一种面向幼儿的早教陪护机器人系统

摘要

本发明公开了一种面向幼儿的早教陪护机器人系统，包括作为服务器端的底层控制系统及作为客户端的机载平板系统，底层控制系统通过接口与机载平板系统进行通信实现命令包和数据包的交换，客户端通过网络与远程终端进行实时通信；本发明具备故障检测及自处理功能，可以实时监控机器人的运行状况，及时处理疯跑、过流、通信乱码等机器故障。同时，该机器人配有避障系统和防跌落系统，在用户使用的过程中自动规避障碍物，起到自我保护的作用。

说明书

技术领域

本发明涉及幼儿教育领域，具体涉及一种面向幼儿的早教陪护机器人系统。

背景技术

目前市面上对婴幼儿的教育大多采用面对面的亲子教育或者小伙伴之间的交流，由幼儿 的父母或者亲人进行，虽然一般能达到良好的教育效果，但也存在着两大缺陷：一方面，幼 儿教育是一个循序渐进专业的过程，部分父母没有经验，加之精力有限，忽略了孩子的早期 智力开发；另一方面，幼儿教育需要占用父母大量的精力，有时父母很难在工作与生活之间 做到两全其美。

根据国家统计局的资料，我国大陆地区0-12岁的儿童约1.9亿人，每年出生的人口在1600 万左右。十八届三中全会之后，单独二孩政策已在各地陆续正式实施，孩子的数量会在现有 基础上，还会有一定幅度的增加，因此，大力发展网络型智能早教陪护机器人，发挥他们在 陪护和启蒙教育、保证婴幼儿的安全等方面的作用将是社会发展的必然要求，这对于减轻父 母们的负担，提高婴幼儿的教育质量具有重要作用，社会意义重大。

中国专利申请201410245983.5公开的开发婴幼儿智力的远程教学系统及方法(申请日： 2014-6-5)，公开了一种通过摄录装置将婴儿视频上传服务器，服务器处理后下发控制信号给 表现装置进而完成远程教学的方法，但是他没有语音识别功能，视频传输的处理方法与本机 器人也不同。

中国专利申请201310095857.1公开的儿童早教益智系统(申请日：2013.3.25)公开了用 于儿童教学的语音识别的一般方法，不能进行语调和情绪的识别，也不能进行语义识别，功 能上也没有本申请提出的丰富可扩展。

中国专利申请201310175261.2公开的一种智能互动早教系统(申请日：2013.5.14)公开 了一种由学习课件和机器人组成的早教系统，控制指令采用蓝牙方式，学习课件由flash进行 展现，并不具有语音识别和远程看护功能，控制方式也不相同，教学内容的展现方式和更新 方式也不同于本申请。

发明内容

为解决现有技术存在的不足，本发明公开了一种面向幼儿的早教陪护机器人系统，本发 明能够实现机器人对婴幼儿的科学启蒙、娱乐陪护以及远程看护等功能。

为实现上述目的，本发明的具体方案如下：

一种面向幼儿的早教陪护机器人系统，包括作为服务器端的底层控制系统及作为客户端 的机载平板系统，底层控制系统通过接口与机载平板系统进行通信实现命令包和数据包的交 换，客户端通过网络与远程终端进行实时通信；

机载平板系统经语音识别智能感知幼儿情绪，根据识别的用户情绪通过机载平板系统的 显示装置展现多种表情实现娱乐陪护的功能；

所述底层控制系统包括主控核心单元及作为冗余配置的监控核心单元，主控核心单元与 机载平板系统进行通信，接受并解析客户端下达的运动指令，利用电机驱动单元驱动电机按 照设定的速度运动，并将机器人的运行情况返回客户端，监控核心单元与主控核心单元进行 实时通信。

