专利名称：家用教育机器人系统的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种机器人系统，特别是关于一种应用于家庭环境下使用的家用 教育机器人系统。
背景技术：
随着人们生活水平的不断提高，以及机器人技术的不断进步，机器人进入家庭已 经成为可能。现在从事机器人商用化的公司大多是将机器人作为教学器具，应用于教学。此 类机器人通常作为学校进行C语言培训、电子电路教学的辅助工具，对用户的能力要求较 高，因此，面向的学生大多是高中以上的在校生。目前，市场上出现了一些家用机器人，例如除草机器人、搬用机器人、清洁机器人。 国内市场上销售的用于家庭的机器人产品是一种称为清洁机器人的智能吸尘器，它主要承 担家居环境的清洁工作。此类机器人主要承担一些家庭生活中的繁琐，或是重复性的事情， 其功能单一，智能化程度低。除了给用户提供特定的服务外(如扫地)，没有任何附加值，也 没有升级换代的可能。并且到目前为止，以对话机器人为概念的机器人或其它教学产品已 经有很多种，它们大多采用语音识别技术，配备了称之为“语音识别引擎”的功能模块。由 于受当前语音识别技术，以及由于各地方言造成的语音识别困难等等因素的限制，使用语 音识别技术的教育产品离预想的效果还有很大差距。
发明内容针对上述问题，本实用新型的目的是提供一种结构简单，成本低廉，能提高识别精 度，实用价值较高，具有自动识别功能的家用教育机器人系统。为实现上述目的，本实用新型采取以下技术方案一种家用教育机器人系统，其特 征在于它包括机器人、手持式识别系统和充电管理系统，用户将需要信息存储至所述机器 人内的存储设备中，用户将识别对象插到所述手持式识别系统，所述机器人与所述手持式 识别系统之间通过无线数据通网络相互传递信息，使用户通过所述手持式识别系统与所述 机器人进行互动学习；所述机器人和手持式识别系统均由所述充电管理系统供电；所述手 持式识别系统包括主控制器、条码识别单元、触摸板识别单元、无线数据传输单元、电源管 理单元和人机接口单元；所述主控制器用于监测所述条码识别单元、触摸板识别单元、无线 数据传输单元、电源管理单元和人机接口单元的工作状态；所述条码识别单元用于将读取 的识别对象上的条形码信息传输至所述主控制器；所述触摸板识别单元用于读取所述用户 点击的识别对象信息，并将识别对象信息传输至所述主控制器；所述无线数据传输单元用 于将所述主控制器编码后的数据转换成无线信号并发送出去，同时接收所述机器人发送的 无线信号；所述电源管理单元用于对所述手持式识别系统进行供电管理和控制；所述人机 接口单元用于所述手持式识别系统与所述用户进行信息交互。所述机器人包括另一人机接口单元、主控单元、语音识别单元、语音输出单元、传 感器单元、电机驱动单元、文件存储单元、无线数据传输单元和电源管理单元；所述人机接口单元通过媒介与所述用户进行信息交互，并将接收到的信息传输给所述主控单元，将所 述主控单元发来的控制信号传递给用户；所述语音识别单元将采集到的声音信号预处理 后，传递给所述主控单元进行处理；所述语音输出单元根据所述主控单元的控制命令发出 声音；所述传感器单元将所述机器人外部信息传输给所述主控单元，完成对所述机器人所 处环境的识别及定位；所述电机驱动单元由所述主控单元控制，实现对驱动电机及动作伺 服电机的控制；所述文件存储单元用于存储更新的数据包以及所述语音识别单元中的临时 识别文件，且与所述主控单元进行信息交互；所述无线数据传输单元由所述主控单元控制， 通过无线数据网络与所述手持式识别系统进行信息交互；所述机器人内的各个单元均由所 述电源管理单元供电。所述充电管理系统包括交流/直流转换电路、充电管理电路、充电接口和定位信 标；所述交流/直流转换电路用于将家用市电转换为所述机器人充电使用的直流电压；所 述充电管理电路根据充电的各种状态对充电过程进行管理；所述充电接口包括充电的电气 接口和机械接口，用于实现所述机器人与充电器的自主对接和断开；所述定位信标用于为 所述机器人提供充电器的定位信号，使机器人正确地进入充电器。所述条码识别单元包括条形码光电传感器阵列、防护电路、滤波及信号整理电路 和信号接口电路，所述条形码光电传感器阵列将获取的识别信息依次经所述防护电路、滤 波及信号整理电路传输至所述信号接口电路，由所述信号接口电路将识别信息传输至所述 手持式识别系统内的主控制器。