专利名称：具有视觉编程的微处理器控制的玩具组合元件的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种微处理器控制的玩具组合元件，包括微处理器，其可以执行呈存储在存储器中的程序形式的指令；被集成在玩具中的显示装置；连接装置，用于连接可以由操纵装置运动的组合元件，所述操纵装置可以响应所述指令被控制。
随着小型的、复杂的和相当廉价的微处理器的发展，使得在许多不同的消耗品包括玩具在内的产品中使用微处理器具有相当的吸引力。一般地说，玩具的发展已经从简单的功能例如玩偶的声音演奏、机器人的简单的运动的图形等到研制具有复杂行为的玩具。复杂的行为可以由玩耍玩具的儿童识别，并给出一种个性化的印象。特别是在积木式的玩具中，具有许多可能性使玩具具有某种行为，其中通过把微处理器控制的玩具组合元件的程序步骤和自身的机械机构组合在一起，得到所述行为。
这种可编程的积木玩具可以由LEGO MINDSTORMS生产的产品ROBOTICS INVENTION SYSTEM得知，这种玩具由计算机实行程序控制，从而检测多个物理信号，并响应这些信号实现物理动作。这种玩具例如可以作为一个元件被安装在车辆中，其中使玩具和其它的玩具组合元件例如电动机、车轮、碰撞检测器以及光检测器组合在一起。
WO90/02983涉及一种被微处理器控制的并可以通过包括的键盘编程的机器人玩具元件。机器人玩具元件可以按照运动图形并响应外部的影响而运动。
US5724074是一个可以编程的玩具元件的例子。所述玩具元件可以借助于图形用户接口由外部计算机编程。
然而，上述的编程的玩具元件的原理用于微处理器控制的玩具组合元件中是不适宜的。特别是当微处理器控制的玩具组合元件和其它的组合元件相连从而形成一种可以完成运动图形的结构时更是如此，此时运动图形部分地取决于结构，部分地取决于由微处理器控制的玩具组合元件执行的程序。在这种情况下，在编程之后的结构的改变可以导致一种不能工作的结构。对于成人这是显然的，但是对于儿童，它们凭直觉玩耍，并且以一种无组织的方式游戏，这仍然是普遍的情况。已有的玩具不能以满意的方式处理这些情况。
由本领域的现有技术的情况看来，存在的一个问题是用于微处理器控制的玩具组合元件的编程和控制设备具有缺点。
因而，本发明的目的在于提供一种改进的用于微处理器控制的玩具组合元件的编程和控制设备。
上述目的是这样实现的，其中上述的微处理器控制的玩具组合元件的特征在于，显示装置包括多个图标，每个图标代表用于微处理器的指令，并且可以由使用者启动，进行微处理器的编程，并且利用多个图标的第一个图标发送信号，所述第一个图标代表微处理器正在执行的指令。
这确保玩具的使用者收到一个指示，其表示微处理器被编程执行哪些指令、规则或程序步骤，并且表示在利用图标发信号的同时执行哪些指令、规则或程序步骤。这使得儿童能够通过试探方法，在发现程序或结构中的错误时获得帮助，从而容易地处理问题。
因而，可以用简单的方式对玩具组合元件编程。此外，可以使玩具组合元件根据来自用户的几个直觉的激活而具有复杂的功能。
下面结合
本发明的优选实施例，其中图1表示可编程的玩具组合元件的方块图；图2表示在玩具组合元件上的显示；图3a表示用于玩具组合元件的视觉编程的状态机的第一图；图3b表示用于玩具组合元件的视觉编程的状态机的第二图；图3c表示用于中断状态机的第三图；图3d表示用于启动状态机的第四图4表示程序的并行和顺序执行；图5表示第一或第二玩具组合元件，其中第一玩具组合元件可以向第二玩具组合元件传递数据；以及图6表示利用公知的玩具组合元件连接的包括按照本发明的微处理器控制的玩具组合元件的玩具结构。
图1表示可编程的玩具元件的方块图。玩具元件101包括多个电子装置，用于对玩具元件编程，使得其可以响应从各个电子检测器(例如电开关)拾取的信号控制电子装置(例如电动机)。
因而可以使玩具元件实现复杂的功能，例如在玩具元件以合适方式和电子装置/检测器组合的情况下，可以实现动作控制的运动。
玩具元件101包括微处理器102，其通过通信总线103和多个单元相连。微处理器102可以通过通信总线103从两个A/D转换器“A/D输入#1” 105和“A/D输入#”106接收数据。A/D转换器可以接收离散的多位信号或简单的二进制信号。此外，A/D转换器适用于检测无源值，例如欧姆电阻。
