[发明专利]基于蓝牙mesh的机器人学习和协作系统

权利要求书

1.基于蓝牙mesh的机器人学习和协作系统，包括可编程的操作端和若干个机器人；其特征在于，在每个机器人上都设有机端控制模块和与机端控制模块相连接的学习模块、协同模块和机端蓝牙mesh模块；所述操作端至少能和一个机器人上的机端蓝牙mesh模块无线连接；任意两个机器人之间都能通过各自的机端蓝牙mesh模块进行相互信息传递无线连接；若干个机器人组成一个机器人群，从而将操作端和机器人群共同组成一个能相互通信并能相互传递信息的mesh网络；

操作端包括若干个积木，在每个积木上都分别设有能将任意两个积木进行两两相互可分开式固定对接连接在一起的固定连接机构和能将任意两个积木进行两两相互可分开式数据线对接连接在一起的数据传输接口；在若干个积木中包括一个主控积木、若干个指令积木和若干个参数积木；在主控积木上分别设有主控模块和木端蓝牙mesh模块，木端蓝牙mesh模块和设置在主控积木上的数据传输接口分别与主控模块连接；在每个指令积木上分别设有指令模块，设置在同一个指令积木上的数据传输接口和指令模块连接；在每个参数积木上分别设有参数模块，设置在同一个参数积木上的数据传输接口和参数模块连接；主控积木上的木端蓝牙mesh模块至少能和一个机器人上的机端蓝牙mesh模块无线连接；从而将主控积木和机器人群共同组成一个能相互通信并能相互传递信息的mesh网络；

操作端还包括电脑，所述电脑至少能和一个机器人上的机端蓝牙mesh模块无线连接；所述电脑还能和所述主控积木上的木端蓝牙mesh模块无线连接；从而将电脑、主控积木和机器人群共同组成一个能相互通信并能相互传递信息的mesh网络；

所述电脑包括iPad；

若干个指令积木则有若干个指令模块，并且这若干个指令模块为基础指令集；基础指令集包括执行函数指令、循环控制指令、逻辑判断指令和基本动作指令；若干个参数积木则有若干个参数模块，并且这若干个参数模块是为基础指令集提供指令参数的辅助指令集；所述辅助指令集包括用于执行函数指令的函数名、可调节数字模块、可调节角度模块和可调节是否模块；

固定连接机构包括能相互磁性吸住的若干个磁铁；在积木的每个壁面内都分别嵌入有至少一个磁铁；两个积木之间通过设置在这两个积木对应壁面内的磁铁磁性吸住后固定对接连接在一起；

数据传输接口包括若干个插座和与插座匹配的插头，在每个积木的至少一个壁面上设置有插座，在每个积木的至少一个壁面上设置有插头，并且在同一个积木上的插头和插座不在该积木的同一个壁面上；设置在主控积木上的插头和插座分别与设置在该主控积木上的主控模块连接；设置在同一个指令积木上的插头和插座分别与设置在该个指令积木上的指令模块连接；设置在同一个参数积木上的插头和插座分别与设置在该个参数积木上的参数模块连接；

在积木内设有木腔，在木腔内设有与该积木上的插头个数相等的支点和与支点个数相等的拉绳，在每个支点上分别设有杠杆；在支点左方的木腔内设有一号定滑轮，在支点右方的木腔内设有二号定滑轮；在插头处的积木内设有与木腔相连通的头滑孔，插头滑动连接在头滑孔内，并在头滑孔内设有能将插头往头滑孔的木腔端挤压的头挤压弹簧；在磁铁处的积木内设有与木腔相连通的磁滑孔，磁铁滑动设置在磁滑孔内，并在磁滑孔内设有能将磁铁往磁滑孔的木腔端挤压的磁挤压弹簧；杠杆的阻力臂端部滑动连接在插头的里端面上；拉绳的一端固定连接在杠杆的动力臂端部，拉绳的另一端依次经过二号定滑轮和一号定滑轮后固定连接在磁铁的里端面上；杠杆的动力臂长度大于杠杆的阻力臂长度；

