CN103531074A - 一种新型助教机器人 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种新型助教机器人。该新型助教机器人包含有复合铰链机构、手臂联动机构、演示台升降机构、桌面伸缩机构、履带行走机构和多媒体设备。在课堂上可通过履带行走机构上下台阶、转弯、游走于教室，从而桌面讲台、演示台、多媒体设备都可进行移动。桌面自由伸缩、多媒体设备自由移动均满足教师对讲桌的需求，演示台升降旋转可实现教具的全方位展示。适时的肢体运动（包括手臂、头部、面部）和多媒体设备可以营造课堂良好的氛围，活跃课堂气氛；手臂联动机构可实现鼓掌、欢呼等动作，面部可实现各种迥异的表情。同时通过语音讲话、短信收集学生信息等基础服务功能来加强师生互动交流。
Description
技术领域
本发明涉及一种新型助教机器人，尤其是涉及一种机构巧妙、肢体动作丰富、控制简单、实用性强的助教机器人。
背景技术
我国的机器人研究在上世纪七八十年代就已开展起来，在我国的“七五”计划，“863”计划中均有相关内容，但是针对机器人教学的领域起步较晚，到九十年代后期才得到初步的发展，目前仍不完善。2000年，北京景山学校以科研课题的形式在信息技术课程中纳入机器人的相关教育知识。2001年，上海市西南位育中学、卢湾高级中学等学校开展了“校本课程”，并且探索和尝试地将机器人知识纳入课堂。2004年，中国教育协会中小学信息技术教育专业委员会召开第一届全国中小学程序设计与机器人教学研讨会。2005年，哈尔滨正式将机器人定位为必修课，在哈尔滨师范大学附属小学、省实验中学等41所中小学学校开设人工智能与机器人课程教学试点。2013年由法国专门为自闭症儿童设计的机器人老师，进入山西自闭症康复研究院，该机器人具有跳舞、对话、行走、做游戏等功能。2013年7月北京市第十二中学首次将机器人融入日常教学中，改变当前教学模式，目前还在测试阶段。
机器人辅助教学是以机器人作为教学的载体，辅助教师和学生从事教学的活动。通过对国内外机器人老师的调查，现有的助学机器人一味追求多媒体、高智能发展、而忽视课堂角色定位，互动效果、情感表达、，导致造价较高、实用性差，因此机器人辅助教学市场上迫切需要控制简单、情感丰富、互动性强的助教机器人。
发明内容
本发明主要是解决现有技术所存在的课堂角色定位不佳，互动效果差、实用性差等问题、提供一种师生使用方便、互动效果好、功能完善的新型助教机器人。
本发明的上述技术问题主要是通过下述的技术方案得以解决的：一种能够实现合理定位师生角色、情感表达丰富、互动效果好、实用性强的新型助教机器人：其特征在于该机器人包含有复合铰链机构、手臂联动机构、演示台升降机构、桌面伸缩机构、履带行走机构和多媒体设备，可实现多功能、效果佳的辅助教学。演示台升降机构通过剪式升降机构与滑槽相连接，滑槽固接在履带行走机构上的底板上，支撑杆下端同时铰接在底板上，支撑杆上端与连接显示屏杆、连接头部杆、连接桌面杆通过复合铰链连接，手臂与位于连接头部杆上的手臂铰链相连，同时手臂铰链左右两端分别通过杆件1、2与限位杆1、2相接触，限位杆1、2与杆件3、4分别铰接在杆件3、4上，杆件3、4末端分别与杆件5、6铰接，杆件5与换向盘上底盘铰接、杆件6与换向盘下底盘铰接，换向盘通过控制换向盘上底盘与杆件5的铰链和换向盘下底盘与杆件6的铰链所夹的圆心角来实现手臂的左右摆动，手臂铰链通过杆件7、8分别与限位杆3的左右两端相接触，通过控制限位杆3的转动来实现手臂的上下摆动。连接显示屏杆末端与显示屏铰接，连接头部杆末端与头部相连，连接桌面杆与可伸缩桌面背面的圆盘铰接，通过摇杆的转动来实现桌面的伸缩。
上述方案中，复合铰链机构主要由复合铰链包含转轴、内齿轮、外齿轮、弹簧以及轴套，内齿轮安装于铰链内，外齿轮与内齿轮啮合，通过弹簧丝杆机构有效的将动力输出到铰链上，从而保证机器人能够实现连接桌面杆、连接显示屏杆，连接头部杆不同姿态的变换。动力齿轮8通过齿轮5带动转轴转动；齿轮6一侧开有键槽，可以与转轴上的键啮合；弹簧与轴套相连，当转轴转动一定的角度，与之相连的弹簧则发生扭转，侧向伸长一定的距离，使轴上的键通过旋转移入键槽中，实现转轴带动齿轮6转动，从而带动与之啮合的内齿轮2转动，使连接头部杆能够旋转到各个方位；连接桌面杆、连接显示屏杆的转动原理与连接头部杆相同，只需通过计算，使各个弹簧伸缩量不同即可。
