CN107322600A - 一种可编程的教育机器人系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种可编程的教育机器人系统，包电源管理单元、主控制器单元、无线通信单元、传感器单元、机械手臂控制单元、车体运动控制单元、语音播放单元、扩展应用单元、编程接口单元、蜂鸣器和指示灯；所述主控制器单元分别与无线通信单元、传感器单元、机械手臂控制单元、车体运动控制单元、语音播放单元、扩展应用单元、编程接口单元、蜂鸣器和指示灯进行通讯连接。本发明的有益效果：1)操作简单，成本低，可很好普及到学校；2)提供图形化、C语言、汇编语言编程环境，方便用户学习课程体系；3)用户可以任意操作主控制器单元，进行二次开发，自由扩展外部设备，便于用户的创新。
Description
技术领域
本发明涉及机器人技术领域，特别涉及一种可编程的教育机器人系统。
背景技术
随着科学技术的发展，人们普遍认识到基础技术人才培养的重要性，目前有由科委牵头在中小学生群体中推广机器人教育和竞赛，培养创新性的科技人才，但目前机器人教育中存在主要问题：
大多数公司开发的教育机器人主要是针对机器人竞赛，为中小学生提供参加竞赛的产品和图形化编程方法，机器人功能固化，不能很好训练学生的逻辑和思维能力。
市面上大多数机器人均是由学生自己联想进行组装，实现对应的功能，但不能在此基础上对机器人做二次开发，只适合传统应试教育，不能很好地开发学生动手、思维和创新能力。
大多数小、中、高和大学在校学生没有进行嵌入式处理器方面知识的系统学习，不具备采用深度开发和使用C语言或汇编语言嵌入式编程的基础，因此对机器人的功能拓展难于实现。
特别是中职、高职和大学学生在学校毕业后，因对嵌入式处理器知识了解很少，知识与实际脱节，不能很快适应企业对技术人才快速融入的要求。
发明内容
针对上述现有的教育机器人功能固化，不能很好训练学生的逻辑和思维能力，，不具备采用深度开发和使用C语言或汇编语言嵌入式编程的基础，因此对机器人的功能拓展难于实现等问题，本发明要解决的技术问题是提供一种可编程的教育机器人系统。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案为：一种可编程的教育机器人系统，包电源管理单元、主控制器单元、无线通信单元、传感器单元、机械手臂控制单元、车体运动控制单元、语音播放单元、扩展应用单元、编程接口单元、蜂鸣器和指示灯，所述电源管理单元为主控制器单元、无线通信单元、传感器单元、机械手臂控制单元、语音播放单元、车体运动控制单元、扩展应用单元、编程接口单元供电，所述主控制器单元分别与无线通信单元、传感器单元、机械手臂控制单元、车体运动控制单元、语音播放单元、扩展应用单元、编程接口单元、蜂鸣器和指示灯进行通讯连接。
上述方案的优选方案为：所述电源管理单元包括为机器人整机供电的可充电锂电池、第1级LDO和第2级LDO；所述可充电锂电池为所述第1级LDO供电；所述第1级LDO将可充电锂电池电压转换为5V直流电压，为所述语音播放单元、机械手臂控制单元和第2级LDO供电；所述第2级LDO将第1级LDO输出的电压转换为3.3V的直流电压，为所述主控制器单元、无线通信单元、传感器单元、扩展应用单元、编程接口单元供电。
上述方案的优选方案为：所述主控制器单元为32位ARM Cortex-M3微处理器，用于所有外部及内部信号的采集与处理、车体的运动控制和机械手臂的操控、通信指令的解析和处理。
上述方案的优选方案为：所述无线通信单元包括无线手柄通信模块、WIFI通信模块、无线手柄和无线WIFI设备；所述主控制器单元通过控制无线手柄通信模块向无线手柄发出读取按键值的请求指令，无线手柄根据请求返回按键值到无线手柄通信模块，再由无线手柄通信模块将按键值转递给主控制器单元进行数据处理；实现操作人员与机器人之间的控制通信，所述主控制器单元通过WIFI通信模块与无线WIFI设备与机器人之间的数据交换。
