CN208323397U - 一种教育机器人及其控制系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种教育机器人及其控制系统。该教育机器人包括：主控模块，用于接收移动终端发送的指令，并根据指令和检测模块的检测结果控制所述教育机器人执行对应的动作；检测模块，连接至主控模块，用于根据指令检测对应的运动条件，并将检测结果发送给主控模块。本实用新型通过附加检测模块，提供了条件判断的依据，能够控制教育机器人执行与条件判断相关的条件控制指令和循环控制指令，编程多样性更利于训练用户编程逻辑思维，解决了积木编程逻辑单一、用法固定的问题；移动终端采用图形化编程方式，将对应指令发送给教育机器人，省去了积木编程的装置，解决了积木指令模块易丢失、易损坏的问题，降低了教育机器人生产成本。

Description

一种教育机器人及其控制系统

技术领域

本实用新型涉及教育用具技术领域，尤其涉及一种教育机器人及其控制系统。

背景技术

随着社会和科技的进步与发展，教育也逐渐趋于科技化，教育机器人就是一个典型的代表，在不用掌握编程语言的情况下就可以完成程序的设计与实现，用于锻炼学生以及其他用户的动手、编程以及逻辑思维的能力，达到寓教于乐的目的。

目前市场现有的用于锻炼用户编程能力的教育机器人，多采用积木编程方式。这样类似于搭积木游戏的学习编程的电子装置由三部分组成：输入部分、控制部分和输出部分。其中输入部分就是积木块，积木块中含有指令信息，指令信息由积木块内的电子元器件组成；控制部分以单片机为核心，对输入信息即指令进行分析和处理；输出部分是把通过单片机处理后的信息以发声、发光、电机转动等形式表现出来，直观地体现出指令的作用效果。

现有的基于积木块编程的教育机器人，虽然在一定程度上锻炼了用户的编程及逻辑思维能力，但由于每个积木块仅对应单一的操作指令，且仅能按照积木块的摆放顺序以简单的顺序执行各个指令。所以现有的基于积木块编程的教育机器人编程逻辑过于单一，可操作性不强，对于用户的操作有很大的局限性，降低用户的体验感和编程思维的可锻炼性。