上述方案中，手臂联动机构主要由换向盘、杆件、限位杆、手臂铰链等组成。换向盘转动，带动杆件5、6，从而引起杆件3、4摆动，带动限位杆1,2运动，从而使得杆件1、2运动，带动手臂铰链转动，引起手臂的左右摆动，通过控制换向盘上底盘与杆件5的铰链和换向盘下底盘与杆件6的铰链所夹的圆心角来实现手臂的左右同步或异步摆动;所成的圆心角为180°时，手臂实现异步摆动，所成的圆心角为0°时，手臂实现同步摆动。
上述方案中，演示台升降机构主要由演示台、并联升降机构、限位杆、演示台转盘、剪式升降机构组成，上转盘转动推动并联升降机构实现演示台升降，两侧的限位拉杆可以限制演示台转动，使其只做上升下降的运动，演示台下转盘的转动可使支撑整个演示台上部的剪式升降机构运动，使演示空间更大化。
上述方案中，桌面伸缩机构主要由摇杆、桌面支撑杆、卡块、桌面等组成，当摇杆转动时，桌面支撑杆在摇杆的推动下就相向滑出展开，展开后由卡块来调整桌面支撑杆的上下位置，从而使桌面在同一个水平面内。
本发明相较于现有技术的助教机器人，提出了一种功能完善、实用性强的新型助教机器人，包含有该机器人包括复合铰链机构、手臂联动机构、演示台升降机构、桌面伸缩机构、履带行走机构和多媒体设备，有效解决了传统助教机器人存在的问题，具有良好的推广价值和教育意义。
与现有设备相比，本发明的优点：
（1）机构巧妙，联动适宜，控制简单，可实现性较强。
（2）该助教机器人集传授知识，部件变换为课堂上的常用机械于一体，扩大了助教的服务范围。
（3）机械式的表情及肢体动作丰富，互动效果显著。
附图说明[0014]
图1为本发明侧视示意图；
图2为本发明的复合铰链轴测示意图
图3为本发明的复合铰链局部示意图；
图4为本发明的复合铰链内部示意图；
图5为本发明的升降演示台轴测示意图；
图6为本发明的演示台动力分配器轴测示意图；
图7为本发明的动力分配器内部结构示意图；
图8为本发明手臂轴测示意图；
图9为本发明手臂的另一立体示意图；
图10为本发明的桌面伸缩机构示意图；
图中：1—头部、2—手臂联动机构、3—连接头部杆、4—复合铰链、5—连接桌面杆、6—桌面伸缩机构、7—支撑杆、8—履带行走机构、9—演示台升降机构、10—连接显示屏杆、11—显示屏、12-齿轮、13-齿轮2、14-齿轮3、15-齿轮4、16-弹簧1、17-齿轮5、18-弹簧2、19-齿轮6、20-弹簧3、21-齿轮7、22-轴套、23-动力齿轮、24-键、25-转轴、26-轮毂、27-上转盘、28-演示台、29-剪式升降机构、30-滑槽、31-底板 、32-下转盘、33-并联升降机构、34-演示台升降限位杆、35-下转盘动力源、36-动力齿轮、37-上转盘动力源、38-卡块、39-卡槽、 40-杆件6 、41-杆件4、42-手臂铰链、43-杆件3 、44-手臂、45-限位杆1 、46—杆件1、47-杆件5、48-换向盘上底盘、49-换向盘下底盘、50-限位杆2、51-杆件2 、52-杆件7、53-限位杆3、 54-杆件8、55-桌面、56-摇杆、57-卡块、58-桌面支撑杆。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。
本发明的工作过程如下：
该助教机器人功能完善，在课堂上可通过履带行走机构（8）上下台阶，游走于教室，从而讲台、演示台、多媒体设备都可进行移动；桌面的自由伸缩，多媒体设备的移动均满足教师对讲桌的需求，演示台（28）可升降旋转实现教具的全方位展示。你当需要活跃课堂气氛，可适时通过肢体运动，包括手臂、头部、面部等和多媒体设备来实营造课堂良好的氛围，通过手臂联动机构(2)可实现鼓掌、欢呼等动作、面部可实现各种迥异的表情。同时通过语音讲话功能、短信收集学生信息等基础服务功能来加强师生互动交流。最终，使得整个课堂互动性大幅提升，提高教学效率。
