一种可输出表情的智能机器人的制作方法

本实用新型涉及机器人领域，具体说涉及一种可输出表情的智能机器人。

背景技术：

现有的小型机器人在问答过程中，仅能凭借语言方面与用户互动，而很难向用户传达丰富的表情输出指令。

进一步的，现有的机器人动作表达一般通过电机实现。为了完成一套丰富的动作，通常需要复杂的机械结构设计与较多的执行器(电机)数目。然而，由于小型智能机器人在智能化程度、空间体积与续航时间上有较高的要求。因此小型机器人受到结构空间与成本的限制，很难容纳过多的电机。这就使得现有的小型智能机器人在动作表达上也无法达到真正展示表情输出指令的目的。

因此，为了向用户传达丰富的表情输出指令，需要一种能更好的输出表情的智能机器人。

技术实现要素：

为了向用户传达丰富的表情输出指令，本实用新型提出了一种可输出表情的智能机器人，所述机器人包括生成并输出表情输出指令的主机以及与所述主机连接的从机，所述从机包括：

接收所述表情输出指令的主从通信单元，所述主从通信单元与所述主机连接；

存储有包含机器人表情元素的表情库的存储芯片；

基于所述表情输出指令提取所述机器人表情元素的从机控制芯片，所述从机控制芯片连接到所述主从通信单元以及所述存储芯片；

所述机器人还包括显示所述机器人表情元素的显示装置，所述显示装置连接到所述从机控制芯片。

在一实施例中，所述从机配置为令当前显示的所述机器人表情元素与所述机器人当前输出的其他多模态输出匹配。

在一实施例中，所述从机还配置为采用通用串行接口与所述主机进行数据传输。

在一实施例中，所述从机还配置为采用直接内存存取方式从所述表情库中提取所述机器人表情元素。

在一实施例中，所述显示装置为液晶显示屏，所述从机还配置为采用直接内存存取方式将所述机器人表情元素传输到所述显示装置。

相较于现有技术，本实用新型的系统架构简洁，实现难度和成本都很低。根据本实用新型的系统输出的表情更加复杂，表情表现效果更好，机器人的用户体验得到大大提高。

本实用新型的其它特征或优点将在随后的说明书中阐述。并且，本实用新型的部分特征或优点将通过说明书而变得显而易见，或者通过实施本实用新型而被了解。本实用新型的目的和部分优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的步骤来实现或获得。

附图说明

附图用来提供对本实用新型的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本实用新型的实施例共同用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的限制。在附图中：

图1是根据本实用新型一实施例机器人结构简图；

图2是根据本实用新型一实施例硬件布局简图；

图3是根据本实用新型一实施例的部分硬件结构接口布线图。

具体实施方式

以下将结合附图及实施例来详细说明本实用新型的实施方式，借此本实用新型的实施人员可以充分理解本实用新型如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程并依据上述实现过程具体实施本实用新型。需要说明的是，只要不构成冲突，本实用新型中的各个实施例以及各实施例中的各个特征可以相互结合，所形成的技术方案均在本实用新型的保护范围之内。

现有的小型机器人在问答过程中，仅能凭借语言方面与用户互动，而很难向用户传达丰富的表情输出指令。

进一步的，现有的机器人动作表达一般通过电机实现。为了完成一套丰富的动作，通常需要复杂的机械结构设计与较多的执行器(电机)数目。然而，由于小型智能机器人在智能化程度、空间体积与续航时间上有较高的要求。因此小型机器人受到结构空间与成本的限制，很难容纳过多的电机。这就使得现有的小型智能机器人在动作表达上也无法达到真正展示表情输出指令的目的。

为了向用户传达丰富的表情输出指令，本实用新型提出了一种智能机器人。在根据本实用新型的一实施例中，构造包含多个不同的机器人表情元素的表情库(具体的，表情元素包含静态图片、动态图片以及视频等多种不同的媒体形式中的一种或多种的组合)。在机器人进行交互的过程中，机器人的主机根据当前的交互环境、交互输入等数据判断是否需要进行表情输出。当需要表情输出时，主机生成需要输出的表情所对应的表情输出指令并将表情输出指令输出到从机。

