基于micro:bit開發(fā)板的可編程動漫衍生形象機器人研究

米晶爽 張鐵成 尹曉嬌

摘要：為了滿足少兒機器人編程產(chǎn)品的發(fā)展需求，文章提出了采用micro：bit開發(fā)板作為控制中心，以動漫形象作為可編程機器人的造型。從目標(biāo)人群分析、功能設(shè)計分析、造型分析三個方面確定該機器人的設(shè)計思路，從功能設(shè)計和造型設(shè)計兩方面開展可編程機器人的設(shè)計實踐活動。希望對可編程機器人設(shè)計提供新的設(shè)計方向。

關(guān)鍵詞：micro：bit開發(fā)板;動漫衍生形象;可編程機器人

中圖分類號：TB472 文獻標(biāo)識碼：A

文章編碼：1672-7053（2020）04-0155-02

1 micro：bit開發(fā)板概述

micro：bit是一款由英國廣播電視公司（BBC）聯(lián)合20幾家公司和機構(gòu)，如三星、微軟等，專為青少年編程教育設(shè)計的微型電腦開發(fā)板，BBC希望通過micro：bit驅(qū)動青少年參與到創(chuàng)造性的硬件制作和軟件編程中去，而不是每天沉浸在各式的娛樂和消費中。該開發(fā)板基于ARM體系的嵌入式系統(tǒng)，電路板大小為4cm×5cm，擁有1個ARM Cortex-MO處理器，加速度傳感器和磁力傳感器，藍牙通信和USB連接編程能力，由25個LED組成的顯示屏，2個可編程按鈕，可以用USB或者外部電池包來供電。

2 基于micro：bit開發(fā)板的可編程動漫衍生形象機器人設(shè)計意義

以micro：bit作為控制系統(tǒng)的可編程機器人，自帶顯示、按鍵、聲音、姿勢傳感器，且可使用圖形化編程工具進行編程，更易于學(xué)習(xí)。采用micro：bit開發(fā)板作為機器人的控制中心，通過連接語音模塊、電機或舵機、顯示屏等控制機器人的運轉(zhuǎn)，可探索micro：bit開發(fā)板在可編程機器人產(chǎn)品中的應(yīng)用，探索與常用傳感器模塊的通信方法。將青少年喜愛的動漫形象與機器人設(shè)計相結(jié)合，將micro：bit開發(fā)板與動漫形象相結(jié)合，使用makecodeEditor圖像化編程的方式，易于普及micro：bit開發(fā)板在青少年編程中的應(yīng)用，在趣味的學(xué)習(xí)過程中可培養(yǎng)學(xué)生的計算思維和創(chuàng)新解難能力，也可擴展動漫衍生品的設(shè)計方向，該機器人產(chǎn)品可作為兒童的智能玩具，也可作為創(chuàng)客教育的教學(xué)用具，具有廣闊的市場空間。

3 基于micro：bit開發(fā)板的可編程動漫衍生形象機器人設(shè)計分析

3.1目標(biāo)群體分析

通過分析兒童對少兒編程知識接受的能力得知，4歲～6歲的孩子只能玩一些編程小游戲，7歲～9歲的孩子可以用一些可視化編程工具如Scratch、APPlnventor來完成一些復(fù)雜的任務(wù)，10歲以上的孩子可以使用Python等學(xué)習(xí)一種真正的編程語言，也可以進行硬件機器人編程。確定了該機器人的目標(biāo)使用人群，該機器人因采用了更易于學(xué)習(xí)使用的圖形化編程工具，可適用于10歲以上的兒童開展軟硬件機器人的編程。

3.2功能設(shè)計分析

通過對現(xiàn)有創(chuàng)客教育產(chǎn)品、創(chuàng)客教育課程及電商平臺主流網(wǎng)店可編程產(chǎn)品的調(diào)研，同時參考arduino智能小車等產(chǎn)品，結(jié)合目標(biāo)人群的使用特點，確定了該機器人的主要功能如下：

1）顯示功能。能通過編程控制單個或多個LED、LED點陣屏的顯示、變換圖案、變色、實現(xiàn)流水燈等效果，通過點陣屏能顯示靜態(tài)及動態(tài)字符。

2）運動功能。通過對比智能小車的運動方式，常見的普通四輪輪胎僅能實現(xiàn)前后左右的單向運動，為了豐富運動效果，該機器人底部采用了四個麥克娜姆輪，實現(xiàn)全向運動。同時要實現(xiàn)頭部左右轉(zhuǎn)動、手臂擺動、握手等運動。

