CN106952507A - 基于人形机器人的教育系统及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于人形机器人的教育系统及其方法，包括具有控制器的人形机器人，系统还包括编程模块，编程模块包括用于将流程图程序转化为编程语言的转换模块和用于将编程语言发送给控制器的传送模块，控制器包括有用于运行编程语言的程序运行模块。本发明将编程流程图化，使编程过程简单化，对于没有学习编程基础的用户，仅需进行简单的编程指导，即可完成独立编程操作，适用范围广。

Description

基于人形机器人的教育系统及其方法

技术领域

本发明属于机器设备领域，尤其涉及一种基于人形机器人的教育系统及其方法。

背景技术

当代科学技术发展的特点之一，就是机械技术和电子技术、计算机技术、信息技术相结合，机器人就是这种综合技术相结合的产物之一。

以教育机器人为教学平台，有利于机械设计、电子技术、计算机技术、信息技术等学科的教育发展，有利于探索教育改革和人才培养的新途径、新方法，有利于高素质人才的综合培养，同时将推动我国机器人知识和技术的普及，促进我国机器人事业的发展和专业人才的培养，促进新兴的智能机器人产业的形成，从而建立一种全新的人才培养模式,为国家、为社会培养输送大批更加优秀的人才一。

随着科技的发展,教育机器人在国内外受到了越来越多的关注,在国外许多著名大学都将机器人作为一个综合实验平台供学生做实验和学习等。但是许多现有商业化的教育机器人都存在硬件结构封闭且功能单一等缺点，此外，在教育机器人领域，机器人的智能控制器一直是整个机器人的核心部件，而控制器主要的功能就是执行编写好的应用程序，通常都是用户采用一台计算机进行编写程序，并将编写好的程序编译为可执行的二进制文件，通过通用串行总线接口传输到教育机器人的控制器中，控制器就会执行用户编写的程序文件，在实际应用中用户可能会多次反复这个过程，以最终将程序调试到符合自己预期的状态。由此可见，在现有技术中，对于教育机器人的编程离不开计算机，这导致程序的编写非常繁琐,而且非常缓慢，同时由于计算机编程需要一定的基础，入门较难，这也给教育机器人普及带来了极大的不便。

为解决上述技术问题，人们进行了长期的探索，例如中国专利公开了一种硬件可视化编程构架[申请号：CN201510999154.0]，包括以下步骤：S1、硬件界面元器件拖曳，在硬件界面将左列需要的硬件元器件拖曳到对应软件界面的硬件方框中；S2、根据对应拖曳框中的提示连接实际硬件；S3、点击运行按钮，软件界面的硬件将与实际硬件通过wifi或者蓝牙连接；S4、点击运行按钮，对于每个拖曳框中的硬件进行自测；S5、完成硬件自测之后，进入到下一个界面进行流程图编程；S6、在流程图编程中，通过导入外界编程语言和自定义模块来增加扩展性；S7、在完成流程图编程之后可直接点击运行，同时支持断点和单步调试；S8、完成功能后，支持根据不同MCU平台直接导出运行代码。该硬件可视化编程框架集成了独特的硬件连接向导和自测功能,采用特定映射技术使该构架具有导入导出其他平台代码的能力,使用特殊数据传递和画线算法实现了全流程图的硬件编程的流程,同时该构架开发了流程图基础操作单元增加了构架的灵活性和可扩展性,最后该硬件可视化编程构架能够通过端口映射信息根据要求生成不同平台的硬件原理图。

上述方案虽然解决了部分技术问题，但是仍然存在缺陷，例如，编程过程仍然需要一定基础，一般人员难以操作，且存在结构复杂，需要从外部导入代码，兼容性要求高，编程过程复杂等问题。

发明内容

本发明的目的是针对上述问题，提供一种结构简单，使用方便的基于人形机器人的教育系统；

本发明的另一目的是针对上述问题，提供一种编程方便，使用简单的基于人形机器人的教育方法；

为达到上述目的，本发明采用了下列技术方案：

一种基于人形机器人的教育系统所述的系统包括具有控制器的人形机器人，所述的系统还包括编程模块，所述的编程模块包括用于将流程图程序转化为编程语言的转换模块和用于将编程语言发送给控制器的传送模块，所述的控制器包括有用于运行编程语言的程序运行模块。

