CN101833884A - 一种机器人教育平台 - Google Patents

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CN101833884A CN 201010175496 CN201010175496A CN101833884A CN 101833884 A CN101833884 A CN 101833884A CN 201010175496 CN201010175496 CN 201010175496 CN 201010175496 A CN201010175496 A CN 201010175496A CN 101833884 A CN101833884 A CN 101833884A
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博雅创世(北京)智能科技有限公司
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Abstract

本发明涉及一种机器人教育平台,它包括一箱体,箱体内设置有:机械组件,包括搭建机器人骨架用的结构件、连接件和标准件;传感单元,包括行程开关模块、红外寻迹模块、红外接收模块、光敏传感单元和温敏传感单元;任务软件光盘,在操作时安装在一计算机中;控制单元,包括单片机、输入输出接口和USB接口;驱动单元,包括电机驱动模块、直流电机、舵机和数码管显示模块;执行单元,包括接收控制单元发出的控制指令并执行的按键模块、开关模块、LED灯模块和蜂鸣器模块;接口转换单元,包括连接传感单元和执行单元的三针接口,以及连接控制单元的十针接口。本发明适用于课程教学中的各种操作实验,同时适用于各种机器人竞赛活动或者家庭教育、家庭娱乐场合。

Description

一种机器人教育平台
技术领域
[0001] 本发明涉及一种学习平台,特别是关于一种机器人教育平台。 背景技术
[0002] 在认识自然、改造自然的过程中,人们一直渴望能够创造出可以模拟人的各种功能的机器人来帮助或代替人进行劳动。在不断的尝试和努力下,人类终于在二十世纪中叶 实现了这一愿望。随着社会的发展和科技的进步,机器人的发展日新月异,未来的机器人智 能化程度更高,应用领域也将越来越广泛。近几十年中,机器人的发展异常迅速,它不仅可 以在工业生产中发挥着重要的作用,而且还可以广泛应用于军事、医疗、娱乐等各个领域。 目前的机器人教育平台可以搭建出多种机器人,人们可以设计不同的程序去控制机器人, 使机器人完成不同的任务,以提高机器人的智能水平,更好地为人类服务。尽管如此,现有 的机器人教育平台仍然存在以下缺点:整体上扩展性不强,功能简单,用户群体不广;硬件 上端口偏少,端口功能固定;软件上使用图形化编程,图形形状各异,不易区分;结构件多 采用塑料件,易碎。
发明内容
[0003] 针对上述问题,本发明的目的是提供一种扩展性强,易于学习,适合人群范围广的 机器人教育平台。
[0004] 为实现上述目的,本发明采取以下技术方案:一种机器人教育平台,其特征在于: 它包括一箱体,所述箱体内设置有机械组件、传感单元、控制单元、驱动单元、执行单元、接 口转换单元、任务软件光盘和为系统供电的电源;所述机械组件包括搭建机器人骨架用的 结构件、连接件和标准件;所述传感单元包括用于感知机器人自身状况和外界环境变化的 行程开关模块、红外寻迹模块、红外接收模块、光敏传感单元和温敏传感单元;所述任务软 件光盘在操作时安装在一计算机中,打开所述任务软件光盘,能够显示供操作者选择输入 的图形化编程界面;所述控制单元包括用于按照任务程序对所述传感单元检测到的信息进 行分析、判断、推理和决策得出一控制指令的单片机、输入输出接口和USB接口 ;所述驱动 单元包括用于接收所述控制单元发出的驱动所述机械组件工作的控制指令的电机驱动模 块、直流电机、舵机和数码管显示模块;所述执行单元包括用于接收所述控制单元发出的控 制指令并执行的按键模块、开关模块、LED灯模块和蜂鸣器模块;所述接口转换单元包括用 于连接所述传感单元和执行单元的三针接口,以及连接所述控制单元的十针接口。
[0005] 所述机械组件中的结构件包括若干U形架、L形架、矩形框、拐角、平面钢板、平面 钢条、十字钢架、L形角架和扇形片中的一种以上,所述结构件上均设置有能够相互连接且 具有相同孔距和孔径的圆孔,且所述矩形框的三块侧板、L形角架的底板和立板、及扇形片 上还开设有卡槽;所述机械组件中的连接件包括若干方轴、支柱、车轮固定件、轴固定套、联 轴器、齿轮和齿条中的一种以上,所述支柱上设置有插设所述方轴的圆形或方形通孔,所述 车轮固定件上设置有插设所述方轴的盲孔和顶丝孔;所述轴固定套上设置有插设所述方轴的方形通孔和顶丝孔;所述联轴器的两端分别设置有插设所述方轴和电机或舵机输出轴的 台阶孔和顶丝孔;所述齿轮的盘面上设置有插设所述方轴的中心方孔,围绕所述中心方孔 设置有若干圆孔,每一所述圆孔与所述中心方孔之间的中心距与所述结构件上各圆孔之间 的孔距相同;所述齿条的一面设置有若干与所述结构件连接的螺纹孔,另一面设置有与所 述齿轮啮合的齿纹;所述机械组件中的标准件包括顶丝、螺钉、螺母、螺丝、铜柱、万向轮和 电池盒的一种以上。
