[發明專利]基于藍牙mesh的機器人學習和協作系統

有效

• 申請號: 201810970117.0
• 申請日: 2018-08-24
• 公開（公告）號: CN109118880B
• 公開（公告）日: 2021-07-02
• 發明（設計）人: 毛昕
• 申請（專利權）人: 杭州高低科技有限公司
• 主分類號: G09B19/00
• 分類號: G09B19/00
• 代理公司: 杭州融方專利代理事務所(普通合伙) 33266
• 代理人: 薛紀表

1.基于藍牙mesh的機器人學習和協作系統，包括可編程的操作端和若干個機器人；其特征在于，在每個機器人上都設有機端控制模塊和與機端控制模塊相連接的學習模塊、協同模塊和機端藍牙mesh模塊；所述操作端至少能和一個機器人上的機端藍牙mesh模塊無線連接；任意兩個機器人之間都能通過各自的機端藍牙mesh模塊進行相互信息傳遞無線連接；若干個機器人組成一個機器人群，從而將操作端和機器人群共同組成一個能相互通信并能相互傳遞信息的mesh網絡；

操作端包括若干個積木，在每個積木上都分別設有能將任意兩個積木進行兩兩相互可分開式固定對接連接在一起的固定連接機構和能將任意兩個積木進行兩兩相互可分開式數據線對接連接在一起的數據傳輸接口；在若干個積木中包括一個主控積木、若干個指令積木和若干個參數積木；在主控積木上分別設有主控模塊和木端藍牙mesh模塊，木端藍牙mesh模塊和設置在主控積木上的數據傳輸接口分別與主控模塊連接；在每個指令積木上分別設有指令模塊，設置在同一個指令積木上的數據傳輸接口和指令模塊連接；在每個參數積木上分別設有參數模塊，設置在同一個參數積木上的數據傳輸接口和參數模塊連接；主控積木上的木端藍牙mesh模塊至少能和一個機器人上的機端藍牙mesh模塊無線連接；從而將主控積木和機器人群共同組成一個能相互通信并能相互傳遞信息的mesh網絡；

操作端還包括電腦，所述電腦至少能和一個機器人上的機端藍牙mesh模塊無線連接；所述電腦還能和所述主控積木上的木端藍牙mesh模塊無線連接；從而將電腦、主控積木和機器人群共同組成一個能相互通信并能相互傳遞信息的mesh網絡；

所述電腦包括iPad；

若干個指令積木則有若干個指令模塊，并且這若干個指令模塊為基礎指令集；基礎指令集包括執行函數指令、循環控制指令、邏輯判斷指令和基本動作指令；若干個參數積木則有若干個參數模塊，并且這若干個參數模塊是為基礎指令集提供指令參數的輔助指令集；所述輔助指令集包括用于執行函數指令的函數名、可調節數字模塊、可調節角度模塊和可調節是否模塊；

固定連接機構包括能相互磁性吸住的若干個磁鐵；在積木的每個壁面內都分別嵌入有至少一個磁鐵；兩個積木之間通過設置在這兩個積木對應壁面內的磁鐵磁性吸住后固定對接連接在一起；

數據傳輸接口包括若干個插座和與插座匹配的插頭，在每個積木的至少一個壁面上設置有插座，在每個積木的至少一個壁面上設置有插頭，并且在同一個積木上的插頭和插座不在該積木的同一個壁面上；設置在主控積木上的插頭和插座分別與設置在該主控積木上的主控模塊連接；設置在同一個指令積木上的插頭和插座分別與設置在該個指令積木上的指令模塊連接；設置在同一個參數積木上的插頭和插座分別與設置在該個參數積木上的參數模塊連接；

在積木內設有木腔，在木腔內設有與該積木上的插頭個數相等的支點和與支點個數相等的拉繩，在每個支點上分別設有杠桿；在支點左方的木腔內設有一號定滑輪，在支點右方的木腔內設有二號定滑輪；在插頭處的積木內設有與木腔相連通的頭滑孔，插頭滑動連接在頭滑孔內，并在頭滑孔內設有能將插頭往頭滑孔的木腔端擠壓的頭擠壓彈簧；在磁鐵處的積木內設有與木腔相連通的磁滑孔，磁鐵滑動設置在磁滑孔內，并在磁滑孔內設有能將磁鐵往磁滑孔的木腔端擠壓的磁擠壓彈簧；杠桿的阻力臂端部滑動連接在插頭的里端面上；拉繩的一端固定連接在杠桿的動力臂端部，拉繩的另一端依次經過二號定滑輪和一號定滑輪后固定連接在磁鐵的里端面上；杠桿的動力臂長度大于杠桿的阻力臂長度；

