CN113409631A - Ai辅助教学机器人 - Google Patents

Abstract

本发明揭示了一种AI辅助教学机器人，包括：底座，底座上表面中心通过升降机构活动安装有上装台面，底座上表面后侧设置有激光雷达，且底座内部前侧设置有防跌落传感器，底座内还设置有控制处理模块以及分别与控制处理模块连接的通信模块、电源模块和超声波传感器，激光雷达和防跌落传感器分别与控制处理模块连接，控制处理模块还电连接有两个AI摄像头，AI摄像头安装在上装台面后侧，AI摄像头采用三目摄像头，激光雷达、防跌落传感器、通信模块、超声波传感器和AI摄像头均与电源模块连接。本发明针对教师日常教学应用场景，帮助老师完成教案、书本自动携带，同时辅助教师更好地进行课堂教学以及远程教学和远程监测。

Description

AI辅助教学机器人

技术领域

本发明涉及教学设备技术领域，特别是涉及一种AI辅助教学机器人。

背景技术

目前校园环境中，老师教学过程中，经常需要手拿较多教具、作业、电脑等繁杂物品；教学答疑过程中，经常需要返回固定讲台进行答题播放；教学过程中，遇突发状况，需暂时离开教室，学生自习无法远程监控和通话，有潜在风险等；目前教室环境由传统无法移动的讲台、手推轻便讲台组成，即使市场上宣称智能讲台，也多是集成一些显示和语音的接口，实现电子屏幕和扩音的功能，但是仍然没有解决办公室到教室移动的问题；室内单摄像头无法语音交互，各设备无法互联控制，需独立控制；老师教学过程中，无法准确判断所有学生掌握知识的程度，对教学的效果判断性不足；学生人数较多，不确定潜在风险较多，时有摔倒、冲突等发生，老师因不在现场，反应不及时，学生人身安全保质略显不足。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种AI辅助教学机器人，针对教师日常教学应用场景，帮助老师完成教案、书本自动携带，同时辅助教师更好地进行课堂教学以及远程教学和远程监测。

为解决上述技术问题，本发明提供一种AI辅助教学机器人，包括：底座，所述底座上表面中心通过升降机构活动安装有上装台面，且所述上装台面安放显示设备的方式至少包括平放、固定内嵌和可拆卸内嵌，所述底座上表面后侧设置有激光雷达，且所述底座内部前侧设置有防跌落传感器，所述底座内还设置有控制处理模块以及分别与控制处理模块连接的通信模块、电源模块和超声波传感器，所述激光雷达和防跌落传感器分别与控制处理模块连接，所述控制处理模块还电连接有两个AI摄像头，所述AI摄像头安装在上装台面后侧，所述激光雷达、防跌落传感器、通信模块、超声波传感器和AI摄像头均与电源模块连接。

进一步的，所述AI摄像头采用多目摄像头。

进一步的，所述底座底面左右两侧中心均转动安装有驱动轮，两个所述驱动轮均传动安装有驱动电机，所述驱动电机固定安装在底座内，所述驱动电机与控制处理模块和电源模块连接，所述底座底面四角均设置有辅助轮，且所述底座底面前后两侧中心均设置有万向轮。

进一步的，所述驱动电机和电源模块之间连接有急停开关，所述急停开关安装在上装台面上表面后侧。

进一步的，所述升降机构包括固定安装在底座上表面中心的支撑杆、固定安装在支撑杆顶端的放置台以及固定安装在放置台顶面中心且与上装台面连接的电动升降杆，所述电动升降杆侧壁安装有滑轨，所述滑轨上上下滑动安装有稳固滑块，所述稳固滑块外固定安装有内筒，所述内筒与上装台面固定连接，且所述内筒外滑动安装有外筒，所述外筒固定安装在放置台上。

进一步的，所述电源模块还连接有USB插口和电源插座，所述USB插口和电源插座均安装在上装台面后侧。

进一步的，所述电源模块还连接有充电口和电量检测传感器，所述充电口安装在底座后侧，所述电量检测传感器还与控制处理模块连接。

进一步的，所述底座上表面位于电源模块正上方位置处开合设置有检修门。

进一步的，所述上装台面上表面左右两侧均设置有播音器，所述播音器分别与电源模块和控制处理模块连接。

进一步的，所述控制处理模块内植入设置有视觉识别算法、室内导航算法、路径规划算法、运动控制算法、绕障避障算法以及seq2seq开源框架。

进一步的，所述视觉识别算法由yolov5算法、IOU算法以及若干残差网络组成。

进一步的，通过seq2seq开源框架实现AI辅助教学机器人的心里疏导对话功能。

本发明相对于现有技术，具有如下优势：

(1)本发明基于激光雷达、超声波传感器、AI高清摄像头等数据采集设备通过视觉识别算法、室内导航算法、路径规划算法、运动控制算法、绕障避障算法等技术，使本产品可以在室内教学场景、学校或其他无台阶场景下，完成自行走，自主跟随功能，解决了讲台的移动问题；通过其移动性，使每间教室空间利用率大幅提升，教室功能性更加多样，老师无需搬运沉重的课本、作业、教具等物品；

