CN104385272A - 一种多功能教育机器人系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种多功能教育机器人系统，其包括核心控制板单元、传感器单元、通信单元、运动单元和电源管理模块；核心控制板单元采用微处理器；传感器单元包括电连接于微处理器的测速传感器、温度传感器、灰度传感器、测障传感器以及图像传感器；通信单元包括WIFI通信模块、USB通信模块和蓝牙通信模块；WIFI通信模块一端双向连接微处理器，另一端与图像传感器电连接；运动单元包括直流电机运动模块和舵机运动模块；直流电机运动模块和舵机运动模块均电连接于微处理器。本发明结构设计简单、合理，成本低，可实现远程教育，具有多种组网能力、通信能力和接口能力，可以和其它设备组合起来，实现新的功能，还可以实现旧设备的升级改造。

Description

一种多功能教育机器人系统

技术领域

本发明涉及教育器材领域，尤其涉及一种具有远程资源共享的多功能教育机器人系统。

背景技术

2004年，在教育部的牵头和主持下，启动了普通高中课程改革计划，主要针对中学阶段的素质教育问题,最初主要在广东、山东、海南、浙江等沿海地区试点，探索中学课程改革方向和内容。至2006年，试点省份已扩大到10个省及内地。在此期间,经过大量的实践和努力，普通高中课程改革目标逐渐明朗，形成了关于“通用技术”素质教育课程改革的体系结构，得到了广泛的认可。到2010年，这一改革已在全国范围全面展开。“通用技术”课程是具有全新内容的教改，综合性很强，内容也十分广泛，因此在实践过程中各个学校都遇到了不少的挑战。尤其在开设其中“简易机器人制作技术”方面，不少中学感到开课困难。实际能开设“简易机器人制作技术”的学校很少。根据统计调查，归纳出主要问题在以下几个方面:

1、中学生没有学习过处理器方面知识，不具有开发和编程的基本技能，对机器人的控制难于掌握；

2、没有合适的专业指导教师。主要原因是全国还没有专门针对通用技术课程的高等教育培养专业，同时具有教育知识背景和机器人技术专业背景的教师非常缺乏；目前，多数中学是把物理、计算机、电子专业的教师转型为通用技术课程教师；但机器人是综合性比较强的机电一体化设备，其技术复杂性高于一般教育设备，并且机器人教育课程不完全只是机器人技术方面的问题，因此这些转型来的指导教师自身还需要学习与提高。

3、教育机器人成本高，实验室建设困难。市售机器人具有低价格、可普及型的机器人多数适合儿童使用，并不适合教学实验使用；适合教学应用的品种少，国内能生产机器人的商家也屈指可数。此外，由于机器人的特殊性，行业中也没有统一的标准，因此机器人价格一般比较高，从数千元到上万元不等，难于全面建设实验室。

4、机器人教学与实验资源少，开设课程阻力大。在国内机器人教育还属于崭新的内容，在新的教育形势下，学校教育能使用的资源还非常少，开设机器人课程阻力大。多数机器人生产商仅能提供使用方法等资源，而鉴于对自己核心技术的保护，这些机器人通常都不能给出核心资料。现有情况是能够提供应用层面上的支持，但基础底层关键技术则属于商业机密，不提供任何支持。在这样的情况下，学校教育方面很难真正讲解清楚机器人原理，实施开源教学更没有可能，但实际教学需要开源的资料，才能更好地服务社会、推动基础创新工作。没有足够的技术资源提供创新、教学资源缺乏、关键技术上受制于人这也是国内机器人技术普遍落后于西方国家的一个重要原因。

5、适合教学实验使用的机器人品种少。市面上的机器人多数为娱乐型机器人，不能二次开发，也没有提供给用户开发支持，并不适合教育使用。一些产品在某些方面也可能适合教育应用，但耐用性不强，基本上就是一次性的，难于在实验室中重复使用。

6、兼容能力不强，现有机器人应用的领域单一，通用性不强。作为教育应用的机器人设备通常不具备开发和支持其它学科实验的能力。通常情况是，机器人设备仅能供机器人实验课程的使用，对其它课程没有多大的帮助。机器人应用也主要集中在电子与机械领域，对其它学科教学支持很少。而电子和机械领域不是普通中学教育的重点，因此在经费较少的情况下，多数学校都会选择放弃机器人实验室的建设。

