Антропоморфный робот учебного процесса

МПК14 G09B 19/00

(54) АНТРОПОМОРФНЫЙ РОБОТ УЧЕБНОГО ПРОЦЕССА

Реферат

(57) Полезная модель относится к автоматизированным средствам обучения и может быть использована для обучения студентов и специалистов и проверки качества обучения. Полезная модель направлена на повышение производительности. Антропоморфный робот учебного процесса содержит интерфейс взаимодействия с обучаемым, компьютер со средством сравнения, телекамеру, датчик перемещения и устройство обработки видеосигнала, вход которого связан с телекамерой, а выход - с компьютером, причем устройство обработки видеосигнала выполнено в виде блока формирования контурного изображения и блока расчета перемещения, вход которого связан с датчиком перемещения.1 илл..

Полезная модель относится к автоматизированным средствам обучения и может быть использована для обучения студентов и специалистов и проверки качества обучения.

Известно устройство для обучения (патент РФ 130732), содержащее средства ввода информации, блок выбора заданий, средства отображения, блок памяти заданий, блоки приема и передачи, средство подтверждения завершения задания, блок памяти прецедентов и блоки сортировки. Качество обучения оценивается по количеству сделанных обучаемым шагов для правильного выполнения задания.

Недостатком устройства является жесткая программа проверки знаний обучаемых.

Известна система, реализующая способ автоматизированной подготовки и аттестации (патент РФ 2166211), содержащая, по меньшей мере, один проблемно-ориентированный программно-технический комплекс на базе интеллектуального интерфейса, поддерживающего в режиме диалога автоматизированные циклы обучения и контроля знаний обучающихся, информационные входы и выходы которого соединены со всеми элементами системы, функционирование которой основано на адаптируемых автоматизированных циклах обучения и контроля знаний с использованием формализованных знаний и опыта квалифицированных специалистов с применением текстово-графических процедур логики принятия решений специалистами.

Недостаток системы заключается в обязательном привлечении преподавателя при проведении аттестации обучаемых, что снижает производительность известной системы.

Известна компьютерная демонстрационная обучающая система (патент РФ 2251745), представляющая собой автоматическое устройство с антропоморфным действием, содержащее рабочее место с блоком коммутации и управления и персональным компьютером, рабочие места обучающихся с индивидуальными блоками коммутации и управления, взаимосвязанными локальной сетью с блоком коммутации и управления рабочего места преподавателя. Имеются также монитор с большим экраном и видеомагнитофон, включенный между персональным компьютером и монитором. Все блоки коммутации и управления выполнены с возможностью формирования и выдачи команд управления в локальную сеть в последовательном коде, блок коммутации и управления рабочего места преподавателя, подключенный к персональному компьютеру.

Недостаток технического решения заключается в отсутствии использования методов искусственного интеллекта при обеспечении творческого подхода к обучению и в недостаточной формализации педагогического процесса и механизмов взаимодействия обучаемых с компьютером.

В качестве прототипа принят многомодальный подвижный автомат информационного обслуживания (патент РФ на полезную модель 108172), представляющий собой антропоморфный робот. Робот содержит интерфейс взаимодействия с пользователем, управляющий компьютер, телекамеру, датчик движения, устройство обработки видеосигнала и расчета перемещения.

Недостатком данного устройства является невозможность его использования в учебном процессе для проверки знаний учащихся.

В некоторых дисциплинах, например в области компьютерного моделирования, проверка правильности разработки программных продуктов является сложным и утомительным действием.

В основу полезной модели положена задача создания устройства, позволяющего осуществлять проверку правильности разработки учащимися (обучаемыми) программных продуктов, с минимальным использованием труда преподавателя, привлекая его лишь для оценки результата работы компьютерной программы.

Техническим результатом предлагаемой полезной модели является проверка правильности выполнения всех этапов сложного задания по конечному результату, связанному с работой компьютерного продукта.

Заявленный технический результат достигается тем, что в антропоморфном роботе учебного процесса, содержащем интерфейс взаимодействия, компьютер, телекамеру, датчик перемещения и устройство обработки видеосигнала, информационно связанные с компьютером, согласно полезной модели, устройство обработки видеосигнала выполнено в виде блока формирования контурного изображения предмета и блока расчета перемещения робота, вход которого связан с датчиком перемещения, компьютер снабжен средством сравнения и выполнен с возможностью управления роботом с использованием программного приложения, созданного в ходе учебного процесса и загружаемого через интерфейс взаимодействия для обеспечения поиска предмета, заданного к поиску, а средство сравнения информационно связано с блоком формирования контурного изображения и выполнено с возможностью сравнения контурного изображения, сформированного блоком формирования контурного изображения с контурным изображением предмета, заданного к поиску.

Возможность достижения заявленного технического результата обусловлена тем, что проверка правильности выполнения всех этапов сложного задания обеспечивается по конечному результату, связанному с работой компьютерного продукта, т.е. обнаружению роботом предмета, заданного к поиску.

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

Антропоморфный робот учебного процесса содержит интерфейс 1 взаимодействия с обучаемым, компьютер 2 со средством сравнения 3, телекамеру 4, датчик 5 перемещения и устройство 6 обработки видеосигнала. Вход устройства 6 обработки видеосигнала связан с телекамерой 4, а выход - с компьютером 2. Устройство 6 обработки видеосигнала выполнено в виде блока 7 формирования контурного изображения и блока 8 расчета перемещения, вход которого связан с датчиком 5 перемещения.