杠杆的阻力臂端部设有滚轮，滚轮滑动连接在插头的里端面上；

在插孔内的上孔壁上向上设有与插头的金属插头个数相等的竖直孔，在每个竖直孔上方的积木内都分别设有与对应竖直孔相连通的水平孔；在每个水平孔内都分别设有能左右移动的右磁铁，在每个右磁铁的下表面上都设有从左往右朝下倾斜的挤压斜面，在每个右磁体右方的水平孔内都分别设有水平拉力弹簧，每根水平拉力弹簧的两端分别固定连接在对应右磁铁的右端面上和对应水平孔的右孔壁上；

在每个竖直孔内分别设有能上下滑动的绝缘竖直滑块，在每个绝缘竖直滑块上方的对应竖直孔内分别设有能上下滑动的竖直柱，在每个绝缘竖直滑块与对应竖直柱之间的对应竖直孔内分别活动设有竖直弹簧，每条竖直弹簧的上端固定连接在对应竖直柱的下表面上，每条竖直弹簧的下端分别固定连接在对应绝缘竖直滑块的上表面上；

在插孔的里端面上端分别设有与插头的金属插条个数相等且与金属插条一对一匹配对应的弹性导电金属片，每个弹性导电金属片的外端分别位于对应绝缘竖直滑块的正下方；弹性导电金属片导电连接在数据传输接口的数据传输线上；

在弹性导电金属片的外端设有开口朝上的圆弧段，并且弹性导电金属片的圆弧段外端位于绝缘竖直滑块的正下方；

在每个绝缘竖直滑块的下端面上设有下滚珠；在每个竖直柱的上端面上设有上滚珠；每个下滚珠分别压紧在对应弹性导电金属片的上表面外端，每个上滚珠分别压紧在对应右磁铁的挤压斜面上；

在头滑孔内的上孔壁上向上设有与水平孔个数相等且一对一匹配对应的装磁孔，在每个装磁孔内都分别设有能与对应右磁铁的磁力相吸的左磁铁；

在右磁铁的上表面上和右磁铁的下表面上都分别设有若干个滚动槽，在每个滚动槽内分别设有滚动轴；

右磁铁包括左段磁铁、中段磁铁和右段磁铁，左段磁铁的右端与中段磁铁的左端一体连接，右段磁铁的左端与中段磁铁的右端一体连接，挤压斜面设置在中段磁铁的下表面上；在右磁铁右方的水平孔内设有限位块；

当插头的金属插条插入连接在插座的插孔内后，右磁铁受到左磁铁的磁力吸引，右磁铁在水平孔内向左移动，挤压斜面挤压上滚珠向下移动，使得竖直柱向下移动，竖直柱向下移动的结果就会让绝缘竖直滑块向下移动，使得下滚珠向下移动，使得下滚珠压紧在弹性导电金属片的上表面外端，让弹性导电金属片的下表面压紧导电连接在插头的金属插条上，使得金属插条与数据传输接口的数据传输线之间导通，使得两个积木之间的数据传输更加稳定可靠；当插头的金属插条从插座的插孔内退出后，右磁铁在水平拉力弹簧的拉力作用下向右移动，下滚珠的弹性导电金属片向上的弹力作用下向上移动；使得上滚珠向上移动来降低下滚珠压在弹性导电金属片上的压力；

系统还包括闯关板、闯关图、可移动软磁片和可移动磁性障碍；在每个机器人上还设有分别与机端控制模块相连接的行动模块、声音模块、发光模块、摄像头模块、巡线模块和传感器模块；

在机器人上设有扩展模块、机端控制模块、以及分别与机端控制模块相连接的机端蓝牙mesh模块、行动模块、声音模块、发光模块、摄像头模块和巡线模块；机端控制模块、机端蓝牙mesh模块、行动模块、声音模块、发光模块、摄像头模块和巡线模块都封装在机器人内；在机器人上设有两个分别与机端控制模块连接的标准接口；扩展模块包括传感器模块和语音识别模块，传感器模块通过一个标准接口与机端控制模块连接，语音识别模块通过另一个标准接口与机端控制模块连接；

