儿童教学监护机器人
2020-01-11

儿童教学监护机器人

本实用新型提供了一种儿童教学监护机器人,包括依次连接的语音处理模块、上位机、串口通信模块、数字信号处理器和下位机运动控制模块,上位机还分别与触摸屏显示模块和人体目标跟踪模块相连接;数字信号处理器还分别与传感器模块、GSM模块和机械臂模块相连接。该机器人主要用于儿童的教学、陪同、娱乐及监护,可充当家庭教师与保姆。采用Kinect融合图像深度和色彩信息,实现了目标检测和跟踪,通过控制舵机的转动实现机械臂的控制,采用烟雾传感器和气体传感器对室内环境进行安全监控,当有异常情况时,通过GSM模块对主人发送短信。

如图1所示,本实用新型儿童教学监护机器人,包括依次连接的语音处理模块6、上位机12、串口通信模块13、数字信号处理器23和驱动模块19;上位机12还分别与触摸屏显示模块I和人体目标跟踪模块8相连接;数字信号处理器23还分别与烟雾传感器14、气体传感器15、GSM模块16、电机编码器17、腕关节舵机20、肘关节舵机21以及肩关节舵机22相连接;驱动模块19和电机编码器17分别与直流电机18相连接。

GSM(GlobalSystemforMobileCommunication)模块,是一种将GSM射频芯片、基带处理芯片、存储器、功放器件等集成在一块线路板上,具有GSM射频处理、基带处理并提供标准接口的功能模块。可使用微控制器通过RS232串口与GSM模块通信,使用标准的AT命令来控制GSM模块实现各种无线通信功能。本机器人采用Siemens公司生产的无线通信GSM模块TC35,基于DSP,实现手机短消息的通信功能。TC35主要由GSM基带处理器、GSM无线模块、电源模块(ASIC)、闪存、ZIF连接器、天线接口6部分组成,共有40个引脚,通过一个ZIF(ZeroInsertionForce)连接器引出。这40个引脚可以划分为5类,即电源、数据输入/输出、SIM卡、音频接口和控制。TC35的数据接口采用串行异步传输方式,DSPTMS320F2812有2个异步串行通信接口(SCI),它包括两个外部引脚SCITXD(发送输出引脚)和SCIRXD(接收输入)引脚,分别复用到通用1/0口上,通过DSP的SCI模块与TC35的串行通信接口连接,即可实现TC35与DSP的数据传输,如图7所示,利用GSM07105定义的AT命令集的指令,就可以直接使用AT命令方便简洁地实现短信息的收发、查寻和管理。先设置好待发送的信息,对GSM模块进行初始化,当传感器模块检测到有异常情况时,DSP通过AT指令将短信内容从串口发送给GSM模块16,最终发送到用户手机。而通信的关键是TMS320F2812如何使用AT命令来控制TC35,SMS短信息的发送和接收模式分为:Block模式、基于AT命令的Text模式和基于AT命令的F1DU(ProtocolDescriptionUnit)模式。GSM中文短消息是按照PDU格式进行收发的,最多70个汉字字符,中文字符按照UNICODE进行编码,只要软件上按照rou格式解读或编写相应的数据格式即可接收或发送短消息。与短消息相关的AT命令主要有:AT+CMGF,设置短消息模式;AT+CMGS,发送短消息;AT+CNMI,设置短消息指示方式;AT+CMGR,读取短消息;AT+GMGD,删除短消息。

为实现上述目的,本实用新型所采用的技术方案是:一种儿童教学监护机器人,包括依次连接的语音处理模块、上位机、串口通信模块、数字信号处理器和下位机运动控制模块,上位机还分别与触摸屏显示模块和人体目标跟踪模块相连接;数字信号处理器还分别与传感器模块、GSM模块和机械臂模块相连接。

人与机器人进行语音互动的示意图如图3所示,当人和机器人进行简单的人机对话时,通过麦克风阵列输入的语音经过上位机识别后,在语音库中查找匹配对话后通过语音合成播放语音;当语音控制机器人运动时,上位机将识别的命令翻译成定义的指令信号,通过RS232串口发送至下位机控制电机运动;当人想将所触摸选择的内容进行朗读时,红外触摸屏将所触摸坐标通过USB串口发送至上位机,上位机通过语音合成将所选择内容进行朗读。儿童可输入语音“表演舞蹈”,机器人即可按设定好的动作通过机械臂的运动进行舞蹈表演。

本实用新型机器人通过Kinect摄像头10采集到的图像深度和色彩信息,实现目标的检测与跟踪,对儿童进行陪同。此外,该机器人还具有室内环境监控功能,通过烟雾传感器14和气体传感器15,可对室内火灾和燃气泄漏等安全问题进行监控,当有异常情况发生时,将通过GSM模块16给主人发送信息,主人从而可进行及时处理。

触摸屏显示模块I由触摸屏和显示器2组成,触摸屏系统一般包括触摸屏控制器和触摸检测装置。触摸屏控制器的主要作用是从触摸点检测装置上接收触摸信息,并将它转换成触点坐标,再送给CPU,它同时能接收CPU发来的命令并加以执行。触摸检测装置一般安装在显示器的前端,主要作用是检测用户的触摸位置,并传送给触摸屏控制器。目前主要有以下几种类型的触摸屏:电阻式触摸屏,电容式触摸屏,红外线触摸屏以及表面声波式触摸屏。

本机器人分别采用了烟雾传感器MQ-2和气体传感器MQ-4对室内的火灾和燃气泄漏进行检测。MQ-4气敏传感器对甲烷、天然气有很高的灵敏度,具有快速的响应恢复特性,具有长期的使用寿命和可靠的稳定性,气敏传感器的电阻值与室内气体浓度呈线性递减关系,所以室内浓度与气敏传感器的电流近似呈线性关系,再结合电位器,即可将浓度信号转化为电压信号,传感器采集到的电压值经DSP的A/D转化通道转化为数字值进行处理。MQ-2与MQ-4结构类似,可对室内的烟雾浓度进行检测。烟雾传感器和气体传感器都与DSP的A/D转化接口相连,A/D转换通道将传感器采集到的模拟电压转化为数字信号,经计算后如果烟雾的浓度和可燃气体浓度达到所设置的临界值,将会发送信号,DSP通过GSM模块给主人发送信息,从而进行处理。也就是说,通过DSP与GSM模块的SCI(异步通信传输),可实现两者的数据传输,当传感器检测到异常情况时,通过AT命令控制GSM模块给主人发送短信。

近年来,随着计算机、微电子、信息技术的快速发展,机器人开发的技术也越来越成熟,智能程度也越来越高,在很多方面,如海洋开发、宇宙探测、工农业生产、军事、社会服务、娱乐等各个领域已经有了广泛的应用。机器人正朝着智能化和多样化等方向发展,智能机器人已越来越贴近我们的生活。

图1中:触摸屏显示模块,2.显示器,3.红外触摸屏,4.音响,5.语音合成单元,

本实用新型儿童教学监护机器人具有语音互动和触摸屏互动功能,并且利用传感器和GSM模块对室内火灾和燃气泄漏等安全环境进行监控;可实现教学、娱乐、陪同及监护功能为一体,使儿童在轻松安全的环境中学习和成长,激发儿童的求知欲望。

数字信号处理器(DSP) 12采用DSPTMS320F2812。

图2是红外触摸屏控制原理图。

图2是红外触摸屏控制原理图。