CN107953345A - 面向儿童的熊猫造型智能教育陪护机器人 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种面向儿童的熊猫造型智能教育陪护机器人。所述机器人由机器人本体和平台车构成，所述机器人本体为熊猫造型，所述平台车用于承载机器人本体；所述熊猫机器人包括摄像头模块、显示模块、智能控制模块、驱动模块、异常报警模块、电源模块、数据存储模块、避障模块、智能寻迹模块、语音模块、功能按键模块、智能终端远程连接模块和智能家居联动模块，所述各模块均与智能控制模块电连接。所述熊猫造型智能教育陪护机器人能够实现儿童与机器之间的自然交互，为儿童提供教育、陪护、娱乐等功能；能够实时监控家中环境和儿童实时状态，起到监控和伴随陪护的功能；能够与家中智能家居联动模块连接，实现语音遥控家中智能设备的功能。
Description
技术领域
本发明属于智能家居机器人领域，具体涉及一种面向儿童的熊猫造型智能教育陪护机器人。
背景技术
根据联合国儿童基金会披露的一组数据，全世界每天平均有2000个家庭因为儿童意外伤害失去孩子，在中国每年有1000万儿童遭受各种各样的伤害，约占中国幼儿总数的10%，全中国有6800万留守儿童、1000万城市留守儿童因为缺乏父母的有效陪伴和监护都有可能面临这样的处境。随着科学技术特别是机器人技术的不断发展，智能机器人已经逐渐进入千家万户，市场上也出现不少智能机器人给人们带来欢乐，尤其是教育陪护机器人作为智能机器人的一种，能够辅助儿童生活和学习，成为儿童成长过程中良好的伙伴。
但是目前国内高端儿童教育陪护机器人几乎空白，市场上现有的产品质量差、种类少，而且交流陪护方式单一、交互理解能力较差、自学习能力较差、教育功能较为简单、外形不美观、操作复杂及无智能终端远程管理功能，使得智能教育陪护机器人的实用性大大降低。本发明所设计的智能教育陪护机器人采用语音识别与合成技术，以语言为研究对象，涉及生理学、语言学、计算机及信号处理多个领域，能够实现儿童与机器之间的自然交互，为儿童提供教育、陪护、娱乐等功能。应用视觉图像信息采集技术、图像处理技术、移动目标识别与跟踪技术、网络通讯技术等多种技术，实时监控家中环境和儿童实时状态，起到监控和伴随陪护的功能。通过无线通讯技术，实现与家中智能家居联动模块连接，实现语音遥控家中智能设备的功能。随着人工智能与互联网的不断发展，上述这些技术越来越趋于成熟化，使得相应的产品性能更加智能、稳定、可靠、方便。
发明内容
为了克服现有的儿童教育陪护机器人存在的问题，本发明提供一种功能多样，外观造型更适合儿童的熊猫造型智能教育陪护机器人。所述面向儿童的熊猫造型智能教育陪护机器人能够实现儿童与机器之间的自然交互，为儿童提供教育、陪护、娱乐等功能；能够实时监控家中环境和儿童实时状态，起到监控和伴随陪护的功能；能够与家中智能家居联动模块连接，实现语音遥控家中智能设备的功能。
为实现上述目标，本发明采用以下技术方案：
一种面向儿童的熊猫造型智能教育陪护机器人，由熊猫机器人本体和平台车组成，所述熊猫机器人本体为熊猫造型；所述平台车用于承载机器人本体，所述熊猫机器人本体通过机械结构固定于所述平台车之上，且与平台车存在电连接。
所述面向儿童的熊猫造型智能教育陪护机器人包括智能控制模块、数据存储模块、智能终端远程连接模块、显示模块、语音模块、摄像头模块、智能寻迹模块、避障模块、驱动模块、异常报警模块、功能按键模块、智能家居联动模块、电源模块。
所述智能控制模块为所述面向儿童的熊猫造型智能教育陪护机器人的中央处理单元，在Andriod操作系统上自主编写应用软件，可以二次开发，该模块与其他各模块存在电连接，采用微处理器技术对来自于其他模块的信息进行信息整合与处理。
所述数据存储模块采用大容量闪存存储技术，该模块与所述智能控制模块连接，能够存储教育学习相关内容、学习记录以及监控数据，在显示屏上可随意调取存储资源，使家长和儿童能够及时查阅自己关心的信息。
