基于编程板的实物化编程方法及其在机器人领域的应用
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种基于编程板的实物化编程方法及其在机器人领域的应用，属于人 机交互技术领域。
【背景技术】
[0002] 伴随着当代中国乃至世界对创客的关注度越来越高，全民创客时代已经来临。在 互联网时代的今天，计算机和网络已经成为人们生活中必不可少的一部分。作为创客，也必 须要掌握一项基础技能，就是"编程"。程序是计算机的大脑，也只有掌握"编程"的技能，才 能够参与到计算机创新制作过程中来。
[0003] 传统的编程通常是通过键盘输入文本语言的方式来完成的，但这种编程方式对于 计算机初学者而言，理解和使用起来很不方便。主要原因在于传统编程语言中的语法和复 杂指令，难以被理解和记忆，同时还需要进行大量地输入工作。而一般儿童和新手很难以记 住和理解程序语言的语法、逻辑关系和程序架构等非常专业的知识。此外，对文字掌握得还 不纯熟的儿童来说，程序的文本编辑方式缺乏直观性，儿童无法采用传统的编程方式来创 作自己的程序。因此，图形化编程向儿童提供了一种编程的可行途径，它将各种编程的概念 转化为显示在屏幕上的各种图形，儿童只需要对于各种图形进行拖动，就可以完成编程的 整个过程。实物编程被认为是图形化编程的一个分支，其与图形化编程不同之处在于，实物 编程对于程序的操作超越了计算机屏幕的限制。实物编程通过触觉、物理感知等技术与实 物交互，再将实物逻辑转化为程序逻辑来进行编程。与直接让儿童操控电脑相比，让儿童通 过操纵实物来进行创作，更容易让儿童投入到整个过程当中。通过实物编程系统，儿童可以 对程序语言的逻辑有更加直观的理解。程序不再是一行行枯燥的代码，而是一组形象甚至 一组实物的组合，儿童通过对实物的拼接组合，就可以完成普通程序语言通过键盘输入代 码才能完成的工作。因此，实物编程的特点决定了它更适合儿童进行编程操作。
[0004] 现有技术中国专利CN102136208A公开了一种实物编程方法和系统，通过图像采 集实物编程块的表面识别码，再转换为对应的功能语义序列，用户通过在摄像区域摆放具 有识别码的实物模块来进行简单编程，这种实物化的编程方法虽然简单，但其仍然是一种 乏味的程序，并不能很好地激发儿童及新手的学习兴趣；同时，上述技术方案只能用于已经 在计算机中设定好的程序上，无法让儿童以及新手展开开放性思维去自己创建，不具有更 深远的教育意义。
[0005] 中国专利CN104898456A公开了"实物化编程的方法及其在机器人领域的应用"， 但是，该方法中每个积木内部都含有芯片或单片机，制造成本较高。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于编程板的实物化编程方法 及其在机器人领域的应用。
[0007] 本发明的技术解决方案是：一种基于编程板的实物化编程方法，包括如下步骤：
[0008] (1)备置实物化的编程积木和编程板，所述编程积木和编程板相配套，每块编程积 木存储有ID，该ID标示该编程积木需要完成的功能，所述编程板上设有程序上载接口、阵 列状排列的供编程积木与编程板连接的连接接口，以及对所述连接接口进行扫描和识别的 控制电路；
[0009] (2)搭建带有主控板的运行对象，根据将要实现的控制逻辑，选取若干编程积木在 编程板上搭建逻辑程序；所述编程板通过控制电路循环扫描，识别各连接接口是否连接有 编程积木，如果有则读取该编程积木内所存储的ID，由此获得编程积木所搭建的ID网络关 系；
[0010] (3)逻辑程序搭建好后，连接编程板与主控板；
[0011] (4)启动主控板内的装载程序，将编程板上的ID网络关系通过编程板上设置的程 序上载接口装载到主控板内的存储器中；
