CN213070168U - 基于六自由度机械臂的儿童毛笔书法机器人教学装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于六自由度机械臂的儿童毛笔书法机器人教学装置。属于计算机教学领域；包括计算机控制模块、机械臂、汉字书写评估系统、射频识别模块及扬声器；其用于：1、汉字书写；2、卡片读取；3、语音播报；4、手写模拟；5、实战评估；本实用新型的特点在于：(1)、操作过程简单益上手，面向低龄段儿童，开发智力；(2)、以国学知识为载体，以提高书法写作能力为目标，一举两得；(3)、实时纠正儿童书法练习不规范行为，并生成记录报表且提出修改意见；(4)、含有多种工作模式，功能强大，趣味性强，充分调动儿童书法练习积极性。

Description

基于六自由度机械臂的儿童毛笔书法机器人教学装置

技术领域

本实用新型涉及计算机教学领域，具体涉及一种基于六自由度机械臂的儿童毛笔书法机器人教学装置。

背景技术

随着人民生活水平的不断提高，越来越多的家长更加重视儿童的启蒙教育，由此产生了我国传统文化的回归；以书法和国学为代表的传统文学倍受青睐，通过临摹书法来磨练儿童好动浮躁的性格，通过学习国学来提升儿童的文学气质与知识储备。

在以书法和国学为代表的传统文学面向教育市场的推广中，往往存在着如下的问题：由于传统的教学模式较为枯燥，儿童出现畏难情绪后容易出现收获不佳的情况发生；现如今国学馆的教学费用较为昂贵，且父母需要按时按点接送孩子，这种教学方式无疑增加了父母的经济负担和劳动强度；针对我国目前的社会发展来看，以人工智能、机器人以及物联网为代表的新兴产业正处于飞速发展的过程中，父母往往太过于重视儿童的文化成绩而忽略了对儿童计算机编程能力的开发，这将严重阻碍我国科技发展的进程。现有技术公开了申请号201510319874.8的一种书法机器人，通过个人电脑端控制书法机器人完成毛笔书法作品的书写，具有制造成本低功能强大的优点，适用于家庭及办公使用；但现有的技术操作较为复杂，缺乏趣味性和可操作性，无法面向低龄段儿童毛笔书法的教学，同时儿童在操作该系统时无法了解所写毛笔字的国学知识，故无法通过书法磨练浮躁性格，提升自身的文学气质和知识储备。

实用新型内容

针对上述问题，本实用新型提供了一种基于六自由度机械臂的儿童毛笔书法机器人教学装置，儿童可以通过向计算机发出书写指令促使机械臂完成毛笔字的书写，同时扬声器将播放所写毛笔字的音频资料来满足国学的教学需求，并且儿童可以在相关教程的引导下完成对机械臂的编程以开发儿童的编程能力。

本实用新型的技术方案：基于六自由度机械臂的儿童毛笔书法机器人教学装置，包括计算机控制模块，所述的计算机控制模块通过有线线路分别连接有机械臂、射频读卡器及扬声器。

进一步的，所述的机械臂包括底座，在所述底座的上侧安设有步进电机控制模块，在所述步进电机控制模块的上方安设有夹持毛笔的夹具。

进一步的，在所述底座上安设有用于控制步进电机控制模块的导轨，在所述导轨上安设传送带；

在所述底座的一端安设有步进电机驱动系统，所述步进电机驱动系统连接有220V转12V直流变压器；

在所述底座上还安设有用于连接计算机控制模块的USB接口。

进一步的，所述步进电机控制模块包括至少3个步进电机，还安设有用于控制步进电机的步进电机驱动器；

在所述步进电机控制模块上安设有3个机械开关按钮。

进一步的，在所述计算机控制模块的内部安置有汉字书写评估系统；

所述汉字书写评估系统通过有线线路分别连接有视觉传感器及手写输入装置。

进一步的，所述射频读卡器通过无线信号连接有射频芯片。

本实用新型的有益效果是：(1)、操作过程简单益上手，面向低龄段儿童，开发智力；(2)、以国学知识为载体，以提高书法写作能力为目标，一举两得； (3)、实时纠正儿童书法练习不规范行为，并生成记录报表且提出修改意见； (4)、含有多种工作模式，功能强大，趣味性强，充分调动儿童书法练习积极性。