通过上述技术方案，将编程流程图化，使编程过程简单化，对于没有学习编程基础的用户，仅需进行简单的编程指导，即可完成独立编程操作，适用范围广。

在上述的基于人形机器人的教育系统中，所述的人形机器人包括至少一个用于连接传感器模块和/或显示模块的外置接口，且多个外置接口均连接于Arduino传感器板；且所述的人形机器人内设置有多个用于安装传感器模块的传感器安装模块。

在上述的基于人形机器人的教育系统中，所述的人形机器人内设置有多个连接于Arduino传感器板的标准化的传感器模块，且所述的传感器模块包括红外传感器测距模块。

在上述的基于人形机器人的教育系统中，所述的传送模块包括设置在人形机器人上的USB接口和/或无线传输单元。

在上述的基于人形机器人的教育系统中，所述的编程语言为人形机器人能够识别的伪汇编形式代码，所述的程序运行模块连接有用于执行伪汇编形式代码的解释器。

在上述的基于人形机器人的教育系统中，所述的编程模块包括多个对应于不同控制部分的分编程模块和用于将不同控制部分进行连接的连接模块，所述的通过连接模块相连接的不同控制部分通过转换模块相联系。

一种基于基于人形机器人的教育系统的基于人形机器人的教育方法，包括以下方法：

A：通过转换模块将用户在编程模块中编写的流程图程序转换为特定的类BASIC语言程序代码，然后将类BASIC语言程序代码编译为伪汇编形式代码；

B：通过人形机器人内的控制器接收编程模块发送的伪汇编形式代码，并通过程序运行模块运行伪汇编形式代码。

在上述的基于人形机器人的教育方法中，在步骤B中，当接收到的伪汇编形式代码出现读取传感器数据的指令时，控制器向Arduino传感器板获取AD传感器数据，且Arduino传感器板获取AD传感器数据的方法包括：

通过装配在人形机器人内的传感器对外部环境进行检测，并将检测结果转换为电压数据后传送给Arduino传感器板的AD采样器进行处理后存储于Arduino传感器板中。

在上述的基于人形机器人的教育方法中，在步骤A中，转换模块将流程图程序转换为特定的类BASIC语言程序代码包括：

通过连接模块将用户在不同分编程模块中编写的不同控制部分进行连接后对通过连接的不同控制部分的流程图程序进行组合并转化为统一且连续的类BASIC语言程序代码；

在步骤B中，所述的控制器通过运行解释器以执行接收到的伪汇编形式代码。

在上述的基于人形机器人的教育方法中，当解释器运行到条件判断指令时，对从传感器获取到的数据和伪汇编形式代码中的预置数据进行判断，通过两个数据的判断关系来决定程序指针是否跳转以使程序根据伪汇编形式代码运行到不同的分支。

本发明基于近眼显示系统测视网膜运动的装置及方法相较于现有技术具有以下优点：1、入门简单：本发明的编程软件采用流程式编程原理，仅需对用户进行简单教学即可实现软件操作及程序编写，适用于学生教学及二次开发；2、接口多元化：拥有丰富的外置接口，可以安装各类传感器，并且其独特的安装结构保证了机器人传感器安装后高的可用性；3、陈本低：结构简单，稳定性好，没有附加多余装置，其次，编程软件的软硬件要求很低，普通家用电脑即可实现操作，易于学习和理解；4、采用标准化的传感器模块，且具有标准化的外置接口，互换性高，针对不同的传感器模块，无需设计和改进即可实现安装及应用。

附图说明

图1是本发明实施例一基于人形机器人教育系统的系统框图；

图2是本发明实施例一红外传感器测距模块的立体结构示意图；

图3是本发明实施例一红外传感器测距模块的主视图；

图4是本发明实施例一红外传感器测距的测试原理图；

图5是本发明实施例一基于人形机器人教育系统的教学方法的流程图；

图6是本发明实施例一传感器控制部分的编程界面图；

图7是本发明实施例一遇火报警控制部分的编程界面图；

图8是本发明实施例一拳击控制部分的编程界面图；

图9是本发明实施例一人形机器人的结构示意图；

图10是本发明实施例二人形机器人的结构示意图；

图11是本发明实施例二传感器安装模块的立体结构图；

图12是本发明实施例二传感器安装模块的主视图。

附图标记：人形机器人4；控制器41；程序运行模块42；解释器421；外置接口43；传感器安装模块44；传感器模块45；编程模块5；转换模块51；传送模块52；分编程模块53；连接模块54；电路转接板1；通孔11；磁吸扣2；限位部21；插接部22；第一连接件23；磁吸底座3；第二连接件31；插接槽311；安装座32；装配孔321。