7、机器人设备制造商仅解决技术问题，没有解决机器人技术带来的教育问题。国内外机器人设备生产商都只关注技术领域的问题，没有关注机器人技术带来的教育问题。尤其是在高等教育领域还是空白，没有用机器人带来的技术问题去探究这类教育活动开展的基本规律，导致机器人相关的教育研究还有很多空白，不利于机器人教育的广泛开展。

发明内容

针对以上问题，本发明提供了一种结构设计简单、低成本、入门简单、适合学校教学应用且具有远程资源共享的多功能教育机器人系统。

本发明的技术方案如下：

上述的多功能教育机器人系统，包括电源管理模块以及均由所述电源管理模块供电的核心控制板单元、传感器单元、通信单元和运动单元；所述核心控制板单元采用的是微处理器，其用于信号的采集与处理、车体的运动控制以及机械手的操控；所述传感器单元电连接于所述核心控制单元，其用于完成机器人对环境的识别与自我状态检测；所述传感器单元包括用于检测车体运动速度的测速传感器、用于在需要测量温度的场合实现温度探测的温度传感器、用于检测地面灰度信息的灰度传感器、用于检测障碍的测障传感器以及用于实现图像信息采集的图像传感器；所述测速传感器、温度传感器、灰度传感器和测障传感器均连接于所述核心控制板单元；所述图像传感器与所述通信单元连接并通过所述通信单元连接所述核心控制板单元；所述通信单元包括WIFI通信模块、USB通信模块和蓝牙通信模块；所述WIFI通信模块一端双向连接所述核心控制板单元，另一端与所述图像传感器连接，以实现外置无线通信设备与机器人之实现数据、信息的通信；所述USB通信模块一端双向连接所述核心控制板单元，另一端双向连接外置计算机，以实现机器人控制代码的烧录以及机器人与计算机之间的有线数据通信与控制；所述蓝牙通信模块与所述核心控制板单元双向连接，以实现编程员与机器人之间的控制通信或者计算机与机器人之间遥控控制；所述运动单元电连接于所述核心控制单元，其包括用于机器人车体运动控制的直流电机运动模块和用于实现机械手操作的舵机运动模块。

所述多功能教育机器人系统，其中：所述机器人系统还包括由所述电源管理模块供电的语音处理单元、LED灯和显示单元；所述语音处理单元与WIFI通信模块31连接并由所述WIFI通信模块完成对语音信号的采集与转换；所述LED灯电连接于所述核心控制板单元，其为扩展的模块且由所述电源管理模块供电；所述显示单元电连接于所述核心控制板单元，其采用LCD或LED显示屏。

所述多功能教育机器人系统，其中：所述语音处理单元的采集是指采集来自麦克风的模拟信号的数字化、压缩、编码；所述语音处理单元的转换是将要输出的语音信息，实现解码、反压缩、并转变成模拟信号驱动扬声器输出人能识别的声音。

所述多功能教育机器人系统，其中：所述微处理器可读取各种传感器的信息，作为机器人对环境的信息采集，并根据传感器信息控制运动单元和通信单元的工作状态。

所述多功能教育机器人系统，其中：所述测速传感器、测障传感器、灰度传感器可独立拆分出来与主控制器构成新用途的检测。

所述多功能教育机器人系统，其中：所述图像传感器包括与所述WIFI通信模块连接的第一图像传感器、第二图像传感器、第三图像传感器和第四图像传感器。

所述多功能教育机器人系统，其中：所述WIFI通信模块包括语音输入输出、多通道视频输入以及无线通信，其用于机器人与Intel网的通信以及机器人之间的相互通信。

所述多功能教育机器人系统，其中：所述机器人系统的机械结构是由所述车体、装设于所述车体上的主控制板以及与所述主控制板连接的无线通信装置、扩展接口、扩展模块和所述机械手组成。

