一种用于幼童教育的仿生智能型机器人的制作方法

本发明涉及一种机器人，尤其涉及一种用于幼童教育的仿生智能机器人。

背景技术：

目前大量的机器人设备已进入家庭服务领域，如勤奋的吸尘器机器人是这种机器人的代表。随着网络通信技术和AI技术的进步,各种各样的家用机器人被用于家政服务。按照应用范围和用途的不同，家用机器人有不同类型，可分为：电器机器人、娱乐机器人、厨师机器人、搬运机器人、不动机器人、移动助理机器人和类人机器人等等。面对如此广泛的家庭家政需求，随着网络信息化管理的发展，针对于家庭儿童成长过程需要一种适用于幼童教育仿生智能型机器人来满足家庭的人性化、智能化、信息化的需求。

有鉴于上述的需求，结合当代网络信息技术和人工智能科技的发展，积极加以研究创新，以期创设一种适用于儿童成长陪伴型的既有基本信息录入、自主导航避障、人机交互、智能管家等功能，又具有安全守护、儿童教育并能借助于通信平台实现与机器人的远程通讯与控制功能的机器人，使其更具有家政服务产业上的利用价值。

技术实现要素：

本发明提出一种用于幼童教育的仿生智能机器人，该仿生智能机器人既具有基本信息录入、自助导航避障、人机交互、智能管家等功能，由具有安全守护、儿童教育并能借助于通信平台实现与机器人的远程通信与控制功能，使其成为家政服务产业上更具有利用价值的适用于幼童教育仿生智能型机器人。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案如下面所描述：

一种用于幼童教育的仿生智能机器人包括头部、躯干、双臂、下肢和底盘，头部和躯干集成为一体，并通过连接部件将双臂和底盘连接，头部和躯干内部安装有主控板、运动控制板、锂电池、充电系统及管理系统，伺服电机或步进电机及其驱动的机械传动机构，躯干上安装了带有内置伺服电机或者步进电机及其驱动的机械传动机构的双臂；其特征在于：所述的机器人额头部位配置安装了电量显示指示装置和低电量报警装置，其面部安装了用于显示面部表情的液晶面板；其躯干胸前与头颈连接处配置安装有景深摄像头，胸前心脏部位设置有工作状态指示灯；下肢为圆锥体，底部安装有三足式结构分布的带有伺服或者步进电机的机械传动结构的万向导轮底座；所述机器人内部设置有用来提醒其运动的导航板，导航板运行ＲＯＳ操作系统，与主控板通过ＵＳＢ口模拟的ＴＣＰ／IP网络交互信息；底座和圆锥体结构形态的下肢和躯干相连部分分别安装了避障传感器；头部的耳朵上设置有用来收集外部声音的声音采集器。

进一步的，优选的方案为：所述的幼童教育仿生智能机器人本体的面部配置带有传感器的非接触式额温计；

进一步的，优选的方案为：所述的双臂根部通过转轴与躯干内安装的齿轮组件相连，在伺服的驱动下能够使双臂能够由头部双耳侧以肩肘部为中心的旋转210度，并能固定在任意角度上，上臂内安装有伺服驱动的齿轮组，通过啮合型带传动带动小臂根部内置的齿轮组，使小臂能够由下垂状态按臂轴为中心旋转120度，并能固定在任意角度上。进一步的，优选的方案为：所述的幼童教育仿生智能机器人体内配置了室内环境监测探头。

进一步的，优选的方案为：所述的幼童教育仿生智能机器人设置有用来发声的扬声器，扬声器位于躯干后背的上部。

本发明的用于幼童教育的仿生智能机器人可以将所接受机器人的幼童的出生日期、时间、姓名等出生证明上的信息，父母兄弟姐妹爷爷奶奶外公外婆的相关的基本信息录入到机器人管理系统平台；具有自助导航避障功能，防止与障碍物发生碰撞和摔倒；用户通过人机交互界面与系统交流，并进行一些基本控制操作；具有能够对幼童体重、身高、体温及室内换景监测等智能管家功能；能够对幼童进行定时任务提醒、跟随幼童对其能够进行安全守护；通过第三方的教育软件对儿童教育并能借助于通信平台实现与机器人的远程通讯与控制，使其成为家政产业服务上更具有利用价值的仿生机器人。

