CN110585744A - 一种实物化编程式积木系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种实物化编程式积木系统，包括传感器模块，包括红外传感器积木、摄像头积木、无线传输功能积木，用于采集外部信号；程序控制模块，包括延时积木、循环运行积木、布尔判断积木、如果判断积木、等待信号积木、或积木、与积木、子程序积木、运动控制积木、程序验证积木，用于对输入信号进行逻辑运算；执行模块，包括底部运动积木、音乐播放积木、LCD显示积木、机械手积木、二极管阵列积木、风扇积木、头部摇摆积木，用于执行程序控制模块的输出指令信号。本发明能够改进现有技术的不足，搭配灵活、使用方便，适合儿童使用。

Description

一种实物化编程式积木系统

技术领域

本发明涉及人机交互技术领域，尤其是一种实物化编程式积木系统。

背景技术

随着信息技术和互联网的发展，智能设备已成为生活中必不可少的一部分。大到计算机、服务器，小到手持设备、家用电器，不管是老人还是小孩，生活中无时无刻需要使用这些设备。而程序是智能设备功能的实现方式，是计算机的大脑，信息产业的发展离不开程序的设计。只有在程序上创新，才能让设备实现更加智能的功能。

传统的编程是通过键盘输入文本语言来实现。一种功能强大的编程语言往往有很多复杂的语法和指令，初学者难以理解和使用。程序员往往需要有一定的知识基础和经过长期的专业训练。这对于儿童来说是非常困难的，儿童无法采用传统的编程方式来创作自己的程序。而随着教育水平的不断提高，父母更希望玩具在给儿童带来快乐的同时，能够开发儿童的智力和创造力，通过实物化的玩具让儿童对程序的逻辑有更加直观的了解，通过玩具的拼接设计自己的程序，而不是在电脑屏幕上编写一行行枯燥的代码。实物编程的特点更加适合儿童对编程的操作。

目前的实物化编程系统主要有两类。中国发明专利CN 102136208A 公开了一种实物编程的方法。该方法通过摄像头采集实物块上的表面识别码，识别实物块的语义功能。用户通过在摄像头区域摆放有表面识别码的实物块来实现编程。这种实物编程方式只能实现计算机中已经设定好的程序，无法充分激发儿童的创造性思维。另一类是中国发明专利CN104898456A公开的实物化编程方法。该方法摆脱了摄像头和计算机内预先设定好的程序的限制，可以让儿童用积木搭建符合程序语法逻辑的程序，并将搭建好的程序输出到小车上实现功能。这种实物编程方法的积木仅用于程序搭建，程序执行在小车上完成。这种积木的功能有局限性，仅仅用于搭建程序，程序的功能不能直观的在积木上体现出来。同时，将小车作为执行器限制了程序功能的多样性，无法充分发挥儿童的想象力。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种实物化编程式积木系统，能够解决现有技术的不足，搭配灵活、使用方便，适合儿童使用。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案如下。

一种实物化编程式积木系统，包括，

传感器模块，包括红外传感器积木、摄像头积木、无线传输功能积木，用于采集外部信号；

程序控制模块，包括延时积木、循环运行积木、布尔判断积木、如果判断积木、等待信号积木、或积木、与积木、子程序积木、运动控制积木、程序验证积木，用于对输入信号进行逻辑运算；

执行模块，包括底部运动积木、音乐播放积木、LCD 显示积木、机械手积木、二极管阵列积木、风扇积木、头部摇摆积木，用于执行程序控制模块的输出指令信号。

作为优选，所述传感器模块、程序控制模块和执行模块的外部至少设置有一个插接公头和一个插接母头；插接公头包括圆台形插头，圆台形插头的表面设置有若干个第一环形金属片，圆台形插头的外侧设置有橡胶密封圈；插接母头包括圆台形插孔，圆台形插孔的内壁设置有与第一环形金属片一一对应的第二环形金属片，圆台形插孔的外侧设置有与橡胶密封圈过盈配合的插槽。