杠桿的阻力臂端部設有滾輪，滾輪滑動連接在插頭的里端面上；

在插孔內的上孔壁上向上設有與插頭的金屬插頭個數相等的豎直孔，在每個豎直孔上方的積木內都分別設有與對應豎直孔相連通的水平孔；在每個水平孔內都分別設有能左右移動的右磁鐵，在每個右磁鐵的下表面上都設有從左往右朝下傾斜的擠壓斜面，在每個右磁體右方的水平孔內都分別設有水平拉力彈簧，每根水平拉力彈簧的兩端分別固定連接在對應右磁鐵的右端面上和對應水平孔的右孔壁上；

在每個豎直孔內分別設有能上下滑動的絕緣豎直滑塊，在每個絕緣豎直滑塊上方的對應豎直孔內分別設有能上下滑動的豎直柱，在每個絕緣豎直滑塊與對應豎直柱之間的對應豎直孔內分別活動設有豎直彈簧，每條豎直彈簧的上端固定連接在對應豎直柱的下表面上，每條豎直彈簧的下端分別固定連接在對應絕緣豎直滑塊的上表面上；

在插孔的里端面上端分別設有與插頭的金屬插條個數相等且與金屬插條一對一匹配對應的彈性導電金屬片，每個彈性導電金屬片的外端分別位于對應絕緣豎直滑塊的正下方；彈性導電金屬片導電連接在數據傳輸接口的數據傳輸線上；

在彈性導電金屬片的外端設有開口朝上的圓弧段，并且彈性導電金屬片的圓弧段外端位于絕緣豎直滑塊的正下方；

在每個絕緣豎直滑塊的下端面上設有下滾珠；在每個豎直柱的上端面上設有上滾珠；每個下滾珠分別壓緊在對應彈性導電金屬片的上表面外端，每個上滾珠分別壓緊在對應右磁鐵的擠壓斜面上；

在頭滑孔內的上孔壁上向上設有與水平孔個數相等且一對一匹配對應的裝磁孔，在每個裝磁孔內都分別設有能與對應右磁鐵的磁力相吸的左磁鐵；

在右磁鐵的上表面上和右磁鐵的下表面上都分別設有若干個滾動槽，在每個滾動槽內分別設有滾動軸；

右磁鐵包括左段磁鐵、中段磁鐵和右段磁鐵，左段磁鐵的右端與中段磁鐵的左端一體連接，右段磁鐵的左端與中段磁鐵的右端一體連接，擠壓斜面設置在中段磁鐵的下表面上；在右磁鐵右方的水平孔內設有限位塊；

當插頭的金屬插條插入連接在插座的插孔內后，右磁鐵受到左磁鐵的磁力吸引，右磁鐵在水平孔內向左移動，擠壓斜面擠壓上滾珠向下移動，使得豎直柱向下移動，豎直柱向下移動的結果就會讓絕緣豎直滑塊向下移動，使得下滾珠向下移動，使得下滾珠壓緊在彈性導電金屬片的上表面外端，讓彈性導電金屬片的下表面壓緊導電連接在插頭的金屬插條上，使得金屬插條與數據傳輸接口的數據傳輸線之間導通，使得兩個積木之間的數據傳輸更加穩定可靠；當插頭的金屬插條從插座的插孔內退出后，右磁鐵在水平拉力彈簧的拉力作用下向右移動，下滾珠的彈性導電金屬片向上的彈力作用下向上移動；使得上滾珠向上移動來降低下滾珠壓在彈性導電金屬片上的壓力；

系統還包括闖關板、闖關圖、可移動軟磁片和可移動磁性障礙；在每個機器人上還設有分別與機端控制模塊相連接的行動模塊、聲音模塊、發光模塊、攝像頭模塊、巡線模塊和傳感器模塊；

在機器人上設有擴展模塊、機端控制模塊、以及分別與機端控制模塊相連接的機端藍牙mesh模塊、行動模塊、聲音模塊、發光模塊、攝像頭模塊和巡線模塊；機端控制模塊、機端藍牙mesh模塊、行動模塊、聲音模塊、發光模塊、攝像頭模塊和巡線模塊都封裝在機器人內；在機器人上設有兩個分別與機端控制模塊連接的標準接口；擴展模塊包括傳感器模塊和語音識別模塊，傳感器模塊通過一個標準接口與機端控制模塊連接，語音識別模塊通過另一個標準接口與機端控制模塊連接；

