CN105479489A - 模块化的机器人可编程片上系统实验装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种模块化的机器人可编程片上系统实验装置，包括：控制核心板、接口扩展板、驱动模块、传感器模块、多个连接组件，所述多个连接组件组装成机器人框架，控制核心板、接口扩展板、执行模块、传感器模块分别安装在多个连接组件上；其中：接口扩展板实现与控制核心板之间的数据传输；控制核心板包括：处理器和存储单元，用于处理和存储传感器模块、接口扩展板连接的各种外部设备所上传数据，并发送相应的控制指令；执行模块用于根据控制核心板的控制指令进行功率放大后、驱动执行电机完成指定的动作。本发明能够根据用户的需求进行相应的实验，组合相关传感器，搭建机器人平台，使得设计硬件平台更灵活，加快机器人软件平台的开发。

Description

模块化的机器人可编程片上系统实验装置

技术领域

本发明涉及智能技术领域的机器人实验装置，具体地，涉及一种模块化的机器人可编程片上系统实验装置。

背景技术

机器人是一种可编程和多功能的操作机，或是为了执行不同的任务而具有可用电脑改变和可编程动作的专门系统。机器人包括执行机构、驱动装置、检测装置以及控制系统组成，其中检测装置进行检测主要是基于各种传感器完成。近年来，围绕机器人的研发工作越来越多，搭建机器人平台以及基于机器人平台做相关实验成为研发工作的必然环节。机器人软件平台开发包含了大量的驱动程序，控制程序，工作量较大，可编程的片上系统以及对应的开发工具，给传感器驱动程序的开发工作带来极大的便利。用户在开发工具上只需要选择需求的传感器组件，会自动生成对应传感器组件的开发包，开发包中包含对该传感器进行控制以及读写操作的函数，用户只需基于应用层调用相关函数，就可以轻松实现逻辑控制，数据采集，动作执行等工作。但是，传感器品目繁多，在基于可编程边上系统为核心的机器人平台上实现各种常用机器人传感器的实验，以及根据用户需求，搭建含有不同传感器以及传感器组合的机器人平台，分配控制系统的资源，进行跳线连接，流程繁琐，耗费时间，这种实验方式极为不便，同时给实验的稳定性造成影响。一种基于可编程片上系统的模块化机器人实验装置可以有效应对这个问题，它结合可编程片上系统的开发包的模块化，同时增加了外部硬件接口的模块化，使围绕该机器人实验装置做相关的实验和开发工作变得简单方便。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种模块化的机器人可编程片上系统实验装置。

根据本发明提供的模块化的机器人可编程片上系统实验装置，包括：控制核心板、接口扩展板、驱动模块、传感器模块以及多种连接组件，所述多种连接组件组装成机器人框架，所述控制核心板、接口扩展板、执行模块、传感器模块分别安装在多种连接组件上；其中：

所述接口扩展板包括多种扩展接口，用于连接各种外部设备，并与控制核心板之间电连接，实现与控制核心板之间的数据传输；

所述控制核心板包括：处理器和存储单元，用于处理和存储传感器模块、接口扩展板连接的各种外部设备的上传数据，并发送相应的控制指令；

所述驱动模块，用于根据控制核心板的控制指令驱动机器人完成指定的动作。

优选地，还包括电源模块，所述电源模块由电池与电压转换器组成，电池通过电压转换器与接口扩展板上的电源接口相连，能够提供多种不同规格的电压。

优选地，所述多种连接组件通过螺丝、螺母方式连接构成机器人框架；具体地，所述连接组件采用标准的工业铝型材，铝型材之间通过螺丝、螺母连接构成机器人框架。

优选地，所述接口扩展板的多种扩展接口包括：电源接口、LCD显示接口、传感器模块接口、电机接口、模拟IO接口、数字IO接口、PWM接口、UART接口、I2C接口。

优选地，所述传感器模块包括：红外测距传感器、超声波测距传感器、碰撞传感器、光敏传感器、姿态传感器、加速度传感器以及光电编码器。

优选地，所述驱动模块包括：舵机、伺服电机以及与电机相连的车轮，电机与车轮的转轴同传感器模块的光电编码器相连；当电机带动车轮旋转时也带动光电编码器旋转，通过光电编码器信号输出得到机器人运动位置与速度。

根据本发明提供的与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、本发明提供的模块化的基于可编程片上系统的机器人实验装置，通过连接驱动模块、电源模块、传感器的标准通讯接口，可快速的实现机器人硬件平台的搭建，进行机器人平台的相关实验，设计特定用途的机器人。

