教育机器人及其控制方法与流程

本发明涉及幼儿教育，特别涉及一种教育机器人及其控制方法。

背景技术：

随着科学技术的发展，各种电子类产品已经越来越普及地出现在平常老百姓家，同时互联网的出现及宽带的越来越廉价，人们的生活习惯已经发生了很大的变化。为了能够促进少儿学习，市面出现了不同具有娱乐性的机器人。在国外许多著名大学都将机器人作为一个综合实验平台供学生做实验和学习等。但是许多现有商业化的教育机器人都存在硬件结构封闭且功能单一等缺点。国外有些产品虽然功能较丰富，但是价格极其昂贵，且无法满足中国特色的自动化相关学科教育需求。同时，目前大部分自动化专业教学产品的功能都比较单一。

此外对于pad教育类应用，pad的背光与pad的屏幕尺寸较小对于孩子的视力有较大伤害。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服上述技术的不足，从而提供一种教育机器人，功能性强、而且能够有效保护儿童视力。

发明所采用的技术方案是这样的：教育机器人，包括底座、支撑箱体、投影区域、设置于所述支撑箱体内的MCU控制器、投影仪、深度图形图像摄像头、音箱、麦克风、WIFI传输模块、路由器、智能终端以及用于整个系统供电的电源，所述支撑箱体的顶部设置有安装架，所述安装架上设置有能够在所述投影区域上反射成像的反光板，所述投影仪以及所述深度图形图像摄像头对着所述反光板；

所述MCU控制器的指令接收端口与所述WIFI传输模块相连接，所述WIFI传输模块与所述路由器之间通过无线信号相连接，所述智能终端与所述路由器之间通过互联网相连接；

所述MCU控制器的信息采集接口与所述麦克风以及所述深度图形图案摄像头相连接；

所述MCU控制器的输出接口与所述音箱以及所述投影仪相连接；

所述MCU控制器内具有功能模块，所述功能模块包括卡牌识别模块、画图日记模块、故事光机模块、临摹模块以及人机对弈模块；

所述支撑箱体一侧设置有实物辨认装置，所述实物辨认装置包括横向设置的传动丝杠、与所述传动丝杠相配合的螺纹滑套、沿着垂直方向滑动设置于所述螺纹滑套上的升降架、设置于所述升降架底部的抓物负压吸盘、设置于所述传动丝杠下方的储物箱、正确辨别箱以及错误辨别箱，所述升降架上设置有采集实物信息的采集摄像头，所述传动丝杠由第三电机驱动转动，所述升降架由第一气缸驱动，所述采集摄像头、所述第三电机以及所述第一气缸的控制器均与所述MCU控制器相连接；

所述储物箱的底部设置有混物机构，所述混物机构包括转动设置于所述储物箱内的搅拌轴、设置于所述搅拌轴上的搅拌叶片，所述搅拌轴由第四电机驱动转动，所述错误辨别箱与所述储物箱以及所述正确辨别箱均相分离，所述正确辨别箱与所述储物箱通过翻料装置相连通，所述翻料装置包括呈L型的翻料架，所述翻料架的拐角处与所述储物箱相转动连接，所述翻料架由第二气缸驱动翻转；

抓物负压吸盘将物体从储物箱中吸起，采集摄像头采集的物体信息，深度图形图像摄像头或者麦克风采集儿童辨别信息，MCU控制器将物体信息与儿童辨别信息进行比对，音箱将比对信息通过音频的方式发出，同时MCU控制器将比对信息发送给第三电机，第三电机驱动传送丝杠转动根据比对信息将辨别过的物体放入相应的正确辨别箱或者错误辨别箱，储物箱内的物体全部被辨别完成后，抓物负压吸盘吸起错误辨别箱内的物体进行再次辨认，辨认成功后的物体被放入正确辨别箱内，直至错误辨别箱内物体被清空，翻料架将正确辨别箱内的物体翻转入储物箱内，混物机构对物体进行搅拌打乱顺序。

进一步改进的是：所述临摹模块包括书法临摹模块以及绘画临摹模块。

进一步改进的是：所述人机对弈模块包括棋局对弈模块以及纸牌桌游模块。

进一步改进的是：所述支撑箱体与所述底座通过第一转轴相转动连接，所述第一转轴的轴心线沿着铅垂方向延伸，所述第一转轴由第一变频电机驱动转动，所述投影区域上设置有捕捉红外传感器，所述支撑箱体上设置有与所述捕捉红外传感器相配合的第一红外接收器，所述第一红外接收器与所述第一变频电机的控制器相连接；

