Обучающий робот-ассистент

МПК14 G09B 21/00

(54) ОБУЧАЮЩИЙ РОБОТ-АССИСТЕНТ

Реферат

(57) Полезная модель относится к области обучения или общения со слепыми, глухими или немыми, в частности к специальным средствам обучения и может быть использована в коррекционной педагогике и восстановительной медицине. Полезная модель направлена на расширение функциональных возможностей обучающего робота-ассистента за счет обеспечения помощи лицу с ограниченными возможностями по установлению связи между словом, обозначающим тот или иной предмет и тактильными ощущениями обучаемого. Обучающий робот-ассистент содержит, по крайней мере, один датчик и вычислительный блок, включающий блок управления и блок памяти, речевой анализатор, узел технического зрения с телекамерой и устройством обработки видеосигнала. В качестве датчика использован датчик перемещения, вычислительный блок выполнен в виде компьютера, размещенного в корпусе робота, а устройство обработки видеосигнала выполнено в виде блока формирования контурного изображения, связанного с видеовыходом телекамеры, и блока расчета перемещения, вход которого связан с датчиком перемещения.1 илл..

Полезная модель относится к области обучения или общения со слепыми, глухими или немыми, в частности к специальным средствам обучения и может быть использована в коррекционной педагогике и восстановительной медицине.

Известен способ коррекции развития сенсорных систем у детей (патент РФ 2412727), заключающийся в том, что осуществляют стимуляцию системы зрительного восприятия, системы слухового восприятия и системы тактильного восприятия ребенка в периферических зонах. При этом связывают различные сенсорные стимулы в точках пространства относительно тела ребенка путем перемещения специалиста относительно сагиттальной плоскости тела ребенка. Затем формируют фронтальное сенсорное направление восприятия ребенка, как приоритетное. Стимулирование системы зрительного восприятия включает стимулирование быстрыми движениями рук специалиста при встраивании в собственную двигательную активность ребенка. Стимуляцию системы слухового восприятия осуществляют звуками, включающими шуршание пальцев, хлопками в ладони, голосом, а также звуками музыкальных инструментов. Стимулирование системы тактильного восприятия осуществляют путем нажатий пальцами в направлении от проксимальных отделов к дистальным и в обратном направлении. Способ расширяет арсенал средств для коррекции развития ребенка с аутизмом.

Недостатком известного способа заключается в необходимости активного участия специалиста при осуществлении сенсорного воздействия.

Известно устройство для обучения человека, содержащее носитель информации с нанесенными на его поверхности визуально воспринимаемыми элементами информации и кнопочными переключателями, размещенными рядом с элементами информации, средства сигнализации, таймер, блок памяти (патент Франции 2140923).

Недостатком известного устройства является невозможность его использования для обучения людей с дефектами зрения.

Известно также устройство для обучения человека, выбранное в качестве прототипа (патент РФ 2084963), содержащее носитель информации с органолептически воспринимаемыми элементами информации, снабженными одним или несколькими органолептически невоспринимаемыми сенсорами, связанными со звуковым генератором, размещенным в теле носителя информации. Устройство снабжено датчиками и вычислительным блоком, включающим блок управления и блок памяти.

Использование устройства заключается в том, что обучаемому предлагается носитель информации, содержащий элементы информации, содержание которых должно быть усвоено обучаемым. В зависимости от возраста, целей обучения, состояния здоровья и развития обучаемого могут быть использованы различные носители информации с различными элементами информации.

Недостатком данного устройства является то, что носитель информации должен быть специальным образом подготовлен.

В основу полезной модели положена задача использования для обучения неподготовленного носителя информации, т.е. фактически любого предмета используемого в быту.

Технический результат заключается в уменьшении времени подготовки носителя информации (предмета), используемого в процессе обучения, т.е. установления связи у обучаемого между словом-командой, обозначающим тот или иной предмет и тактильными ощущениями обучаемого.

Технический результат достигается тем, что робот-ассистент, содержащий, по крайней мере, один датчик и вычислительный блок, включающий блок управления и блок памяти, согласно полезной модели, снабжен речевым анализатором, выполненным с возможностью распознавания слов-команд, поступающих от обучаемого и перевода их в цифровой код с формированием визуального образа, соответствующего тому или иному слову-команде, выход которого связан с вычислительным блоком, узлом технического зрения с телекамерой и устройством обработки видеосигнала, а также рукой-манипулятором, управляемой вычислительным блоком и предназначенной для передачи обучаемому предмета, соответствующего слову-команде, при этом в качестве датчика использован датчик перемещения робота, а устройство обработки видеосигнала узла технического зрения выполнено в виде блока формирования контурного изображения, связанного с видеовыходом телекамеры, и блока расчета перемещения робота, вход которого связан с выходом датчика перемещения робота, причем узел технического зрения информационно связан с вычислительным блоком, выполненным в виде компьютера, размещенного в корпусе робота.

