CN105137887A - 基于编程板的实物化编程方法及其在机器人领域的应用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于编程板的实物化编程方法及其在机器人领域的应用，其方法包括：(1)备置实物化的编程积木和编程板；(2)搭建运行对象，选取编程积木在编程板上搭建逻辑程序；(3)连接编程板与主控板；(4)装载程序至主控板内的存储器中；(5)解码分析程序；(6)检验程序逻辑是否正确，正确就继续，否则返回步骤(3)修改，直至正确；(7)执行程序，并验证程序执行是否正确。本发明形象化地将实物指令积木所拼接的程序反映到机器人等运行对象的运行上，让儿童和新手能更具体地理解程序、设计程序和修改程序，具有很好的应用前景；而且，本发明以实物编程板作为基础，在其上利用实物化积木搭建程序，每个积木并不需要装置芯片或单片机，节约了制造成本。

Description

基于编程板的实物化编程方法及其在机器人领域的应用

技术领域

本发明涉及一种基于编程板的实物化编程方法及其在机器人领域的应用，属于人机交互技术领域。

背景技术

伴随着当代中国乃至世界对创客的关注度越来越高，全民创客时代已经来临。在互联网时代的今天，计算机和网络已经成为人们生活中必不可少的一部分。作为创客，也必须要掌握一项基础技能，就是“编程”。程序是计算机的大脑，也只有掌握“编程”的技能，才能够参与到计算机创新制作过程中来。

传统的编程通常是通过键盘输入文本语言的方式来完成的，但这种编程方式对于计算机初学者而言，理解和使用起来很不方便。主要原因在于传统编程语言中的语法和复杂指令，难以被理解和记忆，同时还需要进行大量地输入工作。而一般儿童和新手很难以记住和理解程序语言的语法、逻辑关系和程序架构等非常专业的知识。此外，对文字掌握得还不纯熟的儿童来说，程序的文本编辑方式缺乏直观性，儿童无法采用传统的编程方式来创作自己的程序。因此，图形化编程向儿童提供了一种编程的可行途径，它将各种编程的概念转化为显示在屏幕上的各种图形，儿童只需要对于各种图形进行拖动，就可以完成编程的整个过程。实物编程被认为是图形化编程的一个分支，其与图形化编程不同之处在于，实物编程对于程序的操作超越了计算机屏幕的限制。实物编程通过触觉、物理感知等技术与实物交互，再将实物逻辑转化为程序逻辑来进行编程。与直接让儿童操控电脑相比，让儿童通过操纵实物来进行创作，更容易让儿童投入到整个过程当中。通过实物编程系统，儿童可以对程序语言的逻辑有更加直观的理解。程序不再是一行行枯燥的代码，而是一组形象甚至一组实物的组合，儿童通过对实物的拼接组合，就可以完成普通程序语言通过键盘输入代码才能完成的工作。因此，实物编程的特点决定了它更适合儿童进行编程操作。

现有技术中国专利CN102136208A公开了一种实物编程方法和系统，通过图像采集实物编程块的表面识别码，再转换为对应的功能语义序列，用户通过在摄像区域摆放具有识别码的实物模块来进行简单编程，这种实物化的编程方法虽然简单，但其仍然是一种乏味的程序，并不能很好地激发儿童及新手的学习兴趣；同时，上述技术方案只能用于已经在计算机中设定好的程序上，无法让儿童以及新手展开开放性思维去自己创建，不具有更深远的教育意义。

中国专利CN104898456A公开了“实物化编程的方法及其在机器人领域的应用”，但是，该方法中每个积木内部都含有芯片或单片机，制造成本较高。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于编程板的实物化编程方法及其在机器人领域的应用。

本发明的技术解决方案是：一种基于编程板的实物化编程方法，包括如下步骤：

(1)备置实物化的编程积木和编程板，所述编程积木和编程板相配套，每块编程积木存储有ID，该ID标示该编程积木需要完成的功能，所述编程板上设有程序上载接口、阵列状排列的供编程积木与编程板连接的连接接口，以及对所述连接接口进行扫描和识别的控制电路；

(2)搭建带有主控板的运行对象，根据将要实现的控制逻辑，选取若干编程积木在编程板上搭建逻辑程序；所述编程板通过控制电路循环扫描，识别各连接接口是否连接有编程积木，如果有则读取该编程积木内所存储的ID，由此获得编程积木所搭建的ID网络关系；