[0006] 所述控制单元还包括供电选择开关、电源稳压单元、供电指示灯、程序指示灯和AD 转换接口 ;所述供电选择开关选择连接所述电源和USB接口,所述电源稳压单元将所述USB 接口提供的5V直流电或电源提供的6〜9V转换成稳定的5V直流电,所述供电指示灯的亮 灭表征有无电源接通,所述程序指示灯用于显示程序运行状态。
[0007] 所述传感单元中的行程开关模块包括行程开关、下拉电阻和数字量接口, 所述下 拉电阻的两端分别接地和所述行程开关;所述行程开关与下拉电阻的接点依次电连接所述 数字量接口、接口转换单元和控制单元;所述传感单元中的红外寻迹模块包括红外发射器、 红外接收器、预设有反射距离临界值的电位器、比较器、模拟量接口和数字量接口 ;所述红 外接收器、比较器、数字量接口构成的串联电路通过接口转换单元电连接所述单元,所述电 位器接所述比较器的输入端,所述红外接收器和所述接口转换单元之间接入所述模拟量接 口 ;所述传感单元中的红外接收模块包括红外接收三极管、预设有红外光强的临界值的电 位器、比较器、模拟量接口和数字量接口 ;所述红外接收三极管、比较器、数字量接口构成的 串联电路通过接口转换单元电连接所述单元,所述电位器接所述比较器的输入端,所述红 外接收三极管和所述接口转换单元之间接入所述模拟量接口 ;所述传感单元中的光敏传 感单元包括光敏电阻、预设有光强临界值的电位器、比较器、模拟量接口和数字量接口 ;所 述光敏电阻、比较器、数字量接口构成的串联电路通过接口转换单元电连接所述单元,所述 电位器接所述比较器的输入端,所述光敏电阻和所述接口转换单元之间接入所述模拟量接 口 ;所述单元中的温敏传感单元包括温敏电阻、电位器、比较器、模拟量接口和数字量接口 ; 所述温敏电阻、比较器、数字量接口构成的串联电路通过接口转换单元电连接所述单元,所 述电位器接所述比较器的输入端,所述温敏电阻和所述接口转换单元之间接入所述模拟量 接口。
[0008] 所述驱动单元中的电机驱动模块包括十针接口、电机控制装置、舵机控制装置、电 机接口和舵机接口 ;所述十针接口电连接所述控制单元中的输入输出接口,所述电机控制 装置通过所述电机接口电连接所述直流电机,所述舵机控制装置通过所述舵机接口电连接 所述舵机;所述驱动单元中的数码显示管模块包括4位8段显示管、编码芯片和十针接口, 所述十针接口电连接所述控制单元中的输入输出接口,所述4位8段显示管显示所述控制 单元输入的二进制数据,所述编码芯片将所述控制单元输入的数据转化成显示管能够显示 的数据。
[0009] 所述执行单元中的按键模块包括下拉电阻、按键和数字量接口,所述下拉电阻的 两端分别接地和所述按键,所述按键与下拉电阻的接点依次电连接所述数字量接口、接口 转换单元和控制单元;所述执行单元中的开关模块包括下拉电阻、拨码开关和数字量接口, 所述下拉电阻的两端分别接地和所述拨码开关,所述拨码开关与下拉电阻的接点依次电连 接所述数字量接口、接口转换单元和 控制单元;所述执行单元中的LED灯模块包括下拉电阻、LED灯和数字量接口,所述下拉电阻的两端分别接地和所述LED灯,所述LED灯与下拉电 阻的接点依次电连接所述数字量接口、接口转换单元和控制单元;所述执行单元中的蜂鸣 器模块包括下拉电阻、蜂鸣器和数字量接口,所述下拉电阻的两端分别接地和所述蜂鸣器, 所述蜂鸣器与下拉电阻的接点依次电连接所述数字量接口、接口转换单元和控制单元。
[0010] 本发明由于采取以上技术方案,其具有以下优点:1、本发明由于在一箱体内设置 有机械组件、传感单元、控制单元、驱动单元、执行单元、接口转换单元和任务软件光盘,机 械组件包括搭建机器人骨架用的结构件、连接件和标准件,传感单元用于感知机器人自身 状况和外界环境变化,任务软件光盘在操作时安装在一计算机中,打开任务软件光盘,能够 显示供操作者选择输入的图形化编程界面,控制单元用于按照任务程序对传感单元检测到 的信息进行分析、判断、推理和决策得出一控制指令,并驱动执行单元和驱动单元工作,因 此操作者可以有效地观察到其编程产生的各种执行效果。2、本发明由于机械组件中结构件 和连接件的孔距相同,可以通过标准件进行混用,通用性强。3、本发明由于机械组件中结构 件和连接件的形状各异,种类繁多,可以搭建出各种形状的机器人骨架。4、本发明由于采用 的控制单元多路包括数字量输入输出口、模拟量输入输出口和PWM信号输出口的输入输出 接口,端口丰富,使用灵活。5、本发明由于传感单元和执行单元中分别设置有多种传感器 和执行器,因此可以根据实验需求选择传感器和执行器,来辅助控制单元运行任务程序,进 而检测操作者编写的任务程序的有效性。本发明适用于通用技术课中《简易机器人制作》、 《技术与设计2》等课程教学中的各种操作实验,同时适用于各种机器人竞赛活动或者家庭 教育、家庭娱乐场合。
附图说明
[0011] 图1是本发明的箱体内部的结构示意图
[0012] 图2是本发明的结构件中U形架的结构示意图
[0013] 图3是本发明的结构件中L形架的结构示意图