Назначение обучающего робота-ассистента заключается в помощи лицу с ограниченными возможностями по установлению связи между словом, обозначающим тот или иной предмет и тактильными ощущениями обучаемого. Робот по команде, например, слепого человека передает последнему озвученный предмет. Слепой человек его ощупывает, у него создается некий тактильный образ данного предмета и появляется ассоциативная связь между названием предмета и его тактильным образом.

Использование полезной модели обеспечивает эффективное обучение человека без участия обучающего.

Существо полезной модели будет понятно из последующего подробного пояснения на примере конкретной реализации со ссылкой на чертеж, где показана блок-схема обучающего робота-ассистента.

Обучающий робот-ассистент содержит, по крайней мере, один датчик 1 и вычислительный блок 2, включающий блок управления и блок памяти (на чертеже не показаны), речевой анализатор 3, узел 4 технического зрения с телекамерой 5 и устройством 6 обработки видеосигнала. В качестве датчика 1 использован датчик перемещения, вычислительный блок 2 выполнен в виде компьютера, размещенного в корпусе робота (на чертеже не показан), а устройство 6 обработки видеосигнала выполнено в виде блока 7 формирования контурного изображения, связанного с видеовыходом телекамеры 5, и блока 8 расчета перемещения, вход которого связан с датчиком 1 перемещения. Выход речевого анализатора 3 связан с компьютером 2, который в свою очередь связан с узлом технического зрения.

Обучающий робот-ассистент снабжен рукой-манипулятором (на чертеже не показана). Конструктивное выполнение руки-манипулятора и технология управления ею известны из общего уровня техники и не являются предметом данной полезной модели.

Компьютер 2 робота представляет собой обычную электронно-вычислительную машину, выполняющую заложенный в нее алгоритм действия и хранящий в памяти требуемую информацию. Алгоритм и объем необходимой информации будут понятны из последующих пояснений.

Речевой анализатор 3 обеспечивает распознавание слов-команд и перевод их в цифровой код. Такие анализаторы известны из общего уровня техники. Анализатор обеспечивает также формирование визуального образа, соответствующего тому или иному слову или выражению, что также известно (см., например патент РФ 90251).

Блок 7 формирования контурного изображения представляет собой блок пространственного дифференцирования видеосигнала и сравнения результата дифференцирования с пороговым значением. Устройства, предназначенные для выделения контуров объектов на телевизионном изображении и работающие в реальном масштабе времени широко известны.

Известно также использование подобных устройств в системах технического зрения (см., например, патент РФ 2095756).

В случае выполнения нижней части обучающего робота-ассистента (устройства перемещения) в виде тележки, датчик 6 перемещения может быть выполнен в виде счетчика числа оборотов колеса данной тележки. Блок 8 расчета перемещения в данном случае выполняется в виде простого вычислителя, определяющего перемещение (S) робота согласно формуле:

S=N×R,

где N - число оборотов колеса тележки робота;

R - радиус колеса тележки робота.

В случае конструктивного исполнения обучающего робота-ассистента в виде робота шагающего типа, датчик 1 перемещения выполняется в виде счетчика шагов, а блок 8 выполняется в виде умножителя, производящего расчет перемещения робота умножением количество шагов на длину шага.

Обучающий робот-ассистент используется следующим образом.

В начальной позиции робот располагается рядом с обучаемым. Около обучаемого находится предметный стол, координаты которого заложены в память робота. Обучаемый, например, лицо имеющее дефект зрения, произносит слово, обозначающее предмет, находящийся в комнате. В речевом анализаторе 3 робота-ассистента осуществляется обработка слова-команды и перевод его в цифровой код. Далее, в зависимости от вида информации, загруженной в память компьютера 2, осуществляется непосредственное сравнение полученного цифрового кода с цифровыми кодами, находящимися в библиотеке цифровых кодов предметов компьютера 2, либо полученный цифровой код переводится в визуальный образ и осуществляется сравнение с образами библиотеки загруженных визуальных образов предметов. После идентификации предмета робот осуществляет сканирование окружающего пространства и поиск «заказанного» предмета в комнате.

Как уже указывалось, в блоке 7 формирования контурного изображения осуществляется выделение на изображении границ между объектами и фоном, формируется контурное изображение. Контурное изображение формируется путем пространственного дифференцирования видеосигнала и сравнения результата дифференцирования с порогом. Такой подход позволяет выделить граничные точки на изображении, т.е. точки, которые принадлежат границе между объектом и фоном.

