家用教育娱乐机器人的机遇与挑战

□文/宋宇宁、刘世昌

家用教育娱乐机器人的机遇与挑战

□文/宋宇宁、刘世昌

家用教育娱乐机器人是集电子技术、计算机技术、控制技术和人工智能等多种技术于一体的嵌入式系统硬件产品，它的普及与广泛应用是未来机器人行业发展的必然趋势。该类型产品的实现需要结合运动控制、导航与视觉识别、传感器数据采集、智能监控及人工智能等多项技术。作为这些技术的硬件载体，机器人控制器是家用教育娱乐机器人的灵魂，机器人控制器的选择不但决定了产品的主要功能及成本，也成为家用教育娱乐机器人产品成功与否的关键。

宋宇宁 沈阳新松机器人自动化股份有限公司，嵌入式硬件工程师，主要从事嵌入式系统开发与设计工作

刘世昌 沈阳新松机器人自动化股份有限公司，副总工程师，负责制定技术方案及硬件、电气设计规范

区别于其他的智能硬件产品，家用教育娱乐机器人几乎具备了人的一切特征。这其中，被称为机器人核心技术的“两器一系统”是这些特征的关键组成部分：机器人控制器好比是人的大脑，配合应用软件使机器人有了思维、语言、记忆及情感；机器人传感器就是人的五官，使机器人有了和人一样，甚至比人更灵敏的视觉、触觉、嗅觉及听觉；伺服驱动系统与机器人本体组成了人的四肢和躯干，可以让机器人比人跑得更快，跳得更远。试想，这样的马儿跑得好，还不吃草，只要价格能够接受，哪个家长不想请这样的一个机器人作为孩子的成长顾问与生活伴侣呢？

图1：大华乐橙小乐机器人

当今市场上的家用教育娱乐机器人产品琳琅满目，层出不穷，虽然不能替代父母在孩子成长中的作用，但有些产品已经能够通过自主学习与良好的人机交互体验成为孩子的良师益友，是父母上班后孩子的重要生活伙伴。根据产品的市场定位及行走方式的不同，家用教育娱乐机器人可以细分为三种类型，包括桌面型互动机器人、轮式家用机器人、双足教育机器人。接下来，作者将带领大家深入这些机器人产品的内部，对机器人的“大脑”进行剖析，对机器人的各个“器官”进行拆解，揭开家用教育娱乐机器人产品的神秘面纱。

桌面型互动机器人 孩子们的掌中宝

桌面型互动机器人通常体积较小，功能以互动娱乐为主，且不需要复杂的运动控制，处理器的选用通常为采用ARM体系结构的中低端手机或者平板电脑的芯片。产品的实现相对简单，是家用教育娱乐机器人的入门级产品，也是家用机器人厂商纷纷争抢的市场。但是这类产品往往要通过增强人机交互体验来体现机器人的价值，否则会被手机和平板电脑抢走他们的饭碗。

大华乐橙的小乐机器人以其呆萌的造型和比较完善的陪伴功能受到了小朋友们的关注。他的“大脑”是一颗英特尔凌动系列Z8350-T3四核处理器，主频达到1.92GHz，同时具有图形处理单元12EU 500MHz Gen8-LP，可以使小乐完成人脸识别功能，并主动识别出每一位家庭成员。除此之外，他还具有自动抓拍、智能提醒、指令响应、远程操控、视频对话、知识问答、育儿早教等功能。这些功能能够让家庭成员和孩子联动起来，并能陪伴孩子的成长，使机器人成为孩子们的掌上好伙伴。这款机器人目前售价3999元，在桌面机器人中属高端产品。

图2：JIBO家宝机器人外观及内部结构图

JIBO机器人来自MIT家庭机器人领域的专家Cynthia Breazeal之手，是一款典型的桌面型家用陪伴型机器人。它可以通过摄像头识别家庭成员，与家庭成员进行语音交互，并通过不断学习，成为家庭生活的助手。

JIBO机器人的核心是一款来自著名GPU生产厂商英伟达的Jetson TX1处理器，内部具有四核ARM Cortex-A57架构微处理器，单核频率达到1.73GHz，同时具有256核GPU，非常适用于图像识别及视觉应用的算法加速。JIBO机器人内部拥有大量的电子部件，包括高分辨率立体相机、六个麦克风、一对音箱、一个LCD触摸屏、两个冷却风扇、WiFi和蓝牙模块、LED灯、触控传感器等。将TX1处理器和这些硬件进行连接，就构成了机器人的硬件结构。

图3：JIBO家宝机器人硬件框图

JIBO设计中最巧妙的部分是其身体结构。它包含三个大致圆柱形的结构，分别用作基座、躯干和头部，它们之间按一定的角度连接在一起。当机器人转动时，这三个部件之间也会发生相对移动，表现出各种各样的姿势。旋转动作是通过机器人体内的三个直流电机和传动带共同完成的，整个过程非常平稳，也不会产生噪声。机械结构上实现360°旋转，无限位，所有的电线都位于机器人躯体的中心，以免在旋转时缠绕起来。

