专利名称：智能学习、娱乐机器人玩伴的制作方法
技术领域：
本发明属于机器人技术领域，具体涉及一种具备丰富的运动自由度、并能智能控制的机器人，是一种与智能机器人紧密结合的新型学习、娱乐平台。可应用于机器人研究以及教育玩伴、场馆导游、家庭娱乐等。
背景技术：
目前，拟人机器人以其传统机器人所不能比拟的人形外观和动感行为引起了人们的极大关注。依靠核心技术的提高以及消费市场的拓展，拟人机器人在最近几年取得了长足的发展，市场售价也在不断地下降。
例如，Wow Wee公司生产的Robosapien V1机器人目前售价只有60美元左右，截至2004年暑期，大约150万套售出。而它的后续产品，Robosapien V2具有12个运动自由度，能完成丰富的人性化动作，自2005年以来，以低于200美元的单价迅速走俏市场，对其他公司的产品如Sony的机器狗造成了极大的压力。AnthroTronix公司生产的CosmoBot是一种集学习和娱乐于一体的机器人，它能对用户的身体动作、语言变化以及遥控信号等做出反应。但是，目前的机器人都没有和计算机平台相结合，其动作都是基于前期的设计任务经过编程而完成的，聪明程度还是不尽如人意。家长门反映，小孩子在玩过几天后就失去了兴趣，他们觉得它始终是一个玩具，无法给他们带来持续的游戏新鲜感和成就感。
另外，在基于消费市场的教育和游戏系统领域，2001年9月已被Riverdeep收购的TheLearning Company(TLC)是以交互式为主题的面向消费者和学校教育软件的主要发行者。它的产品包括野兔浏览器、超级数学、怪盗卡门等。LeapFrog是教育类玩具的主要生产者，它的LittleTouch LeapPad学习系统是一个为6个月到36个月大的幼儿设计的电子教学系统。电子游戏平台的主要生产线包括任天堂的Game Cube以及便携式的Game Boy，索尼的游戏平台以及微软的Xbox等。国内常见的有步步高学习机，诺亚洲学习机等。但这些学习、游戏系统没有一款和机器人相结合。
针对目前拟人机器人以及学习、游戏软件等相关技术的进步和发展，本发明集成拟人机器人系统和PC系统，融学习和娱乐等功能于一体，是一种集机器人技术和计算机技术为一身的移动式互动平台。它有动感的立体造型，不会再像二维的游戏角色那样在电源关掉后消失掉。它可以感知到用户的某些反应从而让使用者在游戏中进行学习和娱乐，从而提高工作效率。用户可以通过看、听、摸来和机器人进行交互，这是一种与和人交流类似但却又不完全相同的感受。这种拟人机器人带来的物理上的视觉、触觉和动作感受是和屏幕上的虚拟机器人角色完全不同的。这种新式平台顺应了机器人玩具和学习机在未来的发展趋势。
发明内容
本发明的目的在于提供一种集动感造型和娱乐、游戏功能于一体的移动式互动平台，也称智能学习机器人玩伴。
本发明提出的智能学习、娱乐机器人玩伴，系统由拟人机器人本体结构、环境感知模块、行为控制模块、主控模块、通讯模块和系统显示界面组成，其中1、拟人机器人本体结构具有多个运动自由度，它包括头颈、躯体、手臂以及移动式的移动底座等。
2、行为控制模块，主要由LED显示板、脖子、肘关节、肩关节、腰关节和驱动轮等组成，其功能是将大脑决策输出到电机或喇叭上，对外界作出反应，使机器人能够完成前进、后退、转弯等运动功能，具有丰富的肢体动作。所有的动作通过电动机和减速器来进行传动，声音通过扬声器发出。
3、环境感知模块，包括视觉感知模块(摄像头)、听觉感知模块(麦克风)、多功能传感器模块(如红外传感器、声纳传感器、温度传感器等)。
4、主控模块，主要包括嵌入式CPU、RTOS实时操作系统、内存、外存等。通过与外部环境的交互，实现传感器感知信息与机器人肢体动作的关联，从而实现机器人的智能行为。
5、通讯模块，采用GPRS或无线以太网等，通过无线通讯方式实现与终端双向通信，并可上网和遥控，可以上网下载软件和更新信息，也可以访问其他设备等。
6、系统的显示界面为宽屏的液晶显示器，并带有灵敏的触摸面板，用户可以和机器人通过触摸面板来进行交互。
这是一个标准的机器人学习和游戏操作交互平台，能够运行多种不同的、能和这个控制台的标准接口相兼容的应用程序。概括起来，主要包括学习、游戏程序和机器人的学习程序，最简单的情况是机器人仅仅作为学习、游戏软件的状态输出设备。机器人的学习程序通过智能感知模块来获取信息并且在显示屏上或者是通过机器人本身表达出来。本发明将移动式的拟人机器人与学习、娱乐等相结合，用户可以通过视频、音频等信息与机器人进行交互，在学习和娱乐的过程中，机器人可以进行肢体动作和语音交流。