所述智能终端远程连接模块采用无线通信技术，将熊猫陪护教育机器人与互联网连接，儿童可以在网络资源库中搜索所需要的资源，进行在线浏览或播放，家长也可以通过网络了解儿童在家的情况。
所述显示模块采用彩色触摸屏技术，当人体指端皮肤与屏幕接触时，屏幕相应像素点的电容值发生变化，智能控制模块对屏幕电容值的变化进行处理，改变屏幕显示值，显示模块用于显示软件客户端或人机对话界面，方便操作，增强可视化功能。
所述语音模块包括语音接收组件和语音播放显示组件，所述语音接收组件采用麦克风语音放大与滤波技术，用于接收用户向所述智能陪护机器人发出的语音信息，并将语音信息发送至智能控制模块；智能控制模块采用语音识别、语音合成、自然语言处理等技术对接收的语音信息进行处理；所述语音播放组件采用扬声器的电声换能与动态降噪技术，用于播放由所述智能控制模块得出的语音反馈信息；用户通过麦克风向机器人发出语音指令，机器人经过存储查询与在线智能搜索，返回搜索结果，从而实现人机对话的功能。
所述摄像头模块利用数字式彩色摄像头摄取图像，并将所摄图像传送至所述智能控制模块，智能控制模块通过嵌入的视觉图像信息采集软件与图像处理软件，对目标图像进行提取，并可将视频信息上传到云服务器；所述智能控制模块采用目标识别与跟踪技术，对采集到的图像序列进行处理，在复杂的背景中辨别出目标，同时对儿童的运动意图进行预测，使得机器人能够提前调整状态，从而准确且连续的跟随儿童运动，实现对在儿童的伴随陪护。
所述智能寻迹模块采用光电感应技术辨别地面的设定路径，利用不同颜色返回的光线的强度差异，识别路径信息，智能寻迹模块安装在车底前端，利用多个传感器子模块全方位采集路径信息，所述智能控制模块依据各路径信号强度确定机器人下一步的运动轨迹，从而实现连续地循迹运动。
所述避障模块采用超声定位技术，利用避障模块所发射的超声波和所接收到障碍物回波之间的相位差，测定机器人与障碍物之间的距离，判断两者之间距离是否处于安全距离之内，从而对是否需要进行提前规避做出决策。
所述驱动模块采用功率驱动技术，对大电流运动执行器件如电机进行功率驱动，这一模块是面向儿童的熊猫造型智能教育陪护机器人运动的重要部分，用于驱动电机转动，带动机器人进行移动，实现上述循迹运动、避障运动、跟随运动等，方便对室内环境进行监控以及实时观察儿童的状况。
所述异常报警模块包含有烟雾传感器件、气体传感器件，利用传感器件对气体中煤气含量、烟雾含量敏感性较高的特点，使得其电气性能发生变化，从而检测室内空气的异常情况，所述智能控制模块对异常信号进行采集与处理，使得机器人发出异常警报，同时，智能控制模块通过互联网将报警信息发送至用户手机，提醒用户室内空气异常。
所述功能按键模块采用自锁式电容触摸按键以及按压式电源开关，其中自锁式电容触摸按键利用触摸板的人体静电采集与电容变化，进行开关状态的判定，用于实现由按键操作控制的熊猫教育机器人的运动，如前进、后退、左右转弯等；其中按压式电源开关用于接通/断开系统电源，降低电能的无用功损耗。
所述智能家居联动模块利用红外载波通讯技术，将智能控制模块与家用电器的红外设备联系在一起，如空调、电视机等的红外设备。所述智能家居联动模块采用语音与触摸两种控制方式，控制室内家居电器设备的动作，返回控制结果，并进行语音播报；所述智能家居联动模块对家用红外设备的功能进行红外编码与调制，可以自主设置与学习红外编码序列，增加可控设备。
所述电源模块包括电池与电压转换器，其中电池采用可充电式电池，为机器人系统提供电能；电压转换器采用DC-DC降压技术，利用变压器将电池电压换成为可供微处理器使用的低压电与可供驱动模块使用的低压电。
所述摄像头设置在熊猫机器人主体的眼睛部位，所述显示屏设置在熊猫机器人主体的胸部部位。