附图说明

图1是本实用新型的结构流程图；

图中1是计算机控制模块，2是机械臂；3是汉字书写评估系统，31是视觉传感器，32是手写输入装置；4是射频读卡器，41是射频芯片；5是扬声器。

具体实施方式

为了更清楚地说明本实用新型的技术方案，下面结合附图对本实用新型的技术方案做进一步的详细说明：

如图1所述；基于六自由度机械臂的儿童毛笔书法机器人教学装置，包括如下几个环节：(1)、汉字书写，计算机控制模块1向机械臂2不断地发出点位指令，控制机械臂2按要求运动来达到汉字书写的要求；(2)、卡片读取，儿童可以通过以射频芯片41为核心的早教卡片靠近射频读卡器4完成控制指令的发送，同时父母可以对附带白板卡进行信息烧录来对早教卡的内容进行扩展；(3)、语音播报，机械臂2在书写汉字的同时扬声器5将播放与所写内容有关的知识，提高儿童知识储备；(4)、手写模拟，儿童可以在手写输入装置32上练习笔法以增强儿童对汉字的结构意识，同时汉字书写评估系统3能够对汉字书写不规范的行为进行实时的矫正，包括笔顺错误与错别字；(5)、实战评估，儿童在书写毛笔字时，位于书写平台上面的视觉传感器31将实时采集书写影像，安置于计算机控制模块1的汉字书写评估系统3将对影像进行评估打分并提出相应的修改意见；家长可以随时翻阅儿童的学习情况与评分统计来实时了解儿童的学习状况；其具体实现方式如下：

本实用新型具体包括计算机控制模块1，所述的计算机控制模块1通过有线线路分别连接有机械臂2、射频读卡器4及扬声器5；

所述计算机控制模块1与机械臂2、射频读卡器4及扬声器5之间可以是有线线路连接，也可以是通过无线信号相互连接；

其中，计算机控制模块1：该模块由配备i5处理器的计算机构成，为汉字书法评估系统3提供相应的运行环境，同时接受来自于视觉传感器31、手写输入装置32以及射频识别模块的输入信号，并对信号进行处理完成对扬声器5以及机械臂2的控制；

所述的扬声器5通常是蜂鸣器：采用HYE1206-05ST，计算机控制模块1可以通过数据总线向蜂鸣器发送音频驱动信号，方便用户从听觉方面了解国学基础知识，增强识字效率。

进一步的，所述的机械臂2包括底座，在所述底座的上侧安设有步进电机控制模块，在所述步进电机控制模块的上方安设有夹持毛笔的夹具。

进一步的，在所述底座上安设有用于控制步进电机控制模块的导轨，在所述导轨上安设传送带；

在所述底座的一端安设有步进电机驱动系统，所述步进电机驱动系统连接有220V转12V直流变压器，

在所述底座上还安设有用于连接计算机控制模块1的USB接口；

其中，所述步进电机驱动系统：是由步进电机和步进电机驱动器构成；其性能不但取决于步进电机自身的性能，也取决于步进电动机驱动器的优劣；

进一步的，所述步进电机控制模块包括至少3个步进电机，还安设有用于控制步进电机的步进电机驱动器；

所述的步进电机驱动器：是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构；当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度(称为“步距角”)，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的；可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速和定位的目的；

在所述步进电机控制模块上还安设有用于3个机械开关按钮；

具体的，(1)、机械臂2：其作用是完成工作模态的选择和毛笔字的书写任务；

(2)、底座：由传送带和导轨构成；其作用是用于固定及支撑机械臂；

导轨：为铝型材构成的导槽，能够为机械臂上半部分提供支撑以及运动方向的约束；

传动带：由橡胶构成，传送带左边与步进电机接触，能够带动机械臂2上半部分在水平方向运动；

(3)、步进电机驱动系统：步进电机为12V步进电机42BYGH34-401A，步进电机驱动器为TB6600，该部分可以控制夹具完成毛笔字书写的功能；

(4)、电源模块：采用220v转12v直流变压器25S-120-12为步进电机进行供电，具有供电稳定、成本低廉的特点，可满足长期使用需要；

(5)、机械开关按钮：用户可以通过按键选择三种不同的工作模态：卡片播报、手写模拟及实战模拟。

进一步的，在所述计算机控制模块1的内部安置有汉字书写评估系统3；

所述汉字书写评估系统3通过有线线路分别连接有视觉传感器31及手写输入装置32

具体的，(1)、汉字书写评估系统3：该模块为安装于计算机控制模块1的一套软件系统，能够对用户的汉字书写情况进行评估，并生成相应的修改意见；

(2)、视觉传感器31：视觉传感器31：采用IMX422LQJ-C，视觉传感器31 固连于书写平台正上方，能够捕捉毛笔字轮廓，随后通过汉字书写评估系统3 进行评估打分，方便练习记录的生成和修改意见的提出；

(3)、手写输入装置32：采用ET-A501，当用户选择手写模拟模式时，用户需要在手写板上方进行写字训练从而形成肌肉记忆，同时汉字书写评估系统3 将通过手写输入装置32的输出点位坐标判断用户书写是否符合规范并及时提出修改意见；

进一步的，所述射频读卡器4通过无线信号连接有射频芯片41；其作用是用于能够识别射频芯片41。

具体的，射频识别模块：该模块由超高频射频芯片(AR61F)41和射频读卡器(KT8003(G))4构成，用户可以通过刷卡完成书写指令的下发，同时用户可以对卡片内部包含信息进行实时的修改，从而达到重复使用的功能。

