一种交互式多功能教学辅助机器人的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种交互式多功能教学辅助机器人。所述交互式多功能教学辅助机器人包括手持遥控设备和机器人主体，手持遥控设备与机器人主体之间通过无线网络通信；机器人主体包括壳体、控制装置、交互式显示装置、投影装置、视频录制装置、声音拾取装置、声音播放装置、机器人运动装置和供电装置；交互式显示装置、投影装置、视频录制装置、声音拾取装置、声音播放装置和机器人运动装置分别电连接到控制装置上。本实用新型集投影、视频录制、声音拾取、声音播放和机器人运动等多种功能于一体，通过手持遥控设备远程控制机器人主体执行相应功能，操作简单方便，灵活性和可靠性高、实用性强。
【专利说明】一种交互式多功能教学辅助机器人
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及一种机器人，特别涉及一种交互式多功能教学辅助机器人。
【背景技术】
[0002]随着人们生活水平的提高和科学技术水平的进步，机器人产业不仅推动了我国社会服务业、制造业、娱乐业等相关行业的发展，在教育领域应用的重要性也逐渐显露出来，其中具有代表性的是国外的乐高机器人、RBX5机器人和国内的能力风暴机器人。乐高机器人能把各种代表不同程序逻辑的“积木”在屏幕上堆积起来完成相应的功能，主要针对中小学生，培养他们的兴趣和动手能力；RB5X机器人类似大胶囊形状，主要用来锻炼学生听、说、读、写能力；国内的能力风暴机器人，是为培养在校学生的动手能力和创造力而推出的开放式机器人平台，主要作用是提供机器人的二次开发，但是需要具备一些基本的专业知识。
[0003]发明人通过大量的检索和调查发现现有的大多数机器人有以下特点:(1)教学场所多是实验课堂，被当作实验仪器或演示实验，CN201974998U的多足教育机器人能实现各种动作，也可以通过安插传感器模块，作为大专院校学生学习机器人、传感器等课程的实验仪器，CN201946205的一种机器人小臂结构教学仪，用来演示小臂结构原理的教学和实验；(2)具有单一的功能，只能适用于特定年龄阶段，CN200979755Y和CN1975804两种机器人由于只具备认字和写字的功能，只适合于低龄儿童，帮助他们锻炼书写能力；(3)结构简单、智能化程度低，CN201465409U拼装式教学机器人不具备智能化能力，不适合高校学生使用，也不能帮助爱好者二次开发属于自己的机器人。
[0004]综上所述，现有的大多数教学机器人都以演示为主，以培养兴趣为目的，功能单一，却没有考虑到如何把机器人用于课堂上来辅助老师完成教学工作以真正的减轻教师的工作负担。教学机器人顺应了时代潮流，集中体现了模式识别、电子、无线网络技术等现代技术的先进水平，然而由于机器人技术的复杂性，应用过程中难免会出现一些错误。
实用新型内容
[0005]针对现有技术中存在的上述技术问题，本实用新型提出了一种交互式多功能教学辅助机器人，灵活性和可靠性高、实用性强。
[0006]为了实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案:
[0007]一种交互式多功能教学辅助机器人，包括手持遥控设备和机器人主体，手持遥控设备与机器人主体之间通过无线网络通信；机器人主体包括壳体、控制装置、交互式显示装置、投影装置、视频录制装置、声音拾取装置、声音播放装置、机器人运动装置和供电装置；交互式显示装置、投影装置、视频录制装置、声音拾取装置、声音播放装置和机器人运动装置分别电连接到控制装置上；控制装置、声音拾取装置、声音播放装置和供电装置安装在壳体内侧，交互式显示装置设置在壳体表面的中上部位置，投影装置和视频录制装置通过升降云台连接到壳体的顶壁上，机器人运动装置设置在壳体的底壁上，在壳体侧壁上设置有多个声音进出孔。
[0008]进一步，所述手持遥控设备包括智能手机和无线遥控器。
[0009]进一步，所述控制装置安装在壳体内侧的中部以上位置。
[0010]进一步，所述交互式显示装置为一触摸式显示屏。
[0011]进一步，所述升降云台为三自由度升降云台。
