智能互动玩具机器人的研究与设计
本课题设计的是一款基于STM32微控制器的智能互动玩具机器人。该系统由硬件和软件两部分构成，硬件部分包括硬件电路设计和机械结构设计。在硬件电路设计方面，本文主要讲述STM32最小系统模块、电源模块、蓝牙通信模块、语音识别模块、触摸模块、按键控制模块、OLED显示等模块的设计。机械结构设计方面，本文主要涉及外观结构设计及3D图的绘制。软件部分由Android端上位机软件和嵌入式底层驱动程序两部分构成。Android端上位机软件实现按键监听，主要控制其运动、功能设置、OLED表情管理及语音播放。嵌入式底层驱动程序，主要实现对硬件模块电路的初始化及对各模块的进行良好的控制，最终为上位机服务。上位机软件通过蓝牙将具体信息传输到底层，交接完成后开始对智能互动玩具人进行有效控制。本文设计的智能互动玩具机器人具备两种工作模式——单机模式和移动互联模式。在单机模式下，我们可以与机器人进行语音交互，语音辨识可以让机器人完成相应的动作和应答，还可以与机器人进行肢体接触，由于智能机器人对人体的触摸有一定的感知，通过感觉器官，它可做出相应的舞蹈动作、语音回复。单机模式下，它还可以显示表情及连接状态。在移动互联模式下，Android手机端通过蓝牙与机器人进行配对连接，随后手机端可自动安装软件并完成操控智能机器人前进、后退、向左、向右移动等一系列动作，可以切换表情及舞蹈动作，实现人机交互。
目录
目录 5
一、 绪论 1
（一）本课题的研究背景和意义 1
（二）智能互动玩具机器人的主要技术指标 2
（三）本设计的主要工作 2
二、 智能互动玩具机器人的机械结构设计 4
（一）软件介绍 4
（二）智能互动玩具机器人的机械结构介绍 4
三、 智能互动玩具机器人的硬件系统设计 10
（一）智能互动玩具机器人硬件系统总体设计要求 10
（二）智能互动玩具机器人硬件系统的总体设计框图 10
（三）智能互动玩具机器人的硬件电路设计 11
四、 PCB设计与制作 18
五、 智能互动玩具机器人的软件系统设计 22
（一）软件系统总体设计要求 22
（二）软件系统总体设计框 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: #351916072#
图 22
（三）智能互动玩具机器人通信协议 23
（四）上位机软件设计 24
（五）Android上位机界面 25
（六）Android端语音播放处理 26
（七）嵌入式底层控制程序设计 27
六、 系统调试与实现 33
（一）单舵机调试 33
（二）多舵机协调动作调试 34
（三）语音模块调试 38
（四）表情制作与实现 40
七、 总结 43
致谢 44
参考文献 45
附录一 原理图 46
附录二 元器件清单 47
附录三 主控板实物效果图 48
附录四 实物图 49
附录五 学生获奖 50
绪论
本课题的研究背景和意义
在人工智能进入人类生活以来，智能机器人以其灵活和便携显然成为了各大领域研究应用的典型产品。伴随着这些技术的发展，无疑于推动了机器人概念的延伸。追溯到80年代初，人们开始将具有感知、决策、独立思考及有动作能力的系统定义为智能机器人，这是一个笼统、含义深远的概念。这一概念不仅在某种程度上指导了智能机器人在技术上的研究和应用，而且赋予了智能机器人技术向更大空间发展的能力 ，并对人类现代生活具有划时代的意义。正因人类开始将智能机器人的技术（如传感技术、智能技术、控制技术等）扩散和渗透到各个领域的背景之下，各种用途的机器人也相继问世，这无疑推动人类生活往更高的水平发展，这也让人类曾经自以为不可实现的梦想成为了现实。而智能玩具机器人就是其中之一。
跨入信息时代以来,国内开始掀起一股智能机器人的热风。为了响应这一趋势,玩具市场也积极推出了各式各样让人眼花缭乱的儿童机器人。然而,即便许多智能机器人都给自己贴上了“儿童玩具”的称号,然而所谓纯粹的玩具机器人却几乎不可多见,那些所见的大部分儿童机器人价格高昂 ,形态臃肿,?戴着所谓"玩具"的帽子,其本质却没有专注在孩子的休闲和娱乐之上,它们只是在不断地满足、符合家长心理需求，因此也称之为专为家长设计的早教机产品,这些产品主要以教育性为主,赋予产品的功能都是以学习为第一要素而设计。 有的还具备较多的智能电子游戏设计，在孩子不太成熟的心智之下很快让孩子对游戏产生迷恋，极大地损害了儿童的身心发展。
