一种教育机器人结合环境的实物编程方法与流程

本发明涉及一种机器人实物编程方法，尤其是一种教育机器人结合环境的实物编程方法。

背景技术：

现有市场涉及的儿童编程，主要分为两类，第一类是以scratch为主，Scratch是由麻省理工学院推出的编程工具，是适合于全世界儿童学习编程和交流的工具和平台，该平台采用Java构建，作品可以随意发布到互联网和光盘U盘上，Scratch利用图形化界面，把编程需要的基本技巧囊括其中，包括建模，控制，动画，事件，逻辑，运算等等，这个软件的特点是：使用者可以不认识英文单词，也可以不会使用键盘，构成程序的命令和参数通过积木形状的模块来实现，用鼠标拖动模块到程序编辑栏就可以了，中间的黄色部分是编辑好的程序代码，左边是可以用来选择的功能模块，右边上部是程序预览和运行窗口，右边下部是角色窗口，以可视化的软件编程为主要方法；第二类为Cubetto和Makey Makey，Cubetto一个可以编程的积木玩具，来自于英国伦敦的Primo Toys最近发布了一款旨在于在非电脑显示屏幕的情景下教导三岁多的孩童编程思维的木质玩具，MaKey MaKey是由麻省理工媒体实验室的两名学生Jay Silver和Eric Rosenbaum研发的，是一个极其简单的电路板，可以让任何物体成为一个计算机输入设备，以分离的电路拼插设备作为输入端，向机器人输入编程内容。这两类方法，对低龄儿童都有较大难度，且很难将儿童最熟悉的周边环境和物品带入到整个编程里。

技术实现要素：

本发明提供一种教育机器人结合环境的实物编程方法，打造一种实物实景的编程方法，允许儿童通过其感兴趣的实际物体，将其作为输入端，向机器人表达其希望其执行的步骤，并通过观察机器人在实地场景里执行的情况，进行调整和再次执行，依此循环。

本发明具体采用如下技术方案实现：

一种教育机器人结合环境的实物编程方法，包括以下步骤：

1)设定任务背景，通过故事绘本和任务卡片来设定任务背景；

2)编程规划，需要根据任务要求，完成以下内容：

a、布置实地场景，放置有校验节点的校验标志(标志类)；

b、放置卡片和有标志的物品(输入类)；

c、设定要完成任务所需的步骤和顺序；

3)编程操作，按步骤2)设定的步骤顺序，逐步输入指令，相关参数插入到执行的代码里，生成执行步骤；

4)机器人实施，机器人根据输入的步骤顺序，开始逐步执行脚本，遇到有需要主动校验的节点，开始主动校验，校验方式包括在一定范围的自主搜索；遇到有需要被动校验的节点，则暂停执行脚本，给出提示，并等待符合条件的输入；遇到干扰物，则执行预设或缺省的处理方案；主动/被动校验失败或超时，则返回步骤3)编程操作，要求进行调整；

5)校验节点，包括主动校验和被动校验，

所述主动校验包括：

视觉校验，要求通过摄像头完成对周边视觉标志物的检索，进行固定角度的检索或、全角度的检索和一定距离范围的检索，标志物基于灰度、条码、二维码和视觉特征进行设计；

射频校验，要求通过射频采集设备，对周边的被动式的无源短距射频设备进行采集，包括固定角度的检索、全角度的检索和一定距离范围的检索；

地面特征校验，确定有符合特定波动规则的地面物品存在；

红外校验，确定附近有障碍物，或是有悬空的断崖存在。

超声波校验，确定附近有一定高度和宽度的障碍物；

所述被动校验包括：

触摸，有指定的触摸输入；

声音，有指定的特征声音输入；

6)任务完成，如果步骤执行完成，且所有校验节点都符合要求，则任务完成。

作为优选，所述步骤3)编程操作，所述输入指令包括线性的指令和非线性的指令。

本发明提供的一种教育机器人结合环境的实物编程方法，其有益效果在于：通过实物实景的编程方式，结合实物编程卡和儿童所处的环境，以更加具象化的互动来提升儿童学习的乐趣，帮助孩子开发创造性思维，充分利用儿童的认知特点，进行分层次的编程学习，把抽象的编程思维用形象的环境和实物展现出来。

