專利名稱：具有視覺編程的微處理器控制的玩具組合元件的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種微處理器控制的玩具組合元件，包括微處理器，其可以執行呈存儲在存儲器中的程序形式的指令；被集成在玩具中的顯示裝置；連接裝置，用于連接可以由操縱裝置運動的組合元件，所述操縱裝置可以響應所述指令被控制。
隨著小型的、復雜的和相當廉價的微處理器的發展，使得在許多不同的消耗品包括玩具在內的產品中使用微處理器具有相當的吸引力。一般地說，玩具的發展已經從簡單的功能例如玩偶的聲音演奏、機器人的簡單的運動的圖形等到研制具有復雜行為的玩具。復雜的行為可以由玩耍玩具的兒童識別，并給出一種個性化的印象。特別是在積木式的玩具中，具有許多可能性使玩具具有某種行為，其中通過把微處理器控制的玩具組合元件的程序步驟和自身的機械機構組合在一起，得到所述行為。
這種可編程的積木玩具可以由LEGO MINDSTORMS生產的產品ROBOTICS INVENTION SYSTEM得知，這種玩具由計算機實行程序控制，從而檢測多個物理信號，并響應這些信號實現物理動作。這種玩具例如可以作為一個元件被安裝在車輛中，其中使玩具和其它的玩具組合元件例如電動機、車輪、碰撞檢測器以及光檢測器組合在一起。
WO90/02983涉及一種被微處理器控制的并可以通過包括的鍵盤編程的機器人玩具元件。機器人玩具元件可以按照運動圖形并響應外部的影響而運動。
US5724074是一個可以編程的玩具元件的例子。所述玩具元件可以借助于圖形用戶接口由外部計算機編程。
然而，上述的編程的玩具元件的原理用于微處理器控制的玩具組合元件中是不適宜的。特別是當微處理器控制的玩具組合元件和其它的組合元件相連從而形成一種可以完成運動圖形的結構時更是如此，此時運動圖形部分地取決于結構，部分地取決于由微處理器控制的玩具組合元件執行的程序。在這種情況下，在編程之后的結構的改變可以導致一種不能工作的結構。對于成人這是顯然的，但是對于兒童，它們憑直覺玩耍，并且以一種無組織的方式游戲，這仍然是普遍的情況。已有的玩具不能以滿意的方式處理這些情況。
由本領域的現有技術的情況看來，存在的一個問題是用于微處理器控制的玩具組合元件的編程和控制設備具有缺點。
因而，本發明的目的在于提供一種改進的用于微處理器控制的玩具組合元件的編程和控制設備。
上述目的是這樣實現的，其中上述的微處理器控制的玩具組合元件的特征在于，顯示裝置包括多個圖標，每個圖標代表用于微處理器的指令，并且可以由使用者啟動，進行微處理器的編程，并且利用多個圖標的第一個圖標發送信號，所述第一個圖標代表微處理器正在執行的指令。
這確保玩具的使用者收到一個指示，其表示微處理器被編程執行哪些指令、規則或程序步驟，并且表示在利用圖標發信號的同時執行哪些指令、規則或程序步驟。這使得兒童能夠通過試探方法，在發現程序或結構中的錯誤時獲得幫助，從而容易地處理問題。
因而，可以用簡單的方式對玩具組合元件編程。此外，可以使玩具組合元件根據來自用戶的幾個直覺的激活而具有復雜的功能。
下面結合


本發明的優選實施例，其中圖1表示可編程的玩具組合元件的方塊圖；圖2表示在玩具組合元件上的顯示；圖3a表示用于玩具組合元件的視覺編程的狀態機的第一圖；圖3b表示用于玩具組合元件的視覺編程的狀態機的第二圖；圖3c表示用于中斷狀態機的第三圖；圖3d表示用于啟動狀態機的第四圖4表示程序的并行和順序執行；圖5表示第一或第二玩具組合元件，其中第一玩具組合元件可以向第二玩具組合元件傳遞數據；以及圖6表示利用公知的玩具組合元件連接的包括按照本發明的微處理器控制的玩具組合元件的玩具結構。