用花朵代表寻找物，则机器人每闯过一关，机器人就需要按照预定的路线走；而机器人只有按照设定的路线走才能找到预先设定的花朵；当机器人走错路线时，机器人就不能找到设定的花朵，通过判断机器人是否能够找到设定的花朵就能确定机器人是否走错路线；

所述基本动作指令包括能让机器人执行基本动作的机器人基本动作指令，所述机器人基本动作指令包括前进指令、后退指令、左转指令、右转指令、转圈指令、发声指令、闪光指令、前倾斜指令、后倾斜指令、左倾斜指令、右倾斜指令、抬起指令和放下指令；

行动模块能根据指令模块的指令让机器人进行各种基本动作；

机器人通过设置在机器人上的机端蓝牙mesh模块与主控积木上的木端蓝牙mesh模块无线连接；机器人上的机端控制模块与设置在该机器人上的机端蓝牙mesh模块连接；机器人上的声音模块、发光模块、传感器模块、扩展模块和行动模块分别与机器人上的机端控制模块连接；

蓝牙mesh组网的流程以及iPad设置协同任务的流程如下；

iPad以及各个机器人在主控模块启动后，都会去启动蓝牙mesh模块，加入mesh网络中，

iPad上通过界面设置协同任务，即将自定义的或者系统自带的动作集，与系统设定好的协同任务进行关联；

一个机器人在收到iPad发布的协同任务设置后，将动作集与协同任务关联关系进行存储，并将设置继续传递给下一个节点的另一个机器人；

另一个机器人在收到iPad发布的协同任务设置后，将动作集与协同任务关联关系进行存储，如果还有下一个节点，则继续传递；

机器人自学习过程与分布式管理完成协同任务的流程如下：

iPad发送动作集的指令给一个机器人之前已通过任务设定流程与协同任务进行了关联；

这个机器人执行动作集，并开始广播动作集的指令；

其余机器人在收到动作集的广播指令后，存储该动作集指令，并开始跟随这个机器人完成同样的动作，以表示接收并同意；

iPad广播触发协同任务的指令，所有执行动作集的机器人开始协同完成任务，

执行过程中，机器人发送给iPad反馈信息，iPad展示协同任务完成情况；

闯关板的闯关策略如下：

8.1、闯关板将虚拟的闯关移到现实当中，每闯过一关，机器人要找到预先设定的花朵，就需要按照预定的路线走；

8.2、闯关图就是已经画好的路线图，用画好的路线图代表预设好的闯关；

8.3、孩子需要根据路线图，设计程序，搭建指令积木，并执行程序；

8.4、机器人上的巡线模块会检查机器人是否在预定的路线上行进，如果偏离路线，则发送消息给机端控制模块，声音模块提示程序设计错误；

8.5、当机器人到达目的地，巡线模块发送消息给机端控制模块，声音模块发出成功闯关的欢呼声；

8.6、自由设定关卡：

8.6.1、孩子能在空的背景图上自由设定关卡；用可移动软磁片吸附在闯关板上，设定路线；

8.6.2、起始点和目的地都要用不同颜色的可移动软磁片表示；

8.6.3、设定关卡后，孩子设定程序，搭建指令积木，并执行程序；

8.6.4、机器人上的巡线模块会检查机器人是否在路线上行进，如果偏离路线，则发送消息给机端控制模块，声音模块提示程序设计错误；

8.6.5、当机器人到达目的地后，巡线模块发送消息给机端控制模块，声音模块发出成功闯关的欢呼声；

8.7、可移动磁性障碍：

若传感器模块检测到障碍，则根据程序执行转弯或者后退；当自由设定关卡时，则利用可移动磁性障碍，在闯关板上自由设置障碍；并通过传感器模块的全局变量，设定程序；

则机器人每闯过一关，机器人就需要按照预定的路线走；而机器人只有按照设定的路线走才能找到预先设定的花朵；当机器人走错路线时，机器人就不能找到设定的花朵，通过判断机器人是否能够找到设定的花朵就能确定机器人是否走错路线；