[0012]进一步，所述声音拾取装置安装在壳体内侧的中部位置。
[0013]进一步，所述声音播放装置有两个，分别安装在壳体内侧的中部两侧位置。
[0014]进一步，所述机器人运动装置包括驱动电机、调速器、超声波传感器和万向轮。
[0015]进一步，所述供电装置安装在壳体内侧的底部位置。
[0016]本实用新型具有如下优点:
[0017]本实用新型集投影、视频录制、声音拾取、声音播放和机器人运动等多种功能于一体，通过手持遥控设备远程控制机器人主体执行相应功能，操作简单方便；本实用新型可以采用无线遥控器、智能手机和交互式显示装置等多种方式控制机器人主体执行相应的功能，控制方式灵活多变，操作界面直观简洁，能够满足不同用户的需求，利于提高实现控制机器人主体的使用可靠性；另外，本实用新型还可以实现学生考勤、移动式PPT自动播放和课堂内容录制等多种功能，能够有效减轻教师的教学工作负担。本实用新型中述及的交互式多功能教学辅助机器人集通信、电子、模式识别等技术于一体，整体设计简洁大方，不仅适用于高等院校、辅导机构，也能为小学、中学的各类课堂教学、文化活动等提供服务。
【专利附图】
【附图说明】
[0018]图1为本实用新型中交互式多功能教学辅助机器人的结构示意图；
[0019]图2为本实用新型中交互式多功能教学辅助机器人的功能示意图；
[0020]图3为图1中手持遥控设备与机器人主体之间无线网络通信的结构示意图；
[0021]图4为图1中手持遥控设备控制机器人主体动作的流程示意图；
[0022]图5为图1中机器人主体动作的流程示意图。
【具体实施方式】
[0023]下面结合附图以及【具体实施方式】对本实用新型作进一步详细说明:
[0024]结合图1至图3所示，一种交互式多功能教学辅助机器人，包括手持遥控设备I和机器人主体2，手持遥控设备与机器人主体之间通过无线网络通信。
[0025]手持遥控设备I包括智能手机101和无线遥控器102。
[0026]智能手机101安装Android系统，带有WIFI功能，无线电波的有效覆盖范围为100米，机器人主体2配有无线网卡，该无线网卡完美兼容802.1lN标准，连接速率最高可达150Mbps, Ad-hoc模式组网无需无线路由器。
[0027]无线遥控器102内置2.4G无线遥控单元和红外模块，2.4G无线遥控单元选择150米的无线模块，工作在全球免申请ISM频道2400M-2483M范围内，实现开机自动扫频功能；而红外模块由一个设备选择键与功能控制键实现对设备常用功能的学习和控制，机器人主体2配置带有红外模块的STC89C52单片机。
[0028]机器人主体还包括壳体201、控制装置、交互式显示装置202、投影装置203、视频录制装置204、声音拾取装置、声音播放装置、机器人运动装置205和供电装置；交互式显示装置202、投影装置203、视频录制装置204、声音拾取装置、声音播放装置和机器人运动装置205分别电连接到控制装置上。
[0029]控制装置选用嵌入式工控机，控制装置安装在壳体内侧的中部以上位置。嵌入式工控机的具体参数配置为:1.8GHZ CRJ、2GB存储器、12.1寸LCD屏、2个RS-232接口、I个RS-485 接口、2 个 Giga-LAN 和 2 个 USB2.0 接口。
[0030]交互式显示装置202为一触摸式显示屏，设置在壳体201表面的中上部位置。交互式显示装置202上显示主控程序主界面，展示了一些图形化的系统功能按钮，为用户提供了一种直观的人机交互方式。
[0031]投影装置203和视频录制装置204通过升降云台206连接到壳体201的顶壁上。投影装置203为一微型投影仪，具体参数配置为:拥有DLP技术、亮度在1000流明以下、分辨率为1280*800 (dpi)、对比度为2001:1-3000: 1、荧幕宽高比例为16:10。视频录制装置204为一 USB摄像头，用于采集外部人脸信息和录制视频。升降云台206具有三个自由度，可以手动调节实现投影装置203和视频录制装置204的升降和360度旋转动作，满足不同角度需求。