说明书附图

如图1是本发明用于幼童教育的仿生智能机器人造型的主视结构示意图；

如图2是本发明用于幼童教育的仿生智能机器人的内部系统模块关系构架图；

如图3是本发明用于幼童教育的仿生智能机器人的运动控制系统逻辑框图；

如图4是本发明用于幼童教育的仿生智能机器人造型的后视结构示意图；

如图5是本发明用于幼童教育的仿生智能机器人的造型左视结构示意图。

图中1头部，2躯干，3双臂，4下肢，5底座，6万向导轮，7电量显示指示装置7，8液晶面板，9景深摄像头，10工作状态指示灯，11扬声器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细的描述。

如图1是本发明用于幼童教育的仿生智能机器人的结构示意图，如图所示，本发明包括头部1，躯干2，双臂3，下肢4，底座5，万向导轮6，电量显示指示装置7，液晶面板8，景深摄像头9，工作状态指示灯10，11扬声器。本发明的仿生智能机器人头部1和躯干2集成为一体，并通过连接部件将双臂3、下肢4和底盘5连接，头部1和躯干2内部安装有主控板、运动控制板、锂电池和充电系统及带有电量提醒的电源管理系统，伺服电机或步进电机及其驱动的机械传动机构，躯干2上安装了带有内置伺服电机或者步进电机及其驱动的机械传动机构的双臂3；机器人额头部位配置安装了电量显示指示装置7和低电量报警装置，其面部安装了用于显示面部表情的液晶面板8；其躯干2胸前与头颈连接处配置安装有景深摄像头9，胸前心脏部位设置有工作状态指示灯10；下肢4为圆锥体，底部安装有三足式结构分布的带有伺服或者步进电机的机械传动结构的万向导轮6底座5。

如图2是本发明用于幼童教育的仿生智能机器人的内部系统模块关系构架图；其内部系统模块主要是指管理系统，管理系统是运行于主控板上的软件系统，是机器人所有软件系统的核心。软件包括操作信息等，这种信息是通过软硬件接受后按照一定协议通过数据传输通道传送过来的。如图所示：所述的云平台为机器人和用户交互的数据平台，实现数据存储、分发，及和流媒体服务器交互，实现视频流的存储、共享。软件所具备的功能如表1所示。

表1

本发明用于幼童教育的仿生智能机器人本体内置了具有功能调度、无线通讯、故障报告的主控板，另外主控板上同时还集成了多方面的系统功能包含：基本信息录入、人机交互、智能管家、安全守护、儿童教育、远程通讯与控制等。主控系统是运行于主控板上的软件系统，是机器人所有软件系统的核心，主控板运行Andrid操作系统，因此主控程序也是基于安卓系统开发的，

主控程序实现以下功能：

主控系统接受用户的语音、命令，识别用户意图，同时和手持端APP

进行通讯，接受APP端发送的数据并执行相应的操作等，根据命令调用运动、导航灯各个子系统功能，综合实现具有科技感的用户体验。

无线通讯

主控板具有WIFI无线功能，主控程序实现了多种后台控制协议，可

通过无线通讯实现手机APP对机器人的远程控制盒设置。

故障报告模块

当主控板或子系统出现故障时，主控程序手机错误数据向后台报告故障信息。

语音识别系统

语音识别系统是对语音命令进行是别的算法程序，语音识别系统由音频采集系统、中控管理系统、语义分析系统组成

音频采集系统

音频采集系统将采集到的音频数据通过降噪/回音消除等处理技术进行加工处理，并将优化后的声音数据传递到中控管理系统；

中控管理系统

中控管理系统负责声音的控制与业务逻辑交互，当中控管理系统接受到传递过来的音频数据后，将这些数据推送到语义分析系统并根据知识库获取回答信息。

语义分析系统

语义分析系统将中控管理系统推送来的数据进行语义分析，并将根据知识库获取回答信息送到中控管理系统。机器人根据获得的回答信息的内容执行相应功能。

电源系统：采用内置现在流行的智能电源管理系统，实现机器人内置电源的智能化管理，检测到电量过低时，语音提醒用户需要充电“主人，宝宝饿了，想要吃饭了”。

基本服务功能模块的软件设计

儿童陪伴型机器人主要应用于家庭环境中，适用于2~3岁儿童，主要用于陪伴孩子，同时关注儿童健康，守护儿童安全，辅助儿童教育。机器人拥有丰富的互动内容，通过仿生智能将幼儿教育亲情化、情景化、场景化、智能化，充分利用计算机技术、网络技术和远程通信技术，实现整个交互过程中的电子化、数字化和网络化。机器人主要作为儿童陪伴的智能化产品，通过语音识别、人脸识别的方式和用户互动，具备视频监控功能，手机端APP可以远程查看机器人周边环境、远程通话，同时具备定时提醒、辅助幼教、智能家电控制、自主导航及环境监测功能等，机器人应用场景主要为家庭环境。

