CN105313123A - 红外感应投影交互机器人 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种红外感应投影交互机器人，外观皮肤的外表面上覆盖外表皮投影屏作为外观红外交互区，所述红外交互投影模块由红外交互传感器、投影仪、光路控制反射镜、手指触控红外发射器组成，所述手指触控红外发射器套在幼儿的手指上，工作时，用户通过手指触控红外发射器点触外观红外交互区，红外交互传感器接收用户点触时发出的红外信号来确定用户在外观投影交互区内点按的位置，从而确定用户所点选的操作行为，并通过微机控制模块计算处理后将处理结果信号反馈给投影仪，由投影仪将更新的处理结果投影在外表皮投影屏，使用户根据反馈图形信息来选择进一步的操作，完成整体的人机交互。本发明整体小巧、可伸缩，且功能齐全、操作方便，外观可爱。

Description

红外感应投影交互机器人

技术领域

本发明涉及一种家庭幼儿陪护机器人，尤其是一种红外交互式的家庭幼儿陪护机器人。

背景技术

各种研究资料显示，父母对幼儿的关怀程度直接影响着其早期性格和智力形成速度。国务院《中国儿童发展纲要》（2001-2010年）指出，“儿童期是人的生理、心理发展的关键时期，教育必须从儿童早期着手培养。”中国教育部“十五计划”也明确指出要“重视发展儿童早期教育，努力使城乡儿童在入小学前能够接受多种形式的学前教育”。根据中国2010年第六次人口普查统计结果:中国0-14岁的人口达到2.3亿人，占全国总人口的17.2%。全国每年出生的人口在1600万左右。十八届三中全会之后，单独二孩政策已正式实施，五中全会又确定进一步全面放开二孩政策。因此今后幼儿的数量会在现有基础上有一定幅度的增加。但是，幼儿陪护需要占用父母大量的精力，且优质教育需要父母有足够的经验，这二者之间产生了较大的矛盾。因此，利用日益普遍的网络技术和智能移动设备等的技术支持，解决儿童和父母之间远程沟通和陪护问题，提高婴幼儿的教育质量具有重要的现实需要和社会意义。

目前除了市面上的一些玩具，早读机等产品，在专利方面也有不少涉及到相关领域的内容。比如：1、专利“开发婴幼儿智力的远程教学系统及方法”(中国专利申请201410245983.5)，就公开了一种通过摄录装置将婴儿视频上传服务器，服务器处理后下发控制信号给终端的表现装置进而完成远程教学的方法。但是该专利更多的旨在以表演形式来开发儿童智力，并未涉及交互版块，不能够实现人机交互以更好地实现幼儿陪护功能。2、专利“一种儿童看护的智能飞行装置”（中国专利申请201420722407.0）属于涉及儿童看护的智能飞行装置，可以通过飞行装置实现实时跟踪儿童活动并分析安全性以避免伤害的功能，在保障安全方面效果显著，但是在陪护儿童与其互动方面的功能未得以体现。

以上提到专利偏向于对儿童提供早教以实现智力开发，或跟踪孩童以保障安全实现远程看护。本申请除了可以实现前面所提的远程看护并实现移动陪护功能以外，还可以利用大型交互机器人和手指操作装置配合以实现该陪护的红外投影交互功能，实现机器与幼儿互动，既可实现益智功能又可避免伤害，更好地减少父母照顾孩子的负担与压力，提高幼儿陪护的质量。

发明内容

本发明是针对现有幼儿陪护交互方式及教育内容相对单一，移动性陪护能力不足等问题，提出了一种红外感应投影交互机器人，针对幼儿喜欢动动手踢踢腿等特点，结合手指操作装置与大型交互机器人，巧妙地实现了具有红外感知投影交互能力的陪护机器人。