所述触摸板识别单元包括触摸板、信号转换电路和接口电路，所述触摸板将识别 出的所述用户点击的识别对象的坐标信息，经所述信号转换电路将坐标信息转化为所述主 控制器能够处理的信号格式，并经所述接口电路传输至所述主控制器。所述电源管理单元包括传感器模块、电池和电源管理电路，所述主控制器通过读 取所述传感器模块采集的信息，并采集所述电源管理电路的信息，控制所述电池工作状态。本实用新型由于采取以上技术方案，其具有以下优点1、本实用新型由于采用由 机器人、手持式识别系统和充电管理系统构成的家用教育机器人系统，机器人需要的信息 存储在其内部的存储设备中，用户将识别对象插到手持式识别系统上，此时，用户便能通过 手持式识别系统与机器人进行互动学习，其结构简单，成本较低。2、本实用新型中的手持式 识别系统包括条码识别单元、触摸板识别单元以及无线数据传输单元等部件，采用条码识 别技术的条码识别单元，实现了自动识别，避免了人工识别可能造成的选择错误，因此提高 了识别精度。3、本实用新型的机器人内采用语音识别单元、语音输出单元以及人机接口单 元等，人机接口单元通过语音、灯光效果或指示灯等媒介能实现与用户进行人机信息交互， 这样不仅可以强化对用户听觉和视觉的感官刺激，而且由于其可移动，并可以做出各种动 作，所以可以调动用户听觉、视觉、触觉等等各种的感官的正向刺激。同时还可以不断更新 机器人的动作、音效、灯光效果等等，延长了用户的学习兴趣，大大增加了本实用新型的实 用价值。4、本实用新型的家用教育机器人系统将识别功能放在手持式识别系统上，而将其 它功能放在了机器人上，所以手持式识别系统可以做的轻巧、灵活。用户可以方便地拿着手 持式识别系统与机器人进行面对“面”的交流学习，因此，增强了互动感，强化了学习效果， 提高了学习效率。本实用新型可以广泛应用于各种机器人应用领域中。
图1是本实用新型的整体结构示意图；图2是本实用新型的机器人结构示意图；图3是本实用新型的人机接口单元结构示意图；图4是本实用新型的语音识别单元结构示意图；图5是本实用新型的语音输出单元结构示意图；图6是本实用新型的电机驱动单元结构示意图；图7是本实用新型的电源管理单元结构示意图；图8是本实用新型的手持式识别系统结构示意图；图9是本实用新型的条码识别单元结构示意图；图10是本实用新型的触摸板识别单元结构示意图；图11是本实用新型的电源管理单元结构示意图；图12是本实用新型的充电管理系统结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本实用新型进行详细的描述。如图1所示，本实用新型包括机器人10、手持式识别系统20和充电管理系统30， 用户根据其需要在指定网站下载的信息存储至机器人10内的存储设备中，同时，用户将识 别对象插到手持式识别系统20上，机器人10与手持式识别系统20之间通过无线数据通信 网络相互传递信息，使用户通过手持式识别系统20与机器人10进行互动学习。其中，机器 人10和手持式识别系统20均由充电管理系统30进行供电。如图2所示，本实用新型的机器人10包括人机接口单元11、主控单元12、语音识 别单元13、语音输出单元14、传感器单元15、电机驱动单元16、文件存储单元17无线数据 传输单元18和电源管理单元19。人机接口单元11通过按键、灯光、声音等媒介与用户进行信息交互，人机接口单 元11将接收到的信息传递给主控单元12，并将主控单元12发来的控制信号传递给用户； 语音识别单元13将采集到的声音信号预处理后，传递给主控单元12进行处理；语音输出单 元14根据主控单元12的控制命令发出声音；传感器单元15将机器人10外部信息传输给 主控单元12，由主控单元12进行处理后完成对机器人10所处环境的识别及定位；电机驱 动单元16由主控单元12控制，电机驱动单元16在主控单元12的控制下，实现对驱动电机 及动作伺服电机的控制，从而完成机器人10的肢体动作(如手臂的动作等)；文件存储单 元17用于存储更新的数据包以及语音识别单元13中的临时识别文件，且文件存储单元17 与主控单元12进行信息交互。其中，无线数据传输单元18在主控单元12控制下，按预先设定的协议通过无线数 据网络与手持式识别系统20进行信息交互，当手持式识别系统20内有新的识别对象时，无 线数据传输单元18可以及时的将新识别对象传入文件存储单元17内，以备使用。机器人 10内的各个单元均由电源管理单元19进行供电。上述实施例中，主控单元12采用高性能的RISC微处理器。