附图说明

图1是本发明实物编程方法的流程图；

图2是符合移动特征的地面结构示意图；

图3是线性指令的执行步骤流程图；

图4是无校验节点的非线性编排的指令执行步骤流程图；

图5是有校验节点的非线性编排的指令执行步骤流程图。

具体实施方式

为进一步说明各实施例，本发明提供有附图。这些附图为本发明揭露内容的一部分，其主要用以说明实施例，并可配合说明书的相关描述来解释实施例的运作原理。配合参考这些内容，本领域普通技术人员应能理解其他可能的实施方式以及本发明的优点。图中的组件并未按比例绘制，而类似的组件符号通常用来表示类似的组件。

现结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明。

本申请提供一种实物实景的编程方案，允许儿童通过其感兴趣的实际物体，如卡片、积木块、娃娃，将其作为输入端，向机器人表达其希望其执行的步骤，并通过观察机器人在实地场景里执行的情况，进行调整和再次执行，依此循环。本实施例中提及的机器人结构，参见本申请人于2016年05月27日，申请号为201610359629.4，公布号：CN105835061A，公布日为2016年08月10日，公开的机器人红外和超声波测障防跌装置。

机器人所结合的实物，分为三大类：

1、输入类(指令)，包括实物卡片，及可附着标志的各种物品，要求物品局部有相对平坦的表面，可以有助于标志的顺利粘贴和识别；

2、标志类(特征)，用于机器人执行过程中，某些有检查节点的步骤，需要检查实地场景中的标志物，以此作为该步骤完成的依据；

3、干扰类(障碍)，用于影响和改变机器人执行的内容，从而增加难度。

如图1所示，本实施提供的一种教育机器人结合环境的实物编程方法，包括以下步骤：

1)设定任务背景，通过故事绘本和任务卡片来设定任务背景；

2)编程规划，需要根据任务要求，完成以下内容：

a、布置实地场景，放置有校验节点的校验标志(标志类)；

b、放置卡片和有标志的物品(输入类)；

c、设定要完成任务所需的步骤和顺序；

3)编程操作，按步骤2)设定的步骤顺序，逐步输入指令，相关参数插入到执行的代码里，生成执行步骤；

4)机器人实施，机器人根据输入的步骤顺序，开始逐步执行脚本，遇到有需要主动校验的节点，开始主动校验，校验方式包括在一定范围的自主搜索；遇到有需要被动校验的节点，则暂停执行脚本，给出提示，并等待符合条件的输入；遇到干扰物，则执行预设或缺省的处理方案；主动/被动校验失败或超时，则返回步骤3)编程操作，要求进行调整；

5)校验节点，包括主动校验和被动校验，

主动校验包括：

视觉校验，要求通过摄像头完成对周边视觉标志物的检索，进行固定角度的检索或、全角度的检索和一定距离范围的检索，标志物基于灰度、条码、二维码和视觉特征进行设计；

射频校验，要求通过射频采集设备，对周边的被动式的无源短距射频设备进行采集，包括固定角度的检索、全角度的检索和一定距离范围的检索；

地面特征校验，确定有符合特定波动规则的地面物品存在，主要是符合移动规律的地板板块，符合移动特征的地面结构示意图如图2所示；

红外校验，确定附近有障碍物，或是有悬空的断崖存在。

超声波校验，确定附近有一定高度和宽度的障碍物；

所述被动校验包括：

触摸，有指定的触摸输入；

声音，有指定的特征声音输入；

6)任务完成，如果步骤执行完成，且所有校验节点都符合要求，则任务完成。

步骤1)中的任务卡片包括逻辑卡、动作卡、数形卡和表情卡，其中：

逻辑卡15个：开始、结束，时间、地点、人物、事件，增加、减小、2倍，设定、清除，如果、同时、循环、暂停；

动作卡16：背景音乐、舞蹈，前进、后退、闲逛，左转、右转、转圈，左看、右看，点头、摇头、抬头、低头，鞠躬、扭扭腰；

数形卡17：三角、方形、长方形、圆形、心形、五角星、手形，0、1、2、3、4、5、6、7、8、9；

表情卡8：高兴、可爱、惊讶、害羞、生气、伤心、害怕、鼓励。

步骤3)编程操作中输入指令包括线性的指令和非线性的指令。线性的指令，如“前进”“恐龙”等，指令本身只要求机器人输出配置的相应内容即可。非线性的指令，包括逻辑等，在实物编程中有特定作用，如“开始”指令，用于告知编程开始；“结束”指令，用于告知编程操作结束，需要做二次修改确认或直接开始执行；“事件”指令，用于判断被动校验的内容；“地点”指令，用于判断主动校验中的是否达到指定特征的地点。另有“循环”“如果”等。这类指令，还可以分为需要校验的，和不需要校验的，开始、结束、循环等，不需要校验，而事件、地点等，则是需要校验的指令。