圖1表示可編程的玩具元件的方塊圖。玩具元件101包括多個電子裝置，用于對玩具元件編程，使得其可以響應從各個電子檢測器(例如電開關)拾取的信號控制電子裝置(例如電動機)。
因而可以使玩具元件實現復雜的功能，例如在玩具元件以合適方式和電子裝置/檢測器組合的情況下，可以實現動作控制的運動。
玩具元件101包括微處理器102，其通過通信總線103和多個單元相連。微處理器102可以通過通信總線103從兩個A/D轉換器“A/D輸入#1” 105和“A/D輸入#”106接收數據。A/D轉換器可以接收離散的多位信號或簡單的二進制信號。此外，A/D轉換器適用于檢測無源值，例如歐姆電阻。
微處理器102可以通過一組端子“PWM輸出#1”107和“PWM輸出#2”108控制電子裝置，例如電動機(未示出)。在本發明的優選實施例中，電子裝置被脈寬調制信號控制。
此外，通過控制聲音發生器109，例如揚聲器或壓電裝置，玩具元件可以發出聲音信號或聲音序列。
通過光源“VL輸出”110，玩具元件可以發射光信號。所述光信號可以利用發光二極管發出。發光二極管例如適用于向玩具元件和電子裝置/檢測器表示各種狀態。此外，光信號適用于作為和相應類型的其它玩具元件的通信信號。例如光信號可以通過光導向其它玩具元件傳遞數據。
玩具元件可以通過光檢測器“VL輸入”111接收光信號。這些光信號尤其可以用于檢測玩具元件所在的室內的光的強度。通過光導可以交替地接收光信號和來自另一個玩具元件或個人計算機的數據。因而，同一個光檢測器通過光導可以具有通信功能，同時作為光檢測器用于檢測所述玩具元件所在的室內的光的強度。
在優選實施例中，“VL輸入”111適用于選擇地通過光導進行通信或者交替地檢測所達玩具元件所在室內的光的強度。
通過紅外光檢測器“IR輸入/輸出”112，玩具元件可以向另一個玩具元件傳遞數據，或者接收來自另一個玩具元件或個人計算機的數據。
微處理器102使用通信協議接收或發送數據。
顯示裝置104和鍵“移動”鍵113，“運行”鍵114，“選擇”鍵115以及“啟動/中斷”鍵116構成用戶接口，用于操作/編程玩具元件。在優選實施例中，顯示裝置是CLD顯示裝置，其可以顯示多個特定的圖標或符號。在顯示裝置上的符號的外觀可以被單獨地控制，例如，圖標可以是可見的，不可見的和能夠閃爍的。
借助于控制所述的鍵，玩具元件可以被編程，與此同時，所述的顯示可以向用戶提供被形成的或者被執行的程序的反饋。這在下面將更詳細地說明。因為用戶接口包括有限數量的元件(即有限數量的圖標和鍵)，可以使兒童很快地學會如何使用所述玩具元件。
所述玩具元件還包括呈RAM或ROM形式的存儲器117。所述存儲器含有操作系統“OS”118，用于微處理器的基本功能的控制，程序控制“PS”119，其能夠控制用戶規定的程序的執行，多個規則820，每個規則包括用于微處理器的多個特定的指令，以及在RAM中的利用所述特定規則的程序121。
在優選實施例中，玩具元件基于所謂的單片微處理器，其以一個集成電路的形式包括多個輸入和輸出，存儲器和微處理器。
在優選實施例中，玩具元件包括發光二極管，其可以指示所連接的電動機的轉動方向。
在另一個實施例中，玩具元件包括一體化的操縱裝置，例如呈一個或幾個電動機的形式，具有例如由所述電動機驅動的軸的形式的輸出裝置(take-off)，其也可以呈連接孔的形式，用于和接收軸的一部分并使軸旋轉的裝置相連。