(3)逻辑程序搭建好后，连接编程板与主控板；

(4)启动主控板内的装载程序，将编程板上的ID网络关系通过编程板上设置的程序上载接口装载到主控板内的存储器中；

(5)主控板内CPU对所述ID网络关系进行解码分析即可得到与之相对应的逻辑程序；

(6)主控板内CPU检验程序逻辑，如果程序逻辑正确，则继续下一步；如果程序逻辑不正确，主控板就会向编程板反馈信息，移动和/或更换错误的编程积木，返回上述步骤(3)继续，直到整个程序逻辑正确为止；

(7)主控板控制运行对象执行程序，如果运行对象运行正确，就结束任务；否则，通过移动和/或更换编程积木修改程序逻辑，继续上述步骤(3)，直到运行对象运行正确为止。

进一步地，所述实物编程积木包括基础编程指令积木、延时类指令积木、传感器指令积木、专用类指令积木和其他积木；其中，基础编程指令积木包括：如果判断指令积木、重复做指令积木。

进一步地，所述编程积木内置RFID被感应装置，编程板与编程积木之间是以RFID的无线感应方式连接并标识实物编程积木的ID。

进一步地，所述编程积木内置有多个跳线，编程板与编程积木之间是以跳线插接的方式连接并标识实物编程积木的ID。

进一步地，步骤(4)所述的装载程序是指主控板经电路信号控制编程板循环扫描识别各连接接口，直接读取各编程积木的ID网络关系。

进一步地，步骤(4)所述的装载程序是指主控板读取编程板内临时存储的ID网络关系，该ID网络关系是编程板自行循环扫描识别各连接接口后得到的。

进一步地，所述编程板内的连接接口处装置有LED灯，主控板检测到错误的程序输出信号时，就会向编程板反馈信息，对应出错的编程积木所在连接接口处的LED灯就会亮起。

前述基于编程板的实物化编程方法在机器人领域的应用，其应用步骤为：

(1)构思与设计将要搭建的机器人，备置实物化的编程积木和编程板；

(2)搭建机器人，其由主控板以及传感器和发声发光等模块组成；

(3)根据步骤(1)中所构思的机器人，选取编程积木在编程板上搭建程序逻辑；

(4)连接编程板与机器人内的主控板；

(5)启动主控板内的装载程序把编程板上编程积木所对应的程序逻辑上传到主控板存储器中；

(6)机器人运行：主控板内CPU解析并执行被装载的程序。

本发明技术方案的突出的实质性特点和显著的进步主要体现在：

1、本发明形象化地将实物指令积木所拼接的程序反映到机器人等运行对象的运行上，让儿童和新手能更具体地理解程序、设计程序和修改程序，具有很好的应用前景；

2、本发明使用实物编程积木在编程板上搭建程序，且各个实物化的指令积木很形象，还有连接积木，使得整个搭建的程序就像逻辑图一样展现在用户面前，使用户可以更加直观地、清楚地了解自己所搭建的程序，更有利于编程的学习；

3、本发明以实物编程板作为基础，在其上利用实物化编程积木搭建程序，每个积木并不需要装置芯片或单片机，节约了制造成本。

附图说明

图1为本发明的实物化编程方法的流程图。

图2a至图2c为本发明的基础类编程指令积木示意图。其中：图2a—如果IN1判断指令积木；图2b—如果IN2判断指令积木；图2c—重复做指令积木。

图3a至图3e为本发明的机器人专用类指令积木示意图。其中：图3a—机器人前进指令积木；图3b—机器人右转指令积木；图3c—机器人左转指令积木；图3d—机器人停止指令积木；图3e—机器人后退指令积木。

图4a至图4d为本发明的其他积木示意图。其中：图4a—横向直线连接积木；图4b—顺时针直角转弯积木；图4c—逆时针直角转弯积木；图4d—竖向直线连接积木。

图5a至图5b为本发明的延时类指令积木示意图。其中：图5a—延时0.5秒指令积木；图5b—延时1秒指令积木。

图6a和图6b为本发明的复杂的编程积木指令示意图。其中：图6a—复杂的重复做指令积木；图6b—复杂的如果判断指令积木。

图7a和图7b为本发明编程板与编程积木模块之间的不同连接方式示意图。其中：图7a—RFID连接方式示意图；图7b—跳线插接方式示意图。

图8为使用本发明实物化的编程方法控制机器人行动的系统示意图。

图9为本发明示例沿线循迹机器人与黑线关系框图。

图10为本发明示例沿线循迹机器人程序流程图。

图11为本发明示例沿线循迹机器人用实物化编程实现的程序。

图12为主控板与编程板的连接以及其内部组成图。

图13为主控板解析程序工作原理流程图。

具体实施方式

下面结合具体实例和附图对本发明技术方案作进一步说明，以使其更易于理解和掌握。

图1为本发明的实物化编程方法的流程图。如图1所示，本发明所提供的实物化编程方法具体包括如下步骤：

(1)备置实物化的编程积木和编程板，所述编程积木和编程板相配套，每块编程积木存储有ID，该ID标示该编程积木需要完成的功能，所述编程板上设有程序上载接口、阵列状排列的供编程积木与编程板连接的连接接口，以及对所述连接接口进行扫描和识别的控制电路；