[0012] (5)主控板内CPU对所述ID网络关系进行解码分析即可得到与之相对应的逻辑程 序；
[0013] (6)主控板内CPU检验程序逻辑，如果程序逻辑正确，则继续下一步；如果程序逻 辑不正确，主控板就会向编程板反馈信息，移动和/或更换错误的编程积木，返回上述步骤 (3)继续，直到整个程序逻辑正确为止；
[0014] (7)主控板控制运行对象执行程序，如果运行对象运行正确，就结束任务；否则， 通过移动和/或更换编程积木修改程序逻辑，继续上述步骤（3)，直到运行对象运行正确为 止。
[0015] 进一步地，所述实物编程积木包括基础编程指令积木、延时类指令积木、传感器指 令积木、专用类指令积木和其他积木；其中，基础编程指令积木包括：如果判断指令积木、 重复做指令积木。
[0016] 进一步地，所述编程积木内置RFID被感应装置，编程板与编程积木之间是以RFID 的无线感应方式连接并标识实物编程积木的ID。
[0017] 进一步地，所述编程积木内置有多个跳线，编程板与编程积木之间是以跳线插接 的方式连接并标识实物编程积木的ID。
[0018] 进一步地，步骤（4)所述的装载程序是指主控板经电路信号控制编程板循环扫描 识别各连接接口，直接读取各编程积木的ID网络关系。
[0019] 进一步地，步骤（4)所述的装载程序是指主控板读取编程板内临时存储的ID网络 关系，该ID网络关系是编程板自行循环扫描识别各连接接口后得到的。
[0020] 进一步地，所述编程板内的连接接口处装置有LED灯，主控板检测到错误的程序 输出信号时，就会向编程板反馈信息，对应出错的编程积木所在连接接口处的LED灯就会 亮起。
[0021] 前述基于编程板的实物化编程方法在机器人领域的应用，其应用步骤为：
[0022] (1)构思与设计将要搭建的机器人，备置实物化的编程积木和编程板；
[0023] (2)搭建机器人，其由主控板以及传感器和发声发光等模块组成；
[0024] (3)根据步骤（1)中所构思的机器人，选取编程积木在编程板上搭建程序逻辑；
[0025] (4)连接编程板与机器人内的主控板；
[0026] (5)启动主控板内的装载程序把编程板上编程积木所对应的程序逻辑上传到主控 板存储器中；
[0027] (6)机器人运行：主控板内CPU解析并执行被装载的程序。
[0028] 本发明技术方案的突出的实质性特点和显著的进步主要体现在：
[0029] 1、本发明形象化地将实物指令积木所拼接的程序反映到机器人等运行对象的运 行上，让儿童和新手能更具体地理解程序、设计程序和修改程序，具有很好的应用前景；
[0030] 2、本发明使用实物编程积木在编程板上搭建程序，且各个实物化的指令积木很形 象，还有连接积木，使得整个搭建的程序就像逻辑图一样展现在用户面前，使用户可以更加 直观地、清楚地了解自己所搭建的程序，更有利于编程的学习；
[0031] 3、本发明以实物编程板作为基础，在其上利用实物化编程积木搭建程序，每个积 木并不需要装置芯片或单片机，节约了制造成本。
【附图说明】
[0032] 图1为本发明的实物化编程方法的流程图。
[0033] 图2a至图2c为本发明的基础类编程指令积木示意图。其中：图2a-如果INl判 断指令积木；图2b-如果IN2判断指令积木；图2c-重复做指令积木。
[0034] 图3a至图3e为本发明的机器人专用类指令积木示意图。其中：图3a-机器人前 进指令积木；图3b-机器人右转指令积木；图3c-机器人左转指令积木；图3d-机器人停 止指令积木；图3e-机器人后退指令积木。
[0035] 图4a至图4d为本发明的其他积木示意图。其中：图4a-横向直线连接积木；图 4b-顺时针直角转弯积木；图4c一逆时针直角转弯积木；图4d-竖向直线连接积木。
[0036] 图5a至图5b为本发明的延时类指令积木示意