(2)本发明通过行为识别及算法学习，判断学生课堂听课效果，自主提醒老师是否进行额外的补充教学，自主推荐教学相应辅导书籍或课外读物，内含智能语音交互系统，可自主答疑及互动，且支持通讯互联，接入学校或其他教育自有服务器，帮忙老师提升教学效果，辅助老师教学答疑，使教师上课更加轻松，更加有效；

(3)本发明通过计算机视觉技术，自主识别学生是否处于潜在风险区域或动作，通过远程通讯实时反馈老师及时查看或远程通话，并对处于风险区域或动作的学生做出语音提醒，实现对学生的安全监测和提醒预警功能。

(4)本发明通过在系统内植入设置seq2seq开源框架，有效实现了AI辅助教学机器人的心里疏导对话功能，进一步提升了教学效果。

附图说明

图1为本发明AI辅助教学机器人的整体结构示意图；

图2为本发明AI辅助教学机器人的电动升降杆安装结构示意图；

图3为本发明AI辅助教学机器人的整体结构俯视图；

图4为本发明AI辅助教学机器人的整体电路框图；

图5为本发明AI辅助教学机器人的上装台面为单纯台面情况下的结构示意图；

图6为本发明AI辅助教学机器人的上装台面为内嵌固定安装触摸显示屏情况下的结构示意图；

图7为本发明AI辅助教学机器人的上装台面为内嵌放置平板电脑情况下的结构示意图；

图8为本发明AI辅助教学机器人的seq2seq开源框架示意图。

具体实施方式

下面将结合示意图对本发明的AI辅助教学机器人进行更详细的描述，其中表示了本发明的优选实施例，应该理解本领域技术人员可以修改在此描述的本发明，而仍然实现本发明的有利效果。因此，下列描述应当被理解为对于本领域技术人员的广泛知道，而并不作为对本发明的限制。

在下列段落中参照附图以举例方式更具体地描述本发明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

如图1-4所示，本发明实施例提出了一种AI辅助教学机器人，包括：底座1，所述底座1上表面中心通过升降机构2活动安装有上装台面3，且所述上装台面3安放显示设备的方式至少包括平放、固定内嵌和可拆卸内嵌，所述底座1上表面后侧设置有激光雷达4，且所述底座1内部前侧设置有防跌落传感器5，所述底座1内还设置有控制处理模块6以及分别与控制处理模块6连接的通信模块7、电源模块8和超声波传感器9，所述激光雷达4和防跌落传感器5分别与控制处理模块6连接，所述控制处理模块6还电连接有两个AI摄像头10，所述AI摄像头10安装在上装台面3后侧，所述激光雷达4、防跌落传感器5、通信模块7、超声波传感器9和AI摄像头10均与电源模块8连接。

在一个实施例中，所述AI摄像头10采用多目摄像头，例如可以是双目摄像头、三目摄像头等，本领域技术人员可以根据实际需要进行选择。

具体的，上装台面3可包括三种形式，第一种为单纯的台面，如图5所示；第二种为在上装台面3上内嵌固定安装触摸显示屏29，通过操控触摸显示屏29进行教学演示，提升教学效果，如图6所示；第三种为在上装台面3上内嵌放置平板电脑30，可进行平板电脑30的拿取操作，亦可将平板电脑30放置在上装台面3进行充电和操作，以配合教学演示，如图7所示。

所述底座1底面左右两侧中心均转动安装有驱动轮11，两个所述驱动轮11均传动安装有驱动电机12，所述驱动电机12固定安装在底座1内，所述驱动电机12与控制处理模块6和电源模块8连接，所述底座1底面四角均设置有辅助轮13，且所述底座1底面前后两侧中心均设置有万向轮14。在本实施方式中，通过控制两个驱动电机12同速运动，实现底座1的直线运动，通过驱动两个驱动电机12差速运动，配合辅助轮13和万向轮14，实现底座1的曲线运动，从而实现底座1的自行走能力。

所述升降机构2包括固定安装在底座1上表面中心的支撑杆15、固定安装在支撑杆15顶端的放置台16以及固定安装在放置台16顶面中心且与上装台面3连接的电动升降杆17，所述电动升降杆17侧壁安装有滑轨18，所述滑轨18上上下滑动安装有稳固滑块19，所述稳固滑块19外固定安装有内筒20，所述内筒20与上装台面3固定连接，且所述内筒20外滑动安装有外筒21，所述外筒21固定安装在放置台16上。在本实施方式中，通过控制电动升降杆15升降，实现上装台面3的升降，通过滑轨18和稳固滑块19的设置，提升了上装台面3升降过程中的稳定性。

