一种教学机器人系统和组装方法与流程

本申请涉及机器人技术领域，尤其涉及一种教学机器人系统和组装方法。

背景技术

随着人工智能技术、计算机技术等相关技术的发展，对智能机器人的研究越来越多。在教育领域，许多大、中、小学院校已在学生中开设了机器人学方面的有关课程。机器人课程作为一种科学知识与实践课程，可以锻炼学生的创新能力、电子设计能力、程序编写能力，对学生科学素养的培养和提高起到了积极的作用，在众多大、中、小学学校得以推广，并以其“玩中学”的特点深受青少年的喜爱，机器人走入学校已经成为必定的趋势。

教学机器人系统是一种适合大中小学生的具有开放式特征的实训实验平台，是多种高科技的融合。目前，教学机器人系统指的是由生产厂商专门开发设计的、以激发学生学习兴趣和培养学生综合能力为目标的机器人课程教具成品、套装或散件，它除了机器人机体本身之外，还有相应的控制和编程软件，以及教学课本等。教学机器人系统适应机器人教学课程的要求，已经成为中小学教育领域的必备教学用具。

但是，现有技术的教学机器人都是由厂家按照固定的搭配组装方案所设计和生产的组件，每个组件本身的功能及其执行过程都是厂家预置的，整套组装之后形成的机器人所能够实现的功能也都是根据厂家预置而实现的固定功能，这样的教学机器人实际上只是能让学生完成照着说明书按部就班搭积木式的教学，无法让学生对机器人的功能和构成实现灵活、富有创造性的自主设计。除了硬件搭配不够灵活以外，众所周知机器人的功能实现还依赖于设计相应的控制程序，而对编程能力薄弱的中小学生来说，进行机器人控制程序的独立编程存在较大难度，不具有普遍适用性，这也不利于教学机器人在中小学学校的推广。

技术实现要素：

有鉴于此，本申请的目的在于提出一种教学机器人系统和控制方法，来解决现有技术中由于教学机器人搭配固定、缺乏灵活性和独立设计的发挥空间，依赖于控制程序，对编程能力薄弱的中小学生不具有普遍适用性，不利于教学机器人在中小学学校的推广的技术问题。

基于上述目的，在本申请的一个方面，提出了一种教学机器人系统，包括：搭配模块、服务器、用户端和存储模块；

所述搭配模块用于拼装成教学机器人，并且每个所述搭配模块中存储有对应的id号；

所述服务器用于根据所述搭配模块的id号从所述存储模块中调用对应的所述搭配模块的驱动程序，下发给所述搭配模块；并接收所述用户端发送的基于图形对象的控制逻辑时序文件，根据所述控制逻辑时序文件生成控制程序，所述控制程序用于对所述教学机器人进行控制；

所述存储模块用于存储与所述搭配模块对应的驱动程序，还用于存储对应每个类型的搭配模块以及基本运算逻辑模块的图形对象配置文件，以及存储用于将所述控制逻辑时序文件转化为代码化的机器可执行的控制程序的代码化编译库；

所述用户端用于显示与所述搭配模块对应的图形对象以及接口，并接收用户对所述图形对象建立的连接关系和控制逻辑时序，生成所述控制逻辑时序文件，并将生成的所述控制逻辑时序文件发送至所述服务器。

在一些实施例中，所述搭配模块包括以下三类搭配单元：感知单元、控制单元和执行单元；所述感知单元用于感知周围环境信号，所述控制单元用于根据所述周围环境信号控制所述执行单元执行所述控制程序中相应的动作。

在一些实施例中，所述感知单元包括：存储子单元，用于存储所述感知单元的id号，所述id号用于表示所述感知单元的类型；感知子单元，包括传感器以及传感器的支撑电路；通信子单元，用于与所述服务器建立通信链路，将所述感知单元的id号发送至服务器，以及接收服务器下行传输的针对本感知单元的驱动程序。