步骤4)中机器人实施，开始逐步执行的脚本，通过特定符号集，线性控制机器人的屏幕、动作、声音。声音类为：<t:>控制机器人的TTS(从文本到语言(TextToSpeech)))输出，<sa:>控制机器人的蜂鸣等硬件语音输出，<s1:>控制机器人的第一层语音输出，<s2:>控制机器人的第二层语音输出，<sn:>控制机器人的第N层语音输出，<p:>空语音，用于填补语音的时间轴；动作类：<a:>控制电机、舵机等动力型动作输出，<w:>动作等待，用于填补动作的时间轴；屏幕等外观类：<l:>控制灯光等电子类外观，<f:>控制机器人情感的屏幕输出，<i:>控制多媒体图形的屏幕输出，<z:>控制字幕等的屏幕输出；通信类：<step:>控制机器人对外通信，<v:>控制机器人的方位等自适应行为。

根据指令，可以把机器人编程和执行单元的结构，分为以下三种：线性编排，无校验节点的非线性编排，有校验节点的非线性编排。

线性编排，儿童输入的内容，都是线性的指令(“开始”、“结束”两个指令除外)，如“前进”等，机器人在执行全部都是线性指令生成的执行按步骤，只需按顺序逐步执行即可，执行步骤示意图如图3所示，线性编排的任务，一般作为儿童编程的入门内容，常见的线性编排的任务，包括故事编程、舞蹈编程等。

例如编程入门，熟悉机器人和熟悉操作，包括触摸、卡片、RFID、超声波等，机器人以第一人称方式来输出对应的内容，儿童通过触摸、RFID、遥控器等获得内容。

例如舞蹈编程，初级的自由类型编程，用户选择音乐，通过编程卡片选择动作，机器人根据音乐的节奏和长度自适应动作，输出舞蹈，使用卡片组：逻辑卡里的部分卡片(开始、结束)，动作卡片(全部)，表情卡片(全部)，可根据需要再扩展其他卡片。

例如故事编程，初级的自由类型编程，根据需要选择故事的复杂度，儿童可以从简单的故事开始，通过编程卡片和认知卡片选择故事的情节，输出自己制作的故事。分为简单和复杂两类，简单的只需要通过卡片控制故事内容即可；复杂的需要孩子在每张卡片上进行编程修改。使用卡片组：逻辑卡里的部分卡片(开始、结束)，动作卡片(全部)，表情卡片(全部)，数形卡(全部)，及其他认知卡。

无校验节点的非线性编排，这类编辑内容，比较复杂，儿童输入的内容，包含了非线性的指令(“开始”、“结束”两个指令除外)，但没有包含需要校验的非线性指令(包括“循环”“同时”“人物”等指令)，这类非线性指令，需要对代码里的变量进行修改，或是对代码进行复制，或是代码叠加，指令执行步骤如图4所示。

有校验节点的非线性编排，儿童输入的内容，包含了校验的内容，如地点、时间、输入事件等，超时设计由任务配置完成，机器人根据校验内容进行提示，校验失败，返回重新编辑，这类用于任务或比赛，指令执行步骤如图5所示。

例如路线编程，中级的规划类型编程，需要儿童按任务要求，给机器人设置好行进路线，到达指定目标区域。可以预先设定机器人的行进基本单位，不需要在地面上画出格子或地贴。通过“设定”卡片。任务类型分为三种：生活类，只需要将机器人送到卧室门口，或是给爸爸妈妈送个水果；事件类，根据故事主线，要求机器人完成故事要求的任务，如到河对面的农场给奶牛挤奶，或是探索神秘的星球；比赛类，多台机器人从不同出发点出发，抵达同类型目标区域。上述类型中，允许加入外部设备，和机器人一起完成任务；允许添加外部路标等任务参考物，辅助机器人完成任务。

尽管结合优选实施方案具体展示和介绍了本发明，但所属领域的技术人员应该明白，在不脱离所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围内，在形式上和细节上可以对本发明做出各种变化，均为本发明的保护范围。