所述驱动电机12和电源模块8之间连接有急停开关22，所述急停开关22安装在上装台面3上表面后侧。在本实施方式中，急停开关22的设置，实现底座1移动过程中的紧急停止。

所述电源模块8还连接有USB插口23和电源插座24，所述USB插口23和电源插座24均安装在上装台面3后侧。在本实施方式中，USB插口23和电源插座24的设置，方便对移动设备或其他设备进行充电。

所述电源模块8还连接有充电口25和电量检测传感器26，所述充电口25安装在底座1后侧，所述电量检测传感器26还与控制处理模块6连接。在本实施方式中，电量传感器26的设置，实现对电池容量进行实时监测。

所述底座1上表面位于电源模块8正上方位置处开合设置有检修门27。在本实施方式中，检修门27的设置，方便对电池进行更换。

所述上装台面3上表面左右两侧均设置有播音器28，所述播音器28分别与电源模块8和控制处理模块6连接。在本实施方式中，播音器28的设置，实现了装置的播音功能。

所述控制处理模块6内植入设置有视觉识别算法、室内导航算法、路径规划算法、运动控制算法、绕障避障算法以及seq2seq开源框架。在本实施方式中，视觉识别算法、室内导航算法、路径规划算法、运动控制算法以及绕障避障算法的设置，为装置提供了室内自行走、远程监测及控制等功能；seq2seq是循环神经网络RNN和lstm的升级，常用在自然语言处理、机器翻译、语音识别、文字识别等方向性较强的业务场景，为了提高模型训练及推理速度，seq2seq加入了buckets机制，对输入的语句进行分桶切分后再计算，如图8所示，seq2seq由若干个lstm组成，并且可以输出与输入长度不同的语句作为对话答句，首先lstm结构通过信息门、遗忘门和输出门来减少或扩大前一时刻lstm传入的信息量，从而消除了神经网络反向更新时的梯度弥散问题；其次，seq2seq从架构上对输入、输出语句做了反转，这样就使得输出语句长度可以和输入语句不同，更加符合实际对话场景，通过seq2seq开源框架的设置，实现AI辅助教学机器人的心里疏导对话功能。

所述视觉识别算法由yolov5算法、IOU算法以及若干残差网络组成。在本实施方式中，yolov5是在原yolov3、yolov4的基础上发展而来，较之前两个版本，在图像的输入阶段对其进行了多通道切分，从而增加了图像特征提取的多种组合型，消除了像素提取的长尾效应；同时配合多个残差网络，更为精确地更新了残差，同时配合IOU算法，使得在保留了yolov3、yolov4检测速度的同时，挺高了检测精度。

以下列举所述AI辅助教学机器人的较优实施例，以清楚的说明本发明的内容，应当明确的是，本发明的内容并不限制于以下实施例，其他通过本领域普通技术人员的常规技术手段的改进亦在本发明的思想范围之内。

本发明实施例提出了一种AI辅助教学机器人的使用方法，具体如下：

(1)自行走至教室：在调试阶段，进行激光雷达4扫描建图，完成建图；实际运用中，根据APP指令，规划路径到目标教室，然后开始移动，在移动的过程中，AI摄像头10、超声波传感器9以及激光雷达4会不断360°识别四周，提前识别并判断障碍，当识别出障碍后，根据移动速度和目标距离进行减速。如果环境允许，同时开始计算如何避障绕障，当遇到突发障碍闯入时，急停开关22启动进行装置的紧急停止并通过播音器28播报提示语音，在接近目标教室时，会进行转向控制，转向方法包括但不限于差速转向，同时万向轮14和辅助轮13协同配合，使装置在转向半径允许范围内完成转向动作，既而进入教室在装置移动过程中，当防跌落传感器5监测前方地面悬空距离大于设定值时，装置进行避障绕障操作；

(2)上装台面3升降：通过APP下达指令，控制电动升降杆17驱动，可实现上装台面3的升降，亦可通过装置本体进行上装台面3的升降；

AI辅助教学：AI摄像头10对课堂上学生的情绪及肢体语言进行采集，通过视觉识别算法进行计算打分，分析学生的课堂听课效果，自主提醒老师是否进行额外的补充教学，同时自主推荐教学相应辅导书籍或课外读物，教学场景亦可通过通信模块7传至学校或其他教育自有服务器；

(3)AI安全监测提醒：AI摄像头10对学生动作及所在区域进行采集，通过视觉识别算法判断学生是否处于潜在危险区域以及是否具有危险动作，譬如摔倒或发生冲突等，反馈给老师并进行现场语音提醒；