[0014] 图4是本发明的结构件中矩形框的结构示意图
[0015] 图5是本发明的结构件中拐角的结构示意图
[0016] 图6是本发明的结构件中平面钢板的结构示意图
[0017] 图7是本发明的结构件中平面钢条的结构示意图
[0018] 图8是本发明的结构件中十字钢架的结构示意图
[0019] 图9是本发明的结构件中L形角架的结构示意图
[0020] 图10是本发明的结构件中扇形片的结构示意图
[0021] 图11是本发明的结构件中一种支柱的结构示意图
[0022] 图12是本发明的结构件中另一种支柱的结构示意图
[0023] 图13是本发明的结构件中车轮固定件的结构示意图
[0024] 图14是本发明的结构件中轴固定套的结构示意图
[0025] 图15是本发明的结构件中一种联轴器的结构示意图
[0026] 图16是本发明的结构件中另一种联轴器的结构示意图
[0027] 图17是本发明的结构件中齿轮的结构示意图
[0028] 图18是本发明的结构件中齿条的结构示意图[0029] 图19是本发明的传感单元中行程开关模块的方框示意图
[0030] 图20是本发明的传感单元中红外寻迹模块的方框示意图
[0031] 图21是本发明的传感单元中红外接收模块的方框示意图
[0032] 图22是本发明的传感单元中光敏传感单元的方框示意图
[0033] 图23是本发明的传感单元中温敏传感单元的方框示意图
[0034] 图24是本发明的接口转换单元中三针接口的示意图
[0035] 图25是本发明的接口转换单元中十针接口的示意图
[0036] 图26是本发明的控制单元的方框示意图
[0037] 图27是本发明的驱动单元中电机驱动模块与电机和舵机的连接示意图
[0038] 图28是本发明的驱动单元中数据显示管模块的方框示意图
[0039] 图29是本发明执行单元中按键模块的方框示意图
[0040] 图30是本发明的执行单元中开关模块的方框示意图
[0041] 图31是本发明的执行单元中LED灯模块的方框示意图
[0042] 图32是本发明的执行单元中蜂鸣器模块的方框示意图
[0043] 图33是本发明的使用状态图
具体实施方式
[0044] 下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。
[0045] 如图1所示,本发明包括一箱体(图中未示出),箱体内设置有机械组件1、传感单 元2、一接口转换单元3、一控制单元4、一驱动单元5、一执行单元6、一任务软件光盘7和一 电源8。通过机械组件1能够将传感单元2、接口转换单元3、控制单元4、驱动单元5、执行 单元6和电源8组装成一机器人。该机器人中的传感单元2感知自身状况和外界环境的变 化,并通过接口转换单元3传递给控制单元4。任务软件光盘7安装在一与本发明配合使 用的计算机中,使用时在计算机上显示一图形化编程界面,操作者通过图形化编程界面制 定出一项符合实验需要的任务程序,然后通过一数据线9将任务程序存储至控制单元4中。 控制单元4相当于人的大脑,即机器人的指挥中心。控制单元4按照任务程序对传感单元 2检测到的信息进行分析、判断、推理和决策,得出一控制指令,并将控制指令输送给驱动单 元5和执行单元6,使驱动单元5驱动机械组件1或使执行单元6完成相应的任务程序,电 源8为各用电设备供电。
[0046] 如图1〜18所示,本发明的机械组件1包括结构件11、连接件12和标准件13。
[0047] 其中,结构件11包括U形架111、L形架112、矩形框113、拐角114、平面钢板115、 平面钢条116、十字钢架117、L形角架118和扇形片119。如图2所示,U形架111的底板 1111和两立板1112上均勻成排设置有若干的圆孔,每一排圆孔可以是6个或12个。如图3 所示,L形架112的底板1121和立板1122上分别成排设置有若干的圆孔,每一排的圆孔可 以是6个或12个或18个。如图4所示,矩形框113包括一块主板1131和三块侧板1132、 1133、1134,主板1131上均勻成排设置有若干圆孔,每一排圆孔可以是12个或18个;三块 侧板1 132、1133、1134分别焊接在主板的两宽边和一长边上,侧板1132、1133上均开设有卡 槽1135,侧板1134上对称开设有两圆孔1136和两卡槽1137。如图5所示,拐角114是一 弯成90度的钢条,钢条上均勻设置有一排圆孔,一排可以是6个孔(但不限于此)。如图6所示,平面钢板115上均勻成排设置有若干圆孔,比如6排,12列(但不限于此)。如图7 所示,平面钢条31上均勻设置有一排圆孔,一排可以是6个或10个或12个或18个孔。如 图8所示,十字钢架117的四端和中心均穿设有一圆孔。如图9所示,L形角架118的底板 1181与立板1182垂直,且二者上设置有方向相对垂直但不相交的卡槽1183。如图10所示, 扇形片119的主体形状为1/4的圆板,扇形片119上靠近外弧长1192平行开设一弧形的卡 槽1191,扇形片119的直角处开设有一圆孔,卡槽1191与圆孔之间开设有三个圆孔。上述 结构件11中每一构件上圆孔的孔径和孔距均相同,本实施例中,孔径范围为4〜6mm,孔距 为12mm,因此,在搭建机器人时可以方便地与任一构件进行组装,通用性强,利用率高。上述 卡槽1183、1192宽度范围均为4〜6mm,其作用均相同,可以灵活组装各构件,使机器人更为 多样化。