作为优选，所述第一环形金属片的表面设置有第一凸缘，第二环形金属片的顶面设置有与第一凸缘相配合的凹槽，第二环形金属片的底面通过若干个第一弹簧与圆台形插孔的内壁连接。

作为优选，每两个第一弹簧分为一组，同组内的两个第一弹簧共面设置，同组第一弹簧组成的平面与第二环形金属片的表面相垂直，同组内的两个第一弹簧与第二环形金属片底面的连接点的距离小于同组内的两个第一弹簧与圆台形插孔内壁连接点的距离。

作为优选，所述插槽的顶部边缘设置有弧形面。

作为优选，插槽底部设置有第二凸缘。

采用上述技术方案所带来的有益效果在于：本发明提供的积木模块功能多样，搭建灵活，运行方式多样化，能够让儿童轻松了解编程逻辑和过程。各模块之间通过简单的插头进行插接连接，不需要固定的插接方向，便于儿童自己动手进行不同积木模块的插接组合。第一环形金属片和第二环形金属片的结构可以提高插头之间插接配合的牢固度，在儿童玩耍时可以保证良好接触。第一弹簧通过两个方向的安装，可以对插接公头插入方向和拔出方向进行双向的挤压定位，从而进一步提高插接稳定性。弧形面用来保护橡胶密封圈，减少橡胶密封圈的磨损，第二凸缘可以对橡胶密封圈进行挤压，使得其两侧向外形变，从而提高插槽和橡胶密封圈的卡接牢固度。

附图说明

图1是本发明一个具体实施方式中插接公头的结构图。

图2是本发明一个具体实施方式中插接母头的结构图。

图3是本发明一个具体实施方式中第一环形金属片和第二环形金属片接触配合部位的结构图。

图4是本发明一个具体实施方式的使用流程图。

图中：1、圆台形插头；2、第一环形金属片；3、橡胶密封圈；4、圆台形插孔；5、第二环形金属片；6、插槽；7、第一凸缘；8、凹槽；9、第一弹簧；10、弧形面；11、第二凸缘；12、空腔；13、弯折连杆；14、压杆；15、销柱。

具体实施方式

参照图1-4，本发明一个具体实施方式包括，

传感器模块，包括红外传感器积木、摄像头积木、无线传输功能积木，用于采集外部信号；

程序控制模块，包括延时积木、循环运行积木、布尔判断积木、如果判断积木、等待信号积木、或积木、与积木、子程序积木、运动控制积木、程序验证积木，用于对输入信号进行逻辑运算；

执行模块，包括底部运动积木、音乐播放积木、LCD 显示积木、机械手积木、二极管阵列积木、风扇积木、头部摇摆积木，用于执行程序控制模块的输出指令信号。

传感器模块、程序控制模块和执行模块的外部至少设置有一个插接公头和一个插接母头；插接公头包括圆台形插头1，圆台形插头1的表面设置有若干个第一环形金属片2，圆台形插头1的外侧设置有橡胶密封圈3；插接母头包括圆台形插孔4，圆台形插孔4的内壁设置有与第一环形金属片2一一对应的第二环形金属片5，圆台形插孔4的外侧设置有与橡胶密封圈3过盈配合的插槽6。

所述第一环形金属片2的表面设置有第一凸缘7，第二环形金属片5的顶面设置有与第一凸缘7相配合的凹槽8，第二环形金属片5的底面通过若干个第一弹簧9与圆台形插孔4的内壁连接。

每两个第一弹簧9分为一组，同组内的两个第一弹簧9共面设置，同组第一弹簧9组成的平面与第二环形金属片5的表面相垂直，同组内的两个第一弹簧9与第二环形金属片5底面的连接点的距离小于同组内的两个第一弹簧9与圆台形插孔4内壁连接点的距离。

