CN111655347A - 具有机器人控制单元的玩具搭建系统 - Google Patents

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Abstract

一种玩具搭建机器人系统，包括机器人控制单元，所述机器人控制单元包括：壳体，其包括联接元件，该联接元件被配置为将所述机器人控制单元与协作的玩具搭建元件可拆解地互连；包括经编程指令的处理器；连接以与处理器通信的多个I/O端口；在壳体的前侧以二维阵列布置的多个分离的发光器，每个发光器可响应于来自处理器的指令操作以产生至少两个不同的指示状态；其中，发光器相对于I/O端口对准，使得每个I/O端口具有在其附近的相关联的发光器。响应于来自处理器的指令，发光器可操作为产生对关于机器人控制单元的数据编码的机器可读代码。所述机器可读代码可以包括用于机器人控制单元和外部设备之间交互的指令。

Description

具有机器人控制单元的玩具搭建系统
技术领域
本发明在一方面涉及一种包括机器人控制单元的玩具搭建机器人系统，其中机器人控制单元包括：壳体，其包括被配置为将机器人控制单元与协作的玩具搭建元件可拆解地互连的联接元件；处理器，其包括经编程指令；多个I/O端口，其被配置为与处理器通信。
背景技术
包括在搭建具有诸多功能的玩具机器人中使用的机器人控制器的玩具搭建系统为用户(特别是儿童)提供了可高度互动和趣味盎然的游戏体验。当机器人控制器集成到具有运动功能的玩具搭建模型中时，特别是与合适的外围设备(如执行器和/或传感器)结合使用时，可以使模型“具有生命”，以执行编程甚至自主的功能。相比其他情况，设计、建造和编程这样的机器人是富有挑战的任务，它们可以通过游戏的方式激发用户的高级学习体验。
然而，为了成功地使用户参与到任务中，以适合广泛用户的方式促使对于建造和编程过程中的各个步骤的直观理解是重要的，不同用户可能具有十分不同的水平的建造和编程经验。
因此，需要一种改进的机器人控制器，例如用于机器人搭建套件中，尤其是用于机器人玩具搭建模型中，其以游戏的方式增强了建造和编程的体验。
发明内容
本发明的第一方面涉及一种包括机器人控制单元的玩具搭建机器人系统，其中，所述机器人控制单元包括：
-壳体，其包括联接元件，该联接元件被配置为用于将机器人控制单元与协作的玩具搭建元件可拆解地互连；
-处理器，其包括经编程指令；
-多个I/O端口，其被配置为与处理器通信；
-多个分离的发光器，每个发光器能响应于来自所述处理器的指令而操作，以选择性地产生至少两个不同的指示状态；
其中，所述发光器布置在包括正交的列和行的二维矩阵中，每个行在第一端和第二端之间延伸，其中所述行的第一端限定矩阵的第一边缘，所述行的第二端限定矩阵的与第一边缘相反的第二边缘；其中，每个I/O端口位于由所述行中的一行所限定的线上，并且位于所述行的第一和第二端之一处。
通过这样将分离的发光器和I/O端口彼此对准地布置，玩具搭建机器人系统的变化状态，特别是根据机器人控制单元的变化配置的I/O端口之间的不同关系，可以灵活而明确的方式动态而被可视化。例如，关于玩具搭建系统的当前状态的信息可以是可视的，因为在搭建和/或操作玩具机器人建造物过程中，与外围设备的连接或与外部设备的交互应向用户给出提示和指示，以及应能被尝试、配置和/或重新配置。此外，可视化可以每次动态调整以反映玩具搭建系统的当前状态。从而，通过根据玩具搭建机器人系统中的机器人控制单元的当前配置的发光器，可实现对不同I/O端口状态的进一步改进的可视化。矩阵布局与I/O端口及其相关发光器的对齐方式相结合，增强了机器人控制单元的可访问性(accessibility)，以供经验不足的用户在复杂建造物中使用。
机器人控制单元的壳体包围处理器，即，处理器布置在壳体中。由此，提供了自主单元。优选地，机器人控制单元在相同的壳体中还包括独立电源，从而使机器人控制单元完全自主。同时，壳体具有一个或多个联接构件，该联接构件被构造成用于将机器人控制单元与具有相应联接构件的协作元件可拆解地互连。因此，壳体提供了用于使机器人控制单元与已知的玩具搭建元件集成在一起的联接元件，以促进用于搭建玩具机器人的模块化且易于扩展的游戏体验。例如，协作元件可以包括一个或多个玩具搭建元件，该玩具搭建元件包括一个或多个联接构件，该联接构件被构造成用于将玩具搭建元件彼此可拆解地互连。用于协作元件的其他示例可以包括支撑表面或外围设备，其配备有适于与布置在机器人控制单元上的联接构件接合的联接构件。由此，机器人控制单元可以容易地作为集成部分或作为改型而添加到玩具搭建模型中。因此，这种用于将机器人控制单元与其他玩具搭建元件的协作联接元件互连的联接元件的存在对于其在玩具搭建系统中的有用性是重要的。
术语“I/O端口”是指输入-输出端口。I/O端口用于通过外围传感器和/或马达实现机器人功能。I/O端口适用于输入和输出。然而，在操作中，输入和/或输出任务的实际分配可取决于例如连接到I/O端口的外围设备以及通过该I/O端口实现的特定机器人功能。
发光器具有宏观尺寸，如下文进一步详述。每个单独的发光器在视觉上都可以被人类用户感知为一单独元件，并且可以响应于来自处理器的指令而被选择性地操作。发光器以二维布置布置在壳体的前侧上，该二维布置具有平行的行和与行正交的列。发光器进一步相对于I/O端口对准，使得每个I/O端口具有在其附近的相关联的发光器。最优选地，I/O端口位于在由矩阵的第一边缘和第二边缘限定的界限之外的行的延伸范围中。
所述前侧可以被视为布置发光器的一侧，在操作中发光器可以指向任何方向，例如上、下或侧向。因此，从壳体的外部可看见发光器。术语“上”和“下”可以被定义为竖直方向，即，基本上平行于重力方向。术语“侧向”可以被定义为与竖直方向成一定角度的方向。对于每个I/O端口，相关联的发光器位于与该I/O端口相邻的发光器的二维布置的边缘部分中。可以激活关联的发光器，以向用机器人控制单元的用户提供视觉指引，例如，与在搭建机器人增强模型时正确使用I/O端口有关。在搭建复杂的机器人玩具搭建模型时，这可以改善交互式学习体验，特别是针对没有经验的用户。
如上文所述，发光器相对于I/O端口对准，使得每个I/O端口具有在其附近的特定相关联的发光器。有利的是，这是通过将相关联的发光器放置在I/O端口的相关宽度内实现的，如沿矩阵边缘的方向所见。因此，关联的发光器很容易在视觉上与其各自的I/O端口关联。在沿着与I/O端口相邻的矩阵的边缘的方向上看时，相关联的宽度可以由I/O端口的宽度来描绘。进一步有利的是，可以在矩阵边缘旁边标记I/O端口的宽度。因此，提供了针对无经验用户的进一步改进的指导，以促进进一步改进的交互式学习体验。
有利地，发光器的尺寸被确定为在比例上对应于玩具搭建系统中的I/O端口的尺寸以及在这种情况下使用的连接器的尺寸。有用的I/O端口和协作连接器的尺寸应适合手动搭建操作使用，尤其应适合儿童或没有经验的用户使用。这样的I/O端口的典型尺寸可以在毫米和/或厘米的范围内。因此，发光器，如I/O端口和协作的连接器，也具有宏观尺寸，该尺寸适合在人类交互的情况下使用，即，发光器的尺寸优选为具有在毫米和/或厘米范围内的在矩阵平面中的横向尺寸。虽然可以设想小至0.5mm的发光器尺寸，至少为1mm、至少2mm或至少3mm的最小横向尺寸是期望的，以便适当地分辨和区分各个发光器并提供与相应的I/O端口的适当关联。发光器尺寸的上限由I/O端口的布置确定，并且例如可以由I/O端口的实际宽度或由I/O端口的沿着与I/O端口相邻的边缘的相关宽度确定，和/或与相对于相邻I/O端口之间的距离相关地确定。