所述面向儿童的熊猫造型智能教育陪护机器人，其外观造型为国宝熊猫，能够使儿童比较真实地接触到国宝熊猫，熊猫的憨厚可爱，能够使儿童与熊猫造型智能教育陪护机器人愉快地进行交流、学习与玩耍，从而为儿童学习、生活提供帮助。
本发明的优点和有益效果为：
1）通过将机器人设计成国宝熊猫造型，契合孩子的兴趣，容易引起孩子的好感，进而增强孩子与机器人进行交流、玩耍和从中学习的主动性和积极性。
2）采用现代信息技术和人工智能技术，保证了机器人具有强大的交流和答疑辅导的功能。
3）通过机器人检测室内的环境和安全状况，并将信息实时地传输到用户终端，可以使家长能够及时了解孩子所处环境的情况，能够提高家长的信任感和孩子的安全性。
4）通过将机器人与家中的智能家用电器相连接，有效地拓展了机器人的功能和用途，为构建以机器人为中心的智能家居奠定了基础。
附图说明
附图1是本发明所述面向儿童的熊猫造型智能教育陪护机器人本体的结构视图。
附图2是本发明所述面向儿童的熊猫造型智能教育陪护机器人功能模块的结构框图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步说明。
实施例
参见附图1、2，一种面向儿童的熊猫造型智能教育陪护机器人，包括熊猫机器人本体（1）和平台车（2），所述熊猫机器人本体（1）为熊猫站立造型；所述平台车（2）用于承载机器人本体（1）。
所述熊猫机器人本体（1）安装有摄像头模块（3）、显示模块（4）、语音模块（14）。所述摄像头模块（3）用于采集、拍摄和监控儿童的行为信息，能够对周围环境进行拍摄以及实时跟踪监控儿童；所述显示模块（4）用于显示人机互动内容，方便家长与儿童进行互动交流；所述语音模块（14）用于采集与处理外界语音信息，实现人机对话；所述摄像头模块（3）设置在熊猫机器人主体的眼睛部位；所述显示模块（4）设置在熊猫机器人主体的胸部部位。所述熊猫机器人本体（1）外观造型为国宝熊猫，能够使儿童比较真实地接触到国宝熊猫，熊猫的憨厚可爱，能够使儿童与熊猫造型智能教育陪护机器人愉快地进行交流、学习与玩耍，从而为儿童学习、生活提供帮助。
所述平台车（2）上设有驱动模块（6）、智能控制模块（5）、电源模块（8）、智能寻迹模块（11）、避障模块（10）、功能按键模块（15）、数据存储模块（9）、智能终端远程连接模块（12）、异常报警模块（7）和智能家居联动模块(13)，所述平台车（2）通过以上各模块实现机器人的运动，对儿童进行有效地陪护与监督。
所述智能控制模块（5）为面向儿童的熊猫造型智能教育陪护机器人的中央处理单元，在Andriod操作系统上自主编写应用软件，可以二次开发，采用ARM9 四核处理器对来自于其他模块的信息进行信息的整合与处理，该模块设计有多个外设接口，用于与其他模块的通信，如摄像头接口、WIFI通信接口、避障接口等等，所述智能控制模块用于连接熊猫机器人本体（1）与平台车（2），对摄像头模块（3）与语音模块（14）采集数据进行处理，与数据存储模块（9）、智能终端远程连接模块（12）进行数据传输与共享；对智能寻迹模块（11）、避障模块（10）、功能按键模块（15）、异常报警模块（7）和智能家居联动模块(13)的信息进行处理，并利用驱动模块（6）使得平台车（2）实现目标运动。
所述数据存储模块采用可擦除大容量闪存存储技术，数据存储模块与智能控制模块连接，内存分为内部RAM区域和外部ROM区域，可外接存储卡，存储信息量不小于300GB，能够存储教育学习相关内容、学习记录以及监控数据，在显示屏上可随意调取存储资源，使家长和儿童能够及时查阅自己关心的信息。
所述显示模块采用7寸可触摸式显示屏，安装在熊猫机器人主体的胸部部位，采用四个边角位置的螺钉固定。用于显示软件客户端或人机对话界面，方便操作，增强可视化功能。