实用新型内容

本实用新型提供一种教育机器人及其控制系统，能够执行条件判断的编程逻辑指令，编程多样性更利于训练用户编程逻辑思维。

第一方面，本实用新型实施例提供了一种教育机器人，包括：主控模块和检测模块；

所述主控模块，用于接收移动终端发送的指令，并根据所述指令和所述检测模块的检测结果控制所述教育机器人执行对应的动作；

所述检测模块，连接至所述主控模块，用于根据所述指令检测对应的运动条件，并将检测结果发送给所述主控模块。

优选的，所述检测模块包括：红外检测模块和超声波测距模块；

所述红外检测模块，连接至所述主控模块，用于根据所述指令检测所述教育机器人的承载平面是否存在，并将第一检测结果发送给所述主控模块；

所述超声波测距模块，连接至所述主控模块，用于根据所述指令测量所述教育机器人与周围障碍物之间的距离，并将第二检测结果发送给所述主控模块。

优选的，所述教育机器人还包括：舵机，连接至所述超声波测距模块和所述主控模块，用于根据所述指令控制所述超声波测距模块转动。

优选的，所述教育机器人为小车结构，包括：底盘及安装在所述底盘上的四个车轮；

所述主控模块和所述超声波测距模块均设置于所述底盘上；

所述红外检测模块的个数为四个，分别设置于前轮的前端及后轮的后端。

优选的，所述教育机器人还包括：

无线通信模块，连接至所述主控模块，用于通过无线方式接收所述移动终端发送的指令，并将所述指令发送给所述主控模块。

优选的，所述教育机器人还包括：

声音播放器，连接至所述主控模块，用于根据所述指令播放预设语音。

优选的，所述教育机器人还包括：

指示灯，连接至所述主控模块，用于根据所述指令进行灯光提示。

优选的，所述红外检测模块通过I2C总线与所述主控模块连接。

优选的，所述超声波测距模块通过串行接口与所述主控模块连接。

第二方面，本实用新型实施例还提供了一种教育机器人控制系统，包括：教育机器人和移动终端；

所述教育机器人是本实用新型任意实施例所述的教育机器人；

所述移动终端，与所述教育机器人连接，用于根据用户的输入信息将用户选择的编程图形转换为指令，并将所述指令发送给所述教育机器人。

本实用新型实施例提供一种教育机器人及其控制系统，教育机器人通过附加的检测模块，提供了条件判断的依据，能够控制教育机器人执行与条件判断相关的条件控制指令和循环控制指令，编程多样性更利于训练用户编程逻辑思维，解决了积木编程逻辑单一、用法固定的问题，更加符合编程方法和逻辑思想，能够更好地培养用户动手与逻辑思维能力；另外，移动终端采用图形化编程方式，根据用户的输入信息将用户选择的编程图形转换为指令，并将指令发送给教育机器人，省去了积木编程的装置，从而解决了积木编程时积木指令模块易丢失、易损坏的问题，同时降低了教育机器人的生产成本。

附图说明

图1是本实用新型实施例一中的一种教育机器人的结构框图；

图2是本实用新型实施例二中的一种教育机器人的结构框图；

图3是本实用新型实施例三中的一种教育机器人的结构示意图；

图4是本实用新型实施例四中的一种教育机器人控制系统的结构框图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本实用新型，而非对本实用新型的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本实用新型相关的部分而非全部结构。

实施例一

图1为本实用新型实施例一提供的一种教育机器人的结构框图。本实施例可适用于训练用户编程逻辑思维的情况，该教育机器人具体包括：主控模块110和检测模块120。

主控模块110，用于接收移动终端发送的指令，并根据指令和检测模块120的检测结果控制教育机器人执行对应的动作。

检测模块120，连接至主控模块110，用于根据指令检测对应的运动条件，并将检测结果发送给主控模块110。

其中，移动终端发送的指令包括：单一动作控制指令、条件控制指令或循环控制指令。较优的，指令是通过图形化编程方式得到，即移动终端可以采用图形化编程的方式输出指令，比积木编程更加灵活多变，也更符合编程方法和编程逻辑的训练。主控模块110可以是单片机；检测模块120可以是具备相关检测功能的传感器，例如，检测障碍物的传感器、检测声音的传感器、检测平面的传感器等。当检测模块120的检测结果符合指令中的条件时，则主控模块110控制教育机器人执行该条件对应的动作。

移动终端向教育机器人的主控模块110发送用户编辑的指令，主控模块110接收到指令，对指令内容进行分析，控制检测模块120进行该指令对应的运动条件检测，并将检测结果作为指令中的条件判断依据，综合移动终端下达的指令以及检测结果，控制教育机器人执行对应的动作。示例性地，移动终端向教育机器人的主控模块110发送以每秒1米的速度向前行驶30秒的指令，由于行驶速度较慢，并向教育机器人的主控模块110发送每隔0.5秒检测一次前方障碍物的指令，行进过程中，当检测模块120检测到障碍物时，将检测结果反馈给主控模块110，主控模块110根据检测的结果，控制教育机器人停止或向右转动90度继续行驶。另一示例中，移动终端向教育机器人的主控模块110发送“直行，如果左右两侧存在障碍则反向行驶”的指令，当前方遇到障碍物时，检测教育机器人左侧和右侧是否存在障碍物，当左侧和右侧同时存在障碍物时，主控模块110控制教育机器人的全部指示灯以一定的频率闪烁，并原地旋转180度，进而关闭所有指示灯，向相反的方向继续行驶。又一示例中，将教育机器人放在桌面上，移动终端向教育机器人的主控模块110发送“直行，如果承载平面不存在则左转90度后继续直行”的循环指令，行进过程中，当检测模块120检测到行驶方向上教育机器人的承载平面不存在时，主控模块110根据检测结果控制教育机器人向左旋转90度继续直行，如此循环下去，直到主控模块110收到移动终端传来的停止或其他控制指令。

