CN107818705A - 多传感器融合的早教机器人系统及运行方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多传感器融合的早教机器人系统，包括机器人主体、电源适配器、联动手控器、无线通讯骰子、自主寻迹地垫、光电感应卡片、智能云平台和早教APP，所述联动手控器和无线通讯骰子均通过无线信号与机器人主体进行指令传输，所述智能云平台和早教APP均通过无线网络与机器人主体建立连接；通过多传感器融合，多控制器联动以及智能算法的部署，以达到适用于早教应用，功能多样，具备主动与儿童进行交互的功能和成长性，提高了早教机器人的智能化程度的目的。
Description
技术领域
本发明涉及智能机器人技术领域，具体涉及一种多传感器融合的早教机器人系统及运行方法。
背景技术
智能陪护机器人随着老年化和我国新生代的婴儿潮人运应而生。随着家庭教育、父母消费的升级，催生了幼教+科技的机会。机器人凭借其强大人工智能和多样交互模式，给幼儿带来不同于电视、平板的早教体验，势必在儿童早教市场引领智能化教育新风向。在弱人工智能时期，市场上早教机器人同质性很高，机器人处于被动状态，没有智能到会主动与孩子交互的程度；功能内容堆积在机器人本体上，大部分早教机器人都靠语音交互和平板触控来唤醒，由于幼儿的阶段特性所限，这两个入口不易探索，难以交互，导致机器人体验弱化。而有些机器人产品的互动游戏是通过“屏幕”锁住孩子注意力，沦入数码产品而非机器人时代产品。多数机器人都简单作为一个硬件实现一站式性消费，而学前儿童随着年龄和探索的成长需求，带来的市场细分和用户生命周期过短，在所有机器人完全缺乏自主大脑和思维下，很难实现与儿童生命周期同步成长自学的过程。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提出了一种多传感器融合的早教机器人系统及运行方法，以达到适用于早教应用，功能多样，具备主动与儿童进行交互的功能和成长性，提高了早教机器人的智能化程度的目的。
为达到上述目的，本发明的技术方案如下：一种多传感器融合的早教机器人系统，包括机器人主体、电源适配器、联动手控器、无线通讯骰子、自主寻迹地垫、光电感应卡片、智能云平台和早教APP，所述联动手控器和无线通讯骰子均通过无线信号与机器人主体进行指令传输，所述智能云平台和早教APP均通过无线网络与机器人主体建立连接，所述机器人主体，包括：机器人主控器和与机器人主控器分别连接的语音单元、电机驱动单元、数据存储单元、电源管理单元、无线通讯单元和人机接口单元，所述机器人主控器，用于接收指令和控制机器人执行指令；所述语音单元，用于接收语音指令；所述电机驱动单元，用于控制机器人运动，所述数据存储单元，用于存储指令数据；所述电源管理单元，用于管理机器人主体工作用电，所述无线通讯单元，用于控制机器人主体的无线网络通讯；所述人机接口单元，用于人机交互，所述电源适配器，用于为机器人主机充电，所述联动手控器，用于控制机器人的移动，所述无线通讯筛子，用于指示机器人移动，所述自主寻迹地垫，用于模拟不同场景，通过机器人读取识别供儿童学习，所述光电感应卡片，用于提供可读取的含早教内容的图文信息，所述智能云平台和早教APP，用于和机器人主机进行数据交换与共享。
作为优选的，所述联动手控器，包括：联动手控主控器和与联动手控主控器分别连接的手控器存储单元、手控器通信单元、电池和光电感应器，所述联动手控主控器，用于识别图像数据并分析；所述手控器存储单元，用于存储所有的图文信息；所述手控器通信单元，用于和机器人主体建立通信；所述电池用于为手控器的各个单元供电；所述光电感应器用于读取附有对象标示符的图文信息。
作为优选的，所述无线通讯骰子，包括：骰子主控器和与骰子主控器分别连接的骰子存储单元、骰子通信单元、电池和重力感应器，所述骰子主控器，用于数据分析转发和对骰子其他单元的控制；所述骰子存储单元，用于采集的运动数据；所述骰子通信单元，用于和机器人主体建立通信；所述电池用于为骰子的各个单元供电；所述重力感应器，用于采集骰子的运动数据，并将运动数据发送至骰子主控器。
作为优选的，所述自主寻迹地垫，集成了特殊的对象标识符，地垫上的每个位置都将由两个对象标识符形成的位置坐标组成。
