CN110216689A - 一种教育用可编程的人工智能机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种教育用可编程的人工智能机器人，包括运动模块、导航模块、语音模块、视觉模块、机械手模块以及给予上述各模块提供编程的主控单元，主控单元与运动模块、导航模块、语音模块、视觉模块以及机械手模块均电连接；主控单元包括多点触摸屏以及无线键盘鼠标；运动模块包括底盘，底盘上转动连接有滚轮，滚轮上设有直流电机，直流电机上设有编码器一；还包括电源一；运动模块还包括红外传感器一、触碰传感器、防跌落传感器以及陀螺仪；导航模块包括红外传感器二、红外发射器、颜色传感器、中央处理模块一及电源二。该机器人具有多用途、入门简单及易学习普及的特点，并且可实现自主编程，模拟动作多样，使用灵活。

Description

一种教育用可编程的人工智能机器人

技术领域

本发明涉及机器人技术领域，更具体地说，它涉及一种教育用可编程的人工智能机器人。

背景技术

随着人工智能技术的不断发展，机器人市场也进入了快速发展阶段。根据国际机器人联合会(IFR)的统计，2017年，全球机器人市场规模达到232亿美元，2012-2017年的平均增长率接近17%。其中，工业机器人147亿美元，服务机器人29亿美元。预计2018至2020年将至少年均增长15%。中国电子学会表示，中国机器人市场规模为62.8亿美元，同比增长24%，其中工业机器人市场规模约为42.2亿美元，服务机器人市场规模约为13.2亿美元。随着机器人不断进入人们生活，对机器人的学习与实际运用成为了目前亟待解决的一大问题。

从国家层面，随着全球老龄化社会的到来以及国内人口红利的逐渐消失， 机器人替代人类繁重和重复性劳动成为必然趋势。在2016年，为推进我国机器 人产业快速健康可持续发展。另外一方面，也多次提到机器人，更明确指出应 实施全民智能教育项目，在中小学阶段设置人工智能相关课程、逐步推广编程 教育。机器人作为人工智能的外部延展形式，将发挥重要作用。同年，国家也 提到智能机器人深刻改变着人类的思维、生产、生活和学习方式。因此，国家 层面非常重视机器人的发展，而机器人发展离不开人，也就离不开教育。

从个人教育层面，机器人设计是一个系统性工程，它是指通过组装、搭建、运行机器人，激发学生的学习兴趣，培养学生团队协作能力、动手能力、空间建构能力、想象能力和知识运用能力等综合能力。该技术融合了机械原理、电子传感器、计算机软硬件及人工智能等众多先进技术，为个人能力和素质的培养承载着新的使命。它也与目前的世界风行的STEAM教育息息相关。配合学校的常规教学，机器人教育让学习不再枯燥，让个人知道为什么学习，并能从机器人教育中发现自身的价值，树立良好的学习观念，促进人的全面发展。

从知识结构层面，目前青少年的机器人教育与高等教育的机器人、人工智能教育之间存在比较大的“知识鸿沟”。青少年学习的机器人基础知识和进入高等院校、从事相关产业，甚至日常生活中接触到的人工智能产品都有比较大的差距。以RoboCup机器人世界杯大学组的家庭服务机器人项目为例，该项目的目的是为了验证和测试机器人在非结构化的家庭环境完成指定任务的能力，涉及到人机交互、动态环境导航、机器视觉、目标检测与操作等内容，极大地推动了人工智能相关领域的研究进步和技术实用化。但在RoboCup机器人世界杯青少年项目中，虽然参赛学生具有单片机开发能力，能够熟练使用编程语言，但他们没有接触和使用到人工智能相关的知识。通过对比大学生人工智能学习内容和青少年机器人技术学习内容，发现这两个阶段之间存在极大的知识缺失。这主要是由于中学、职业院校等采用的是“由下至上”的学习方法，学生从学习基础机械知识、电子电路、编程开始；而在大学中或者生产环境中，学生接触到的是“由上至下”的学习、工作要求，需要实现机器人的特定功能或应用，要找出完成任务的功能模块并进行整合。随着机器人、人工智能技术的进步，这两种方法之间的距离进一步扩大，从而扩大了高中和大学之间、职业院校和生产企业之间的差距。这两者的另一个显著区别是预期产出，高中、职业院校的机器人教育一般设计抽象的发展目标，机器人是为了巡线、避障、追逐目标等简单目的而建造的，实际应用价值很小。在大学期间，机器人教育的目标是解决现实问题。产生这种问题的原因主要是学校的教育驱动动机和大学的研究驱动动机之间的差异。