微处理器102可以通过一组端子“PWM输出#1”107和“PWM输出#2”108控制电子装置，例如电动机(未示出)。在本发明的优选实施例中，电子装置被脉宽调制信号控制。
此外，通过控制声音发生器109，例如扬声器或压电装置，玩具元件可以发出声音信号或声音序列。
通过光源“VL输出”110，玩具元件可以发射光信号。所述光信号可以利用发光二极管发出。发光二极管例如适用于向玩具元件和电子装置/检测器表示各种状态。此外，光信号适用于作为和相应类型的其它玩具元件的通信信号。例如光信号可以通过光导向其它玩具元件传递数据。
玩具元件可以通过光检测器“VL输入”111接收光信号。这些光信号尤其可以用于检测玩具元件所在的室内的光的强度。通过光导可以交替地接收光信号和来自另一个玩具元件或个人计算机的数据。因而，同一个光检测器通过光导可以具有通信功能，同时作为光检测器用于检测所述玩具元件所在的室内的光的强度。
在优选实施例中，“VL输入”111适用于选择地通过光导进行通信或者交替地检测所达玩具元件所在室内的光的强度。
通过红外光检测器“IR输入/输出”112，玩具元件可以向另一个玩具元件传递数据，或者接收来自另一个玩具元件或个人计算机的数据。
微处理器102使用通信协议接收或发送数据。
显示装置104和键“移动”键113，“运行”键114，“选择”键115以及“启动/中断”键116构成用户接口，用于操作/编程玩具元件。在优选实施例中，显示装置是CLD显示装置，其可以显示多个特定的图标或符号。在显示装置上的符号的外观可以被单独地控制，例如，图标可以是可见的，不可见的和能够闪烁的。
借助于控制所述的键，玩具元件可以被编程，与此同时，所述的显示可以向用户提供被形成的或者被执行的程序的反馈。这在下面将更详细地说明。因为用户接口包括有限数量的元件(即有限数量的图标和键)，可以使儿童很快地学会如何使用所述玩具元件。
所述玩具元件还包括呈RAM或ROM形式的存储器117。所述存储器含有操作系统“OS”118，用于微处理器的基本功能的控制，程序控制“PS”119，其能够控制用户规定的程序的执行，多个规则820，每个规则包括用于微处理器的多个特定的指令，以及在RAM中的利用所述特定规则的程序121。
在优选实施例中，玩具元件基于所谓的单片微处理器，其以一个集成电路的形式包括多个输入和输出，存储器和微处理器。
在优选实施例中，玩具元件包括发光二极管，其可以指示所连接的电动机的转动方向。
在另一个实施例中，玩具元件包括一体化的操纵装置，例如呈一个或几个电动机的形式，具有例如由所述电动机驱动的轴的形式的输出装置(take-off)，其也可以呈连接孔的形式，用于和接收轴的一部分并使轴旋转的装置相连。
图2表示在玩具元件上的显示装置。显示装置201适用于显示多个特定的图标，所示的画面是在所有的图标都是可见的状态下显示的。按照功能，图标分别被水平线202和垂直线203分成多个组204-207。
图标例如被设计成用于说明车辆运动的几种可能的图形。车辆例如可以通过组合玩具元件和两个电动机而形成，所述电机可以分别用于驱动车辆的左右一组车轮。因而车辆可以被控制驱动前进、后退和左右转弯。此外，车辆可以包括用于检测碰撞的压敏开关和光敏检测器。
组204包括以下运动图形的图标直线向前运动，曲折向前运动，圆圈运动和重复给定图形的运动。这些运动图形不能通过检测器的作用进行调节，因此是无条件的。
组205包括当检测到障碍物时则反向的运动图形的第一图标。第二图标表示直线向前的运动图形，其中向前的运动由检测到的障碍物校正。第三个图标在运动图形开始时进行调节。第四个图标当压力传感器被启动时则停止前进的运动图形。因而在组205中的图标表示由压力传感器调节的运动图形。
组206包括用于分别启动向着最亮处和最暗处运动的运动图形的图标。光的强度借助于光敏检测器检测。因而在组205中的图标代表由光敏检测器调节的运动图形。
组207包括3个相同的图标，它们可以组合地被显示，用于表示要执行上述的运动图形时的时间常数。例如，曲折图形要改变方向必须在改变方向之前经过一个阶跃变化的时间间隔。时间常数例如可以是2秒、4秒和7秒。