JIBO拥有两个高清摄像头，用于识别和追踪面部、照相和视频聊天。他会识别并且记住每一个家庭成员，通过面部识别为不同的人提供不同的服务。 360°全向的麦克风和自然语言处理系统方便用户在任何方向对着屋里的JIBO说话，他都能听到并识别。当收到邮件或者一些待办事项通知时，JIBO在看到你后会把它们朗读出来，无需任何额外的操作。JIBO通过机器学习算法具备一定的学习能力，长时间使用后它会记住每一个家庭成员的习惯和行为模式，更好地在生活中为家庭成员服务。JIBO熟悉人类的社交习惯，因此在和 JIBO交流时，用户会感到非常的自然，它可以陪伴家里的孩子，为他们讲故事。

轮式家用机器人 保姆管家一把抓

轮式家用机器人通常依靠双轮驱动，使机器人能够在家中自由地行走。他们不仅能够陪伴儿童，看护老人，且能够通过自主导航技术在家中巡逻，报告家中的异常情况，是一种集多种功能于一身的管家机器人。由于价格相对较高，轮式家用机器人的销量要低于桌面型的互动机器人，但随着功能的不断完善和成本的不断降低，轮式家用机器人将会成为未来几年内家用机器人的主流产品。

雷动云合的雷大白是一款具备儿童陪伴、老人看护及自主导航功能的管家机器人。不仅外形可爱憨厚，他还具有8核2.0GHz的高速处理器，有了这样强劲的“大脑”，他能够轻松完成看家护院的任务。通过2D深度摄像头的数据采集以及图像优化算法的处理，大白能够建立家中的地图，并在家庭环境中自主行走，自动监控，发现异常情况会通过手机自动报警。家庭成员还可以通过手机远程控制大白监控家中的环境，将图像显示在手机上，和家中的孩子视频，享受机器人带给家人的无限乐趣。目前该产品已经接受预定。

北京进化者小胖机器人是一款功能丰富的家用教育娱乐机器人，他的身高达到1米，可以通过导航功能在室内自主行走，他的功能包括了教育功能、娱乐功能、服务功能、智能监控几个大类，定位于高端家用市场，为家庭成员们量身定制的一个智能伙伴。

在机器人控制器的选择方面，由于机器人功能较多，对图形和算法运算速度的要求较高，所以选择了英伟达的Jetson TX1作为核心处理器。为实现各模块功能，小胖机器人在上位机和下位机分别采用了两种控制器。其中，上位机控制板采用ARM Cortex-A系列微处理器，连接WiFi路由模块、音响模块、摄像头、显示屏及声音采集定位等模块，主要用于实现人机交互功能；下位机控制器则采用Nvidia Jetson TX1嵌入式处理器，连接电源模块、定位导航模块、投影模块、电机驱动模块及净化器等模块，实现定位导航、电机驱动、移动投影、空气净化、传感器数据采集等功能。

图4：雷动云合管家机器人雷大白

图5：进化者小胖机器人结构图

作为一款功能丰富的教育娱乐机器人，除了具有百科全书、单词翻译、英语教学等功能，他的娱乐性能也非常强大，内置移动投影及体感游戏功能。用户可以将喜欢观看的电影和视频通过小胖机器人内置的微型投影机投射到家里的墙壁上，并可通过游戏手柄和摄像头体验机器人内置的体感游戏。除此之外，小胖机器人还具有一些比较实用的服务功能。包括空气净化、家电遥控、运送物品、紧急报警、定时提醒、远程视频及远程遥控等功能，通过多种实用功能丰富用户的互动体验。

小胖机器人目前拥有标准版和尊享版两个版本，标准版官网售价为12988元，尊享版与标准版相比拥有更高的性能及更大的存储空间，售价为16988元。此外，进化者还提供小胖的商用版，可根据需求定制小胖机器人的功能，并对微型投影仪和空气净化等功能模块进行选配，使得小胖机器人在商用领域具有一定的价格优势。

双足教育机器人 麻雀虽小五脏俱全

双足教育机器人是家用教育娱乐机器人中最复杂的一种，他可以像人一样使用双足完成直立行走。这不仅需要高性能硬件的支持，还需要成熟的软件控制算法，对机器人的行走步态及平衡进行实时的控制。目前，大型的双足机器人由于高昂的成本及复杂的控制算法很少出现在家用领域。更多的机器人研发公司将小型的双足机器人作为市场的切入点，引起消费者对于双足机器人的关注。而学术界通常将小型的双足机器人作为机器人专业的教育辅助工具，吸引更多的机器人爱好者及在校学生投入到双足机器人的开发工作中来。

