一种绘画和写字玩具装置和系统

摘要

本发明提供的一种绘画和写字玩具装置和系统，其特征在于，包括行走模块、光流定位传感器、绘画笔模块和控制模块，并且控制模块分别连接到所述的行走模块、光流定位传感器、绘画笔模块，其中行走模块接受控制模块的指令，在作业面内产生平动位移和作业面法线方向的角位移；光流定位传感器采集在作业面内的定位数据，并传输到控制模块作为反馈测量值，其与作为参考值的绘画和写字的轨迹数据相数学运算以产生控制误差值，再经所述的控制模块输出操作所述行走模块的指令；绘画笔模块接受控制模块的指令，产生抬笔和落笔动作，即降低了玩具装置成本和技术难度，又提高了绘图效率，同时可以把绘画和写字两种玩具合二为一，取得了多者兼顾的有益效果。

说明书

技术领域

本发明涉及玩具领域的一种绘画和写字玩具装置和系统。

背景技术

现有的绘画或写字玩具技术方案，均有共同的技术特征，其一，装置的一端相对于作业面静止，其二，采用连杆式或关节式机械臂子系统，绘图笔安装在机械臂上，通过机械臂带动绘图笔在作业面上绘制轨迹，其需要对绘图笔端的空间位置进行正反向解析和路径规划的控制算法运算，前者避免了定位的必要性，而后者导致成本高和控制技术难度高的技术缺陷和不足。此外，由于机械臂子系统的运动学限制，机械臂在作业面的绘图范围受限，不能覆盖全部绘图区域，纸张浪费率高，而导致绘图效率低，因此有必要提出一种绘画和写字玩具装置和系统。

为了降低成本和避免绘图效率低的技术缺陷，本发明提供的装置摒弃机械臂子系统方案，采用玩具装置整体在作业面内移动，拖动绘图笔在作业面内绘制出轨迹的技术方案，但是玩具装置在作业面内的定位和姿态的控制和反馈测量，将会成为突出的技术必要性。

另一方面，光流的概念是Gibson在1950年首先提出来的。它是空间运动物体在观察成像平面上的像素运动的瞬时速度，是利用图像序列中像素在时间域上的变化以及相邻帧之间的相关性来找到上一帧跟当前帧之间存在的对应关系，从而计算出相邻帧之间物体的运动信息的一种方法。一般而言，光流是由于场景中前景目标本身的移动、相机的运动，或者两者的共同运动所产生的。

现代光电鼠标是光流技术在电脑外设领域的一种广泛而成功的应用，其主要包括光学导航引擎、光源和透镜组，其中光学导航引擎包括一个光电传感器（实际上是一个微型低分辨率摄像头，例如20x20像素）来采集鼠标在物体表面上的移动方位。它使用LED(发光二极管)或激光作为光源，将光束照射到下方的表面，在被光电传感器接收之前进行反射和微调。塑料透镜组收集反射的光，并在光电传感器上形成图像。这种图像是一种很小的鼠标操作表面的黑白照片。当鼠标移动时，传感器会连续拍照。传感器会快速地拍照（速度高达每秒1500张照片或更快），拍照速度要足够快，以便让连续的照片重叠起来，剩下的工作由光学导航引擎所包括的DSP单元负责。光学导航引擎通过一种专有的图像处理算法，识别捕获照片之间的共同特征并确定它们之间的距离。然后将这些信息转换为X和Y坐标，以指示鼠标的移动。

可以理解的是，人们常常把用LED做光源的鼠标称作光电鼠标或光学鼠标，用激光做光源的鼠标称作激光鼠标。如果按照机械鼠标和光电鼠标的分类，其实激光鼠标也是光电鼠标。

此外，在作业面内，绘画和写字玩具装置具有作业面内的2个平动位移自由度（X，Y）和作业面法线方向的1个角位移自由度（θ），前者表达了装置在作业面内的位置，而后者表达了装置在作业面内的姿态。

综上所述，用于玩具领域的绘画和写字装置，成本是商业核心竞争力，为降低成本、控制技术难度和提高绘图效率，如果摒弃连杆式或关节式机械臂子系统，而由此导致的定位的必要性需求，可以通过与光电鼠标的光流技术提供，其采用光学导航引擎、光源和透镜组组成光流定位传感器，而提出一种绘画和写字玩具装置和系统。

可以理解的是，多个（大于或等于2个）光流定位传感器分布安装在玩具装置的不同位置，以任意2个为一组可以获得装置在作业面法线方向的角位移（θ），也即获得装置在作业面内的姿态。