3）智能識別功能。能通過超聲波測距傳感器、紅外傳感器等實現(xiàn)黑邊線識別、跟隨等功能，也可通過顏色傳感器識別顏色。

3.3造型設(shè)計分析

在造型設(shè)計過程中，應(yīng)考慮所采用的運動部件如麥克納姆輪等及內(nèi)部電子元件、外部顯示元件的合理布局。擬采用的麥克納姆輪將限制機器人底部的尺寸及結(jié)構(gòu)，外部顯示使用的柔性屏也對造型產(chǎn)生一定的影響，其他外露電子元件也會對造型產(chǎn)生影響。外觀可以將二維或者三維的動漫形象進行立體化的設(shè)計。在顏色選擇時可結(jié)合機器人產(chǎn)品顏色發(fā)展趨勢及青少年色彩喜好程度，同時也應(yīng)考慮所采用或者所設(shè)計的動漫形象的顏色。

4 基于micro：bit開發(fā)板的可編程動漫衍生形象機器人設(shè)計實踐

4.1功能設(shè)計

4.1.1運動功能

動漫衍生機器人具有多種運動方式，并可通過編程來實現(xiàn)不同的運動效果。

1）整體運動。該機器人通過四個麥克納姆輪（Mecanumwheel）來實現(xiàn)全向運動，在它的輪緣上斜向分布著許多小滾子，故輪子可以橫向滑移。小滾子的母線很特殊，當(dāng)輪子繞著固定的輪心軸轉(zhuǎn)動時，各個小滾子的包絡(luò)線為圓柱面，所以該輪能夠連續(xù)地向前滾動[1]。在micro：bit編程工具中使用擴展的庫，可通過一條語句控制機器人移動的方向。

2）手臂運動。為使動漫衍生機器人的胳膊能夠活動，內(nèi)部使用了多個舵機，使其可以旋轉(zhuǎn)，可實現(xiàn)握手及手臂擺動功能。握手功能：分別在左右手臂上設(shè)置了兩個觸摸開關(guān)，micro：bit控制板判斷兩個觸摸開關(guān)的觸摸情況，控制連接在機器人擴展板上的舵機轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)握手的功能。手臂擺動：在機器人運動過程中，兩個手臂可以交替前后擺動，模仿人的手臂擺動效果。

4.1.2聲音功能

利用Super：bit擴展板上的無源蜂嗚器，使用MakeCode編輯器自帶的音樂功能或者使用亞博智能軟件包OmniBit中的“音樂播放”功能，編制開機及機器人運動過程中的聲音方案。

4.1.3顯示功能

1）機身LED點陣屏。身體中間的顯示屏為8×8的WS2812B柔性像素屏，可以根據(jù)不同的喜好來設(shè)置像素屏的圖案，通過自動的軟件包可實現(xiàn)多種標(biāo)簽圖標(biāo)以及滾動圖標(biāo)的顯示。

2）機身LED燈及手臂LED燈。為了節(jié)省micro：bit的引腳，機身LED燈及手臂LED燈共同使用一條內(nèi)含WS2812芯片的LED RGB燈條，該燈條合有多個RGB LED，根據(jù)機器人機身及手臂的尺寸，通過延長各LED間的導(dǎo)線，使各LED按照設(shè)計要求合理安裝在機器人的機身及手臂處。使用micro：bit編程工具中的Neopixel功能，通過簡單的圖形化編程就可以控制每個LED。

4.1.4巡線功能

該機器人可在地平面上特定的黑白線進行巡線，沿特定的軌跡前進。使用的光電傳感器是各種光電檢測系統(tǒng)中實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵元件[2]。

4.1.5超聲波測距、避障及跟隨

1）超聲波測距及避障。在機身前部安裝了兩組臥式超聲波測距傳感器，兩組超聲波傳感器通過圓盤安裝在豎立放置的舵機上，兩組超聲波傳感器布置在圓盤的圓周四分之一位置處，成90度分布，通過舵機的往復(fù)旋轉(zhuǎn)，同步帶動兩個超聲波測距傳感器旋轉(zhuǎn)，根據(jù)兩個超聲波測距測得的距離來判斷前方是否有障礙物，并驅(qū)動電機正反轉(zhuǎn)，實現(xiàn)左右轉(zhuǎn)動，從而繞過障礙物[3]。

