CN116682306A - 一种早教机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种早教机器人，涉及电子领域。早教机器人包括：机器人装置、磁吸积木编程装置和APP编程装置；磁吸积木编程装置包括磁吸类型的大块和小块积木；小块积木中间具有带颜色的线；将小块积木中间带颜色的线组合成路径，可以形成不同的机器人动作指令，包括直行、加速、减速、转向、掉头；通过拼合大块和小块积木上带颜色的线来组成不同的路径；机器人装置的路径识别模块用于识别不同颜色的线所组成的路径和动作指令，并控制驱动模块驱动机器人主体沿路径行驶并执行不同的动作指令；APP编程装置用于获取使用者通过虚拟积木搭建的虚拟路径。本发明早教机器人能够让使用者在现实生活中以积木玩具的形式进行编程，具有广泛的应用前景。

Description

一种早教机器人

技术领域

本发明涉及电子技术领域，特别是涉及一种早教机器人。

背景技术

近年来，儿童编程的产品越来越多，很多儿童编程产品使用手机或平板设备搭载的APP进行开发，但是这种APP类产品对于儿童来说，由于没有现实中的物品，没有那么好理解，并且趣味性不强，很难吸引儿童注意力。而且长时间使用手机或平板，对儿童的视力有一定的影响。

发明内容

针对上述背景技术中提出的问题，本发明提供一种早教机器人，可以让使用者在现实生活中以玩具的形式进行编程。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

本发明提供一种早教机器人，包括：机器人装置、磁吸积木编程装置和APP编程装置；

所述磁吸积木编程装置包括磁吸类型的大块积木和小块积木；大块积木为正方形，小块积木为长方形，且小块积木的面积大小是大块积木的三分之一；小块积木中间具有带颜色的线；通过将三个小块积木中间带颜色的线组合成路径，可以形成不同的机器人动作指令；动作指令包括直行、加速、减速、转向、掉头；大块积木上具有带颜色的直线或直角线；通过拼合大块积木和小块积木上带颜色的线来组成不同的路径；

所述机器人装置包括机器人主体、控制模块以及与控制模块连接的驱动模块、路径识别模块、LED模块、声音播放模块、通信模块和存储模块；驱动模块和路径识别模块位于机器人主体底部；路径识别模块用于识别不同颜色的线所组成的路径和动作指令，并将路径和动作指令信息发送至控制模块；控制模块用于根据路径和动作指令信息控制驱动模块驱动机器人主体沿路径行驶并执行不同的动作指令；控制模块还用于将路径识别模块识别到的路径颜色通过LED模块进行显示；控制模块还用于根据路径和动作指令信息控制声音播放模块播放不同的声音；

所述APP编程装置用于获取使用者通过虚拟积木搭建的虚拟路径并发送至控制模块；控制模块经由通信模块接收虚拟路径并存储至存储模块；控制模块还用于根据虚拟路径控制驱动模块驱动机器人主体沿虚拟路径行驶。

可选地，所述带颜色的线包括红、绿、蓝三种颜色。

可选地，所述驱动模块包括：驱动马达、传动轴、传动齿轮和驱动轮；驱动马达通过传动轴和传动齿轮将动力输出到驱动轮上；两个驱动轮分别位于机器人底部两侧；两个驱动轮之间的距离小于积木的宽度，大于带颜色的线的宽度。

