孤独症儿童辅助教育机器人[发明专利]

(19)中华人民共和国国家知识产权局
(12)发明专利申请
(10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201810161922.9
(22)申请日 2018.02.27
(71)申请人 赵云琦
地址 100190 北京市海淀区中关村东路95
号赵冬斌转
(72)发明人 赵云琦　
(51)Int.Cl.
B25J 11/00(2006.01)
(54)发明名称孤独症儿童辅助教育机器人(57)摘要本发明涉及孤独症儿童辅助康复领域，具体涉及一种辅助教育机器人的设计方法和教育内容。

孤独症患病率越来越高，其病因不明而药物疗效不明显，机器人辅助教育可以有效缓解孤独症症状，让其更好地适应社会。

我设计制作了一款用于辅助教育孤独症儿童的人形机器人，由监护人员通过遥控操作让它发出声音指令并做出动作，让孤独症儿童来模仿，然后对儿童的表现做出评价。

人形机器人与人的身体结构相似、方便孤独症儿童进行动作模仿。

这种由监护人员遥控操作进行动作模仿的游戏可有效提升孤独症儿童的兴趣，提高其和人的交互能力。

目前，孤独症儿童辅助教育的机器人解决方案都很复杂，本发明利用模块零件搭建人形机器人，模块编程设计教育内容，是一种简单可行、开放式的孤独症
儿童辅助教育机器人。

权利要求书1页 说明书4页 附图3页CN 108098797 A 2018.06.01
C N 108098797
A
1.本发明提出一种孤独症儿童的辅助教育机器人系统，包括以下内容：模块化的机器人结构，红外传感接收器和红外遥控器，用于辅助教育的机器人程序。

2.根据权利要求1所述的系统，机器人采用履带模式，两个大型马达驱动机器人。

上身采用仿人形结构，两个中型马达分别控制头部转向及手臂运动。

机器人头部与手臂的控制电机末端安装有“复位扳手”，在机器人使用前帮助使用者轻松地复位机器人，使它更人性化，也可以实现完全的动作模仿的手动控制模式。

3.根据权利要求1所述的系统，机器人头部装有红外遥控接收装置，配有红外遥控器，由监护人通过红外遥控器实现对机器人的动作控制和评价儿童动作的语音反馈。

4.根据权利要求1所述的系统，包括语音程序和动作模仿程序。

语音程序进行机器人自我介绍、难度级别选择介绍，监护人通过红外遥控器选择动作模仿程序、实现孤独症儿童的动作模仿训练。

动作模仿的难度级别包括：简单，中等，困难。

当儿童进行动作模仿后，由监护人通过红外遥控器对孤独症儿童做出的动作给予评价。

红外遥控器可以控制机器人重新选择难度级别、退出程序等。

5.根据权利要求1所述的系统，机器人辅助教育的流程为：启动机器人进行自我介绍；由监护人通过红外遥控器根据儿童情况选择动作模仿的难度级别；机器人做出动作、由儿童进行模仿；儿童做出模仿动作后、由监护人通过红外遥控器按键选择模仿正确与否，若儿童做对、则通过语音程序给予表扬，若儿童做错、则通过语音程序给予鼓励再做一遍；监护人根据儿童的模仿情况可选择选择其他难度级别、或退出程序。

6.根据权利要求1所述的系统，采用模块化乐高零件搭建人形机器人，机器人结构可以进行模块化组合变化。

所编写的程序都是开放的，也可以方便进行修改，如动作的幅度、速度等，以适应不同儿童的特点。

在北大六院脑健康儿童发展中心进行了孤独症儿童辅助教育的应用测试实验，老师和孩子们都很喜欢，收到了很好的效果。

权　利　要　求　书1/1页CN 108098797 A
孤独症儿童辅助教育机器人
技术领域
[0001]本发明涉及孤独症儿童辅助康复领域，具体涉及一种辅助教育机器人的设计方法和教育内容。

背景技术
[0002]孤独症儿童的主要障碍表现在与人交流沟通、兴趣和行为方面的异常。

据统计，孤独症患率为0.7％，近年来的患病率越来越高、数量增加得越来越快，我国的孤独症儿童估算约有300万。

孤独症的病因不明，药物疗效不明显，因此目前比较常用的治疗方法有：应用行为分析训练、结构化教育、音乐治疗、感觉综合训练以及社会辅助训练等。

孤独症症状会持续到成年会使人生活无法自理，早期治疗可以有效阻止孤独症症状的形成。

[0003]孤独症儿童喜欢一些计算机软件或系统，50多年前就有人尝试采用机器人的治疗训练方法，近年来这一方向的研究日益受到关注。

欧洲计划AuRoRA和IROMEC，深入研究了各种机器人在孤独症儿童治疗方面所发挥的作用，获得了很多成果，发现机器人可以有效提高孤独症儿童的共同关注能力，包括目光接触、身体接近和肢体运动等。