进一步地，该教育机器人还可以包括：无线通信模块，连接至主控模块110，用于通过无线方式接收移动终端发送的指令，并将该指令发送给主控模块110。

教育机器人可以通过无线方式与移动终端连接，无线通信模块作为教育机器人与移动终端之间指令的交互通道，将来自移动终端的指令发送给主控模块110。无线通信模块具体可以采用ZigBee、蓝牙、WiFi等无线通信方式。考虑到教育机器人一般是在用户的可视范围内活动，优选可以选择蓝牙无线通信方式，相应的，无线通信模块为蓝牙模块，则具备蓝牙功能的移动终端即可通过蓝牙无线通信的方式将指令发送给主控模块110。较优的，可以使用蓝牙低能耗(Bluetooth Low Energy，BLE)模块，实现短距离的功耗极低的无线通信。

此外，教育机器人还可以包括：声音播放器，连接至主控模块110，用于根据指令播放声音，例如进行语音报警；指示灯，连接至主控模块110，用于根据指令进行灯光提示，例如，闪烁灯光以进行灯光报警；电源，连接至主控模块110，用于给教育机器人中的电路供电。

本实施例的技术方案，通过附加的检测模块，提供了条件判断的依据，能够控制教育机器人执行与条件判断相关的条件控制指令和循环控制指令，编程多样性更利于训练用户编程逻辑思维，解决了积木编程逻辑单一、用法固定的问题，更加符合编程方法和逻辑思想，能够更好地培养用户动手与逻辑思维能力；移动终端采用图形化编程方式，将用户选择的编程图形转换为指令，并将指令发送给教育机器人，省去了积木编程的装置和指令传输时所用的线缆，从而解决了积木编程时积木指令模块易丢失、易损坏的问题，同时降低了教育机器人的生产成本。

实施例二

本实施例在上述实施例一的基础上，提供了检测模块120的一种优选结构，图2为本实用新型实施例二提供的一种教育机器人的结构框图，如图2所示，检测模块120具体包括：红外检测模块210和超声波测距模块220。

红外检测模块210，连接至主控模块110，用于根据指令检测教育机器人的承载平面是否存在，并将第一检测结果发送给主控模块110。

其中，红外检测模块210可以通过I2C总线(Inter-Integrated Circuit，两线式串行总线)与主控模块110连接，通过I2C通讯进行指令和检测结果的传输。主控模块110将接收到的红外检测指令通过I2C总线发送给红外检测模块210，红外检测模块210将检测结果通过I2C总线发送给主控模块110，主控模块110对检测结果进行判断，并下达下一步动作指令。

红外检测模块210可以安装在教育机器人与承载平面的接触部位，例如，安装在人形机器人的脚附近、安装在小车形状机器人的车轮附近等，以免机器人其余部位的运动影响承载平面的检测。

红外检测模块210配合条件控制指令或循环控制指令进行承载平面的检测，例如，指令是“如果脚上的红外报警，后退”，则红外检测模块210根据主控模块110发来的指令实时检测承载平面，并将检测结果传给主控模块110，一旦检测结果是承载平面不存在，则主控模块110根据该指令控制教育机器人执行后退的动作。由此，通过红外检测模块210配合条件控制指令或循环控制指令进行运动条件的检测，主控模块110控制教育机器人执行对应的动作，能够防止教育机器人的跌倒和坠落。

具体的，红外检测模块210包括：红外发射管和红外接收管，红外发射管用于发射红外信号，红外接收管用于接收由承载平面反射回来的红外信号。红外发射管发射的红外光束比较集中，支持漫反射，因此允许以一定的角度发射红外信号以及对反射信号的接收。例如，安装在人形机器人的脚附近的红外检测模块的红外发射管和红外接收管朝向斜前方，并与水平面呈锐角。