因此，无论从国家发展层面还是从个人发展层面、知识结构层面，机器人教育都十分重要和必要，它可以改变国家和个人的命运，也能更进一步推动人工智能机器人的发展。

据此，本发明提出了一种教育用可编程的人工智能机器人。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术中的不足，提供一种教育用可编程的人工智能机器人，该机器人具有多用途、入门简单及易学习普及的特点，并且可实现自主编程，模拟动作多样，使用灵活。

为解决上述技术问题，本发明的目的是这样实现的：本发明所涉及的一种教育用可编程的人工智能机器人，包括运动模块、导航模块、语音模块、视觉模块、机械手模块以及给予上述各模块提供编程的主控单元，主控单元与所述运动模块、导航模块、语音模块、视觉模块以及机械手模块均电连接。

本发明进一步设置为：所述主控单元包括多点触摸屏以及无线键盘鼠标。

本发明进一步设置为：所述运动模块包括底盘，底盘上转动连接有对向设置的滚轮，滚轮上分别设有控制其转动的直流电机，直流电机的输出轴端设有与所述主控单元电连接的编码器一；还包括给予直流电机供电的电源一。

本发明进一步设置为：所述运动模块还包括红外传感器一、触碰传感器、防跌落传感器以及陀螺仪。

本发明进一步设置为：所述导航模块包括红外传感器二、红外发射器以及颜色传感器，所述导航模块还包括与红外传感器二、红外发射器以及颜色传感器均电连接的中央处理模块一和给予中央处理模块一供电的电源二。

本发明进一步设置为：所述导航模块还包括倾斜传感器；所述导航模块还包括麦克风。

本发明进一步设置为：所述语音模块包括声音采集单元、声音输出单元、与声音采集单元和声音输出单元均电连接的中央处理模块二、给予中央处理模块二供电的电源三。

本发明进一步设置为：所述视觉模块包括数码相机、处理数码相机成像照片的中央处理模块三、给予中央处理模块三供电的电源四。

本发明进一步设置为：所述机械手模块包括具有五自由度的机械臂，机械臂上设有若干控制电机，控制电机的输出轴端设有编码器二；还包括给予控制电机供电的电源五。

综上所述，本发明具有以下有益效果：

1.分别对不同功能模块进行自主编程，实现单功能模拟或多功能的组合式模拟，多适用在教育领域，有助于学生对机器人技术的了解和学习；

2.该机器人还搭载了多自由度的机械臂，能够在三维空间内对物件进行抓取或转移，模拟物件的转移；

3.运动模块中增设多个安全感应装置，使得在移动中避免碰撞、跌落或受损等，保护了机器人整体，延长其寿命；

4.导航模块通过独立的红外激光发射模块产生一张红外激光编码图，形成肉眼不可见的红外线斑，发射到空间中，在空间中的物体上加上标记，由于散斑具有高度的随机性，因此空间中任何两处的散斑都会是不同的图案。接收器在截取空间中的红外线影像后，把影像交给专用图像处理芯片进行计算，算出深度图。因此具有如下优点：a. 方案成熟，相机基线可以做的比较小，方便小型化；b. 资源消耗较低，单帧红外激光图就可计算出深度图，功耗低；c. 主动光源，夜晚也可使用；d. 在一定范围内精度高，分辨率高，分辨率可达1280*1024,帧率可达60FPS；

5.语音模块中选择了具有单指向心型声音采集范围的专用麦克风。相对于全指向的麦克风，单指向麦克风能够有效的滤除来自机器人侧后方的环境噪音，更准确的采集操作者的语音，同时，该麦克风还具备拾音灵敏度调节和低切滤波功能，能够比较准确的采集人声，避免其它低频杂音对语音识别效果的影响；

6.视觉模块在做图像处理任务的时候，使用彩色图像采集功能，可以完成人脸识别、颜色识别、目标跟踪等任务；在做机械臂三维空间观测时，能够利用深度信息对机械臂在机器人体坐标系下的相对位置进行观测和测量，从而完成指引机械臂抓取物体等功能；