与发光器的宏观尺寸一致，行间距和列间距也是宏观的。有利地，行间距为至少0.5mm，至少1mm，至少2mm，至少3mm或更大。进一步有利地，列间距为至少0.5mm，至少1mm，至少2mm，至少3mm或更大。有利地，根据一些实施例，行和列均匀间隔。优选地，在整个矩阵布置中行间距是相同的。进一步优选地，在整个矩阵布置中列间距是相同的。优选地，行和列的矩阵形成正方形网格，其中在整个矩阵中行间距和列间距相同。
宏观的发光器的目的是在机器人玩具构造模型的搭建和建造期间向用户提供交互式的指引。分离的发光器的宏观尺寸和与I/O端口的对准对于在交互式游戏(例如“西蒙说(Simon says)”类型的游戏)中与用户的交互也是有用的，例如根据通过关联的发光器发出的“西蒙的”命令，启用I/O端口处的特定输入或输入组合。当控制发光器产生对与控制单元有关的数据进行编码的机器可读数字代码时，实现了发光器的宏观尺寸的进一步的协同作用，其中该机器可读数字代码以视觉图案呈现。如上所述，可以使用兼容的外部设备采集该视觉图案。由于形成视觉图案的发光器的宏观尺寸，可以使用通常可得的移动设备的相机或很便宜的低分辨率采集设备来执行外部设备对视觉图案的可靠采集。此外，由于发光器的宏观尺寸，用户可以直接访问从机器人控制单元到外部设备的编码数据的光学传输过程。这增强了搭建过程的交互式学习体验，并协同扩展了这种体验，以包括与机器人控制单元进行交互的外部设备的功能链路。
因此，机器人控制单元与其环境之间的交互可以被实施为在搭建过程中以及随后的控制以及与完成的建造物交互的过程中可被直接访问。直接和关联的可视化支持直观了解机器人控制单元与环境之间的交互。因此，与现有技术的具有I/O端口和前侧显示器的机器人控制单元相比，可创建增强的互动游戏和学习体验，但是其中该I/O端口和显示器并非按照根据本发明实施例的I/O端口与分离的发光器行和列的特别对准所实现的方式相关联。
机器人控制单元和/或与其连接的任何相关外围设备的状态的可视化对于校准任何此类组件也是有用的。例如，在与相应参考进行比较并进行校正(如果适用)时，可以通过对机器人控制单元和/或与其连接的任何关联外围设备的状态进行可视化，而以直观和交互的方式执行和/或确认传感器和/或致动器针对特定参数的校准，例如方向、位置、温度、强度、颜色，比例等。甚至可以想到，例如出于校准的目的，第一机器人控制单元上的可视化可以反映与第一机器人控制单元通信的相关联的第二机器人控制单元的状态。
根据一实施例，由动画灯光效果，例如运行或闪烁的灯光，色彩效果和/或其任何组合来支持可访问性。根据一些实施例，可访问性进一步由其他手段来支持，例如与视觉传递过程相关的声学信号/声音，并且还可以与上述视觉效果中的任何一种相结合。相关的声学信号应在与人类听力兼容的频率范围内提供。从而可以进一步增强交互式体验。
替代地或除了与行对准的I/O端口之外，系统可以包括其他I/O端口(其与和行相关联的I/O端口类似)与列相关联。通过将其他I/O端口与由矩阵的列定义的线对齐，可以类似地获得关联。与上述类似，每个列从第三端延伸到第四端，第三端和第四端分别定义矩阵的第三和第四边缘。因此，每个另外的I/O端口可以位于由列之一限定的线上并且在其第三端和第四端之一处。此外，最优选地，所述另外的I/O端口位于由矩阵的第三和第四边缘限定的边界之外的列的延伸范围中。注意，本文所讨论的关于I/O端口相对于行的对准的等效考虑也适用于所述另外的I/O端口相对于正交矩阵布置的列的对准。因此，关于包括这样的另外I/O端口的实施例及其优点被认为等同于本公开，并且在下面不再详细描述。
有利地，根据一些实施例，与I/O端口对准的分离发光器的二维矩阵布局的上述优点可以由以下一个或多个特征进一步支持。
有利地，根据一些实施例，分离的发光器的二维布置中的行数是至少三个，至少五个或至少七个。此外，每行中的分离的发光器的数量为至少三个，至少五个或至少七个。因此，在一些实施例中，列数是至少三，至少五或至少七。行和/或列的数量的上限由壳体上可用于在其上布置分离发光器的占用面积的总体尺寸以及分离的发光器的宏观尺寸确定。通常，机器人控制单元上的分离发光器的行和/或列的数量不超过20，或不超过15，或不超过12，或不超过10。
有利地，根据一些实施例，I/O端口沿着发光器的二维布置的至少一个边缘布置在壳体的前侧。I/O端口适用于连接可兼容的外围设备，例如马达、传感器或用户可操作的元件。因此，I/O端口提供了一个接口，用于用户可配置的到机器人控制单元的输入和/或来自机器人控制单元的输出信号。该I/O端口可以包括电连接器，光连接器，甚至可以包括无线端口，其可以包括在二维布置的发光器的边缘附近的无线I/O端口的视觉标记。沿着发光器的二维排列的边缘观察，每个I/O端口具有相关的端口宽度。
根据一些实施例，至少第一I/O端口布置在所述行的第一端处，第二I/O端口布置在所述行的第二端处。因此，第一和第二I/O端口位于由对应行限定的同一线上，并且位于该行的任一端。
进一步根据一些实施例，第一组第一I/O端口沿着所述矩阵的第一边缘布置，和/或，第二组第二I/O端口沿着所述矩阵的第二边缘布置。优选地，成对的第一和第二I/O端口位于由相应的对应行限定的同一线上，并且在其任一端。优选地，第一组I/O端口的数量等于第一组I/O端口的数量。这些行与至少一个相应的I/O端口相关联，例如相应的第一I/O端口和/或相应的第二I/O端口。与I/O端口关联的行可以被插进一个或多个另外的行，其未以相同方式分配给特定I/O端口。例如，这对于清楚地指示相邻I/O端口或属于相邻行的I/O端口之间的关系(例如物理和/或逻辑连接)是有用的。然后，矩阵中的行数通常是I/O端口数或第一和第二I/O端口对的公倍数加上任何终止行(terminating row)。
当沿着矩阵的第一边缘的方向看时，第一组I/O端口具有第一端口宽度。当沿着矩阵的第二边缘的方向看时，第二组I/O端口具有第二端口宽度。因此，可以为第一组I/O端口和第二组I/O端口中的每一个赋予分别沿矩阵的第一边缘和第二边缘的关联端口宽度。如上所述，第一组I/O端口和第二组I/O端口均具有关联的发光器。有利地，对于第一和第二组I/O端口中的每一个，沿着矩阵的第一或第二边缘的方向观察时，相关联的发光器位于矩阵的第一或第二边缘部分中且位于第一或第二组I/O端口的相关联的端口宽度内。因此，如上所述，也实现了发光器与其各自的I/O端口的良好视觉关联。
有利地，根据机器人控制单元的一些实施例，第一组I/O端口的数量等于第二组I/O端口的数量。因此，可以获得简单的对称布局配置。对称布局提供简化的对准几何形状，以有效利用机器人控制单元的占用面积。此外，通过对称布局，可以实现I/O端口与其关联的发光器的视觉直观对准。结合起来，这有助于由经验不足的用户将机器人控制单元用于更复杂的建造物。
进一步根据一些实施例，行数等于列数。这样的布置例如对于表示某些类型的视觉图案或机器可读视觉代码(例如QR代码)是有用的。
进一步根据一些实施例，响应于来自处理器的指令，发光器可操作为产生机器可读代码，该机器可读代码对关于机器人控制单元的数据进行编码。
通过产生对关于机器人控制单元的数据进行编码的机器可读数字代码，机器人控制单元可以发送关于其自身的信息，并使此类信息可用于其他设备、机器、机器人等。这些其他设备、机器、机器人等可以采集机器可读代码并以或多或少自动化的方式对包含在编码数据中的信息进行解码。机器人控制单元因此可以直接与这样的其他设备、机器、机器人等通信。
