一种面向幼儿的早教陪护机器人系统技术方案

本发明专利技术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；本发明专利技术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。

【技术实现步骤摘要】
一种面向幼儿的早教陪护机器人系统
本专利技术涉及幼儿教育领域，具体涉及一种面向幼儿的早教陪护机器人系统。
技术介绍
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。
技术实现思路
为解决现有技术存在的不足，本专利技术公开了一种面向幼儿的早教陪护机器人系统，本专利技术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，本专利技术的具体方案如下：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本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种面向幼儿的早教陪护机器人系统，其特征是，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。

【技术特征摘要】
1.一种面向幼儿的早教陪护机器人系统，其特征是，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；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；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，定义语音识别语句，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；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，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，远程终端连接客户端时，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；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，服务器定时推送最新应用及资源，方便用户自主选择下载；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；所述主控核心单元包括主处理器，主处理器通过RS...

【专利技术属性】
技术研发人员：周风余，吴国鹏，田天，徐法格，陈宏兴，单文松，朱瑞，姜志飞，
申请(专利权)人：山东大学，
类型：发明
国别省市：山东;37