圖2表示在玩具元件上的顯示裝置。顯示裝置201適用于顯示多個特定的圖標，所示的畫面是在所有的圖標都是可見的狀態下顯示的。按照功能，圖標分別被水平線202和垂直線203分成多個組204-207。
圖標例如被設計成用于說明車輛運動的幾種可能的圖形。車輛例如可以通過組合玩具元件和兩個電動機而形成，所述電機可以分別用于驅動車輛的左右一組車輪。因而車輛可以被控制驅動前進、后退和左右轉彎。此外，車輛可以包括用于檢測碰撞的壓敏開關和光敏檢測器。
組204包括以下運動圖形的圖標直線向前運動，曲折向前運動，圓圈運動和重復給定圖形的運動。這些運動圖形不能通過檢測器的作用進行調節，因此是無條件的。
組205包括當檢測到障礙物時則反向的運動圖形的第一圖標。第二圖標表示直線向前的運動圖形，其中向前的運動由檢測到的障礙物校正。第三個圖標在運動圖形開始時進行調節。第四個圖標當壓力傳感器被啟動時則停止前進的運動圖形。因而在組205中的圖標表示由壓力傳感器調節的運動圖形。
組206包括用于分別啟動向著最亮處和最暗處運動的運動圖形的圖標。光的強度借助于光敏檢測器檢測。因而在組205中的圖標代表由光敏檢測器調節的運動圖形。
組207包括3個相同的圖標，它們可以組合地被顯示，用于表示要執行上述的運動圖形時的時間常數。例如，曲折圖形要改變方向必須在改變方向之前經過一個階躍變化的時間間隔。時間常數例如可以是2秒、4秒和7秒。
組208包括表示多個特殊功能的圖標。這些功能例如包括選擇地和上述的運動圖形的啟動相結合，發出各種聲光信號。
應當注意，所述顯示裝置可以是LCD型的，或者是其它型的。此外，顯示裝置可以適用于顯示各種形式的文本信息。所述圖標也可以是文本。
圖3a表示用于對玩具元件進行可視編程的狀態機的第一圖。所述狀態機作為一個可以被微處理器102執行的程序被執行。當狀態機不執行用戶規定的程序時，并且當玩具元件被通電時，啟動“選擇”鍵將把焦點從一組圖標引向另一組圖標。作為焦點的一組圖標可以通過閃爍一組中的一個圖標或者閃爍一組中的所有圖標被顯示。所示的狀態機包括3個狀態301，302，303，它們相應于在3個不同的圖標組之間轉換焦點。
當“選擇”鍵或“移動”鍵被啟動時，狀態機改變狀態。當啟動選擇鍵時，在狀態301-303之間發生轉換。當啟動移動鍵時，狀態機繼續圖3b所示的另一組狀態。
應當注意，在這個程序中只示出了3種狀態，相應于顯示裝置201上的3組圖標。這樣選擇是為了使程序容易理解。實際上，必須具有相應于顯示裝置上顯示的圖標組的數量的若干個狀態。
圖3b表示用于對玩具元件進行可視編程的狀態機的第二圖。形成所示的狀態機用于在移動鍵被啟動時呈現這些狀態。假定聚焦在一個圖標組上，當啟動移動鍵時，狀態機便呈現狀態304，其中被聚焦的組中的第一圖標被啟動，在同一組中的其它圖標不被顯示。
如果啟動選擇鍵，則狀態機呈現狀態305，其中選擇規則L規則1相應于微處理器102的一組指令，其可以完成圖標1上顯示的運動圖形。當狀態機呈現狀態306時，則焦點從當前的圖標組移動到另一個圖標組，以便選擇該組中的圖標。
另外，如果在狀態304下選擇移動鍵，則狀態機呈現狀態307，使得在顯示裝置上顯示圖標2，在同一組內的其它圖標不被顯示。如在狀態304的情況下一樣，在狀態307下，可以選擇相應于圖標的規則。這可以通過啟動選擇鍵來實現，此時狀態機將呈現狀態308，以便選擇規則2中的規則。然后，在狀態309，焦點被移動到下一組圖標。