在一些实施例中，所述控制单元包括：存储子单元，用于存储所述控制单元的id号，所述id号用于表示所述控制单元的类型，以及接收并存储所述服务器发送的控制程序；控制子单元，用与根据所述服务器发送的控制程序对感知单元的传感器输出的感知信号进行识别和判断，并且对所述执行单元进行控制；通信子单元，用于与所述服务器建立通信链路，将所述控制单元的id号发送至服务器，以及接收服务器下行传输的针对本控制单元的驱动程序，还接收服务器生成的控制程序。

在一些实施例中，所述执行单元包括：存储子单元，用于存储所述执行单元的id号，所述id号用于表示所述执行单元的类型；动作子单元，用于使所述执行单元执行所述控制程序指示的相关动作；通信子单元，用于与所述服务器建立通信链路，将所述执行单元的id号发送至服务器，以及接收服务器下行传输的针对本执行单元的驱动程序。

在一些实施例中，所述感知单元包括：存储子单元，用于存储所述感知单元的id号，所述id号用于表示所述感知单元的类型；感知子单元，包括传感器以及传感器的支撑电路；其中，所述存储子单元可以是rfid存储器。

在一些实施例中，所述控制单元包括：存储子单元，用于存储所述控制单元的id号，所述id号用于表示所述控制单元的类型；控制子单元，用与根据所述服务器发送的控制程序，对感知单元的传感器输出的感知信号进行识别和判断，并且对所述执行单元进行控制；识别子单元，用于对与本控制单元连接的其他搭配单元的id号进行识别；通信子单元，用于与所述服务器建立通信链路，将所述控制单元自己以及控制单元识别的其它搭配模块的id号发送至服务器，以及接收服务器下行传输的针对各个搭配模块的驱动程序，还接收服务器生成的控制程序。

在一些实施例中，所述执行单元包括：存储子单元，用于存储所述执行单元的id号，所述id号用于表示所述执行单元的类型，所述存储子单元可以是rfid存储器；动作子单元，用于使所述执行单元执行所述控制程序指示的相关动作。

在一些实施例中，所述服务器根据所述id号从存储模块调用与各个搭配模块对应的图形对象配置文件并传输给用户端；用户端根据该图形对象配置文件在图形化界面显示与各搭配模块对应的图形对象，图形对象显示每个搭配模块的id号、类型以及每个搭配模块的io接口。

在一些实施例中，所述用户端根据用户在图形化界面上针对搭配模块以及基本运算逻辑的图形对象建立的连接关系和设置的控制逻辑时序，生成控制逻辑时序文件，可以将该控制逻辑时序文件上传至服务器。

基于上述目的，在本申请的另一个方面，提出了一种教学机器人的组装方法，包括：

选取搭配单元并组装为机器人系统；

通过服务器获取各搭配单元的id号，对各搭配单元的类型进行识别并从存储模块中调用对应的驱动程序；通过服务器将搭配单元对应的图形对象配置文件发送至用户端；

在用户端显示与各搭配单元对应的图形对象，图形对象包括各搭配单元的id号、类型以及io接口；

根据用户在用户端上的对所述图形对象建立的连接关系和控制逻辑时序生成控制逻辑时序文件，可以将该控制逻辑时序文件上传至服务器，服务器编译该控制逻辑时序文件而生成控制程序；

通过服务器将所述控制程序下发给机器人系统。

在一些实施例中，通过用户端接收并解析服务器发送的搭配单元的图形对象配置文件，显示与各搭配单元对应的图形对象以及各搭配单元的接口；接收用户对所述图形对象的接口进行连接，以及对图形对象支持的控制逻辑选项以及io接口的输入输出选项进行选择，从而配置针对每个搭配单元的控制逻辑时序，生成所述控制逻辑时序文件。

在一些实施例中，通过所述用户端显示表示各种基本运算逻辑的图形对象，并且通过将搭配单元的图形对象与基本运算逻辑的图形对象建立连接，表示控制逻辑时序中对搭配模块接口输出的信号量执行基本逻辑运算。