Использование узла технического зрения, дополненного устройством обработки видеосигналов, которое выполнено в виде блока 7 формирования контурного изображения и блока 8 расчета перемещения обеспечивает автоматическое измерение расстояния до объектов, находящихся по ходу движения робота. Телекамера 5 закреплена впереди таким образом, что в поле зрения попадают объекты, возникающие по ходу движения. В каждый текущий момент времени (например, за каждый телевизионный кадр) на видеовыходе телекамеры 5 будет формироваться изображение, несущее информацию об объектах, находящихся по ходу движения. Телевизионный сигнал с видеовыхода поступает на вход блока 7 формирования контурного изображения. В блоке 7 осуществляется выделение на изображении границ между объектами и фоном, формируется контурное изображение. Контурное изображение формируется путем пространственного дифференцирования видеосигнала и сравнения результата дифференцирования с порогом.

Контурный рисунок с выхода блока 7 поступает на вход блока памяти компьютера 2 и записывается в него. Затем в блок памяти компьютера 2 поступает информация о длине пройденного пути с выхода блока 8 расчета перемещения. Контурное изображение из блока памяти считывается в процессор компьютера 2, в котором осуществляется анализ контурного изображения и измерение линейных размеров контурного рисунка объекта, находящегося в центре изображения. Затем через интервал времени t (кратный длительности телевизионного кадра) текущее телевизионное изображение с выхода телекамеры 5 при помощи блока 7 преобразуется в контурный рисунок и опять записывается в блок памяти компьютера 2. Затем туда же записываются показания о пройденном пути с выхода блока 8. Контурный рисунок с выхода блока 7 считывается в процессор компьютера 2, который осуществляет анализ изображений и измерение линейных размеров контурного изображения наблюдаемого объекта.

Вычисление расстояния до объекта в текущий момент времени осуществляется на основании известной формулы (см. например патент РФ 2095756:

D(t)=S(t)×N₀/(N(t)-N ₀),

где D(t) - расстояние до объекта;

S(t) - расстояние, на которое переместился робот;

N₀ - размер изображения объекта до перемещения робота;

N(t) - размер изображения объекта после перемещения робота.

Данное выражение описывает способ определения расстояния до неподвижного объекта при помощи одной телекамеры, на основании анализа размеров изображения объекта в плоскости изображения в моменты времени t₀ и t

Обнаружив «заказанный» предмет и определив расстояние до него, робот выдает звуковой сигнал о готовности выполнить задание. Далее робот перемещается к предмету, захватывает его и возвращается назад. Предмет помещается на предметный стол рядом с обучаемым. Обучаемый может приступать к изучению «заказанного» предмета.

При определении расстояния до объекта при помощи предложенного способа отпадает необходимость знать реальные линейные размеры и ориентацию объекта на наблюдаемой сцене.

Аналогичным образом определяется расстояние до предметов, с которыми проводятся манипуляции. В этом случае вместо линейных координат используются угловые координаты руки-манипулятора. Расчет перемещения ведется в полярных координатах. В этом случае в качестве координат используются угол , учитывающий поворот корпуса робота относительно его горизонтальной оси симметрии, угол , учитывающий наклон корпуса робота по отношению к вертикали, угол , учитывающий угловую координату между плечевой частью манипулятора (руки) робота и его корпусом, угол , учитывающий угловую координату между плечевой и локтевой частями манипулятора.

Использование узла технического зрения, дополненного устройством обработки видеосигналов, которое выполнено в виде блока 7 формирования контурного изображения и блока 8 расчета перемещения обеспечивает точное измерение расстояния до объектов, находящихся по ходу движения робота. Применение полярной системы координат (углы , , , ) для определения пространственного положения манипулятора робота позволит также точно определять положение касания без предварительного обучения робота.

Робот-ассистент, содержащий, по меньшей мере, один датчик и вычислительный блок, включающий блок управления и блок памяти, отличающийся тем, что снабжен речевым анализатором, выполненным с возможностью распознавания слов-команд, поступающих от обучаемого и перевода их в цифровой код с формированием визуального образа, соответствующего тому или иному слову-команде, выход которого связан с вычислительным блоком, узлом технического зрения с телекамерой и устройством обработки видеосигнала, а также рукой-манипулятором, управляемой вычислительным блоком и предназначенной для передачи обучаемому предмета, соответствующего слову-команде, при этом в качестве датчика использован датчик перемещения робота, а устройство обработки видеосигнала узла технического зрения выполнено в виде блока формирования контурного изображения, связанного с видеовыходом телекамеры, и блока расчета перемещения робота, вход которого связан с выходом датчика перемещения робота, причем узел технического зрения информационно связан с вычислительным блоком, выполненным в виде компьютера, размещенного в корпусе робота.

РИСУНКИ