基于編程板的實物化編程方法及其在機器人領域的應用
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種基于編程板的實物化編程方法及其在機器人領域的應用，屬于人 機交互技術領域。
【背景技術】
[0002] 伴隨著當代中國乃至世界對創客的關注度越來越高，全民創客時代已經來臨。在 互聯網時代的今天，計算機和網絡已經成為人們生活中必不可少的一部分。作為創客，也必 須要掌握一項基礎技能，就是"編程"。程序是計算機的大腦，也只有掌握"編程"的技能，才 能夠參與到計算機創新制作過程中來。
[0003] 傳統的編程通常是通過鍵盤輸入文本語言的方式來完成的，但這種編程方式對于 計算機初學者而言，理解和使用起來很不方便。主要原因在于傳統編程語言中的語法和復 雜指令，難以被理解和記憶，同時還需要進行大量地輸入工作。而一般兒童和新手很難以記 住和理解程序語言的語法、邏輯關系和程序架構等非常專業的知識。此外，對文字掌握得還 不純熟的兒童來說，程序的文本編輯方式缺乏直觀性，兒童無法采用傳統的編程方式來創 作自己的程序。因此，圖形化編程向兒童提供了一種編程的可行途徑，它將各種編程的概念 轉化為顯示在屏幕上的各種圖形，兒童只需要對于各種圖形進行拖動，就可以完成編程的 整個過程。實物編程被認為是圖形化編程的一個分支，其與圖形化編程不同之處在于，實物 編程對于程序的操作超越了計算機屏幕的限制。實物編程通過觸覺、物理感知等技術與實 物交互，再將實物邏輯轉化為程序邏輯來進行編程。與直接讓兒童操控電腦相比，讓兒童通 過操縱實物來進行創作，更容易讓兒童投入到整個過程當中。通過實物編程系統，兒童可以 對程序語言的邏輯有更加直觀的理解。程序不再是一行行枯燥的代碼，而是一組形象甚至 一組實物的組合，兒童通過對實物的拼接組合，就可以完成普通程序語言通過鍵盤輸入代 碼才能完成的工作。因此，實物編程的特點決定了它更適合兒童進行編程操作。
[0004] 現有技術中國專利CN102136208A公開了一種實物編程方法和系統，通過圖像采 集實物編程塊的表面識別碼，再轉換為對應的功能語義序列，用戶通過在攝像區域擺放具 有識別碼的實物模塊來進行簡單編程，這種實物化的編程方法雖然簡單，但其仍然是一種 乏味的程序，并不能很好地激發兒童及新手的學習興趣；同時，上述技術方案只能用于已經 在計算機中設定好的程序上，無法讓兒童以及新手展開開放性思維去自己創建，不具有更 深遠的教育意義。
[0005] 中國專利CN104898456A公開了"實物化編程的方法及其在機器人領域的應用"， 但是，該方法中每個積木內部都含有芯片或單片機，制造成本較高。
【發明內容】
[0006] 本發明的目的在于克服現有技術的不足，提供一種基于編程板的實物化編程方法 及其在機器人領域的應用。
[0007] 本發明的技術解決方案是：一種基于編程板的實物化編程方法，包括如下步驟：
[0008] (1)備置實物化的編程積木和編程板，所述編程積木和編程板相配套，每塊編程積 木存儲有ID，該ID標示該編程積木需要完成的功能，所述編程板上設有程序上載接口、陣 列狀排列的供編程積木與編程板連接的連接接口，以及對所述連接接口進行掃描和識別的 控制電路；
[0009] (2)搭建帶有主控板的運行對象，根據將要實現的控制邏輯，選取若干編程積木在 編程板上搭建邏輯程序；所述編程板通過控制電路循環掃描，識別各連接接口是否連接有 編程積木，如果有則讀取該編程積木內所存儲的ID，由此獲得編程積木所搭建的ID網絡關 系；
[0010] (3)邏輯程序搭建好后，連接編程板與主控板；
[0011] (4)啟動主控板內的裝載程序，將編程板上的ID網絡關系通過編程板上設置的程 序上載接口裝載到主控板內的存儲器中；