上述方案的优选方案为：所述传感器单元包括包含声音传感器、地面灰度传感器、红外传感器和超声波传感器，用于完成周围环境数据的识别和检测；所述声音传感器是通过MIC将机器人周边噪声和声音信号转换为电信号并进行放大后将声音数据传递给主控制器单元，主控制器单元通过与基准信号比较或读取输入状态判断声音是否超过控制门限，主控制器单元根据设置条件控制机械手臂和车体运动的工作状态；所述地面灰度传感器嵌入到在机器人底盘，通过5组光敏二极管采集地面不同颜色的反射光并将其转换为电信号给主控制器单元，用于机器人行走轨迹任务的路线识别，主控制器单元通过计算和处理采集到的信号并根据设置条件控制机械手臂和车体运动的工作状态；所述红外传感器安装在机器人前端，所述主控制器单元控制红外发射二极管发出38kHz的红外光源，当前方有障碍物时，红外传感器内的红外接收二极管接收到返回的红外光源，并输出一个电平转换信号给主控制器单元，主控制器单元根据设置条件控制机械手臂和车体运动的工作状态；所述超声波传感器安装在机器人前端，所述主控制器单元控制超声波传感器发出超声波信号，当前方有障碍物物时，超声波传感器收到超声波返回信号，并产生一个电平信号给主控制器单元，主控制器单元根据超声波传感器产生的电平信号计算前方障碍物与机器人之间的距离，然后根据设置条件控制机械手臂和车体运动的工作状态。
上述方案的优选方案为：所述机械手臂控制单元包括支架和机械手臂，所述机械手臂包括第一舵机、连接支架、第二舵机和夹具；所述第一舵机安装在支架上；所述第一舵机与第二舵机通过连接支架连接；所述第二舵机上连接有夹具，第一舵机用于控制机械手臂的翻转角度，第二舵机用于控制机械手臂的张开与合拢，进行夹取物品或叉取物品。
上述方案的优选方案为：所述车体运动控制单元包括车座、直流电机控制模块、4个直流电机和4个车轮；所述车座上设置有4个直流电机和4个车轮；所述直流电机与车轮一一对应连接，直流电机通过机械传动车轮，实现车轮的转动控制；所述直流电机控制模块与直流电机连接；所述主控制器单元控制直流电机控制模块实现机器人的运动控制。
上述方案的优选方案为：所述语音播放单元包括音频解码芯片、TF卡座、音频放大器和扬声器；所述主控制器单元通过指令控制音频解码芯片的工作状态；所述TF卡座连接到音频解码芯片，由音频解码芯片读取TF卡中的音频文件，通过音频解码后将信号给音频放大器，声音信号通过放大后推动扬声器发出声音。
上述方案的优选方案为：所述扩展应用单元为用户提供可编程的操作接口，用于用户通过主控制器单元获取外部设备数据或控制外部设备。
上述方案的优选方案为：所述编程接口单元一端连接到主控制器单元，另外一端通过串口线缆连接到电脑，用于将用户通过电脑编程的程序下载到机器人并运行和验证程序正确性。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1)操作简单，成本低，可很好普及到学校；
2)提供图形化、C语言、汇编语言编程环境，方便用户学习课程体系。
3)底层驱动进行模块化封装，用户不需要了解嵌入式处理器底层代码就可实现编程。
4)用户可以任意操作主控制器单元，进行二次开发，自由扩展外部设备，便于用户的创新。
5)通过本机器人教学课程的开展，可以使学生深入了解嵌入式处理器架构，做到学以致用。
6)灰度传感器嵌入到底盘中，5组地面灰度识别，可以很好识别线路和避开障碍。
附图说明
图1为本发明一种可编程的教育机器人系统的示意图；
图2为本发明中机械手臂的结构示意图；
图3为本发明中车体的结构示意图；
图4为本发明中机器人整机的示意图。
图中：1-电源管理单元，2-主控制器单元，3-语音播放单元，4-机械手臂控制单元，5-车体运动控制单元，6-指示灯，7-蜂鸣器，8-传感器单元，9-编程接口单元，10-扩展应用单元，11-无线通信单元，41-支架，42-第一舵机，43-第二舵机，44-机械手臂，45-夹具，51-车座，52-车轮，53-直流电机，12-机器人车体。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。在此需要说明的是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
如图1、2、3、4所示,本实施例的一种可编程的教育机器人系统，包电源管理单元1、主控制器单元2、无线通信单元11、传感器单元8、机械手臂控制单元4、车体运动控制单元5、语音播放单元3、扩展应用单元10、编程接口单元9、蜂鸣器7和指示灯6，电源管理单元1为主控制器单元2、无线通信单元11、传感器单元8、机械手臂控制单元4、语音播放单元3、车体运动控制单元5、扩展应用单元10、编程接口单元9供电，主控制器单元2分别与无线通信单元11、传感器单元8、机械手臂控制单元4、车体运动控制单元5、语音播放单元3、扩展应用单元10、编程接口单元9、蜂鸣器7和指示灯6进行通讯连接。