组208包括表示多个特殊功能的图标。这些功能例如包括选择地和上述的运动图形的启动相结合，发出各种声光信号。
应当注意，所述显示装置可以是LCD型的，或者是其它型的。此外，显示装置可以适用于显示各种形式的文本信息。所述图标也可以是文本。
图3a表示用于对玩具元件进行可视编程的状态机的第一图。所述状态机作为一个可以被微处理器102执行的程序被执行。当状态机不执行用户规定的程序时，并且当玩具元件被通电时，启动“选择”键将把焦点从一组图标引向另一组图标。作为焦点的一组图标可以通过闪烁一组中的一个图标或者闪烁一组中的所有图标被显示。所示的状态机包括3个状态301，302，303，它们相应于在3个不同的图标组之间转换焦点。
当“选择”键或“移动”键被启动时，状态机改变状态。当启动选择键时，在状态301-303之间发生转换。当启动移动键时，状态机继续图3b所示的另一组状态。
应当注意，在这个程序中只示出了3种状态，相应于显示装置201上的3组图标。这样选择是为了使程序容易理解。实际上，必须具有相应于显示装置上显示的图标组的数量的若干个状态。
图3b表示用于对玩具元件进行可视编程的状态机的第二图。形成所示的状态机用于在移动键被启动时呈现这些状态。假定聚焦在一个图标组上，当启动移动键时，状态机便呈现状态304，其中被聚焦的组中的第一图标被启动，在同一组中的其它图标不被显示。
如果启动选择键，则状态机呈现状态305，其中选择规则L规则1相应于微处理器102的一组指令，其可以完成图标1上显示的运动图形。当状态机呈现状态306时，则焦点从当前的图标组移动到另一个图标组，以便选择该组中的图标。
另外，如果在状态304下选择移动键，则状态机呈现状态307，使得在显示装置上显示图标2，在同一组内的其它图标不被显示。如在状态304的情况下一样，在状态307下，可以选择相应于图标的规则。这可以通过启动选择键来实现，此时状态机将呈现状态308，以便选择规则2中的规则。然后，在状态309，焦点被移动到下一组图标。
相应地，在状态310通过启动移动键，可以显示图标3。通过启动选择键可以选择规则3，接着焦点被移动到另一组。
在状态310再次启动移动键，使得在组中的所有的图标都被显示，然后按照上述单独地显示所述组中的图标。
在状态306，309和312的情况下，启动移动键将使状态机呈现各个状态302，303或301种的一个状态。
应当注意，还可以不选择一个或几个组中的规则。此外，在另一个实施例中，可以在同一组内选择几个规则。
此外，应当注意，该图相应于在每个组中只具有3个图标的显示装置。这样选择是为了便于理解，实际上，必须具有和给定的组中的图标数相应数量的状态。
一般地说，启动运行键114将使状态机呈现执行程序的状态，而不管选择的规则数。因而，不需要询问用户程序是否准备好。
为了只改变包括若干规则的用户确定的程序中的规则，可以跳到一个所需的图标组。
图3c是用于中断状态机的第三图。该图表示处于状态314的状态机在启动中断键时如何存储具有微处理器/状态机的状态T的表达。借以使得能够恢复突然中断的程序路径，而不必从擦除开始。在状态315玩具元件被停止。
图3d表示用于启动状态机的第四图。该图在状态316表示在启动开始键时状态机如何接通玩具元件。然后，在状态317，检索先前存储的状态表达T。在状态318，表示状态T的图标被显示。在状态319，焦点对准组1中的图标，然后，状态机准备好进行结合图3a-3c所述的操作。
由上面图3a-3d的说明可见，用户可以用简单的方式对玩具元件编程，从而执行包括复杂功能的程序。所述程序由组合若干个特定的规则产生。
上述的状态机可以用非常简洁的方式来实现。因而确保可以响应和用户的简单的对话实现复杂的用户规定的功能。
在选择规则的状态下，即在状态305，308和311下，程序系统119执行若干个操作，借以产生可以由微处理器102执行的用户规定的程序。
用户规定的程序可以通过在存储器121中存储一个参考(即指针)被产生，所述参考指向在存储器120中存储的规则。当选择若干个要被包括在同一个用户规定的程序中时，可以在存储器121中存储在存储器120中的规则的指针表。因而，用户规定的程序可以包括一个或几个规则。
