一種可輸出表情的智慧機器人的製作方法
2023-06-06 11:58:11
本實用新型涉及機器人領域，具體說涉及一種可輸出表情的智慧機器人。
背景技術：
現有的小型機器人在問答過程中，僅能憑藉語言方面與用戶互動，而很難向用戶傳達豐富的表情輸出指令。
進一步的，現有的機器人動作表達一般通過電機實現。為了完成一套豐富的動作，通常需要複雜的機械結構設計與較多的執行器(電機)數目。然而，由於小型智慧機器人在智能化程度、空間體積與續航時間上有較高的要求。因此小型機器人受到結構空間與成本的限制，很難容納過多的電機。這就使得現有的小型智慧機器人在動作表達上也無法達到真正展示表情輸出指令的目的。
因此，為了向用戶傳達豐富的表情輸出指令，需要一種能更好的輸出表情的智慧機器人。
技術實現要素：
為了向用戶傳達豐富的表情輸出指令，本實用新型提出了一種可輸出表情的智慧機器人，所述機器人包括生成並輸出表情輸出指令的主機以及與所述主機連接的從機，所述從機包括：
接收所述表情輸出指令的主從通信單元，所述主從通信單元與所述主機連接；
存儲有包含機器人表情元素的表情庫的存儲晶片；
基於所述表情輸出指令提取所述機器人表情元素的從機控制晶片，所述從機控制晶片連接到所述主從通信單元以及所述存儲晶片；
所述機器人還包括顯示所述機器人表情元素的顯示裝置，所述顯示裝置連接到所述從機控制晶片。
在一實施例中，所述從機配置為令當前顯示的所述機器人表情元素與所述機器人當前輸出的其他多模態輸出匹配。
在一實施例中，所述從機還配置為採用通用串行接口與所述主機進行數據傳輸。
在一實施例中，所述從機還配置為採用直接內存存取方式從所述表情庫中提取所述機器人表情元素。
在一實施例中，所述顯示裝置為液晶顯示屏，所述從機還配置為採用直接內存存取方式將所述機器人表情元素傳輸到所述顯示裝置。
相較於現有技術，本實用新型的系統架構簡潔，實現難度和成本都很低。根據本實用新型的系統輸出的表情更加複雜，表情表現效果更好，機器人的用戶體驗得到大大提高。
本實用新型的其它特徵或優點將在隨後的說明書中闡述。並且，本實用新型的部分特徵或優點將通過說明書而變得顯而易見，或者通過實施本實用新型而被了解。本實用新型的目的和部分優點可通過在說明書、權利要求書以及附圖中所特別指出的步驟來實現或獲得。
附圖說明
附圖用來提供對本實用新型的進一步理解，並且構成說明書的一部分，與本實用新型的實施例共同用於解釋本實用新型，並不構成對本實用新型的限制。在附圖中：
圖1是根據本實用新型一實施例機器人結構簡圖；
圖2是根據本實用新型一實施例硬體布局簡圖；
圖3是根據本實用新型一實施例的部分硬體結構接口布線圖。
具體實施方式
以下將結合附圖及實施例來詳細說明本實用新型的實施方式，藉此本實用新型的實施人員可以充分理解本實用新型如何應用技術手段來解決技術問題，並達成技術效果的實現過程並依據上述實現過程具體實施本實用新型。需要說明的是，只要不構成衝突，本實用新型中的各個實施例以及各實施例中的各個特徵可以相互結合，所形成的技術方案均在本實用新型的保護範圍之內。
現有的小型機器人在問答過程中，僅能憑藉語言方面與用戶互動，而很難向用戶傳達豐富的表情輸出指令。
進一步的，現有的機器人動作表達一般通過電機實現。為了完成一套豐富的動作，通常需要複雜的機械結構設計與較多的執行器(電機)數目。然而，由於小型智慧機器人在智能化程度、空間體積與續航時間上有較高的要求。因此小型機器人受到結構空間與成本的限制，很難容納過多的電機。這就使得現有的小型智慧機器人在動作表達上也無法達到真正展示表情輸出指令的目的。
為了向用戶傳達豐富的表情輸出指令，本實用新型提出了一種智慧機器人。在根據本實用新型的一實施例中，構造包含多個不同的機器人表情元素的表情庫(具體的，表情元素包含靜態圖片、動態圖片以及視頻等多種不同的媒體形式中的一種或多種的組合)。在機器人進行交互的過程中，機器人的主機根據當前的交互環境、交互輸入等數據判斷是否需要進行表情輸出。當需要表情輸出時，主機生成需要輸出的表情所對應的表情輸出指令並將表情輸出指令輸出到從機。
