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[摘 要]本设计针对目前国内市场上的儿童数字化教育产品缺乏空间感，互动性差，缺乏自然的人机交互等问题，通过增强现实和体感交互技术融合在教育领域中的应用研究，设计并建立实现面向儿童的人机交互学习平台。通过本设计，儿童可以更好的参与到学习中，成为学习的主体，主动地体验，参与并学习到相应的知识。我们将相应的学习平台集合到一个体感机器人身上，通过这个机器人，我们将平台实体化，这样这个机器人不仅可以作为儿童学习的好帮手，同时也是日常生活陪伴的好伴侣。
[关键词]儿童教育 学习平台 体感交互 语音交互 机器人
中图分类号：TP174 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）23-0022-01
一、研究目的和基本思路
1.1 研究目的
儿童教育对于提高国民素质具有重要的意义，儿童数字化学习平台的开发与应用研究是国内外信息技术应用领域研究的热点。本设计针对目前国内市场上的儿童数字化教育产品缺乏空间感，互动性差，缺乏自然的人机交互等问题，通过增强现实和体感交互技术融合在教育领域中的应用研究，设计并建立实现面向儿童的体感语音交互学习平台（以下简称学习平台）。
为了可以将体感交互技术发挥出最好的效果，我们将学习平台进行了实体化，让它不再单单是一种学习用的程序，我们通过算法将平台的功能全部集合在了我们设计的一款智能体感机器人上。应用我们的体感语音交互技术，儿童可以实现体感对机器人的遥控，游戏，甚至进行语音交互对话，让我们的学习平台真正的成为儿童的好玩伴。
1.2 研究思路
本设计的针对目前国内市场上的儿童数字化教育产品缺乏空间感，互动性差，缺乏自然的人机交互等问题，通过增强现实和体感交互技术融合在教育领域中的应用研究，设计并建立实现面向儿童的人机交互学习平台。
本设计的主要研究内容包括以下三个部分：
1、针对传统的儿童数字化学习平台，引入增强现实技术。研究增强现实技术的核心-标记物图案的模板匹配法识别，并将其嵌入到本文所开发的学习平台。
2、提取人体深度图的关键特征点。本设计采用摄像头能够采集与环境背景分离的人体深度图，提出利用特征点算法，提取人体深度图像的关键特征点。通过人体关键特征点的提取，研究了一种人体姿态捕捉与识别的方法，用于儿童和机器人进行体感交互。
3、完成手机APP的开发。通过手机端APP，儿童可以在任何地方，只要有手机，就可以做到各种各样的情景互动，包括百科问答，语音交互对话等，这样我们的儿童体感学习平台就可以在更多的地点而不需要固定在一个固定的区域内就可以使用。
二、方案设计
我们将相应的学习平台集合到一个智能体感机器人身上，通过这个机器人，我们将平台实体化。在现有的技术及硬件成本上，学习平台的组成单元分别由用户、增强现实模块、体态捕捉与识别、体感交互模块、学习内容、系统输出与反馈6个单元组成，各个单元构成一个能实现有效反馈与自我调控的闭合回路。
1、用户：年龄段拟定在3岁-10岁区间的儿童，这个年龄段的儿童对新鲜事物好奇，有着强烈的认知愿望，需要引导性的指导教育。
2、增强现实模块：用来构建学习平台的实景交互功能，提供了操作简单、新颖的学习方式，帮助年幼的儿童进行认知和学习。
3、体态捕捉与识别：用来构建学习平台的体感交互电子书功能，通过Kinect硬件的深度图像技术，捕捉和识别用户的肢体。
4、体感交互模块：在儿童肢体被识别的基础上，针对不同的肢体动作，通过程序编写并编译后和机器人进行体感交互。
5、学习内容：针对儿童所设计的学习资源，包括体感交互和语音交互。
6、系统输出与反馈：PC主机运行学习平台，输出到显示器中显示。
三、系统创新性
1、培养儿童兴趣，增强儿童节好奇心。本设计提供一种情景式、沉浸式的体感学习方式，打破了时间和空间限制，能够极大地满足孩子的好奇心和求知欲。
2、运动中学习，增强身体素质。爱玩好动是每个孩子的天性，因此我们根据儿童天性定向研发，儿童通过奔跑、伸展、匍匐、跳跃等全身协调运动来和机器人互动做游戏，使孩子身体得到充分锻炼，帮助小孩子健康成长。