在一些实施例中，通过用户端以不同的颜色显示与各搭配单元对应的图形对象，并在所述图形对象上标明对应的接口。

本申请实施例提供一种教学机器人系统及其组装方法，不仅允许学生灵活地利用各类搭配模块实现机器人硬件系统的拼装，通过服务器端云平台对各个搭配模块进行识别以及驱动程序的有效下发，并且基于搭配模块的识别实现了机器人系统硬件与用户端图形化编程界面的模块同步，通过将编程对象图形化，根据图形化后的编程对象连接关系和控制逻辑生成控制程序，同时锻炼了学生的硬件搭建和控制程序设计能力，同时充分简化的代码化编程给学生带来的门槛，解决了不利于教学机器人推广的各项技术问题。

附图说明

通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本申请的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1是本申请实施例一的教学机器人系统的结构示意图；

图2是本申请实施例一的图形化编程示意图；

图3是本申请实施例二的教学机器人系统的结构示意图；

图4是本申请实施例三的教学机器人系统的结构示意图；

图5是本申请实施例四的教学机器人组装方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本申请作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与有关发明相关的部分。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。

作为本申请的一个实施例，如图1所示，是本申请教学机器人系统的结构示意图。本申请所述的教学机器人系统包括各种类型的功能模块以及为该教学机器人系统提供远程支持的云平台，其中，所述功能模块支持由学生自主实现相互之间搭配组合，并且支持模块功能的自定义开发以及配置更新；在模块拼装的硬件基础之上，本发明还支持学生自主进行各种机器人控制程序的设计，提供图形化的控制程序设计方式。

从图1中可以看出，本实施例提供的教学机器人系统，包括：搭配模块101、服务器102、用户端103和存储模块104。

在本实施例中，所述搭配模块101可以是组装机器人所需要的各类型的功能模块组件，是学生以模块拼装方式进行机器人课程教学过程中使用的实验器具。在实际应用过程中，所述搭配模块101可以有多个类型，学生可以从多个类型的搭配模块101中选取课程所需类型和数量的搭配模块101，通过机械结构的组装以及模块提供的io接口之间的电路连接，来拼装成机器人。具体地，所述搭配模块101可以包括多种类型的搭配单元，用于拼装成一个完整的教学机器人，不同类别的搭配单元具有不同的功能。每个所述搭配单元101中存储有自身对应的id号，通过所述id号可以表征该搭配单元的类型。搭配模块101拼装的机器人系统可以具备无线通信功能，可以与服务器102实现双向通信，从而可以将每个搭配模块101自身的id号上传至服务器102。

所述服务器102用于根据所述搭配模块101的id号从所述存储模块104中调用对应于所述搭配模块101的驱动程序，并将该驱动程序下发给所述搭配模块101。所述驱动程序用于驱动所述搭配模块101，在机器人的运行过程中，驱动程序用于将学生设计的控制程序的控制指令转化为搭配模块101可以识别和执行的硬件指令，以及用于将搭配模块101输出的信号转化为可以由控制程序接收和响应的信息参量。驱动程序还具有硬件安全功能，当控制程序下达的控制指令超出搭配模块101可执行的安全阈值范围，则驱动程序可以中止该控制指令的执行并反馈报错信息。通过服务器102的下发，可以为搭配模块101实现驱动程序的远程更新。

此外，所述服务器102还用于接收学生通过所述用户端103设计并发送的基于图形对象的控制逻辑时序文件，用户端103根据学生在图形化编程界面上针对表征每个搭配模块的图形对象建立的连接关系和控制逻辑时序生成所述控制逻辑时序文件，并且服务器102利用该控制逻辑时序文件调用代码化编译库模块，生成控制程序，所述控制程序是经过编译的机器可执行代码，用于对所述教学机器人进行控制。服务器102将所述控制程序的可执行代码下发给搭配模块101拼装的机器人运行。

所述存储模块104用于存储与所述搭配模块对应的驱动程序，所述服务器102可以根据所述搭配模块101的id号从所述存储模块104中调用与所述搭配模块101对应的驱动程序。并且，所述存储模块104还用于存储对应每个类型的搭配模块以及基本运算逻辑模块的图形对象配置文件，用户端103根据已经搭建的机器人硬件组成，通过服务器102从存储模块104调用图形对象配置文件，以便在用户端103的图形化编程界面上显示表征每个搭配模块以及控制程序所需要的基本运算逻辑模块的图形对象，供学生以图形化的操作建立各个模块的连接关系并配置控制逻辑时序。存储模块104还存储了代码化编译库，服务器102调用该代码化编译库中的预置代码段，将所述控制逻辑时序文件转化为代码化的机器可执行的控制程序。