(4)自巡回充电：当电量检测传感器26检测电池电量过低，会发送指令至控制处理模块6，控制装置返回至充点电进行自动充电。

综上所述，本发明相对于现有技术，具有如下优势：

(5)本发明基于激光雷达、超声波传感器、AI高清摄像头等数据采集设备通过视觉识别算法、室内导航算法、路径规划算法、运动控制算法、绕障避障算法等技术，使本产品可以在室内教学场景、学校或其他无台阶场景下，完成自行走，自主跟随功能，解决了讲台的移动问题；通过其移动性，使每间教室空间利用率大幅提升，教室功能性更加多样，老师无需搬运沉重的课本、作业、教具等物品；

(6)本发明通过行为识别及算法学习，判断学生课堂听课效果，自主提醒老师是否进行额外的补充教学，自主推荐教学相应辅导书籍或课外读物，内含智能语音交互系统，可自主答疑及互动，且支持通讯互联，接入学校或其他教育自有服务器，帮忙老师提升教学效果，辅助老师教学答疑，使教师上课更加轻松，更加有效；

(7)本发明通过计算机视觉技术，自主识别学生是否处于潜在风险区域或动作，通过远程通讯实时反馈老师及时查看或远程通话，并对处于风险区域或动作的学生做出语音提醒，实现对学生的安全监测和提醒预警功能。

(8)本发明通过在系统内植入设置seq2seq开源框架，有效实现了AI辅助教学机器人的心里疏导对话功能，进一步提升了教学效果。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (12)

1.一种AI辅助教学机器人，其特征在于，包括：底座，所述底座上表面中心通过升降机构活动安装有上装台面，且所述上装台面安放显示设备的方式至少包括平放、固定内嵌和可拆卸内嵌，所述底座上表面后侧设置有激光雷达，且所述底座内部前侧设置有防跌落传感器，所述底座内还设置有控制处理模块以及分别与控制处理模块连接的通信模块、电源模块和超声波传感器，所述激光雷达和防跌落传感器分别与控制处理模块连接，所述控制处理模块还电连接有两个AI摄像头，所述AI摄像头安装在上装台面后侧，所述AI摄像头采用三目摄像头，所述激光雷达、防跌落传感器、通信模块、超声波传感器和AI摄像头均与电源模块连接。

2.如权利要求1所述的AI辅助教学机器人，其特征在于，所述AI摄像头采用多目摄像头。

3.如权利要求1所述的AI辅助教学机器人，其特征在于，所述底座底面左右两侧中心均转动安装有驱动轮，两个所述驱动轮均传动安装有驱动电机，所述驱动电机固定安装在底座内，所述驱动电机与控制处理模块和电源模块连接，所述底座底面四角均设置有辅助轮，且所述底座底面前后两侧中心均设置有万向轮。

4.如权利要求3所述的AI辅助教学机器人，其特征在于，所述驱动电机和电源模块之间连接有急停开关，所述急停开关安装在上装台面上表面后侧。

5.如权利要求1所述的AI辅助教学机器人，其特征在于，所述升降机构包括固定安装在底座上表面中心的支撑杆、固定安装在支撑杆顶端的放置台以及固定安装在放置台顶面中心且与上装台面连接的电动升降杆，所述电动升降杆侧壁安装有滑轨，所述滑轨上上下滑动安装有稳固滑块，所述稳固滑块外固定安装有内筒，所述内筒与上装台面固定连接，且所述内筒外滑动安装有外筒，所述外筒固定安装在放置台上。

6.如权利要求1所述的AI辅助教学机器人，其特征在于，所述电源模块还连接有USB插口和电源插座，所述USB插口和电源插座均安装在上装台面后侧。

7.如权利要求1所述的AI辅助教学机器人，其特征在于，所述电源模块还连接有充电口和电量检测传感器，所述充电口安装在底座后侧，所述电量检测传感器还与控制处理模块连接。

8.如权利要求1所述的AI辅助教学机器人，其特征在于，所述底座上表面位于电源模块正上方位置处开合设置有检修门。

9.如权利要求1所述的AI辅助教学机器人，其特征在于，所述上装台面上表面左右两侧均设置有播音器，所述播音器分别与电源模块和控制处理模块连接。

10.如权利要求1所述的AI辅助教学机器人，其特征在于，所述控制处理模块内植入设置有视觉识别算法、室内导航算法、路径规划算法、运动控制算法、绕障避障算法以及seq2seq开源框架。

11.如权利要求10所述的AI辅助教学机器人，其特征在于，所述视觉识别算法由yolov5算法、IOU算法以及若干残差网络组成。

12.如权利要求10所述的AI辅助教学机器人，其特征在于，通过seq2seq开源框架实现AI辅助教学机器人的心里疏导对话功能。

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