相應地，在狀態310通過啟動移動鍵，可以顯示圖標3。通過啟動選擇鍵可以選擇規則3，接著焦點被移動到另一組。
在狀態310再次啟動移動鍵，使得在組中的所有的圖標都被顯示，然后按照上述單獨地顯示所述組中的圖標。
在狀態306，309和312的情況下，啟動移動鍵將使狀態機呈現各個狀態302，303或301種的一個狀態。
應當注意，還可以不選擇一個或幾個組中的規則。此外，在另一個實施例中，可以在同一組內選擇幾個規則。
此外，應當注意，該圖相應于在每個組中只具有3個圖標的顯示裝置。這樣選擇是為了便于理解，實際上，必須具有和給定的組中的圖標數相應數量的狀態。
一般地說，啟動運行鍵114將使狀態機呈現執行程序的狀態，而不管選擇的規則數。因而，不需要詢問用戶程序是否準備好。
為了只改變包括若干規則的用戶確定的程序中的規則，可以跳到一個所需的圖標組。
圖3c是用于中斷狀態機的第三圖。該圖表示處于狀態314的狀態機在啟動中斷鍵時如何存儲具有微處理器/狀態機的狀態T的表達。借以使得能夠恢復突然中斷的程序路徑，而不必從擦除開始。在狀態315玩具元件被停止。
圖3d表示用于啟動狀態機的第四圖。該圖在狀態316表示在啟動開始鍵時狀態機如何接通玩具元件。然后，在狀態317，檢索先前存儲的狀態表達T。在狀態318，表示狀態T的圖標被顯示。在狀態319，焦點對準組1中的圖標，然后，狀態機準備好進行結合圖3a-3c所述的操作。
由上面圖3a-3d的說明可見，用戶可以用簡單的方式對玩具元件編程，從而執行包括復雜功能的程序。所述程序由組合若干個特定的規則產生。
上述的狀態機可以用非常簡潔的方式來實現。因而確保可以響應和用戶的簡單的對話實現復雜的用戶規定的功能。
在選擇規則的狀態下，即在狀態305，308和311下，程序系統119執行若干個操作，借以產生可以由微處理器102執行的用戶規定的程序。
用戶規定的程序可以通過在存儲器121中存儲一個參考(即指針)被產生，所述參考指向在存儲器120中存儲的規則。當選擇若干個要被包括在同一個用戶規定的程序中時，可以在存儲器121中存儲在存儲器120中的規則的指針表。因而，用戶規定的程序可以包括一個或幾個規則。
此外，用戶規定的程序可以通過在存儲器120中復制每個選擇的規則并把所述復制插入存儲器121中產生；因而存儲器121將包含完整的程序。此外，用戶規定的程序可以作為規則的指針和微處理器102的指令的組合而被產生。
應當注意，每個規則一般包括可以認為是子程序、函數或過程的一組指令。但是規則也可以只包括參數的修改，例如表示相連的電動機的速度或時間常數的參數的修改。
在本發明的一個優選實施例中，當狀態機從第一狀態改變為第二狀態時可以實現給定的動作。動作例如可以包括向用戶發出聲光信號，表示玩具元件呈現的狀態或狀態的類型。
圖4表示程序的并行執行和按順序的執行。當用戶規定的程序被產生時，規則可以作為規則序列被執行，可以用并行方式執行，或者以順序和并行組合的方式執行。
在時間上要并行執行的兩個規則的例子可以是使車輛搜索光的第一規則和當車輛檢測到障礙物時改變方向的第二規則。
在時間上按順序執行的兩個規則的例子可以是車輛要被直線向前驅動的第一規則和車輛要沿圓圈被驅動的第二規則。
規則R1401，R2402，R3406，R4405，R5403和R6404是按順序和并行執行的程序的組合的例子。