具体地，利用本发明进行机器人教学课程的过程如下：根据预设的教学方案或者学生的自主设计，学生可以选取适当类型与数量的搭配模块101，拼装为机器人系统；所选取的搭配模块101可以与所述服务器102建立通信连接，搭配模块101可以将自身的id号上传至所述服务器102，从而组成机器人系统的搭配模块101的id号被无线传输给服务器102。服务器102一方面根据各个id号从存储模块104调用所选取的搭配模块101的驱动程序并无线下发给搭配模块101，另一方面根据id号从存储模块104调用与各个搭配模块对应的图形对象配置文件并传输给用户端103。如图2所示，在用户端103上可以根据该图形对象配置文件在图形化界面显示与各搭配模块101对应的图形对象o101，图形对象o101显示每个搭配模块101的id号、类型以及每个搭配模块的io接口，学生可以在用户端103提供的图形化界面上将与各搭配模块101对应的图形对象o101进行连接，从而使各个图形对象o101形成与拼装的机器人系统硬件一致的连接架构，进而，学生可以对每个图形对象o101所执行的控制逻辑以及io接口的输入输出进行设置，例如当点击每个图形对象o101时，可以通过菜单给出该图形对象o101支持的控制逻辑选项以及io接口的输入输出选项，学生可以以选择的方式进行控制逻辑选项和输入输出选项的设计，从而配置针对每个搭配模块101的控制逻辑时序。在有些情况下，控制逻辑需要执行判断、循环、跳转等基本逻辑运算，则用户端103可以显示表示各种基本运算逻辑的图形对象ol，学生可以将图形对象o101的io接口与基本运算逻辑的图形对象ol建立连接，从而表示控制逻辑时序中对搭配模块101接口输出的信号量执行图形对象ol表示的基本逻辑运算。用户端103进而根据图形化编程界面上图形对象o101以及ol建立的连接关系和控制逻辑时序生成控制逻辑时序文件，可以将该控制逻辑时序文件上传至服务器102。服务器102利用该控制逻辑时序文件调用存储模块104中的代码化编译库，生成控制程序，所述控制程序是经过编译的机器可执行代码，用于对所述教学机器人进行控制，服务器102将所述控制程序的可执行代码下发给搭配模块101拼装的机器人运行。

可见，本申请实施例的教学机器人系统，允许学生灵活地利用各类搭配模块实现机器人硬件系统的拼装，通过服务器端云平台对各个搭配模块进行识别以及驱动程序的有效下发，并且基于搭配模块的识别实现了机器人系统硬件与用户端图形化编程界面的模块同步，通过将编程对象图形化，根据图形化后的编程对象连接关系和控制逻辑生成控制程序，同时锻炼了学生的硬件搭建和控制程序设计能力，同时充分简化的代码化编程给学生带来的门槛，解决了不利于教学机器人推广的各项技术问题。

如图3所示，是本申请实施例二的教学机器人系统的结构示意图。作为本申请的一个实施例，本实施例提供的教学机器人系统，包括搭配模块101、服务器102、用户端103和存储模块104。所述搭配模块101可以包括三类搭配单元，用于拼装成一个经典的教学机器人，所述三类搭配单元分别为：感知单元1011、控制单元1012和执行单元1013。

所述感知单元1011用于感知周围环境信号，所述控制单元1012用于根据所述周围环境信号控制所述执行单元1013执行所述控制程序中相应的动作。具体地，所述感知单元1011包括：存储子单元，用于存储所述感知单元的id号，所述id号用于表示所述感知单元的类型；感知子单元，包括传感器以及传感器的支撑电路；通信子单元，用于与所述服务器建立通信链路，将所述感知单元的id号发送至服务器，以及接收服务器下行传输的针对本感知单元的驱动程序。在本实施例中，所述传感器可以是不同类型的传感器，包括光传感器、温度传感器和声音传感器等。