示例性地，红外检测模块210的红外发射管和红外接收管均与水平面呈45度夹角。当主控模块110接收到红外检测指令时，主控模块110将指令通过I2C总线发送给红外检测模块210，红外发射管朝与水平面呈45度夹角的方向倾斜发射若干红外信号。当教育机器人仍处于承载平面上时，在预定时间内，红外接收管能够接收到承载平面反射回来的红外信号，则说明此时教育机器人处于承载平面的安全范围内，教育机器人可以继续行进。否则，当教育机器人即将行驶出承载平面时，在预定时间内红外接收管不能够接收到承载平面反射回来的红外信号，则说明此时教育机器人即将行驶出承载平面，处于危险状态，教育机器人应该停止行进或向其他方向行驶。红外检测模块210将检测结果通过I2C总线发送给主控模块110，主控模块110根据移动终端发送的指令和红外检测模块210的检测结果，控制教育机器人的下一步动作。

超声波测距模块220，连接至主控模块110，用于根据指令测量教育机器人与周围障碍物之间的距离，并将第二检测结果发送给主控模块110。

其中，超声波测距模块220可以通过串行接口与主控模块110连接，通过串口通讯进行指令和检测结果的传输。主控模块110将接收到的测距指令通过串行接口发送给超声波测距模块220，超声波测距模块220将检测结果通过串行接口发送给主控模块110，主控模块110对检测结果进行判断，并下达下一步动作指令。

超声波测距模块220可以安装在教育机器人上利于检测障碍物的部位，例如，安装在人形机器人的头顶或胸前、安装在小车形状机器人的底盘上等。

进一步地，该教育机器人还包括：舵机230，连接至超声波测距模块220和主控模块110，用于根据指令控制超声波测距模块220转动，从而实现多方位的障碍物检测。

超声波测距模块220配合条件控制指令或循环控制指令进行障碍物检测，例如，当主控模块110接收到“如果前方障碍物距离小于0.4米，左转90度”的测量障碍物距离的指令时，主控模块110根据指令控制舵机230旋转一定的角度，舵机230控制超声波测距模块220旋转一定的角度，使得超声波测距模块220根据主控模块110发来的指令实时测量前方障碍物与教育机器人之间的距离，并将超声波测距模块220检测到的结果作为第二检测结果通过串行接口发送给主控模块110，主控模块110对第二检测结果进行判断，并下达下一步动作指令，例如，前方障碍物距离小于0.4米，则主控模块110根据该指令控制教育机器人执行左转90度的动作。由此，通过超声波测距模块220配合条件控制指令或循环控制指令进行运动条件的检测，主控模块110控制教育机器人执行对应的动作，能够起到防撞效果。

示例性地，用户编辑教育机器人检测后方是否存在障碍物，主控模块110接收到检测指令，控制舵机230旋转180度，舵机230控制超声波测距模块220旋转180度。主控模块110将测距指令通过串行接口发送给超声波测距模块220，超声波测距模块220根据指令测量超声波测距模块220前方的障碍物与教育机器人之间的距离，并将测距结果通过串行接口发送给主控模块110，主控模块110根据移动终端发送的指令和检测模块120的检测结果，控制教育机器人的下一步动作。若用户设置预定义的安全为距离0.4米，则当测量的结果为0.3米时，小于用户预定义的安全距离，则控制教育机器人向前或者斜前方行驶。

此外，检测模块120还可以包括光电式传感器、图像传感器、声音传感器和测速传感器等多种检测模块，用于实现教育机器人周围各种状态的检测，同时也增加了多种条件判断的依据，丰富了教育机器人的编程逻辑。以声音传感器为例，指令是“如果检测到声音，驶向声音来源”，则主控模块110根据指令控制声音传感器检测声音，并判断声音位置，从而控制教育机器人的行驶方向。