Компьютер 2 размещен в корпусе антропоморфного робота (на чертеже корпус не показан), а телекамера 4 установлена на голове робота. Компьютер 2 робота представляет собой обычную электронно-вычислительную машину, выполняющую заложенный в нее алгоритм действия и хранящий в блоке памяти 9 требуемую информацию. Алгоритм и объем необходимой информации будут понятны из последующих пояснений.

Средство сравнения 3 представляет собой стандартный блок сравнения сигналов, цифровых кодов и т.п., который выполняет функцию сравнения цифрового кода, полученного через интерфейс 1 и цифрового кода, полученного в результате обработки видеосигнала, поступающего с видеовыхода телекамеры 4 в устройстве 6 обработки видеосигнала.

В случае выполнения нижней части антропоморфного робота (устройства перемещения) в виде тележки, датчик 5 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 антропоморфного робота шагающего типа датчик 5 перемещения выполняется в виде счетчика шагов, а блок 8 выполняется в виде умножителя, производящего расчет перемещения робота умножением количество шагов на длину шага.

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).

Антропоморфный робот учебного процесса используется следующим образом.

Допустим, студенты в процессе изучения средств компьютерного распознавания видеоизображения получили задание составить программу, обеспечивающую обработку изображений с целью формирования контура предмета.

Задача автоматического (компьютерного) распознавания видеоизображения актуальна в тех областях науки и практики, где необходимо быстро анализировать большие объемы информации, например, получаемые при спутниковой съемке с целью определения мест катастроф, лесных пожаров, для выявления номера автомобиля нарушителей дорожного движения, при автоматической идентификации отпечатков пальцев т.д. При работе с видеоизображением необходимо формировать, анализировать, интерпретировать изображение.

В общем виде последовательность операций обработки изображений, а также решения задачи выделения контуров объекта и разработки приложении с целью освоения этих операций известна (см., например, http://www.intuit.ru/studies/courses/10621/1105/lecture/17988?page=7). Там же описываются операции работы с видеоданными, рассматривается задача видеодетектирования лиц с использованием классификатора Хаара. Показано как разрабатывается приложение, которое демонстрирует применение некоторых функций работы с видео, а также реализации детектора, входящего в состав библиотеки OpenCV.

После получения учебного задания на создание программного продукта, обеспечивающего выделение контуров объекта, студенты на своих компьютерах с использованием библиотеки OpenCV создают соответствующее приложение. Затем каждый студент в порядке очереди загружает созданное приложение (программный продукт) в компьютер 2 робота через интерфейс 1. После загрузки приложения и его инсталляции роботу включается программа поиска определенного предмета (объекта), находящего в помещении. Указанная программа поиска заранее инсталлирована в компьютере 2 робота. Если робот обнаруживает данный предмет (что фиксируется преподавателем), то считается, что приложение создано правильно.

Как вариант возможно оснащение интерфейса 1 робота сенсорным экраном, на котором студент рисует контур предмета, который предстоит обнаружить роботу.

Поиск предмета обеспечивается следующим образом.

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. Выявленный контур изображения предмета, который находится в поле зрения телекамеры 4 робота сравнивается в средстве сравнения 3 с контуром предмета, заданного к поиску. В случае обнаружения заданного предмета включается программа определения расстояния до обнаруженного предмета.

Использование телекамеры 4, связанной с устройством 6 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 4 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 4 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 9 компьютера 2 и записывается в него. Затем в блок памяти 9 компьютера 2 поступает информация о длине пройденного пути с выхода блока 8 расчета перемещения. Контурное изображение из блока памяти 9 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 4 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 памяти 9 считывается в процессор компьютера 2, который осуществляет анализ изображения 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.

После определения расстояния до объекта, робот перемещается в заданном направлении и останавливается около обнаруженного объекта. Процесс поиска заканчивается.

Использование антропоморфного робота в учебном процессе обеспечивает использование методов искусственного интеллекта и творческий подход к обучению и в некоторой степени формализует педагогический процесс. Осуществление проверки работы компьютерного продукта по конечному результату, с привлечением преподавателя лишь для оценки результата работы компьютерной программы, уменьшает затраты времени преподавателя, обеспечивает повышение производительности его работы.

Антропоморфный робот учебного процесса, содержащий интерфейс взаимодействия, компьютер, телекамеру, датчик перемещения и устройство обработки видеосигнала, информационно связанные с компьютером, отличающийся тем, что устройство обработки видеосигнала выполнено в виде блока формирования контурного изображения предмета и блока расчета перемещения робота, вход которого связан с датчиком перемещения, компьютер снабжен средством сравнения и выполнен с возможностью управления роботом с использованием программного приложения, созданного в ходе учебного процесса и загружаемого через интерфейс взаимодействия для обеспечения поиска предмета, заданного к поиску, а средство сравнения информационно связано с блоком формирования контурного изображения и выполнено с возможностью сравнения контурного изображения, сформированного блоком формирования контурного изображения с контурным изображением предмета, заданного к поиску.