7.机械手模块采用可编程控制的五自由度的机械臂，实现灵活转移和搬运物件的功能，操作灵活方便。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图；

图2是本发明用于体现运动模块的结构示意图；

图3是本发明用于体现导航模块的结构示意图；

图4是本发明用于体现语音模块的结构示意图；

图5是本发明用于体现视觉模块的结构示意图；

图6是本发明用于体现机械手模块的结构示意图；

图7是本发明用于体现主控单元的结构示意图。

具体实施方式

为了使本领域的技术人员更好地理解本实验新型的技术方案，下面结合具体实施例对本发明的优选实施方案进行描述，但是应当理解，这些描述只是为了进一步说明本发明的特征和优点，而不是对本发明专利要求的限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

下面结合附图和优选实施例对本发明进一步说明。

参见图1至7所示，本实施例所涉及的一种教育用可编程的人工智能机器人，包括运动模块10、导航模块20、语音模块30、视觉模块40、机械手模块50以及给予上述各模块提供编程的主控单元60，主控单元60与所述运动模块10、导航模块20、语音模块30、视觉模块40以及机械手模块50均电连接。

在本实施方案中，通过对主控单元60进行程序的输入或导入，执行针对的模块，将其运行，完成对应命令的操作，适用于教育领域的应用与普及。

进一步的，所述主控单元60包括多点触摸屏61以及无线键盘鼠标62，通过多点触摸屏61上的触摸操作，完成对数据或程序的导入，便于数字化操作；其中，无线键盘鼠标62的使用，有助于加快和方便数据或程序的编写，使用更方便。

进一步的，所述运动模块10包括底盘11，底盘11上转动连接有对向设置的滚轮12，滚轮12上分别设有控制其转动的直流电机13，直流电机13的输出轴端设有与所述主控单元60电连接的编码器一14；还包括给予直流电机13供电的电源一15，通过主控单元60输出对应编码，将其导至编码器一14，实现直流电机13携滚轮12转动，转速经主控单元60调控，对向设置的滚轮12的转速不同，可实现机器人转向，完成左转、右转或掉头。

进一步的，所述运动模块10还包括红外传感器一、触碰传感器、防跌落传感器以及陀螺仪，增设多个安全感应装置（包括如上传感器以及陀螺仪），使得整体在移动中避免碰撞、跌落或受损等，保护了机器人整体，延长其寿命。

进一步的，所述导航模块20包括红外传感器二21、红外发射器22以及颜色传感器23，所述导航模块20还包括与红外传感器二21、红外发射器22以及颜色传感器23均电连接的中央处理模块一24和给予中央处理模块一24供电的电源二25，通过独立的红外发射器22发射激光，由红外传感器二21接收，并经中央处理模块一24形成影像，把影像传输给专用图像处理芯片进行计算，算出深度图。

结构光（散斑）的优点主要有：

a.方案成熟，相机基线可以做的比较小，方便小型化；

b.资源消耗较低，单帧红外激光图就可计算出深度图，功耗低；

c.主动光源，夜晚也可使用；

d.在一定范围内精度高，分辨率高，分辨率可达1280*1024,帧率可达60FPS。

进一步的，所述导航模块20还包括倾斜传感器，用于测量水平度；所述导航模块20还包括麦克风，将声音信号转换为电信号，实现接收。

进一步的，所述语音模块30包括声音采集单元31、声音输出单元32、与声音采集单元31和声音输出单元32均电连接的中央处理模块二33、给予中央处理模块二33供电的电源三34，用于人机交互。

进一步的，所述视觉模块40包括数码相机41、处理数码相机41成像照片的中央处理模块三42、给予中央处理模块三42供电的电源四43，用于成像数据的采集，使之反馈给中央处理模块三42，进行数据的分析和信号的转换。

进一步的，所述机械手模块50包括具有五自由度的机械臂51，机械臂上设有若干控制电机52，控制电机52的输出轴端设有编码器二53；还包括给予控制电机52供电的电源五54，机械手模块采用可编程控制的五自由度的机械臂51，实现灵活转移和搬运物件的功能，操作灵活方便。