可选地，所述路径识别模块包括：安装在机器人主体底部的灯和颜色传感器；工作时，灯亮起用于照亮底部路径颜色；颜色传感器用于实时检测底部路径颜色。

可选地，所述灯和颜色传感器的数量均为4个；4个灯和4个颜色传感器均在两个驱动轮之间横向布置。

可选地，所述LED模块包括：不同颜色的LED灯；控制模块通过控制不同颜色LED灯的闪烁状态来提示使用者机器人装置的当前状态和当前路径识别模块识别到的路径颜色。

可选地，所述通信模块的通信方式包括串口通信、HID通信和蓝牙通信。

可选地，所述APP编程装置通过屏幕闪烁的方式将虚拟路径写入机器人装置。

可选地，所述机器人主体内设置有PCB控制板，控制模块、LED模块、声音播放模块、通信模块和存储模块均位于PCB控制板上。

可选地，所述机器人主体内还设置有电池，用于为控制模块、驱动模块、路径识别模块、LED模块、声音播放模块、通信模块和存储模块供电。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明所提供的早教机器人，其中早教机器人包括：机器人装置、磁吸积木编程装置和APP编程装置；磁吸积木编程装置包括磁吸类型的大块积木和小块积木；小块积木中间具有带颜色的线；通过将三个小块积木中间带颜色的线组合成路径，可以形成不同的机器人动作指令，包括直行、加速、减速、转向、掉头；大块积木上具有带颜色的直线或直角线；通过拼合大块积木和小块积木上带颜色的线来组成不同的路径；机器人装置包括机器人主体、控制模块以及与控制模块连接的驱动模块、路径识别模块、LED模块、声音播放模块、通信模块和存储模块；路径识别模块用于识别不同颜色的线所组成的路径和动作指令；控制模块用于根据路径和动作指令信息控制驱动模块驱动机器人主体沿路径行驶并执行不同的动作指令；APP编程装置用于获取使用者通过虚拟积木搭建的虚拟路径；控制模块还用于根据虚拟路径控制驱动模块驱动机器人主体沿虚拟路径行驶。因此本发明早教机器人可以让使用者(儿童)在现实生活中以积木玩具的形式进行编程，提高了编程过程趣味性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明磁吸积木编程装置包括的大块积木和小块积木示意图；

图2为本发明机器人装置的外观示意图；

图3为本发明机器人装置的模块连接示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。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。

本发明的目的是提供一种早教机器人，可以让使用者(儿童)在现实生活中以玩具的形式进行编程。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

本发明早教机器人结构如图1所示。参见图1，所述早教机器人具体包括：机器人装置、磁吸积木编程装置和APP编程装置。

图1为本发明磁吸积木编程装置包括的大块积木和小块积木示意图。参见图1，磁吸积木编程装置包括磁吸类型的大块积木101和小块积木102。其中大块积木101为正方形，小块积木102为长方形，且小块积木102的面积大小是大块积木101的三分之一。积木的四个边设有磁吸借口，方便用户通过磁吸的方式进行拼接组合。用户通过磁吸拼接大块积木和小块积木可以搭建出各种路径，完成对机器人装置的运行控制。具体地，小块积木102中间具有带颜色的线，通常为红、绿或蓝三种颜色之一。三个小块积木102可以拼成一个大块积木101，并且不同颜色的顺序代表机器人装置执行不同的动作指令。即，通过将三个小块积木102中间带颜色的线组合成路径，可以形成不同的机器人动作指令，动作指令包括直行、加速、减速、转向、掉头等。例如：绿+红+绿，可以让机器人加速；红+绿+红，可以让机器人减速；蓝+红+蓝，可以让机器人掉头等等。不同的颜色组合代表不同的动作指令。大块积木101上具有带颜色的直线或直角线；直线表示直线行走，直角线表示转弯路径。大块积木101的颜色有四种，包括红、绿、蓝、黑色。通过拼合大块积木101和小块积木102上带颜色的线来组成不同的机器人行驶路径。例如大块积木101的红色直线代表引导机器人装置直行，大块积木101上向右的直角线表示引导机器人装置右转弯。

图2为本发明机器人装置的外观示意图，图3为本发明机器人装置的模块连接示意图。参见图2和图3，所述机器人装置包括机器人主体201、控制模块以及与控制模块连接的驱动模块、路径识别模块203、LED模块、声音播放模块、通信模块和存储模块。机器人主体201内设置有PCB控制板202，控制模块、LED模块、声音播放模块、通信模块和存储模块均位于PCB控制板202上。在实际应用中，机器人主体201内还设置有电池，用于为控制模块、驱动模块、路径识别模块203、LED模块、声音播放模块、通信模块和存储模块供电。

驱动模块和路径识别模块203位于机器人主体201底部；其中路径识别模块203用于识别不同颜色的线所组成的路径和动作指令，并将路径和动作指令信息发送至控制模块；控制模块用于根据路径和动作指令信息控制驱动模块驱动机器人主体沿路径行驶并执行不同的动作指令；控制模块还用于将路径识别模块203识别到的路径颜色通过LED模块进行显示；控制模块还用于根据路径和动作指令信息控制声音播放模块播放不同的声音。

