)部添加“STOP”字樣。最后對(duì)弧形區(qū)域和“STOP”按鍵進(jìn)行顏色填充，使按鍵區(qū)域在按鍵被按下的同時(shí)變色，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。當(dāng)點(diǎn)擊的位置距離圓心的距離小于中心圓半徑，則為中心圓。當(dāng)點(diǎn)擊的位置與圓心距離大于中心圓半徑，則為扇形圓環(huán)部分，此時(shí)根據(jù)按鍵的偏移角度計(jì)算本次按鍵按下的位置為上下左右哪一個(gè)區(qū)域。檢測(cè)到按鍵響應(yīng)后，移動(dòng)端通過(guò)Socket通信進(jìn)行指令傳輸，從而控制機(jī)器人終端運(yùn)動(dòng)，如圖7所示。

啟蒙學(xué)習(xí)界面采用SQLite數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)每日一讀繪本學(xué)習(xí)，如圖8所示。每日一讀繪本管理數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)的Table表放置id號(hào)、author（繪本作者）、name（繪本名）和readtime（閱讀時(shí)長(zhǎng)）。創(chuàng)建繪本閱讀Table表關(guān)鍵代碼如下：

public static final String CREATE_BOOK=\"create table book（\"

+\"id integer primary key autoincrement，\"

+\"author text，\"

+\"readtime real，\"

+\"name text）\";

查詢繪本信息時(shí)用戶點(diǎn)擊查詢按鈕，設(shè)計(jì)querryAll方法查詢所有繪本的繪本名、繪本作者和閱讀時(shí)長(zhǎng)。繪本查詢關(guān)鍵代碼如下：

public Book[] querryAll（）{

Cursor result=db.query（\"book\"，1，1，1，1，1，1）;

return ConvertToBooks（result）;

}

機(jī)器人兒歌、故事音頻播放設(shè)計(jì)參考MP3的按鍵排布，繪制多個(gè)圓形按鍵，上方為音量調(diào)節(jié)按鈕和“播放/暫?！卑粹o；下方設(shè)計(jì)了兩個(gè)曲目按鍵，點(diǎn)擊兩邊分別為上一曲和下一曲，點(diǎn)擊下方長(zhǎng)按鍵中間即可切換播放的音樂(lè)種類：兒歌或者兒童故事，同時(shí)在按鍵內(nèi)部添加相應(yīng)的圖片使界面更加美觀并富有趣味性，如圖9所示。

5 系統(tǒng)測(cè)試

測(cè)試是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要組成部分，通過(guò)測(cè)試可以不斷改進(jìn)和完善系統(tǒng)。本系統(tǒng)測(cè)試主要包括機(jī)器人終端運(yùn)動(dòng)功能測(cè)試、系統(tǒng)通信測(cè)試、語(yǔ)音交互與啟蒙學(xué)習(xí)功能測(cè)試。

5.1 運(yùn)動(dòng)功能測(cè)試

（1）移動(dòng)端控制機(jī)器人運(yùn)動(dòng)

①打開(kāi)兒童陪伴機(jī)器人等待WiFi模塊ESP8266的AP模式配置成功，即機(jī)器人頭部LED燈亮起，打開(kāi)移動(dòng)端APP輸入IP地址（192.168.4.1）和端口號(hào)（8080）進(jìn)行Socket連接。

②進(jìn)入移動(dòng)端機(jī)器人控制界面點(diǎn)擊對(duì)應(yīng)的功能按鍵，機(jī)器人終端接收到數(shù)據(jù)并成功執(zhí)行的響應(yīng)時(shí)間見(jiàn)表1，機(jī)器人終端執(zhí)行前進(jìn)、后退、順時(shí)針和逆時(shí)針運(yùn)動(dòng)如圖10所示。

（2）機(jī)器人終端自主循跡測(cè)試

對(duì)加載的道路循跡圖像依次進(jìn)行初始化、顏色閾值設(shè)置、區(qū)域分割，得到道路循跡預(yù)處理圖像，利用設(shè)計(jì)的自主循跡算法，通過(guò)對(duì)道路循跡預(yù)處理圖像的各分割區(qū)域?qū)ふ业阶畲笊珘K進(jìn)行分析，測(cè)試時(shí)機(jī)器人行駛在直線區(qū)域，獲得目標(biāo)直線的中心橫坐標(biāo)X=156，圖像分割后的目標(biāo)區(qū)域的權(quán)值Rc=0.91；道路循跡預(yù)處理圖像中心的橫坐標(biāo)X0=160，代入式（1），得到目標(biāo)直線的偏移量Δdx=18.04，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于中間矩形框的寬度，則機(jī)器人檢測(cè)循跡路線為直線，如圖11（a）所示。機(jī)器人行駛在十字路口時(shí)，獲得目標(biāo)直線的中心橫坐標(biāo)X=160，位于圖像中間區(qū)域矩形框內(nèi)，判定機(jī)器人檢測(cè)循跡路徑是十字路口，如圖11（b）所示，系統(tǒng)根據(jù)預(yù)設(shè)的終點(diǎn)在十字路口先向左再向右轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)。終點(diǎn)測(cè)試時(shí)鋪設(shè)的黑色色塊數(shù)量為10，實(shí)驗(yàn)設(shè)定黑色色塊閾值為6，攝像頭采集終點(diǎn)處黑色色塊數(shù)量大于6，判定機(jī)器人行駛至終點(diǎn)，如圖11（c）所示。