[0032]声音拾取装置安装在壳体201内侧的中部位置，具有语音清晰干净、噪音低、拾音范围在5-150平方米的特点。声音播放装置为音响，有两个，分别安装在壳体内侧的中部两侧位置，音响采用普通有源音箱系统。在壳体201侧壁上设置有多个声音进出孔207，方便声音拾取装置从外界拾音、或声音播放装置向外界放音。
[0033]机器人运动装置205设置在壳体201的底壁上。机器人运动装置包括两个驱动电机2051、两个调速器、七个超声波传感器2052和两个万向轮2053。
[0034]驱动电机2051采用IDY-Fl轮毂式直流电机，额定电压、额定功率、额定转速分别为24V、0.075kW和150rpm，采用薄盘型`印制电枢绕组和高强度高耐磨齿轮变速系统，具有启动转矩大、调速范围宽、低速运行和换向性能好、体积小和效率高等优点。
[0035]调速器设置在壳体201的内侧底部位置，支持电机电压5-29V、最大持续负载电流7A、外形尺寸为8.8cmX8.4cmX 2cm，控制方法简单、支持PWM电机正反双向调速；最高可支持IOkHz的PWM频率。
[0036]超声波传感器2052有七个，其中三个安装在壳体201的前侧壁下部，两个安装在壳体201的左侧壁下部，另外两个安装在壳体201的右侧壁下部。超声波传感器的性能参数为:电压为5V直流电、静态电流小于2mA、感应角度不大于15度、探测距离为2Cm-450Cm、精度可达0.3cm。
[0037]供电装置安装在壳体201内侧的底部位置。供电装置采用24v_10Ah锂电池，具有耐震、耐高温、体积小的特点，能为机器人主体2提供连续4小时的稳定电力供应。
[0038]如图4所示，智能手机101的操作系统为Android，可用JAVA开发有效的远程控制程序，该程序采用线程同步socket网络套接字与机器人主体2进行通信；无线遥控器102
通过2.4G遥控器单元自动与计算机的接收单元配对，通过JoyToKey软件实现键盘--对
应，红外模块则通过学习来控制投影仪开、关机以及电机运动。通过智能手机101或无线遥控器102能够控制机器人本体2实现人脸识别、语音识别与合成、视频录制、课件播放和移动避障等功能。[0039]图5为机器人主体动作的流程示意图。如图5所示，控制装置能够控制实现人员考勤、教学视频录制、语音识别与合成、PPT播放、运动避障控制功能。机器人主体2先选择控制方式，即采用智能手机101、无线遥控器102或交互式显示装置202方式进行控制，然后经过信息处理模块处理后给出指令，控制各装置实现教学任务，具体功能实现如下:
[0040](I)人员考勤主要分为两部分，即人员视频注册和人脸识别，其中视频注册方法采用了改进的AdaBoost算法进行实时人脸检测，标定人脸区域，再利用隐马尔科夫算法从已标定的人脸区域中提取并训练特征，最后将训练好的特征保存为特征档并存储在人脸特征库路径下，供人脸识别模块使用；人脸识别利用隐马尔科夫算法将已标定的人脸区域与已储存路径下的人脸特征库中的特征档进行对比，设定对比阈值，然后进行识别，识别成功后，根据事先设定好的上下班时间，自动判断迟到，缺勤等消息。
[0041](2)教学视频录制功能:通过普通的USB摄像头进行录制，利用DirectShow技术的Filter Graph的模型来管理整个数据流的处理过程，可以从支持驱动模型的采集卡上捕获数据，进行有效处理，最后存储到特定的文件夹中。
[0042](3)语音识别与合成功能:基于微软语音引擎(Microsoft Speech 5.1)开发的，它全面支持中文语音应用程序的开发，SDK里提供了语音识别和合成引擎相关组件、应用程序层界面。语音识别中，无线遥控器的话筒可以把语音数据从背景噪声中分离出来，有效地提高了识别效率以及识别效果；语音合成则有男生和女生两种选择，可合成中文和英文两种语音。
[0043](4) PPT播放功能:用VS2008来编程，与Microsoft Office 2003同属微软开发的系统软件，两个能够完美的结合。只需向机器人的主开发程序中添加PPT的类库即Microsoft PowerPoint 11.0 0b jectLibrary〈2.8>，然后再添加我们需要的界面类，利用上述界面类添加相应的对象，编写PPT的连接、打开、播放、上一页、下一页和关闭等函数实现相应的功能，再配合语音合成完成播放。