所述控制单元1012包括：存储子单元，用于存储所述控制单元的id号，所述id号用于表示所述控制单元的类型，以及接收并存储所述服务器发送的控制程序；控制子单元，用与根据所述服务器发送的控制程序，对感知单元的传感器输出的感知信号进行识别和判断，并且对所述执行单元进行控制；通信子单元，用于与所述服务器建立通信链路，将所述控制单元的id号发送至服务器，以及接收服务器下行传输的针对本控制单元的驱动程序，还接收服务器生成的机器人系统控制程序的机器可执行代码；并且，在机器人系统的工作过程中，通信子单元还可以将机器人系统实时的工作状态上传给服务器，例如实现报错等。

所述执行单元1013包括：存储子单元，用于存储所述执行单元的id号，所述id号用于表示所述执行单元的类型；动作子单元，用于使所述执行单元执行所述控制程序指示的相关动作；通信子单元，用于与所述服务器建立通信链路，将所述执行单元的id号发送至服务器，以及接收服务器下行传输的针对本执行单元的驱动程序。

此外，上述的三类搭配单元还可以包括：识别子单元，用于对与所属的搭配单元连接的其他搭配单元的类型进行识别。

需要说明的是，本实施例中的服务器102、用户端103和存储模块104，与在上述实施例一中的功能和作用可以相同，这里不再赘述。

本申请实施例中的教学机器人系统，从功能层面可以划分为三个功能层，分别为：程序层、驱动层和硬件层。所述程序层包括学生设计的控制程序，所述驱动层包括驱动程序，具体地，所述驱动程序也可以分为三个类别，分别与所述感知单元1011、控制单元1012和执行单元1013相对应，所述硬件层即为搭配单元，包括：感知单元1011、控制单元1012和执行单元1013。本实施例能够取得与上述实施例相类似的技术效果，这里不再赘述。

图4示出了是本申请实施例三的教学机器人系统的结构示意图。作为本申请的一个实施例，本实施例提供的教学机器人系统，包括：搭配模块101、服务器102、用户端103和存储模块104，所述搭配模块101可以包括感知单元1011、控制单元1012和执行单元1013三类搭配单元，用于拼装成一个经典的教学机器人，所述感知单元1011用于感知周围环境信号，所述控制单元1012用于根据所述周围环境信号控制所述执行单元1013执行所述控制程序中相应的动作。

本实施例中，所述感知单元1011包括：存储子单元，用于存储所述感知单元的id号，所述id号用于表示所述感知单元的类型；感知子单元，包括传感器以及传感器的支撑电路。其中，所述存储子单元可以是rfid存储器。

所述控制单元1012包括：存储子单元，用于存储所述控制单元的id号，所述id号用于表示所述控制单元的类型；控制子单元，用与根据所述服务器发送的控制程序，对感知单元的传感器输出的感知信号进行识别和判断，并且对所述执行单元进行控制；识别子单元，用于对与本控制单元1012连接的其他搭配单元的id号进行识别，该识别子单元可以是rfid读取器，从而可以从其它搭配单元的rfid存储器中直接取得其它搭配单元的id号。通信子单元，用于与所述服务器建立通信链路，将所述控制单元自己以及控制单元识别的其它搭配模块的id号发送至服务器，以及接收服务器下行传输的针对各个搭配模块的驱动程序，还接收服务器生成的机器人系统控制程序的机器可执行代码；并且，在机器人系统的工作过程中，通信子单元还可以将机器人系统实时的工作状态上传给服务器，例如实现报错等。

所述执行单元1013包括：存储子单元，用于存储所述执行单元的id号，所述id号用于表示所述执行单元的类型，所述存储子单元可以是rfid存储器；动作子单元，用于使所述执行单元执行所述控制程序指示的相关动作。

本实施例相比上一实施例，在各个搭配模块的硬件结构方面进行了改进，其中只需要在控制单元设置成本较高且功耗比较大的无线通信子单元，而且控制单元利用rfid技术自动对与之搭配的其它搭配模块的id号进行识别。