闯关板的闯关过程如下：

9.1、在闯关板上吸附上闯关图；

9.2、开启机器人，将机器人放在闯关图的起始点上；

9.3、搭建指令积木，并点击按钮，指令积木通过机端蓝牙mesh模块传送指令给机器人；

9.4、机器人收到指令，开始执行指令；

9.5、巡线模块始终监视机器人的行走路线是否在预设的路线上，如果偏离路线，则通知机端控制模块，发出报错的语音；

9.6、如果机器人按照预设的路线行走，机器人到达终点后，巡线模块通知机端控制模块，声音模块发出成功的语音；

9.7、当自由设置关卡时，闯关图上没有预设的路线，由孩子将起点、终点和行驶路线的磁片吸附在闯关板上，其余流程同前；

9.8、在自由设置障碍时，孩子将可移动磁性障碍吸附在闯关板上，其余流程同前；

若干指令模块：为基础指令集，包括执行函数指令、循环控制指令、逻辑判断指令、基本动作指令；

指令模块的主要功能：存储自身的指令关键字，供主控模块识别；读取参数模块，将参数加入自身的指令；收集下方的指令，加入自身的指令，上传；读取当前正在执行的指令ID，如果符合自身ID，则高亮LED灯；

若干参数模块：辅助基础指令，提供指令参数，包括函数名、可调节数字模块、可调节角度模块、可调节是否模块；

参数模块的主要功能：可调节参数数值，包括数字、角度、TRUE/FALSE；可调节关系包括等于、大于、小于、大于等于、小于等于；

承载函数名，用于定义和执行自定义函数；

指令模块的核心芯片为Attiny85，用于接收输入指令，处理输入指令，并返回输出指令；

当”结束”积木上的开关被触发时，结束指令开始向上传递指令；收到下方的指令集后，当前指令积木会询问参数模块；如果后面吸附着参数模块，参数模块会返回当前设定的参数值，如果参数模块后面还吸附着其他的参数模块，参数模块会继续向后询问；当前指令积木收到参数模块返回后，将自己存储的指令和参数组成完整的指令，加入从下方收到的指令集，组成新的指令集，向上传递；开始模块收到了全部指令集后，加入开始模块自身的指令，通过磁吸弹针将完整的指令集传递给主控模块；

参数模块的核心芯片也是Attiny85，主要功能就是读取电位器的电压值，通过ADC转换成预设的枚举值，有数值的选择，有角度的选择，有是否的选择，也有运算符号的选择；

指令积木控制机器人的流程为：

主控积木的主控模块启动后，通过蓝牙模块，搜索机器人和iPad，主控模块作为蓝牙主机，机器人和iPad作为蓝牙外设，机器人和iPad随时启动，随时蓝牙连接成功；

孩子开始根据自己的意愿或课程要求，自行设计程序，添加指令模块和参数模块，参数模块上的数字、角度、是否，可随意调整，参数模块还包含针对传感器状态的判断；

完成指令模块和参数模块的搭建后，打开开关，完成指令；主控模块将指令通过蓝牙同步给iPad；

系统还包括自定义函数模块；

自定义函数模块需要：

主控模块：用于读取函数定义，并写入函数定义文件；

定义模块：承载函数定义的关键字；

函数模块：承载函数名，硬件同参数模块；

指令模块：用于搭建完成定义函数功能的各个指令；

参数模块：用于搭建完成定义函数功能的指令参数；

自定义函数模块的流程为：

指令积木主控模块启动；

将开始模块改为定义模块，后面添加函数模块，函数模块用于承载函数名；

添加该函数功能所需的指令模块和参数模块；

主控模块收到指令后，判断是否为函数定义，如果是函数定义，则将该函数定义的指令存储到定义文件里；

函数定义以JSON串的格式存储到文件中；

系统还包括执行函数模块；

执行函数模块需要：

主控模块：用于蓝牙通信，读取指令，解析指令，执行程序；

执行模块：用于触发自定义函数的执行；

函数模块：承载函数名；

指令模块：用于搭建编程的各个指令；

参数模块：用于搭建编程的指令参数；

执行函数模块的流程为；

主控积木的主控模块启动；

添加执行模块和函数模块；

添加其他需要的指令模块和参数模块；

确认完成指令搭建；

主控模块收到指令后，判断是否有执行模块，如果有，则读取函数定义文件，将函数定义的指令加入到要执行的指令集中；

主控模块解析指令，执行程序。