在此基础之上，本课题设计了一款基于STM32微控制器的智能互动玩具机器人。系统主要由STM32微控制器的最小系统模块、电源模块、蓝牙通信模块、语音识别模块、触摸模块、舵机模块、按键控制模块、OLED显示模块等组成。智能互动玩具机器人具有两种工作模式，单机模式和移动互联模式。在单机模式下，可以与机器人通过语音交互，其感知功能还可让机器人完成相应的动作或回答，并做出相应的舞蹈动作和回复语句，单机模式下还可以显示表情及连接状态。
在移动互联模式下，其主要功能是Android手机端与机器人通过蓝牙进行配对连接，手机安装后可直接触屏操控玩具机器人完成前进、后退、向左、向右移动等一系列动作，还可以切换表情及舞蹈动作，实现人机交互。
本课题设计的智能互动玩具机器人的优势：
实现人机交互，注重休闲和娱乐。
采用嵌入式系统架构降低了成本，增强了稳定性和抗干扰能力。
采用手机APP控制替代传统手柄控制。
多种功能选择，语音互动功能、感知交互功能、表情切换功能、舞蹈功能等。
多种工作模式，单机模式，移动互联模式可在多种终端上使用，例如平板电脑、手机等。
本设计采用嵌入式系统，成本底、互动性强、体积小、灵活性好等具有很高的实用价值。
智能互动玩具机器人的主要技术指标
（1）电源参数
STM32控制器系统采取3.3V供电；转矩为180度的数字舵机采用6.6V供电，转矩为270度的数字舵机采用7.4V供电，电流100mA；蓝牙通信模块采取3.3V供电；语音通信模块采用3.6V供电；触摸模块采用5V供电。
（2）机身参数
机械结构是高度为342mm，宽度为192mm，厚度为112mm。总重量1.7kg。
（3）技术参数
3.1舵机参数：
本设计采用的是数字舵机的尺寸为40*20*40.5mm，根据设计的需求选用了两种不同转矩的数字舵机，一种是型号为LDX218的数字舵机，这个型号的转矩为180度，堵转扭矩为15kg/cm；另一种是型号为LDX227的数字舵机，这个型号的转矩为270度，堵转扭矩为17kg/cm。
3.2语音参数：
本设计采用的是SYN7318 中文语音交互芯片，此芯片模块集成了语音唤醒、语音合成和语音识别功能；其通过串口通讯方式接收命令帧；支持10000条词条的语音识别；支持英文、中文、中英文混合识别；支持超时检测；提供77首声音提示音，14首和弦音乐；提供两女、两男、一个女童声、一个效果器共六个中文发音人。其识别的正确率可以达到98%。
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一、 绪论 1
（一）本课题的研究背景和意义 1
（二）智能互动玩具机器人的主要技术指标 2
（三）本设计的主要工作 2
二、 智能互动玩具机器人的机械结构设计 4
（一）软件介绍 4
（二）智能互动玩具机器人的机械结构介绍 4
三、 智能互动玩具机器人的硬件系统设计 10
（一）智能互动玩具机器人硬件系统总体设计要求 10
（二）智能互动玩具机器人硬件系统的总体设计框图 10
（三）智能互动玩具机器人的硬件电路设计 11
四、 PCB设计与制作 18
五、 智能互动玩具机器人的软件系统设计 22
（一）软件系统总体设计要求 22
（二）软件系统总体设计框 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: #351916072#
图 22
（三）智能互动玩具机器人通信协议 23
（四）上位机软件设计 24
（五）Android上位机界面 25
（六）Android端语音播放处理 26
（七）嵌入式底层控制程序设计 27
六、 系统调试与实现 33
（一）单舵机调试 33
（二）多舵机协调动作调试 34
（三）语音模块调试 38
（四）表情制作与实现 40
七、 总结 43
致谢 44
参考文献 45
附录一 原理图 46
附录二 元器件清单 47