如图3所示，上述实施例中，人机接口单元11包括按键输入模块111、触摸显示屏112、状态指示灯113和灯光效果模块114。由主控单元12负责协调各部分的工作，决定各部分执行指令的先后顺序。按键输 入模块111是进行人机交互的最直接方式，可以在机器人10失控后紧急停止，也可以通过 键盘输入指令、设定参数；触摸显示屏112用来显示人机交互过程中的信息，例如教小孩 学英语时，显示单词、音标等；状态指示灯113和灯光效果模块114是用来指示机器人10的 各种工作状态。如图4所示，上述实施例中，语音识别单元13包括拾音器131、模数转换器132、语 音识别控制器133和定向声波传感器阵列134。拾音器131将外界传来的声音转换成电信号后，并经模数转换器132转换成数字 量信号，传输至语音识别控制器133内；同时，定向声波传感器阵列134将采集到的声波信 号也传输至语音识别控制器133内。语音识别控制器133通过语音识别将信号转换成特定 的编码，进而确定输入声音的含义；语音识别控制器133与主控单元12进行信息交互，语音 识别控制器133根据主控单元12发送的指令，将编码后的语音文件存储至文件存储单元17 中备用。如图5所示，上述实施例中，语音输出单元14包括语音控制器141、音频均衡单元 142、数模转换器143、功率放大单元144和扬声器145。语音控制器141根据从主控单元12得到的命令，从文件存储单元17中调用语音 文件；语音控制器141将调用到的语音文件按照其对应的音频格式进行解码，解码后的语 音信号依次传输至音频均衡单元142、数模转换器143和功率放大单元144后，由扬声器 145将语音信号向外界传出，进而得到了使用者想要的声音。如图6所示，上述实施例中，电机驱动单元16包括PID (比例积分微分)控制器 161、电机驱动器162、驱动电机163、编码盘164、驱动轮165、伺服电机驱动器166和伺服电 机 167。主控单元12向PID控制器161发出控制指令，PID控制器161根据控制指令控制 电机驱动器162，进而控制驱动电机163工作。安装在驱动电机163驱动轴上的编码盘164 与驱动电机163同步转动，并将驱动电机163的驱动轮165的实际运转情况反馈至PID控 制器161。PID控制器161再根据编码盘164的反馈数据以及主控单元12的控制指令，对 电机驱动器162实现循环控制；同时，主控单元12向伺服电机驱动器166发出控制指令，由 伺服电机驱动器166带动伺服电机167工作，以实现对机器人10转动角度的控制。上述实施例中，PID控制器161的控制方式可以采用位置式PID控制或者采用增 量式PID控制。如图7所示，上述实施例中，电源管理单元19包括传感器模块191、电池组192和 电源管理模块193。传感器模块191将采集的到电压、电流、温度等电池组192的数据信息发送至主控 单元12，主控单元12将数据信息处理后发送至电源管理模块193，由电源管理模块193实 现对电池组192充、放电进行实时监控，为电池组192提供过压、过流、温度保护和电池间电 量均衡，从而提高电池组192的使用效率，延长电池组192的使用寿命。如图8所示，本实用新型的手持式识别系统20不仅能用于识别与其相对应的识别 对象，还能用作对机器人10的遥控器，以实现基本的遥控命令，如前进、后退、停止等，用户可以通过这些命令遥控机器人10完成各种动作，以增强机器人10的娱乐教学功能。手持 式识别系统20包括主控制器201、条码识别单元202、触摸板识别单元203、无线数据传输单 元204、电源管理单元205和人机接口单元206。主控制器201是手持式识别系统20的核心处理单元，为满足手持式识别系统20 手持设备的要求，主控制器201采用低功耗的精简指令微处理器，并且充分考虑到节能的 要求。主控制器201用于监测条码识别单元202、触摸板识别单元203、无线数据传输单元 204、电源管理单元205以及人机接口单元206的工作状态将条码识别单元202和触摸板 识别单元203识别到的信息进行解码；并将解码后的信息以及机器人10的地址码加密为无 线数据传输单元204传输的加密数据格式；控制无线数据传输单元204将加密后的数据发 送出去；识别来自人机接口单元206的信息，并做相应处理。条码识别单元202用于将读取的识别对象上的条形码信息传输至主控制器201， 从而确定加入手持式识别系统20的识别对象的基本身份信息。