本实施例的技术方案，通过采用倾斜的红外信号收发模式，增加了检测距离，从而有效地防止教育机器人的跌倒和坠落；通过采用超声波测量距离的方式，确保了教育机器人与周围障碍物之间的安全距离，从而有效地防止教育机器人的磕碰。通过附加的检测模块，提供了条件判断的依据，解决了积木编程逻辑单一、用法固定的问题，更加符合编程方法和逻辑思想，能够更好地培养用户动手与逻辑思维能力。

实施例三

图3为本实用新型实施例三提供的一种教育机器人的结构示意图，本实施例可适用于训练用户编程逻辑思维的情况，如图3所示，本实施例的教育机器人为小车结构，具体包括：底盘301及安装在底盘上的四个车轮302。每个车轮均连接有对应的车轮驱动电机303。

主控模块110和超声波测距模块220均设置于底盘301上。舵机230设置在底盘301上，与超声波测距模块220连接。红外检测模块210的个数为四个，分别设置于前轮302的前端及后轮302的后端。具体的，前轮的两个红外检测模块的红外发射管和红外接收管朝向斜前方，并与水平面呈锐角，同样地，后轮的两个红外检测模块的红外发射管和红外接收管朝向斜后方，并与水平面呈锐角。

底盘301上还可以安装：声音播放器304、指示灯305、电机驱动模块306、无线通信模块307和电源308。具体的，如图3所示，可以在底盘301上安装控制电路板309，将主控模块110、超声波测距模块220、舵机230、声音播放器304、电机驱动模块306、无线通信模块307和电源308安装在控制电路板309上，便于连接。其中，声音播放器304，连接至主控模块110，用于根据指令播放预设语音。指示灯305，连接至主控模块110，用于根据所述指令进行灯光提示。电机驱动模块306，连接至主控模块110和车轮驱动电机303，用于根据主控模块110的指令驱动车轮驱动电机303，控制对应的车轮302运动。电源308可以是锂离子电池，为教育机器人中的电路供电。

主控模块110通过无线通信模块307接收移动终端发送过来的指令，并将指令发送给教育机器人的其他部件。示例性地，当教育机器人准备后退时，主控模块110接收到后退的指令，并将指令发送给所需功能模块。声音播放器304接收指令，根据指令播放预设语音，例如“倒车请注意”；指示灯305接收指令，根据指令进行一定频率的闪烁，达到灯光提示的目的；红外检测模块210接收指令，根据指令检测教育机器人后方承载平面情况，若教育机器人处于危险状态，则停止动作，若教育机器人处于安全状态，则进行下一步动作；舵机230接收指令，根据指令旋转180度至教育机器人后方，并控制超声波测距模块220旋转180度至教育机器人后方，对教育机器人后方障碍物与教育机器人之间的距离进行测量，若教育机器人与后方障碍物处于危险距离范围内，则停止动作，若教育机器人与后方障碍物处于安全距离范围内，则进行下一步动作。主控模块110综合上述各模块的检测结果，控制电机驱动模块306和车轮驱动电机电机303执行教育机器人后退的动作。

本实施例的技术方案，通过教育机器人的各功能模块间的互相配合，使教育机器人始终保持安全状态，并执行对应的动作。控制教育机器人执行与条件判断相关的条件控制指令和循环控制指令，编程多样性更利于训练用户编程逻辑思维，解决了积木编程逻辑单一、用法固定的问题，更加符合编程方法和逻辑思想，能够更好地培养用户动手与逻辑思维能力。

实施例四

图4为本实用新型实施例四提供的一种教育机器人控制系统的结构示意图。本实施例可适用于训练用户编程逻辑思维的情况，该教育机器人控制系统具体包括：教育机器人410和移动终端420。

