CN206653396U - 一种具有图像识别功能的早教机器人 - Google Patents

Abstract

本实用新型提出了一种具有图像识别功能的早教机器人，将传统的摄像头处理与云服务器大数据的处理和反馈结合应用在早教机器人上。通过摄像头采集图像信息，将照片在云服务器的判断，通过像素和图像的处理，最终做出相关的反馈，将对应反馈以音频方式返回，再通过音频电路输出，包括机器人本体，所述机器人本体内设置有第一控制器和第二控制器，所述第一控制器用以完成图像采集处理、音频处理以及数据通信等功能，第二控制器用以完成传感器数据采集、运动控制以及数据处理功能，所述第一控制器连接有无线网卡、摄像头和液晶显示器，所述第二控制器连接有超声波传感器、倾角传感器和电机驱动电路。

Description

一种具有图像识别功能的早教机器人

技术领域

本实用新型涉及幼儿早教智能设备技术领域，具体涉及一种具有图像识别功能的早教机器人。

背景技术

机器人一直是国内外研究的热点，其中教育机器人则是以激发学生学习兴趣、提高学生综合能力为目标，它在丰富儿童童年生活的同时，激发了儿童对科学技术的好奇心和求知欲。目前，国内已经出现了采用语音识别等技术手段实现互动功能的早教机器人，但对于学龄前儿童来说，将抽象的事物通过语言来表达的能力较弱，而且学龄前儿童的发音也不标准，机器识别难度较高，因此采用语音识别并不能作为儿童人机交互的有效技术手段。不同于语音交互，孩子最早发育的就是视觉功能，视频交互对于儿童来说简单明了，易于操作。因此采用视频识别技术的早教机器人是一种更好的解决方案。

发明内容

为解决上述技术问题，本实用新型的目的是提供一种集成嵌入式技术、无线传输技术、运动控制技术和视频处理技术的具有图像识别功能的早教机器人。

为了达到上述目的，本实用新型的具体解决方案提供一种具有图像识别功能的早教机器人，包括机器人本体，所述机器人本体内设置有第一控制器和第二控制器，所述第一控制器用以完成图像采集处理、音频处理以及数据通信等功能，第二控制器用以完成传感器数据采集、运动控制以及数据处理功能，所述第一控制器连接有无线网卡、音频输出电路、摄像头和液晶显示器，所述第二控制器连接有超声波传感器、倾角传感器和电机驱动电路。

进一步的，所述第一控制器为采用ARM核心处理器的单片机系统，包括USB接口、视频处理器和图像编码器，所述USB接口与无线网卡和摄像头连接，所述视频处理器支持视频格式的输出并与液晶显示器连接，所述音频处理器和音频输出电路连接，所述图像编码器对摄像头捕捉的图像进行硬件编码。

更进一步的，所述摄像头包括镜头、图像传感器、模数转换电路、DSP处理器和USB控制器，所镜头采集影像并投射到图像传感器上，在时钟电路的驱动下，模数转换电路将图像传感器输出模拟的视频信号转换成数字信号，并送入DSP中进行处理和压缩，最后数据通过USB控制器打包输出。

更进一步的，所述无线网卡内置WIFI芯片，将视频数据上传到云计算平台进行图像识别计算。

更进一步的，所述第二控制器采用8位单片机芯片，其芯片引脚分别与超声波传感器、倾角传感器和电机驱动电路连接。

更进一步的，所述电机驱动电路包括电机驱动芯片、直流电机和H桥电路，所述直流电机有四个，分别连接安装于机器人本体底部的四个驱动轮，电机驱动芯片接收第二控制器发出的PWM信号，通过H桥电路控制直流电机的转速和正反方向控制。

更进一步的，所述超声波传感器接收第二控制器引脚发出的触发信号，超声波传感器自动产生一个周期性电平信号同时检测回波，当超声波传感器接收到回波时向第二控制器引脚发送回响信号。