[0048] 机械组件1中的连接件12包括方轴、支柱121、车轮固定件122、轴固定套123、联 轴器124、齿轮125和齿条126。方轴的长度设置为24mm、48mm、80mm、135mm的多根,实验时 根据需要进行选取。图11、12所示,支柱121包括一基座1211,基座1211上设置有三个凸 台1212,且三个凸台1212的中心分别设置一通孔,中间的凸台1212是插设方轴的方通孔 (如图11所示)或圆通孔(如图12所示),两侧的凸台1212均是圆通孔。三个凸台1212 上相邻孔的孔距与上述结构件111中的圆孔孔距相同为12mm(下面均以12mm为例,但不限 于此)。如图13所示,车轮固定件122的台面1221呈正六边形,台柱1222底部设置有一插 设方轴用的中心方形盲孔,台柱1222的侧面径向开设有一顶丝孔1223,与方形盲孔相通, 当方轴插入方孔后,再通过顶丝孔1223旋入一顶丝,即可将方轴紧固在车轮上。
[0049] 如图14所示,机械组件1中连接件12的轴固定套123为两端通透的中空圆柱体, 其中空部分为方形通孔,正好可以穿设一方轴,轴固定套123的柱壁上径向开设有一顶丝 孔1231,可以旋入顶丝,以将方轴紧固其中。如图15、图16所示,连接件12中的联轴器124 为两端通透的中空圆柱体,其中空部分是一台阶孔(图中未示出),一端的大小与方轴相匹 配,用于插设方轴;另一端尺寸与电机(如图15所示)或舵机(如图16所示)的输出轴相 匹配,用于插设电机或舵机的输出轴。两侧的柱体壁上分别径向开设有一顶丝孔1241,分别 用以旋入顶丝,以将方轴与电机或舵机的输出轴紧固其中。如图17所示,连接件12中的齿 轮125包括12、36、60、84齿的多个齿轮,中心方孔1251用于穿设方轴,围绕中心方孔1251 设置有若干圆孔(图中未示出),且每一圆孔与中心方孔1251之间的中心距与结构件11上 各圆孔之间的孔距相同,以方便与其它连接件相连。如图18所示,齿条126的一面开设有 四个螺纹孔1261,用于固定结构件11,另一面上开设有齿纹1262,用于与齿轮125啮合。
[0050] 本发明机械组件1中的标准件13包括顶丝、螺钉、螺母、螺丝、铜柱、万向轮和电池 盒等。标准件13为本领域常用的零部件,可以在市场上直接购买。
[0051] 如图19〜23所示,本发明传感单元2包括行程开关模块21、红外寻迹模块22、红 外接收模块23、光敏传感单元24和温敏传感单元25。如图19所示,行程开关模块21包括 一安装板,安装板上设置有一行程开关211、一下拉电阻212和两数字量接口 213。下拉电 阻212的一端接地GND,另一端焊接行程开关211的第一端。行程开关211与下拉电阻212 的接点电连接两数字量接口 213,两数字量接口 213均通过接口转换单元3与控制单元4 电连接。行程开关211第二端通过控制单元4电连接电源8,电源8给行程开关211供电。 当下拉电阻212不动作时,行程开关211无动作,则数字量接口 213给控制单元4输出低电平,该低电平通常小于0. 8V。当按下下拉电阻212时,行程开关211有触碰动作,则数字量 接口 213给控制单元4输出高电平,该高电平通常大于2. 4V。
[0052] 如图20所示,传感单元2中的红外寻迹模块22包括一安装板,安装板上设置有红外发射器221、红外接收器222、电位器223、比较器224、模拟量接口 225和数字量接口 226。 红外发射器221发射红外光用于照射外界物体。红外接收器222接收经外界物体反射回来 的红外光,其一端接地GND,信号端电连接比较器224的一输入端和模拟量接口 225。电位 器223中预设有反射距离临界值,其电连接比较器224的另一输入端,将反射距离临界值输 入比较器224。比较器224的输入端电连接红外接收器222的信号端,以将实际反射距离值 与预设值进行比较。比较器224的输出端电连接数字量接口 226,以将比较结果输出,实际 反射距离值大于预设值时,输出高电平值5V;实际反射距离值小大于预设值时,输出低电 平值0V。数字量接口 226的输出端通过接口转换单元3与控制单元4电连接,给控制单元 4输送电压数值。模拟量接口 225直接将电压信号通过接口转换单元3输送给控制单元4, 该电压信号范围为0〜5V。电源8给红外发射器221、红外接收器222、电位器223和比较 器224供电。