2、本发明提供的模块化的基于可编程片上系统的机器人实验装置的机器人传感器与驱动器的模块化接口由信号线、电源线组成，便于硬件连接插拔，避免繁琐的接线、跳线流程，减少硬件连接错误，使得实验或者制作过程更具有规范性。

3、本发明提供的模块化的基于可编程片上系统的机器人实验装置通过引出控制核心板的资源，集成了基本的模拟IO、数字IO，并对PWM、UART、I2C等接口进行模块化，对通用的机器人传感器与驱动器接口进行模块化集成，能够更加有效、便捷地实现机器人的通信与控制实验；得到相应的模块化接口，使得实验过程更简洁、规范，可以加快机器人硬件系统的搭建流程。

4、本发明提供的模块化的基于可编程片上系统的机器人实验装置可以根据用户的需求，进行相应的实验，组合相关传感器，搭建机器人平台，让设计硬件平台更灵活；同时由于控制核心板是可编程片成片系统，软件开发可实现模块化，加快机器人软件平台的开发，该实验装置不仅局限进行相关机器人实验，还可以根据特定需求，应用于军事、工业、安保、教育等领域。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明中的接口扩展板与装置控制核心板示意图；

其中：CORE-BOARD为实验装置的控制核心板，其上的接口J1与J2用于将接口扩展板与控制核心板相连；ADC为内置模拟IO的接口；ENCODER为光电编码器接口；PWM为舵机与伺服电机的PWM信号输出端口；BUMPER为碰撞传感器信号通讯接口；SRO4为超声波测距传感器信号通讯接口；IR为红外测距传感器信号通讯接口；RHEOSTAT为模拟IO信号处理实验模块；SWITCH为数字IO信号信号处理实验模块；接口扩展板还包括：I2C、UART、SPI等接口用于与外部设备进行通信；LCD为扩展显示屏接口；POWER为电源模块。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

根据本发明提供的模块化的机器人可编程片上系统实验装置包括：控制核心板、接口扩展板、电源模块、驱动模块、传感器模块、连接组件；各连接组件通过螺丝、螺母连接构成机器人框架，控制核心板、接口扩展板、电源模块、驱动模块、传感器模块分别安装于连接组件上，构成机器人本体；所述的控制核心板包括处理器、存储器单元，控制核心板与接口扩展板以插接形式插接在一起；所述的接口扩展板包括：基本通信接口、连接各类常见传感器的标准通讯接口；所述电源模块由电池与电压转换器组成，能够得到机器人控制电路中所需的各种规格电压；所述的驱动模块包括舵机、伺服电机及与电机相连的车轮等；所述的传感器模块包括各类常见传感器，能够和接口扩展板上传感器的标准通讯接口连接使用。

控制核心板是具有运算、存储、控制等功能为一体的控制器，内置处理器、存储器单元，并具有USB-UART与计算机进行通信。

接口扩展板与和控制核心板插接在一起，通过接插口将控制核心板的IO(输入与输出)资源引出，并对IO进行合理的分配和模块化，主要体现在，分配了用于模拟IO、数字IO的接口，对PWM、UART、I2C等接口所需要的信号线、电源线等整合，形成PWM模块、UART模块、I2C模块，对于舵机、光电编码器、红外测距传感器、超声波测距传感器、碰撞传感器、光敏传感器、姿态传感器与加速度传感器等的常见传感器的信号线、电源线、地线整合为相应的模块，形成连接这些传感器的标准通讯模块，便于传感器连接以及组合使用。通过对IO资源的模块化，能够更为便捷的进行相关基本通信实验，所述通信实验包括：模拟IO、数字IO、PWM控制电机、UART通信、I2C通信以及各类传感器的模块实验。同时由于模块化标准通讯接口的存在，用户可根据自己的需求，灵活组合，设计满足不同需求的机器人平台。接口扩展板上还有电源模块，用于输出各种不同规格的电压。

供电模块主要由电池和电压转换器组成，电池用于给机器人系统供电，主要包括电机以及其他传感器，具体是通过与接口扩展板上的电压转换器连接，可输出常见机器人传感器、执行器等部件的工作电压，包括3.3V、5V、12V、24V等。

驱动模块主要包括电机以及与电机相连的车轮等，电机与车轮的转轴与传感器模块中的光电编码器相连，电机带动车轮旋转时，也同时带动光电编码器旋转，通过光电编码器信号输出可以得到机器人运动位置与速度。