发明内容

本发明的目的在于提供一种绘画和写字玩具装置和系统，针对现有技术采用连杆式或关节式机械臂子系统所导致硬件成本高、控制技术难度高和绘图效率低的技术缺陷或不足，摒弃连杆式或关节式机械臂子系统，使用本发明所提供的装置在作业面内做3自由度运动，拖动绘图笔绘制图形和写字轨迹，并增加光流定位传感器测量本发明所提供的装置在作业面内的（X，Y，θ）参数，进而提出一种绘画和写字玩具装置和系统的技术方案，即降低了装置的成本和技术难度，又提高了绘图效率，弥补现有技术方案的技术缺陷或不足，同时因为光流定位传感器控制精度高，又可以把绘画和写字两种玩具合二为一，以实现一种绘画和写字玩具装置和系统。

本发明是这样实现的，种绘画和写字玩具装置，其特征在于，包括行走模块、光流定位传感器、绘画笔模块和控制模块，并且控制模块分别连接到所述的行走模块、光流定位传感器、绘画笔模块，其中行走模块接受控制模块的指令，在作业面内产生平动位移和作业面法线方向的角位移；光流定位传感器采集在作业面内的定位数据，并传输到控制模块作为反馈测量值，其与作为参考值的绘画和写字的轨迹数据相数学运算以产生控制误差值，再经所述的控制模块输出操作所述行走模块的指令；绘画笔模块接受控制模块的指令，产生抬笔和落笔动作。

本发明的进一步的技术方案是，采用两个光流定位传感器，分别安装在不同的位置，测量出所述装置的作业面法线方向的角位移和作业面内的平动位移。

本发明的进一步的技术方案是，包括磁场传感器，用于测量出所述装置在作业面法线方向的角位移。

本发明的进一步的技术方案是，所述的行走模块包括轮式或履带式的行走子系统的任一或组合，在作业面内产生平动位移和角位移。

本发明的进一步的技术方案是，还包括通讯模块，连接到所述的控制模块，所述的通讯模块包括但不限于WIFI、蓝牙、NFC、Lora、NB-IoT、5G、4G、3G、2G、GSM的任一或组合的任一或组合。

本发明的进一步的技术方案是，还包括语音识别模块，连接到所述的控制模块。

本发明的进一步的技术方案是，还包括语音模块，连接到所述的控制模块

一种绘画和写字玩具系统，其特征在于，包括前述的一种绘画和写字玩具装置，还包括服务器，其中所述装置通过其所包括的通信模块连接到服务器。

本发明的进一步的技术方案是，还包括智能手机端及其控制APP。

本发明的进一步的技术方案是，还包括手持遥控器，连接到所述装置或所述的服务器。

有益效果

本发明所提供一种绘画和写字玩具装置和系统，针对现有技术采用连杆式或关节式机械臂子系统所导致硬件成本高、控制技术难度高和绘图效率低的技术缺陷或不足，摒弃连杆式或关节式机械臂子系统，使用本发明所提供的装置在作业面内做3自由度运动，拖动绘图笔绘制图形和写字轨迹，并增加光流定位传感器测量本发明所提供的装置在作业面内的（X，Y，θ）参数，进而提出一种绘画和写字玩具装置和系统的技术方案，即降低了玩具装置的成本和技术难度，又提高了绘图效率，弥补现有技术方案的技术缺陷或不足，同时因为光流定位传感器控制精度高，又可以把绘画和写字两种玩具合二为一，以实现一种绘画和写字玩具装置和系统，取得了多者兼顾的有益效果。

附图说明

图1是第一实施例的示意图；

图2是第二实施例的示意图；

附图标记：

行走模块-10；

光流定位传感器-20；

光学导航引擎-201；

光源-202；

透镜组-203；

绘画笔模块-30；

绘画笔-301；

制动器-302；

弹簧缓冲器-303

控制模块-40；

语音识别模块-50；

通信模块-60；

语音模块-70；

服务器-80；

智能手机-90；

遥控器-100；

原理

本发明所提供的装置如图1所示，包括行走模块-10、光流定位传感器-20、绘画笔模块-30和控制模块-40，其中行走模块-10在作业面内产生平动位移（X，Y）和角位移（θ），并且拖动绘画笔-301在作业面内绘制图形和文字的轨迹；同时光流定位传感器-20测量本发明所提供的装置在作业面内的位置和姿态定位数据，也即（X，Y，θ），并传输到控制模块-40作为反馈测量值，其与作为参考值的绘画和写字的轨迹数据相数学运算以产生控制误差值，再经所述的控制模块-40输出操作行走模块-10的指令；绘画笔模块接受控制模块的指令，产生抬笔和落笔动作，既可以实现一种绘画和写字玩具装置和系统。

可以理解的是，多个（大于或等于2个）光流定位传感器分别安装在本发明所提供的装置的不同位置，以任意2个为一组可以获得本发明所提供的装置在作业面法线方向的角位移（θ），也即获得本发明所提供的装置在作业面内的姿态。