进一步根据一些实施例，多个发光器可组合操作以产生图案，例如二维图案。该图案可以是被配置用于向用户发信号和/或适于向外部设备发信号的图案。适于发信号至外部设备的机器可读代码可以表示为二维图案，该二维图案由本文公开的发光器的光学参数(例如颜色和强度)的组合限定，使用数字二进制或多级离散表示，以形成合适的代码，例如QR码、条形码等。机器可读代码优选根据标准协议以数字格式编码。因此，机器人控制单元适于呈现数据，以有效地传输包含在数据中的信息。以下是有关机器人控制单元的数据示例：状态数据；配置数据；识别数据；从机器人控制单元到其他设备的指令以及与此类指令有关的任何数据；给用户的状态指示和配置指令，例如在搭建和/或操作使用该系统搭建的玩具机器人时。
优选地，所述图案适于由外部设备进行光学识别，从而产生机器可读代码，所述机器可读代码仅通过指向光学采集设备(例如相机或外部设备朝向机器人控制单元的发光器的线扫描仪)即可被外部设备识别。外部设备可以配备有光学输入设备，例如光学成像传感器，相机，机器视觉系统，或光学扫描设备，并且可以进一步包括关联的软件模块，用于处理从光学输入设备接收的光学输入，其中软件模块还适用于解译处理后的光学输入，和/或识别光学输入中由光学输入设备采集的预定义视觉图案。通过提供适合于以这种方式配置的外部设备光学识别的视觉图案，可以促进与此类外部设备的有效通信。
进一步根据一些实施例，发光器可操作以产生指示状态的时间序列。从而可以产生动画指示并将其呈现给用户，例如闪烁、跑马灯或其他随时间变化的视觉效果。所述时间序列还可以与任何其他上述光学参数组合，以用于对特定状态进行编码。例如，红色与(快速)闪烁灯的组合可表示警报，而绿色与(缓慢)闪烁灯的组合可表示等待/就绪状态。同样，多个发光器可以组合以产生图案的时间序列。此外，指示状态的时间序列可以用于对机器可读数字代码进行编码，例如，时间相关的二维图案。尽管前者是用户可见的信号，但后者可能是用于传输数据的纯机器可读编码。因此，各种各样的代码可用于使用视觉图案与用户和/或外部设备进行有效通信。
进一步根据一些实施例，发光器包括适于至少发射可见光的发光器。机器可读代码优选是视觉图案，从而促进与机器人控制单元的直观的用户交互。如本文所用，术语“视觉”是指对人类用户可见的属性。因此，“视觉图案”是指被配置为可被人类视觉感知的图案。术语“可见”是指电磁光谱的可见部分的光，通常指波长范围在750nm至400nm之间的光谱范围。通过将机器可读数字代码表示为在壳体前侧的视觉图案，用户可以直接看到传输，从而使用户可以监测机器人控制单元的活动，例如，在机器人控制单元和其他设备之间的通信过程中。通过观察通信过程，用户还可以进行干预，例如建立连接，影响通信流，提供用户输入和/或终止通信。因此，用户可以跟踪并控制机器人控制单元和其他设备之间的直接通信。
因此，机器人控制单元与其环境之间的机器驱动交互以对用户直接可访问的方式实现——在搭建过程以及在随后的验证完成的建造物和与之交互过程中均如此。直接和关联的可视化支持对机器人控制单元和环境之间的交互的直观了解。因此，有助于特别有启发性、直观和交互式的学习和游戏体验。
此外，根据一些实施例，发光器包括这样的发光器，其还适于发射红外光，优选地，近红外光和/或紫外光。红外和/或紫外光谱范围对于将所谓的不可见信道(例如用于纯机器可读数据的传输)添加到主要供用户使用的所谓的可见信道来说特别有用。因此，红外和/或紫外光谱范围对于以比用户可访问的速率更高的速率传输大量数据来说特别有用。有利地，根据一些实施例，将不可见信道与可见信道组合，以将机器可读代码与针对用户的可见信号进行复用。因此，可见信道可以例如用于用户指导，用于可视化机器人控制单元与外部设备之间的数据交换和/或用于传输基本数据量，而不可见信道可以用作并行链路，用于快速交互和/或传输其他(可能更大)的数据量。
进一步根据一些实施例，发光器可操作以产生机器可读代码，对识别所述机器人控制单元的数据、与所述机器人控制单元的内部状态有关的数据、涉及存储在所述机器人控制单元中的程序的数据、和/或涉及在机器人控制单元的处理器中被启用的程序的数据和/或类似数据进行编码。这样的数据例如对于建立和进行机器通信是有用的，并且进一步促进与其他设备、机器、机器人等的高级交互。该数据还可以是这样的数据，其用于发送指令以启用存储在接收设备中的经编程指令，传达机器人控制单元及其所控制的外围组件的特定配置，传达用于执行存储在机器人控制单元中的指定经编程指令的可用性，和/或指示任何错误状态。
此外，根据一些实施例，发光器可操作以产生机器可读代码，其对用于机器人控制单元和外部设备之间的交互的指令进行编码。机器人控制单元因此适于将指令传输到外部设备以与机器人控制单元进行交互。机器人控制单元和交互指令可以适于与一个或多个外部设备交互。机器人控制单元因此可以与一个或多个外部设备交互，其中一个或多个外部设备可以是移动设备和/或其他机器人控制单元。例如，移动设备可以是移动电话，平板计算机，膝上型计算机和/或游戏控制器。其他机器人控制单元可以是例如与玩具搭建机器人系统的机器人控制单元兼容或具有相同类型的机器人控制单元。其他机器人控制单元甚至可以被配置为相对于玩具搭建系统的机器人控制单元模拟任何移动设备。
有利地，除了依赖于机器可读代码的光学传输的光学链路之外，这种指令还适于发起或以其他方式影响机器人控制单元与外部设备之间的另外链路。有利地，这种另外链路被配置为在机器人控制单元和外部设备之间进行双向通信，从而支持和增强机器人控制单元和外部设备之间的直接交互。所述另外链路的有利示例是用于无线链路的任何形式，例如直接无线链路，例如红外或射频链路，或通过总线或数字网络介导的无线链路，例如基于TCP/IP的无线网络，或其他合适的标准和基础架构。进一步有利地，出于模块化、效率和/或可追溯性的原因，通过另外的链路的通信符合标准化协议，例如在欧洲专利EP 2 341993 B1中所讨论的。
根据一些实施例，经由呈现为视觉图案的机器可读数字代码的光学链路仅适于“建立接触”，其中光学链路适于在机器人控制单元与外部设备之间以直观和互动的方式发起另一链路。随后，机器人控制单元和外部设备之间的交互可被转移到另一链路。这有助于以直观和交互式的方式创建机器人增强的模型，并随后使该增强的模型能用于游戏。一旦建立，外部设备和机器人控制单元之间通过其他链路进行的交互可以由外部设备以用户可感知的方式可视化或建模。
进一步根据一些实施例，用于交互的指令包括用于配对的指令，用于在外部设备与机器人控制单元之间建立无线链路的指令，和/或用于由外部设备执行经编程指令的指令，和/或用于内部双向通信的指令。机器人控制单元因此可以提供与之通信和其他方式进行交互所必需的信息。机器人控制单元还可以具有直接控制外部设备(例如另一机器人控制单元)的指令。机器人控制单元甚至可以引发兼容的外部设备检索任何所需的指令并执行这些指令。外部设备可以从其自己的存储设备，从附加的或其他存储部、和/或从网络链路源中检索这样的经编程指令。由此，可以从机器人控制单元发起可靠的自动化或半自动化交互，但是由外部设备以稳定的方式建立。这允许灵活选择外部设备。从而，在不使具有兼容信息的机器人技术命令单元过载的情况下，实现了具有指导意义的交互体验，同时在用户方便的情况下允许使用多种兼容的外部设备。
如上所述，分离的发光器是具有宏观尺寸的分离的元件。分离的发光器可以有利地包括发光二极管(LED)。分离的发光器可以例如是单独的LED，或基于发光二极管(LED)，或宏观元件，例如使用LED照明的玩具搭建元件。