[0053] 如图21所示,传感单元2中的红外接收模块23包括一安装板,安装板上设置有一 红外接收三极管231、一电位器232、一比较器233、一模拟量接口 234和一数字量接口 235。 红外接收三极管231接收经外界物体反射回来的红外光的光强,其一端接地GND,信号端电 连接比较器233的一输入端和模拟量接口 234。电位器232中预设有红外光强的临界值,其 电连接比较器233的另一输入端,将光强临界值输入比较器233。比较器233的输入端电连 接红外接收三极管231的信号端,以将实际环境光强值与预设值进行比较。比较器233的 输出端电连接数字量接口 235,以将比较结果输出,实际环境光强值大于预设值时,输出高 电平值5V;实际环境光强值小大于预设值时,输出低电平值0V。数字量接口 235的输出端 通过接口转换单元3与控制单元4电连接,给控制单元4输送电压数值。模拟量接口 234 直接将电压信号通过接口转换单元3输送给控制单元4,该电压信号范围为0〜5V。电源 8给红外接收三极管231、电位器232和比较器233供电。
[0054] 如图22所示,传感单元2中的光敏传感单元24包括一安装板,安装板上设置有一 光敏电阻241、一电位器242、一比较器243、一模拟量接口 244和一数字量接口 245。光敏 电阻241用于感受环境光强大小,其一端接地GND,信号端电连接比较器243的一输入端和 模拟量接口 244。电位器242中预设有光强临界值,其电连接比较器243的另一输入端,将 光强临界值输入比较器242。比较器243的输入端电连接光敏电阻241的信号端,以将实际 环境光强值与预设值进行比较。比较器243的输出端电连接数字量接口 245,以将比较结果 输出,实际环境光强值大于预设值时,输出高电平值5V;实际环境光强值小大于预设值时, 输出低电平值0V。数字量接口 245的输出端通过接口转换单元3与控制单元4电连接,给 控制单元4输送电压数值。模拟量接口 244直接将电压信号通过接口转换单元3输送给控 制单元4,该电压信号范围为0〜5V。电源8给电位器242和比较器243供电。
[0055] 如图23所示,传感单元2中的温敏传感单元25包括一安装板,安装板上设置有一 温敏电阻251、一电位器252、一比较器253、一模拟量接口 254和一数字量接口 255。温敏 电阻251用于感受环境温度大小,其一端接地GND,信号端电连接比较器253的一输入端和 模拟量接口 254。电位器252中预设有温度临界值,其电连接比较器253,将温度临界值输入比较器253。比较器253的输入端电连接温敏电阻251的信号端,以将实际环境温度值 与预设值进行比较。比较器253的输出端电连接数字量接口 255,以将比较结果输出,实际 环境温度值大于预设值时,输出高电平值5V;实际环境温度值小大于预设值时,输出低电 平值0V。数字量接口 255的输出端通过接口转换单元3与控制单元4电连接,给控制单元 4输送电压数值。模拟量接口 254直接将电压信号通过接口转换单元3输送给控制单元4, 该电压信号范围为O〜5V。电源8给电位器252和比较器253供电。
[0056] 如图24、图25所示,本发明的接口转换单元3包括一安装板,在安装板上设置有 八个三针接口 31和一个十针接口 32。每一个三针接口 31包含接地端GND、电源端VCC和 一个信号端X (如图24所示),十针接口 32包含接地端GND、电源端VCC和八个信号端X0、 X1、X2、X3、X4、X5、X6、X7(如图25所示)。由于传感单元2中各传感器的接口均为三针接 口,而控制单元4的接口均为十针接口,因此,通过将三针接口 31电连接传感单元2中各传 感器上的输出接口,十针接口 32电连接控制单元4上的接口,就可以将传感单元2中各传 感器的感知的环境信息输送给控制单元4。
[0057] 如图26所示,本发明的控制单元4包括一单片机41、多路输入输出接口 42、一 USB 接口 43、一供电选择开关44、一电源稳压单元45、一供电指示灯46、一程序指示灯47和一 AD转换接口 48。
[0058] 控制单元4中的单片机41用于装载任务程序,并按照任务程序对传感单元2输入 的各种信息进行数据处理,发出各种控制指令。输入输出接口 42为十针接口,其包括数字 量输入输出口、模拟量输入输出口和PWM信号输出口,并分别传感单元2的输入通道,以及 执行单元6和驱动单元5的输出通道。USB接口 43通过一数据线电连接一上位机,由此将 上位机中的任务程序下载至单片机41。供电选择开关44选择连接电源8和USB接口 43, 当供电选择开关44拨到靠近USB接口 43的一端,单片机41采取USB供电方式;拨到靠近 电源8的一端,采取电源8供电方式。电源稳压单元45将USB接口 43提供的5V直流电或 电源8提供的6〜9V转换成稳定的5V直流电,供搭建在的机器人上的用电设备使用,比如 给传感单元2、驱动单元5和执行单元6供电。供电指示灯46的亮灭表征有无电源接通,通 常采用红色LED灯,其在电源接通情况下亮。程序指示灯47用于显示程序运行状态,通常 采用绿色LED灯,其在程序运行的情况下亮。AD转换接口 48提供8路模拟量输入接口,用 于连接包含模拟量接口的传感单元2。本实施例中,单片机41采用AVR系列单片机,其具有 效率高、接口丰富的特点,其最多可有40路数字量输入输出,8路模拟量输入,4路PWM信号 输出。电源稳压单元45是一开关电源芯片。
[0059] 如图27、图28所示,本发明的驱动单元5包括电机驱动模块51、直流电机52、舵机 53和数码管显示模块54。