本发明所涉及的教育用可编程的人工智能机器人，通过分别对不同功能模块进行自主编程，实现单功能模拟或多功能的组合式模拟，多适用在教育领域，有助于学生对机器人技术的了解和学习；通过该机器人还搭载了多自由度的机械臂，能够在三维空间内对物件进行抓取或转移，模拟物件的转移；通过运动模块中增设多个安全感应装置，使得在移动中避免碰撞、跌落或受损等，保护了机器人整体，延长其寿命；通过导航模块通过独立的红外激光发射模块产生一张红外激光编码图，形成肉眼不可见的红外线斑，发射到空间中，在空间中的物体上加上标记，由于散斑具有高度的随机性，因此空间中任何两处的散斑都会是不同的图案。接收器在截取空间中的红外线影像后，把影像交给专用图像处理芯片进行计算，算出深度图。因此具有如下优点：a. 方案成熟，相机基线可以做的比较小，方便小型化；b. 资源消耗较低，单帧红外激光图就可计算出深度图，功耗低；c. 主动光源，夜晚也可使用；d. 在一定范围内精度高，分辨率高，分辨率可达1280*1024,帧率可达60FPS；通过语音模块中选择了具有单指向心型声音采集范围的专用麦克风。相对于全指向的麦克风，单指向麦克风能够有效的滤除来自机器人侧后方的环境噪音，更准确的采集操作者的语音，同时，该麦克风还具备拾音灵敏度调节和低切滤波功能，能够比较准确的采集人声，避免其它低频杂音对语音识别效果的影响；通过视觉模块在做图像处理任务的时候，使用彩色图像采集功能，可以完成人脸识别、颜色识别、目标跟踪等任务；在做机械臂三维空间观测时，能够利用深度信息对机械臂在机器人体坐标系下的相对位置进行观测和测量，从而完成指引机械臂抓取物体等功能；通过机械手模块采用可编程控制的五自由度的机械臂，实现灵活转移和搬运物件的功能，操作灵活方便。

如无特殊说明，本发明中，若有术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此本发明中描述方位或位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以结合附图，并根据具体情况理解上述术语的具体含义。

除非另有明确的规定和限定，本发明中，若有术语“设置”、“相连”及“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接连接，也可以通过中间媒介间接连接，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思做出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (9)

1.一种教育用可编程的人工智能机器人，其特征在于：包括运动模块、导航模块、语音模块、视觉模块、机械手模块以及给予上述各模块提供编程的主控单元，主控单元与所述运动模块、导航模块、语音模块、视觉模块以及机械手模块均电连接。

2.根据权利要求1所述的教育用可编程的人工智能机器人，其特征在于：所述主控单元包括多点触摸屏以及无线键盘鼠标。

3.根据权利要求1或2所述的教育用可编程的人工智能机器人，其特征在于：所述运动模块包括底盘，底盘上转动连接有对向设置的滚轮，滚轮上分别设有控制其转动的直流电机，直流电机的输出轴端设有与所述主控单元电连接的编码器一；还包括给予直流电机供电的电源一。

4.根据权利要求3所述的教育用可编程的人工智能机器人，其特征在于：所述运动模块还包括红外传感器一、触碰传感器、防跌落传感器以及陀螺仪。

5.根据权利要求1或2所述的教育用可编程的人工智能机器人，其特征在于：所述导航模块包括红外传感器二、红外发射器以及颜色传感器，所述导航模块还包括与红外传感器二、红外发射器以及颜色传感器均电连接的中央处理模块一和给予中央处理模块一供电的电源二。

6.根据权利要求5所述的教育用可编程的人工智能机器人，其特征在于：所述导航模块还包括倾斜传感器；所述导航模块还包括麦克风。

7.根据权利要求1或2所述的教育用可编程的人工智能机器人，其特征在于：所述语音模块包括声音采集单元、声音输出单元、与声音采集单元和声音输出单元均电连接的中央处理模块二、给予中央处理模块二供电的电源三。

8.根据权利要求1或2所述的教育用可编程的人工智能机器人，其特征在于：所述视觉模块包括数码相机、处理数码相机成像照片的中央处理模块三、给予中央处理模块三供电的电源四。

9.根据权利要求1或2所述的教育用可编程的人工智能机器人，其特征在于：所述机械手模块包括具有五自由度的机械臂，机械臂上设有若干控制电机，控制电机的输出轴端设有编码器二；还包括给予控制电机供电的电源五。