有利地，根据一些实施例，发光器具有至少“ON”状态和“OFF”状态。可以通过简单地分别接通或切断提供给发光器的电力来实现“ON”状态和“OFF”状态。替代地，ON状态和OFF状态也可以被实现为使得由发光器发射的光的强度明显不同，其中ON状态可以被定义为超过上阈值强度，并且OFF状态可以被定义为发光强度低于下阈值强度。更一般地，分离的发光器的不同状态，例如上述的“ON”状态和“OFF”状态，可以通过不同的发光特性来实现，其可以通过所发射的光的光学参数来区分，例如不同的颜色，波长范围，强度和/或亮度，以及它们的任何同时和/或顺序组合。此外，每个分离的发光器可以产生多于两个的不同状态，如使用任何上述光学参数或其组合/序列表示。通过将多个分离的发光器组合成一组，甚至可以编码更复杂的信息。一组可以包括任意整数个多个分离发光器，例如至少两个，至少三个，至少四个，至少六个或至少十个，直至在机器人控制单元壳体的前侧的矩阵布置中的分离发光器的总数。通过使用分离的发光器，确保了该组中各个成员的可靠区分，从而允许对给定组表示的信息进行可靠的解码。不同的状态可以将相应的状态可视化，以便为用户指出机器人控制单元本身的特定状态、在玩具搭建机器人系统的当前环境中的机器人控制单元的特定状态，和/或与任何其他组件或设备有关的机器人控制单元的特定状态。除此之外，还可以使用光学采集和检测技术对不同状态进行机器读取，从而允许根据用于表达不同状态的不同光学参数来区分不同状态。因此，大量信息可以被可视化和表示为机器可读代码，并使用单独的发光器进行传输。例如，通过使用预定的调色板和/或颜色组合方案，可以适于由移动设备或其他外部设备(例如，移动电话、平板电脑、其他机器人控制单元等)读取不同状态，其中外部设备包括采集设备、处理器以及用于采集和解码这种颜色编码信息的经编程指令。
进一步根据一些实施例，所述发光器可操作以产生指示两个或更多个I/O端口之间的连接的图形，指示一个或多个I/O端口与一个或多个协作外围设备之间的连接的图形，和/或代表在一个或多个I/O端口处接收到的输入的图形。因此，可以响应于来自处理器的指令操作发光器，以使通过所涉及的I/O端口提供给机器人控制单元的输入和/或从其的输出之间的任何关系以及任何相关信息进行可视化，例如与在与机器人控制单元相连的传感器处读取的值有关的图形，或代表通过两个相连的I/O端口进行马达控制的输出同步的图形。所呈现的连接可以关联或甚至直接反映已经建立的连接，从而直观地指示出通过外围设备支持并由特定建造物中的机器人控制单元控制的功能。呈现已经建立的连接对于支持和增强学习体验也很有用。有利地，根据一些实施例，所呈现的连接还涉及将要形成的连接，例如，以便使用机器人控制单元完成给定模型。因此，在搭建给定模型时可以提供直观的指导。因此，经验不足的用户可以被引导，以建造更复杂的模型，从而增强学习体验的指导效果。有利地，将要进行的连接的呈现是由输入引起的。
该输入可以响应于用户输入而生成和/或可以作为用于将外围设备连接至机器人控制单元的指导过程的一部分而生成。这样的输入的示例可以包括由外部设备生成的信号，作为在外部设备上执行并与机器人控制单元通信的交互式建造计划中的步骤。另一示例可以包括由外围设备生成的信号，该外部设备被启用以识别自身并广播此信息。响应于这样的输入，机器人控制单元可以指示一个或多个I/O端口，这些I/O端口可用于将要形成的连接，例如用于连接所识别的外围设备。因此，增强了交互式建造体验，以允许例如经验不足的用户建造复杂的模型。
此外，根据机器人控制单元的一些实施例，发光器矩阵被配置为产生表示在一个或多个I/O端口处接收到的输入的图形。特别地，可以响应于来自处理器的指令来操作发光器，以呈现表示在一个/多个I/O端口处接收到的输入的图形。有利地，该图形被呈现为代表在所述一个或多个I/O端口处作为输入提供的信号的信号值。因此，提供了由机器人控制单元“看到”的输入的直观可视化，这允许用户跟踪具有机器人控制单元的模型与其环境之间的交互。该图形还可以提示用户或外部设备观察发光器布置，以与机器人控制单元交互。
此外，机器人控制单元的以下实施例规定了有利特征，其促进了机器人控制单元与协作/兼容的外围设备之间的交互。优选地，以模块化的方式配置I/O端口的指定接口，以允许兼容外围设备到I/O端口的可互换连接。由此，实现了I/O端口与兼容设备的通用连接性。这对于以直观的方式建造复杂的机器人控制系统来说特别有用，这可增强具有创造性的建造体验。根据一些实施例，I/O端口被有利地配置为用于与诸如传感器、马达、发电机和/或电源的外围设备进行交互的接口。进一步有利地，I/O端口包括一个或多个数字接口。进一步有利地，I/O端口包括一个或多个模拟接口。进一步有利地，I/O端口被配置为与外围设备进行有线和/或无线通信。
进一步根据一些实施例，所述系统还包括一个或多个玩具搭建元件，每个玩具搭建元件包括一个或多个联接构件，所述联接构件被构造成用于将所述玩具搭建元件与所述机器人控制单元可拆解地互连。因此，从该系统建造的玩具搭建模型可被赋予生命，其具有交互式学习和游戏体验的特殊优势，如上文在机器人控制单元的内容中所讨论的。
进一步根据一些实施例，该系统还包括外部设备，该外部设备包括：
-采集设备，其适于采集由机器人控制单元产生的机器可读代码；
-解码器件，其被编程为对所述机器可读代码进行解码；以及
-经编程指令，其使用已解码的机器可读代码作为输入。
机器人控制单元适于通过在壳体的前侧产生对机器人控制单元有关的数据进行编码的机器可读代码来传输关于机器人控制单元的编码数据。所述外部设备适于通过采集设备接收关于控制单元的编码数据，该采集设备被配置为采集由控制单元产生的机器可读代码。所述外部设备还包括用于使用接收到的编码数据与机器人控制单元进行交互的经编程指令。因此，外部设备被配置为与机器人控制单元交互。如上所述，外部设备可以是移动设备和/或另一机器人控制单元。例如，移动设备可以是移动电话、平板计算机、膝上型计算机和/或游戏控制器，并且所述另一机器人控制单元可以是例如与所述玩具搭建机器人系统的机器人控制单元相同类型或可兼容的机器人控制单元。其他机器人控制单元甚至可以被配置为相对于玩具搭建系统的机器人控制单元模拟任何移动设备。因此，使用玩具搭建机器人系统时的交互式学习体验从包含机器人控制单元的模型建造物扩展到包括与外部设备的交互，因此可以包含在交互式建造和游戏体验中。如上所述的在机器人控制单元的环境中的优点也通过本发明的该方面实现，其包括由此促进的交互式学习和游戏体验的多个方面。
有利地，外部设备适于分析采集的视觉图案，以便对以视觉图案编码的数据解码。进一步有利地，外部设备适于接收、处理和/或识别机器可读视觉代码。进一步有利地，外部设备还适于将所接收和解码的数据解译为指令。进一步有利地，外部设备(和机器人控制单元)包括通信设备，该通信设备适于使用机器可读视觉代码在外部设备和机器人控制单元之间建立无线链路。
进一步根据一些实施例，玩具搭建机器人系统还包括无线通信设备，其中外部设备被配置为基于所接收和解码的数据建立用于与机器人控制单元交互的无线链路。特别地，无线链路是除了外部设备与机器人控制单元之间的链路之外的另一链路，其使用发光器作为发射器并且使用采集设备/解码器件作为接收器。有利地，可以使用从解码的机器可读代码中导出的用于交互的经编程指令来建立另一链路。该另一链路可以基于使用标准协议，例如使用任何合适的数字通信协议的射频通信。无线链路也可以经由IR链路等。如上所述，该另一链路甚至可以通过诸如使用频谱复用技术这样的复用技术来实现。例如，二维矩阵布置的发光器可以包括在与可见光范围相邻的光谱范围内发射的发射器，例如一个或多个IR波段和/或一个或多个UV波段。特别地，该另一链路可以有利地用于多个机器人控制单元之间的直接交互。
进一步根据一些实施例，所述外部设备是移动设备，诸如游戏控制器、移动电话、平板计算机或膝上型/便携式计算机，所述移动设备包括经编程指令和用户界面，其中所述经编程指令和用户界面的组合适于编程和/或控制机器人控制单元。