用花朵代表尋找物，則機器人每闖過一關，機器人就需要按照預定的路線走；而機器人只有按照設定的路線走才能找到預先設定的花朵；當機器人走錯路線時，機器人就不能找到設定的花朵，通過判斷機器人是否能夠找到設定的花朵就能確定機器人是否走錯路線；

所述基本動作指令包括能讓機器人執行基本動作的機器人基本動作指令，所述機器人基本動作指令包括前進指令、后退指令、左轉指令、右轉指令、轉圈指令、發聲指令、閃光指令、前傾斜指令、后傾斜指令、左傾斜指令、右傾斜指令、抬起指令和放下指令；

行動模塊能根據指令模塊的指令讓機器人進行各種基本動作；

機器人通過設置在機器人上的機端藍牙mesh模塊與主控積木上的木端藍牙mesh模塊無線連接；機器人上的機端控制模塊與設置在該機器人上的機端藍牙mesh模塊連接；機器人上的聲音模塊、發光模塊、傳感器模塊、擴展模塊和行動模塊分別與機器人上的機端控制模塊連接；

藍牙mesh組網的流程以及iPad設置協同任務的流程如下；

iPad以及各個機器人在主控模塊啟動后，都會去啟動藍牙mesh模塊，加入mesh網絡中，

iPad上通過界面設置協同任務，即將自定義的或者系統自帶的動作集，與系統設定好的協同任務進行關聯；

一個機器人在收到iPad發布的協同任務設置后，將動作集與協同任務關聯關系進行存儲，并將設置繼續傳遞給下一個節點的另一個機器人；

另一個機器人在收到iPad發布的協同任務設置后，將動作集與協同任務關聯關系進行存儲，如果還有下一個節點，則繼續傳遞；

機器人自學習過程與分布式管理完成協同任務的流程如下：

iPad發送動作集的指令給一個機器人之前已通過任務設定流程與協同任務進行了關聯；

這個機器人執行動作集，并開始廣播動作集的指令；

其余機器人在收到動作集的廣播指令后，存儲該動作集指令，并開始跟隨這個機器人完成同樣的動作，以表示接收并同意；

iPad廣播觸發協同任務的指令，所有執行動作集的機器人開始協同完成任務，

執行過程中，機器人發送給iPad反饋信息，iPad展示協同任務完成情況；

闖關板的闖關策略如下：

8.1、闖關板將虛擬的闖關移到現實當中，每闖過一關，機器人要找到預先設定的花朵，就需要按照預定的路線走；

8.2、闖關圖就是已經畫好的路線圖，用畫好的路線圖代表預設好的闖關；

8.3、孩子需要根據路線圖，設計程序，搭建指令積木，并執行程序；

8.4、機器人上的巡線模塊會檢查機器人是否在預定的路線上行進，如果偏離路線，則發送消息給機端控制模塊，聲音模塊提示程序設計錯誤；

8.5、當機器人到達目的地，巡線模塊發送消息給機端控制模塊，聲音模塊發出成功闖關的歡呼聲；

8.6、自由設定關卡：

8.6.1、孩子能在空的背景圖上自由設定關卡；用可移動軟磁片吸附在闖關板上，設定路線；

8.6.2、起始點和目的地都要用不同顏色的可移動軟磁片表示；

8.6.3、設定關卡后，孩子設定程序，搭建指令積木，并執行程序；

8.6.4、機器人上的巡線模塊會檢查機器人是否在路線上行進，如果偏離路線，則發送消息給機端控制模塊，聲音模塊提示程序設計錯誤；

8.6.5、當機器人到達目的地后，巡線模塊發送消息給機端控制模塊，聲音模塊發出成功闖關的歡呼聲；

8.7、可移動磁性障礙：

若傳感器模塊檢測到障礙，則根據程序執行轉彎或者后退；當自由設定關卡時，則利用可移動磁性障礙，在闖關板上自由設置障礙；并通過傳感器模塊的全局變量，設定程序；

則機器人每闖過一關，機器人就需要按照預定的路線走；而機器人只有按照設定的路線走才能找到預先設定的花朵；當機器人走錯路線時，機器人就不能找到設定的花朵，通過判斷機器人是否能夠找到設定的花朵就能確定機器人是否走錯路線；