[0060] 如图27所示,驱动单元5中的电机驱动模块51包括一安装板,在安装板上设置有 一"h针接口 511、一电机控制装置512、一舵机控制装置513、一电机接口 514和一舵机接口 515。十针接口 511直接电连接控制单元4中的输入输出接口 42,用以输入控制单元4发出 的控制指令。电机控制装置512和舵机控制装置513均为控制芯片,比如L298P,以将电机 接口 514电连接直流电机52,舵机接口 515电连接舵机53,以按照通过十针接口 511输入 的控制指令控制直流电机52和舵机53。
[0061] 如图28所示,驱动单元5中的数码显示管模块54包括4位8段显示管541、编码芯片542和十针接口 543,十针接口 543直接电连接控制单元4中的输入输出接口 42,用以 输入控制单元4发出的控制指令。4位8段显示管541用于显示控制单元4输入的二进制 数据。编码芯片542将控制单元4输入的数据转化成显示管能够显示的数据。
[0062] 如图29〜32所示,本发明的执行单元6包括按键模块61、开关模块62、LED灯模 块63和蜂鸣器模块64。
[0063] 如图29所示,执行单元6中的按键模块61用于提供按动信号,其包括一安装板, 安装板上设置有一下拉电阻611、一按键612和两数字量接口 613。下拉电阻611的一端接 地,另一端焊接按键612的第一端。按键612与下拉电阻611的接点电连接两数字量接口 613,两数字量接口 613均通过接口转换单元3与控制单元4中的输入输出接口 42电连接。 按键612第二端通过控制单元4电连接电源8,电源8给按键612供电。当下拉电阻611不 动作时,按键612无动作,则数字量接口 613给控制单元4中的单片机41输出低电平,该低 电平通常小于0. 8V ;按下下拉电阻611时,按键612按下,数字量接口 613给控制单元4中 的单片机41输出高电平,该高电平通常大于2. 4V。
[0064] 如图30所示,执行单元6中的开关模块62用于提供开关信号, 其包括一安装板, 安装板上设置有一下拉电阻621、一拨码开关622和两数字量接口 623。下拉电阻621的一 端接地,另一端焊接拨码开关622的第一端。拨码开关622与下拉电阻621的接点电连接 两数字量接口 623,两数字量接口 623均通过接口转换单元3与控制单元4中的输入输出接 口 42电连接。拨码开关622拨至一侧时,数字量接口 623给控制单元4中的单片机41输 出低电平,该低电平通常小于0. 8V;拨码开关622拨至另一侧时,数字量接口 623给控制单 元4中的单片机41输出高电平,该高电平通常大于2. 4V。
[0065] 如图31所示,执行单元6中的LED灯模块63包括一安装板,安装板上设置一个下 拉电阻631、一 LED灯632和两数字量接口 633。下拉电阻631的一端接地,另一端焊接LED 灯632的第一端。LED灯632与下拉电阻631的接点电连接两数字量接口 633,两数字量接 口 633均通过接口转换单元3与控制单元4中的输入输出接口 42电连接。当控制单元4 中的单片机41输入的电平小于0. 8V时,LED灯632灭;当输入的电平高于2. 4V,LED灯632 壳。
[0066] 如图32所示,执行单元6中的蜂鸣器模块64包括一安装板,安装板上设置有下拉 电阻641、蜂鸣器642和两数字量接口 643。下拉电阻641的一端接地,另一端焊接蜂鸣器 642的第一端。蜂鸣器642与下拉电阻641的接点电连接两数字量接口 643,两数字量接口 643均通过接口转换单元3与控制单元4中的输入输出接口 42电连接。当控制单元4中 的单片机41输入的电平小于0. 8V时,蜂鸣器641不发声;当输入的电平高于2. 4V,蜂鸣器 641发声。
[0067] 本发明的任务软件光盘7插入计算机中,打开任务软件光盘7后,计算机的显示界 面上会显示一图形化编程界面,操作者通过图形化编程界面可以自定义或选择参数,来制 定出一项符合实验需要的任务程序。在编程过程中,每个端口的功能及输入输出均可以进 行自定义,其融合了简单的界面观察方式、流程图方式与复杂的C语言方式、数据库等,使 学生可以由浅入深地进行学习,适合从初中到大学各个阶段的学生,为学生的继续学习与 深造提供统一的平台。
[0068] 如图33所示,利用本发明进行试验时,其包括以下步骤:[0069] 1)搭建一机器人:根据实验要求,利用机械组件1中的结构件11、连接件12和标 准件13搭建出一机器人骨架。
[0070] 2)从传感单元2、驱动单元5和执行单元6中选取合适的器件安装在机器人骨架 上,同时利用机械组件1中的结构件11和标准件13将接口转换单元3、控制单元4和电源 8均固定安装在机器人骨架上。
[0071] 3)将机器人骨架上的传感单元2的输出端和执行单元6的输入端均通过接口转换 单元3电连接控制单元4的输入输出接口 42,同时将控制单元4的输入输出接口 42电连接 驱动单元5的输入端,并将将控制单元4电连接电源8。
[0072] 4)将控制单元4上的USB接口 43通过一数据线电连接安装有任务软件光盘7的 计算机,并将供电选择开关44拨到靠近USB接口 43的一端,采取USB供电方式。