具体地，驱动模块由驱动马达、传动轴、传动齿轮和驱动轮204组成，驱动马达通过传动轴和传动齿轮，将动力输出到驱动轮204上，驱动轮204安装在机器人主体201底部，由两个圆形橡胶轮子组成，通过对两个驱动轮的速度进行控制，来驱动机器人主体201执行前进、后退、转向、加速、减速等动作。驱动模块受控制模块的控制，两个驱动轮204的速度由控制模块发送的速度控制指令控制。

路径识别模块203安装在机器人主体201底部，由灯和颜色传感器组成，工作时，灯亮起，用于照亮底部路径颜色，颜色传感器实时检测底部路径颜色。在实际应用中，所述灯和颜色传感器的数量可以设置为4个；4个灯和4个颜色传感器均在两个驱动轮之间横向布置。当然，传感器越多，识别效果越好，但是成本也会越高，对于本发明的机器人装置，按照积木宽度，四个颜色传感器基本上可以覆盖到整个底部识别区域，所以选用四个灯和颜色传感器。四个传感器横向布置在两个驱动轮204之间，设计时保证驱动轮204之间的距离比积木宽度窄，这样四个传感器横向布置就基本不会检测到不同积木的颜色。当然，为了正确识别积木颜色，还需要保证驱动轮204之间的距离大于带颜色的线宽度。假设识别到了两个不同积木的颜色，机器人装置会优先往左边移动，直至将积木的颜色移动到底部居中位置；在运行过程中，机器人装置也会实时左右移动，保持路径线条处于居中位置。

此路径识别模块203也受控制模块控制，控制模块可以主动发送指令读取路径识别模块的数据，路径识别模块203接收到控制模块的颜色识别指令之后，立即读取颜色，并将颜色数据返回给控制模块。

LED模块带有LED灯作为显示，LED灯为RGB灯，可以亮红、绿、蓝三种颜色，并且三种颜色可以任意组合成其他颜色。在机器人工作时，用于提示使用者(用户)当前的状态以及路径组合是否正确。即，控制模块通过控制不同颜色LED灯的闪烁状态来提示使用者机器人装置的当前状态和当前路径识别模块识别到的路径颜色。例如电量不足时控制LED红灯慢闪；充电中控制LED三种颜色交替慢闪；充电完成后控制LED绿灯慢闪；系统错误时控制LED红灯快闪。而在运行过程中，红色常亮表示识别到红色路径，绿灯常亮表示识别到绿色路径，蓝色常亮表示识别到蓝色路径。路径运行完成时，控制绿+红色LED交替闪烁。如果机器人主体201在红色路径上，LED红灯常亮，表示路径组合正确。LED红灯快闪表示路径识别失败。

声音播放模块用于播放声音，比如说在机器人识别到指定的路径代码时，播放庆祝的音乐等。此声音播放模块由控制模块控制，接收控制模块的声音播放指令。

通信模块包含串口通信、HID通信、蓝牙通信等通信方式，通过通信模块，可以与多台机器人装置联动，也可以与APP编程装置(通常为电脑、手机、平板等)通信，通过此通信模块连接APP编程装置，可以实现软件更新、路径识别算法更新、路径下载(通过APP编程装置中软件拖拉拽的方式，将路径规划好，然后通过通信模块写入机器人装置中)等。多台机器人装置通过蓝牙连接，可以实现多台机器人装置联动，实现多台机器人装置共同做出指定的动作，例如编队、跟随等。此通信模块受控制模块控制，相当于是架在控制模块和APP编程装置(或者多台机器人装置中的其他机器人装置)之间的桥梁，将数据进行收发。

存储模块用于存储APP编程装置编排好的路径信息，接收控制模块的指令，将数据存入或者读取到控制模块。

控制模块用于协调和控制整个早教机器人系统，各个模块都会连接到控制模块中，控制模块由单片机组成。

所述APP编程装置用于获取使用者通过虚拟积木搭建的虚拟路径并发送至控制模块；控制模块经由通信模块接收虚拟路径并存储至存储模块；控制模块还用于根据虚拟路径控制驱动模块驱动机器人主体沿虚拟路径行驶。

