基于Raspberry Pi的儿童教育机器人设计与实现

发布时间：2020-10-25 04:25

　　 全面二胎政策的实施,直接促进中国儿童数量的增加,随之而来家庭将面临孩子的教育问题。面对生活压力,城市的父母常常忙于工作,而农村的父母多进城打工,这两种情况无疑让儿童被迫留守在家。现今己经进入信息化的社会,伴随着人工智能、物联网、云计算、大数据等软件技术的成熟和机器自动化等硬件设备的更新,带动了机器人技术的发展。尽管各大卖场和电商商城销售很多款式的儿童陪伴机器人,然而要么功能单一要么是价格昂贵,无法满足中国广大普通家庭的需求。因此,在各种成熟的技术支持下,本论文主要研发一款具有智能教育陪伴功能,又帮助家长实现随时远程监控孩子的儿童教育机器人,主要特色是自由的拆卸组合,可进行图像化编程的学习。除此之外,开源硬件Raspberry Pi和各种开源软件,降低了成本,易于全球的推广。目的是在精准教育政策下实现教育资源的均衡共享,帮助更多的儿童快乐学习和健康成长。为此本论文主要研究如下:(1)首先对教育机器人的国内外现状进行全面研究,了解当今教育机器人研究方向和技术的程度。通过电子商城等主要的机器人销售渠道,整理了几款主流儿童教育机器人所具有的功能。并根据儿童需求和家长需求,在尽可能降低成本情况下,最终确定了儿童教育机器人的整个方案。(2)本论文论述了儿童教育机器人具备的六大功能,包括人机交互中语音对话的功能、语音控制运动的功能、识别单个简单物体的功能、实时的远程监测和远程控制功能、离线监控功能以及实现可视化图形编程功能。并梳理每个功能涉及的相关理论知识、技术原理、技术实现的流程框图和具体实现的方法步骤及关键代码。(3)最后对儿童教育机器人整个系统功能进行了测试。在相对安静的环境下,8名志愿测试者对儿童教育机器人进行了语音控制功能中教育学习模块、娱乐模块和运动控制模块的测试;机器人对10个物体的识别测试;不同设备下对机器人进行的实时远程监测和远程控制的测试;离线监控下后台的运行情况的测试。对每个测试的结果出现的原因进行了详细的分析并提供了相对应的优化办法。
【学位单位】：华中师范大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TP242;G434
【部分图文】：

图１．１论文的组织结构图??全文总共有六章构成，主要内容安排如下：??第一章绪论。介绍了本文所研宂课题的背景和意义，国内外教育机器人的研宄??现状、论文的主要内容、方法和文章的结构安排。??第二章Ｒａｓｐｂｅｒｒｙ?Ｐｉ的相关知识。概述Ｒａｓｐｂｅｒｒｙ?Ｐｉ硬件的相关概念、引脚的??编号、并通过对不同开发板的比较，来说明Ｒａｓｐｂｅｒｒｙ?Ｐｉ优势。国内外基于Ｒａｓｐｂｅｒｒｙ??Ｐｉ的教育机器人相关的技术以及中国有关Ｒａｓｐｂｅｒｒｙ?Ｐｉ开发的官网、社区及论坛的??介绍。??第三章确定了儿童教育机器人的需求分析和整体的设计方案。通过对淘宝、??京东、苏宁易购和亚马逊等国内外的电商平台上儿童教育机器人功能的分析，确定??１１??

４个ＵＳＢ?２．０端口，立体声输出和复合视频端口，全尺寸ＨＤＭＩ，?ＣＳＩ摄像头端口，??ＤＳＩ显示端口，ＭｉｃｒｏＳＤ端口并且包含了?４０ＧＰＩＯｐｉｎ。除此之外，３代Ｂ型比２代??多了?Ｗｉ－Ｆｉ和蓝牙的支持，更加方便开发者开发。如图２．１所示，为ＲａｓｐｂｅｒｒｙＰｉＢ??型３代实物图图像，表２．１为Ｒａｓｐｂｅｒｒｙ?Ｐｉ?Ｂ型３代相关参数。??１３??

在同时满足父母和儿童的需求，儿童教育机器人应具备以上六大功能——教??育陪伴、声控运动、图形化编程、远程监测、远程控制、离线监控。综上所述，得??出了儿童教育机器人的总体结构设计，如图３．１所示。??了?ＮＡＴ??ｓ８－§?：：＾Ｔｒ＾???＾?＾．．?服务器??Ｗｅｂ??Ｉ?远程监测?｜?Ｌ?丨二二??｜?—远程控制，Ｒａｓｐｂｅｒｒｙ〈二迷你曰箱??儿?｜离线监控，，＋?冬』ｉｌ＋ｒ?二＾「双麦克ｆ??Ｌｉ?＿＿ｊｃ＝＝＾ｒ＾ｎ??Ｖ１?ｖｉｅ［，—砸）马送一＿｜??１?Ｌ２９８Ｎ电机驱动??图３．１儿童教育机器人总体结构设计??３．２儿童教育机器人的方案分析??本论文设计的儿童教育机器人包括主控单元，语音辅助单元，监控核心单元，??运动驱动单元，电源管理单元等五部分硬件模块。最关键的功能是实现人机交互，??即儿童语音控制机器人和家长远程监控机器人，因此主控单元的选择非常重要。综??合各方面，主控核心部分需发挥强大的处理能力，即负责人机交互的信息处理和计??算机状态信息的处理
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本文编号：2855459