从机接收到表情输出指令后解析表情输出指令，然后根据解析结果从预先构造的表情库中提取与表情输出指令匹配的表情元素。最后，根据提取出的表情元素进行显示以完成表情输出。具体的，从机包含显示装置，从机根据提取出的表情元素生成显示指令，以显示指令控制显示装置进行相应的显示。

以一具体应用场景为例，例如，构造包含微笑图片、哭泣图片的表情库。当与用户交互时机器人的主机判断当前需要向用户微笑时将包含微笑输出指令的表情输出指令发送到从机。从机解析表情输出指令从而获取微笑输出指令，然后基于微笑输出指令从表情库中提取出微笑图片。最后从机控制显示装置将微笑图片显示给用户从而完成表情输出。

基于上述流程，本实用新型提出了一种可输出表情的智能机器人。在本实用新型一实施例中，如图1所示，机器人至少包含主机200以及从机210。

机器人主机200配置为判断是否需要进行表情输出，当需要进行表情输出时，主机200根据当前需要展现的机器人表情生成相应的表情输出指令并输出给从机210。

从机210配置为从机器人主机200处获取表情输出指令，当从机210接收到表情输出指令时解析表情输出指令并从表情库中提取与表情输出指令匹配的机器人表情元素，以及控制显示装置显示提取出的与所述表情输出指令匹配的机器人表情元素，表情库包含多个不同的机器人表情元素，机器人表情元素包括静态图片、动态图片和/或视频。

进一步的，在本实用新型一实施例中，为了方便布线与安装，缩小系统体积，将表情库集成在从机上。如图2所示，从机主控板300上集成有主从通信单元301、从机控制芯片302以及存储芯片303。

存储芯片303用于存储机器人表情元素以构成表情库。从机控制芯片302用于数据处理，主从通信单元301用于实现从机控制芯片302与机器人主机之间的通信。主从通信单元310接收来自机器人主机的表情输出指令321并将其转发给从机控制芯片302。

具体的，在本实用新型一实施例中，从机主控板300基于STM32主控电路构造。从机控制芯片302基于STM32主控芯片(MCU)构造，存储芯片303基于闪存(Flash)W25Q80/16/32构造。对应STM32主控芯片，STM32主控电路中还构造有晶振与复位电路、电源管电路、通信接口、JLINK程序下载接口。

上述结构中，STM32主控芯片是意法半导体公司(ST，世界几大半导体公司之一)推出的微控制器类产品，基于ARM公司推出的32位Cortex-M系列内核。闪存(Flash)W25Q80(8M-bit)，W25Q16(16M-bit)和W25Q32(32M-bit)是小空间低功耗的串行Flash存储器。

进一步的，由于串行通信设备(USART)通信只需要2根线(发送数据线、接收数据线)，具有成本低传输速度快的特点。因此在本实用新型一实施例中，机器人从机与机器人主机之间的通信基于USART实现。也就是说，图3中的主从通信单元301为串行通信设备(USART)。

在本实用新型一实施例中，表情库可以是预先写入到存储芯片中，然后再组装构造完成从机。但是为了提高系统的灵活性，在本实用新型一实施例中，采用了可随时扩充的表情库的设计。即，可以从从机外部向从机输入新的表情元素(开发者自定义的表情元素)，从机将外部输入的表情元素保存在表情库中以扩展表情库。

具体的，以图2所示实施例为例。主从通信单元301还具有接收表情元素输入的功能。具体的，在构造表情库的过程中，由外部通过主从通信单元301向从机控制芯片302传输新的表情元素(开发者自定义的表情元素322)，然后从机控制芯片302将新的表情元素写入存储芯片303中。