有益效果：

本发明多功能教育机器人系统结构设计简单、合理，成本低，功能远比市场上的机器人功能强大，可实现远程双向教育，具有多种组网能力，即便没有Intel网的边远地区也能组建出通信网络，实现教育资源共享；利用机器人的WEB发布能力，可以把教学资源通过机器人系统发布出来，实现与常规手机、平板电脑等终端的互联；具有强大的接口能力，它可以和其它多种设备组合起来，实现新的功能或者提升旧仪器的精度；将机器人控制系统拆分出来，配合仪器即可实现旧仪器的智能化升级与改造。例如，中学物理实验中的加速度测量经常使用打点计时器，但它使用市电50Hz作为打点频率，电力网负荷随机变化往往引起市电的频率变化从而影响打点精度，实验误差往往较大，采用本机器人系统的运动控制功能进行改造，可实现精准的打点控制，并且能实现打点频率自定义，比如100Hz打点，200Hz打点等提高实验精度。再如，物理教学中的单摆实验，基本都是采用秒表计时、人工计录摆动次数实现的，由于采用人工计时一般误差较大，采用本机器人的光电检测功能可完成计时间和计次数操作，提高实验的精度和准确性。又如，化学实验中经常用到的水温控制，一般都采用玻璃温度计结合手动控制的办法，若使用本机器人的温度控制功能，就可以实现自动控制，还能实现对液体的自动搅拌工作，使液体温度更均匀；化学实验中一些需要演示爆炸、剧烈反应的实验，通常具有一定危险性和毒性，例如金属钠投入水中的反应、镁条在氯气中的燃烧、粉末爆炸等，使用本机器人的遥控操作功能和高清图像传输功能可以解决人员安全和现象观察之间的矛盾。再如，中学生物实验中经常需要监控种子生长环境的湿度、光照、温度等，是一个长时间实验，使用本机器人的湿度控制、光照检测、温度检测功能等，不但可以做到无人值守，还能通过WIFI实时发布最新的测量数据；在蔬菜大棚控制房内，机器人能自主巡逻，帮助管理人员实现全天候环境监测，环境异常报警等，一些费时费力的教学实验在本机器人的辅助下开设起来会变得非常容易和简便，解放实验人员的负担。此外，一些课堂演示实验还可以通过高清图像系统从各个角度摄录并发布出来，完全可替代传统的幻灯机及实物展台这类装置，做到一机多用，即便在较远的地方，但只要能接入计算机网络就能通过移动设备观看到。多通路图像传输系统可以全方位展示实验结果，本系统的视频软件系统能同时展示4通道图像，全方位图像直播不再是难题。机器人系统还具有双向的通信能，可实现异地教学互动，提高教育的信息化水平。现代移动设备如手机、笔记本、平板等均可以与机器人互联组建现代办公环境。本发明多功能教育机器人系统还具有以下优点：

(1)机器人开发控制容易，入门简单，同时也能支持高级专业开发；系统设计了一种图形化编程开发工具，对机器人的控制简化到只要能规划出控制思路就能达到设计控制程序的目的，降低了专业性要求。入门简单、方便、非常适合非专业人员使用，以及中学生入门使用，解决了中学生编程困难的问题。系统是图形化的，但能给出可以编辑的源代码，这些代码完全开源，因此高级开发也能方便应用，为创新设计奠定了必要的基础。对教学和实际项目开发都能很好地支持。

(2)结构设计根据电气特点模块化，即机器人在结构上根据电气特点模块化设计，可以将这些模块拆分和组装，便于实现各种功能，分解复杂控制，可开设各种机器人实验；模块的可组装性，使机器人实验可由简单到复杂、由教师演示到学生自己独立完成，能有效支持教材中的各个内容。

(3)可实现远程资源共享，即除了点对点的蓝牙通信以外，专门设计了WIFI通信，借助Intel网或者机器人自身的组网能力，可以实现异地双向多通路通信，以及多跳中继通信；不但可以把异地教学资源通过机器人系统共享出来，还可以在常见移动终端如手机、平板电脑等实现教育资源共享，体现现代科技给教育带来的便利性。

(4)兼容性强，拓展应用广，即系统不仅仅是可以开设出机器人相关教学，还可以改造和升级多种学校教育中常用的设备，提高旧设备的精度或者扩展旧设备的功能，甚至能完全替代某些设备；机器人设备不再是针对机器人课程的设备，它具有通用性，完全能辅助和支持多种课程的教学工作。

附图说明

图1为本发明多功能教育机器人系统的结构原理图；

图2本发明多功能教育机器人系统的机械结构的示意图。

具体实施方式

如图1所示，本发明多功能教育机器人系统，包括核心控制板单元1、传感器单元2、通信单元3、运动单元4、语音处理单元5、LED灯6、显示单元7和电源管理模块8。

该核心控制板单元1采用的是微处理器且由电源管理模块8为供电，微处理器是整个机器人的控制核心，相当于人的大脑，负责信号的采集与处理、负责车体的运动控制、机械手的操控等功能；微处理器可以读取各种传感器的信息，作为机器人对环境的信息采集，并根据传感器信息，控制运动单元、通信单元等的工作状态。