美国、加拿大和日本的科学研究也获得了类似的成果。

可以预期，机器人在孤独症儿童的康复训练中将发挥出更多更重要的作用。

发明内容
[0004]我设计制作了一款用于辅助教育孤独症儿童的人形机器人，由监护人员通过遥控操作让它发出声音指令并做出动作，让孤独症儿童来模仿，然后对儿童的表现做出评价。

人形机器人与人的身体结构相似、方便孤独症儿童进行动作模仿。

这种由监护人员遥控操作进行动作模仿的游戏可有效提升孤独症儿童的兴趣，提高其和人的交互能力。

目前，孤独症儿童辅助教育的机器人解决方案都很复杂，我利用模块化零件(如乐高)搭建人形机器人，同时编写模块化的程序、也方便修改，让它做出动作，由孤独症儿童进行模仿，由监护人员对其表现做出评价，可提高儿童的观察能力、动作模仿能力和交流能力等。

[0005]具体包括以下内容：
[0006] 1.机器人结构
[0007]机器人采用履带模式，两个大型马达驱动机器人。

上身采用仿人形结构，两个中型马达分别控制头部转向及手臂运动。

[0008]机器人头部与手臂的控制电机末端安装有“复位扳手”，在机器人使用前帮助使用者轻松地复位机器人，使它更人性化，也可以实现动作模仿的手动控制模式。

[0009] 2.传感器控制
[0010]机器人头部装有红外遥控接收装置，配有红外遥控器，由监护人通过红外遥控器实现对机器人的动作控制和评价儿童动作的语音反馈控制。

[0011] 3.机器人程序
[0012]包括语音程序和动作模仿程序。

语音程序进行机器人自我介绍、难度级别选择介
绍，监护人通过红外遥控器选择动作模仿程序、实现孤独症儿童的动作模仿训练。

动作模仿的难度级别包括：简单，中等，困难。

当儿童进行动作模仿后，由监护人通过红外遥控器对孤独症儿童做出的动作给予评价。

红外遥控器可以控制机器人重新选择难度级别、退出程序等。

附图说明
[0013]图1为本实施例中，机器人进行孤独症儿童动作模仿的流程图；
[0014]图2为本实施例中，机器人系统展示图，其中图2(a)为机器人，图2(b)为红外遥控器；
[0015]图3(a)为本实施例中，机器人的履带结构图；图3(b)为本实施例中，机器人的手臂结构图；图3(c)为本实施例中，机器人的头部结构图。

具体实施方式
[0016]为了更清楚的说明本发明的技术方法和优点，下面结合附图来进一步描述本发明。

[0017]本发明用乐高EV3搭建了一个机器人，结构特点如下：
[0018] 1.机器人结构
[0019](1)机器人采用履带模式，两个大型马达驱动机器人
[0020]机器人移动可以采用双足、轮式和履带三种。

然而双足移动慢，中心高，容易跌倒；轮式需要第三个支点，若用自平衡车则需要一个陀螺仪，增加成本。

因履带式重心稳，又能方便地做到前后、转向等动作，因此最终选择了履带式移动，具体结构如图3(a)。

[0021](2)上身采用仿人形结构
[0022]两个中型马达分别控制头部转向及手臂运动。

因EV3端口有限，在尽量保证机器人可进行更多动作的情况下，需要用一个马达控制两只手臂。

手臂侧向上下摆动的动作，最高幅度可达到120度，大大提高了辨识率，具体结构如图3(b)。

头部由一个马达通过一级伞形齿轮直接驱动，可以进行左右转头，具体结构如图3(c)。

机器人头部与手臂的控制电机末端安装有“复位扳手”，在机器人使用前帮助使用者轻松地复位机器人，使它更人性化，还可以直接通过手动控制来实现动作模仿、训练孤独症儿童。

手臂和头部既能连贯、没有速度差地运行动作，又可在有限的空间和条件内做出更多功能。

[0023]机器人可做出前后移动和转向，左右转头，抬手臂等动作，可通过部分遥控及动作程序控制机器人的动作和声音，与孤独症儿童交流。

[0024](3)外观
[0025]机器人外面安装科技面板，让机器人的结构效果更紧凑，能够把复杂又棱角分明的机械结构统统罩在里面，使机器人整体外观可爱，可以作为儿童的好伙伴。