從機接收到表情輸出指令後解析表情輸出指令，然後根據解析結果從預先構造的表情庫中提取與表情輸出指令匹配的表情元素。最後，根據提取出的表情元素進行顯示以完成表情輸出。具體的，從機包含顯示裝置，從機根據提取出的表情元素生成顯示指令，以顯示指令控制顯示裝置進行相應的顯示。
以一具體應用場景為例，例如，構造包含微笑圖片、哭泣圖片的表情庫。當與用戶交互時機器人的主機判斷當前需要向用戶微笑時將包含微笑輸出指令的表情輸出指令發送到從機。從機解析表情輸出指令從而獲取微笑輸出指令，然後基於微笑輸出指令從表情庫中提取出微笑圖片。最後從機控制顯示裝置將微笑圖片顯示給用戶從而完成表情輸出。
基於上述流程，本實用新型提出了一種可輸出表情的智慧機器人。在本實用新型一實施例中，如圖1所示，機器人至少包含主機200以及從機210。
機器人主機200配置為判斷是否需要進行表情輸出，當需要進行表情輸出時，主機200根據當前需要展現的機器人表情生成相應的表情輸出指令並輸出給從機210。
從機210配置為從機器人主機200處獲取表情輸出指令，當從機210接收到表情輸出指令時解析表情輸出指令並從表情庫中提取與表情輸出指令匹配的機器人表情元素，以及控制顯示裝置顯示提取出的與所述表情輸出指令匹配的機器人表情元素，表情庫包含多個不同的機器人表情元素，機器人表情元素包括靜態圖片、動態圖片和/或視頻。
進一步的，在本實用新型一實施例中，為了方便布線與安裝，縮小系統體積，將表情庫集成在從機上。如圖2所示，從機主控板300上集成有主從通信單元301、從機控制晶片302以及存儲晶片303。
存儲晶片303用於存儲機器人表情元素以構成表情庫。從機控制晶片302用於數據處理，主從通信單元301用於實現從機控制晶片302與機器人主機之間的通信。主從通信單元310接收來自機器人主機的表情輸出指令321並將其轉發給從機控制晶片302。
具體的，在本實用新型一實施例中，從機主控板300基於STM32主控電路構造。從機控制晶片302基於STM32主控晶片(MCU)構造，存儲晶片303基於快閃記憶體(Flash)W25Q80/16/32構造。對應STM32主控晶片，STM32主控電路中還構造有晶振與復位電路、電源管電路、通信接口、JLINK程序下載接口。
上述結構中，STM32主控晶片是意法半導體公司(ST，世界幾大半導體公司之一)推出的微控制器類產品，基於ARM公司推出的32位Cortex-M系列內核。快閃記憶體(Flash)W25Q80(8M-bit)，W25Q16(16M-bit)和W25Q32(32M-bit)是小空間低功耗的串行Flash存儲器。
進一步的，由於串行通信設備(USART)通信只需要2根線(發送數據線、接收數據線)，具有成本低傳輸速度快的特點。因此在本實用新型一實施例中，機器人從機與機器人主機之間的通信基於USART實現。也就是說，圖3中的主從通信單元301為串行通信設備(USART)。
在本實用新型一實施例中，表情庫可以是預先寫入到存儲晶片中，然後再組裝構造完成從機。但是為了提高系統的靈活性，在本實用新型一實施例中，採用了可隨時擴充的表情庫的設計。即，可以從從機外部向從機輸入新的表情元素(開發者自定義的表情元素)，從機將外部輸入的表情元素保存在表情庫中以擴展表情庫。
具體的，以圖2所示實施例為例。主從通信單元301還具有接收表情元素輸入的功能。具體的，在構造表情庫的過程中，由外部通過主從通信單元301向從機控制晶片302傳輸新的表情元素(開發者自定義的表情元素322)，然後從機控制晶片302將新的表情元素寫入存儲晶片303中。
在本實用新型一實施例中，在使用表情庫之前，從機首先判斷是否需要更新表情庫(步驟S400)(當前是否存在表情庫更新指令)。如果不需要更新表情庫，則說明表情庫準備就緒，可以使用。