此外，用户规定的程序可以通过在存储器120中复制每个选择的规则并把所述复制插入存储器121中产生；因而存储器121将包含完整的程序。此外，用户规定的程序可以作为规则的指针和微处理器102的指令的组合而被产生。
应当注意，每个规则一般包括可以认为是子程序、函数或过程的一组指令。但是规则也可以只包括参数的修改，例如表示相连的电动机的速度或时间常数的参数的修改。
在本发明的一个优选实施例中，当状态机从第一状态改变为第二状态时可以实现给定的动作。动作例如可以包括向用户发出声光信号，表示玩具元件呈现的状态或状态的类型。
图4表示程序的并行执行和按顺序的执行。当用户规定的程序被产生时，规则可以作为规则序列被执行，可以用并行方式执行，或者以顺序和并行组合的方式执行。
在时间上要并行执行的两个规则的例子可以是使车辆搜索光的第一规则和当车辆检测到障碍物时改变方向的第二规则。
在时间上按顺序执行的两个规则的例子可以是车辆要被直线向前驱动的第一规则和车辆要沿圆圈被驱动的第二规则。
规则R1401，R2402，R3406，R4405，R5403和R6404是按顺序和并行执行的程序的组合的例子。
当规则作为在时间上并行运行的子程序执行时，或者以在子程序之间进行时分的形式执行时，必须能够处理若干个规则都要访问资源例如电动机的情况。在优选实施例中，这种情况通过对选择的每个规则分配优先权来处理。例如，在显示装置上同一个图标组内的规则可以被分配给相同的优先权数。当操作系统118检测到在一个时间间隔内要访问资源的两个规则或子程序时，具有最低优先权的规则便被中断或停止。然后允许具有最高优先权的规则使用资源。如果只能从同一组图标中选择一个规则，则可以执行唯一的可预测的用户规定的程序。
图5表示第一或第二玩具元件，其中第一玩具元件可以向第二玩具元件传递数据。第一玩具元件501包括微处理器507，I/O模块510，存储器509和使用者接口508。玩具元件501还包括双向通信装置506，用于利用红外发送器/接收器505通信，或者借助于可以发射和检测可见光的光源/光检测器504实现通信。
相应地，第二玩具元件502包括微处理器514，I/O模块515和存储器516。玩具元件502还包括通信装置513，用于利用红外发送器/接收器512通信，或者借助于可以发射和检测可见光的光源/光检测器511实现通信。
在本发明的优选实施例中，第一玩具元件可以发送和接收数据，而第二玩具元件只能接收数据。
数据可以作为可见光通过光导503传递。此外，数据可以作为红外光517，518传递。数据可以是代码的形式，其表示可以由微处理器507与/或514解释的特定指令和相关的参数。此外，数据可以是被存储在存储器516中的被称为子程序或者规则的代码的形式。
I/O模块510和515可以和用于控制的电子装置(例如电动机)相连。I/O模块510，515还可以和电子检测器相连，使得该装置可以响应检测的信号被控制。
在优选实施例中，采用光纤503，使得由其传输的可见光的一部分从光纤溢出，使得使用者可以直接看到光的传输。使用者例如可以看到通信开始和停止。
通过光纤的光可以利用给定的数据按照在光纤中光量的改变传输频率传递数据。数据可以被这样传输，使得使用者可以观察在传输期间各个光量的变化(这适用于低的数据传输频率)或者观察传输是否正在进行(在一个合适的高的数据传输频率下)。
一般地说，不希望通过光纤传输的光的一部分从光纤溢出。但是，在两个玩具元件之间进行通信的情况下，却希望如此，因为可以用直觉的方式观察进行的通信。
本领域技术人员知道如何确保光的一部分从光纤中溢出。例如可以通过对光纤的护套掺入杂质，或者通过在光纤中形成机械开口或者图形。从光纤中溢出的光的部分可以通过控制光纤芯的折射率对光导护套的折射率的比例进行控制。
图6表示包括按照本发明的微处理器控制的玩具组合元件的玩具的结构，其中连接有公知的玩具组合元件。微处理器控制的玩具组合元件601被连接在组合元件和两个电动机(未示出)的组合结构的顶部。电动机驱动位于车辆的每侧上的车轮，图中只能看到在一侧上的车轮。车轮被轴604驱动，所述的轴通过齿轮603和电动机相连。电动机通过导线615和玩具组合元件601电气相连。