具体实施方式

本发明适用于学生教学及二次开发，解决了现有技术编程过程复杂，一般人员难以编程，且存在结构复杂，投入成本高等问题。

以下是本发明的优选实施例并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。

实施例一

如图1所示，本实施例的一种基于人形机器人4的教育系统所包括具有控制器41的人形机器人4，系统还包括编程模块5，编程模块5包括用于将流程图程序转化为编程语言的转换模块51和用于将编程语言发送给控制器41的传送模块52，控制器41包括有用于运行编程语言的程序运行模块42。

优选地，人形机器人4内设置有多个连接于Arduino传感器板的标准化的传感器模块45，标准化的传感器模块45使多个传感器之间的互换性更高，针对不同的传感器模块45，无需新设计和改进即可实现安装和应用，且，Arduino传感器板包括用于读取AD传感器数据的AD采样器，传感器模块45包括红外传感器测距模块，红外传感器测距模块结构如图2和图3所示。

且本实施例中，红外传感器测距模块采用夏普的红外测距传感器商品模块，其采用三角测量的原理实现测距，具体工作原理如下：红外发射器按照一定的角度发射红外光束，当遇到物体以后，光束会反射回来，如图4所示，反射回来的红外光线被CCD检测器检测到以后，会获得一个偏移值L，利用三角关系，在知道了发射角度a，偏移距L，中心矩X，以及滤镜的焦距f以后，传感器到物体的距离D就可以通过几何关系计算出来了。

可以看到，当D的距离足够近的时候，L值会相当大，超过CCD的探测范围，这时，虽然物体很近，但是传感器反而看不到了。当物体距离D很大时，L值就会很小。这时CCD检测器能否分辨得出这个很小的L值成为关键，也就是说CCD的分辨率决定能不能获得足够精确的L值。要检测越是远的物体，CCD的分辨率要求就越高。

进一步地，传送模块52包括设置在人形机器人4上的USB接口和/或无线传输单元，人形机器人4与编程模块5之间通过USB数据线或者通过无线传输模块将数据传递给人形机器人4的控制器41实现对人形机器人4的控制。

进一步地，如图5所示，本实施例的基于人形机器人4的教育系统的教育方法，包括以下方法：

A：通过转换模块51将用户在编程模块5中编写的流程图程序转换为特定的类BASIC语言程序代码，然后将类BASIC语言程序代码编译为伪汇编形式代码；

B：通过人形机器人4内的控制器41接收编程模块5发送的伪汇编形式代码，并通过程序运行模块42运行伪汇编形式代码。

具体地，当控制器41接收到的伪汇编形式代码出现读取传感器数据的指令时，控制器41向Arduino传感器板获取AD传感器数据，且Arduino传感器板获取AD传感器数据的方法包括：

通过装配在人形机器人4内的传感器对外部环境进行检测，并将检测结果转换为电压数据后传送给Arduino传感器板的AD采样器进行处理后存储于Arduino传感器板的存储介质中。

进一步地，编程模块5包括多个对应于不同控制部分的分编程模块53和用于将不同控制部分进行连接的连接模块54，所述的通过连接模块54相连接的不同控制部分通过转换模块51相联系，联系方法包括：

通过连接模块54将用户在不同分编程模块53中编写的不同控制部分进行连接后对通过连接的不同控制部分的流程图程序进行组合并转化为统一且连续的类BASIC语言程序代码；

如图6-8所示的编程模块的编程界面图，此处所说的不同部分可以为：传感器控制部分、遇火报警控制部分、行走控制部分、拳击控制部分等控制部分。

具体过程为：用户通过对所需外部信息进行预测，并将所需要用到的相关的控制部分分别在对应的分编程模块53中编写相应的流程图程序，用户完成各控制部分的编程后，不同控制部分的流程图程序通过连接模块54进行连接，同时由转换模块51将连接后的流程图程序进行组合且转化为统一且连续的类BASIC语言程序代码，这些代码经过编程模块5后台编译后产生对应的伪汇编形式代码，完成以后，用户通过数据传输接口，即USB接口或无线传输模块，将伪汇编形式代码传递给人形机器人4的控制器41。