所述机载平板系统通过无线装置与路由器通信，路由器通过公网服务器与远程终端进行 实时通信。

所述机载平板系统包括情绪交互系统、远程看护系统及早教单元系统；

所述情绪交互系统通过机载麦克接收用户的语音信息并根据接收的语音信息通过语音识 别和语义识别感知用户情绪，结合表情动画通过显示装置做出对应的信息反馈；

所述远程看护系统，远程终端通过与客户端进行通信，实时查看客户端拍摄视频的同时 可以向客户端发送运动控制指令；

所述早教单元系统，根据用户年龄和已有用户数据来推送适用的教学资源，同时为了保 证内容的丰富性，服务器会定时推送最新应用及资源，方便用户自主选择下载。

所述主控核心单元包括主处理器，主处理器通过RS232与客户端进行通信，解析出速度设 定值，同时捕获码盘的脉冲数，得到电机的实际速度，构成速度闭环控制系统，根据速度设 定值和实际速度值，每隔设定的时间进行一次PID运算，通过PWM调制方式控制电机的转速。

所述监控核心单元包括冗余处理器，冗余处理器捕获码盘脉冲数，解析电机的实际速度， 并与主处理器解析的速度值进行比较，当两者不一致时，根据故障处理机制及时处理异常， 主处理器和冗余处理器之间定期进行数据传输，当冗余处理器接收不到主处理器发送的数据 或者接收到错误数据时，冗余处理器及时复位主处理器。

所述主处理器与避障和防跌落电路、触摸电路及电机驱动电路相连，所述避障和防跌落 单体电路与防跌落传感器相连，触摸电路与触摸传感器相连，电机驱动电路与电机相连。

所述电机驱动电路包括两个相同结构的驱动电路，驱动电路包括左轮驱动电路及右轮驱 动电路，所述左轮驱动电路及右轮驱动电路的输出端与与门的输入端相连，所述与门的输出 端与主处理器及冗余处理器相连，从而能实时监控电机两端电流情况，防止电机过流。

所述避障和防跌落电路，包括两部分单体电路，电路采用一对红外发射及接收管作为避 障和防跌落主要功能单元，经过电阻分压得到参考电压，利用双运算放大器TS922组成的电压 比较器电路进行电压对比，并在输出端加上滤波及防抖动电路。

所述冗余处理器与声光报警电路、过流检测电路、过热检测电路及开关电路相连，当检 测到过流、过热及电池电压过低状况时，关断开关电路，切断电池供电。

所述开关电路与电源管理单元相连，电源管理单元包括电池、开关电路、保护电路、电 量检测及上传电路，电池与保护电路相连，保护电路和电量检测上传电路均与开关电路相连， 开关电路与电机相连，所述开关电路与能够将电压转换为5V的DC/DC电路相连，能够将电压 转换为5V的DC/DC电路与能够将电压转换为3.3V的DC/DC电路及7寸电容触摸显示屏相连，能 够将电压转换为3.3V的DC/DC电路与安装在机器人底部和前部的红外避障防跌落、触摸传感器 及主控核心单元相连。

利用远程看护系统进行远程看护时，公网服务器启动两个监听，一个是主连接监听，一 个是协助打洞监听，远程终端通过身份验证后，远程终端和客户端都会和公网服务器保持主 连接畅通，当远程终端需要连接客户端时，需要借助服务器的协助打洞端口，将远程终端通 过网络地址翻译后的公网IP通知给客户端，然后客户端尝试与远程终端进行连接，同时在相 同的端口启动侦听，并通过公网服务器将经过网络地址翻译的IP通知给远程终端，当远程终 端主动连接机器人时，机器人会允许连接，网络打洞成功，首先连接客户端的默认为主客户 端，在查看客户端拍摄视频的同时可以向客户端发送运动控制指令，其他连接为从客户端， 只能查看机器人的拍摄视频和当前状态，不能进行运动控制，当主客户端下线后，公网服务 器会通知其他从客户端使其通过申请成为主客户端。