本发明的工作原理：在首次使用该装置时，用户可以通过扩展坞将手写输入装置32、视觉传感器31以及射频读卡器4与USB接口进行连接，随后用户需要对视觉传感器31进行调整，促使摄像头视野能够覆盖书写平台并且位于平台中央避免图像出现畸变；将机械臂2接通电源并将USB接口连接于计算机控制模块 1完成数据的传输，此时扬声器5将发出声音信号来提示是否连接成功；

机械臂2的底座包含3个机械开关按钮：卡片播报、手写模拟及实战模拟；当用户将早教卡靠近射频读卡器并在听到提示音移开后，用户需要选择相应的工作模式：当用户选择卡片播报模式时，此时扬声器将播放卡片的内容。当用户选择手写模拟模式时，用户需要在手写板上方进行写字训练从而形成肌肉记忆，安置于计算机控制模块1的汉字书写评估系统3将通过读取手写板点位坐标判断用户书写是否符合规范并及时提出修改意见；当用户选择实战模拟时，用户需要跟着机械臂2的笔法进行模仿，进行运笔、布局等专项训练；随后位于书写平台正上方的视觉传感器31将捕捉毛笔字轮廓并通过汉字书写评估系统3进行评估打分，并提出改进意见；上述的3种工作模态分别代表着3个不同的学习阶段，即认知、模拟和实战。

在刷卡环节，用户需要按要求将以射频芯片41为核心的早教卡靠近射频读卡器4；早教卡主要分为4类，分别为：偏旁卡、字词卡、诗词卡以及白板卡；上述4种卡片分别对应着儿童在认知学习过程中的不同需求，首先儿童需要将部首偏旁熟记于心，并且要在家长的监督下勤加练习；随后使用字词卡，该卡片分为单字、词语和成语；儿童需要将前期所学的各类偏旁部首按要求进行组合，力求做到“笔顺正确，笔画清楚，字形规范，字体美观”，当选择语音播报时，扬声器5将播放字词的解释与一些小故事，该举措能够有效地调动儿童的学习兴趣从而提高学习效率；当用户选择诗词卡时，语音播报将采用古典旋律朗诵诗词或者播放儿歌的形式对诗词内容进行播放；同时在实战模拟环节，书法机器人将对儿童书写的行文款式以及卷面整洁方面做出要求，有效培养了儿童书法临摹的行文意识；对于白板卡，该卡主要应用于家长对儿童所学知识进行扩展，用户可以对卡片内部包含信息进行实时的修改，避免了早教卡不能面面俱到的尴尬；白板卡可以重复使用，家长只需要通过操作计算机控制模块1促使射频读卡器4对射频芯片41的内部信息进行修改。

随着儿童年龄的增长，家长必须对儿童的编程能力进行启蒙训练以满足当今社会对编程人才的需求；锻炼编程能力能够有效地提高儿童的逻辑思维能力以及周到细致、严肃认真的学习态度。考虑到目前的编程教学现状，以实物为基础的编程教学越来越受到儿童们的喜爱，儿童们可以通过编程使实物表现出来的各种情况来获得成就感，这将极大地激发儿童对编程学习的兴趣；基于这一点，我们在设计书法机器人时提供了大量的API函数接口，促使机械臂能够完成丰富的动作，极大地增强了书法机器人的趣味性以及可持续利用性。

Claims (6)

1.基于六自由度机械臂的儿童毛笔书法机器人教学装置，其特征在于，包括计算机控制模块，所述的计算机控制模块通过有线线路分别连接有机械臂、射频读卡器及扬声器。

2.根据权利要求1所述的基于六自由度机械臂的儿童毛笔书法机器人教学装置，其特征在于，所述的机械臂包括底座，在所述底座的上侧安设有步进电机控制模块，在所述步进电机控制模块的上方安设有夹持毛笔的夹具。

3.根据权利要求2所述的基于六自由度机械臂的儿童毛笔书法机器人教学装置，其特征在于，在所述底座上安设有用于控制步进电机控制模块的导轨，在所述导轨上安设传送带；

在所述底座的一端安设有步进电机驱动系统，所述步进电机驱动系统连接有220V转12V直流变压器；

在所述底座上还安设有用于连接计算机控制模块的USB接口。

4.根据权利要求2所述的基于六自由度机械臂的儿童毛笔书法机器人教学装置，其特征在于，所述步进电机控制模块包括至少3个步进电机，还安设有用于控制步进电机的步进电机驱动器；

在所述步进电机控制模块上安设有3个机械开关按钮。

5.根据权利要求1所述的基于六自由度机械臂的儿童毛笔书法机器人教学装置，其特征在于，在所述计算机控制模块的内部安置有汉字书写评估系统；

所述汉字书写评估系统通过有线线路分别连接有视觉传感器及手写输入装置。

6.根据权利要求1所述的基于六自由度机械臂的儿童毛笔书法机器人教学装置，其特征在于，所述射频读卡器通过无线信号连接有射频芯片。

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