[0044](5)运动避障控制功能:采用的电机是大功率24V直流轮毂电机，电机驱动器PCB板利用altiumdesigner软件自主设计研发，以达到大功率电机的驱动要求。为使机器人的移动更具智能化，机器人装备有一定数量的超声波传感器，将传感器测的距离消息通过单片机串口上传到机器人主程序处理，并分析处理后的距离消息，确定是否避障，同时主控界面实时显示距离消息，以便操作人员作为操作的参考或及时发现故障。
[0045]将交互式多功能教学辅助机器人应用到课堂的具体过程如下:
[0046]上课前，老师将要上课的班级、学科和上下课时间输入考勤模块的控制界面，人脸识别开启后，视频录制装置204会采集学生的视频图像信息，将此信息传输给人员考勤模块，模块会调要该班级注册信息档和EXCEL表格，如果成功识别此人，更新EXCEL表格中该生的出勤消息，将会说:“XX先生/女士，考勤完成，请下一位同学。”考勤完，关闭人脸识别。
[0047]上课时，老师可以用智能手机101或者无线遥控器102控制课件通过投影装置203进行播放，幻灯片手动还是自动播放可根据老师的要求选择；
[0048]同时语音合成会配合课件进行自动解说，由于可合成英文，英语课可以帮助学生练习听力；如果老师觉得这节课的内容很重要，可以用视频录制装置204和声音拾音装置配合来录制教学视频；在环境相对安静时，可以通过语音识别控制机器人，或者进行简单的对话以添加娱乐性；老师下节课还需要该机器人的话可控制机器人移动到指定的教室去。[0049]上述过程中，智能手机101通过Ad hoc网络、或无线遥控器102通过无线模块将命令发送给机器人主体2，智能手机101或无线遥控器102可以根据需求控制PPT播放的停止或继续、某线程关闭或重启、视频录制停止或继续、运动方向改变等，从而提高了机器人的稳定性和可靠性。
[0050]当然，以上说明仅仅为本实用新型的较佳实施例，本实用新型并不限于列举上述实施例，应当说明的是，任何熟悉本领域的技术人员在本说明书的教导下，所做出的所有等同替代、明显变形形式，均落在本说明书的实质范围之内，理应受到本实用新型的保护。
【权利要求】
1.一种交互式多功能教学辅助机器人，其特征在于，包括手持遥控设备和机器人主体，手持遥控设备与机器人主体之间通过无线网络通信；机器人主体包括壳体、控制装置、交互式显示装置、投影装置、视频录制装置、声音拾取装置、声音播放装置、机器人运动装置和供电装置；交互式显示装置、投影装置、视频录制装置、声音拾取装置、声音播放装置和机器人运动装置分别电连接到控制装置上；控制装置、声音拾取装置、声音播放装置和供电装置安装在壳体内侧，交互式显示装置设置在壳体表面的中上部位置，投影装置和视频录制装置通过升降云台连接到壳体的顶壁上，机器人运动装置设置在壳体的底壁上，在壳体侧壁上设置有多个声音进出孔。
2.根据权利要求1所述的一种交互式多功能教学辅助机器人，其特征在于，所述手持遥控设备包括智能手机和无线遥控器。
3.根据权利要求1所述的一种交互式多功能教学辅助机器人，其特征在于，所述控制装置安装在壳体内侧的中部以上位置。
4.根据权利要求1所述的一种交互式多功能教学辅助机器人，其特征在于，所述交互式显示装置为一触摸式显示屏。
5.根据权利要求1所述的一种交互式多功能教学辅助机器人，其特征在于，所述升降云台为三自由度升降云台。
6.根据权利要求1所述的一种交互式多功能教学辅助机器人，其特征在于，所述声音拾取装置安装在壳体内侧的中部位置。
7.根据权利要求1所述的一种交互式多功能教学辅助机器人，其特征在于，所述声音播放装置有两个，分别安装在壳体内侧的中部两侧位置。
8.根据权利要求1所述的一种交互式多功能教学辅助机器人，其特征在于，所述机器人运动装置包括驱动电机、调速器、超声波传感器和万向轮。
9.根据权利要求1所述的一种交互式多功能教学辅助机器人，其特征在于，所述供电装置安装在壳体内侧的底部位置。
【文档编号】G09B5/06GK203606973SQ201320765816
【公开日】2014年5月21日 申请日期:2013年11月28日 优先权日:2013年11月28日
【发明者】王海霞, 栾赛, 刘诗, 陈婧, 卢晓, 樊炳辉, 李玉霞, 程晟 申请人:山东科技大学