上述实物化的编程积木包括基础类编程指令积木、延时类指令积木、专用类指令积木和其他积木。其中，基础类编程指令积木包括：如果判断指令积木、重复做指令积木；专用类指令积木是指根据运行对象运行任务，需要特定的指令积木，如机器人专用类指令积木，它主要包括：机器人前进指令积木、机器人左转指令积木、机器人右转指令积木、机器人后退指令积木、机器人停止指令积木；其他积木包括：横向直线连接积木、顺时针直角转弯积木、逆时针直角转弯积木、竖向直线连接积木。结合附图，详述如下：

基础类编程指令积木(如图2a—图2c)：图2a为如果IN1判断指令积木，如果IN1口有信号输入，则执行【是】下面的指令，否则执行【否】下面的指令；图2b为如果IN2判断指令积木，如果IN2口有信号输入，则执行【是】下面的指令，否则执行【否】下面的指令；图2c为重复做指令积木，无限重复执行下面所接所有指令集。

机器人专用类指令积木(如图3a—图3e)：图3a为【机器人前进】指令积木，该指令控制机器人执行向前走的逻辑；图3b为【机器人右转】指令积木，该指令控制机器人执行右转的逻辑；图3c为【机器人左转】指令积木，该指令控制机器人执行左转的逻辑；图3d为【机器人停止】指令积木，该指令控制机器人执行停止的逻辑；图3e为【机器人后退】指令积木，该指令控制机器人执行后退的逻辑。

其他积木(如图4a—图4d)：图4a至图4d均为连接类指令示意图，这些指令是为了排版的方便而存在的，依次为：【横向直线连接】积木、【顺时针直角转弯连接】积木、【逆时针直角转弯连接】积木和【竖向直线连接】积木。

延时类指令积木(如图5a—图5b)：图5a为【延时0.5秒】的指令积木，该指令可令受控对象保持当前状态延时0.5秒；图5b为【延时1秒】的指令积木，可令受控对象保持当前状态延时1秒。

除了前述的编程指令积木，还有一些复杂的指令积木。图6a和图6b为本发明的复杂的实物编程指令积木内部逻辑模块的示意图。图6a为重复做指定次数的指令模块，它跨越了两个编程板上的感应位置，其右面位置上可以设定重复次数，它会执行指定次数的【做】下面所接指令集，【做】完后，再执行【下一条】下面所接指令。图6b为如果指令模块，它跨越了两个编程板上的感应位置，实物编程积木右面位置上可以设定要读取的输入口编号，当指定输入口有信号时，它会执行【是】下面所接指令集，否则执行【否】下面所接指令集，完事后，再执行【下一条】下面所接指令。

(2)搭建带有主控板的运行对象(该运行对象可以是循迹机器人，扫地机器人等可以实现程序运行的任何运行对象)，根据将要实现的控制逻辑，选取若干编程积木在编程板上搭建逻辑程序，所述编程板通过控制电路循环扫描，识别各连接接口是否连接有编程积木，如果有则读取该编程积木内所存储的ID，由此获得编程积木所搭建的ID网络关系。

优选地，本发明编程板与编程积木模块之间的具有两种不同的连接方式。如图7a所示，为RFID连接方式，采用RFID(无线射频识别)技术来实现编程板与编程积木模块之间的连接；编程积木内置RFID被感应装置和ID，实物编程板可以通过无线射频识别技术读取编程积木中的ID信息，实物编程板通过读取实物编程积木上的存储ID到编程板上，从而实现两者的连接。如图7b所示，为跳线插接方式，采用跳线插接的技术来实现编程板与编程积木模块之间的连接；编程积木内置有多个跳线，通过跳线标识编程积木的ID信息，编程积木插接到编程板上后，编程板即可通过读取编程积木上的跳线插接所对应的ID到编程板上，从而实现两者的连接。

用户根据其将要实现的控制逻辑，选取至少一个编程积木放置在编程板上从而搭建程序逻辑，然后编程板通过识别编程积木之间相对位置的连接关系，即可获得编程积木所搭建的ID网络关系。