所述语音模块采用 M-15迷你式麦克风，安装在熊猫机器人的嘴部位置，通过2.0麦克风接口与智能控制模块连接，用于接收用户向所述智能陪护机器人发出的语音信息，并将信息发送至智能控制模块；在智能控制模块中嵌入语音滤波、智能识别与搜索的软件，根据语音指令在云端搜索答案；所述语音播放组件采用3W迷你式USB音响，安装在熊猫机器人的头部后方，利用智能控制模块的USB口供电，通过2.0扬声器数据接口与智能控制模块连接，用于播放所述智能控制模块得出的语音反馈信息；用户通过麦克风向机器人发出语音指令，机器人经过存储查询与在线智能搜索，返回搜索结果，从而实现人机对话的功能。
所述摄像头模块采用OV5640 500万像素的数字式彩色摄像头，安装在熊猫机器人主体的眉心部位，智能控制模块中嵌入视觉图像信息采集与图像处理软件，对目标图像进行提取，并可将视频信息上传到云服务器；采用目标识别与跟踪技术，对采集到的图像序列进行处理，在复杂的背景中辨别出目标，同时对儿童的运动意图进行预测，使得机器人能够提前调整状态，从而准确而连续的跟随儿童运动，实现对在儿童的伴随陪护。
所述智能寻迹模块采用红外传感器进行路径的识别，智能寻迹模块安装在车底前端，利用5个寻迹传感器全方位采集正前、左前、右前以及左、右五个方向的路径信息，智能控制模块根据各路径信号强度确定机器人下一步的运动轨迹，从而实现连续地循迹运动。
所述避障模块采用US-100超声波传感器，安装在车头位置，面向正前方，用于测量车体与前方障碍物的距离，若距离小于安全值，则转换路径，避开障碍物。
所述驱动模块采用双H桥电路，驱动四个直流电机25GA370转动，带动机器人进行移动，为了实现机器人准确地移动，在电机轴侧安装光电式编码器，测量电机的实时位置，从而实现上述循迹运动、避障运动、跟随运动等，方便对室内环境进行监控以及实时观察儿童的状况。
所述异常报警模块中嵌入光电式烟雾探测器MS5100，可以探测液化气、丁烷、丙烷、甲烷、酒精、氢气、烟雾等，该模块将光信号转换成电压信号，通过串口TTL发送至智能控制模块进行处理，若信号异常，则机器人发出异常警报音及灯光警报，同时，智能控制模块通过互联网将报警信息发送至用户手机，提醒用户室内空气异常。
所述功能按键模块采用TTP223自锁式电容开关以及按压式两脚电源开关，其中TTP223开关设有四个，用于实现由按键操作控制的熊猫教育机器人的运动，如前进、后退、左右转弯；其中按压式电源开关设有两个，用于接通/断开系统电源以及显示屏的电源，降低电能的无用功损耗。
所述智能家居联动模块中嵌入红外编码与解码芯片uPD6122，可以直接控制安装有红外接收控制设备的家用电器，如空调、电视机等，还可以自主安装红外编码与解码设备，按需定制遥控功能，自主设置与学习红外编码序列，增加可控设备。
所述电源模块包括电池与电压转换器，其中电池采用可充电式锂电池，电池容量12v2800mAh，为机器人系统提供电能；电压转换器采用XL4016直流降压电路，将电池的12v电压换成为可供智能控制模块使用的5v直流电；电池的12v电源用于为驱动模块供电。
所述面向儿童的熊猫造型智能教育陪护机器人，机体采用3D打印PVC材料打印制作，各模块的安装皆通过螺钉与机器人壳体固定，而后涂抹热熔胶作为二次固定，防止滑丝、掉落损坏器件。
熊猫机器人本体1固定在平台车2上的限位槽中。
最后应说明的是：显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。
Claims (10)
1.一种面向儿童的熊猫造型智能教育陪护机器人，其特征在于：所述机器人由机器人本体（1）和平台车（2）构成，所述机器人本体（1）为熊猫造型，所述平台车（2）用于承载机器人本体（1），所述熊猫机器人本体通过机械结构固定于所述平台车之上，且与平台车存在电连接；所述熊猫机器人包括摄像头模块（3）、显示模块（4）、智能控制模块（5）、驱动模块（6）、异常报警模块（7）、电源模块（8）、数据存储模块（9）、避障模块（10）、智能寻迹模块（11）、语音模块（14）、功能按键模块（15）、智能终端远程连接模块（12）和智能家居联动模块(13)，所述各模块均与智能控制模块电连接。