本发明APP编程装置可以是平板、手机或者电脑等装置，用户通过存储在其上的APP来搭建路径。具体是通过虚拟积木按照与实际积木类似的方式，来通过APP搭建虚拟路径，此虚拟积木只存于APP中，不是现实中的积木，只是方便用户在APP中操作。虚拟积木在APP中搭建的组合方式，会由APP编程装置发送给机器人装置。用户可以将上述磁吸积木编程模块中的颜色组合在APP中预编排，编排好之后，APP编程装置与机器人装置通过通信模块进行通信，将编排好的虚拟路径发送到机器人装置，机器人装置中有存储模块，机器人装置将虚拟路径信息存入存储模块中，此时，机器人装置就不需要识别底部路径和动作，直接按照此编排好的虚拟路径运行(相当于是在APP中将上述的路径积木搭建好，然后发送到机器人装置)。除了通过串口、HID和蓝牙通信将路径写入机器人装置外，APP编程装置还可以通过屏幕闪烁的方式，将编排好的虚拟路径写入机器人装置，此种方式不需要机器人与APP编程装置进行物理上的连接，只需要将机器人装置底部按压在屏幕上，屏幕按照协议闪烁不同的颜色，不同的颜色组合代表不同的指令，机器人装置识别颜色，接收指令并写入机器人内存中保存。此外，APP编程装置还具有设备软件更新、路径算法更新等功能。

也就是说，本发明早教机器人的运行模式包括通过识别路径积木运行和通过APP预先编写路径运行两种模式。

其中，通过识别路径积木运行模式是指，机器人装置的控制模块发送颜色识别指令到路径识别模块，获取当前的路径颜色，并记录沿途的颜色变化(至少记录最近三次的颜色变化，因为一个颜色指令是三种颜色的组合)，完成路径和动作指令识别，根据路径导航，控制模块解析完颜色动作指令之后，发送动作指令给驱动模块，通过控制驱动模块的左右电机转速，完成加速、减速、转弯、掉头等动作。

通过APP预先编写路径运行模式是指，通过APP编程装置，用户可以预先在APP中进行路径编辑，编辑好之后，APP编程装置与机器人装置的控制模块通过通信模块进行通信，APP编程装置将编辑好的虚拟路径发送到机器人装置的控制模块，控制模块接收成功之后，将虚拟路径数据保存到存储模块中；运行的时候，控制模块从存储模块中读取保存的虚拟路径，并按照保存的虚拟路径，控制驱动模块进行运行。

下面对两种运行模式的工作过程进行说明。

运行模式一

(1.1)在通过识别路径积木运行模式下，用户首先通过磁吸积木编程模块搭建路径。具体地，用户通过设计，选择大块积木或小块积木进行搭建路径，用户搭建路径积木的目的是通过正确的组合积木，来引导机器人到达路径的终点。比如说用户设置一个左转的路径，在需要在左转前方设置一个左转用的颜色组合，让机器人装置识别到左转信号。

(1.2)机器人装置识别路径积木并运行：

机器人装置通过底部的路径识别模块，路径识别模块有四个颜色传感器，四个颜色传感器横向布置，机器人装置通过四个颜色传感器，捕获底部路径位置和颜色。路径识别和动作指令是通过路径的颜色来识别的，路径识别模块除了四个颜色传感器，还有4个灯辅助，因为颜色传感器在机器人底部，底部光线比较弱，所以每个颜色传感器附近设置有一个灯进行照明。

根据捕获到的路径和动作指令，机器人装置实时调整左右轮转速，通过控制左右两个驱动轮的转速差来完成向左、向右的转向动作。机器人装置的控制模块通过控制机器人两边的驱动轮的转速来执行动作指令，例如加速就是两个驱动轮共同加速；掉头就是一个驱动轮不动，另外一个驱动轮转动；直行就是两个驱动轮以正常速度转动。

当机器人装置识别到底部不同颜色的路径的时候，LED模块会显示该颜色，例如路径是绿色的，则LED灯亮绿色。

当机器人装置到达终点时，声音播放模块播放胜利的声音，表示此次路径运行成功。

运行模式二

(2.1)在通过APP预先编写路径运行模式下，用户通过APP编程装置中搭载的APP来搭建虚拟路径。在APP中，用户一样通过拖动屏幕上的大块或小块积木来搭建虚拟路径，并引导机器人到达终点。

(2.2)在APP中，用户可以选择自由模式或目标模式。自由模式中，用户可以按照自己喜欢的路径，自由设计虚拟路径的走向，引导机器人前进。在目标模式中，APP会限定路径的起点和终点，用户通过用积木搭建虚拟路径，引导机器人从启动驶向终点。