闖關板的闖關過程如下：

9.1、在闖關板上吸附上闖關圖；

9.2、開啟機器人，將機器人放在闖關圖的起始點上；

9.3、搭建指令積木，并點擊按鈕，指令積木通過機端藍牙mesh模塊傳送指令給機器人；

9.4、機器人收到指令，開始執行指令；

9.5、巡線模塊始終監視機器人的行走路線是否在預設的路線上，如果偏離路線，則通知機端控制模塊，發出報錯的語音；

9.6、如果機器人按照預設的路線行走，機器人到達終點后，巡線模塊通知機端控制模塊，聲音模塊發出成功的語音；

9.7、當自由設置關卡時，闖關圖上沒有預設的路線，由孩子將起點、終點和行駛路線的磁片吸附在闖關板上，其余流程同前；

9.8、在自由設置障礙時，孩子將可移動磁性障礙吸附在闖關板上，其余流程同前；

若干指令模塊：為基礎指令集，包括執行函數指令、循環控制指令、邏輯判斷指令、基本動作指令；

指令模塊的主要功能：存儲自身的指令關鍵字，供主控模塊識別；讀取參數模塊，將參數加入自身的指令；收集下方的指令，加入自身的指令，上傳；讀取當前正在執行的指令ID，如果符合自身ID，則高亮LED燈；

若干參數模塊：輔助基礎指令，提供指令參數，包括函數名、可調節數字模塊、可調節角度模塊、可調節是否模塊；

參數模塊的主要功能：可調節參數數值，包括數字、角度、TRUE/FALSE；可調節關系包括等于、大于、小于、大于等于、小于等于；

承載函數名，用于定義和執行自定義函數；

指令模塊的核心芯片為Attiny85，用于接收輸入指令，處理輸入指令，并返回輸出指令；

當”結束”積木上的開關被觸發時，結束指令開始向上傳遞指令；收到下方的指令集后，當前指令積木會詢問參數模塊；如果后面吸附著參數模塊，參數模塊會返回當前設定的參數值，如果參數模塊后面還吸附著其他的參數模塊，參數模塊會繼續向后詢問；當前指令積木收到參數模塊返回后，將自己存儲的指令和參數組成完整的指令，加入從下方收到的指令集，組成新的指令集，向上傳遞；開始模塊收到了全部指令集后，加入開始模塊自身的指令，通過磁吸彈針將完整的指令集傳遞給主控模塊；

參數模塊的核心芯片也是Attiny85，主要功能就是讀取電位器的電壓值，通過ADC轉換成預設的枚舉值，有數值的選擇，有角度的選擇，有是否的選擇，也有運算符號的選擇；

指令積木控制機器人的流程為：

主控積木的主控模塊啟動后，通過藍牙模塊，搜索機器人和iPad，主控模塊作為藍牙主機，機器人和iPad作為藍牙外設，機器人和iPad隨時啟動，隨時藍牙連接成功；

孩子開始根據自己的意愿或課程要求，自行設計程序，添加指令模塊和參數模塊，參數模塊上的數字、角度、是否，可隨意調整，參數模塊還包含針對傳感器狀態的判斷；

完成指令模塊和參數模塊的搭建后，打開開關，完成指令；主控模塊將指令通過藍牙同步給iPad；

系統還包括自定義函數模塊；

自定義函數模塊需要：

主控模塊：用于讀取函數定義，并寫入函數定義文件；

定義模塊：承載函數定義的關鍵字；

函數模塊：承載函數名，硬件同參數模塊；

指令模塊：用于搭建完成定義函數功能的各個指令；

參數模塊：用于搭建完成定義函數功能的指令參數；

自定義函數模塊的流程為：

指令積木主控模塊啟動；

將開始模塊改為定義模塊，后面添加函數模塊，函數模塊用于承載函數名；

添加該函數功能所需的指令模塊和參數模塊；

主控模塊收到指令后，判斷是否為函數定義，如果是函數定義，則將該函數定義的指令存儲到定義文件里；

函數定義以JSON串的格式存儲到文件中；

系統還包括執行函數模塊；

執行函數模塊需要：

主控模塊：用于藍牙通信，讀取指令，解析指令，執行程序；

執行模塊：用于觸發自定義函數的執行；

函數模塊：承載函數名；

指令模塊：用于搭建編程的各個指令；

參數模塊：用于搭建編程的指令參數；

執行函數模塊的流程為；

主控積木的主控模塊啟動；

添加執行模塊和函數模塊；

添加其他需要的指令模塊和參數模塊；

確認完成指令搭建；

主控模塊收到指令后，判斷是否有執行模塊，如果有，則讀取函數定義文件，將函數定義的指令加入到要執行的指令集中；

主控模塊解析指令，執行程序。