更进一步的，所述倾角传感器采用三轴加速度传感器，测量机器人运动时的倾角，通过对倾角数据的处理，获取机器人的运行状态，并传送到第二控制器根据机器人运行姿态做进一步的运动控制。

更进一步的，所述第二控制器还连接有蜂鸣器，当倾角传感器检测到机器人即将倾倒时，第二控制器向蜂鸣器发送启动信号，蜂鸣器发出警报。

更进一步的，还包括电源单元，所述电源单元包括12V锂电池、开关、滤波电路、DC/DC模块和LDO模块，所述12V锂电池通过开关和滤波电路连接，电流经过滤波电路处理后分别进入DC/DC模块和LDO模块，经过降压处理后为第一控制器和第二控制器供电。

本实用新型同现有技术相比，具有以下优点和有益效果：

1.本实用新型将传统的摄像头处理与云服务器大数据的处理和反馈结合应用在早教机器人上。通过摄像头采集图像信息，将照片在云服务器的判断，通过像素和图像的处理，最终做出相关的反馈，将对应反馈以音频方式返回，再通过音频电路输出。

2.本实用新型可灵活控制机器人移动，包括前后移动、左右转弯，并能动态调整移动速度

3.具有机器人运行姿态的感知能力，并能自主避障，防止用户错误地控制损坏机器人。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述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实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本实用新型优选实施例的系统结构图；

图2是本实用新型优选实施例摄像头的模块结构图；

图3是本实用新型优选实施例电机驱动电路的模块结构图；

图4是本实用新型优选实施例电源单元的模块结构图；

图5是本实用新型图像识别的方法流程图.

附图标记说明：

第一控制器 1 第二控制器 2 电源单元 12 无线网卡 3

摄像头 4 音频输出电路 5 液晶显示器 9 超声波传感器 6

倾角传感器 7 电机驱动电路 8镜头 41 图像传感器 42

模数转换电路 43 DSP处理器 44 USB控制器 45

电机驱动芯片 81 直流电机 10 H桥电路 83

驱动轮 11 蜂鸣器 14 12V锂电池 121 云计算平台 13

开关 122 滤波电路 123 DC/DC模块 124 LDO模块 125

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

如图一所示，本实用新型的一种具有图像识别功能的早教机器人，包括机器人本体。机器人本体内设置有第一控制器1、第二控制器2和电源单元12，第一控制器1用以完成图像采集处理、音频处理以及数据通信等功能，第二控制器2用以完成传感器数据采集、运动控制以及数据处理功能，第一控制器1连接有无线网卡3、摄像头4、音频输出电路5和液晶显示器9，第二控制器2连接有超声波传感器6、倾角传感器7和电机驱动电路8。

优选的，第一控制器1为采用ARM核心处理器的单片机系统，并运行Linux操作系统的嵌入方案。其内核主频可到1.0GHZ、具有32/64位内部总线结构，32/32KB的数据/指令1级cache，512KB的2级cache，可以实现每秒2亿条指令的运算能力。单片机核心板具有512MDDR2内存和NandFLASH存储器，采用5V直流电源供电。单片机扩展板上集成MFC多媒体硬件编码器，支持MPEG-1/2/4，H.263，H.264等格式视频的编解码，支持模拟和数字TV输出，用以处理视频输出数据，此外还集成了JPEG硬件图像编码器，最大可编解码8192*8192分辨率的图片，用以对摄像头4捕捉的图像进行硬件编码。为了连接摄像头4和无线网卡3，单片机扩展板上还继承了USB芯片和三个USB接口。其中USB1连接摄像头4，USB2连接无线网卡3，USB3作为系统调试终端接口。单片机扩展板上还设置有45pin的液晶显示器9接口，连接器采用0.5mmFFC/FPC扁平电缆插座。单片机扩展板设置有声卡芯片，声卡芯片与音频输出电路5连接以完成图像识别的声音反馈。