所述安装架与所述支撑箱体之间通过第二转轴相转动连接，所述第二转轴的轴心线与水平面相平行，所述支撑箱体上设置有驱动所述第二转轴转动的第二变频电机，所述投影区域上至少设置有三个定位红外传感器，所述反光板上设置有与所述定位红外传感器相配合的第二红外接收器，所述第二红外接收器与所述第二变频电机的控制器相连接；

捕捉红外传感器发射捕捉红外线，第一变频电机驱动支撑箱体转动，第一红外接收器接收到捕捉红外线，第一红外接收器向第一变频电机发送停止信号，至少三个定位红外传感器发送定位红外线，第二变频电机驱动安装架转动，相对应的三个第二红外接收器同时接收到相应的定位红外传感器发送的定位红外线，第二红外接收器向第二变频电机发送停止信号。

进一步改进的是：所述支撑箱体上设置有用于所述投影仪聚焦的调焦旋钮。

进一步改进的是：所述支撑箱体上设置有与所述MCU控制器相连接的USB接口、与所述电源相连接的电源接口。

进一步改进的是：所述支撑箱体上设有散热侧板。

进一步改进的是：所述投影仪与所述支撑箱体相拆卸设置。

进一步改进的是：所述智能终端为智能手机或平板电脑。

本发明的目的在于克服上述技术的不足，从而提供一种教育机器人的控制方法。

发明所采用的技术方案是这样的：教育机器人的控制方法，包括以下步骤：

智能终端接将用户的功能模块选择信号发送给路由器，路由器将信号传输给WIFI传输模块，WIFI传输模块将信号传输给MCU控制器进行功能模块选择；

故事光机模块，投影仪将图像通过反射板在投影区域或平面上成像，音箱将音频信号输出讲解童话故事，麦克风采集人物对话用于人机交互；

卡牌识别模块，深度图形图像摄像头捕捉卡牌的标识符或者颜色，投影仪投射出来与卡牌有关的物品事件，深度图形图像摄像头采集儿童对卡牌的抓取与摆放动作引导儿童对一些益智游戏的闯关工作进行挑战与当中知识进行学习；

画图日记模块，音箱发出引导语音，麦克风采集人物对话信息，MUC控制器根据麦克风采集的人物对话信息通过投影仪以图形形式表达引导儿童通过绘图的方式将陈述转变为图形表达；

人机对弈模块，投影仪在投影区域上投影虚拟棋盘，自然人对弈者将真实棋子置于虚拟棋盘上；深度图形图像摄像头采集图像数据分析出真实数据至内置MUC控制器中，电脑方投影出虚拟棋子至虚拟棋盘上，人机对弈时，真实棋子可以与虚拟棋子交互；投影仪在投影区域上投影虚拟棋盘；通过引导儿童或者桌游参与者出牌，深度图形图像摄像头采集图像数据分析出真实数据至内置MUC控制器中，系统识别出已出牌后反馈出牌正确与否或者给予出牌策略进行评分从而引导对于儿童逻辑分析能力的判断；

临摹模块，通过在投影仪将临摹作品投影至临摹纸上，通过投影仪发出的光色就可以指导儿童临摹纸绘画或练字；通过深度图形识别算法，可以辅助生成图片中人与物的轮廓与关键特征，引导用户美术学习时的特征抓取能力培养。

通过采用前述技术方案，本发明的有益效果是：

对于识字练字与书法人员的锻炼，保留了传统教育中对传统笔与纸的教育方式，同时增强了书画教育应用的机器智能自动化引导，提高教学效率。

对于pad教育类应用，pad的背光与pad的屏幕尺寸较小对于孩子的视力有较大伤害，而当前设备通过投影仪以及反光板在投影区域成像，可以较好的规避此类伤害。

由于各家庭无线信号普及，通过WIFI无线信号进行远程控制，实行方便。

通过增加人机对弈模块、卡牌识别模块增加儿童兴趣的同时培养儿童的逻辑分析能力。

通过增加画图日记模块，丰富儿童的文字与图像表达能力。

能够自动捕捉定位投影区域，即开机后能够根据投影区域的位置，将支撑箱体旋转捕捉，而后转动反光板进行定位投影。

附图说明

图1是本发明立体图；

图2是本发明的原理框图；

图3是本发明侧视图。

其中：1、支撑箱体；2、投影仪；3、深度图形图像摄像头；4、音箱；5、麦克风；6、安装架；7、反光板；8、调焦旋钮；9、USB接口；10、散热侧板；11、底座；12、投影区域；13、捕捉红外传感器；14、定位红外传感器；15、传送丝杠；16、螺纹滑套；17、升降架；18、抓物负压吸盘；19、储物箱；20、正确辨别箱；21、错误辨别箱；22、采集摄像头；23、混物机构；24、翻料架。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施方式来进一步说明本发明。