进一步根据一些实施例，所述系统还包括：
-与机器人控制单元通信的采集设备，其中该采集设备适于采集机器可读代码；
-解码器件，其被编程为对所述机器可读代码进行解码；和
-经编程指令，其使用已解码的机器可读代码作为输入。
机器人控制单元适于通过在壳体的前侧产生对与机器人控制单元有关的数据进行编码的机器可读代码来传输关于机器人控制单元的编码数据。机器人控制单元还适于借助于采集设备接收经编码数据，该采集设备被配置为采集由例如另一控制单元产生的机器可读代码。当将玩具搭建机器人系统配置为用于多个机器人控制单元彼此交互时，例如当搭建配置用于游戏的多个机器人时，其中机器人可能彼此相遇，在彼此相遇识别/辨认时，和/或彼此互动时，这样的实施例特别有用。例如，玩具搭建机器人系统可以包括被配置为彼此交互的多个机器人控制单元，或者玩具搭建系统的机器人控制单元被配置为与一个或多个外部设备交互，该外部设备是或可以模拟一个或多个其他机器人控制单元。
根据本发明的另一方面，一种玩具构造机器人套件包括根据上述实施方式中的任何一个的第一系统和根据上述实施方式中的任何一个的第二系统。因此，根据本文公开的任何实施例的多个玩具搭建系统可以组合在套件中，例如用于搭建交互的机器人。这样的套件包括多个机器人控制单元，即至少第一机器人控制单元和第二机器人控制单元。有利地，多个机器人控制单元可直接操作，甚至自主地操作以使用发光器和采集技术彼此交互，这将在下文中进一步详细说明。
根据玩具搭建机器人套件的一些实施例，第一系统的第一机器人控制单元的第一发光器可操作以产生对关于第一机器人控制单元的数据编码的机器可读代码编码数据；和/或第二系统的第二机器人控制单元的第二发光器可操作以产生对关于所述第二机器人控制单元的数据编码的机器可读代码。
此外，根据玩具搭建机器人套件的一些实施例，第一系统还包括：
-第一采集设备，其与第一机器人控制单元通信，该第一采集设备适于采集由第二发光器产生的机器可读代码；
-解码器件，其被编程为对所采集的机器可读代码解码；以及
-经编程指令，其用于使用解码后的机器可读代码与第一机器人控制单元进行交互；
和/或第二系统，还包括：
-第二采集设备，其与第二机器人控制单元通信，该第二采集设备适于采集由第一发光器产生的机器可读代码；
-解码器件，其被编程为对所采集的机器可读代码进行解码；和
-经编程指令，其使用已解码的机器可读代码与第一机器人控制单元进行交互。
多个机器人控制单元因此可以以自主方式直接识别和/或彼此交互。替代地或附加地，交互作用也可以由外部设备来介导/启动，该外部设备与套件的两个或更多个机器人控制单元通信，如上文关于玩具搭建机器人系统所讨论的。
根据本发明的又一方面，以下提供了控制机器人控制单元的方法的一些示例性实施例。通过使用户能够创建和理解复杂的机器人构造，这样的实施例可用于向用户提供指导性和吸引人的体验。通过在机器人控制单元本身上可视化机器人控制单元与其环境的交互作用的搭建步骤和其他步骤，这些方法特别有用，甚至可以以直观的交互方式引导没有经验的用户完成。此外，通过这些方法，也以类似的方式实现了与机器人控制单元(和包括这种机器人控制单元的玩具搭建机器人系统)有关的相同优点。因此，本文公开的方法尤其对于建造和游戏体验是有用的，其中可包括以下一个或多个步骤：
-创建包括机器人控制单元、连接到机器人控制单元的I/O端口的外围设备和/或玩具搭建元件的增强建造物。
-使用交互式过程创建该增强建造物；
-提示机器人控制单元提供在机器人控制单元的I/O端口与外围设备之间已建立和/或将要建立的连接的指令；
-提示机器人控制单元产生机器可读数字代码作为视觉图案；
-通过将视觉图案呈现给外部设备的光学输入设备来建立机器人控制单元与外部设备之间的接触，其中可以设想外部设备“看着”机器人控制单元，以允许采集所述视觉图案；
-采集视觉图案，从而在直接的机器对机器通信中“读取”机器可读数字代码；
-基于所采集的机器可读数字代码，并且特别是响应于在所采集的数据中编码的数据，开发用于在机器人控制单元和外部设备之间进行交互的指令；
-响应于这些指令，启动并建立外部设备与机器人控制单元之间的另一链路；
-将增强建造物的控制转移到外部设备，优选地通过另外的链路进行通信；
-例如，通过外部设备上的用户界面，对机器人控制单元和/或与其连接的任何外围设备进行编程；和/或
-远程控制机器人控制单元和/或与其连接的任何外围设备，例如通过外部设备上的用户界面；
-创建和配置用于与增强建造物交互的用户界面；
-从外部设备与增强建造物进行交互；和/或
-通过外部设备上的用户界面对增强建造物进行编程和远程控制；
有利地，根据一些实施例，一种控制机器人控制单元的方法包括以下步骤：
-产生对关于机器人控制单元的数据进行编码的机器可读数字代码，其中所述机器可读数字代码在机器人控制单元上生成，以作为视觉图案；
-向外部设备的光学输入设备呈现所述视觉图案；
-通过所述外部设备的光输入设备采集所述机器可读数字代码，以产生采集的数据，该采集的数据代表在机器可读数字代码中编码的数据；
-基于所述采集的数据，开发用于机器人控制单元和外部设备之间交互的指令；和
-执行所述指令以建立所述交互。
进一步根据该方法的一些实施例，用于交互的指令包括用于发起在外部设备与机器人控制单元之间的另一链路的指令。由于执行了这样的指令，因此进一步建立了链路。
进一步根据一些实施例，该方法还包括以下步骤：在外部设备上提供用于与机器人控制单元交互的用户界面。
进一步根据该方法的一些实施例，用于与机器人控制单元进行交互的所述用户界面包括：
-适于对机器人控制单元进行编程的元件；
-适于对附接到机器人控制单元的I/O端口的外围设备进行编程的元件；
-用于远程控制机器人控制单元的元件；和/或
-用于远程控制与机器人控制单元的I/O端口附接的外围设备的元件。
有利地，在根据本文公开的任何实施例的机器人控制单元中实现该控制机器人控制单元的方法。进一步有利地，控制机器人控制单元的方法在包括这种机器人控制单元的玩具搭建机器人系统中实施，和/或在包括这种机器人控制单元的玩具搭建模型中实施。
附图说明
下面将结合附图更详细地描述本发明的优选实施例，
图1-3示出了现有技术的玩具搭建元件；
图4是根据一个实施例的机器人控制单元；
图5-7示意性地示出了机器人控制单元的实施例，该机器人控制单元具有相对于沿着矩阵的边缘布置的I/O端口对齐的分离的发光器的矩阵布置；
图8是根据一个实施例的机器人控制系统的示意图。
具体实施方式
现在将参考砖块形式的玩具搭建元件描述机器人控制单元以及玩具搭建系统的各个方面和实施例，该玩具搭建系统通过包括如本文中公开的机器人控制单元得以增强。然而，本发明可以应用于玩具搭建套件中使用的其他形式的搭建元件。
图1示出了一种玩具搭建元件，该玩具搭建元件在其顶表面上具有联接柱，并且具有从底部延伸到砖块中的空腔。该空腔具有中心管，并且另一砖块上的联接柱可以通过摩擦接合方式容纳在该空腔中，如US 3 005 282中所公开。图2和图3示出了其他这种现有技术的搭建元件。其余附图中所示的搭建元件具有这种已知类型的联接构件，其形式为协作的柱和空腔。然而，除了或代替柱和空腔，也可以使用其他类型的联接构件。联接柱布置在正方形平面网格中，即，限定了正交方向，沿着该正交方向布置联接柱的序列。相邻的联接柱之间的距离在两个方向上均匀且相等。联接构件在限定出规则平面网格的联接位置处的这种或类似布置允许玩具搭建元件在彼此离散的多个位置和取向上互连，特别是相对于彼此成直角。