所述插槽6的顶部边缘设置有弧形面10。所述插槽6底部设置有第二凸缘11。

另外，圆台形插孔4内部设置有空腔12，圆台形插孔4底部活动插接有销柱15，空腔12内安装有与每组第一弹簧9一一对应的弯折连杆13，销柱15的底端与弯折连杆13的一端轴接，弯折连杆13的中部铰接在空腔12内，弯折连杆13的另一端轴接有压杆14，第一弹簧9与压杆14连接。当圆台形插头1插入圆台形插孔4内时，圆台形插头1向下挤压销柱15，通过弯折连杆13带动压杆14，使压杆14向内侧挤压第一弹簧9，从而进一步提高第一环形金属片2和第二环形金属片5的接触稳定性。

本发明的使用方法为：

1.选择执行对象，构思需要实现的功能，设计程序逻辑。

2.选择合适的积木搭建程序逻辑。

3.选择合适的传感器积木和程序执行积木，用于执行程序的功能。

4.开启程序验证积木的验证开关，验证程序逻辑是否正确。

5.如果程序逻辑正确，则执行程序，将信号序列输出到执行对象；如果程序逻辑有误，反馈错误积木信息，逻辑错误积木上的 LED 警示灯会亮起，返回步骤 3，用户修改对应编程积木模块。

6.执行模块积木接收信号序列，如果信号序列与模块功能匹配，则执行程序功能；否则，积木上的 LED 警示灯报警，提示更换执行模块积木，直到执行模块功能正常实现。

本发明各模块功能介绍：

红外传感器积木内部配有红外传感器，可以检测检测范围内是否有物体。有物体时，红外传感器积木输出高电平；没有物体时，红外传感器积木输出低电平。

摄像头积木内部配有高清摄像头和高速计算芯片，可以采集并分析视野范围内图像。该摄像头的基本功能是采集并判断图像中是否有人脸。有人脸出现时，摄像头积木输出1；没有人脸出现时，摄像头积木输出 0。此外，还可以用该积木实现运动检测、手势识别等功能，配合后续逻辑程序，实现简单的人机交互。

无线传输功能积木内部配有无线信号接收装置，可以接收手机客户端的控制信号。配合积木逻辑功能，实现远程操控的功能。

延时积木用于实现程序的延时功能，使程序在该模块所连接的模块上持续执行设定的时间。积木上可以设置具体的时间值，并将时间值显示在积木上，其具体功能为：让需要延时的模块持续执行积木上指定的时间，时间结束后，运行后续模块功能。

循环运行积木用于实现循环功能。循环模式可以分为 3 类：循环运行设定的次数、无限循环、当条件满足时跳出循环。用户可以在循环运行积木上选择循环模式、设定循环次数。循环运行积木共有 4 个接口，分别连接前面模块、需要重复执行的模块、跳出循环后的执行的模块、循环结束条件输入。循环模式设置为条件满足时跳出循环，需要输入循环结束条件，其它循环模式不需要输入循环结束条件。

布尔判断积木将两个输入信号进行积木上指定的比较运算，输出比较的结果。比较运算包括：等于、不等于、大于、大于等于、小于、小于等于。

等待信号积木用于等待输入逻辑信号为真时，再运行后续模块；否则停留在该积木模块一直等待，不执行任何功能。需要注意的是，该模块与延时模块功能不同，延时模块延时过程中持续执行其连接的模块的功能，而该模块在等待时仅仅检测输入的信号，不执行任何功能。