所述情绪交互系统在android平台上实现语音识别，通过SQLite数据库构建了聊天知识库， 语音识别有离线识别和在线识别两种模式，当处于离线模式时，系统需要建立语法文件，其 中定义语音识别语句，当系统从采集到的语音中识别到有效语句时，会翻译成对应文字，语 义理解及情感分析单元进行中文分词，加载情感词典、程度副词词典、否定词词表和关联词 词表，识别句子中的每一个情感词，并以情感词为中心滑动检测周边副词及否定词情况，最 后对所有情感词及其修饰词的情感值累加，得到当前句子的情感值，判断出用户当前的情绪， 传给情绪表现单元，当处于在线模式时，可直接将识别的语句上传至服务器，由服务器分析 感知用户情绪，进而从网络抓取相关内容并回传至机器人系统，在判断出用户情绪后，情绪 表现单元通过切换动态脸部表情和拟人化的手势，配合定制的个性化语音，使机器人做出合 理的反应，在用户情绪低落的时候给与安慰，在用户情绪消沉时进行鼓励，使用户在与机器 人交流过程中感到舒心。

本发明的有益效果：

本发明早教系统采用分龄分阶的设计思想，根据儿童不同年龄段的性格特点和兴趣爱好， 设计出一套融合原创动画、故事、互动答题、学习评价体系、激励机制，涵盖数学、语言、 百科、艺术、手工等学科的娱乐与教学系统。系统采用全动漫展现方式，上手简单，直观生 动，可以有效提高儿童的学习兴趣。通过云台服务器推送，实现机器人本体的服务更新，满 足孩子对新知识的渴求，还可以对儿童每个阶段的学习情况进行打分评估，根据评估结果自 动推送下一步学习方案，最大程度的开发儿童大脑潜能，培养孩子的探索精神和学习兴趣。

该早教机器人系统运动控制方式灵活多样，既可通过触摸屏控制机器人的运动，也支持 远程无线遥控及语音控制；具有语音识别和声纹识别功能，可根据聊天内容，配合机器人语 速、语调以及肢体动作，表达机器人的喜怒哀乐；具有远程看护功能，用户可以远程登录机 器人查看家中孩子当前状态。

为了确保机器人的安全可靠运行，陪护机器人具备故障检测及自处理功能，可以实时监 控机器人的运行状况，及时处理疯跑、过流、通信乱码等机器故障。同时，该机器人配有避 障系统和防跌落系统，在用户使用的过程中自动规避障碍物，起到自我保护的作用。

附图说明

图1为本发明的整体设计方案框图；

图2为本发明的双处理器控制系统框图；

图3为本发明的主处理器最小系统电路图；

图4为本发明的冗余处理器最小系统电路图；

图5为本发明的情绪系统设计框图；

图6为本发明的远程看护系统设计框图；

图7为本发明的电源开关电路图一；

图8为本发明的电源开关电路图二；

图9为本发明的硬件技术方案电源管理框图；

图10为本发明的硬件技术方案电机驱动电路图；

图11(a)为本发明的硬件技术方案自主避障电路图；

图11(b)为本发明的硬件技术方案防跌落电路图；

图12为本发明的硬件技术方案触摸单元电路图。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明进行详细说明：

本发明的底层控制系统作为服务器端，专注于底层的服务，通过RS232与客户端进行通 信，通过软件接口实现命令包和数据包的交换；机载平板系统作为客户端，固定于机器人的 面部，运行android系统，经语音识别后智能感知幼儿情绪，通过动画展现多种表情，实现娱 乐陪护的功能；平板摄像头作为视频采集通道，通过网络透网传输给用户手机等终端，实现 远程看护孩子的功能。

本发明的整体设计方案如图1所示，该机器人采用典型的C/S机器人工作模式。底层控 制系统包括电源管理单元，电源管理单元为整个系统提供稳定可靠的输出电压及电流，电池 电量由主控核心测量，在数码管上实时显示，可实现低压报警及关断功能；主控核心单元接 受并解析客户端下达的运动指令，驱动电机按照设定的速度运动，同时开启红外避障防跌落 功能，并将机器人的运行情况返回客户端。监控核心单元作为冗余单元，负责监控机器人是 否存在失控、堵转、过流及通信乱码等故障。机载平板系统主要包含情绪交互系统，远程看 护系统，和早教系统三个模块。情绪交互系统通过语音识别和语义识别感知用户情绪，结合 表情动画做出人性化反馈；远程看护系统有远程透网传输和远程运动控制两个部分；早教系 统秉承分龄分阶的思想，结合云存储技术为用户提供服务。