作为优选的，所述电源管理单元，包括电源管理主控器和与电源管理主控器分别连接的电池电压采集模块、电流采集模块、温度采集模块、电源数据显示单元和电源指示灯，所述电源管理主控器，用于处理电池组数据；所述电池电压采集模块、电流采集模块、温度采集模块均用于采集电池组数据；所述电源数据显示单元，用于显示机器人主体的电量信息；所述电源指示灯，用于指示电源的开关。
作为优选的，所述电机驱动单元，包括：电机驱动器、驱动电机、驱动轮和编码盘，所述电机驱动器，用于接收指令、控制电机；所述驱动电机，用于为机器人主体运动提供动力；所述驱动轮，用于连接机器人主体，所述编码盘，用于向机器人主体反馈电机驱动器和驱动电机的实际运转情况。
作为优选的，所述人机接口单元，包括按键输入单元、蓝牙接口、无线网络收发单元、LED显示屏和指示灯，所述按键输入单元，用于键入物理按键的指令；所述蓝牙接口，用于与无线通讯骰子和联动手控器进行交互，所述无线网络收发单元，用于与智能云平台和早教APP进行交互；所述LED显示屏，用于显示机器人主体主控器从数据存储单元调取的数据内容；所述指示灯，用于响应机器人的各种工作状态。
一种多传感器融合的早教机器人运行方法，包括：启动机器人电源开关，将机器人主体放置在自动寻迹地垫上；机器人主体在地垫上运动时自动开启扫码模块和软件系统；机器人主体通过自主寻迹算法在地垫上运动并扫描地垫上的对象标识符；扫码模块将对象标识符传递到机器人主控器；机器人主控器将当前地垫码与地垫码库进行比较；确定当前机器人位置和当前地垫码内容；继续移动并将地垫码信息处理后反馈到人机接口单元，光电感应卡片配合自主寻迹地垫使用，机器人运动的过程中通过智能避障算法和自主防跌算法进行有效的躲避障碍和防止跌落，当传感器检测到机器人周围存在障碍物或跌落时，将数据传输给机器人主控器，主控器通过语音单元进行播报。
作为优选的，所述自主寻迹算法，包括：移动到下一位置程序算法和转向程序算法，所述移动到下一位置程序算法，包括：当机器人没有扫到码的时候，以低速直行；机器人扫到码后，第一次执行此方法时，机器人进行转向，转到机器人当前位置与目标位置的角度，转向结束后继续直行；判断当前位置与目标位置的距离大于一定值时，更新当前机器人在地垫上的角度；当机器人角度大于45度小于135度或者大于225度或者315度时，判断机器人当前位置的y坐标是否到达，否则，判断机器人当前位置的x坐标是否到达；如果机器人未到达，当机器人的角度与目标角度差值大于15度时，机器人进行转向，转向结束后继续直行；每隔一段时间重复以上步骤，直到到达，所述转向程序算法，包括：获取目标角度与机器人当前角度，如果角度差值大于45度，或者当前位置已经是最终目的地，机器人开始原地旋转至需要的角度，利用重力加速度与角加速度实时计算机器人转过的角度，来判断转过的角度是否已经大于需要的旋转的角，否则机器人以转弯的方式前进一段时间，该时间通过角度差值或角速度计算得出，转向结束，保存目标角度为当前机器人角度。
作为优选的，所述智能避障算法和自主放跌算法，包括：判断障碍物与机器人的位置关系；根据位置关系做出相应的动作及警报指令，当前方有障碍物或跌落报警时，机器人后退、转弯并解除警报，当后方有障碍物或跌落报警时，机器人前进、转弯并解除警报，当前后均有障碍物或跌落报警时，机器人左右旋转，并解除警报，当左前方或右前方有障碍物时，机器人反向旋转，解除警报，当前后左右都有障碍物时，机器人停止。
本发明具有如下优点：
1、本发明利用早教内容云平台将各种教育资源更新至点读机器人内，因此，实现了早教内容的实时更新和推送，适用于小孩早教应用，且智能化程度较高。
2、本发明由于在电源管理单元内采用多种传感器对点读机器人所处环境、位置进行检测，因此，实现了自主行走、智能避障。
3、本发明由于采用了模块化设计，因此，用户可以定制最适合自己需要的用户端的软件和硬件，实用性较好。
4、本发明由于采用了光电感应技术，用手持点读笔点击绘本图片，LCD屏幕上可直接读取儿童教育资源；放置卡片在机器人底部，即可获取到多媒体试听资源；智能骰子配合寻迹算法，机器人可在游戏地垫上行走，与儿童进行游戏；为儿童提供了更友好的探索机器人功能的内容，提升了机器人的互动性和可玩性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。