图4示出了根据一个实施例的机器人控制单元100。机器人控制单元100具有在其中布置处理器120的壳体110。处理器120包括经编程指令，其可以响应于来自用户的输入而被启用和执行，例如，经由机器人控制单元上的用户可操作的控制元件，或者来自与机器人控制单元通信的设备，例如通过有线或无线连接。在壳体110的前侧布置有正交的行和列的发光器131的二维矩阵130，其中发光器131被连接成与处理器120通信。矩阵130具有多个分离的发光器131，其以二维阵列规则地间隔布置。发光器131以行和列的矩形矩阵布置。分离的发光器131是可单独控制的发光器，例如发光二极管(LED)。发光器131可响应于来自处理器120的指令而操作。
机器人控制单元100还包括多个I/O端口140a-f，其被连接以与处理器120通信。I/O端口140a-f沿着矩阵130的相反边缘布置，第一组I/O端口140a-c沿着矩阵130的第一边缘布置，第二组I/O端口140d-f沿着矩阵130的与第一边缘相反的第二边缘布置。在此，第一组的I/O端口140a-c的数量等于第二组I/O端口140d-f的数量。I/O端口140a-f包括沿着壳体110的前侧的边缘布置的插座，其中这些插座可从壳体110的侧面允许协作插头(未示出)的插入。I/O端口140a-f限定用于外围设备的连接的接口。所述接口可以包括数字信号通道，模拟信号通道，和/或用于为外围设备供电的电源输出。每个I/O端口140a-f沿矩阵的边缘具有相关的端口宽度，在图4的实施例中，其在壳体110的前侧沿相应的边缘在矩阵130附近标记。I/O端口的尺寸适合在本文所述的玩具搭建系统中与手动搭建操作配合使用，并且特别应适合儿童或无经验用户在此类手动搭建操作中使用。
发光器131相对于I/O端口140a-f对准，使得每个I/O端口140a-f具有在其附近的特定关联的发光器131。特别地，发光器矩阵131、第一组I/O端口140a-c和第二组I/O端口140d-f的行相对于彼此对齐，使得每个第一组I/O端口140a-c经由一行发光器131与对应的第二组I/O端口140d-f排成一行。发光器的尺寸与I/O端口的尺寸在比例上对应，以便关联，典型的尺寸为几毫米到几厘米。
在包括发光器131a-f的行之间，另外的发光器131被布置在等间距的网格中，从而增加了可以由机器人控制单元呈现为视觉图案的信息的数量和多样性，而不会损害I/O端口140a-f和相关的发光器131a-f之间的特定关联性。
壳体110还具有一个或多个联接构件111，该联接构件被配置为将机器人控制单元与具有对应的/协作的联接构件的协作玩具搭建元件可拆卸地互连。这些联接构件111允许将机器人控制单元100机械地附接到玩具搭建元件上，并且因此将机器人控制单元100集成在玩具搭建模型中，例如与也包括这种联接构件的外围设备(例如马达和传感器)连接。从而，玩具搭建模型可以被“赋予生命”，以增强用户的互动游戏和学习体验。
有利地，机器人控制单元100还包括适于至少为机器人控制单元100供电的电源，并且进一步有利地可以例如通过I/O端口接口向附接的外围设备供电。外围设备可以包括但不限于马达或传感器。可以设想任何合适的电源。但集成在机器人控制单元中的自主电源是优选的。这种自主电源的非限制性示例是：电池组，例如可充电电池组；能量收集设备，例如光伏元件；或电化学电力转换器，例如具有足够燃料供应/储备的燃料电池。这具有以下优点：机器人控制单元100可以灵活的方式容易地集成到玩具搭建模型中，并且包括一个或多个这样的自主机器人控制单元100的玩具搭建模型可以以自主方式移动，从而在搭建这种玩具搭建模型并随后与完成的建造物进行交互时增强用户的互动游戏和学习体验。
现在参考图5-7，讨论机器人控制单元200、300、400的三个不同的实施例。不同的实施例涉及不同的配置，其通过发光器231，331，431促进机器人控制单元200、300 400与其周围环境的不同交互模式。
在图5-7的所有三个图中，以俯视图示意性地示出了机器人控制单元200、300、400，其中具有二维布置的分离发光体231、331、431的矩阵230、330、430覆盖机器人控制单元200、300、400的前侧的一部分。第一组I/O端口240a-c，340a-c，440a-c沿着矩阵230、330、430的左边缘分布，第二组I/O端口240d-f，340d-f，440d-f沿着矩阵230、330、430的右边缘分布。举例来说，存在三个第一组I/O端口240a-c，340a-c，440a-c和三个第二组I/O端口240d-f，340d-f，440d-f。第一组I/O端口240a-c，340a-c，440a-c，第二组I/O端口240d-f，340d-f，440d-f以及发光器231、331，431相对于彼此对准，使得第一组I/O端口240a-c，340a-c，440a-c中的每个与对应的第二组I/O端口240d-f,340d-f,440d-f通过一行分离的发光器231、331、431成直线布置。I/O端口240a-f，340a-f，440a-f中的每一个具有与其紧邻的特定关联的发光器231af，331af，431af。因此，第一组I/O端口240a，340a，440a通过从发光器231a,331a,431a延伸到发光器231d,331d,431d的一行发光器231、331、431在视觉上与对应的第二组I/O端口240d，340d，440d相关联。以相同的方式，标记为“b”的第一组I/O端口分别经由包括相关联的标记为“b”和“e”的发光器的行而与标记为“e”的I/O端口在视觉上相连；因此，对于与标有“d”和“f”的发光器相关联的标有“d”和“f”的I/O端口也是如此。
举例来说，图5-7中所示的每个矩阵布置230、330、430具有25个分离的发光器231、331、431，它们以五行乘五列的均匀间隔矩形矩阵分布：如上所述，包括三行发光器231、331、431，其包括与I/O端口240a-f，340a-f，440a-f对准的相关联的发光器231a-f，331a-f，431a-f；以及两个间隙行(interstitial row)，其中每个间隙行每次都位于所述对准的行的中间。每行由五个发光器231、331、431形成。
发光器231、331、431可以响应于来自处理器的指令单独寻址和控制。发光器231、331、431至少具有”ON”状态和”OFF”状态，在该”ON”状态中发光器被打开以发光，而在”OFF”状态中发光器被关闭并且基本上不发光。例如，“ON”和“OFF”状态的特征在于用于“ON”状态的最小发光强度的阈值和用于“OFF”状态的最大发光强度的阈值。可以设想具有处于“ON”状态和“OFF”状态之间的中间发光强度的中间状态，并允许增加由发光器231、331、431的集合产生的图案的信息深度。由此，可以产生代表与机器人控制单元200、300、400有关的不同数据和/或信息以及其与环境的交互和/或互连的各种图案。由于空间对准，数据和/或信息可以选择性地和/或共同地与机器人控制单元200、300、400的I/O端口240a-f，340a-f，440a-f中的一个或多个相关联。这允许提供对机器人控制单元200、300、400的状态的特别直观的理解，从而使用户参与并实现互动游戏和学习体验。
根据输入到机器人控制单元200、300、400的适当输入引发的由处理器执行和发布的指令来呈现数据和/或信息。例如，机器人控制单元200、300、400可被引发以执行存储在机器人控制单元200、300、400本身中的经编程指令，或者执行通过适当的链路(例如有线或无线连接)从连接的单元或远程控制/编程设备接收的指令。还可以通过经由机器人控制单元200、300、400上的用户可操作控制元件而从用户接收的作为直接输入的指令来引发这种执行。举例来说，机器人控制单元200、300、400可以呈现与以下项的状态有关的信息：机器人单元本身；连接到机器人控制单元200、300、400的I/O端口240a-f，340a-f，440a-f之一的外围设备；玩具搭建机器人系统，机器人控制单元200、300、400是其一部分；玩具搭建模型，机器人控制单元200、300、400是其一部分；根据建造计划的步骤建立或将要建立的I/O端口连接；被指定/识别的外围设备的I/O端口连接；或已建立的连接的验证。