进一步地，程序运行模块42连接有用于执行伪汇编形式代码的解释器421，在人形机器人4处于工作状态时，控制器41通过运行解释器421以执行接收到的伪汇编形式代码，当解释器421运行到条件判断指令时，对从传感器获取到的数据和伪汇编形式代码中的预置数据进行判断，通过两个数据的判断关系来决定程序指针是否跳转以使程序根据伪汇编形式代码运行到不同的分支，进而实现教育版机器人不同的功能，以及达到用户预先要求的结果。

进一步地，如图9，本实施例中的人形机器人4由16个机器人专用舵机、铝合金钣金件及自主控制系统组成，通过模拟人体结构学、运动学，整个机器人本体就有极高的灵活度，并可实现双足快速行走，接收计算机编程的控制器41在整个系统中，承担执行件的工作，通过本体的实际运动，反应教育机器人系统的运行情况，用户可以通过实际控制机器人完成相关任务，以达到教学目的。

本实施例的人形机器人4在执行用户编写的程序过程中处理传感器反馈的外部信息，做出相应的反应，通过执行电机及外壳钣金等配合，完成相应的功能及任务，编程部分采用流程图化编程，将编程语言使用流程图进行表示，具有简单的编程思想即可上手操作，适用范围广。

实施例二

如图10本实施例与实施例一类似，不同之处在于，本实施例的人形机器人4包括至少一个用于连接传感器模块45和显示模块的外置接口43，且多个外置接口43均连接于Arduino传感器板，；且人形机器人4内设置有多个用于安装传感器模块45的传感器安装模块44，传感器安装模块44位于外置接口43处，传感器模块45安装于安装模块，通过外置接口43接入人形机器人4的控制器41即可实现与人形机器人4的一体化。

如图11和图12，传感器安装模块44包括具有呈非圆形的通孔11的电路转接板1，电路转接板1的一侧设置有磁吸扣2，磁吸扣2一端具有抵靠在电路转接板1上的限位部21，另一端穿设于通孔11内并通过磁力作用和/或扣合结构与设置在电路转接板1另一侧的磁吸底座3相连从而将电路转接板1固定在磁吸扣2和磁吸底座3之间。

进一步地，扣合结构包括与通孔11相匹配且插接于通孔11内的插接部22，插接部22一端与限位部21相连，另一端具有第一连接件23且插接部22和第一连接件23之间形成限位台阶，磁吸底座3上设有具有供第一连接件23插设的插接槽311的第二连接件31，第一连接件23同轴插接在插接槽311内且第二连接件31抵靠设置在限位台阶上。其中第一连接件23和第二连接件31均为塑料胶件且横截面均呈环形，且第二连接件31周向内侧形成上述的插接槽311。

进一步地，第一连接件23内嵌设有第一吸附件，第二连接件31内嵌设有第二吸附件，且第一吸附件和第二吸附件均呈环形且通过磁力作用相连。且在本实施例中，第一吸附件和第二吸附件均为具有磁吸力的磁性材料。当然，第一吸附件为具有磁吸力的磁性材料，第二吸附件为能够被磁性材料吸附的金属材料；或者，第二吸附件为具有磁吸力的磁性材料，第一吸附件为能够被磁性材料吸附的金属材料。

优选地，磁吸底座3远离电路转接板1的一端设置有使磁吸底座3保持在电路转接板1该侧的安装座32，且安装座32上设置有至少两个用于将磁吸底座3装配在装配位上的装配孔321。进一步地，限位部21、插接部22与第一连接件23同轴相连呈一体式结构；安装座32与第二连接件31同轴相连呈一体式结构。其通过磁吸扣2和磁吸底座3组成的连接器将电路转接板1连接在磁吸底座3上，从而使磁吸底座3安装在装配位上时，保证电路转接板1与磁吸底座3和磁吸扣2呈一体式的安装在整机上。磁吸底座3靠近电路转接板1的一侧设置有若干公PIN针或母PIN针，磁吸扣2靠近电路转接板1的一侧设置有若干母PIN针或公PIN针，且公PIN针和母PIN针一一对应且相互插接相连，通过公PIN针和母PIN针进一步固定了磁吸底座3和磁吸扣2之间的相对位置，避免两者之间的相对滑动，提高安装组件的稳定性。