如图5所示，是本申请实施例四的教学机器人的组装实验方法的流程图。作为本申请的一个实施例，所述教学机器人的组装实验方法，可以包括以下步骤：

s301当用户选取三类搭配单元后，服务器获取各搭配单元的id号，对各搭配单元的类型进行识别并从存储模块中调用对应的驱动程序。具体地，在学生(用户)选取三类搭配单元后，所选取的搭配单元建立与服务器的通信连接，服务器在获取到所选取的搭配单元的id号后，可以确定搭配单元的类型，进而从存储模块中调用对应的驱动程序并下发给机器人系统。同时，服务器将搭配单元对应的图形对象配置文件发送至用户端。

s302：在用户端的图形化程序设计界面显示与各搭配单元对应的图形对象，图形对象包括各搭配单元的id号、类型以及io接口。

用户端在接收到的服务器发送的搭配单元的图形对象配置文件后，通过解析该文件而显示与各搭配单元对应的图形对象以及各搭配单元的接口，以供学生对显示的图形对象进行图形化编程，即对所述图形对象的接口进行连接，以及对图形对象支持的控制逻辑选项以及io接口的输入输出选项进行选择，从而配置针对每个搭配单元的控制逻辑时序。用户端还可以显示表示各种基本运算逻辑的图形对象，学生可以将搭配单元的图形对象与基本运算逻辑的图形对象建立连接，从而表示控制逻辑时序中对搭配模块接口输出的信号量执行基本逻辑运算。在用户端以不同的颜色显示与各搭配单元对应的图形对象，并在所述图形对象上标明对应的接口。

s303：根据用户在用户端上的对所述图形对象建立的连接关系和控制逻辑时序生成控制逻辑时序文件，可以将该控制逻辑时序文件上传至服务器，服务器编译该控制逻辑时序文件而生成控制程序。所述控制程序下发给机器人系统的控制单元，用于对学生拼装成的机器人进行控制。

s304：将所述控制程序发送至机器人系统硬件的控制单元之后控制单元通过所述驱动程序将该控制程序的机器代码转化为各个搭配单元可以执行的指令，驱动所述搭配单元运转，进而对学生拼装成的机器人进行控制。

举例来说，机器人系统的感知单元可以是一个光传感器，执行单元可以是一个照明灯；在硬件拼装阶段，学生可以将该感知单元的io输出接口、执行单元的io输入接口分别与控制单元的第一io接口和第二io接口连接，实现机器人系统的拼装。同时，控制单元识别感知单元、执行单元的id号，将控制单元自身的id号以及感知单元、执行单元的id号上传至服务器。服务器下发驱动程序至该控制单元，同时，在用户端的图形化程序设计界面显示控制单元、感知单元、执行单元的图形对象。学生在图形化的控制程序设计过程中，还可以添加判断运算图形对象和循环运算图形对象。学生可以将感知单元的图形对象的io接口连接判断运算图形对象，判断照度是否低于阈值；将判断运算图形对象的否定接口连接循环运算图形对象；将判断运算图形对象的肯定接口连接控制单元图形对象的第一io接口，将控制单元图形对象的第二io接口连接执行单元的io接口，并且配置控制逻辑为点亮。用户端进而根据图形化编程界面上图形对象建立的连接关系和控制逻辑时序生成控制逻辑时序文件，可以将该控制逻辑时序文件上传至服务器。服务器利用该控制逻辑时序文件调用存储模块中的代码化编译库，生成控制程序，所述控制程序是经过编译的机器可执行代码，用于对所述教学机器人进行控制，服务器将所述控制程序的可执行代码下发给控制单元，运行教学机器人根据照度执行点亮控制。

可见，本申请实施例的教学机器人组装方法，不仅允许学生灵活地利用各类搭配模块实现机器人硬件系统的拼装，通过服务器端云平台对各个搭配模块进行识别以及驱动程序的有效下发，并且基于搭配模块的识别实现了机器人系统硬件与用户端图形化编程界面的模块同步，通过将编程对象图形化，根据图形化后的编程对象连接关系和控制逻辑生成控制程序，同时锻炼了学生的硬件搭建和控制程序设计能力，同时充分简化的代码化编程给学生带来的门槛，解决了不利于教学机器人推广的各项技术问题。

以上描述仅为本申请的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本申请中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离上述发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本申请中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。