如果需要更新表情庫，則通信接口(USART)等待外部輸入新的表情元素。接下來，外部將新的表情元素輸入，通信接口接收新的表情元素，從機將接收到的表情元素寫入表情庫中(存儲到存儲晶片中)。
從機接下來判斷表情元素的寫入是否完成(表情庫的更新是否完成，是否需要繼續寫入新的表情元素)，如果寫入完成，則表情庫準備就緒，可以使用。如果寫入未完成，則返回繼續寫入新的表情元素。
這裡需要指明的是，上述更新表情庫的步驟不僅僅限於寫入新的表情元素，也包含舊的表情元素的刪除以及替換。從機根據具體的更新命令判斷：將新的表情元素寫入空白存儲空間以擴展表情庫，寫入原有的舊錶情元素存儲位置以替換舊的表情元素，或是將空白數據寫入原有的舊錶情元素存儲位置以刪除舊錶情元素。
進一步的，在本實施例中，在每次開機(從機啟動)時都需要檢查表情庫是否就緒(判斷是否需要更新表情庫)。進一步的，在從機運行過程中，如果接收到外部輸入的表情庫更新指令，則直接進入表情庫更新流程。
這裡需要注意的是，在本實用新型一實施例中，開發者可以使用獨立的輸入設備直接接入主從通信單元301輸入新的表情元素(表情元素更新指令)，也可以利用機器人主機的相關接口，通過機器人主機向主從通信單元301輸入新的表情元素(表情元素更新指令)。
基於上述結構功能設計，開發者可以自定義豐富的機器人表情圖案。選用W25Q16存儲晶片，則可存儲約170張圖片，選用W25Q128存儲晶片，則可存儲約1360張圖片。
進一步的，在本實用新型一實施例中，在從機啟動過程中不僅要檢查表情庫是否就緒，還進行開機顯示。也就是說，在從機剛剛啟動時，即使機器人主機並沒有發送過來表情輸出指令，從機也會自動進行預設的開機表情顯示。
具體的，當機器人系統啟動時啟動機器人的主機以及從機。當機器人的主機被啟動後檢查主機是否就緒，如果沒有，則繼續進行主機的啟動。如果主機就緒則通知從機。
當從機啟動後，且接收到主機的就緒通知後檢查從機是否就緒(是否需要更新表情庫)，如果沒有，則繼續進行從機的啟動(表情庫的更新)。如果從機就緒，則判斷當前是否存在來自主機的表情輸出指令(是否需要進行表情輸出)。如果存在表情輸出指令，則顯示與表情輸出指令匹配的表情。如果不存在表情輸出指令，則自動按照預設方案調用表情庫中的相關表情元素，進行開機表情的顯示。
在本實用新型中，從機提取出與表情輸出指令匹配的表情元素後控制顯示裝置顯示錶情元素。具體的，在本實用新型一實施例中，顯示裝置為液晶顯示屏。
進一步的，機器人豐富的表情展現難以通過LED點陣的方式展示出來，普通的LED點陣像素較低，顏色單一，電路板面積較大，大大限制了機器人傳達情感的能力，因此不適合在小型智慧機器人系統上應用。因此在本實用新型一實施例中，顯示裝置為液晶顯示屏為OLED彩屏，OLED技術是有機發光顯示技術。當有電荷通過時這些有機材料就會發光。OLED發光的顏色取決於有機發光層的材料。OLED具備有構造簡單、自發光不需背光源、對比度高、厚度薄、視角廣、反應速度快等優點，基於OLED可以大大提高表情顯示的效果。
進一步的，為了節省成本，降低數據處理量，在本實用新型一實施例中，儘可能的減小表情元素的數據量以及顯示面積。考慮到機器人的表情展示中最重要是眼睛表情的表達，大部分的人類表情都可以利用眼部變化來表現，因此本實用新型一實施例中的顯示裝置為構造成雙眼的液晶顯示屏(左眼液晶顯示以及右眼液晶顯示，如圖2所示的液晶顯示屏311以及312)。
進一步的，作為機器人雙眼中任意一個眼睛的OLED彩屏的PCB如圖3所示，PCB上具有7個引腳接口。該OLED彩屏板可以方便地安裝在小型機器人的頭部，作為機器人的雙眼展示表情。