教育机器人410是本实用新型任意实施例所述的教育机器人，本实施例对其具体结构不再赘述。

移动终端420，与教育机器人410连接，用于根据用户的输入信息将用户选择的编程图形转换为指令，并将指令发送给教育机器人410。

其中，移动终端420可以通过无线方式与教育机器人410连接，便于教育机器人执行动作。移动终端420可以在其显示屏上显示编程图形，不同的编程图形对应于不同的指令，多个编程图形可构成复杂指令，例如，利用这些编程图形可以得到条件控制指令、循环控制指令和各种单一动作指令。用户根据需求在移动终端420上选择(如在触摸屏上拖拽)所需的编程图形或输入图形代码，移动终端420将用户所选的编程图形转换为对应的指令，并通过无线通信模块307将指令发送给教育机器人410。示例性地，用户设计教育机器人410行进的完整路线，在移动终端420上输入了例如直行、左转、红外防跌落检测、超声波测距检测和闪烁指示灯等图形代码，用于教育机器人410的控制和条件判断；移动终端420将编程图形转换为指令，并将指令发送给教育机器人410；教育机器人410执行用户所编程图形的对应动作。

编程图形可以是预先存储在移动终端420中，也可以是移动终端420从服务器获取。在实际应用中，移动终端420可以安装有教育机器人APP，用户登录该APP后，在该APP的编程界面显示编程图形(也可以同时显示图形代码和文字介绍)，由此用户可以根据需求选择编程图形。

本实施例的技术方案，通过移动终端以图形化编程的方式，发送指令控制教育机器人，灵活实现条件控制、循环控制和单一动作控制编程，省去了积木编程的编程装置，解决了积木编程时积木指令模块易丢失、易损坏的问题，同时降低了教育机器人的生产成本。

注意，上述仅为本实用新型的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本实用新型不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本实用新型的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本实用新型进行了较为详细的说明，但是本实用新型不仅仅限于以上实施例，在不脱离本实用新型构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本实用新型的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (6)

1.一种教育机器人，其特征在于，所述教育机器人为小车结构，包括：主控模块、检测模块、无线通信模块、舵机、底盘及安装在所述底盘上的车轮；

所述主控模块，用于接收移动终端发送的指令，并根据所述指令和所述检测模块的检测结果控制所述教育机器人执行对应的动作；

所述检测模块，连接至所述主控模块，用于根据所述指令检测对应的运动条件，并将检测结果发送给所述主控模块；

所述无线通信模块，连接至所述主控模块，用于通过无线方式接收所述移动终端发送的指令，并将所述指令发送给所述主控模块；

其中，所述检测模块包括：红外检测模块和超声波测距模块；

所述红外检测模块，连接至所述主控模块，用于根据所述指令检测所述教育机器人的承载平面是否存在，并将第一检测结果发送给所述主控模块；

所述超声波测距模块，连接至所述主控模块，用于根据所述指令测量所述教育机器人与周围障碍物之间的距离，并将第二检测结果发送给所述主控模块；

所述舵机，连接至所述超声波测距模块和所述主控模块，用于根据所述指令控制所述超声波测距模块转动；

所述主控模块和所述超声波测距模块均设置于所述底盘上；

所述红外检测模块分别设置于前轮的前端及后轮的后端。

2.根据权利要求1所述的教育机器人，其特征在于，所述教育机器人还包括：声音播放器，连接至所述主控模块，用于根据所述指令播放预设语音。

3.根据权利要求1所述的教育机器人，其特征在于，所述教育机器人还包括：指示灯，连接至所述主控模块，用于根据所述指令进行灯光提示。

4.根据权利要求1所述的教育机器人，其特征在于，所述红外检测模块通过I2C总线与所述主控模块连接。

5.根据权利要求1所述的教育机器人，其特征在于，所述超声波测距模块通过串行接口与所述主控模块连接。

6.一种教育机器人控制系统，其特征在于，包括：教育机器人和移动终端；

所述教育机器人是权利要求1至5中任一项所述的教育机器人；

所述移动终端，与所述教育机器人连接，用于根据用户的输入信息将用户选择的编程图形转换为指令，并将所述指令发送给所述教育机器人。