2.根据权利要求1 所述的面向儿童的熊猫造型智能教育陪护机器人，其特征在于：所述熊猫机器人本体（1）安装有摄像头模块（3）、显示模块（4）、语音模块（14）；所述平台车（2）安装有智能控制模块（5）、驱动模块（6）、异常报警模块（7）、电源模块（8）、数据存储模块（9）、避障模块（10）、智能寻迹模块（11）、功能按键模块（15）、智能终端远程连接模块（12）和智能家居联动模块(13)。
3.根据权利要求1 所述的面向儿童的熊猫造型智能教育陪护机器人，其特征在于：所述智能控制模块（5）是机器人的中央处理器和控制中枢，与其它各模块存在电连接，从其它模块接收信息，进行分析处理后向有关模块返回处理结果，或者向其它模块发出动作指令，必要时，所述智能控制模块与云平台进行通信，利用云平台的信息资源和计算资源完成信息检索和信息处理任务。
4.根据权利要求1 所述的面向儿童的熊猫造型智能教育陪护机器人，其特征在于：所述数据存储模块（9）采用大容量闪存存储技术，数据存储模块与智能控制模块连接，能够存储教育学习相关内容、学习记录以及监控数据，在显示屏上可随意调取存储资源，使家长和儿童能够及时查阅自己关心的信息。
5.根据权利要求1 所述的面向儿童的熊猫造型智能教育陪护机器人，其特征在于：所述语音模块（14）包括语音接收组件（14a）和语音播放组件（14b），所述语音接收组件（14a）采用麦克风语音放大与滤波技术，用于接收用户向所述智能陪护机器人发出的语音信息，并发送至智能控制模块；所述语音播放组件（14b）采用扬声器的电声换能与动态降噪技术，用于播放所述智能控制模块得出的语音反馈信息。
6.根据权利要求1 所述的面向儿童的熊猫造型智能教育陪护机器人，其特征在于：所述摄像头模块（3）与智能控制模块（5）配合，对儿童的意图进行识别、锁定与跟随；摄像头模块（3）通过与软件客户端结合，使家长可以对儿童进行远程监督、聊天与视频对话。
7.根据权利要求1 所述的面向儿童的熊猫造型智能教育陪护机器人，其特征在于：所述智能寻迹模块（11）采用光电感应技术辨别地面的设定路径，利用不同颜色返回的光线的强度不同，识别路径信息，智能寻迹模块利用多个传感器模块全方位采集路径信息，智能控制模块根据各路径信号强度确定机器人下一步的运动轨迹，从而实现连续地循迹运动。
8.根据权利要求1 所述的面向儿童的熊猫造型智能教育陪护机器人，其特征在于：所述避障模块（10）采用超声定位技术，利用避障模块发射出的超声波和接收到障碍物回波之间的相位差，检测机器人与障碍物之间的距离，判断两者之间距离是否处于安全距离之内，对是否需要进行提前规避做出决策。
9.根据权利要求1 所述的面向儿童的熊猫造型智能教育陪护机器人，其特征在于：所述异常报警模块（7）与智能控制模块（5）通讯，用于检测面向儿童的熊猫造型智能教育陪护机器人的工作状态和室内煤气、烟雾含量，在面向儿童的熊猫造型智能教育陪护机器人出现异常状态或者室内有煤气和烟雾存在时，发出异常警报信号，同时向智能控制模块（5）送出报警信息，智能控制模块（5）将报警信息转至智能终端远程连接模块（12），由智能终端远程连接模块（12）向智能终端发出报警信息。
10.根据权利要求1 所述的面向儿童的熊猫造型智能教育陪护机器人，其特征在于：所述智能家居联动模块(13)利用红外载波通讯技术，将智能控制模块(5)与家用电器的红外设备联系在一起，采用语音与触摸两种控制方式，控制室内家居电器设备的动作，返回控制结果，并进行语音播报；所述智能家居联动模块对家用红外设备的功能进行红外编码与调制，可以自主设置与学习红外编码序列，增加可控设备。
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