本实施例通过传感器安装模块44进一步提高人形机器人4各模块部分的互换性，同时，本实施例中传感器安装模块44具有结构简单，安装拆卸方便，且不需要确定安装定位标准，通过磁吸力及装配结构自动定位，通过将传感器进一步升级为传感器模块45可根据不同需要进行单模块，多模块组合以及任意结合，且更换容易，操作简单，适于各类人群操作。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

尽管本文较多地使用了人形机器人4；控制器41；程序运行模块42；解释器421；外置接口43；传感器安装模块44；传感器模块45；编程模块5；转换模块51；传送模块52；分编程模块53；连接模块54；电路转接板1；通孔11；磁吸扣2；限位部21；插接部22；第一连接件23；磁吸底座3；第二连接件31；插接槽311；安装座32；装配孔321等术语，但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本发明的本质；把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。

Claims (10)

1.一种基于人形机器人的教育系统，所述的系统包括具有控制器(41)的人形机器人(4)，其特征在于，所述的系统还包括编程模块(5)，所述的编程模块(5)包括用于将流程图程序转化为编程语言的转换模块(51)和用于将编程语言发送给控制器(41)的传送模块(52)，所述的控制器(41)包括有用于运行编程语言的程序运行模块(12)。

2.根据权利要求1所述的基于人形机器人的教育系统，其特征在于，所述的人形机器人(4)包括至少一个用于连接传感器模块和/或显示模块的外置接口(43)，且多个外置接口(43)均连接于Arduino传感器板；且所述的人形机器人(4)内设置有多个用于安装传感器模块的传感器安装模块(44)。

3.根据权利要求1所述的基于人形机器人的教育系统，其特征在于，所述的人形机器人(4)内设置有多个连接于Arduino传感器板的标准化的传感器模块(45)，且所述的传感器模块(45)包括红外传感器测距模块。

4.根据权利要求1所述的基于人形机器人的教育系统，其特征在于，所述的传送模块(52)包括设置在人形机器人(4)上的USB接口和/或无线传输单元。

5.根据权利要求1所述的基于人形机器人的教育系统，其特征在于，所述的编程语言为人形机器人(4)能够识别的伪汇编形式代码，所述的程序运行模块(42)连接有用于执行伪汇编形式代码的解释器(421)。

6.根据权利要求5所述的基于人形机器人的教育系统，其特征在于，所述的编程模块(5)包括多个对应于不同控制部分的分编程模块(53)和用于将不同控制部分进行连接的连接模块(54)，所述的通过连接模块(54)相连接的不同控制部分通过转换模块(51)相联系。

7.一种基于权利要求1-7中任意一项所述的基于人形机器人的教育系统的基于人形机器人的教育方法，其特征在于，包括以下方法：

A：通过转换模块(51)将用户在编程模块(5)中编写的流程图程序转换为特定的类BASIC语言程序代码，然后将类BASIC语言程序代码编译为伪汇编形式代码；

B：通过人形机器人(4)内的控制器(41)接收编程模块(5)发送的伪汇编形式代码，并通过程序运行模块(42)运行伪汇编形式代码。

8.根据权利要去7所述的基于人形机器人的教育方法，其特征在于，在步骤B中，当接收到的伪汇编形式代码出现读取传感器数据的指令时，控制器(41)向Arduino传感器板获取AD传感器数据，且Arduino传感器板获取AD传感器数据的方法包括：

通过装配在人形机器人(4)内的传感器对外部环境进行检测，并将检测结果转换为电压数据后传送给Arduino传感器板的AD采样器进行处理后存储于Arduino传感器板中。

9.根据权利要去7所述的基于人形机器人的教育方法，其特征在于，在步骤A中，转换模块(51)将流程图程序转换为特定的类BASIC语言程序代码包括：

通过连接模块(24)将用户在不同分编程模块中编写的不同控制部分进行连接后对通过连接的不同控制部分的流程图程序进行组合并转化为统一且连续的类BASIC语言程序代码；

在步骤B中，所述的控制器(41)通过运行解释器(421)以执行接收到的伪汇编形式代码。

10.根据权利要求9所述的基于人形机器人的教育方法，其特征在于，当解释器(421)运行到条件判断指令时，对从传感器获取到的数据和伪汇编形式代码中的预置数据进行判断，通过两个数据的判断关系来决定程序指针是否跳转以使程序根据伪汇编形式代码运行到不同的分支。