當規則作為在時間上并行運行的子程序執行時，或者以在子程序之間進行時分的形式執行時，必須能夠處理若干個規則都要訪問資源例如電動機的情況。在優選實施例中，這種情況通過對選擇的每個規則分配優先權來處理。例如，在顯示裝置上同一個圖標組內的規則可以被分配給相同的優先權數。當操作系統118檢測到在一個時間間隔內要訪問資源的兩個規則或子程序時，具有最低優先權的規則便被中斷或停止。然后允許具有最高優先權的規則使用資源。如果只能從同一組圖標中選擇一個規則，則可以執行唯一的可預測的用戶規定的程序。
圖5表示第一或第二玩具元件，其中第一玩具元件可以向第二玩具元件傳遞數據。第一玩具元件501包括微處理器507，I/O模塊510，存儲器509和使用者接口508。玩具元件501還包括雙向通信裝置506，用于利用紅外發送器/接收器505通信，或者借助于可以發射和檢測可見光的光源/光檢測器504實現通信。
相應地，第二玩具元件502包括微處理器514，I/O模塊515和存儲器516。玩具元件502還包括通信裝置513，用于利用紅外發送器/接收器512通信，或者借助于可以發射和檢測可見光的光源/光檢測器511實現通信。
在本發明的優選實施例中，第一玩具元件可以發送和接收數據，而第二玩具元件只能接收數據。
數據可以作為可見光通過光導503傳遞。此外，數據可以作為紅外光517，518傳遞。數據可以是代碼的形式，其表示可以由微處理器507與/或514解釋的特定指令和相關的參數。此外，數據可以是被存儲在存儲器516中的被稱為子程序或者規則的代碼的形式。
I/O模塊510和515可以和用于控制的電子裝置(例如電動機)相連。I/O模塊510，515還可以和電子檢測器相連，使得該裝置可以響應檢測的信號被控制。
在優選實施例中，采用光纖503，使得由其傳輸的可見光的一部分從光纖溢出，使得使用者可以直接看到光的傳輸。使用者例如可以看到通信開始和停止。
通過光纖的光可以利用給定的數據按照在光纖中光量的改變傳輸頻率傳遞數據。數據可以被這樣傳輸，使得使用者可以觀察在傳輸期間各個光量的變化(這適用于低的數據傳輸頻率)或者觀察傳輸是否正在進行(在一個合適的高的數據傳輸頻率下)。
一般地說，不希望通過光纖傳輸的光的一部分從光纖溢出。但是，在兩個玩具元件之間進行通信的情況下，卻希望如此，因為可以用直覺的方式觀察進行的通信。
本領域技術人員知道如何確保光的一部分從光纖中溢出。例如可以通過對光纖的護套摻入雜質，或者通過在光纖中形成機械開口或者圖形。從光纖中溢出的光的部分可以通過控制光纖芯的折射率對光導護套的折射率的比例進行控制。
圖6表示包括按照本發明的微處理器控制的玩具組合元件的玩具的結構，其中連接有公知的玩具組合元件。微處理器控制的玩具組合元件601被連接在組合元件和兩個電動機(未示出)的組合結構的頂部。電動機驅動位于車輛的每側上的車輪，圖中只能看到在一側上的車輪。車輪被軸604驅動，所述的軸通過齒輪603和電動機相連。電動機通過導線615和玩具組合元件601電氣相連。
玩具結構還包括兩個可動的臂606，其可以圍繞軸承607轉動，使得當所述臂轉動時，可以影響一組開關608。開關608通過導線609和玩具元件601電氣相連。
所示的玩具元件可以通過鍵613操作。顯示裝置812可以顯示信息，如上面結合圖2所述。玩具元件601具有一組電氣接觸表面610和611，導線609、615可以被連接在所述接觸表面上，分別用于接收信號和發送信號。
通過對玩具元件進行合適的編程，就可以使車輛繞過可能影響臂606的障礙物。
權利要求