3、促进亲子感情，为爱加油。由于现在家庭大多只有一个孩子，父母又没有太多时间陪伴儿童。而本设计不仅能激发儿童好奇心，也能够激发家长童心，在共同体验的过程中拉近父母与孩子距离，营造轻松的家庭气氛，促进亲子感情。
5、关爱自闭症儿童。情绪问题是阻碍自闭症儿童社会化发展的一大障碍。而我们体感交互学习平台能够根据需求创设出不同的三维虚拟情境，为自闭症儿童提供一个最适应最舒适的训练环境。
四、系统硬件设计
作为儿童体感学习平台的载体，体感机器人采用了上半身人形设计下半身双轮自平衡结构设计，上半身的人形结构设计可以让儿童通过体感的方式与机器人体感交互。下半身设计为双轮自平衡设计，机器人通过两个轮子就可以保证机器人自身的直立行走在家中使用更加的灵活轻便。
五、系统软件设计
软件部分主要是上位机部分，通过VisioStudio2013进行编写，同时通过KENECT2.0摄像头采集人体的图像，最后经过我们的算法处理生成相应的人体骨骼坐标，最后通过对坐标的监视建模，在进行舵机角度的解算，将坐标转换为舵机角度信息最终实现体感控制。
为了实现相应的体感交互，我们选用了KENECT2.0体感摄像头作为人体动作信息的采集端用来采集人体的动作数据在上位机中进行人体的骨骼解算和建模并将解算得到的数据用于其他设备的操控。
语音交互开发一款手机APP，通过APP，就可以与智能机器人语音交互，可以让他讲个笑话等等功能。语音交互的功能实现得益于科大讯飞的智能交互的云服务平台，并且结合着智能体感平衡机器人更好地完成与儿童的交互。通过体感技术与我们的APP技术进行结合完全可以将我们的儿童体感学习平台的学习效果最大化。
六、应用前景
目前体感技术作为一种新型的人机交互技术具有极为旺盛的生命力，而APP的開发也随着手机的日益普及而变得越来越炙手可热，学习平台充分的利用了这两项技术，成功的弥补了传统儿童教育存在的不足不仅培养了儿童的学习积极性同时也满足了儿童的好奇心。
在目前的国内市场上，这样以儿童为学习主体的学习平台存在非常少，而我们更是将我们的学习平台进行了现实化，可以做到更好地与儿童进行交互，让儿童可以从游戏中学到更多的知识，这样一款儿童学习平台足以在目前以传统儿童教育为主题的平台中占有一席之地，具有着极为广阔的市场前景。
参考文献
[1] 管悦.Avatar中的三维动画技术应用.《电影文学》，2011年：第18期.
[2] 张少辉，沈晓蓉，范耀祖.一种基于图像特征点提取及匹配的方法，2008.
[关键词]儿童教育 学习平台 体感交互 语音交互 机器人
中图分类号：TP174 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）23-0022-01
一、研究目的和基本思路
1.1 研究目的
儿童教育对于提高国民素质具有重要的意义，儿童数字化学习平台的开发与应用研究是国内外信息技术应用领域研究的热点。本设计针对目前国内市场上的儿童数字化教育产品缺乏空间感，互动性差，缺乏自然的人机交互等问题，通过增强现实和体感交互技术融合在教育领域中的应用研究，设计并建立实现面向儿童的体感语音交互学习平台（以下简称学习平台）。
为了可以将体感交互技术发挥出最好的效果，我们将学习平台进行了实体化，让它不再单单是一种学习用的程序，我们通过算法将平台的功能全部集合在了我们设计的一款智能体感机器人上。应用我们的体感语音交互技术，儿童可以实现体感对机器人的遥控，游戏，甚至进行语音交互对话，让我们的学习平台真正的成为儿童的好玩伴。
1.2 研究思路
本设计的针对目前国内市场上的儿童数字化教育产品缺乏空间感，互动性差，缺乏自然的人机交互等问题，通过增强现实和体感交互技术融合在教育领域中的应用研究，设计并建立实现面向儿童的人机交互学习平台。
本设计的主要研究内容包括以下三个部分：
1、针对传统的儿童数字化学习平台，引入增强现实技术。研究增强现实技术的核心-标记物图案的模板匹配法识别，并将其嵌入到本文所开发的学习平台。
2、提取人体深度图的关键特征点。本设计采用摄像头能够采集与环境背景分离的人体深度图，提出利用特征点算法，提取人体深度图像的关键特征点。通过人体关键特征点的提取，研究了一种人体姿态捕捉与识别的方法，用于儿童和机器人进行体感交互。