本发明的技术方案为：一种红外感应投影交互机器人，包括由防水、透光而不完全透明的可充气或可塑型的材料构成的外观皮肤、圆弧型底座、底部移动模块、红外交互模块、微机控制模块、外表皮投影屏，所述圆弧型底座内放置投影仪、微机控制模块和电源，形成“不倒翁”的重心，圆弧型底座的底部内嵌一组可伸缩的车轮，微机控制模块连接可伸缩的车轮，根据用户的遥控命令控制下放车轮和运转使机器人移动，所述外观皮肤的外表面上覆盖外表皮投影屏作为外观红外交互区，所述红外交互投影模块由红外交互传感器、投影仪、光路控制反射镜、手指触控红外发射器组成，所述手指触控红外发射器套在幼儿的手指上，工作时，用户通过手指触控红外发射器点触外观红外交互区，红外交互传感器接收用户点触时发出的红外信号来确定用户在外观投影交互区内点按的位置，从而确定用户所点选的操作行为，并通过微机控制模块计算处理后将处理结果信号反馈给投影仪，由投影仪将更新的处理结果投影在外表皮投影屏，使用户根据反馈图形信息来选择进一步的操作，完成整体的人机交互。

所述机器人顶部通过支撑杆悬置光学摄像头，光学摄像头捕捉儿童的行为，并通过微机控制模块及无线通讯网络实时反馈到父母手机上，用于实现远程监控。

所述外表皮投影屏通过拉链或魔术贴连接到外观皮肤上。

所述红外交互传感器通过内部的支撑杆悬置于机器人的躯体的中上部，其观察窗对准外观交互区以便获取交互区的红外信号。

所述外观皮肤通过充气外骨架支撑起形，在陪护工作模式时，充气骨架充气并使外观红外交互区的外观皮肤充分展开，方便投影交互使用；在非陪护工作模式，充气骨架放气后收纳。

所述手指触控红外发射器由贴合手指的纽扣电池、侧发光直插红外LED、安全胶带制作成简易手指触控红外发射器。

所述手指触控红外发射器由贴合手指的红外贴片LED、纽扣电池、PCB板、安置于PCB板间的弹片开关、双层指套制作成按压式触控红外发射器。

本发明的有益效果在于：本发明的红外感应投影交互机器人是一种将娱乐与教育充分结合的Youhoo机器人。不仅可以通过红外交互的方式进行智能交互教育，还可以将Youhoo机器人当作幼儿“动动手脚”的“不倒翁”玩伴。另外，Youhoo可以允许父母进行远程监控和视频聊天满足父母时刻关注幼儿的需求；也可以在需要时转变为家用投影仪，满足家庭影院的娱乐需求。

附图说明

图1为本发明的红外感应投影交互机器人的结构框图；

图2为红外感应投影交互机器人的侧投式机型示意图；

图3为红外感应投影交互机器人的侧投式机型的底部移动模块示意图；

图4为红外感应投影交互机器人的顶投式机型示意图；

图5为红外感应投影交互机器人的顶投式机型的底部移动模块示意图；

图6为“不倒翁”底座立体示意图；

图7为“不倒翁”底座结构平面示意图；

图8为图7中沿A-A的剖视图；

图9为简易版的手指触控红外发射器示意图；

图10为加强版手指触控红外发射器示意图；

图11为按键式手指触控红外发射器示意图；

图12为本发明的红外感应投影交互机器人的外形立体示意图。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