附录三 主控板实物效果图 48
附录四 实物图 49
附录五 学生获奖 50
绪论
本课题的研究背景和意义
在人工智能进入人类生活以来，智能机器人以其灵活和便携显然成为了各大领域研究应用的典型产品。伴随着这些技术的发展，无疑于推动了机器人概念的延伸。追溯到80年代初，人们开始将具有感知、决策、独立思考及有动作能力的系统定义为智能机器人，这是一个笼统、含义深远的概念。这一概念不仅在某种程度上指导了智能机器人在技术上的研究和应用，而且赋予了智能机器人技术向更大空间发展的能力 ，并对人类现代生活具有划时代的意义。正因人类开始将智能机器人的技术（如传感技术、智能技术、控制技术等）扩散和渗透到各个领域的背景之下，各种用途的机器人也相继问世，这无疑推动人类生活往更高的水平发展，这也让人类曾经自以为不可实现的梦想成为了现实。而智能玩具机器人就是其中之一。
跨入信息时代以来,国内开始掀起一股智能机器人的热风。为了响应这一趋势,玩具市场也积极推出了各式各样让人眼花缭乱的儿童机器人。然而,即便许多智能机器人都给自己贴上了“儿童玩具”的称号,然而所谓纯粹的玩具机器人却几乎不可多见,那些所见的大部分儿童机器人价格高昂 ,形态臃肿,?戴着所谓"玩具"的帽子,其本质却没有专注在孩子的休闲和娱乐之上,它们只是在不断地满足、符合家长心理需求，因此也称之为专为家长设计的早教机产品,这些产品主要以教育性为主,赋予产品的功能都是以学习为第一要素而设计。 有的还具备较多的智能电子游戏设计，在孩子不太成熟的心智之下很快让孩子对游戏产生迷恋，极大地损害了儿童的身心发展。
在此基础之上，本课题设计了一款基于STM32微控制器的智能互动玩具机器人。系统主要由STM32微控制器的最小系统模块、电源模块、蓝牙通信模块、语音识别模块、触摸模块、舵机模块、按键控制模块、OLED显示模块等组成。智能互动玩具机器人具有两种工作模式，单机模式和移动互联模式。在单机模式下，可以与机器人通过语音交互，其感知功能还可让机器人完成相应的动作或回答，并做出相应的舞蹈动作和回复语句，单机模式下还可以显示表情及连接状态。
在移动互联模式下，其主要功能是Android手机端与机器人通过蓝牙进行配对连接，手机安装后可直接触屏操控玩具机器人完成前进、后退、向左、向右移动等一系列动作，还可以切换表情及舞蹈动作，实现人机交互。
本课题设计的智能互动玩具机器人的优势：
实现人机交互，注重休闲和娱乐。
采用嵌入式系统架构降低了成本，增强了稳定性和抗干扰能力。
采用手机APP控制替代传统手柄控制。
多种功能选择，语音互动功能、感知交互功能、表情切换功能、舞蹈功能等。
多种工作模式，单机模式，移动互联模式可在多种终端上使用，例如平板电脑、手机等。
本设计采用嵌入式系统，成本底、互动性强、体积小、灵活性好等具有很高的实用价值。
智能互动玩具机器人的主要技术指标
（1）电源参数
STM32控制器系统采取3.3V供电；转矩为180度的数字舵机采用6.6V供电，转矩为270度的数字舵机采用7.4V供电，电流100mA；蓝牙通信模块采取3.3V供电；语音通信模块采用3.6V供电；触摸模块采用5V供电。
（2）机身参数
机械结构是高度为342mm，宽度为192mm，厚度为112mm。总重量1.7kg。
（3）技术参数
3.1舵机参数：
本设计采用的是数字舵机的尺寸为40*20*40.5mm，根据设计的需求选用了两种不同转矩的数字舵机，一种是型号为LDX218的数字舵机，这个型号的转矩为180度，堵转扭矩为15kg/cm；另一种是型号为LDX227的数字舵机，这个型号的转矩为270度，堵转扭矩为17kg/cm。
3.2语音参数：
本设计采用的是SYN7318 中文语音交互芯片，此芯片模块集成了语音唤醒、语音合成和语音识别功能；其通过串口通讯方式接收命令帧；支持10000条词条的语音识别；支持英文、中文、中英文混合识别；支持超时检测；提供77首声音提示音，14首和弦音乐；提供两女、两男、一个女童声、一个效果器共六个中文发音人。其识别的正确率可以达到98%。
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