5.2 語(yǔ)音交互與啟蒙學(xué)習(xí)功能測(cè)試

向機(jī)器人終端說(shuō)出語(yǔ)音交互的一級(jí)關(guān)鍵詞“卡繆”，喚醒系統(tǒng)，然后說(shuō)出對(duì)應(yīng)的二級(jí)關(guān)鍵詞并觀察機(jī)器人終端是否正確回復(fù)對(duì)應(yīng)的語(yǔ)句，將機(jī)器人終端串口連接電腦并通過(guò)串口助手判斷語(yǔ)音交互的識(shí)別信息，對(duì)機(jī)器人語(yǔ)音交互功能進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果如圖12所示，機(jī)器人終端能夠正確識(shí)別卡繆指令。

啟蒙學(xué)習(xí)功能測(cè)試，機(jī)器人系統(tǒng)通過(guò)讀取DFPlayer Mini模塊內(nèi)置的SPI-FLASH，作為存儲(chǔ)介質(zhì)文件夾中存放的啟蒙學(xué)習(xí)資源文件，使用DFPlayer Mini庫(kù)提供的音頻播放函數(shù)myDFPlayer.play（）進(jìn)行兒歌、繪本故事播放以及音量調(diào)節(jié)測(cè)試，通過(guò)對(duì)系統(tǒng)聯(lián)調(diào)移動(dòng)端與機(jī)器人終端實(shí)時(shí)通信，移動(dòng)端控制機(jī)器人終端實(shí)現(xiàn)兒童繪本閱讀、知識(shí)百科學(xué)習(xí)和兒歌播放等啟蒙學(xué)習(xí)場(chǎng)景交互，極大地提升了用戶對(duì)系統(tǒng)的體驗(yàn)。

6 結(jié) 語(yǔ)

本文基于移動(dòng)物聯(lián)技術(shù)進(jìn)行了兒童陪伴機(jī)器人的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)，不僅外觀有趣，還添加了聲光交互以增強(qiáng)對(duì)兒童的視覺(jué)沖擊。為了消除疑似關(guān)鍵詞的影響，系統(tǒng)語(yǔ)音識(shí)別算法設(shè)計(jì)了一級(jí)關(guān)鍵詞和二級(jí)關(guān)鍵詞，在接收到一級(jí)關(guān)鍵詞后，喚醒二級(jí)關(guān)鍵詞并進(jìn)行相應(yīng)回復(fù)，以有效提高系統(tǒng)的識(shí)別準(zhǔn)確度?；赟ocket技術(shù)設(shè)計(jì)C/S網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)實(shí)現(xiàn)移動(dòng)端與機(jī)器人終端的數(shù)據(jù)交互，用戶通過(guò)移動(dòng)端實(shí)時(shí)控制機(jī)器人終端的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。另外，陪伴機(jī)器人終端通過(guò)OpenMV視覺(jué)檢測(cè)技術(shù)，采用自主循跡算法依托預(yù)設(shè)的軌跡道路，機(jī)器人可以自主完成循跡運(yùn)動(dòng)全過(guò)程。同時(shí)，機(jī)器人終端設(shè)計(jì)采用DFPlayer Mini模塊，方便移動(dòng)端實(shí)時(shí)控制機(jī)器人終端進(jìn)行啟蒙學(xué)習(xí)情景交互，用戶在移動(dòng)端可以自行收藏、播放兒歌、繪本和百科知識(shí)，提高系統(tǒng)的使用體驗(yàn)。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和人工智能的不斷發(fā)展，智能化和交互性已經(jīng)越來(lái)越成為兒童智能玩具的重要特點(diǎn)之一。兒童陪伴智能機(jī)器人的設(shè)計(jì)充分解決了兒童在父母繁忙時(shí)的陪伴與教育問(wèn)題，能夠有效促進(jìn)兒童的全面健康成長(zhǎng)。

注：本文通訊作者為安康。

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作者簡(jiǎn)介：陳松濤（2004—）男，主要研究方向?yàn)橹悄芸刂萍夹g(shù)。

安 康（1981—）男，副教授，主要研究方向?yàn)槲锫?lián)網(wǎng)技術(shù)、機(jī)器視覺(jué)技術(shù)。

收稿日期：2024-04-05 修回日期：2024-05-09

基金項(xiàng)目：2023年杭州師范大學(xué)星光計(jì)劃學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目；2023年杭州師范大學(xué)本科生創(chuàng)新能力提升工程