如图1至图12所示，一种红外感应投影交互机器人（Youhoo家庭陪护机器人）包括机器人外形10、红外交互模块与投影模块、微机控制模块、手指操作装置11、内部支撑骨架及“不倒翁”底座等，其结构如附图1所示。而Youhoo内部结构与功能如图2，3或图4，5所示。其中，侧投式机型（图2，3）包括：投影仪2-1、红外交互传感器2-2、投影屏2-3、微机控制模块2-4、电源模块2-5、反射镜2-6、反射角微调仪2-7、支撑杆2-8、挡板2-9、折叠轮2-10、底座2-11、外包层2-12、光学摄像头2-13。顶投式机型（图4，5）包括：投影仪3-1、红外交互传感器3-2、投影屏3-3、微机控制模块3-4、电源模块3-5、挡板3-6、底座3-7、折叠轮3-8、外包层3-9、光学摄像头3-10。具体工作时，Youhoo圆弧型底座内放置投影仪2-1或3-1、微机控制模块2-4或3-4和电源2-5或3-5等较重的物体，形成“不倒翁”的重心。圆弧型底部还内嵌了一组可伸缩的小车车轮2-10或3-8，该组小轮由微机控制其升降（伸出圆弧型底座并支撑地面）。通过下放小轮并控制小轮运转可赋予Youhoo移动能力。红外交互传感器2-2或3-2通过内部的支撑杆2-8悬置于躯体的中上部，其观察窗对准外观交互区以便获取交互区的红外信号。充气外骨架支撑起外观皮肤2-12或3-9从而形成Q型公仔模样（类如图12的蘑菇公仔），外观交互区则由特殊投影屏2-3或3-3包裹。整体上，Youhoo上轻下重形成“不倒翁”结构。工作时，用户（如幼儿）通过带在手指上的指套（内置触控红外发射器，如图9、10、11所示。可以做成小公仔外观。）在Youhoo外观投影交互区内进行指指点点（点触操作），红外交互传感器通过接收到用户点触时发出的红外信号来确定用户在外观投影交互区内点按的位置，从而确定用户所点选的操作行为。通过微机控制模块进行计算处理并将处理结果反馈给投影仪，由投影仪更新形处理结果并投影显示给用户（幼儿）。用户（幼儿）根据新的显示内容，也即反馈图形信息来选择进一步的操作。如此循环交互，便完成了整体的人机交互功能。为了减小Youhoo的整体尺寸并保证投影质量，Youhoo引入了反射光2-6，反射光路可通过反射角微调仪2-7调节，使得系统可以实现短距高清显示。

为了更好的体现机器人看护的价值，在机器人顶部还安装了光学摄像头2-13或3-10（由内部支撑杆实现其悬置），摄像头可以捕捉儿童的一举一动并实时反馈到父母手机上。

具体实施时的外观：Youhoo的外观交互区采用无毒、柔韧（可与人体直接接触，适合儿童安全使用）、防水、透光而不完全透明、可充气或可塑型的材料。通常可采用的材料有PVC、EVA、硅胶、PE、TPU等。而外观非交互区则可采用市面上儿童公仔玩具通常可采用的材料，比如：毛绒、PU皮(超细纤维增强皮革)、布等。

整体外观皮肤可以做成任意的Q型公仔形状，针对侧投式机型（如图2,3）可采用类如企鹅、比如北极熊等“纵长横短”的“立态”动植物公仔设计；针对顶投式机型（如图4,5）可采用类如蘑菇(如图12)、水母等“纵短横长”的“平躺”的植物或动物的公仔设计。

为满足Youhoo内部投影仪的多重利用，Youhoo赋予了外观皮肤交互区以双层可移除的机制。通过拉链或魔术贴来将交互投影屏连接到外观皮肤交互区。当Youhoo工作在幼儿交互模式时，交互投影屏留置于交互投影区，从而降低透光强度，使其亮度适合幼儿使用。当Youhoo工作在家庭影院模式时，可将交互投影屏取下或掀开粘帖在侧边，而此时外观交互区则是一层薄片透明膜与周边外观皮肤相连接，可透光。这种设计主要是避免用户不小心而直接碰触内部装置。

具体实施时的充气骨架：伞状充气骨架由若干根充气圆柱条组成，长短和粗细在制作时根据外观的需要进行调节。外观皮肤由伞状充气骨架来支撑，为避免操作时发生位移，充气骨架与外观皮肤在接触面（点）处被胶粘在一起，或者在制作外观皮肤和充气骨架时进行一体连体制作。当使用Youhoo时，通过鼓风装置对骨架进行充气，使其撑开外表皮材料并定型，当不使用Youhoo时，可将骨架内部的气体排放掉，这样外观皮肤便会缩塌，易于折叠收纳。这种利用充气骨架来实现支撑和外观塑形的设计方式一方面可以使Youhoo陪护机器人可以按需进行充气（满足交互需求）和放气（实现非交互时的便携收纳，尽量减少空间占用）；另一方面，还可以允许外观皮肤不必整体密封，可以用允许外观皮肤存在一些通风小口，从而有利于内部电子设备的风冷散热，防止Youhoo内部设备在工作时因过热而造成器件损坏。