该传感器单元2电连接于核心控制单元1且由电源管理模块8为供电，其用于完成机器人对环境的识别与自我状态检测且包括测速传感器21、温度传感器22、灰度传感器23、测障传感器24以及图像传感器25。其中，该测速传感器21、温度传感器22、灰度传感器23和测障传感器24均连接于核心控制板单元1；该测速传感器21用于检测出车体运动的速度；该温度传感器22为外扩展传感器，其用于在需要测量温度的场合实现温度探测；该灰度传感器23用于检测地面的灰度信息，在机器人运动过程中可以实现巡线，地面颜色变化检测等功能；该测障传感器24用于检测障碍的存在，避免机器人与其它物体发生碰撞；该图像传感器25用于实现图像信息采集，其包括第一图像传感器251、第二图像传感器252、第三图像传感器253和第四图像传感器254；即每个机器人有4路图像采集，可以实现不同视角的图像获取，安装于机器人车体上方，可以观察四周的环境，也可以拆分出来作为其它用途来使用。该测速传感器21、测障传感器24、灰度传感器23用于机器人运动过程中的环境监测，可独立拆分出来，与主控制器构成其它用途的检测，例如物理实验、化学实验中的信号检测。

该通信单元3与核心控制板系统1电连接且由电源管理模块8为供电，该通信系统3包括WIFI通信模块31、USB通信模块32和蓝牙通信模块33。该WIFI通信模块31主要负责机器人与Intel网的通信以及机器人之间的相互通信；该WIFI通信模块31包括语音输入输出、多通道视频输入，以及无线通信；该WIFI通信模块31是数据和信息的通信，计算机、手机可以通过WIFI实现与机器人的连接，实现图像、语音、各种传感器采集数据的共享。其中，该WIFI通信模块31为具有多通道能力的WIFI通信模块，其一端与微处理器双向连接，另一端与该传感器单元2的图像传感器25电连接。该USB通信模块32是有线通信，其一端双向连接核心控制板单元1，另一端双向连接外置计算机，可实现编程计算机生成的控制代码烧录到机器人核心控制器的功能，同时也能完成机器人与计算机之间的有线数据通信与控制。该蓝牙通信模块33与核心控制板单元1双向连接，其是开发设计机器人的编程员与机器人之间的控制通信，通过蓝牙编程员可以实现对机器人的遥控等控制，蓝牙通信可以是手机与机器人之间实现遥控控制，也可以是计算机与机器人之间实现遥控控制。

该运动单元4电连接于核心控制板单元1且由电源管理模块8为供电，其包括直流电机运动模块41和舵机运动模块42；其中，该直流电机运动模块41用于机器人车体的运动控制，实现如前进、后退、左转、右转的运动控制；该舵机运动模块42用于实现机械手的操作，如夹取、搬移、旋转、摆放等机械手的操作。

该语音处理单元5用于完成对语音信号的采集与转换且由电源管理模块8供电，其中，语音处理单元5主要采集来自麦克风的模拟信号的数字化、压缩、编码；语音处理单元5的转换是将要输出的语音信息，实现解码、反压缩、并转变成模拟信号驱动扬声器输出成人能识别的声音；该语音处理单元5与该通信系统3的WIFI通信模块31连接，并由WIFI通信模块31完成采集与转换工作。

该LED灯6电连接于核心控制板系统1且由电源管理模块8为供电，其为扩展的模块且安装在机器人上可用于模拟车辆的转弯灯、主灯、尾灯等，还可以用于演示流水灯等简单控制实验的过程。

该显示单元7电连接于该核心控制板单元1且由电源管理模块8为供电，其主要采用LCD或LED显示屏，可以显示出如温度、湿度、时间、机器人状态等信息，便于人机对话。

该电源管理模块8为机器人所有单元的供电系统，其产生不同的电压，如5V、9V、3.3V等供机器人上不同单元的电路使用；例如，WIFI使用3.3v电源。控制器使用5v电源、直流电机使用9v电源。