如图2所示，为了获取现场实时图像数据以供后台云计算平台13识别，摄像头4采用USB接口，包括镜头41、图像传感器42、模数转换电路43、DSP 处理器44和USB控制器45。摄像头4的工作流程是：镜头41采集影像并投射到图像传感器42上，在时钟电路的驱动下，模数转换电路43将图像传感器42输出模拟的视频信号转换成数字信号，并送入DSP中进行处理和压缩，最后数据通过USB控制器45打包输出。为保证图像质量和稳定性，摄像头4采用中星微芯片方案的UVC普通USB摄像头，其idVendor＝0AC8，idProduct＝0333。该摄像头支持USB1.1、USB2.0协议，最大分辨率为640*480，30万像素。输出帧率最高为30帧/秒，输出的图像格式为YUYV数字图像格式。

无线网卡3采用RT3070L芯片，同时支持IEEE802.11b/g/n协议，传输速率最高可以达到150Mbps。该无线网卡3支持开放系统初级认证、64/128位WEP过渡版加密认证、以及WPA-802.1x/WPA2-802.1x、WPA-PSK/WPA2-PSK终极加密认证，支持工作在STA模式和AP模式，支持所有操作系统。无线网卡3用以将视频数据上传到云计算平台13进行图像识别计算。

液晶显示器9选用7寸电容多点触摸屏，分辨率为800*480，数据格式采用24bitRGB接口模式。该液晶屏接口为45PinFPC扁平电缆插座，用以与第一控制器1连接。

第二控制器2是下位机最核心的部分，负责接收控制命令，驱动电机转动，同时采传感器数据，并按协议打包上传。本实施例采用8051内核8位微控制器，内部集成2路PWM电路用以驱动电机控制，具有32个I/O引脚分别与超声波传感器6、倾角传感器7和电机驱动电路8连接。

如图3所示，电机驱动电路8包括电机驱动芯片81、直流电机10和H桥电路83。直流电机10共有4个，分别连接机器人本体底座下的4个驱动轮11。电机驱动芯片81包含4通道逻辑驱动电路连接两个高电压大电流的H桥电路，接收TTL逻辑电平信号可驱动46V、2A以下的电机，工作电流瞬时峰值达到3A，持续工作电流为2A，额定功率为25W。通过改变芯片控制端的电平，即可以对电机正反转控制。第二控制器2输入PWM波即可实现电机转速控制。

机器人在运动的过程中，由于环境的未知性和复杂性，机器人应具有自主检测现场环境中障碍物的能力，同时实现自主定位、壁障行走等，测距系统是必不可少的。超声波传感器6在工作过程中触发引脚提供一个10μs以上脉冲信号，该模块内部将自动产生8个40kHz周期电平脉冲信号，同时检测回波，一旦检测到回波信号，则接收引脚输出回响信号，回响信号脉冲电平宽度与距离成正比。由此可以计算出障碍物距离为：高电平时间*声速(340m/s)/2。超声波传感器6工作电压为5V，静态电流2mA，感应角度小于15度，测量距离2cm-450cm，精度为0.2cm。

倾角传感器7采用三轴加速度传感器，测量机器人运动时的倾角，通过对倾角数据的处理，获取机器人的运行状态，并传送到第二控制器2根据机器人运行姿态做进一步的运动控制。三轴加速度传感器支持标准的I2C或SPI数字接口，自带32级FIFO存储，并且内部有多种运动状态检测和灵活的中断方式等特性。具有小巧轻薄(3mm*5mm*1mm)、超低功耗、可变量程、高分辨率等特点，在典型电压VS为2.5V时功耗电流约为25～130uA，最大量程可达16g，具有可选量程2g、4g、8g，在4mg/LSB分辨率模式下，最小能测量出0.25度的倾角变化。

优选的，第二控制器2还连接有蜂鸣器14，当倾角传感器7检测到机器人即将倾倒时，第二控制器2向蜂鸣器14发送启动信号，蜂鸣器14发出警报。

如图4所示，电源单元12包括12V锂电池121、开关122、滤波电路123、DC/DC模块124和LDO模块125，12V锂电池121通过开关122和滤波电路123 连接，电流经过滤波电路123处理后分别进入DC/DC模块124和LDO模块125，经过降压处理后为第一控制器1和第二控制器2供电。