其中，电源管理单元1包括为机器人整机供电的可充电锂电池、第1级LDO和第2级LDO；可充电锂电池为第1级LDO供电；第1级LDO将可充电锂电池电压转换为5V直流电压，为语音播放单元3、机械手臂控制单元4和第2级LDO供电；所述第2级LDO将第1级LDO输出的电压转换为3.3V的直流电压，为主控制器单元2、无线通信单元11、传感器单元8、扩展应用单元10、编程接口单元9供电。
其中，主控制器单元2为32位ARM Cortex-M3微处理器，用于所有外部及内部信号的采集与处理、车体的运动控制和机械手臂的操控、通信指令的解析和处理。
其中，无线通信单元11包括无线手柄通信模块、WIFI通信模块、无线手柄和无线WIFI设备；主控制器单元2通过控制无线手柄通信模块向无线手柄发出读取按键值的请求指令，无线手柄根据请求返回按键值到无线手柄通信模块，再由无线手柄通信模块将按键值转递给主控制器单元2进行数据处理；实现操作人员与机器人之间的控制通信，主控制器单元2通过WIFI通信模块与无线WIFI设备与机器人之间的数据交换。
其中，传感器单元8包括包含声音传感器、地面灰度传感器、红外传感器和超声波传感器，用于完成周围环境数据的识别和检测；声音传感器是通过MIC将机器人周边噪声和声音信号转换为电信号并进行放大后将声音数据传递给主控制器单元2，主控制器单元2通过与基准信号比较或读取输入状态判断声音是否超过控制门限，主控制器单元2根据设置条件控制机械手臂和车体运动的工作状态；地面灰度传感器嵌入到在机器人底盘，通过5组光敏二极管采集地面不同颜色的反射光并将其转换为电信号给主控制器单元2，用于机器人行走轨迹任务的路线识别，主控制器单元2通过计算和处理采集到的信号并根据设置条件控制机械手臂和车体运动的工作状态；红外传感器安装在机器人前端，主控制器单元2控制红外发射二极管发出38kHz的红外光源，当前方有障碍物时，红外传感器内的红外接收二极管接收到返回的红外光源，并输出一个电平转换信号给主控制器单元2，主控制器单元2根据设置条件控制机械手臂和车体运动的工作状态；超声波传感器安装在机器人前端，主控制器单元2控制超声波传感器发出超声波信号，当前方有障碍物物时，超声波传感器收到超声波返回信号，并产生一个电平信号给主控制器单元2，主控制器单元2根据超声波传感器产生的电平信号计算前方障碍物与机器人之间的距离，然后根据设置条件控制机械手臂和车体运动的工作状态。
其中，机械手臂控制单元4包括固定支架41和机械手臂44，机械手臂44包括第一舵机42、连接支架46、第二舵机43和夹具45；第一舵机42安装在固定支架41上；第一舵机41与第二舵机43通过连接支架46连接；第二舵机43上连接有夹具45，第一舵机用于控制机械手臂的翻转角度，第二舵机用于控制机械手臂的张开与合拢，进行夹取物品或叉取物品。
其中，车体运动控制单元5包括车座51、直流电机控制模块、4个直流电机53和4个车轮52；车座51上设置有4个直流电机53和4个车轮52；直流电机53与车轮52一一对应连接，直流电机通过机械传动车轮，实现车轮的转动控制；所述直流电机控制模块与直流电机连接；所述主控制器单元控制直流电机控制模块实现机器人的运动控制。
其中，语音播放单元3包括音频解码芯片、TF卡座、音频放大器和扬声器；所述主控制器单元通过指令控制音频解码芯片的工作状态；所述TF卡座连接到音频解码芯片，由音频解码芯片读取TF卡中的音频文件，通过音频解码后将信号给音频放大器，声音信号通过放大后推动扬声器发出声音。
其中，扩展应用单元10为用户提供可编程的操作接口，用于用户通过主控制器单元获取外部设备数据或控制外部设备。
其中，编程接口单元9一端连接到主控制器单元，另外一端通过串口线缆连接到电脑，用于将用户通过电脑编程的程序下载到机器人并运行和验证程序正确性。
以上结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但本发明不限于所描述的实施方式。对于本领域的技术人员而言，在不脱离本发明原理和精神的情况下，对这些实施方式进行多种变化、修改、替换和变型，仍落入本发明的保护范围内。