[0012] (5)主控板內CPU對所述ID網絡關系進行解碼分析即可得到與之相對應的邏輯程 序；
[0013] (6)主控板內CPU檢驗程序邏輯，如果程序邏輯正確，則繼續下一步；如果程序邏 輯不正確，主控板就會向編程板反饋信息，移動和/或更換錯誤的編程積木，返回上述步驟 (3)繼續，直到整個程序邏輯正確為止；
[0014] (7)主控板控制運行對象執行程序，如果運行對象運行正確，就結束任務；否則， 通過移動和/或更換編程積木修改程序邏輯，繼續上述步驟（3)，直到運行對象運行正確為 止。
[0015] 進一步地，所述實物編程積木包括基礎編程指令積木、延時類指令積木、傳感器指 令積木、專用類指令積木和其他積木；其中，基礎編程指令積木包括：如果判斷指令積木、 重復做指令積木。
[0016] 進一步地，所述編程積木內置RFID被感應裝置，編程板與編程積木之間是以RFID 的無線感應方式連接并標識實物編程積木的ID。
[0017] 進一步地，所述編程積木內置有多個跳線，編程板與編程積木之間是以跳線插接 的方式連接并標識實物編程積木的ID。
[0018] 進一步地，步驟（4)所述的裝載程序是指主控板經電路信號控制編程板循環掃描 識別各連接接口，直接讀取各編程積木的ID網絡關系。
[0019] 進一步地，步驟（4)所述的裝載程序是指主控板讀取編程板內臨時存儲的ID網絡 關系，該ID網絡關系是編程板自行循環掃描識別各連接接口后得到的。
[0020] 進一步地，所述編程板內的連接接口處裝置有LED燈，主控板檢測到錯誤的程序 輸出信號時，就會向編程板反饋信息，對應出錯的編程積木所在連接接口處的LED燈就會 亮起。
[0021] 前述基于編程板的實物化編程方法在機器人領域的應用，其應用步驟為：
[0022] (1)構思與設計將要搭建的機器人，備置實物化的編程積木和編程板；
[0023] (2)搭建機器人，其由主控板以及傳感器和發聲發光等模塊組成；
[0024] (3)根據步驟（1)中所構思的機器人，選取編程積木在編程板上搭建程序邏輯；
[0025] (4)連接編程板與機器人內的主控板；
[0026] (5)啟動主控板內的裝載程序把編程板上編程積木所對應的程序邏輯上傳到主控 板存儲器中；
[0027] (6)機器人運行：主控板內CPU解析并執行被裝載的程序。
[0028] 本發明技術方案的突出的實質性特點和顯著的進步主要體現在：
[0029] 1、本發明形象化地將實物指令積木所拼接的程序反映到機器人等運行對象的運 行上，讓兒童和新手能更具體地理解程序、設計程序和修改程序，具有很好的應用前景；
[0030] 2、本發明使用實物編程積木在編程板上搭建程序，且各個實物化的指令積木很形 象，還有連接積木，使得整個搭建的程序就像邏輯圖一樣展現在用戶面前，使用戶可以更加 直觀地、清楚地了解自己所搭建的程序，更有利于編程的學習；
[0031] 3、本發明以實物編程板作為基礎，在其上利用實物化編程積木搭建程序，每個積 木并不需要裝置芯片或單片機，節約了制造成本。
【附圖說明】
[0032] 圖1為本發明的實物化編程方法的流程圖。
[0033] 圖2a至圖2c為本發明的基礎類編程指令積木示意圖。其中：圖2a-如果INl判 斷指令積木；圖2b-如果IN2判斷指令積木；圖2c-重復做指令積木。
[0034] 圖3a至圖3e為本發明的機器人專用類指令積木示意圖。其中：圖3a-機器人前 進指令積木；圖3b-機器人右轉指令積木；圖3c-機器人左轉指令積木；圖3d-機器人停 止指令積木；圖3e-機器人后退指令積木。
[0035] 圖4a至圖4d為本發明的其他積木示意圖。其中：圖4a-橫向直線連接積木；圖 4b-順時針直角轉彎積木；圖4c一逆時針直角轉彎積木；圖4d-豎向直線連接積木。
[0036] 圖5a至圖5b為本發明的延時類指令積木示意