如图2所示，本发明具有远程资源共享的多功能教育机器人系统的机械结构是由车体01、主控制箱02、无线通信装置03、机械手04、扩展接口05和扩展模块组成；其中，该车体01主要安装了电机运动系统、常规传感器(灰度传感器、测速传感器等)、电源等；该机械手04主要由舵机、云台等组成；该无线通信装置主要由WIFI、蓝牙、语音、图像传感器等单元组成；该扩展接口是配合扩展模块的接口，扩展模块如LED灯、液晶显示器、键盘、温度传感器等。所有的单元与模块都设计为可拆卸的方式，便于拆卸和随机安装在机器人上，方便与其它设备之间的连接和组装。

本发明结构设计简单、合理，成本低，入门简单；模块化设计便于拆分和组装，便于实现各种功能，开设各种机器人实验；也可以与其它设备一起，辅助其它课程的开设；通信组网可实现异地双向多通路通信以及多跳中继通信；兼容性强，拓展应用广，适于推广与应用。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作任何其他形式的限制，而依据本发明的技术实质所作的任何修改或等同变化，仍属于本发明所要求保护的范围。

Claims (8)

1.一种多功能教育机器人系统，其特征在于：所述机器人系统包括电源管理模块以及均由所述电源管理模块供电的核心控制板单元、传感器单元、通信单元和运动单元；

所述核心控制板单元采用的是微处理器，其用于信号的采集与处理、车体的运动控制以及机械手的操控；

所述传感器单元电连接于所述核心控制单元，其用于完成机器人对环境的识别与自我状态检测；所述传感器单元包括用于检测车体运动速度的测速传感器、用于在需要测量温度的场合实现温度探测的温度传感器、用于检测地面灰度信息的灰度传感器、用于检测障碍的测障传感器以及用于实现图像信息采集的图像传感器；所述测速传感器、温度传感器、灰度传感器和测障传感器均连接于所述核心控制板单元；所述图像传感器与所述通信单元连接并通过所述通信单元连接所述核心控制板单元；

所述通信单元包括WIFI通信模块、USB通信模块和蓝牙通信模块；所述WIFI通信模块一端双向连接所述核心控制板单元，另一端与所述图像传感器连接，以实现外置无线通信设备与机器人之实现数据、信息的通信；所述USB通信模块一端双向连接所述核心控制板单元，另一端双向连接外置计算机，以实现机器人控制代码的烧录以及机器人与计算机之间的有线数据通信与控制；所述蓝牙通信模块与所述核心控制板单元双向连接，以实现编程员与机器人之间的控制通信或者计算机与机器人之间遥控控制；

所述运动单元电连接于所述核心控制单元，其包括用于机器人车体运动控制的直流电机运动模块和用于实现机械手操作的舵机运动模块。

2.如权利要求1所述的多功能教育机器人系统，其特征在于：所述机器人系统还包括由所述电源管理模块供电的语音处理单元、LED灯和显示单元；

所述语音处理单元与WIFI通信模块31连接并由所述WIFI通信模块完成对语音信号的采集与转换；

所述LED灯电连接于所述核心控制板单元，其为扩展的模块且由所述电源管理模块供电；

所述显示单元电连接于所述核心控制板单元，其采用LCD或LED显示屏。

3.如权利要求2所述的多功能教育机器人系统，其特征在于：所述语音处理单元的采集是指采集来自麦克风的模拟信号的数字化、压缩、编码；所述语音处理单元的转换是将要输出的语音信息，实现解码、反压缩、并转变成模拟信号驱动扬声器输出人能识别的声音。

4.如权利要求1所述的多功能教育机器人系统，其特征在于：所述微处理器可读取各种传感器的信息，作为机器人对环境的信息采集，并根据传感器信息控制运动单元和通信单元的工作状态。

5.如权利要求1所述的多功能教育机器人系统，其特征在于：所述测速传感器、测障传感器、灰度传感器可独立拆分出来与主控制器构成新用途的检测。

6.如权利要求1所述的多功能教育机器人系统，其特征在于：所述图像传感器包括与所述WIFI通信模块连接的第一图像传感器、第二图像传感器、第三图像传感器和第四图像传感器。

7.如权利要求1所述的多功能教育机器人系统，其特征在于：所述WIFI通信模块包括语音输入输出、多通道视频输入以及无线通信，其用于机器人与Intel网的通信以及机器人之间的相互通信。

8.如权利要求1所述的多功能教育机器人系统，其特征在于：所述机器人系统的机械结构是由所述车体、装设于所述车体上的主控制板以及与所述主控制板连接的无线通信装置、扩展接口、扩展模块和所述机械手组成。