语音识别模块采用音频采集系统及语义分析技术，其实现如下功能：

机器人可自定义名字，通过名字唤醒机器人后进入交互状态；机器人具备语音交互功能，包括日常交流、互动；可接收用户的语音命令，以及手机端APP发送的指令并执行；可识别用户意图并通过相关服务的查询反馈结果：意图识别涵盖定位查询天气、播放网络歌曲和设置定时提醒。

人脸识别模块采用face++的人脸识别技术，其实现的功能如下：

识别小朋友面部特征，问候、互动及抓拍照片，同时将小朋友的精彩瞬间推送至家长APP端；识别家庭成员，主动问候；识别到陌生人，主动打招呼。

视频监控模块视频监控系统，可远程查看机器人端周边环境，远程控制机器人。

语音通话模块采用音频系统，可以实现：通过手机APP设置机器人端的联系人；可通过语音控制给手机APP拨打电话；手机端可以给机器人拨打电话，机器人端自动接通。

定时提醒模块可以实现：通过手机端APP设置定时提醒的内容并传输给机器人端；定时提醒到期后机器人语音提醒，并给家长手机端APP推送消息。

专业服务功能模块的设计

被发明的用于幼童教育的仿生智能机器人还有教育模块，具备唱歌、跳舞、讲故事等娱乐功能，同时可通过第三方服务或者客户方接口的数据库，植入儿童教育相关专业知识模块，辅助儿童教育。可实现打开/关闭儿童教育模式及儿童教育相关专业知识的植入：

打开或关闭儿童教育模式

可通过语音控制或者机器人端接收到客户端的模式切换指令，打开或关闭儿童教育模式。当关闭儿童教育模式后，机器人端语音提醒“机器人退出儿童教育模式”。

植入儿童教育相关专业知识：

可通过客户端的模式向机器人植入儿童教育相关专业知识。

教育内容示例（不仅包含如下示例内容）

音乐、古诗、故事：

手机端选择具体的音乐、古诗、故事后推送给机器人端，机器人语音提示“小朋友，我们一起来唱小兔子乖乖吧”，”小朋友我们一起背一首江雪吧”，”小朋友我们一起讲个小红帽的故事吧”，机器人端播放相关内容。

手机端呈现图片，孩子做图文识别，如果识别正确，机器人语音给予鼓励。因为机器人端没有屏幕，小朋友如果通过手机端观看图文内容，效果并不太理想，需要考虑更好的用户体验，比如投影的方式体现，机器人语音提示”小朋友猜猜看”，如果在一定时间内小朋友可以给予正确的回馈即为回答正确，给予高分评价。

教育过程的效果评分：

一段内容播放完毕，互动过程中，小朋友可以在一定时间内给予回馈，则根据小朋友的表现机器人给予评分（语音提示：很棒， 好，很好，非常好），并将评分分享给手机端。

守护安全模块采用GPS定位系统。可通过语音控制或者机器人端接收到客户端的模式切换指令，打开或关闭儿童教育模式。当关闭儿童教育模式后，机器人端语音提醒“机器人退出儿童教育模式”。

机器人具有守护安全模块，开启此模块时，跟随儿童，超出设定的跟随距离后可提醒父母。

智能管家模块，使用机器人自身配置的红外、WIFI进行智能家电控制可以完成一些简单的智能家电控制。

室内环境监测模块，在幼童教育仿生智能型机器人本体内配置安装室内环境监测探头，主要有监测可燃气体、二氧化碳、可吸入颗粒物、温度和湿度等。

可对室内的环境进行监测，并将检测得到的数据上传至云端，推送到家长的客户端。

本发明加有带传感器的非接触式额温计可以方便的给孩子测体温。且通过温度传感器，给小朋友测体温并将检测得到的数据上传至云端，推送到家长的客户端。具体来讲：手机端预设置定时为孩子测量体温，比如可设置早上8:00至9:00给孩子测体温，机器人定时给孩子打招呼“宝贝，早上好，拥抱一下吧”，孩子通过和机器人拥抱的过程，用机器人面部配置安装的非接触式额温计测量孩子的额部体温并推送给父母APP端。