传感器模块是用户选择、组合的多传感器系统，传感器包括舵机、光电编码器、红外测距传感器、超声波测距传感器、碰撞传感器、光敏传感器、姿态传感器与加速度传感器等，用户可根据需求，组合使用，并连接到接口扩展板的模块化的通讯接口上，与其他机器人系统组件构成完整的机器人平台。

连接组件采用端面为20mm×20mm的标准工业铝型材，铝型材端面截成各种角度、长度，上述所有模块外形上均具有与铝型材相同角度斜角形状接口，可以与连接组件实现连接，同时连接组件之间也可对接，连接时将相应角度的连接件对贴，通过螺丝、螺母连接固定即可。

在软件开发过程中，用户可根据需求选择对应的组件，组件包括ADC、DAC、字符型LCD、UART、模拟IO、数字IO等，添加后会自动生成对应的函数库，用户只需调用相关相关函数，而不需要进行关心底层的配置。

本发明涉及的机器人模块化实验装置，用户基于该装置可以实现模拟IO与数字IO信号检测实验、PWM控制电机实验、UART通信、I2C通信实验，以及基于各种常用传感器的测试实验，同时也可以自由的组合传感器成为各种不同用途的机器人系统。这样模块化的组件安装方式将机器人系统化整为零、化繁为简，降低了整个系统维修、更替、升级的成本，也减轻了系统调试的工作量。另外，本发明所涉及的各模块均采用标准的接口格式，可方便用于模块、组件间的组合。这样的组合将减少机器人系统在接口、协议部分的消耗。

具体地，如图1所示，CORE-BOARD是实验装置控制核心板，其上的接口J1与J2用于将接口扩展板与控制核心板相连；ADC是内置ADC的接口，用于连接外部产生模拟信号同时需要AD转换的器件；ENCODER用于连接光电编码器，通过控制核心板测量光电编码器脉冲数；PWM用于输出PWM信号，可连接各种可用PWM信号控制的外部设备，控制电机调速；BUMPER用于连接碰撞传感器；SRO4用于连接超声波测距传感器；IR用于连接红外测距传感器；接口扩展版提供RHEOSTAT与SWITCH测试模块，用于测试数字IO与模拟IO的信号采集实验；接口扩展板同时提供I2C、UART、SPI等多种接口用于与外部设备进行通信；LCD用于连接扩展显示屏，便于实验调试使用；POWER是电源模块，用于连接电池，同时通过电压转换成其他规格:3.3V、5V、12V及24V等。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (6)

1.一种模块化的机器人可编程片上系统实验装置，其特征在于，包括：控制核心板、接口扩展板、驱动模块、传感器模块以及多种连接组件，所述多种连接组件组装成机器人框架，所述控制核心板、接口扩展板、执行模块、传感器模块分别安装在多种连接组件上；其中：

所述接口扩展板包括多种扩展接口，用于连接各种外部设备，并与控制核心板之间电连接，实现与控制核心板之间的数据传输；

所述控制核心板包括：处理器和存储单元，用于处理和存储传感器模块、接口扩展板连接的各种外部设备的上传数据，并发送相应的控制指令；

所述驱动模块，用于根据控制核心板的控制指令驱动机器人完成指定的动作。

2.根据权利要求1所述的模块化的机器人可编程片上系统实验装置，其特征在于，还包括电源模块，所述电源模块由电池与电压转换器组成，电池通过电压转换器与接口扩展板上的电源接口相连，能够提供多种不同规格的电压。

3.根据权利要求1所述的模块化的机器人可编程片上系统实验装置，其特征在于，所述多种连接组件通过螺丝、螺母方式连接构成机器人框架；具体地，所述连接组件采用标准的工业铝型材，铝型材之间通过螺丝、螺母连接构成机器人框架。

4.根据权利要求1所述的模块化的机器人可编程片上系统实验装置，其特征在于，所述接口扩展板的多种扩展接口包括：电源接口、LCD显示接口、传感器模块接口、电机接口、模拟IO接口、数字IO接口、PWM接口、UART接口、I2C接口。

5.根据权利要求1所述的模块化的机器人可编程片上系统实验装置，其特征在于，所述传感器模块包括：红外测距传感器、超声波测距传感器、碰撞传感器、光敏传感器、姿态传感器、加速度传感器以及光电编码器。

6.根据权利要求5所述的模块化的机器人可编程片上系统实验装置，其特征在于，所述驱动模块包括：舵机、伺服电机以及与电机相连的车轮，电机与车轮的转轴同传感器模块的光电编码器相连；当电机带动车轮旋转时也带动光电编码器旋转，通过光电编码器信号输出得到机器人运动位置与速度。