“或”积木模块和“与”积木模块分别对两个输入信号进行“或”运算和“与”运算，输出逻辑运算的结果。

如果判断积木模块用于判断输入信号处是否有信号输入，有信号输入则执行输出接口 “是”所连接的后续模块；无信号输入则执行输出接口“否”所连接的后续模块。

子程序积木模块用于搭建需要调用子程序的功能中。其具体功能为：执行子程序中的功能，子程序执行完毕后执行下一条指令。

运动控制积木用于需要执行运动的功能的程序中，配合底部运动积木平台，完成相应的动作。运动控制积木分为前进动作积木、后退动作积木、左转动作积木、右转动作积木和原地打转动作积木。前进动作积木的输入端接收程序输出的逻辑信号，当接收到的信号为 1 时，配合积木上设置好的运行速度，生成相应速度的前进信号，使底部运动积木平台按指定速度前进；当接收到的信号为 0 时，生成停止运动信号，底部运动积木平台停止运动。后退动作积木的输入端接收程序输出的逻辑信号，当接收到的信号为 1 时，配合积木上设置好的运行速度，生成相应速度的后退信号，使底部运动积木平台按指定速度后退；当接收到的信号为 0 时，生成停止运动信号，底部运动积木平台停止运动。左转动作积木的输入端接收程序输出的逻辑信号，当接收到的信号为 1 时，生成左转动作命令，使底部运动积木平台完成左转动作；当接收到的信号为 0 时，不产生动作。右转动作积木的输入端接收程序输出的逻辑信号，当接收到的信号为 1 时，生成右转动作命令，使底部运动积木平台完成右转动作；当接收到的信号为 0 时，不产生动作。

程序验证积木模块接在实物化编程积木系统的尾端，用于验证程序逻辑正确与否。用积木搭建好程序逻辑后，在输出端接上程序验证积木验证。如果逻辑正确，验证通过，验证结束后去掉程序验证积木，接上相应功能的执行积木模块，执行功能；如果逻辑有误，则根据错误提示修改程序逻辑。

底部运动积木可以实现系统运动、转弯功能。结合传感器采集的环境信号，可以实现循迹、避障等功能。结合机械手、风扇积木模块，可以实现清理障碍物、走迷宫、传递物品、踢球比赛等高级功能。

以上所述每个实物化编程积木均有相应的指令执行的功能，而不仅仅是搭建程序逻辑。每个指令内部含有一个单片机和存储器，可以分析输入信号，完成相关运算操作，将运算结果输出。部分执行模块积木还配有驱动模块和功能执行元件。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为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，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，因此不能理解为对本发明的限制。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (6)

1.一种实物化编程式积木系统，其特征在于：包括，

传感器模块，包括红外传感器积木、摄像头积木、无线传输功能积木，用于采集外部信号；

程序控制模块，包括延时积木、循环运行积木、布尔判断积木、如果判断积木、等待信号积木、或积木、与积木、子程序积木、运动控制积木、程序验证积木，用于对输入信号进行逻辑运算；

执行模块，包括底部运动积木、音乐播放积木、LCD 显示积木、机械手积木、二极管阵列积木、风扇积木、头部摇摆积木，用于执行程序控制模块的输出指令信号。

2.根据权利要求1所述的实物化编程式积木系统，其特征在于：所述传感器模块、程序控制模块和执行模块的外部至少设置有一个插接公头和一个插接母头；插接公头包括圆台形插头（1），圆台形插头（1）的表面设置有若干个第一环形金属片（2），圆台形插头（1）的外侧设置有橡胶密封圈（3）；插接母头包括圆台形插孔（4），圆台形插孔（4）的内壁设置有与第一环形金属片（2）一一对应的第二环形金属片（5），圆台形插孔（4）的外侧设置有与橡胶密封圈（3）过盈配合的插槽（6）。

3.根据权利要求2所述的实物化编程式积木系统，其特征在于：所述第一环形金属片（2）的表面设置有第一凸缘（7），第二环形金属片（5）的顶面设置有与第一凸缘（7）相配合的凹槽（8），第二环形金属片（5）的底面通过若干个第一弹簧（9）与圆台形插孔（4）的内壁连接。

4.根据权利要求3所述的实物化编程式积木系统，其特征在于：每两个第一弹簧（9）分为一组，同组内的两个第一弹簧（9）共面设置，同组第一弹簧（9）组成的平面与第二环形金属片（5）的表面相垂直，同组内的两个第一弹簧（9）与第二环形金属片（5）底面的连接点的距离小于同组内的两个第一弹簧（9）与圆台形插孔（4）内壁连接点的距离。

5.根据权利要求2所述的实物化编程式积木系统，其特征在于：所述插槽（6）的顶部边缘设置有弧形面（10）。

6.根据权利要求5所述的实物化编程式积木系统，其特征在于：所述插槽（6）底部设置有第二凸缘（11）。