触摸板识别单元203用于读取用户点击的识别对象信息，并将识别对象信息传输 至主控制器201。无线数据传输单元204用于将主控制器201编码后的数据转换成无线信号并发送 出去；同时，接收机器人10发送的无线信号。电源管理单元205用于对手持式识别系统20进行供电管理和控制，进而保证手持 式识别系统20能够较长时间的工作。人机接口单元206用于手持式识别系统20与用户进行信息交互。如图9所示，上述实施例中，条码识别单元202包括条形码光电传感器阵列2021、 防护电路2022、滤波及信号整理电路2023和信号接口电路20 ，条形码光电传感器阵列 2021将获取的识别信息依次经防护电路2022、滤波及信号整理电路2023传输至信号接口 电路20M，由信号接口电路20M将识别信息传输至手持式识别系统20内的主控制器201。其中，条码识别单元202的识别信息包括识别对象的身份信息、识别对象放置方 向正反信息、识别对象是否为彩色等信息。如图10所示，上述实施例中，触摸板识别单元203包括触摸板2031、信号转换电 路2032和接口电路2033。触摸板2031将识别出的用户点击的识别对象的坐标信息，经信 号转换电路2032将坐标信息转化为主控制器201能够处理的信号格式，并经接口电路2033 传输至主控制器201。如图11所示，上述实施例中，电源管理单元205包括传感器模块2051、电池2052 和电源管理电路2053。主控制器201通过读取传感器模块2051采集的信息，通过分析判断 出电池2052的工作状态；同时，主控制器201采集电源管理电路2053的相应信息，对电池 2052进行合理的控制管理。电源管理单元205具有充电过流、过压保护功能，并可在手持式识别系统20充满 电后自动断电。如图12所示，本实用新型的充电管理系统30是实现机器人10自主充电的重要组 成部分，其包括AC/DC转换电路(交流/直流转换电路)301、充电管理电路302、充电接口 303和定位信标304。AC/DC转换电路301用于将家用的220VAC的市电转换为机器人10充电使用的直流电压，并对转换后的电压进行滤波、整流、稳压等，从而满足充电电路的要求。充电管理电路302根据充电的各种状态对充电过程进行管理，并将对应的指示灯 点亮或熄灭。充电接口 303包括充电的电气接口和机械接口，其用于实现机器人10与充电器的 自主对接和断开，并能保证充电时的用电安全。定位信标304用于为机器人10提供充电器的定位信号，帮助机器人10正确地进 入充电器，并与之可靠地对接。充电管理系统30具有充电过流、过压保护，并可在充满电后自动断电。上述各实施例中，仅是本实用新型的较佳的实施例而已，并非对本实用新型作任 何形式上的限定，凡是基于本实用新型技术方案对以上实施例所作的任何简单变化、改进 及修饰，均不应排除在本实用新型的保护范围之外。
权利要求1.一种家用教育机器人系统，其特征在于它包括机器人、手持式识别系统和充电管 理系统，用户将需要信息存储至所述机器人内的存储设备中，用户将识别对象插到所述手 持式识别系统，所述机器人与所述手持式识别系统之间通过无线数据通网络相互传递信 息，使用户通过所述手持式识别系统与所述机器人进行互动学习；所述机器人和手持式识 别系统均由所述充电管理系统供电；所述手持式识别系统包括主控制器、条码识别单元、触摸板识别单元、无线数据传输单 元、电源管理单元和人机接口单元；所述主控制器用于监测所述条码识别单元、触摸板识别 单元、无线数据传输单元、电源管理单元和人机接口单元的工作状态；所述条码识别单元用 于将读取的识别对象上的条形码信息传输至所述主控制器；所述触摸板识别单元用于读取 所述用户点击的识别对象信息，并将识别对象信息传输至所述主控制器；所述无线数据传 输单元用于将所述主控制器编码后的数据转换成无线信号并发送出去，同时接收所述机器 人发送的无线信号；所述电源管理单元用于对所述手持式识别系统进行供电管理和控制； 所述人机接口单元用于所述手持式识别系统与所述用户进行信息交互。