此外，本发明的用于幼童教育的仿生智能机器人符合该年龄段儿童的实际尺寸，适合可穿戴衣饰等物品，培养穿衣戴帽等常规的衣饰物品的穿戴训练，可以分为男童版和女同版。

本实发明用于幼童教育的仿生智能机器人本体的行走部件为能够接受控制主板控制控制指令来控制底盘，如图3所示的运动控制系统逻辑框图：

运动控制系统是运行于运动控制板上的程序，是使用C语言开发的STM32控制程序。运动控制程序控制私服点击精确动作，实现执行指定距离、指定时间、指定角度等运动效果。运动控制程序定义了标准交互命令，接受主控板的串口指令控制底盘运作。运动控制程序还可解析由多个运动命令组成的运动脚本，为机器人的精确灵活运动提供保障。

导航算法系统

导航算法系统是云心与导航板的智能算法程序，是机器人的智能核心，导航板运行ＲＯＳ操作系统，与主控板通过ＵＳＢ口模拟的ＴＣＰ／ＩＰ网络交互通信。导航算法系统主要包括ＳＬＡＭ即时定位与地图构建、可视化建图操作、站点定位、路径规划、智能避障等功能，详见运动控制系统逻辑框图。

SLAM即时定位与地图构建

SLAM即时定位与地图构建是机器人实现自主导航的基础，机器人在未知环境中从一个未知位置开始移动，在移动过程中根据位置估计和地图进行自身定位，同时在自身定位的基础上建造增量式地图，室内环境电子地图。

可视化建图操作

建图过程的地图数据和机器人位置需要实时显示于操作界面，便于操作人员操作。

站点定位模块

站点定位是指机器人能在重构空间中记住一些特定的地点，如门口、大厅、沙发床、浴室等，当用户发出到某某地点的指令时，机器人可准确到达相应位置。

实现站点定位，首先要在扫描建立地图过程中或者在已建好的地图中标记名称，标记后站点名与地图坐标对应绑定，程序接收到地名后即转换为地图坐标值，并使用当前坐标和目标坐标在地图中进行路径规划，根据规划出的路径即可移动到站点位置处。

路径规划模块

在构建的电子地图基础上，用户下达巡航、回位、停止等指令，机器人能依靠坐标值在地图上计算出可移动的路线，即为路径规划，路径规划包括全局路径规划和局部路径规划。

智能避障模块

机器人在导航过程中除了固定的障碍物以外，还会遇到人等活动的突发障碍物，机器人需要能绕过这些障碍。导航中机器人使用激光雷达实时扫描环境，扫描到障碍时及时停止，并在地图中搜索该点的周围环境，寻找到可通过的区域，并及时调整路线实现智能绕过。

此外，还包含控制精确动作运动的伺服电机和使用C语言开发的控制程序控制板--运动控制系统；内置了由音频采集系统、中控管理系统、语义分析系统组成对语音命令进行识别的语音识别系统；内置了主要包含SLAM即时定位与地图构建、可视化建图操作、站点定位、路径规划、智能避障等功能导航板；

配置安装了锂电池和充电系统及带有电量提醒的电源管理系统；在合适部位配置安装了扩音器、避障传感器、景深摄像镜头9、工作状态指示灯10，所述的幼童教育仿生智能型机器人本体的面部位置配置安装了多种面部表情组态的液晶面板8、带有传感器的非接触式额温计、室内环境监测探头等。

所述的双臂根部通过转轴与躯干内安装的齿轮组件相连，在伺服的驱动下能够使双臂能够由头部双耳侧以肩肘部为中心的旋转210度，并能固定在任意角度上，上臂内安装有伺服驱动的齿轮组，通过啮合型带传动带动小臂根部内置的齿轮组，使小臂能够由下垂状态按臂轴为中心旋转120度，并能固定在任意角度上。使整个机器人的动作更加协调和灵活。

需要注意的是，上述具体实施例是示例性的，在本发明的上述教导下，本领域技术人员可以在上述实施例的基础上进行各种改进和变形，而这些改进或者变形落在本发明的保护范围内。

本领域技术人员应该明白，上面的具体描述只是为了解释本发明的目的，并非用于限制本发明。本发明的保护范围由权利要求及其等同物限定。