本发明的工作原理如下：
手臂联动机构（2）由换向盘（48、49）、杆件、限位杆、手臂铰链(42)等组成。换向盘(48、49)转动，带动杆件5(47)、6(40)，从而引起杆件3(43)、4(41)摆动，带动限位杆1(45),2(50)运动，从而使得杆件1(46)、2(51)运动，带动手臂铰链(42)转动，引起手臂(44)的左右摆动，通过控制换向盘上底盘(48)与杆件5(47)的铰链和换向盘下底盘(49)与杆件6(40)的铰链所夹的圆心角来实现手臂(44)的左右同步或异步摆动;所成的圆心角为180°时，手臂(44)实现异步摆动；所成的圆心角为0°时，手臂(44)实现同步摆动。
演示台升降机构由演示盘(28)、演示台动力分配器、并联升降机构（33）、限位杆、演示台转盘（27、32）、剪式升降机构(29)组成，演示台动力分配器包括上下转盘动力源(35、37)、动力齿轮(36)、弹簧丝杆以及转轴(25)。上下转盘动力源(35、37)分别嵌入演示台上下转盘（27、32），且上下转盘动力源(35、37)与弹簧相互连接，但与轴不相连，弹簧套在转轴(25)上，转轴(25)上有卡块(57)，上下转盘动力源(35、37)上开有卡槽(39)。当动力齿轮(36)转动后，带动弹簧转动，上下转盘动力源(35、37)在弹簧的作用下，还不能达到传递转矩的功能，只能做轴向的运动，弹簧分别做的是收缩和伸展运动，当卡块旋进卡槽中后，齿轮的转矩可以输出到演示台上、下转盘的动力源(35、37)，并且可以调整弹簧的长度，使下转盘(32)和上转盘(27)依次获得动力。上转盘(27)转动推动并联升降机构(33)实现演示台(28)升降，两侧的限位拉杆可以限制演示台(28)转动，使其只做上升下降的运动，演示台下转盘(32)的转动可使支撑整个演示台上部的剪式升降机构(29)运动，使演示空间更大化。
桌面伸缩机构主要由摇杆(56)、桌面支撑杆(58)、卡块(57)、桌面(55)等组成，(35)当摇杆(56)转动时，桌面支撑杆(58)在摇杆(56)的推动下就相向滑出展开，展开后由卡块(57)来调整桌面支撑杆(58)的上下位置，从而使桌面在同一个水平面内。
复合铰链机构包含转轴(25)、内齿轮、外齿轮、弹簧以及轴套(22)，内齿轮安装于铰链内，外齿轮与内齿轮啮合，通过弹簧丝杆机构有效的将动力输出到铰链上，从而保证机器人能够实现连接桌面杆(5)、连接显示屏杆(10)，连接头部杆(3)不同姿态的变换。动力齿轮8(23)为主动轮，通过齿轮5(17)带动转轴(25)转动；齿轮6(19)一侧开有键槽，可以与转轴上(25)的键啮合；弹簧与轴套(22)相连，当转轴(25)转动一定的角度，与之相连的弹簧则发生扭转，侧向伸长一定的距离，使轴上的键(24)通过旋转移入键槽中，实现转轴(25)带动齿轮6(19)转动，从而带动与之啮合的内齿轮2(13)转动，使该铰链能够旋转到各个方位；其它铰链的转动原理与该铰链相同，只需通过计算，使各个弹簧伸缩量不同即可。
Claims (5)
1.一种新型助教机器人，其特征在于：该机器人包括复合铰链机构(4)、手臂联动机构(2)、演示台升降机构(9)、桌面伸缩机构(6)、履带行走机构(8)和多媒体设备，演示台升降机构(9)通过剪式升降机构(29)与滑槽(30)相连接，滑槽(30)固接在履带行走机构(8)上的底板(31)上，支撑杆(7)下端同时铰接在底板(31)上，支撑杆(7)上端与连接显示屏杆(10)、连接头部杆(3)、连接桌面杆(5)通过复合铰链(4)连接，手臂(44)与位于连接头部杆(3)上的手臂铰链(42)相连，同时手臂铰链(42)左右两端分别通过杆件1 (46)、杆件2 (51)与限位杆1 (45)、限位杆2 (50)相接触，限位杆1 (45)、限位杆2 (50)与杆件3(43)、4(41)分别铰接在杆件3(43)、4(41)上，杆件3(43)、4(41)末端分别与杆件5(47)、6(40)铰接，杆件5(47)与换向盘上底盘铰接、杆件6(40)与换向盘下底盘(49)铰接，换向盘(48、49)通过控制换向盘上底盘(48)与杆件5(47)的铰链和换向盘下底盘(49)与杆件6(40)的铰链所夹的圆心角来实现手臂(44)的左右摆动，手臂铰链(42)通过杆件7(52)、8(54)分别与限位杆3(53)的左右两端相接触，通过控制限位杆3(53)的转动来实现手臂(44)的上下摆动；连接显示屏杆(10)末端与显示屏(11)铰接，连接头部杆(3)末端与头部(1)相连，连接桌面杆(5)与可伸缩桌面(55)背面的圆盘铰接，通过摇杆(56)的转动来实现桌面(55)的伸缩。
2.根据权利要求1所述的一种新型助教机器人，其特征在于：复合铰链(4)包含转轴(25)、内齿轮、外齿轮、弹簧以及轴套(22)，内齿轮安装于铰链内，外齿轮与内齿轮啮合，通过弹簧丝杆机构有效的将动力输出到铰链上，从而保证机器人能够实现连接桌面杆(5)、连接显示屏杆(10)，连接头部杆不同姿态的变换，动力齿轮8(23)通过齿轮5(17)带动转轴转动；齿轮6(19)一侧开有键槽，可以与转轴(25)上的键(24)啮合；弹簧与轴套(22)相连，当转轴(25)转动一定的角度，与之相连的弹簧发生扭转，侧向伸长一定的距离，使轴上的键(24)通过旋转移入键槽中，实现转轴(25)带动齿轮6(19)转动，从而带动与之啮合的齿轮2(13)转动，使连接头部杆(3)能够旋转到各个方位；连接桌面杆(5)、连接显示屏杆(10)的转动原理与连接头部杆(3)相同，只需通过计算，使各个弹簧伸缩量不同即可达到旋转要求。
3.根据权利要求1所述的一种新型助教机器人，其特征在于：手臂联动机构(2)由换向盘(48、49)、杆件、限位杆、手臂铰链(42)等组成，换向盘(48、49)转动，带动杆件5(47)、6(40)，从而引起杆件3(43)、4(41)摆动，带动限位杆1(45),2(50)运动，从而使得杆件1(46)、2(51)运动，带动手臂铰链(42)转动，引起手臂(44)的左右摆动，通过控制换向盘上底盘(48)与杆件5(47)的铰链和换向盘下底盘(49)与杆件6(40)的铰链所夹的圆心角来实现手臂(44)的左右同步或异步摆动;所成的圆心角为180°时，手臂(44)实现异步摆动；所成的圆心角为0°时，手臂实现同步摆动。
4.根据权利要求1所述的一种新型助教机器人，其特征在于：演示台升降机构(9)由演示盘(28)、演示台动力分配器、并联升降机构(33)、限位杆、演示台转盘及剪式升降机构(29)组成，演示台动力分配器包括上下转盘动力源(35、37)、动力齿轮(23)、弹簧丝杆以及转轴(25)，上下转盘动力源(35、37)分别嵌入演示台上下装盘，且上下转盘动力源(35、37)与弹簧相互连接，但与轴不相连，弹簧套在转轴上，转轴上有卡块，上下转盘动力源(35、37)上开有卡槽，当动力齿轮(23)转动后，带动弹簧转动，上下转盘动力源(35、37)在弹簧的作用下，还不能达到传递转矩的功能，只能做轴向的运动，弹簧分别做的是收缩和伸展运动，当卡块旋进卡槽(39)中后，齿轮的转矩可以输出到演示台上、下转盘的动力源(35)，并且可以调整弹簧的长度，使下转盘(32)和上转盘(27)依次获得动力，上转盘(27)转动推动并联升降机构（33）实现演示台升降，两侧的限位拉杆可以限制演示台转动，使其只做上升下降的运动，演示台下转盘(32)的转动可使支撑整个演示台上部的剪式升降机构(29)运动，使演示空间更大化。
5.根据权利要求1所述的一种新型助教机器人，其特征在于：桌面伸缩机构(6)主要由摇杆(56)、桌面支撑杆(58)、卡块(57)、桌面(55)等组成，当摇杆(56)转动时，桌面支撑杆(58)在摇杆(56)的推动下就相向滑出展开，展开后由卡块来调整桌面支撑杆(58)的上下位置，从而使桌面(55)在同一个水平面内。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20140122 |