本发明互动平台可以扮演多种角色比如家庭教师，学习、游戏伙伴以及学习者等。
一、家庭教师在这种模式下，机器人将扮演家庭教师角色，正如一个真的家教一样，机器人应该具有如下功能1、作为奖赏者和鼓励者，可以根据孩子的当前水平和表现来进行奖赏。比如孩子取得了一个小小的进步，机器人会通过跳舞或唱歌来给予奖赏。不同程度的进步可以给予不同程度的奖赏。
2、帮助家长管理孩子的学习并让其养成良好的学习习惯。通过分配任务来提醒他们作业的完成情况，该功能可以事先设置。
3、通过视频或音频反馈来进行各类科目的测验，帮助孩子取得学习上的进步。
二、学习、游戏伙伴在这种模式下，机器人将扮演用户的玩伴，具有与小朋友和大人都能进行良好交互的能力1、作为一种激励型的伙伴，同家教的情形相同，可以对小朋友的进步给予奖励，这样的奖励会更自然有趣些，并且可以有很多的奖励方式。
2、与小朋友一起做游戏，可以分别扮演不同的角色。这样的游戏可以是简单的或者是复杂的，譬如一个音乐创作或一个音乐组合游戏等。
三、学习者在这种模式下，机器人扮演一个学习者的角色，而用户则扮演教师的角色。教育他人其实是一种最有效的学习方法。通过教授机器人表演一些动作，用户可以学会和掌握如何控制机器人的方法。在这种模式下，机器人应该具有以下学习能力1、根据用户的输入完成肢体的动作表演，比如跳舞、唱歌，或是诗歌朗诵等；2、了解用户的讲授风格并且可以由此执行一些相关功能。例如，用户教授机器人如何进行算术运算，然后根据要求完成任务，过后可以对其进行提问等。
作为学习、娱乐工具的附加部分，本发明具有明显的优势。它让孩子同一个具有人类特性的具体物体交流，可以让孩子学到很多丰富的、具有吸引力的知识。真实的交流可以更好地锻炼小孩的积极性，孩子将把他们的注意力从荧光屏上转移到机器人的相应动作上来，从而避免长期注视荧光屏带来的后果。
该发明使用户可以同机器人培养一种人与人之间的关系，因为机器人是真实存在的，就跟孩子可以和宠物之间建立一种亲密关系一样。建立一种亲密而信任的关系，孩子将会学得更好。
图1本发明系统功能框图。
图2本发明机器人结构示意图(前视)。
图3本发明机器人结构示意图(侧视)图4本发明的控制原理图。
图中标号1LED显示板，2为脖子转动关节，3为机器人手臂，4为液晶宽屏显示屏，5为摄像头，6为红外传感器，7为机器人底盘，8为机器人胸部，9为机器人肘关节，10为机器人肩关节，11为声纳传感器，12为机器人头部，13为机器人计算单元，14为机器人腰部一个关节，15为机器人腰部另一个关节，16为机器人驱动轮，17为机器人随动轮，18为CAN接口卡，19为主控板，20为电机闭环控制，21为直流伺服电机，22为编码器，23为驱动器，24为控制器，31为环境感知模块，32为主控模块，33为行为控制模块，34为通讯模块。
具体实施例方式
下面结合附图和实施进一步描述本发明。
如图1所示，整个系统由环境感知模块、主控模块、行为控制模块以及通讯模块等几个部分组成1.环境感知模块主要由视觉、听觉、红外传感器、声纳传感器等组成。
通过摄像头获取动态图像，进行实时分析处理，如自动提取初级视觉特征、对视觉场景进行分析、理解和识别，实现基本视觉功能的发育。
通过麦克风等获取声音信息和完成声音预处理，实现基本听觉功能，例如声源定位、话音质量增强、自动提取初级音频特征、对声音进行实时分析、理解和识别，并将结果提交给大脑。
通过红外、声纳等传感器探测不同距离的物体移动，并根据距离的远近作出不同决策。
2.主控模块主要由嵌入式CPU、RTOS、内存、外存、网络、通信等组成。通过与内外部环境的在线交互学习，实现传感器感知信息与电机等行为动作的关联，从而实现高层知识的发育。
3.行为控制模块主要由电机、编码器、声音合成与喇叭等组成。主要功能是将大脑决策输出到电机或喇叭上，对外界环境作出反应。例如，控制电机动作可转动头部、活动手臂和避障行走，控制发音机构可输出声音波形到喇叭发声等。
4.通讯模块采用GPRS或无线以太网等，通过无线通讯方式实现与终端的双向通信，可上网和遥控等。
本发明本体结构如图2和图3所示，主要包括头部12、脖子2、胸部8、两个胳膊3以及底盘7等部分结构。在头部12处，装有LED显示板1，具备不同的表情显示。脖子2具有1个运动自由度，胸部8的前部装有15英寸宽屏的液晶显示器4，胸部8的后部装有双核的CPU主板、内存、外存等计算单元13。机器人的腰部是两个运动关节14和15，能够实现躯体的前倾、后仰等功能。机器人的底座7是一个双轮16的差动驱动和换向机构，在底盘的后部有2个支撑随动轮17。机器人的每个手臂3具有肘关节9和肩关节10两个运动自由度。本发明中，共有9个运动自由度脖子转动(1个)、腰部(2个)、底座的左右轮(2个)、左右手臂的肘关节和肩关节(4个)，相应由9个伺服电机控制。