[0073] 5)操作者根据实验要求,利用任务软件光盘7在计算机中编写相应的任务程序, 并将任务程序下载控制单元4中。
[0074] 6)取下USB线,将控制单元4中的供电选择开关44拨到靠近电源8 的一端,采取 电源8供电。
[0075] 7)通过机器人的工作状况,检测任务程序的有效性。
[0076] 上述各实施例仅用于说明本发明,其中各部件的结构、连接方式等都是可以有所 变化的,凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进,均不应排除在本发明的 保护范围之外。

Claims (10)

  1. 一种机器人教育平台,其特征在于:它包括一箱体,所述箱体内设置有机械组件、传感单元、控制单元、驱动单元、执行单元、接口转换单元、任务软件光盘和为系统供电的电源;所述机械组件包括搭建机器人骨架用的结构件、连接件和标准件;所述传感单元包括用于感知机器人自身状况和外界环境变化的行程开关模块、红外寻迹模块、红外接收模块、光敏传感单元和温敏传感单元;所述任务软件光盘在操作时安装在一计算机中,打开所述任务软件光盘,能够显示供操作者选择输入的图形化编程界面;所述控制单元包括用于按照任务程序对所述传感单元检测到的信息进行分析、判断、推理和决策得出一控制指令的单片机、输入输出接口和USB接口;所述驱动单元包括用于接收所述控制单元发出的驱动所述机械组件工作的控制指令的电机驱动模块、直流电机、舵机和数码管显示模块;所述执行单元包括用于接收所述控制单元发出的控制指令并执行的按键模块、开关模块、LED灯模块和蜂鸣器模块;所述接口转换单元包括用于连接所述传感单元和执行单元的三针接口,以及连接所述控制单元的十针接口。
  2. 2.如权利要求1所述的一种机器人教育平台,其特征在于:所述机械组件中的结构件包括若干U形架、L形架、矩形框、拐角、平面钢板、平面钢条、 十字钢架、L形角架和扇形片中的一种以上,所述结构件上均设置有能够相互连接且具有相 同孔距和孔径的圆孔,且所述矩形框的三块侧板、L形角架的底板和立板、及扇形片上还开 设有卡槽;所述机械组件中的连接件包括若干方轴、支柱、车轮固定件、轴固定套、联轴器、齿轮和 齿条中的一种以上,所述支柱上设置有插设所述方轴的圆形或方形通孔,所述车轮固定件 上设置有插设所述方轴的盲孔和顶丝孔;所述轴固定套上设置有插设所述方轴的方形通孔 和顶丝孔;所述联轴器的两端分别设置有插设所述方轴和电机或舵机输出轴的台阶孔和 顶丝孔;所述齿轮的盘面上设置有插设所述方轴的中心方孔,围绕所述中心方孔设置有若 干圆孔,每一所述圆孔与所述中心方孔之间的中心距与所述结构件上各圆孔之间的孔距相 同;所述齿条的一面设置有若干与所述结构件连接的螺纹孔,另一面设置有与所述齿轮啮 合的齿纹;所述机械组件中的标准件包括顶丝、螺钉、螺母、螺丝、铜柱、万向轮和电池盒的一种以上。
  3. 3.如权利要求1所述的一种机器人教育平台,其特征在于,包括:所述控制单元还包括供电选择开关、电源稳压单元、供电指示灯、程序指示灯和AD转 换接口 ;所述供电选择开关选择连接所述电源和USB接口,所述电源稳压单元将所述USB接 口提供的5V直流电或电源提供的6〜9V转换成稳定的5V直流电,所述供电指示灯的亮灭 表征有无电源接通,所述程序指示灯用于显示程序运行状态。
  4. 4.如权利要求2所述的一种机器人教育平台,其特征在于,包括:所述控制单元还包括供电选择开关、电源稳压单元、供电指示灯、程序指示灯和AD转 换接口 ;所述供电选择开关选择连接所述电源和USB接口,所述电源稳压单元将所述USB接口提供的5V直流电或电源提供的6〜9V转换成稳定的5V直流电,所述供电指示灯的亮灭 表征有无电源接通,所述程序指示灯用于显示程序运行状态。
  5. 5.如权利要求1或2或3或4所述的一种机器人教育平台,其特征在于,包括:所述传感单元中的行程开关模块包括行程开关、下拉电阻和数字量接口,所述下拉电 阻的两端分别接地和所述行程开关;所述行程开关与下拉电阻的接点依次电连接所述数字 量接口、接口转换单元和控制单元;所述传感单元中的红外寻迹模块包括红外发射器、红外接收器、预设有反射距离临界 值的电位器、比较器、模拟量接口和数字量接口 ;所述红外接收器、比较器、数字量接口构成 的串联电路通过接口转换单元电连接所述单元,所述电位器接所述比较器的输入端,所述 红外接收器和所述接口转换单元之间接入所述模拟量接口 ;所述传感单元中的红外接收模块包括红外接收三极管、预设有红外光强的临界值的电 位器、比较器、模拟量接口和数字量接口 ;所述红外接收三极管、比较器、数字量接口构成的 串联电路通过接口转换单元电连接所述单元,所述电位器接所述比较器的输入端,所述红 外接收三极管和所述接口转换单元之间接入所述模拟量接口 ;所述传感单元中的光敏传感单元包括光敏电阻、预设有光强临界值的电位器、比较器、 模拟量接口和数字量接口 ;所述光敏电阻、比较器、数字量接口构成的串联电路通过接口转 换单元电连接所述单元,所述电位器接所述比较器的输入端,所述光敏电阻和所述接口转 换单元之间接入所述模拟量接口;所述单元中的温敏传感单元包括温敏电阻、电位器、比较器、模拟量接口和数字量接口 ;所 述温敏电阻、比较器、数字量接口构成的串联电路通过接口转换单元电连接所述单元,所述电 位器接所述比较器的输入端,所述温敏电阻和所述接口转换单元之间接入所述模拟量接口。