可以理解的是，测量本发明所提供的装置在作业面法线方向的角位移（θ），还可以使用磁场传感器，通过测量本装置相对于大地地磁场的方向角，间接的得出本装置相对于大地磁场角位移，而不是与作业面之间的角位移，并且容易受到环境电磁场的干扰，例如永磁体、金属物体和输电电缆所产生的磁场的干扰。此外，磁场传感器的角分辨率或精度只有1-2度，绘制一条20mm的直线，会产生大于0.34mm的误差，超出人眼0.1mm的辨识力。

可以理解的是，光学导航引擎-201的精度高， 例如400dpi的光学导航引擎-201每移动60微米, 通过数字接口向控制模块-40汇报一次定位数据。

具体实施方式

具体地，如图1所示，本发明对一种绘画和写字玩具装置提出第一实施例，包括行走模块-10、光流定位传感器-20、绘画笔模块-30和控制模块-40，其中采用光流定位传感器-20的数量为2个，分别安装在本装置的前后两端，用以测量本装置在作业面内的位置和姿态定位数据，也即（X，Y，θ），并传输到控制模块-40作为反馈测量值，其与作为参考值的绘画和文字的轨迹数据相数学运算以产生控制误差值，再经所述的控制模块-40输出操作行走模块-10的指令；绘画笔模块接受控制模块的指令，产生抬笔和落笔动作，即可实现本发明实施，即是一种绘画和写字玩具装置的技术方案。

可以理解的是，绘画笔模块-30包括绘画笔-301、制动器-302和弹簧缓冲器-303，其中制动器-302驱动弹簧缓冲器-303，而弹簧缓冲器-303驱动绘画笔-301的抬笔和落笔动作，弹簧缓冲器-303的弹力使得绘画笔-301的笔尖适应作业面凸凹起伏的表面。

可以理解的是，绘图和写字的轨迹数据可以保存在控制模块-40中，缺点是保存数据量受限，并且在没有云端服务器支持的情况下，更新轨迹数据困难。

可以理解的是，本发明所提供的装置具有4个自由度，即（X，Y，θ，Z），其中作业面内具有的平移自由度是（X，Y），垂直作业面的方向具有旋转自由度（θ），在Z方向具有抬笔和落笔动作的平移自由度，并且X、Y和Z三轴互相垂直构成笛卡尔坐标系。

如图2所示，本发明对一种绘画和写字玩具装置和系统提出第二实施例，包括实施例一所述的装置、服务器-80、通信模块-60、语音识别模块-50、语音模块-70、智能手机-90、遥控器-100，其中通信模块-60分别连接到服务器-80和控制模块-40，即可实现本发明实施，即是一种绘画和写字玩具装置和系统的技术方案。

可以理解的是，绘图和写字的轨迹数据也可以保存在服务器-80中，避免了保存数据量受限，并且更新困难的不足或缺点。

可以理解的是，语音识别模块-50包括麦克风元器件，用以采集语音信号进行离线本地或在线云端的识别，例如云端识别的时候，传输到控制模块-40，再经通信模块-60传送到服务器-80，在其中完成识别，再形成控制命令回传到控制模块-40，操作行走模块-10和绘画笔模块-30在作业面内绘制图形和文字。

可以理解的是，语音模块-70连接到控制模块-40，发出背景音效、响应语音和人机会话语音，以提高趣味性和情景带入效果。

可以理解的是，智能手机-90既可以连接（例如通过WiFi）到服务器-80，也可以连接（例如蓝牙）到通信模块-60，运行在智能手机-90内的APP可以发出控制指令，并且实现本装置和APP的状态同步。遥控器-100连接（例如蓝牙）到通信模块-60，发出控制指令到控制模块-40。

可以理解的是，通信模块-60包括但不限于WIFI、蓝牙、NFC、Lora、NB-IoT、5G、4G、3G、2G、GSM的任一或组合。

综上所述，本发明提供的一种绘画和写字玩具装置和系统，其特征在于，包括行走模块、光流定位传感器、绘画笔模块和控制模块，并且控制模块分别连接到所述的行走模块、光流定位传感器、绘画笔模块，其中行走模块接受控制模块的指令，在作业面内产生平动位移和作业面法线方向的角位移；光流定位传感器采集在作业面内的定位数据，并传输到控制模块作为反馈测量值，其与作为参考值的绘画和写字的轨迹数据相数学运算以产生控制误差值，再经所述的控制模块输出操作所述行走模块的指令；绘画笔模块接受控制模块的指令，产生抬笔和落笔动作，即降低了玩具装置的成本和技术难度，又提高了绘图效率，弥补现有技术方案的技术缺陷或不足，同时因为光流定位传感器控制精度高，又可以把绘画和写字两种玩具合二为一，以实现一种绘画和写字玩具装置和系统，取得了多者兼顾的有益效果。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

参考文献