1.一種微處理器控制的玩具組合元件(101，501)，包括微處理器(102，507)，其可以執行呈存儲在存儲器(117，509)中的程序形式的指令；被集成在玩具組合元件中的顯示裝置；連接裝置，用于連接可以由操縱裝置運動的組合元件，所述操縱裝置可以響應所述指令被控制，其特征在于，所述顯示裝置(104，508)包括多個圖標(204-208)，每個圖標代表用于微處理器(102，507)的指令，并且可以由使用者啟動，進行微處理器的編程，以及利用多個圖標的第一個圖標發送信號，所述第一個圖標代表微處理器正在執行的指令。
2.如權利要求1所述的微處理器控制的玩具組合元件，其特征在于，第一種圖標(204-206)被配置用于表示運動圖形。
3.如權利要求1所述的微處理器控制的玩具組合元件，其特征在于，第二種圖標(207，208)被配置用于表示運動圖形的修改。
4.如權利要求1-3任何一個所述的微處理器控制的玩具組合元件，其特征在于，所述玩具包括啟動第一種圖標(204-206)時產生包括參數的第一組指令的裝置，所述指令與/或參數可以借助于啟動第二種圖標(207，208)被修改。
5.如權利要求1-4任何一個所述的微處理器控制的玩具組合元件，其特征在于，所述微處理器(102，507)適用于接收來自電氣與/或電子裝置的信號。
6.如權利要求5所述的微處理器控制的玩具組合元件，其特征在于，第一組規則被第一組信號調整，第二組規則(R1-R6)被第二組信號調整。
7.如權利要求1-6任何一個所述的微處理器控制的玩具組合元件，其特征在于，相應于一個圖標的指令通過響應來自電氣與/或電子裝置的信號控制操縱裝置實現一個規則。
8.如權利要求1-7任何一個所述的微處理器控制的玩具組合元件，其特征在于，微處理器執行呈用于控制裝置的指令形式的規則(R1-R6)，所述規則由多個信號調整，所述規則按照至少部分地加有優先權的次序被設置，所述加有優先權的次序表示允許若干個規則的哪一個控制裝置，所述順序按照它們被調整的信號被設置。
9.如權利要求1-8任何一個所述的微處理器控制的玩具組合元件，其特征在于，所述玩具包括和其呈一個整體的鍵(113-115)，所述鍵能夠啟動圖標。
10.如權利要求1-9任何一個所述的微處理器控制的玩具組合元件，其特征在于，所述玩具包括通信裝置(505，504)，用于接收可以被轉換成可以由所述微處理器執行的程序的指令。
11.如權利要求1-10任何一個所述的微處理器控制的玩具組合元件，其特征在于，所述玩具包括用于傳輸指令的通信裝置。
12.如權利要求1-11任何一個所述的微處理器控制的玩具組合元件，其特征在于，所述玩具包括用于通過光導(503)傳輸信息的通信裝置(54)。
14.如權利要求1-13任何一個所述的微處理器控制的玩具組合元件，其特征在于，所述玩具包括細長的光導(503)，可見光可以通過所述光導沿光導的縱向傳輸，所述光導適用于使得被傳輸的光的一部分從其側面溢出。
15.如權利要求1-14任何一個所述的微處理器控制的玩具組合元件，其特征在于，還包括具有用于相互連接的連接裝置的玩具組合元件。
全文摘要
一種可編程的玩具,包括微處理器,其可以執行呈存儲在存儲器中的程序形式的指令;被集成在玩具組合元件中的顯示裝置。所述微處理器適用于控制電氣與/或機電裝置。所述顯示裝置包括多個圖標,每個圖標代表用于微處理器的指令,并且可以由使用者啟動,進行微處理器的編程。因而所述玩具可以借助于可視的用戶接口進行編程。
文檔編號A63H17/395GK1338964SQ00803399
公開日2002年3月6日 申請日期2000年2月4日 優先權日1999年2月4日
發明者高特·芒奇, 杰斯帕·拉斯馬森 申請人:英特萊格公司