具体实施时的底座：底座主体采用“不倒翁”结构，利用不倒翁的自平衡能力，可以使Youhoo在外力冲击下回到原来的平衡位置。“不倒翁”的结构设计有利于幼儿与Youhoo陪护机器人的互动以及避免误伤（人员）或损坏（设备）。“不倒翁”底座使得Youhoo整体上是“下重上轻”，从而方便在上部采用充气公仔的主体设计。底座的具体结构如图6,7,8所示。一个空心半球体骨架20，采用PVP或ABS等材料一体成型。外包5毫米厚的金属壳，如采用铝，铁等金属，以增加抗踢打能力。半球体骨架内部有一个设备安置金属架，如采用铝，铁等金属材料。该设备安置架根据微机控制模块，电源等电子设备的体积来针对性的设计空间分隔。相关电子设备周边空隙处（非散热区）由抗振材料填充，比如泡沫塑料、袋装橡胶小球等，以便提高设备在工作时的抗冲击能力。设备安置架的上部是一个操作平台，其上一侧安装投影仪，而另外一侧则安装光路反射镜。反射镜主要用来调节投影出射角度以便图像正好被投影到外观皮肤的投影交互区内。在半球体金属壳与内嵌的设备安置架之间的空间则填充密度大的物品，如带装沙子等重物，以下沉重心。半球体骨架及其金属壳体开有3个贯通通道21，这些通道主要用于放置可伸缩车轮即相关轴承，便于后续收纳或投放车轮。

具体实施时的内部支撑杆（柱）：Youhoo除支撑外观皮肤的充气骨架外，Youhoo还有内部可伸缩金属骨架，用于安置红外交互传感器以及交互摄像头。可伸缩金属骨架，类似可伸缩登山杆，逐级旋转固定。其底部固定在金属设备安置骨架上，与操作台连成一体，他们的组合方式类似固定于船体的帆杆。

具体实施时的红外交互投影模块：红外交互投影模块由红外交互模块及投影显示模块组成。红外交互模块包括：1）Youhoo外部的红外反射器，即手指触控红外发射器，发射特定波长的红外线。如850nmLED及其触发装置）；2）、红外图像传感器，接收特定波长的红外线，识别红外光点的2D位置。投影显示模块包括：1）光学短距投影仪，投影图像画面；2）反射光路，反射投影光线使之能投影到目标区域。

位于Youhoo外部的手指触控红外发射器，是穿戴于用户手指上的一个装置。其主要由公仔样式指套、红外发光管、纽扣电池、弹簧开关以及固定组件等组成。简易版的手指触控红外发射器(如图9所示)：其中,红外LED灯5-1，其波长与红外交互探测器相关；纽扣电池5-2满足LED红外灯需求；胶布5-3固定红外LED灯与纽扣电池的相对位置再将其固定到指套（或用户手指）上。手指触控式红外发射器的特点是结构简单、价格便宜、体积小、重量轻。简易版的手指触控红外发射器的工作方式如下：将红外发射器固定到手指合适的位置，当用手指按压交互投影屏，由LED灯脚做成的弹片开关闭合，电路导通，纽扣电池给红外LED灯供电，点亮LED。红外交互模块的检测器2-2接收到该红外光，从而确定LED红外灯的位置，而LED红外灯的位置就代表使用者手指触摸的位置，从而获得使用者想要点选的位置信息。检测器把用户点选命令传输到微机控制其，最终实现信息的输入。