底层控制系统的双处理器控制系统如框图2所示，双处理器最小系统电路如图3、4所示。 机器人采用了基于Cortex-M3内核的STM32单片机作为主处理器和冗余处理器，主控核心通 过RS232与机载平板系统进行通信，解析出速度设定值，同时捕获码盘的脉冲数，得到电机 的实际速度，构成速度闭环控制系统，根据速度设定值和实际速度值，每50ms进行一次PID 运算，通过PWM调制方式控制电机的转速。冗余处理器也可捕获码盘脉冲数，解析电机的 实际速度，并与主处理器解析的速度值进行比较，当两者不一致时，根据故障处理机制及时 处理异常。为了防止主处理器程序异常，主处理器和冗余处理器之间定期进行数据传输，当 冗余处理器接收不到主处理器发送的数据或者接收到错误数据时，冗余处理器及时复位主处 理器。冗余处理器可进行过流、过热及电池电压检测，当发生过流、过热及电池电压过低等 状况时，可以关断开关电路，切断电池供电。

主控核心单元和监控核心单元均采用基于Cortex-M3内核的STM32单片机；主控单元负 责机器人运动控制、传感器数据采集与融合及电源管理等任务，并为机载平板系统软件系统 提供平台控制的各种接口；监控核心单元对常见错误进行实时监视，包括机器人控制系统电 源故障、主控制器程序执行出错、运行状态出错(主要指运行姿态或速度异常)等，当机器 人系统出现错误时，控制系统能够根据错误的严重等级，采取分级应对策略以保障机器人能 够安全、可靠、高效的工作。

情绪交互系统设计框图如图5所示。机器人基于科大讯飞语音识别技术在android平台上 实现语音识别，通过SQLite数据库构建了机器人的聊天知识库与情感感知系统。语音识别有 离线识别和在线识别两种模式，由系统根据当前网络情况自主选择。当处于离线模式时，系 统需要建立语法文件，其中定义了语音识别语句。当系统从采集到的语音中识别到有效语句 时，会翻译成对应文字，语义理解及情感分析单元进行中文分词，加载情感词典、程度副词 词典、否定词词表和关联词词表，识别句子中的每一个情感词，并以情感词为中心滑动检测 周边副词及否定词情况，最后对所有情感词及其修饰词的情感值累加，得到当前句子的情感 值，判断出用户当前的情绪，传给情绪表现单元。当处于在线模式时，可直接将识别的语句 上传至服务器，由服务器分析感知用户情绪，进而从网络抓取相关内容并回传至机器人。在 判断出用户情绪后，情绪表现单元通过切换动态脸部表情和拟人化的手势，配合定制的个性 化语音，使机器人可以做出合理的反应，可以在用户情绪低落的时候给与安慰，在用户情绪 消沉时进行鼓励，使用户在与机器人交流过程中感到舒心。

本发明在娱乐陪护时，具体包含以下步骤：S01，麦克风采集用户语音传送给语音识别单 元；S02，语音识别单元根据科大讯飞提供的SDK将语音翻译成文字，并传给语义理解及情感 分析单元；S03，语义理解及情感分析单元进行中文分词，结合知网提供的情感词典，对句子 按词语情感权重进行情感值计算，并传给情绪表现单元；S04，情绪表现单元根据计算的情感 值与预设规则匹配，调用不同的动画表情，结合定制的个性化语音，做出人性化的情绪反馈。

远程看护单元的系统设计框图如图6所示。公网服务器启动两个监听，一个是主连接监 听，一个是协助打洞监听。通过身份验证后，用户客户端和机器人都会和服务器保持主连接 畅通。当用户需要连接机器人时，需要借助服务器的协助打洞端口，将用户通过网络地址翻 译后的公网IP通知给机器人，然后机器人尝试与用户进行连接，同时在相同的端口启动侦听， 并通过服务器将经过网络地址翻译的IP通知给用户，当用户主动连接机器人时，机器人会允 许连接，网络打洞成功。首先连接机器人的默认为主客户端，在查看机器人拍摄视频的同时 可以向机器人发送运动控制指令，其他连接为从客户端，只能查看机器人的拍摄视频和当前 状态，不能进行运动控制，当主客户端下线后，服务器会通知其他从客户端使其通过申请成 为主客户端。