图5中所示的机器人控制单元200被配置为根据来自处理器220的指令启用/停用在相应的I/O端口240a-240n附近布置的一个或多个相关联的发光器231a-f。启用/停用相关联发光器231a-f的这种方案可用于指示在相应I/O端口240a-f处建立的连接的状态，例如成功连接，或该连接处的输入/输出活动。图5所示的机器人控制单元200的启用/停用方案还可以用于通过关联的发光器231a-f来使得与连接到给定的I/O端口240a-f的外围设备有关的状态可视化。与外围设备有关的状态可以例如是工作/不工作状态。启用/停用方案还可以在视觉上表示与外围设备交换的输入或输出数据的值，例如由传感器测量的量的值或输出至马达的功率的值。所测量的量可以有利地涉及对机器人应用有用的物理量，例如：运动，触摸，接近程度，压力，温度，电流/电压，光强度，颜色，模式识别，磁场，陀螺仪方向，位置，定位等。使用相关联的发光器与相应的I/O端口的空间相关性，图5的实施例200的启用/停用方案特别强调了从外围设备接收相关输入的特定I/O端口和可视化的量之间的关联性。通过启用/停用方案创建的在可视化值、I/O端口和与其附接的外围设备之间的直观链路因此为机器人控制单元200的用户提供了特别有启发性的游戏和学习体验。当根据用于建造包括机器人控制单元200的机器人玩具搭建模型的建造计划的步骤而引发图5的启用/停用方案时，该实施例200的另一特别有用的应用是用于增强交互式游戏和学习体验。根据该启用/停用方案的可视化可以包括检查所需的连接，指示在建造计划的特定步骤中进行的特定连接，响应于将特定外围设备的身份传给机器人控制单元来识别特定的I/O端口，和/或验证已建立连接的有效性。
可视化可以根据来自接收相关输入的处理器的指令而使用简单的启用/停用方案来实现，该方案将相应的发光器切换为”ON”和”OFF”。可视化可以包括控制发光的参数，例如颜色、强度和持续时间，并且甚至可以包括以脉冲或其他时间依赖序列控制发光。图5的机器人单元200的启用/停用方案可以进一步涉及与相关I/O端口240a-f相关联的发光器231af相邻的发光器231。例如，相邻的发光器可以被包括在启用/停用方案中，以通过发光器231的线的长度来使一值符号化，所述线从相关联的发光器231a-f开始并且包括该相关联的发光器231a-f。进一步可以想到的是，通过时间相关的/顺序的效果(例如闪烁或追光效果)来强调特定的可视化。
图6中所示的机器人控制单元300被配置为根据来自处理器320的指令来启用/停用在相应的I/O端口340a-340b附近布置的至少两个相关联的发光器331a-f，并且进一步启用/停用连接两个相关联发光器331af的发光器。启用/停用发光器331的这种方案可用于指示附属于所涉及的相关联发光器331af的相应I/O端口340a-f之间建立的连接。
如上所述，可视化可以使用简单的启用/停用方案来实现，该方案根据来自接收相关输入的处理器320的指令将相关发光器切换为”ON”和”OFF”。可视化可以包括控制发光的参数，例如颜色、强度和持续时间，并且还可以包括以脉冲或其他时间依赖序列来控制发光。
图7所示的机器人控制单元400还利用二维矩阵430，该二维矩阵具有分离的发光器431，这些发光器以规则间距布置在具有良好限定的行和列的矩形网格中。如上文所述，发光器的网格431相对于I/O端口440a-f对准。机器人控制单元400被配置为根据来自处理器420的指令来启用/停用发光器431的集合，以形成机器可读的二维视觉图案。该二维视觉图案表示一数字代码，该数字代码对与机器人控制单元400有关的数据进行编码，例如识别机器人控制单元400的数据，与机器人控制单元400的内部状态有关的数据，表示存储在机器人控制单元400中的程序的数据，以及涉及在机器人控制单元400的处理器中启用的程序的数据。视觉图案适于通过外部设备(例如移动设备的照相机)进行光学识别。这对于以直观和直接的方式与外部设备进行通信特别有用，如下面关于图8进一步详述。
如上文所述，可视化可以包括控制发光的参数，例如颜色、强度和持续时间，并且还可以包括以脉冲或其他时间依赖序列来控制发光。有利地，在该实施例中，可视化是利用简单的启用/停用方案来实现的，该方案根据来自处理器420的指令将相关的发光器切换为”ON”和”OFF”，从而形成机器可读的二维数字代码，该代码可以由简单的光学扫描设备(例如移动设备的相机)采集。
图5至图7的不同实施例可以被实现为同一机器人控制单元内的不同启用/停用方案，并根据输入来选择/触发，或者根据在外部设备上运行的交互式建造计划的自动地进行选择/触发。所述外部设备可以配对，并且可以与例如在机器人控制系统500中的机器人控制单元通信，如下面参照图8详细描述。
图8示出了机器人控制系统500，其包括机器人控制单元501和适于与机器人控制单元501交互的外部设备502。机器人控制单元501具有处理器520和连接到处理器520的矩阵530。矩阵530具有分离的发光器531，其可以单独地响应来自处理器520的指令进行寻址和启用/停用，以在机器人控制单元501的前侧呈现机器可读的视觉图案。机器人控制单元501还包括用于与诸如马达M或传感器S的外围设备90通信的I/O端口540。I/O端口与矩阵530的发光器531对准，如本文其他地方已经描述的那样。
控制单元501适于，通过在分离的发光器531的矩阵530上呈现对与控制单元501有关的编码数据进行编码的机器可读视觉图案，发送该与控制单元501有关的编码数据。举例来说，这是通过根据以上关于图7描述的机器人控制单元400的实施例的控制方案实现的。
外部设备502适于通过采集设备550接收与控制单元有关的编码数据，该采集设备被配置为采集由控制单元501产生的视觉图案。外部设备502还包括用于使用该接收到的编码数据与机器人控制单元501进行交互的经编程指令。
呈现在矩阵530上的视觉图案适用于由外部设备502进行光学识别。外部设备包括光学输入设备550，例如光学成像传感器，相机，机器视觉系统或光学扫描设备；还包括处理器，其具有相关软件模块用于处理由该光输入设备550接收的光输入以对其进行光学识别。关于控制单元的数据可以包括用于在外部设备502和机器人控制单元501之间进行交互的指令。
这样的交互指令可以例如包括用于将机器人控制单元501与外部设备502配对，以通过无线链路进行通信的指令。这样的交互指令还可以包括用于在外部设备502和机器人控制单元501之间建立这种无线链路的指令，和/或用于执行存储在外部设备502上或下载到外部设备502的经编程指令的指令。
同时对用户可见的机器可读链路对于以直观、直接且高度灵活的方式与外部设备进行通信来说特别有用。用户通常参与启动和/或控制两个机器之间(即，机器人控制单元501和外部设备502之间)的链路。同时，该机器链路的工作对用户是可视：用户可以在她前面看到正在建立和发生的机器人控制单元501与外部设备502之间的交互。因此，以这种方式构建、建立和遵循通信过程非常有启发性，再次增强了互动游戏和学习体验。
