FUNgi

基于电子织物的幼儿互动玩具

合作项目。
更新了技术方案并再次展览,见下 <23-寒露>

FUNgi 是一种幼儿玩具。借助导电纱线,柔软的毛绒织物也可以感知到触摸、挤压、拍打等肢体互动,再通过声音进行反馈,结合形似树桩与菌落的自然外观与鲜艳色彩,形成情感化的多感官体验。

置于草地上的毛绒玩具,远景。
置于草地上的毛绒玩具,近景。
两行两列的拼图。不同环境、不同角度下的毛绒玩具。

玩具主要面向 1–2 岁的幼儿,外观形如覆盖着菌落的树桩,高约 60 cm、底座直径约 40 cm,表面为针织,内部为 PP 棉填充。互动区域遍布整个装置,幼儿在不同姿势下都能找到适合的游玩方式。

装置详细尺寸示意图。
装置尺寸与不同姿势下 1 岁幼儿体型对比示意图。

装置表面共设置七个互动区域,每个区域包含多个小物件,各有不同的互动方式,如拍打、挤压、抚摸等,互动时会发出各有特色的声音,如鼓声、吱吱声、沙沙声。

纵向三张拼图。不同互动区域的小块织物。

互动原理为电容传感,原型采用 Arduino 实现,基于 RC 网络阶跃响应特性,由电压变化速率测算得出电容值,经过软件滤波判定触发,最后从 MP3 模块播放声音。这个方案虽然精确度有限,也没有考虑成本与体积,但原型阶段工作较为良好,也顺利参与了一次展览。详见工作日志。目前正在尝试更精简、更低成本的组合方案。

示意图。电特性受触摸影响的导电纱线与普通纱线混织,与电阻串联,接在 Arduino 板上。
现场效果(1)🎞FUNgi_Ex_1.mp4(1.4 MiB, 00:11, 540x960)
现场效果(2)🎞FUNgi_Ex_2.mp4(1.1 MiB, 00:18, 304x540)

第二版

改进了技术方案,重新完成各组件的选型,将所有元件集成在一块扁平电路板上,由单一 USB 电源供电,置于装置底部的布口袋内。过程中拆开装置,拆除其中不再使用的电阻元件与杜邦线,将所有纱线全部改为直接通过单股细导线焊接至电路板,并修复原本断开的连接,然后重新填充棉花、缝合。新方案不仅更易于运输与安装、更不容易损坏,增补了拉伸的互动形式,而且反应灵敏度与可靠性均有提升。

示意图。通过拉伸的导电织物实现交互传感。

目前于北京坊的薄荷公社展览中,持续至公历 11 月中旬。

摆放在展台上的毛绒玩具装置。
布展收工现场🎞FUNgi_R2_Ex_1.mp4(823 KiB, 00:14, 270x480)
打击乐器现场🎞FUNgi_R2_Ex_2.mp4(946 KiB, 00:18, 540x360)

技术细节

在更新版中,作了如下修改:

  • 主控芯片更换为 STM32F103C6T6(32 位,72 MHz,10 KiB RAM);
  • 采用充放电式电容传感芯片 MPR121 代替 RC 时间常数传感原理,提升灵敏度与稳定性;
  • 音频采样使用 QOA🪐 格式存储在闪存芯片中。

所有部件集成在印刷电路板上,传感电极(纱线)缠绕在装置内部的洞洞板上,由此连接细导线,从装置底部引出,焊接固定于电路板上的孔内。

织物表面,纱线与细导线绕在洞洞板上,通过热熔胶与焊锡固定。
电路原理图。
圆形电路板效果图。
藏在布口袋里的电路板,边缘的孔里焊接白色细导线。

借助仔细设计的时间分片算法,更新版可以在 100 Hz 刷新率 bit-bang 轮询六个 12 通道 I²C 传感器的同时完成 24 kHz 采样率 16 位深 4 复音数的采样解码,并通过数模转换器输出至音频放大器芯片。

详见第二版工作日志

时钟中断时序图。TIM3 以 1200 Hz 频率触发,负责解码数据;更高优先级的 TIM2 以 24 kHz 频率触发,依次负责输出采样、合成采样、读取数据。
PCB 设计稿(KiCad)📦FUNgi_R2a_ECAD.zip(345 KiB)
固件源程序(C / STM32Cube)📦FUNgi_R2_FW.zip(16.1 KiB)
外壳设计稿(FreeCAD)📦FUNgi_R2_Case.FCStd(150 KiB)
permalink | by Ayu