3、完成手机APP的开发。通过手机端APP，儿童可以在任何地方，只要有手机，就可以做到各种各样的情景互动，包括百科问答，语音交互对话等，这样我们的儿童体感学习平台就可以在更多的地点而不需要固定在一个固定的区域内就可以使用。
二、方案设计
我们将相应的学习平台集合到一个智能体感机器人身上，通过这个机器人，我们将平台实体化。在现有的技术及硬件成本上，学习平台的组成单元分别由用户、增强现实模块、体态捕捉与识别、体感交互模块、学习内容、系统输出与反馈6个单元组成，各个单元构成一个能实现有效反馈与自我调控的闭合回路。
1、用户：年龄段拟定在3岁-10岁区间的儿童，这个年龄段的儿童对新鲜事物好奇，有着强烈的认知愿望，需要引导性的指导教育。
2、增强现实模块：用来构建学习平台的实景交互功能，提供了操作简单、新颖的学习方式，帮助年幼的儿童进行认知和学习。
3、体态捕捉与识别：用来构建学习平台的体感交互电子书功能，通过Kinect硬件的深度图像技术，捕捉和识别用户的肢体。
4、体感交互模块：在儿童肢体被识别的基础上，针对不同的肢体动作，通过程序编写并编译后和机器人进行体感交互。
5、学习内容：针对儿童所设计的学习资源，包括体感交互和语音交互。
6、系统输出与反馈：PC主机运行学习平台，输出到显示器中显示。
三、系统创新性
1、培养儿童兴趣，增强儿童节好奇心。本设计提供一种情景式、沉浸式的体感学习方式，打破了时间和空间限制，能够极大地满足孩子的好奇心和求知欲。
2、运动中学习，增强身体素质。爱玩好动是每个孩子的天性，因此我们根据儿童天性定向研发，儿童通过奔跑、伸展、匍匐、跳跃等全身协调运动来和机器人互动做游戏，使孩子身体得到充分锻炼，帮助小孩子健康成长。
3、促进亲子感情，为爱加油。由于现在家庭大多只有一个孩子，父母又没有太多时间陪伴儿童。而本设计不仅能激发儿童好奇心，也能够激发家长童心，在共同体验的过程中拉近父母与孩子距离，营造轻松的家庭气氛，促进亲子感情。
5、关爱自闭症儿童。情绪问题是阻碍自闭症儿童社会化发展的一大障碍。而我们体感交互学习平台能够根据需求创设出不同的三维虚拟情境，为自闭症儿童提供一个最适应最舒适的训练环境。
四、系统硬件设计
作为儿童体感学习平台的载体，体感机器人采用了上半身人形设计下半身双轮自平衡结构设计，上半身的人形结构设计可以让儿童通过体感的方式与机器人体感交互。下半身设计为双轮自平衡设计，机器人通过两个轮子就可以保证机器人自身的直立行走在家中使用更加的灵活轻便。
五、系统软件设计
软件部分主要是上位机部分，通过VisioStudio2013进行编写，同时通过KENECT2.0摄像头采集人体的图像，最后经过我们的算法处理生成相应的人体骨骼坐标，最后通过对坐标的监视建模，在进行舵机角度的解算，将坐标转换为舵机角度信息最终实现体感控制。
为了实现相应的体感交互，我们选用了KENECT2.0体感摄像头作为人体动作信息的采集端用来采集人体的动作数据在上位机中进行人体的骨骼解算和建模并将解算得到的数据用于其他设备的操控。
语音交互开发一款手机APP，通过APP，就可以与智能机器人语音交互，可以让他讲个笑话等等功能。语音交互的功能实现得益于科大讯飞的智能交互的云服务平台，并且结合着智能体感平衡机器人更好地完成与儿童的交互。通过体感技术与我们的APP技术进行结合完全可以将我们的儿童体感学习平台的学习效果最大化。
六、应用前景
目前体感技术作为一种新型的人机交互技术具有极为旺盛的生命力，而APP的開发也随着手机的日益普及而变得越来越炙手可热，学习平台充分的利用了这两项技术，成功的弥补了传统儿童教育存在的不足不仅培养了儿童的学习积极性同时也满足了儿童的好奇心。
在目前的国内市场上，这样以儿童为学习主体的学习平台存在非常少，而我们更是将我们的学习平台进行了现实化，可以做到更好地与儿童进行交互，让儿童可以从游戏中学到更多的知识，这样一款儿童学习平台足以在目前以传统儿童教育为主题的平台中占有一席之地，具有着极为广阔的市场前景。
参考文献
[1] 管悦.Avatar中的三维动画技术应用.《电影文学》，2011年：第18期.
[2] 张少辉，沈晓蓉，范耀祖.一种基于图像特征点提取及匹配的方法，2008.