如上所述，用于对数据进行编码的视觉图案可以包括控制发光器531的发光的参数，例如颜色、强度和持续时间，并且还可以包括以脉冲或其他时间依赖性序列来控制发光。有利地，在该实施例中，可视化是利用简单的启用/停用方案来实现的，该方案根据来自处理器420的指令将相关的发光器切换为“ON”和“OFF”，从而形成机器可读的二维数字代码，该代码可以由简单的光学扫描设备(例如移动设备的相机)采集。编码的数据可以进一步表示为不同视觉图案的时间序列，其可以使用时间分辨的采集和模式处理由外部设备以时间分辨的方式检测到。

Claims (28)

1.一种玩具搭建机器人系统，包括机器人控制单元，其中所述机器人控制单元包括：
-壳体，其包括联接元件，该联接元件被配置为用于将机器人控制单元与协作的玩具搭建元件可拆解地互连；
-处理器，其包括经编程指令；
-多个I/O端口，其被配置为与所述处理器通信；
-多个分离的发光器，每个发光器能响应于来自所述处理器的指令而操作，以选择性地产生至少两个不同的指示状态；
其中，所述发光器布置在包括正交的列和行的二维矩阵中，每个行在第一端和第二端之间延伸，其中所述行的第一端限定矩阵的第一边缘，所述行的第二端限定矩阵的与第一边缘相反的第二边缘；其中，每个I/O端口位于由所述行中的一行所限定的线上，并且位于所述行的第一和第二端之一处。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，至少第一I/O端口布置在所述行的第一端处，并且第二I/O端口布置在所述行的第二端处。
3.根据权利要求2所述的系统，其中，第一组第一I/O端口沿着所述矩阵的第一边缘布置，和/或其中，第二组第二I/O端口沿着所述矩阵的第二边缘布置。
4.根据前述权利要求中的任一项所述的系统，其中，行的数量等于列的数量。
5.根据前述权利要求中的任一项所述的系统，其中，所述发光器能响应于来自所述处理器的指令而操作，以产生机器可读代码，该机器可读代码对关于所述机器人控制单元的数据进行编码。
6.根据前述权利要求中的任一项所述的系统，其中，多个发光器能组合操作以产生图案。
7.根据前述权利要求中的任一项所述的系统，其中，所述发光器能操作以产生指示状态的时间序列。
8.根据前述权利要求中的任一项所述的系统，其中，所述发光器包括适于发射可见光的发光器。
9.根据前述权利要求中的任一项所述的系统，其中，所述发光器包括适于发射红外光，优选是近红外光和/或紫外光的发光器。
10.根据前述权利要求中的任一项所述的系统，其中，所述发光器能操作以产生机器可读代码数据，其对识别所述机器人控制单元的数据、与所述机器人控制单元的内部状态有关的数据、涉及存储在所述机器人控制单元中的程序的数据、和/或涉及在机器人控制单元的处理器中被启用的程序的数据进行编码。
11.根据前述权利要求中的任一项所述的系统，其中，所述发光器能操作以产生机器可读代码，其对用于在所述机器人控制单元与外部设备之间进行交互的指令进行编码。
12.根据权利要求11所述的系统，其中，所述用于交互的指令包括用于配对的指令，用于在所述外部设备与所述机器人控制单元之间建立无线链路的指令，和/或用于由所述外部设备执行经编程指令的指令。
13.根据前述权利要求中的任一项所述的系统，其中，所述发光器能操作以产生指示两个或更多个I/O端口之间的连接的图形，指示一个或多个I/O端口与一个或多个协作外围设备之间的连接的图形，和/或代表在一个或多个I/O端口处接收到的输入的图形。
14.根据前述权利要求中的任一项所述的系统，其中，所述I/O端口被配置为用于与诸如传感器、马达、发电机和/或电源这样的外围设备进行交互的接口。
15.根据前述权利要求中的任一项所述的系统，其中，所述I/O端口包括一个或多个数字接口。
16.根据前述权利要求中的任一项所述的系统，其中，所述I/O端口被配置为用于与外围设备的有线和/或无线通信。
17.根据前述权利要求中的任一项所述的系统，还包括一个或多个玩具搭建元件，每个玩具搭建元件包括一个或多个联接构件，所述联接构件被构造成用于将所述玩具搭建元件与所述机器人控制单元可拆解地互连。
18.根据权利要求5-17中任一项所述的系统，还包括外部设备，所述外部设备包括：
-采集设备，其适于采集由机器人控制单元产生的机器可读代码；
-解码器件，其被编程为对所述机器可读代码进行解码；和
-经编程指令，其使用已解码的机器可读代码作为输入。
19.根据权利要求18所述的系统，其中，所述外部设备是移动设备，诸如游戏控制器、移动电话、平板计算机或膝上型/便携式计算机，所述移动设备包括经编程指令和用户界面，其中，所述经编程指令和用户界面的组合适于对机器人控制单元进行编程和/或控制。
20.根据权利要求5至19中的任一项所述的系统，所述系统还包括：
-采集设备，其与所述机器人控制单元通信，其中所述采集设备适于采集机器可读代码；
-解码器件，其被编程为对所述机器可读代码进行解码；和
-经编程指令，其使用已解码的机器可读代码作为输入。
21.一种玩具搭建机器人套件，包括根据前述权利要求中任一项所述的第一系统和根据前述权利要求中任一项所述的第二系统。
22.根据权利要求21所述的套件，
其中，所述第一系统的第一机器人控制单元的第一发光器能操作为产生机器可读代码，该机器可读代码对关于所述第一机器人控制单元的数据进行编码；和/或
其中，所述第二系统的第二机器人控制单元的第二发光器能操作为产生机器可读代码，该机器可读代码对关于所述第二机器人控制单元的数据进行编码。
23.根据权利要求22所述的套件，其中，所述第一系统还包括：
-第一采集设备，其与第一机器人控制单元通信，该第一采集设备适于采集由第二发光器产生的机器可读代码；
-解码器件，其被编程为对所采集的机器可读代码进行解码；和
-经编程指令，其使用已解码的机器可读代码与第一机器人控制单元进行交互；
和/或其中，第二系统进一步包括：
-第二采集设备，其与第二机器人控制单元通信，该第二采集设备适于采集由第一发光器产生的机器可读代码；
-解码器件，其被编程为对所采集的机器可读代码进行解码；和
-经编程指令，其使用已解码的机器可读代码与第一机器人控制单元进行交互。
24.一种使用外部设备控制机器人控制单元的方法，其中，所述机器人控制单元是根据权利要求1-20中的任一项所述的系统的机器人控制单元，所述方法包括以下步骤：
-产生机器可读数字代码，该机器可读数字代码对关于所述机器人控制单元的数据进行编码，其中所述机器可读数字代码被产生作为视觉图案；
-向外部设备的光学输入设备呈现所述视觉图案；
-通过所述外部设备的光输入设备采集所述机器可读数字代码，以产生采集的数据，所述采集的数据代表在所述机器可读数字代码中编码的数据；
-基于所述采集的数据，开发用于机器人控制单元和外部设备之间交互的指令；和
-执行所述指令以建立所述交互。
25.根据权利要求24所述的方法，其中，所述用于交互的指令包括用于启用所述外部设备与所述机器人控制单元之间的另一链路的指令。
26.根据权利要求24-25中任一项所述的方法，还包括以下步骤：在所述外部设备上设置用于与所述机器人控制单元交互的用户界面。
27.根据权利要求26所述的方法，其中，用于与机器人控制单元交互的所述用户界面包括：
-适于对机器人控制单元进行编程的元件；
-适于对附接到机器人控制单元的I/O端口的外围设备进行编程的元件；
-用于远程控制机器人控制单元的元件；和/或
-用于远程控制与机器人控制单元的I/O端口附接的外围设备的元件。
28.根据权利要求24至27中任一项所述的方法，其中，所述外部设备是根据权利要求1至20中任一项所述的系统的另一机器人控制单元。
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