Claims (10)
1.一种可编程的教育机器人系统，其特征在于：包括电源管理单元、主控制器单元、无线通信单元、传感器单元、机械手臂控制单元、车体运动控制单元、语音播放单元、扩展应用单元、编程接口单元、蜂鸣器和指示灯；所述电源管理单元为主控制器单元、无线通信单元、传感器单元、机械手臂控制单元、语音播放单元、车体运动控制单元、扩展应用单元、编程接口单元供电；所述主控制器单元分别与无线通信单元、传感器单元、机械手臂控制单元、车体运动控制单元、语音播放单元、扩展应用单元、编程接口单元、蜂鸣器和指示灯进行通讯连接。
2.根据权利要求1所述的一种可编程的教育机器人系统，其特征在于：所述电源管理单元包括为机器人整机供电的可充电锂电池、第1级LDO和第2级LDO；所述可充电锂电池为所述第1级LDO供电；所述第1级LDO将可充电锂电池电压转换为5V直流电压，为所述语音播放单元、机械手臂控制单元和第2级LDO供电；所述第2级LDO将第1级LDO输出的电压转换为3.3V的直流电压，为所述主控制器单元、无线通信单元、传感器单元、扩展应用单元、编程接口单元供电。
3.根据权利要求1所述的一种可编程的教育机器人系统，其特征在于：所述主控制器单元为32位ARM Cortex-M3微处理器。
4.根据权利要求1所述的一种可编程的教育机器人系统，其特征在于：所述无线通信单元包括无线手柄通信模块、WIFI通信模块、无线手柄和无线WIFI设备；所述主控制器单元通过控制无线手柄通信模块向无线手柄发出读取按键值的请求指令，无线手柄根据请求返回按键值到无线手柄通信模块，再由无线手柄通信模块将按键值转递给主控制器单元进行数据处理；实现操作人员与机器人之间的控制通信，所述主控制器单元通过WIFI通信模块与无线WIFI设备与机器人之间的数据交换。
5.根据权利要求1所述的一种可编程的教育机器人系统，其特征在于：所述传感器单元包括包含声音传感器、地面灰度传感器、红外传感器和超声波传感器；所述声音传感器是通过MIC将机器人周边噪声和声音信号转换为电信号并进行放大后将声音数据传递给主控制器单元；所述地面灰度传感器嵌入到在机器人底盘，通过5组光敏二极管采集地面不同颜色的反射光并将其转换为电信号给主控制器单元；所述红外传感器安装在机器人前端，所述主控制器单元控制红外发射二极管发出38kHz的红外光源，当前方有障碍物时，红外传感器内的红外接收二极管接收到返回的红外光源，并输出一个电平转换信号给主控制器单元；所述超声波传感器安装在机器人前端，所述主控制器单元控制超声波传感器发出超声波信号，当前方有障碍物物时，超声波传感器收到超声波返回信号，并产生一个电平信号给主控制器单元。
6.根据权利要求1所述的一种可编程的教育机器人系统，其特征在于：所述机械手臂控制单元包括支架和机械手臂，所述机械手臂包括第一舵机、连接支架、第二舵机和夹具；所述第一舵机安装在支架上；所述第一舵机与第二舵机通过连接支架连接；所述第二舵机上连接有夹具。
7.根据权利要求1所述的一种可编程的教育机器人系统，其特征在于：所述车体运动控制单元包括车座、直流电机控制模块、4个直流电机和4个车轮；所述车座上设置有4个直流电机和4个车轮；所述直流电机与车轮一一对应连接；所述直流电机控制模块与直流电机连接；所述主控制器单元控制直流电机控制模块实现机器人的运动控制。
8.根据权利要求1所述的一种可编程的教育机器人系统，其特征在于：所述语音播放单元包括音频解码芯片、TF卡座、音频放大器和扬声器；所述主控制器单元通过指令控制音频解码芯片的工作状态；所述TF卡座连接到音频解码芯片，由音频解码芯片读取TF卡中的音频文件，通过音频解码后将信号给音频放大器，声音信号通过放大后推动扬声器发出声音。
9.根据权利要求1所述的一种可编程的教育机器人系统，其特征在于：所述扩展应用单元为用户提供可编程的操作接口，用于用户通过主控制器单元获取外部设备数据或控制外部设备。
10.根据权利要求1所述的一种可编程的教育机器人系统，其特征在于：所述编程接口单元一端连接到主控制器单元，另外一端通过串口线缆连接到电脑，用于将用户通过电脑编程的程序下载到机器人并运行和验证程序正确性。
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