如图5所示，本实用新型在实际过程当中，开机后进行采用按键触发方式。触发按键后，控制摄像头4拍摄照片，拍摄到的照片开始上传到云服务器，然后经过云服务器快速处理之后，反馈语音到本地，本地再播音频。如：当拍照拍到一个人，语音反馈回来，会根据人的状态进行描述，类似“一个戴眼镜的人”。这种流程适应于所有拍照操作。系统应用在早教机器人上，可以让孩子针对任何感兴趣却不认识的的事物进行拍照，反馈出来相关信息告诉孩子，从而达到陪伴，教育的作用。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种具有图像识别功能的早教机器人，其特征在于，包括机器人本体，所述机器人本体内设置有第一控制器和第二控制器，所述第一控制器用以完成图像采集处理、音频处理以及数据通信功能，第二控制器用以完成传感器数据采集、运动控制以及数据处理功能，所述第一控制器连接有无线网卡、摄像头、音频输出电路和液晶显示器，所述第二控制器连接有超声波传感器、倾角传感器和电机驱动电路。

2.根据权利要求1所述的一种具有图像识别功能的早教机器人，其特征在于，所述第一控制器为采用ARM核心处理器的单片机系统，包括USB接口、音频处理器、视频处理器和图像编码器，所述USB接口与无线网卡和摄像头连接，所述视频处理器支持视频格式的输出并与液晶显示器连接，所述音频处理器和音频输出电路连接，所述图像编码器对摄像头捕捉的图像进行硬件编码。

3.根据权利要求2所述的一种具有图像识别功能的早教机器人，其特征在于，所述摄像头包括镜头、图像传感器、模数转换电路、DSP处理器和USB控制器，所镜头采集影像并投射到图像传感器上，在时钟电路的驱动下，模数转换电路将图像传感器输出模拟的视频信号转换成数字信号，并送入DSP中进行处理和压缩，最后数据通过USB控制器打包输出。

4.根据权利要求2所述的一种具有图像识别功能的早教机器人，其特征在于，所述无线网卡内置WIFI芯片，将视频数据上传到云计算平台进行图像识别计算。

5.根据权利要求1所述的一种具有图像识别功能的早教机器人，其特征在于，所述第二控制器采用8位单片机芯片，其芯片引脚分别与超声波传感器、倾角传感器和电机驱动电路连接。

6.根据权利要求5所述的一种具有图像识别功能的早教机器人，其特征在于，所述电机驱动电路包括电机驱动芯片、直流电机和H桥电路，所述直流电机有四个，分别连接安装于机器人本体底部的四个驱动轮，电机驱动芯片接收第二控制器发出的PWM信号，通过H桥电路控制直流电机的转速和正反方向控制。

7.根据权利要求5所述的一种具有图像识别功能的早教机器人，其特征在于，所述超声波传感器接收第二控制器引脚发出的触发信号，超声波传感器自动产生一个周期性电平信号同时检测回波，当超声波传感器接收到回波时向第二控制器引脚发送回响信号。

8.根据权利要求5所述的一种具有图像识别功能的早教机器人，其特征在于，所述倾角传感器采用三轴加速度传感器，测量机器人运动时的倾角，通过对倾角数据的处理，获取机器人的运行状态，并传送到第二控制器根据机器人运行姿态做进一步的运动控制。

9.根据权利要求6所述的一种具有图像识别功能的早教机器人，其特征在于，所述第二控制器还连接有蜂鸣器，当倾角传感器检测到机器人即将倾倒时，第二控制器向蜂鸣器发送启动信号，蜂鸣器发出警报。

10.根据权利要求6所述的一种具有图像识别功能的早教机器人，其特征在于，还包括电源单元，所述电源单元包括12V锂电池、开关、滤波电路、DC/DC模块和LDO模块，所述12V锂电池通过开关和滤波电路连接，电流经过滤波电路处理后分别进入DC/DC模块和LDO模块，经过降压处理后为第一控制器和第二控制器供电。