如图1-图3所示，本发明公开一种教育机器人，包括底座11、支撑箱体1、投影区域12、设置于所述支撑箱体1内的MCU控制器、投影仪2、深度图形图像摄像头3、音箱4、麦克风5、WIFI传输模块、路由器、智能终端以及用于整个系统供电的电源，所述支撑箱体1的顶部设置有安装架6，所述安装架6上设置有能够在平面或者投影区域上反射成像的反光板7，所述投影仪2以及所述深度图形图像摄像头3对着所述反光板7；

所述MCU控制器的指令接收端口与所述WIFI传输模块相连接，所述WIFI传输模块与所述路由器之间通过无线信号相连接，所述智能终端与所述路由器之间通过互联网相连接；

所述MCU控制器的信息采集接口与所述麦克风5以及所述深度图形图案摄像头相连接；

所述MCU控制器的输出接口与所述音箱4以及所述投影仪2相连接；

所述MCU控制器内具有功能模块，所述功能模块包括卡牌识别模块、画图日记模块、故事光机模块、临摹模块以及人机对弈模块。

为了增加童趣，所述临摹模块包括书法临摹模块以及绘画临摹模块。

为了增加童趣，所述人机对弈模块包括棋局对弈模块以及纸牌桌游模块。

故事光机模块，即为普通的故事光机，可以进行人机交互；

卡牌识别模块，通过摄像头，捕捉卡牌的标识符或者颜色，引导孩子的识别出卡牌并做出正确抓取与摆放，在这个过程中穿插由投影仪2投射出来与卡牌有关的物品事件，引导孩子对一些益智游戏的闯关工作进行挑战与当中知识进行学习；

画图日记模块，儿童用户通过自然语言的方式与系统交互，引导孩子首先使用语言表述当天发生的事情，智能系统根据日记的多要素引导孩子通过绘图的方式将陈述转变为图形表达，孩子通过在选择图形与临摹图形的过程中丰富自己的文字与图像表达能力；

临摹模块，通过在投影仪2安装一个零熵画图临摹或者零熵练字临摹的App，选择好用户喜欢要去临摹作品，然后点击开始临摹按钮后，将临摹纸(普通A4白色打印纸即可)置入投影区域下，通过投影仪2发出的光色就可以指导临摹纸绘画或练字；通过深度图形识别算法，可以辅助生成图片中人与物的轮廓与关键特征，引导用户美术学习时的特征抓取能力培养；

人机对弈模块，投影仪2投影出虚拟棋盘在桌台上，自然人对弈者将真实棋子置于虚拟棋盘上；摄像头采集图像数据分析出真实数据至内置APP中，电脑方投影出虚拟棋子至虚拟棋盘上，人机对弈时，真实棋子可以与虚拟棋子交互(互吃，真实棋子的挪开要依赖于自然人协助)；使用投影仪2投影出桌游的虚拟“底板”(通常为棋盘或者棋图)；通过App引导的方式引导儿童或者桌游参与者出牌，系统识别出已出牌后反馈出牌正确与否或者给予出牌策略进行评分从而引导对于儿童逻辑分析能力的判断。

所述支撑箱体1与所述底座11通过第一转轴相转动连接，所述第一转轴的轴心线沿着铅垂方向延伸，所述第一转轴由第一变频电机驱动转动，所述投影区域12上设置有捕捉红外传感器13，所述支撑箱体1上设置有与所述捕捉红外传感器13相配合的第一红外接收器，所述第一红外接收器与所述第一变频电机的控制器相连接；

所述安装架6与所述支撑箱体1之间通过第二转轴相转动连接，所述第二转轴的轴心线与水平面相平行，所述支撑箱体1上设置有驱动所述第二转轴转动的第二变频电机，所述投影区域12上至少设置有三个定位红外传感器14，所述反光板7上设置有与所述定位红外传感器14相配合的第二红外接收器，所述第二红外接收器与所述第二变频电机的控制器相连接。

捕捉红外传感器13发射捕捉红外线，第一变频电机驱动支撑箱体1转动，第一红外接收器接收到捕捉红外线，第一红外接收器向第一变频电机发送停止信号，至少三个定位红外传感器14发送定位红外线，第二变频电机驱动安装架6转动，相对应的三个第二红外接收器同时接收到相应的定位红外传感器14发送的定位红外线，第二红外接收器向第二变频电机发送停止信号。

所述支撑箱体1一侧设置有实物辨认装置，所述实物辨认装置包括横向设置的传动丝杠15、与所述传动丝杠15相配合的螺纹滑套16、沿着垂直方向滑动设置于所述螺纹滑套16上的升降架17、设置于所述升降架17底部的抓物负压吸盘18、设置于所述传动丝杠15下方的储物箱19、正确辨别箱20以及错误辨别箱21，所述升降架17上设置有采集实物信息的采集摄像头22，所述传动丝杠15由第三电机驱动转动，所述升降架17由第一气缸驱动，所述采集摄像头22、所述第三电机以及所述第一气缸的控制器均与所述MCU控制器相连接；