[0026] 2.传感器控制
[0027]机器人头部装有红外遥控接收装置，配有红外遥控器，如图2(b)。

由监护人通过红外遥控器控制机器人做出动作并进行儿童模仿动作的反馈控制。

红外遥控器上面的按键分别定义了动作模仿的不同难度级别：简单(对应按键“一”)、中等(对应按键“二”)、困难(对应按键“三”)。

其他按键包括“退出程序”和“重选”难度级别。

五个按键中有两个复用：按键
“一”在动作模仿反馈环节中代表模仿正确(G)，按键“三”代表模仿错误(S)。

具体含义在下文中介绍。

[0028] 3.机器人程序
[0029]孤独症儿童辅助教育的流程如图1所示，具体包括如下内容。

[0030](1)机器人自我介绍
[0031]在启动机器人后，机器人会通过语音进行自我介绍，包括名字，身体部位、功能等。

[0032](2)选择难度级别
[0033]机器人运行程序的第二部分为红外遥控。

孤独症儿童的监护人将手持红外遥控器，根据孤独症儿童能力选择对应的难度级别：简单，中等，困难。

如果监护人忘记选择，机器人会通过语音提醒。

选择后机器人会按照监护人给出的指令进入下一环节。

[0034](3)进行动作模仿
[0035]第三部分就进入了机器人与孤独症儿童的动作模仿及言语交流环节。

[0036]动作程序介绍：简单模式中，机器人会随机做出一组动作，如向前向后走，转一圈，摇头，手臂侧举等简单动作；中等模式中，动作难度加大，是两至三个不同动作的组合，如向前向后走和左右转头的组合；困难模式中，是三至四种动作的组合，如向前向后走，转一圈，左右转头2遍。

[0037]要点和亮点：采用随机模块，使每个动作出现的几率差不多，解决了连续出现同一个动作的问题；每个动作都设置为自定义模块，方便在以后的编程中灵活地应用；机器人做出的是镜像动作，孤独症儿童更容易理解。

[0038](4)监护人评价反馈
[0039]第四部分进入了监护人评价环节，对孤独症儿童做出的动作给予评价。

如果儿童做对了，监护人通过红外遥控按下正确键“G”(和对应简单级别的按键“一”复用)，机器人将会说出“太棒了，你做对了！”来表扬孤独症儿童，程序将会跳出循环，机器人重新随机做出动作。

[0040]如果儿童做错了，监护人按下错误键“S”(和对应困难级别的按键“三”复用)，机器人说出“真可惜，你做错了，再来一遍吧！”，程序不会跳出循环，将继续在循环中运行，机器人重新做出刚才的动作。

如果监护人未做出判断，机器人将会语音提醒。

[0041]同时在评判环节中监护人可以在遥控器上按下按键“重选”，机器人可退出循环，进入第一部分、重新选择难度级别。

[0042]监护人按下最上方的按键“退出程序”，机器人则退出程序。

[0043]亮点：当孤独症儿童模仿机器人做出的动作后，在旁边的监护人会根据儿童的模仿程度进行评价。

红外遥控器只有五个按键，这里采用按键复用方式来进行遥控，让机器人做出不同的反应。

[0044] 4.孤独症儿童机器人辅助教育流程
[0045]机器人辅助教育的流程如图1所示，具体为：启动机器人进行自我介绍；由监护人通过红外遥控器根据儿童情况选择动作模仿的难度级别；机器人做出动作、由儿童进行模仿；儿童做出模仿动作后、由监护人通过红外遥控器按键选择模仿正确与否，若儿童做对、则通过语音程序给予表扬，若儿童做错、则通过语音程序给予鼓励再做一遍；监护人根据儿童的模仿情况可选择其他难度级别，也可在任何时候选择退出程序而中断动作模仿。

[0046] 5.北大六院脑健康儿童发展中心测试实验
[0047]在北大六院脑健康儿童发展中心测试了孤独症辅助教育机器人。

按照步骤让机器人与孤独症儿童互动。

机器人在实际演练中成功地让孤独症儿童接受并相处融洽，达到了设计机器人的初衷。

四位6-8岁的儿童按照机器人的指令做出动作，效果很好，在与机器人交流的同时也能够与监护人彼此进行沟通。

有的儿童通过沟通，能够改正错误，更好地完成动作模仿。

同时发现，四位儿童的症状不同，能完成动作模仿的难度级别也不同，说明机器人还可以作为孤独症儿童症状诊断的作用。

[0048] 6.创新点
[0049]采用模块化乐高零件搭建人形机器人，设计了采用履带稳定行走的人形机器人，可进行手臂和头部运动，并安装有复位扳手方便进行复位或动作模仿的手动控制，机器人结构可以进行模块化组合变化。

[0050]所编写的程序都是开放的，也可以方便进行修改，如动作的幅度、速度等，以适应不同儿童的特点。

[0051]编写了详细的孤独症儿童动作模仿的辅助教育程序，设计了不同难度级别的模仿动作，通过红外遥控器进行选择，并由机器人对儿童动作模仿正确与否做出语音反馈交互，易于被孤独症儿童接受。

[0052]在北大六院脑健康儿童发展中心进行了孤独症儿童辅助教育的应用测试实验，老师和孩子们都很喜欢，收到了很好的效果。

图1
图2
图3。