提到小型的双足机器人，来自法国Aldebaran Robotics 公司的NAO机器人具有举足轻重的地位。他是世界范围内学术领域中应用最广泛的双足机器人，他的身高为58cm、体重5.4kg，拥有25个自由度，因取代了索尼的机器狗AIBO成为机器人世界杯比赛的标准平台而世界闻名。目前超过6000个NAO机器人已被全球50个国家的1000多所高校和实验室购买作为研究工具。

图6：进化者小胖机器人硬件框图

作为一款教育娱乐类的人形机器人，除了具有唱歌、跳舞、踢足球、语音交互等功能外，他还开放了编程接口，使得用户能够在上位机通过图形化的编程方式为机器人设定一套动作，或者编辑语音交互的内容，成为一个可定制内容与服务的智能人形机器人。NAO机器人的一大亮点是它全身遍布的多种传感器模块，包括接触传感器、惯性传感器、位置传感器、红外收发器及声呐测距模块等，使他具备了人的“五官”，也使他拥有了对外界环境进行感知的硬件条件。

NAO机器人主控制器芯片采用Intel凌动系列Z530处理器，该芯片主频为1.6GHz，内存1GB，闪存2GB，扩展内存8GB，处理器运行基于Linux的Gentoo版本操作系统。主控制板上通过有线以太网口与上位机连接，用于图形化编程及二次开发。而内置的WiFi模块则用于接入云端。主控板上还集成了CODEC芯片，连接扬声器及摄像头实现人机交互功能。主控板还连接了一块高度复用的以DSP为核心的驱动板卡，用于连接红外收发模块用于红外指令的学习及智能家电的遥控。主控板与ARM9的微控制器板采用USB接口连接。基于ARM9的微控制器板卡通过485总线连接DSP驱动板，用于连接身体各部位的直流有刷电机及用于闭环控制的编码器。微控制器板卡上还通过I2C接口连接了声呐、加速度计、陀螺仪等传感器模块，用于行走避障及行走姿态的反馈。

NAO机器人的一个重要特性是它具有摔倒管理器及摔倒后的自动站立功能。无论机器人向哪个方向摔倒，他都能够通过加速度计和陀螺仪实时检测自身的位姿并通过内置的摔倒保护程序自动站起。

在2016年的春节联欢晚会上，来自优必选公司的540台Alpha机器人整齐的舞蹈动作给人们留下了深刻的印象。作为一款高性能的双足机器人，Alpha2选用了三星的基于ARM Cortex-A15体系结构的Exynos 5260六核处理器，并搭载2GB内存，800万像素摄像头，具备20个自由度，可以灵活模拟人类骨骼肢体动作。同时他还具有英文翻译、个人助理、天气播报、唱歌、跳舞、瑜伽指导等丰富的功能。

在价格方面，Alpha2的官网售价是19999元，Alpha1 Pro价格是4999元，Alpha 1S售价是3999元，可根据个人需求选购不同的产品。

未来五年迎接家用教育娱乐机器人的抢滩登陆

随着生活水平的不断提高，人民对生活质量的要求也日益提高。伴随着二孩政策的全面放开，家用教育娱乐机器人的需求量必会与日俱增，市场上的各类机器人产品的竞争也会更加激烈。机器人厂商想要在这片市场上率先抢滩登陆，就要在硬件处理器的选择和成本的控制上进行一番较量。

图7：NAO机器人外观及传感器分布图

通过对桌面型互动机器人、轮式家用机器人、双足教育机器人这三个市场比较有代表性的家用教育娱乐类型的机器人产品的介绍以及硬件方案的分析，可以总结出这些机器人在控制器及硬件方案选择上存在的差异。因为高性能的处理器往往价格不菲，机器人厂商在选择机器人控制器时会对机器人的产品类别进行定位，对功能进行一番取舍。桌面型陪伴机器人的功能以互动娱乐为主，控制器的选择倾向于性价比高的ARM v7架构处理器；双足机器人的步态控制较为复杂，驱动电机众多且较为昂贵，功能上注重二次开发与编程，目前更多的被用于学校的教学研究及机器人大赛，处理器则以x86架构或ARM架构的单板电脑为主；以小胖机器人为代表的较大型的家用服务机器人则整合了智能家居、互动娱乐、自主导航与定位等多种功能，处理器则选用更高性能的ARMv8架构的处理器或具有高性能GPU的英伟达Jetson TX1/TX2系列处理器。

未来五年，随着硬件迭代速度的进一步提升以及行业硬件及传感器解决方案的不断成熟，硬件价格的竞争将告一段落。随着视觉导航、人工智能等技术在家用机器人上的不断发展，处理器的选择更倾向于运算能力更快的嵌入式系统平台，而软件算法的竞争将会日趋白热化，人脸识别、机器学习、人机交互等功能的完美体验将成为产品在竞争中胜出的关键。虽然目前处理器价格较高，软件算法还有待进一步完善，但随着机器人控制器、传感器、伺服驱动系统技术的不断成熟及软件算法的不断革新，相信家用智能机器人服务千家万户的理想不久就会成为现实。

图8：NAO机器人硬件框图

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