手指触控红外发射器还可以采用图10的加强版设计，以解决简化版易误触的问题。加强版包括：贴片红外LED6-1、PCB板6-2、拥有固定组件的作用；纽扣电池6-3、按压式弹片开关6-4、指套6-5。具体工作方式类如简化版。这里引入的前后端PCB板主要是增加受力面积，使按压式弹片开关相对容易触发。

手指触控红外发射器还可以采用图11的按键式设计，以解决某些情况下Youhoo外观皮肤投影区应力不足而难以触发弹片开关的问题。按键式手指触控红外发射器包括：红外LED灯7-1、PCB板7-2、纽扣电池7-3、按压式弹片开关7-4、指套7-5。在Youhoo过于柔软而无法触发按压式弹片开关时，便可以通过按键式设计，通过拇指按压按键开关来点亮LED灯，完成位置点选信息的输入。

位于Youhoo内部的红外图像传感器，主要感知经由外观皮肤交互区透射到内部的红外光信号，通过识别红外光点的2D位置信息，来获取用户（幼儿）手指所按的位置信息。由于系统工作前先行校准过位置信息，因此通过确定手指按压的位置信息便可以将其与投影显示模块所投射的图像的位置进行比对，确定用户所点选的操作行为。即相关手指触发触控式红外发射器及红外图像传感器所组成的红外交互模块可实现类似鼠标的点选操作，相关操作动作的输入信号，被输入到微机中，经微机处理并针对特定的应用程序反馈到投影仪里，由投影仪投射新的图像，以跟进用户的点选操作。

被安装在设备安置架上的短距投影仪，则采用普通商用微型投影仪。采用微型投影仪，一个原因是可以满足系统小型化的需求，另外，作为针对幼儿交互，满足投影光亮度不宜太强的要求。为适应Youhoo内部空间局促的现实条件，光学投影部分引入反射镜重组，使之能在远小于投影仪焦距的有限空间里投影出清晰的画面。反射镜可以进行俯仰角微调，以便将投影图像适宜的呈现在外观投影交互区。

具体实施时的微机控制模块：由于Youhoo体积较小，故选择微型工控机（带wifi功能）作为其控制器，负责控制其他大部分的设备，包括投影仪、红外图像传感器和摄像头等。操作系统可以选择windows、linux以及其他独立开发的操作系统，此处采用windows7作为Youhoo的操作系统，原因是windows的开发应用较多，可以利用现成的一些教育软件。

具体实施时的电源驱动模块：为统一满足设备的供电需求，选择直流12V的移动充电式电源作为Youhoo的能源供给。另外，为实现Youhoo的长待机功能，额外加入一块单片机，负责控制底部移动模块和电源模块。由于封装完Youhoo之后无法从内部手动开启微机电源，故通过无线遥控单片机，使其发送一个脉冲信号给微机，以此来模拟微机的开机信号，实现外界远程遥控开机的功能。

具体实施时的移动及其控制模块：Youhoo的移动方式为无线遥控移动方式，该部分与电源驱动模块一起，都由同一块单片机控制。通过单片机程序编写，使得用户可用遥控器控制底部电机，从而带动相应的轮子，实现Youhoo的自由移动。

本发明的红外感应投影交互机器人的具体应用：

（1）当一个身高不超过1米的幼儿站在（或坐在）Youhoo家庭陪护机器人正前方时，陪护机器人内部投影仪会启动并在公仔外观的交互区投影图像，好奇心驱使幼儿用手去触碰。于是套在幼儿手指上的可爱公仔（内藏红外光发射装置），在手指操作装置与机器人的交互区发生接触时，手指操作装置里的红外发射器便对应发出红外光，此时机器人内部的红外交互模块便能识别这个手指操作装置发射的红外光的空间位置，即手指触碰的点。微机接受到红外交互模块对外部红外光的定位信息后，结合投影图像的位置关系，确定幼儿选点选的交互内容，并跟进控制投影仪后续显示的交互内容。比如说，幼儿选择《连连看》这样的交互游戏，幼儿通过点选投影交互区相对于的图标（如小动物）中的一个，按压一次（效果等同于鼠标单击）选中其中一个动物图标，再在另外一个相同的动物图标上按压一次，即选中了另一个相同的动物图标，根据游戏规则，如果这两个图标（动物）是相同的话，图标就被连接了起来并被消除了。类似这样的交互游戏可以培养幼儿的图像识别能力。其他交互游戏的工作流程，由相对应的软件来决定，这里不做详述。