玩具结构还包括两个可动的臂606，其可以围绕轴承607转动，使得当所述臂转动时，可以影响一组开关608。开关608通过导线609和玩具元件601电气相连。
所示的玩具元件可以通过键613操作。显示装置812可以显示信息，如上面结合图2所述。玩具元件601具有一组电气接触表面610和611，导线609、615可以被连接在所述接触表面上，分别用于接收信号和发送信号。
通过对玩具元件进行合适的编程，就可以使车辆绕过可能影响臂606的障碍物。
权利要求
1.一种微处理器控制的玩具组合元件(101，501)，包括微处理器(102，507)，其可以执行呈存储在存储器(117，509)中的程序形式的指令；被集成在玩具组合元件中的显示装置；连接装置，用于连接可以由操纵装置运动的组合元件，所述操纵装置可以响应所述指令被控制，其特征在于，所述显示装置(104，508)包括多个图标(204-208)，每个图标代表用于微处理器(102，507)的指令，并且可以由使用者启动，进行微处理器的编程，以及利用多个图标的第一个图标发送信号，所述第一个图标代表微处理器正在执行的指令。
2.如权利要求1所述的微处理器控制的玩具组合元件，其特征在于，第一种图标(204-206)被配置用于表示运动图形。
3.如权利要求1所述的微处理器控制的玩具组合元件，其特征在于，第二种图标(207，208)被配置用于表示运动图形的修改。
4.如权利要求1-3任何一个所述的微处理器控制的玩具组合元件，其特征在于，所述玩具包括启动第一种图标(204-206)时产生包括参数的第一组指令的装置，所述指令与/或参数可以借助于启动第二种图标(207，208)被修改。
5.如权利要求1-4任何一个所述的微处理器控制的玩具组合元件，其特征在于，所述微处理器(102，507)适用于接收来自电气与/或电子装置的信号。
6.如权利要求5所述的微处理器控制的玩具组合元件，其特征在于，第一组规则被第一组信号调整，第二组规则(R1-R6)被第二组信号调整。
7.如权利要求1-6任何一个所述的微处理器控制的玩具组合元件，其特征在于，相应于一个图标的指令通过响应来自电气与/或电子装置的信号控制操纵装置实现一个规则。
8.如权利要求1-7任何一个所述的微处理器控制的玩具组合元件，其特征在于，微处理器执行呈用于控制装置的指令形式的规则(R1-R6)，所述规则由多个信号调整，所述规则按照至少部分地加有优先权的次序被设置，所述加有优先权的次序表示允许若干个规则的哪一个控制装置，所述顺序按照它们被调整的信号被设置。
9.如权利要求1-8任何一个所述的微处理器控制的玩具组合元件，其特征在于，所述玩具包括和其呈一个整体的键(113-115)，所述键能够启动图标。
10.如权利要求1-9任何一个所述的微处理器控制的玩具组合元件，其特征在于，所述玩具包括通信装置(505，504)，用于接收可以被转换成可以由所述微处理器执行的程序的指令。
11.如权利要求1-10任何一个所述的微处理器控制的玩具组合元件，其特征在于，所述玩具包括用于传输指令的通信装置。
12.如权利要求1-11任何一个所述的微处理器控制的玩具组合元件，其特征在于，所述玩具包括用于通过光导(503)传输信息的通信装置(54)。
14.如权利要求1-13任何一个所述的微处理器控制的玩具组合元件，其特征在于，所述玩具包括细长的光导(503)，可见光可以通过所述光导沿光导的纵向传输，所述光导适用于使得被传输的光的一部分从其侧面溢出。
15.如权利要求1-14任何一个所述的微处理器控制的玩具组合元件，其特征在于，还包括具有用于相互连接的连接装置的玩具组合元件。
全文摘要
一种可编程的玩具,包括微处理器,其可以执行呈存储在存储器中的程序形式的指令;被集成在玩具组合元件中的显示装置。所述微处理器适用于控制电气与/或机电装置。所述显示装置包括多个图标,每个图标代表用于微处理器的指令,并且可以由使用者启动,进行微处理器的编程。因而所述玩具可以借助于可视的用户接口进行编程。
文档编号A63H17/395GK1338964SQ00803399
公开日2002年3月6日 申请日期2000年2月4日 优先权日1999年2月4日
发明者高特·芒奇, 杰斯帕·拉斯马森 申请人:英特莱格公司