(3)逻辑程序搭建好后，连接实物编程板与主控板。

图12为主控板与编程板的连接以及其内部组成图。如图12所示，编程板具有程序上载接口以连接主控板上的实物编程积木装载接口，其中主控板内的IN1到IN4接口用于连接各种传感器，比如：按键、光电传感器、声音传感器、红外传感器、超声波传感器等等；Motor1和Motor2接口用于连接直流电机；Out1到Out4接口用于连接各种输出，比如：LED灯、扬声器、舵机、继电器、网络等等。

(4)启动主控板内的装载程序，将编程板上所得到的ID网络关系通过编程板上设置的程序上载接口装载到主控板内的存储器中。

所述装载ID网络关系有两种情况，一种是主控板内装载程序启动后，经电路信号控制编程板循环扫描识别各个连接接口是否连接有编程积木，如果有则读取该编程积木内所存储的ID信息，由此获得编程积木所搭建的ID网络关系，此时编程板内的控制电路受控于主控板；另一种情况是编程板先自行通过控制电路循环扫描识别各个连接接口是否连接有编程积木，如果有则读取该编程积木内所存储的ID信息，由此获得的编程积木所搭建的ID网络关系先临时存储在编程板内，当编程板连接主控板并启动装载程序后，再将该ID网络关系上载至主控板内的存储器中。

(5)主控板内CPU对所述ID网络关系进行解码分析即可得到与之相对应的逻辑程序。图13为主控板解析程序工作原理流程图。结合图12及图13所示，主控板内的CPU识别存储器中装载的指令ID并按照各个指令执行程序逻辑。

(6)主控板控制运行对象执行程序，如果运行对象运行正确，就结束任务；否则，通过移动和/或更换编程积木修改程序逻辑，继续上述步骤(3)，直到运行对象运行正确为止。优选地，所述编程板内的连接接口处装置有LED灯，主控板检测到错误的程序输出信号时，就会向编程板反馈信息，对应出错的编程积木所在连接接口处的LED灯就会亮起。

(7)主控板控制运行对象执行程序，如果运行对象运行正确，就结束任务；否则，通过移动和/或更换编程积木修改程序逻辑，继续上述步骤(3)，直到运行对象运行正确为止。

根据本发明技术方案，作为一种典型应用，上述的基于编程板的实物化编程方法可以应用于机器人领域，图8为运用本发明实物化编程的方法控制机器人运行的整个系统，该系统划分为输入模块、装载程序模块、逻辑处理模块和输出模块。下面结合本发明所述实物化编程方法在沿线循迹机器人方面应用，以循迹线行走的机器人为例对本发明的技术方案进行具体说明：

(1)构思与设计将要搭建的沿线循迹机器人：如图9所示，在机器人沿黑线行走的运动中，机器人与黑线之间一共有五种情况，分别是：机器人完全在线上、机器人左偏、机器人右偏、机器人完全左偏、机器人完全右偏，需要根据不同情况来编程。

(2)搭建循迹机器人，内置主控板以及红外线传感器：要实现一个沿黑线走的机器人，则需要在这个机器人的下面安装两个红外线传感器，用于识别区分黑线和白线，左右两个，正好骑在黑线上，用于检测是否有黑线，有黑线则反馈为0，无则反馈为1，该循迹机器人主控板有两个输入口，左侧红外线接在主控板的IN1口，右侧红外线接在主控板的IN2口上。

(3)根据循迹机器人的特点，选取编程积木来搭建程序逻辑；用实际所需要的编程积木来搭建程序逻辑；

图9所示为沿线循迹机器人与黑线关系框图，根据沿线循迹机器人的特点，为使其保持在黑线内行走，其装备的红外线传感器与机器人的行动有如图10的程序流程关系：在机器人沿黑线活动中，当机器人左侧检测到有黑线时进一步检测右侧红外线是否检测到黑线，如果右侧红外线检测到黑线则停止并返回重新检测左侧红外线，否则机器人左转并返回重新检测左侧；当机器人左侧没有检测到黑线时，进一步检测右侧红外线是否检测到黑线，如果右侧红外线检测到黑线则右转并返回重新检测左侧，否则前进并返回重新检测左侧；通过此逻辑关系就能够实现使机器人沿黑线行走。此逻辑关系的每一个指令都有其对应的实物化后的实体——编程积木，按照图10的逻辑关系，选取符合该逻辑关系的编程积木，根据程序逻辑有序地放置在编程板的连接接口处，一般从编程板作上第一个连接接口开始放置，得到如图11的沿线机器人的实物化程序，图中空白矩形框表示未放置编程积木的连接接口。