图1为本发明实施例公开的多传感器融合的早教机器人系统结构图；
图2为本发明实施例公开的机器人主体示意图；
图3为本发明实施例公开的联动手控器结构示意图；
图4为本发明实施例公开的无线通讯骰子结构示意图；
图5为本发明实施例公开的自主寻迹算法逻辑图；
图6为本发明实施例公开的智能避障与自主放跌算法逻辑图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
本发明提供了一种多传感器融合的早教机器人系统及运行方法，其原理是通过多传感器融合，多控制器联动以及智能算法的部署，以达到适用于早教应用，功能多样，具备主动与儿童进行交互的功能和成长性，提高了早教机器人的智能化程度的目的。
下面结合实施例和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
如图1-图4所示，一种多传感器融合的早教机器人系统，包括机器人主体、电源适配器、联动手控器、无线通讯骰子、自主寻迹地垫、光电感应卡片、智能云平台和早教APP，所述联动手控器和无线通讯骰子均通过无线信号与机器人主体进行指令传输，所述智能云平台和早教APP均通过无线网络与机器人主体建立连接，所述机器人主体，包括：机器人主控器和与机器人主控器分别连接的语音单元、电机驱动单元、数据存储单元、电源管理单元、无线通讯单元和人机接口单元，所述机器人主控器，用于接收指令和控制机器人执行指令；所述语音单元，用于接收语音指令；所述电机驱动单元，用于控制机器人运动，所述数据存储单元，用于存储指令数据；所述电源管理单元，用于管理机器人主体工作用电，所述无线通讯单元，用于控制机器人主体的无线网络通讯；所述人机接口单元，用于人机交互，所述电源适配器，用于为机器人主机充电，所述联动手控器，用于控制机器人的移动，所述无线通讯筛子，用于指示机器人移动，所述自主寻迹地垫，用于模拟不同场景，通过机器人读取识别供儿童学习，所述光电感应卡片，用于提供可读取的含早教内容的图文信息，所述智能云平台和早教APP，用于和机器人主机进行数据交换与共享。
其中，所述联动手控器，包括：联动手控主控器和与联动手控主控器分别连接的手控器存储单元、手控器通信单元、电池和光电感应器，所述联动手控主控器，用于识别图像数据并分析；所述手控器存储单元，用于存储所有的图文信息；所述手控器通信单元，用于和机器人主体建立通信；所述电池用于为手控器的各个单元供电；所述光电感应器用于读取附有对象标示符的图文信息。
其中，所述无线通讯骰子，包括：骰子主控器和与骰子主控器分别连接的骰子存储单元、骰子通信单元、电池和重力感应器，所述骰子主控器，用于数据分析转发和对骰子其他单元的控制；所述骰子存储单元，用于采集的运动数据；所述骰子通信单元，用于和机器人主体建立通信；所述电池用于为骰子的各个单元供电；所述重力感应器，用于采集骰子的运动数据，并将运动数据发送至骰子主控器。
其中，所述自主寻迹地垫，集成了特殊的对象标识符，地垫上的每个位置都将由两个对象标识符形成的位置坐标组成。
其中，所述电源管理单元，包括电源管理主控器和与电源管理主控器分别连接的电池电压采集模块、电流采集模块、温度采集模块、电源数据显示单元和电源指示灯，所述电源管理主控器，用于处理电池组数据；所述电池电压采集模块、电流采集模块、温度采集模块均用于采集电池组数据；所述电源数据显示单元，用于显示机器人主体的电量信息；所述电源指示灯，用于指示电源的开关。
其中，所述电机驱动单元，包括：电机驱动器、驱动电机、驱动轮和编码盘，所述电机驱动器，用于接收指令、控制电机；所述驱动电机，用于为机器人主体运动提供动力；所述驱动轮，用于连接机器人主体，所述编码盘，用于向机器人主体反馈电机驱动器和驱动电机的实际运转情况。
其中，所述人机接口单元，包括按键输入单元、蓝牙接口、无线网络收发单元、LED显示屏和指示灯，所述按键输入单元，用于键入物理按键的指令；所述蓝牙接口，用于与无线通讯骰子和联动手控器进行交互，所述无线网络收发单元，用于与智能云平台和早教APP进行交互；所述LED显示屏，用于显示机器人主体主控器从数据存储单元调取的数据内容；所述指示灯，用于响应机器人的各种工作状态。