（2）父母外出工作，但想念自己的孩子想了解幼儿现状的话，他们可以打开Youhoo家庭看护机器人专属的手机APP，就可以通过云端摄像头（安装在Youhoo公仔的头部）来获取他们的孩子的实时影像，其自身影响可以经由机器人内部的投影仪投射到公仔外观交互区。于是便可以实现远程交互和看护。若幼儿走开了，他们也可以通过手机来控制安装在机器人公仔底部的移动轮来控制Youhoo，从而可以使其跟随在孩子的身边，做到寸步不离。

（3）当晚上，幼儿入睡后，父母如果想休息一下看看影片，则他们只需打开Youhoo的可开合式投影屏（即先前的交互区），便可将Youhoo当成一台简单的家庭投影仪使用。借助Youhoo内部微机的无线上网功能，他们便可以通过Youhoo观看高清的在线影片了。

Claims (7)

1.一种红外感应投影交互机器人，包括由防水、透光而不完全透明的可充气或可塑型的材料构成的外观皮肤、圆弧型底座、底部移动模块、红外交互模块、微机控制模块、外表皮投影屏、其特征在于：所述圆弧型底座内放置投影仪、微机控制模块和电源，形成“不倒翁”的重心，圆弧型底座的底部内嵌一组可伸缩的车轮，微机控制模块连接可伸缩的车轮，根据用户的遥控命令控制下放车轮和运转使机器人移动，所述外观皮肤的外表面上覆盖外表皮投影屏作为外观红外交互区，所述红外交互投影模块由红外交互传感器、投影仪、光路控制反射镜、手指触控红外发射器组成，所述手指触控红外发射器套在用户的手指上，工作时，用户通过手指触控红外发射器点触外观红外交互区，红外交互传感器接收用户点触时发出的红外信号来确定用户在外观投影交互区内点按的位置，从而确定用户所点选的操作行为，并通过微机控制模块计算处理后将处理结果信号反馈给投影仪，由投影仪将更新的处理结果投影在外表皮投影屏，使用户根据反馈图形信息来选择进一步的操作，完成整体的人机交互。

2.根据权利要求1所述的红外感应投影交互机器人，其特征在于：所述机器人顶部通过支撑杆悬置光学摄像头，光学摄像头捕捉儿童的行为，并通过微机控制模块及无线通讯网络实时反馈到父母手机上，用于实现远程监控。

3.根据权利要求1所述的红外感应投影交互机器人，其特征在于：所述外表皮投影屏通过拉链或魔术贴连接到外观皮肤上。

4.根据权利要求1所述的红外感应投影交互机器人，其特征在于：所述红外交互传感器通过内部的支撑杆悬置于机器人的躯体的中上部，其观察窗对准外观交互区以便获取交互区的红外信号。

5.根据权利要求1所述的红外感应投影交互机器人，其特征在于：所述外观皮肤通过充气外骨架支撑起形，在陪护工作模式时，充气骨架充气并使外观红外交互区的外观皮肤充分展开，方便投影交互使用；在非陪护工作模式，充气骨架放气后收纳。

6.根据权利要求1所述的红外感应投影交互机器人，其特征在于：所述手指触控红外发射器由贴合手指的纽扣电池、侧发光直插红外LED、安全胶带制作成简易手指触控红外发射器。

7.根据权利要求1所述的红外感应投影交互机器人，其特征在于：所述手指触控红外发射器由贴合手指的红外贴片LED、纽扣电池、PCB板、安置于PCB板间的弹片开关、双层指套制作成按压式触控红外发射器。