在搭建过程中，APP可以模拟机器人的运行，对路径进行验证。完成搭建之后，在APP中，点击发送虚拟路径到机器人装置，将虚拟路径信息发送到机器人装置内存储。

(2.3)机器人运行APP发送的路径：机器人装置的控制模块读取存储模块中存储的虚拟路径；根据路径规则，通过控制驱动模块来执行前进、转向、后退等动作。

本发明早教机器人使用磁吸积木玩具进行编程，通过磁吸积木的不同组合方式进行路径组合，能够提升编程过程的趣味性。随着儿童年龄增加，可以进一步使用APP对机器人路径进行规划和下载来进行编程，能够适用于不同年龄段的儿童，应用范围更广。本发明早教机器人还可以通过屏幕闪烁颜色的方式进行数据传输通信，无需机器人装置与APP编程装置进行物理上的连接，极大简化了装置结构，降低了装置成本。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种早教机器人，其特征在于，包括：机器人装置、磁吸积木编程装置和APP编程装置；

所述磁吸积木编程装置包括磁吸类型的大块积木和小块积木；大块积木为正方形，小块积木为长方形，且小块积木的面积大小是大块积木的三分之一；小块积木中间具有带颜色的线；通过将三个小块积木中间带颜色的线组合成路径，可以形成不同的机器人动作指令；动作指令包括直行、加速、减速、转向、掉头；大块积木上具有带颜色的直线或直角线；通过拼合大块积木和小块积木上带颜色的线来组成不同的路径；

所述机器人装置包括机器人主体、控制模块以及与控制模块连接的驱动模块、路径识别模块、LED模块、声音播放模块、通信模块和存储模块；驱动模块和路径识别模块位于机器人主体底部；路径识别模块用于识别不同颜色的线所组成的路径和动作指令，并将路径和动作指令信息发送至控制模块；控制模块用于根据路径和动作指令信息控制驱动模块驱动机器人主体沿路径行驶并执行不同的动作指令；控制模块还用于将路径识别模块识别到的路径颜色通过LED模块进行显示；控制模块还用于根据路径和动作指令信息控制声音播放模块播放不同的声音；

所述APP编程装置用于获取使用者通过虚拟积木搭建的虚拟路径并发送至控制模块；控制模块经由通信模块接收虚拟路径并存储至存储模块；控制模块还用于根据虚拟路径控制驱动模块驱动机器人主体沿虚拟路径行驶。

2.根据权利要求1所述的早教机器人，其特征在于，所述带颜色的线包括红、绿、蓝三种颜色。

3.根据权利要求1所述的早教机器人，其特征在于，所述驱动模块包括：驱动马达、传动轴、传动齿轮和驱动轮；驱动马达通过传动轴和传动齿轮将动力输出到驱动轮上；两个驱动轮分别位于机器人底部两侧；两个驱动轮之间的距离小于积木的宽度，大于带颜色的线的宽度。

4.根据权利要求1所述的早教机器人，其特征在于，所述路径识别模块包括：安装在机器人主体底部的灯和颜色传感器；工作时，灯亮起用于照亮底部路径颜色；颜色传感器用于实时检测底部路径颜色。

5.根据权利要求4所述的早教机器人，其特征在于，所述灯和颜色传感器的数量均为4个；4个灯和4个颜色传感器均在两个驱动轮之间横向布置。

6.根据权利要求1所述的早教机器人，其特征在于，所述LED模块包括：不同颜色的LED灯；控制模块通过控制不同颜色LED灯的闪烁状态来提示使用者机器人装置的当前状态和当前路径识别模块识别到的路径颜色。

7.根据权利要求1所述的早教机器人，其特征在于，所述通信模块的通信方式包括串口通信、HID通信和蓝牙通信。

8.根据权利要求1所述的早教机器人，其特征在于，所述APP编程装置通过屏幕闪烁的方式将虚拟路径写入机器人装置。

9.根据权利要求1所述的早教机器人，其特征在于，所述机器人主体内设置有PCB控制板，控制模块、LED模块、声音播放模块、通信模块和存储模块均位于PCB控制板上。

10.根据权利要求1所述的早教机器人，其特征在于，所述机器人主体内还设置有电池，用于为控制模块、驱动模块、路径识别模块、LED模块、声音播放模块、通信模块和存储模块供电。