如图5和图6所示，一种多传感器融合的早教机器人运行方法，包括：启动机器人电源开关，将机器人主体放置在自动寻迹地垫上；机器人主体在地垫上运动时自动开启扫码模块和软件系统；机器人主体通过自主寻迹算法在地垫上运动并扫描地垫上的对象标识符；扫码模块将对象标识符传递到机器人主控器；机器人主控器将当前地垫码与地垫码库进行比较；确定当前机器人位置和当前地垫码内容；继续移动并将地垫码信息处理后反馈到人机接口单元，光电感应卡片配合自主寻迹地垫使用，机器人运动的过程中通过智能避障算法和自主防跌算法进行有效的躲避障碍和防止跌落，当传感器检测到机器人周围存在障碍物或跌落时，将数据传输给机器人主控器，主控器通过语音单元进行播报。
其中，所述自主寻迹算法，包括：移动到下一位置程序算法和转向程序算法，所述移动到下一位置程序算法，包括：当机器人没有扫到码的时候，以低速直行；机器人扫到码后，第一次执行此方法时，机器人进行转向，转到机器人当前位置与目标位置的角度，转向结束后继续直行；判断当前位置与目标位置的距离大于一定值时，更新当前机器人在地垫上的角度；当机器人角度大于45度小于135度或者大于225度或者315度时，判断机器人当前位置的y坐标是否到达，否则，判断机器人当前位置的x坐标是否到达；如果机器人未到达，当机器人的角度与目标角度差值大于15度时，机器人进行转向，转向结束后继续直行；每隔一段时间重复以上步骤，直到到达，所述转向程序算法，包括：获取目标角度与机器人当前角度，如果角度差值大于45度，或者当前位置已经是最终目的地，机器人开始原地旋转至需要的角度，利用重力加速度与角加速度实时计算机器人转过的角度，来判断转过的角度是否已经大于需要的旋转的角，否则机器人以转弯的方式前进一段时间，该时间通过角度差值或角速度计算得出，转向结束，保存目标角度为当前机器人角度。
其中，所述智能避障算法和自主放跌算法，包括：判断障碍物与机器人的位置关系；根据位置关系做出相应的动作及警报指令，当前方有障碍物或跌落报警时，机器人后退、转弯并解除警报，当后方有障碍物或跌落报警时，机器人前进、转弯并解除警报，当前后均有障碍物或跌落报警时，机器人左右旋转，并解除警报，当左前方或右前方有障碍物时，机器人反向旋转，解除警报，当前后左右都有障碍物时，机器人停止。
以上所述的仅是本发明所公开的一种多传感器融合的早教机器人系统及运行方法的优选实施方式，应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种多传感器融合的早教机器人系统，其特征在于，包括机器人主体、电源适配器、联动手控器、无线通讯骰子、自主寻迹地垫、光电感应卡片、智能云平台和早教APP，所述联动手控器和无线通讯骰子均通过无线信号与机器人主体进行指令传输，所述智能云平台和早教APP均通过无线网络与机器人主体建立连接，所述机器人主体，包括：机器人主控器和与机器人主控器分别连接的语音单元、电机驱动单元、数据存储单元、电源管理单元、无线通讯单元和人机接口单元，所述机器人主控器，用于接收指令和控制机器人执行指令；所述语音单元，用于接收语音指令；所述电机驱动单元，用于控制机器人运动，所述数据存储单元，用于存储指令数据；所述电源管理单元，用于管理机器人主体工作用电，所述无线通讯单元，用于控制机器人主体的无线网络通讯；所述人机接口单元，用于人机交互，所述电源适配器，用于为机器人主机充电，所述联动手控器，用于控制机器人的移动，所述无线通讯筛子，用于指示机器人移动，所述自主寻迹地垫，用于模拟不同场景，通过机器人读取识别供儿童学习，所述光电感应卡片，用于提供可读取的含早教内容的图文信息，所述智能云平台和早教APP，用于和机器人主机进行数据交换与共享。
2.根据权利要求1所述的多传感器融合的早教机器人系统，其特征在于，所述联动手控器，包括：联动手控主控器和与联动手控主控器分别连接的手控器存储单元、手控器通信单元、电池和光电感应器，所述联动手控主控器，用于识别图像数据并分析；所述手控器存储单元，用于存储所有的图文信息；所述手控器通信单元，用于和机器人主体建立通信；所述电池用于为手控器的各个单元供电；所述光电感应器用于读取附有对象标示符的图文信息。
3.根据权利要求1所述的多传感器融合的早教机器人系统，其特征在于，所述无线通讯骰子，包括：骰子主控器和与骰子主控器分别连接的骰子存储单元、骰子通信单元、电池和重力感应器，所述骰子主控器，用于数据分析转发和对骰子其他单元的控制；所述骰子存储单元，用于采集的运动数据；所述骰子通信单元，用于和机器人主体建立通信；所述电池用于为骰子的各个单元供电；所述重力感应器，用于采集骰子的运动数据，并将运动数据发送至骰子主控器。