(4)连接编程板与机器人内的主控板并启动主控板内的装载程序把编程板上编程积木所对应的程序逻辑装载到主控板的存储器中；

如图12为主控板与编程板的连接以及其内部组成图，主控板内含有解析程序模块、执行程序模块、装载程序模块、CPU、存储器、输出输入接口等，其中，IN1接机器人左侧的红外线传感器，IN2接机器人右侧的红外线传感器。

以上实物化编程方法在机器人应用中的实例中所述的编程积木上的ID(16进制的电路信号)与指令间的对应关系如表1。

表1

(5)机器人运行：主控板内的CPU解析存储器中程序，并按照指令顺序执行程序逻辑。

以上通过具体实例对本发明技术方案进行了详细说明和描述，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应该视为落在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于编程板的实物化编程方法，其特征在于：包括如下步骤，

（1）备置实物化的编程积木和编程板，所述编程积木和编程板相配套，每块编程积木存储有ID，该ID标示该编程积木需要完成的功能，所述编程板上设有程序上载接口、阵列状排列的供编程积木与编程板连接的连接接口，以及对所述连接接口进行扫描和识别的控制电路；

（2）搭建带有主控板的运行对象，根据将要实现的控制逻辑，选取若干编程积木在编程板上搭建逻辑程序；所述编程板通过控制电路循环扫描，识别各连接接口是否连接有编程积木，如果有则读取该编程积木内所存储的ID，由此获得编程积木所搭建的ID网络关系；

（3）逻辑程序搭建好后，连接编程板与主控板；

（4）启动主控板内的装载程序，将编程板上的ID网络关系通过编程板上设置的程序上载接口装载到主控板内的存储器中；

（5）主控板内CPU对所述ID网络关系进行解码分析即可得到与之相对应的逻辑程序；

（6）主控板内CPU检验程序逻辑，如果程序逻辑正确，则继续下一步；如果程序逻辑不正确，主控板就会向编程板反馈信息，移动和/或更换错误的编程积木，返回上述步骤（3）继续，直到整个程序逻辑正确为止；

（7）主控板控制运行对象执行程序，如果运行对象运行正确，就结束任务；否则，通过移动和/或更换编程积木修改程序逻辑，继续上述步骤（3），直到运行对象运行正确为止。

2.根据权利要求1所述的基于编程板的实物化编程方法，其特征在于：所述实物编程积木包括基础编程指令积木、延时类指令积木、传感器指令积木、专用类指令积木和其他积木；其中，基础编程指令积木包括：如果判断指令积木、重复做指令积木。

3.根据权利要求1所述的基于编程板的实物化编程方法，其特征在于：所述编程积木内置RFID被感应装置，编程板与编程积木之间是以RFID的无线感应方式连接并标识实物编程积木的ID。

4.根据权利要求1所述的基于编程板的实物化编程方法，其特征在于：所述编程积木内置有多个跳线，编程板与编程积木之间是以跳线插接的方式连接并标识实物编程积木的ID。

5.根据权利要求1所述的基于编程板的实物化编程方法，其特征在于：步骤（4）所述的装载程序是指主控板经电路信号控制编程板循环扫描识别各连接接口，直接读取各编程积木的ID网络关系。

6.根据权利要求1所述的基于编程板的实物化编程方法，其特征在于：步骤（4）所述的装载程序是指主控板读取编程板内临时存储的ID网络关系，该ID网络关系是编程板自行循环扫描识别各连接接口后得到的。

7.根据权利要求1所述的基于编程板的实物化编程方法，其特征在于：所述编程板内的连接接口处还装置有LED灯，主控板检测到错误的程序输出信号时，就会向编程板反馈信息，对应出错的编程积木所在连接接口处的LED灯就会亮起。

8.根据权利要求1至7任意一项所述的基于编程板的实物化编程方法在机器人领域的应用，其特征在于应用步骤为：

（1）构思与设计将要搭建的机器人，备置实物化的编程积木和编程板；

（2）搭建机器人，其由主控板以及传感器和发声发光等模块组成；

（3）根据步骤（1）中所构思的机器人，选取编程积木在编程板上搭建程序逻辑；

（4）连接编程板与机器人内的主控板；

（5）启动主控板内的装载程序把编程板上编程积木所对应的程序逻辑上传到主控板存储器中；

（6）机器人运行：主控板内CPU解析并执行被装载的程序。