  6. 6.如权利要求1或2或3或4所述的一种机器人教育平台,其特征在于,包括:所述驱动单元中的电机驱动模块包括十针接口、电机控制装置、舵机控制装置、电机接 口和舵机接口 ;所述十针接口电连接所述控制单元中的输入输出接口,所述电机控制装置 通过所述电机接口电连接所述直流电机,所述舵机控制装置通过所述舵机接口电连接所述 舵机;所述驱动单元中的数码显示管模块包括4位8段显示管、编码芯片和十针接口,所述十针接口电连接所述控制单元中的输入输出接口,所述4位8段显示管显示所述 控制单元输入的二进制数据,所述编码芯片将所述控制单元输入的数据转化成显示管能够 显示的数据。
  7. 7.如权利要求5述的一种机器人教育平台,其特征在于,包括:所述驱动单元中的电机驱动模块包括十针接口、电机控制装置、舵机控制装置、电机接 口和舵机接口 ;所述十针接口电连接所述控制单元中的输入输出接口,所述电机控制装置 通过所述电机接口电连接所述直流电机,所述舵机控制装置通过所述舵机接口电连接所述 舵机;所述驱动单元中的数码显示管模块包括4位8段显示管、编码芯片和十针接口,所述十针接口电连接所述控制单元中的输入输出接口,所述4位8段显示管显示所述 控制单元输入的二进制数据,所述编码芯片将所述控制单元输入的数据转化成显示管能够 显示的数据。
  8. 8.如权利要求1或2或3或4或7所述的一种机器人教育平台,其特征在于,包括: 所述执行单元中的按键模块包括下拉电阻、按键和数字量接口,所述下拉电阻的两端分别接地和所述按键,所述按键与下拉电阻的接点依次电连接所述数字量接口、接口转换 单元和控制单元;所述执行单元中的开关模块包括下拉电阻、拨码开关和数字量接口,所述下拉电阻的 两端分别接地和所述拨码开关,所述拨码开关与下拉电阻的接点依次电连接所述数字量接 口、接口转换单元和控制单元;所述执行单元中的LED灯模块包括下拉电阻、LED灯和数字量接口,所述下拉电阻的两 端分别接地和所述LED灯,所述LED灯与下拉电阻的接点依次电连接所述数字量接口、接口 转换单元和控制单元;所述执行单元中的蜂鸣器模块包括下拉电阻、蜂鸣器和数字量接口,所述下拉电阻的 两端分别接地和所述蜂鸣器,所述蜂鸣器与下拉电阻的接点依次电连接所述数字量接口、 接口转换单元和控制单元。
  9. 9.如权利要求5述的一种机器人教育平台,其特征在于,包括:所述执行单元中的按键模块包括下拉电阻、按键和数字量接口,所述下拉电阻的两端 分别接地和所述按键,所述按键与下拉电阻的接点依次电连接所述数字量接口、接口转换 单元和控制单元;所述执行单元中的开关模块包括下拉电阻、拨码开关和数字量接口,所述下拉电阻的 两端分别接地和所述拨码开关,所述拨码开关与下拉电阻的接点依次电连接所述数字量接 口、接口转换单元和控制单元;所述执行单元中的LED灯模块包括下拉电阻、LED灯和数字量接口,所述下拉电阻的两 端分别接地和所述LED灯,所述LED灯与下拉电阻的接点依次电连接所述数字量接口、接口 转换单元和控制单元;所述执行单元中的蜂鸣器模块包括下拉电阻、蜂鸣器和数字量接口,所述下拉电阻的 两端分别接地和所述蜂鸣器,所述蜂鸣器与下拉电阻的接点依次电连接所述数字量接口、 接口转换单元和控制单元。
  10. 10.如权利要求6的一种机器人教育平台,其特征在于,包括:所述执行单元中的按键模块包括下拉电阻、按键和数字量接口,所述下拉电阻的两端 分别接地和所述按键,所述按键与下拉电阻的接点依次电连接所述数字量接口、接口转换 单元和控制单元;所述执行单元中的开关模块包括下拉电阻、拨码开关和数字量接口,所述下拉电阻的 两端分别接地和所述拨码开关,所述拨码开关与下拉电阻的接点依次电连接所述数字量接 口、接口转换单元和控制单元;所述执行单元中的LED灯模块包括下拉电阻、LED灯和数字量接口,所述下拉电阻的两 端分别接地和所述LED灯,所述LED灯与下拉电阻的接点依次电连接所述数字量接口、接口 转换单元和控制单元;所述执行单元中的蜂鸣器模块包括下拉电阻、蜂鸣器和数字量接口,所述下拉电阻的 两端分别接地和所述蜂鸣器,所述蜂鸣器与下拉电阻的接点依次电连接所述数字量接口、 接口转换单元和控制单元。
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Patentee after: SHENZHEN LEZHI ROBOT CO., LTD.

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Patentee before: Bio-Trans Technology (Beijing) Co., Ltd.

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