控制系统根据整个机器人的运动自由度要求分解为对9个伺服电机发送控制命令。图4是伺服电机的控制原理图。控制系统通过CAN接口卡18实现与PC主控板19的通讯连接，并同步控制9个伺服电机的运动。9个伺服电机控制均采用独立的PID闭环回路控制20，在伺服电机21的前端，装有光电编码器22，它是一种通过光电转换将电机输出轴上的机械几何位移量转换成脉冲或数字量的传感器。通过计算每秒光电编码器输出脉冲的个数就能反映当前电机的转速。光电编码器22将电机的速度或位置信息实时地发送给控制器24，通过脉宽调制(PWM)技术和微处理器一起控制加在电机上的电压，将相关信息输送给具有过流保护功能的驱动器23，最终驱动伺服电机21以要求的速度和方便同运行，以达到理想的位置。
权利要求
1.一个智能学习、娱乐机器人玩伴，是一个标准的机器人学习和游戏操作交互平台，能够运行多种不同的、能和这个控制台的标准接口相兼容的应用程序，这些应用程序主要学习、游戏程序和机器人本身的学习程序，其特征在于系统由拟人机器人本体结构、环境感知模块、主控模块、行为控制模块、通讯模块和显示界面组成，其中(1)拟人机器人本体结构具有多个运动自由度，它包括头颈、躯体、手臂以及移动式的移动底座；(2)行为控制模块，由LED显示板、脖子、肘关节、肩关节、腰关节和驱动轮组成，其功能是将大脑决策输出到电机或喇叭上，对外界作出反应，使机器人能够完成前进、后退、转弯运动功能；所有的动作通过电动机和减速器来进行传动，声音通过扬声器发出；(3)环境感知模块，包括视觉感知模块、听觉感知模块和多功能传感器模块；(4)主控模块，主要包括嵌入式CPU、RTOS实时操作系统、内存、外存；通过与外部环境的交互，实现环境感知模块感知信息与机器人肢体动作的关联，从而实现机器人的智能行为；(5)通讯模块，采用GPRS或无线以太网，通过无线通讯方式实现与终端双向通信，并可上网和遥控；(6)系统的显示界面为宽屏的液晶显示器，并带有灵敏的触摸面板，用户和机器人通过触摸面板来进行交互。
2.根据权利要求1所述的机器人玩伴，其特征在于所述视觉感知模块是由摄像头组成，所述听觉感知模块由麦克风组成，所述功能传感器由红外传感器、声纳传感器和温度传感器组成。
3.根据权利要求2所述的机器人玩伴，其特征在于在头部(12)处，装有LED显示板(1)，脖子(2)具有1个运动自由度，胸部(8)的前部装有15英寸宽屏的液晶显示器(4)，胸部(8)的后部装有双核的CPU主板、内存、外存的计算单元(13)，机器人的腰部是两个运动关节(14和15)，机器人的底座(7)是一个双轮(16)的差动驱动和换向机构，在底盘的后部有2个支撑随动轮(17)，机器人的每个手臂(3)具有肘关节(9)和肩关节(10)两个运动自由度。
4.根据权利要求3所述的机器人玩伴，其特征在于控制系统通过CAN接口卡(18)实现与PC主控板(19)的通讯连接，并同步控制9个伺服电机的运动，9个伺服电机控制均采用独立的PID闭环回路控制(20)，在伺服电机(21)的前端，装有光电编码器(22)，它是一种通过光电转换将电机输出轴上的机械几何位移量转换成脉冲或数字量的传感器，光电编码器(22)将电机的速度或位置信息实时地发送给控制器(24)，通过脉宽调制技术和微处理器一起控制加在电机上的电压，将相关信息输送给具有过流保护功能的驱动器(23)，最终驱动伺服电机(21)以要求的速度和方便同运行，以达到理想的位置。
全文摘要
本发明属于机器人技术领域，具体涉及一种具备丰富的运动自由度、并能智能控制的机器人，是一种与智能机器人紧密结合的新型学习、娱乐平台。机器人本体结构包括头颈、手臂、躯体、底座等结构，具备9个独立的运动自由度。系统采用PID反馈控制，能够精确控制伺服电机的速度，从而控制各关节的速度、方向和位置。这是一个标准的机器人学习和游戏操作交互平台，能够运行多种不同的、能和这个控制台的标准接口相兼容的应用程序，主要包括学习、游戏程序和机器人本身的学习程序。本发明将移动式的拟人机器人与学习、娱乐等相结合，用户可以通过视频、音频等信息与机器人进行交互，在学习和娱乐的过程中，机器人可以进行肢体动作和语音交流。
文档编号A63H30/00GK101036838SQ20071003965
公开日2007年9月19日 申请日期2007年4月19日 优先权日2007年4月19日
发明者张文强, 薛向阳, 翁巨扬, 冯瑞, 张睿, 唐志强, 白建松, 包春雷 申请人:复旦大学