图7、8、9所示为本发明的电源管理电路及其框图。该电路由9v磷酸铁锂电池作为电压 输入源，经过开关电路直接向电机供电，后经过两级电压转换分别向7寸电容触摸屏和主控 芯片、监控单元、避障防跌落电路供电。开关电路由自恢复按键、三极管、PMOS管组成； 开关电路的关断原理为，将按键的一端经过电阻分压之后连接到主控芯片和监控核心的输入 端，当主控芯片对应引脚检测到时长为1s以上的高电平时，主控芯片发出指令将电源关闭。 同时电池电压通过分压接入主控芯片的AD引脚，当检测到的电压低于报警门限时，机器人 通过声光进行报警，并将低电压信息上传到上位机进行显示提醒；当检测到电压低于可工作 电压时，主控芯片和监控核心会同时发出关闭电源指令，防止出现过放的危险。电压转换电 路中，考虑到7寸电容触摸屏的电压需求，系统选择了TI公司的输出电流为3A、输出电压为 5v的LM2576；其最大输入电压可支持40v，输出端电压3.3v、5v、12v等可调，本电路采用 其5v输出；输出端采用电感电容滤波来保证电源的稳定输出。电路还添加阿尔法公司的 AS1117M3-3.3的电源芯片，为主监控芯片及其他传感器电路提供稳定可靠的电源，其输出电 流大小为800mA，满足实际需要。

图10所示为本发明的电机驱动电路。电路采用LG9110作为驱动核心，该芯片具有廉价、 高效、操作方便等优点。内部嵌有H桥电路，可实现电机的正反驱动，且800mA的大电流输 出完全满足本发明的实际需求。电路中包含有过流检测电路，其工作原理为，H桥的输出电 流经过电阻R17流入地线，当电机发生堵转或者电流过大等极端情况时，R17的分压增大， 此时三极管Q4导通，主控芯片检测到对应引脚的下跳沿时，主控芯片发出指令，关闭主控 芯片的PWM输出或者电源等，从而防止电机被电流过大而出现烧坏的危险。经过计算R17 的取值应该在0.58Ω-2.592Ω范围内，确切的阻值取决于对应的报警电流大小。

图11(a)-(b)所示为本发明的自主避障和防跌落电路。图示分别为避障和防跌落电路， 发明中包括两部分单体电路。电路采用一对红外发射及接收管作为避障和防跌落主要功能单 元，经过电阻分压得到参考电压，利用双运算放大器TS922组成的电压比较器电路进行电压 对比，并在输出端加上滤波及防抖动电路，从而得到切实可靠的障碍物和跌落报警信号。

图12所示为本发明的触摸电路。发明中触摸电路采用TS04，4通道触摸芯片来完成其功 能。CS1、CS2、CS3、CS4为芯片的检测输入电容，用来调整触摸芯片的灵敏度。芯片的4路 输出将实际输出信号传输到主控核心，根据不同位置的触摸情况，从而进行相应的触摸回应。

本发明的机器人系统内部教学资源根据适用年龄进行分类，在用户点播教学资源时，系 统根据用户年龄和已有用户数据来推送适用的教学资源，同时为了保证内容的丰富性，服务 器会定时推送最新应用及资源，方便用户自主选择下载。

机器人具有学习能力，不仅可以完成开发人员预想到的用户需求，还可在用户的使用过 程中自主进化出更适合用户使用的功能。在网络连接情况下，当机器人与用户的对话超过知 识库的范围时，机器人会将当前对话上传服务器进行查询，并返回结果进行语音回答，同时 将查询结果添加到知识库中，不断扩展自己的知识库。此外用户也可以通过语音或文字输入 的方式来教给机器人知识，扩展知识库和语音识别离线模式时语法文件中的识别语句。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限 制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付 出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。