進一步的，考慮到基於本實用新型的機器人具有多模態的交互輸出功能(除表情輸出以外還具有語音輸出動作輸出等輸出)，機器人各個模態的輸出要相互匹配。也就是說，在輸出時機(輸出時間節點)上，各個模態的交互輸出要相互配合。例如，在做出大笑表情的同時需要輸出笑聲。
因此，在本實用新型一實施例中，從機還配置為顯示與機器人當前輸出的其他多模態輸出匹配的機器人表情元素。即，由機器人從機的顯示裝置顯示機器人表情元素，其中，當前正在顯示的機器人表情元素與機器人當前輸出的其他多模態輸出匹配。
具體的，機器人主機向機器人從機輸出的表情輸出指令中包含表情輸出指令的輸出時間節點信息。機器人從機根據輸出時間節點信息顯示錶情元素。進一步的，在本實用新型一實施例中，機器人主機僅向機器人從機輸出當前需要顯示的表情輸出指令(需要立即顯示的表情輸出指令)。機器人從機在接收到表情輸出指令後立即進行相關的表情元素的提取以及顯示，從而保證顯示的表情元素與機器人當前輸出的其它模態的交互輸出匹配。
直接存儲器存取(DMA)方式是用來提供在外設和存儲器之間或者存儲器和存儲器之間的高速數據傳輸方式。其具有快速，節省CPU資源的特點。為了快速顯示錶情元素，確保顯示的表情元素與機器人當前輸出的其它模態的交互輸出匹配，在本實用新型一實施例中，採用直接內存存取(DMA)方式將機器人表情元素傳輸到從機的顯示裝置。即從機配置為採用直接內存存取方式將機器人表情元素傳輸到顯示裝置。
進一步的，採用DMA傳輸，OLED的刷屏速度可以達到每秒50副圖像，遠遠高於人的肉眼識別的速度，不僅能夠實現多圖快速切換，顯示動態圖片，而且能夠十分流暢自然的進行視頻顯示。這樣就能顯示出流暢自然的動態表情變化從而大大提高了表情輸出的顯示效果，極大提高了機器人情緒表達能力。
配合傳輸到顯示裝置時的DMA傳輸，表情元素從表情庫中的提取也採用DMA傳輸，採用直接內存存取方式從表情庫中提取與表情輸出指令匹配的機器人表情元素。即，從機配置為採用直接內存存取方式從表情庫中提取所述機器人表情元素。
串行(SPI)接口是外圍設備接口。SPI接口主要應用在EEPROM，FLASH等電子器件之間，具有接口少，PCB布局節省空間的特點。因此，在本實用新型一實施例中，機器人從機控制晶片與表情庫(存儲晶片)之間，從機控制晶片與液晶顯示屏之間均採用串行(SPI)接口。
綜上，在本實用新型一實施例中，在從機開始運行後，從機控制晶片STM32主控晶片處於等待狀態，等待來自主從通信單元(USART)的指令。STM32主控晶片檢測USART是否接收到表情輸出指令，沒有接收到就繼續等待。當接收到表情輸出指令則解析表情輸出指令，生成相應的存儲晶片讀寫信號(S730)。然後使用存儲晶片讀寫信號從表情庫(存儲晶片303，快閃記憶體(Flash)W25Q80/16/32)中提取相應的表情元素。
接下來，STM32主控晶片基於提取到的表情元素生成液晶顯示控制信號(顯示指令)，並利用液晶顯示控制信號驅動液晶顯示屏進行表情顯示。
綜上，根據本實用新型的智慧機器人，可以實現機器人表情輸出。本實用新型的系統架構簡單，實現難度和成本都很低。相較於現有技術，根據本實用新型的系統輸出的表情更加複雜，表情表現效果更好，機器人的用戶體驗得到大大提高。
以上所描述的系統實施例僅僅是示意性的，其中所述作為分離部件說明的單元可以是或者也可以不是物理上分開的，作為單元顯示的部件可以是或者也可以不是物理單元，即可以位於一個地方，或者也可以分布到多個網絡單元上。可以根據實際的需要選擇其中的部分或者全部模塊來實現本實施例方案的目的。本領域普通技術人員在不付出創造性勞動的情況下，即可以理解並實施。
雖然本實用新型所公開的實施方式如上，但所述的內容只是為了便於理解本實用新型而採用的實施方式，並非用以限定本實用新型。本實用新型所述的系統還可有其他多種實施例。在不背離本實用新型實質的情況下，熟悉本領域的技術人員當可根據本實用新型作出各種相應的改變或變形，但這些相應的改變或變形都應屬於本實用新型的權利要求的保護範圍。