在本实用新型一实施例中，在使用表情库之前，从机首先判断是否需要更新表情库(步骤S400)(当前是否存在表情库更新指令)。如果不需要更新表情库，则说明表情库准备就绪，可以使用。

如果需要更新表情库，则通信接口(USART)等待外部输入新的表情元素。接下来，外部将新的表情元素输入，通信接口接收新的表情元素，从机将接收到的表情元素写入表情库中(存储到存储芯片中)。

从机接下来判断表情元素的写入是否完成(表情库的更新是否完成，是否需要继续写入新的表情元素)，如果写入完成，则表情库准备就绪，可以使用。如果写入未完成，则返回继续写入新的表情元素。

这里需要指明的是，上述更新表情库的步骤不仅仅限于写入新的表情元素，也包含旧的表情元素的删除以及替换。从机根据具体的更新命令判断：将新的表情元素写入空白存储空间以扩展表情库，写入原有的旧表情元素存储位置以替换旧的表情元素，或是将空白数据写入原有的旧表情元素存储位置以删除旧表情元素。

进一步的，在本实施例中，在每次开机(从机启动)时都需要检查表情库是否就绪(判断是否需要更新表情库)。进一步的，在从机运行过程中，如果接收到外部输入的表情库更新指令，则直接进入表情库更新流程。

这里需要注意的是，在本实用新型一实施例中，开发者可以使用独立的输入设备直接接入主从通信单元301输入新的表情元素(表情元素更新指令)，也可以利用机器人主机的相关接口，通过机器人主机向主从通信单元301输入新的表情元素(表情元素更新指令)。

基于上述结构功能设计，开发者可以自定义丰富的机器人表情图案。选用W25Q16存储芯片，则可存储约170张图片，选用W25Q128存储芯片，则可存储约1360张图片。

进一步的，在本实用新型一实施例中，在从机启动过程中不仅要检查表情库是否就绪，还进行开机显示。也就是说，在从机刚刚启动时，即使机器人主机并没有发送过来表情输出指令，从机也会自动进行预设的开机表情显示。

具体的，当机器人系统启动时启动机器人的主机以及从机。当机器人的主机被启动后检查主机是否就绪，如果没有，则继续进行主机的启动。如果主机就绪则通知从机。

当从机启动后，且接收到主机的就绪通知后检查从机是否就绪(是否需要更新表情库)，如果没有，则继续进行从机的启动(表情库的更新)。如果从机就绪，则判断当前是否存在来自主机的表情输出指令(是否需要进行表情输出)。如果存在表情输出指令，则显示与表情输出指令匹配的表情。如果不存在表情输出指令，则自动按照预设方案调用表情库中的相关表情元素，进行开机表情的显示。

在本实用新型中，从机提取出与表情输出指令匹配的表情元素后控制显示装置显示表情元素。具体的，在本实用新型一实施例中，显示装置为液晶显示屏。

进一步的，机器人丰富的表情展现难以通过LED点阵的方式展示出来，普通的LED点阵像素较低，颜色单一，电路板面积较大，大大限制了机器人传达情感的能力，因此不适合在小型智能机器人系统上应用。因此在本实用新型一实施例中，显示装置为液晶显示屏为OLED彩屏，OLED技术是有机发光显示技术。当有电荷通过时这些有机材料就会发光。OLED发光的颜色取决于有机发光层的材料。OLED具备有构造简单、自发光不需背光源、对比度高、厚度薄、视角广、反应速度快等优点，基于OLED可以大大提高表情显示的效果。

进一步的，为了节省成本，降低数据处理量，在本实用新型一实施例中，尽可能的减小表情元素的数据量以及显示面积。考虑到机器人的表情展示中最重要是眼睛表情的表达，大部分的人类表情都可以利用眼部变化来表现，因此本实用新型一实施例中的显示装置为构造成双眼的液晶显示屏(左眼液晶显示以及右眼液晶显示，如图2所示的液晶显示屏311以及312)。