所述储物箱19的底部设置有混物机构23，所述混物机构23包括转动设置于所述储物箱19内的搅拌轴、设置于所述搅拌轴上的搅拌叶片，所述搅拌轴由第四电机驱动转动，所述错误辨别箱21与所述储物箱19以及所述正确辨别箱20均相分离，所述正确辨别箱20与所述储物箱19通过翻料装置相连通，所述翻料装置包括呈L型的翻料架24，所述翻料架24的拐角处与所述储物箱19相转动连接，所述翻料架24由第二气缸驱动翻转。

实物辨认原理：首先通过抓物负压吸盘18将物体从储物箱19中吸起，儿童进行辨认采取以下两种方式：其中一种在投影区域6写出物体名称，通过深度图形图像摄像头3将儿童写出的信息采集，与采集摄像头22采集的物体信息通过MCU控制器进行比对，另外一种儿童通过麦克风5讲出实物的名称，麦克风5将采集的信息与采集摄像头22采集的物体信息通过MCU控制器进行对比，而后由音箱4发出结果音频，同时通过传动丝杠15移动，根据判断信号将辨别过的物体放入相应的正确辨别箱20或者错误辨别箱21，当储物箱19内的物体全部被辨别完成后，抓物负压吸盘18继续对错误辨别箱21内的物体进行再次辨别，辨别成功后的物体被放入正确辨别箱20内，直至错误辨别箱21内物体被清空，最后通过翻料架24将正确辨别箱20内的物体翻转入储物箱19内，通过混物机构23进行搅拌打乱顺序，等待下一次游戏。

本实施例中优选的实施方式为，所述反光板7为反光镜。

为了方便调焦对准，所述支撑箱体1上设置有用于所述投影仪2聚焦的调焦旋钮8。

为了方便更新教育机器人内的教育资源，所述支撑箱体1上设置有与所述MCU控制器相连接的USB接口9、与所述电源相连接的电源接口，如需要增加新的故事即可通过USB接口9在MCU控制器的故事光机模块内增加新的故事内容。

为了提高散热效果，延长使用寿命以及工作时间，所述支撑箱体1上设有散热侧板10。

所述投影仪2与所述支撑箱体1相拆卸设置，投影仪2可拆卸替换,只要符合一定尺寸大小与硬件设备匹配。

为了方便控制，所述智能终端为智能手机或平板电脑，由于智能手机以及平板电脑在寻常百姓家已经普及，因此操控较方便。

一种教育机器人的控制方法，包括以下步骤：

智能终端接将用户的功能模块选择信号发送给路由器，路由器将信号传输给WIFI传输模块，WIFI传输模块将信号传输给MCU控制器进行功能模块选择；

故事光机模块，投影仪2将图像通过反射板在投影区域或平面上成像，音箱4将音频信号输出讲解童话故事，麦克风5采集人物对话用于人机交互；

卡牌识别模块，深度图形图像摄像头3捕捉卡牌的标识符或者颜色，投影仪2投射出来与卡牌有关的物品事件，深度图形图像摄像头3采集儿童对卡牌的抓取与摆放动作引导儿童对一些益智游戏的闯关工作进行挑战与当中知识进行学习；

画图日记模块，音箱4发出引导语音，麦克风5采集人物对话信息，MUC控制器根据麦克风5采集的人物对话信息通过投影仪2以图形形式表达引导儿童通过绘图的方式将陈述转变为图形表达；

人机对弈模块，投影仪2在投影区域上投影虚拟棋盘，自然人对弈者将真实棋子置于虚拟棋盘上；深度图形图像摄像头3采集图像数据分析出真实数据至内置MUC控制器中，电脑方投影出虚拟棋子至虚拟棋盘上，人机对弈时，真实棋子可以与虚拟棋子交互；投影仪2在投影区域上投影虚拟棋盘；通过引导儿童或者桌游参与者出牌，深度图形图像摄像头3采集图像数据分析出真实数据至内置MUC控制器中，系统识别出已出牌后反馈出牌正确与否或者给予出牌策略进行评分从而引导对于儿童逻辑分析能力的判断；

临摹模块，通过在投影仪2将临摹作品投影至临摹纸上，通过投影仪2发出的光色就可以指导儿童临摹纸绘画或练字；通过深度图形识别算法，可以辅助生成图片中人与物的轮廓与关键特征，引导用户美术学习时的特征抓取能力培养。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征及其优点，本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内，本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。