2）跟隨。當(dāng)切換到跟隨模式時，僅使用一組超聲波模塊，舵機旋轉(zhuǎn)使這組超聲波面向正前方，當(dāng)物體在超聲波正前方20CM時啟動跟隨功能，根據(jù)前方物體距機器人超聲波的距離，隨時控制機器人的運動，使其間距保持在20CM，實現(xiàn)跟隨效果。

4.1.6遙控功能

1）用手機遙控。該機器人的采用的micro：bit開發(fā)板板載了BLE（低功耗藍牙），允許手機和平板電腦通過藍牙控制micro：bit。

2）紅外遙控。為了豐富控制方式，在該機器人的擴展板上也連接了紅外接收模塊，可通過紅外無線遙控器控制機器人的前后左右運動，也可控制燈光效果，運動模式的切換。

3）手柄遙控。該機器人也可以在2塊micro：bit板子之間進行無線通訊。將一塊microbit板子連接按鈕、手柄、震動、無源蜂鳴器等模塊，制作成遙控手柄，在兩個板子使用相同的編組號后，用無線電發(fā)送信息到其他的micro：bit板子上。

4.2造型設(shè)計

首先，確定產(chǎn)品的控制系統(tǒng)及常用傳感器，尤其是運動功能的實現(xiàn)及顯示部分的效果及實現(xiàn)方式，設(shè)計了動漫形象的平面圖;其次，根據(jù)動漫形象，結(jié)合機器人發(fā)展趨勢[4]，開展機器人的造型設(shè)計，在造型過程中考慮內(nèi)部各元件的布置，同時對內(nèi)部運動機構(gòu)的設(shè)計，完成了底盤、舵機固定等固定結(jié)構(gòu)的設(shè)計;再次，通過計算機輔助設(shè)計的方式，在三維數(shù)字化環(huán)境下完成符合生產(chǎn)要求的三維文件;最后，通過3D打印機完成各部件的打印，將micro：bit控制板及各電子元件進行組裝，打磨后進行上色，進行功能上的調(diào)試，完成了產(chǎn)品原型的制作。

考慮到為兒童及青少年設(shè)計的動漫衍生形象，所以使用了以貓為元素的形象，簡單可愛。鮮艷的色彩帶來更多的活潑氛圍，促進使用的興趣及動力。

5 結(jié)語

micro：bit開發(fā)板具有功能豐富、編程簡單等特點，更適合作為可編程機器人的控制中心。以動漫衍生形象為機器人的造型，更符合青少年的喜好。通過計算機輔助設(shè)計、3D打印外殼及主要部件，將micro：bit開發(fā)板及開發(fā)板、電機、輪子、舵機、顯示屏等元件進行組裝，并通過makecode Editor圖像化編程控制電機、顯示屏等，經(jīng)過不斷調(diào)試實現(xiàn)了一款可藍牙、手柄、紅外遙控的可編程機器人，也具有燈光顏色切換、激光測距、避障及跟隨等功能。將micro：bit開發(fā)板與動漫形象機器人結(jié)合，擴展了動漫機器人衍生品的設(shè)計方向。

本文系遼寧省2019年大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目（國家級）《基于micro：bit開發(fā)板的可編程動漫衍生形象機器人》（項目編號：201911258003）。

參考文獻

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[3]陳樂鵬，譚曉東，曹江沽，劉升云，高智偉.超聲波定位系統(tǒng)智能跟隨小車設(shè)計[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2019（35）：24-26.

[4]田蘊，李帥，王真.智能巡撿機器人的發(fā)展與設(shè)計趨勢探析[J].工業(yè)設(shè)計，2019（11）：143-144.

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[6]劉天陽.基于STEAM教育的可拼裝編程機器人調(diào)查與分析[J].中國農(nóng)村教育，2019（15）：75-77.

[7]夏揚.面向小學(xué)生的micro：bit交互機器人教學(xué)項目設(shè)計與開發(fā)[D].重慶師范大學(xué)，2019.

作者簡介

米晶爽/1998年生/女/遼寧朝陽人/本科/研究方向為工業(yè)設(shè)計（遼寧大連116622）

張鐵成（通訊作者）/1975年生/男/遼寧昌圖人/碩士/副教授/研究方向為工業(yè)設(shè)計（遼寧大連116622）

尹曉嬌/1999年生/女/云南楚雄人/本科/研究方向為工業(yè)設(shè)計（遼寧大連116622）