进一步的，作为机器人双眼中任意一个眼睛的OLED彩屏的PCB如图3所示，PCB上具有7个引脚接口。该OLED彩屏板可以方便地安装在小型机器人的头部，作为机器人的双眼展示表情。

进一步的，考虑到基于本实用新型的机器人具有多模态的交互输出功能(除表情输出以外还具有语音输出动作输出等输出)，机器人各个模态的输出要相互匹配。也就是说，在输出时机(输出时间节点)上，各个模态的交互输出要相互配合。例如，在做出大笑表情的同时需要输出笑声。

因此，在本实用新型一实施例中，从机还配置为显示与机器人当前输出的其他多模态输出匹配的机器人表情元素。即，由机器人从机的显示装置显示机器人表情元素，其中，当前正在显示的机器人表情元素与机器人当前输出的其他多模态输出匹配。

具体的，机器人主机向机器人从机输出的表情输出指令中包含表情输出指令的输出时间节点信息。机器人从机根据输出时间节点信息显示表情元素。进一步的，在本实用新型一实施例中，机器人主机仅向机器人从机输出当前需要显示的表情输出指令(需要立即显示的表情输出指令)。机器人从机在接收到表情输出指令后立即进行相关的表情元素的提取以及显示，从而保证显示的表情元素与机器人当前输出的其它模态的交互输出匹配。

直接存储器存取(DMA)方式是用来提供在外设和存储器之间或者存储器和存储器之间的高速数据传输方式。其具有快速，节省CPU资源的特点。为了快速显示表情元素，确保显示的表情元素与机器人当前输出的其它模态的交互输出匹配，在本实用新型一实施例中，采用直接内存存取(DMA)方式将机器人表情元素传输到从机的显示装置。即从机配置为采用直接内存存取方式将机器人表情元素传输到显示装置。

进一步的，采用DMA传输，OLED的刷屏速度可以达到每秒50副图像，远远高于人的肉眼识别的速度，不仅能够实现多图快速切换，显示动态图片，而且能够十分流畅自然的进行视频显示。这样就能显示出流畅自然的动态表情变化从而大大提高了表情输出的显示效果，极大提高了机器人情绪表达能力。

配合传输到显示装置时的DMA传输，表情元素从表情库中的提取也采用DMA传输，采用直接内存存取方式从表情库中提取与表情输出指令匹配的机器人表情元素。即，从机配置为采用直接内存存取方式从表情库中提取所述机器人表情元素。

串行(SPI)接口是外围设备接口。SPI接口主要应用在EEPROM，FLASH等电子器件之间，具有接口少，PCB布局节省空间的特点。因此，在本实用新型一实施例中，机器人从机控制芯片与表情库(存储芯片)之间，从机控制芯片与液晶显示屏之间均采用串行(SPI)接口。

综上，在本实用新型一实施例中，在从机开始运行后，从机控制芯片STM32主控芯片处于等待状态，等待来自主从通信单元(USART)的指令。STM32主控芯片检测USART是否接收到表情输出指令，没有接收到就继续等待。当接收到表情输出指令则解析表情输出指令，生成相应的存储芯片读写信号(S730)。然后使用存储芯片读写信号从表情库(存储芯片303，闪存(Flash)W25Q80/16/32)中提取相应的表情元素。

接下来，STM32主控芯片基于提取到的表情元素生成液晶显示控制信号(显示指令)，并利用液晶显示控制信号驱动液晶显示屏进行表情显示。

综上，根据本实用新型的智能机器人，可以实现机器人表情输出。本实用新型的系统架构简单，实现难度和成本都很低。相较于现有技术，根据本实用新型的系统输出的表情更加复杂，表情表现效果更好，机器人的用户体验得到大大提高。

以上所描述的系统实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。

虽然本实用新型所公开的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本实用新型而采用的实施方式，并非用以限定本实用新型。本实用新型所述的系统还可有其他多种实施例。在不背离本实用新型实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本实用新型作出各种相应的改变或变形，但这些相应的改变或变形都应属于本实用新型的权利要求的保护范围。