4.根据权利要求1所述的多传感器融合的早教机器人系统，其特征在于，所述自主寻迹地垫，集成了特殊的对象标识符，地垫上的每个位置都将由两个对象标识符形成的位置坐标组成。
5.根据权利要求1所述的多传感器融合的早教机器人系统，其特征在于，所述电源管理单元，包括电源管理主控器和与电源管理主控器分别连接的电池电压采集模块、电流采集模块、温度采集模块、电源数据显示单元和电源指示灯，所述电源管理主控器，用于处理电池组数据；所述电池电压采集模块、电流采集模块、温度采集模块均用于采集电池组数据；所述电源数据显示单元，用于显示机器人主体的电量信息；所述电源指示灯，用于指示电源的开关。
6.根据权利要求1所述的多传感器融合的早教机器人系统，其特征在于，所述电机驱动单元，包括：电机驱动器、驱动电机、驱动轮和编码盘，所述电机驱动器，用于接收指令、控制电机；所述驱动电机，用于为机器人主体运动提供动力；所述驱动轮，用于连接机器人主体，所述编码盘，用于向机器人主体反馈电机驱动器和驱动电机的实际运转情况。
7.根据权利要求1所述的多传感器融合的早教机器人系统，其特征在于，所述人机接口单元，包括按键输入单元、蓝牙接口、无线网络收发单元、LED显示屏和指示灯，所述按键输入单元，用于键入物理按键的指令；所述蓝牙接口，用于与无线通讯骰子和联动手控器进行交互，所述无线网络收发单元，用于与智能云平台和早教APP进行交互；所述LED显示屏，用于显示机器人主体主控器从数据存储单元调取的数据内容；所述指示灯，用于响应机器人的各种工作状态。
8.一种多传感器融合的早教机器人运行方法，其特征在于，包括：启动机器人电源开关，将机器人主体放置在自动寻迹地垫上；机器人主体在地垫上运动时自动开启扫码模块和软件系统；机器人主体通过自主寻迹算法在地垫上运动并扫描地垫上的对象标识符；扫码模块将对象标识符传递到机器人主控器；机器人主控器将当前地垫码与地垫码库进行比较；确定当前机器人位置和当前地垫码内容；继续移动并将地垫码信息处理后反馈到人机接口单元，光电感应卡片配合自主寻迹地垫使用，机器人运动的过程中通过智能避障算法和自主防跌算法进行有效的躲避障碍和防止跌落，当传感器检测到机器人周围存在障碍物或跌落时，将数据传输给机器人主控器，主控器通过语音单元进行播报。
9.根据权利要求8所述的多传感器融合的早教机器人系统，其特征在于，所述自主寻迹算法，包括：移动到下一位置程序算法和转向程序算法，所述移动到下一位置程序算法，包括：当机器人没有扫到码的时候，以低速直行；机器人扫到码后，第一次执行此方法时，机器人进行转向，转到机器人当前位置与目标位置的角度，转向结束后继续直行；判断当前位置与目标位置的距离大于一定值时，更新当前机器人在地垫上的角度；当机器人角度大于45度小于135度或者大于225度或者315度时，判断机器人当前位置的y坐标是否到达，否则，判断机器人当前位置的x坐标是否到达；如果机器人未到达，当机器人的角度与目标角度差值大于15度时，机器人进行转向，转向结束后继续直行；每隔一段时间重复以上步骤，直到到达，所述转向程序算法，包括：获取目标角度与机器人当前角度，如果角度差值大于45度，或者当前位置已经是最终目的地，机器人开始原地旋转至需要的角度，利用重力加速度与角加速度实时计算机器人转过的角度，来判断转过的角度是否已经大于需要的旋转的角，否则机器人以转弯的方式前进一段时间，该时间通过角度差值或角速度计算得出，转向结束，保存目标角度为当前机器人角度。
10.根据权利要求8所述的多传感器融合的早教机器人系统，其特征在于，所述智能避障算法和自主放跌算法，包括：判断障碍物与机器人的位置关系；根据位置关系做出相应的动作及警报指令，当前方有障碍物或跌落报警时，机器人后退、转弯并解除警报，当后方有障碍物或跌落报警时，机器人前进、转弯并解除警报，当前后均有障碍物或跌落报警时，机器人左右旋转，并解除警报，当左前方或右前方有障碍物时，机器人反向旋转，解除警报，当前后左右都有障碍物时，机器人停止。
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