2.如权利要求1所述的家用教育机器人系统，其特征在于所述机器人包括另一人机 接口单元、主控单元、语音识别单元、语音输出单元、传感器单元、电机驱动单元、文件存储 单元、无线数据传输单元和电源管理单元；所述人机接口单元通过媒介与所述用户进行信息交互，并将接收到的信息传输给所述 主控单元，将所述主控单元发来的控制信号传递给用户；所述语音识别单元将采集到的声音信号预处理后，传递给所述主控单元进行处理；所述语音输出单元根据所述主控单元的控制命令发出声音；所述传感器单元将所述机器人外部信息传输给所述主控单元，完成对所述机器人所处 环境的识别及定位；所述电机驱动单元由所述主控单元控制，实现对驱动电机及动作伺服电机的控制；所述文件存储单元用于存储更新的数据包以及所述语音识别单元中的临时识别文件， 且与所述主控单元进行信息交互；所述无线数据传输单元由所述主控单元控制，通过无线数据网络与所述手持式识别系 统进行信息交互；所述机器人内的各个单元均由所述电源管理单元供电。
3.如权利要求1所述的家用教育机器人系统，其特征在于所述充电管理系统包括交 流/直流转换电路、充电管理电路、充电接口和定位信标；所述交流/直流转换电路用于将家用市电转换为所述机器人充电使用的直流电压；所 述充电管理电路根据充电的各种状态对充电过程进行管理；所述充电接口包括充电的电气 接口和机械接口，用于实现所述机器人与充电器的自主对接和断开；所述定位信标用于为 所述机器人提供充电器的定位信号，使机器人正确地进入充电器。
4.如权利要求2所述的家用教育机器人系统，其特征在于所述充电管理系统包括交 流/直流转换电路、充电管理电路、充电接口和定位信标；所述交流/直流转换电路用于将家用市电转换为所述机器人充电使用的直流电压；所 述充电管理电路根据充电的各种状态对充电过程进行管理；所述充电接口包括充电的电气 接口和机械接口，用于实现所述机器人与充电器的自主对接和断开；所述定位信标用于为 所述机器人提供充电器的定位信号，使机器人正确地进入充电器。
5.如权利要求1或2或3或4所述的家用教育机器人系统，其特征在于所述条码识 别单元包括条形码光电传感器阵列、防护电路、滤波及信号整理电路和信号接口电路，所述 条形码光电传感器阵列将获取的识别信息依次经所述防护电路、滤波及信号整理电路传输 至所述信号接口电路，由所述信号接口电路将识别信息传输至所述手持式识别系统内的主 控制器。
6.如权利要求1或2或3或4所述的家用教育机器人系统，其特征在于所述触摸板 识别单元包括触摸板、信号转换电路和接口电路，所述触摸板将识别出的所述用户点击的 识别对象的坐标信息，经所述信号转换电路将坐标信息转化为所述主控制器能够处理的信 号格式，并经所述接口电路传输至所述主控制器。
7.如权利要求5所述的家用教育机器人系统，其特征在于所述触摸板识别单元包括 触摸板、信号转换电路和接口电路，所述触摸板将识别出的所述用户点击的识别对象的坐 标信息，经所述信号转换电路将坐标信息转化为所述主控制器能够处理的信号格式，并经 所述接口电路传输至所述主控制器。
8.如权利要求1或2或3或4或7所述的家用教育机器人系统，其特征在于所述电 源管理单元包括传感器模块、电池和电源管理电路，所述主控制器通过读取所述传感器模 块采集的信息，并采集所述电源管理电路的信息，控制所述电池工作状态。
9.如权利要求5所述的家用教育机器人系统，其特征在于所述电源管理单元包括传 感器模块、电池和电源管理电路，所述主控制器通过读取所述传感器模块采集的信息，并采 集所述电源管理电路的信息，控制所述电池工作状态。
10.如权利要求6所述的家用教育机器人系统，其特征在于所述电源管理单元包括传 感器模块、电池和电源管理电路，所述主控制器通过读取所述传感器模块采集的信息，并采 集所述电源管理电路的信息，控制所述电池工作状态。
专利摘要本实用新型涉及一种家用教育机器人系统，用户将需要信息存储至机器人内的存储设备中，并将识别对象插到手持式识别系统，用户通过手持式识别系统与机器人进行互动学习；机器人和手持式识别系统均由充电管理系统供电；手持式识别系统包括主控制器，主控制器用于监测条码识别单元、触摸板识别单元、无线数据传输单元、电源管理单元和人机接口单元工作；条码识别单元用于将识别对象上的条形码信息传输至主控制器；触摸板识别单元用于读取用户点击的识别对象信息，并传输至主控制器；无线数据传输单元用于将主控制器编码后的数据转换成无线信号并发送；同时接收机器人发送的信号；电源管理单元用于对手持式识别系统进行供电管理；人机接口单元用于与用户进行信息交互。本实用新型可以广泛应用于各种机器人应用领域中。
文档编号G06F3/01GK201936461SQ20112005009
公开日2011年8月17日 申请日期2011年2月28日 优先权日2011年2月28日
发明者焦利民 申请人:焦利民