CN108230869A - 教学机器人及教学机器系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种教学机器人及教学机器系统，涉及基于机器人的教学技术领域。该教学机器人可以包括处理器、传感组件、平衡电机、驱动电机及运动组件。其中，处理器与传感组件、平衡电机及驱动电机连接，传感组件可以用于采集图像。平衡电机接收处理器生成的平衡控制指令。运动组件与驱动电机传动连接，驱动电机接收处理器基于图像确定的目标对象及目标对象的位置信息生成的运动控制指令，并带动运动组件运动实现教学机器人对目标对象跟踪运动。本发明提供的教学机器人及教学机器系统结构简单、易于实现，能够自动采集图像并根据确定的目标对象，对目标对象进行跟踪运动，有助于人们对机器人视觉系统进行学习、开发与实践。

Description

教学机器人及教学机器系统

技术领域

本发明涉及基于机器人的教学技术领域，具体而言，涉及一种教学机器人及教学机器系统。

背景技术

随着科技的进步，机器人技术在人类生活和工业生产制造中发挥着越来越重要的作用。利用机器人可以实现在复杂、恶劣、危险环境下作业，也可以减轻劳动强度和提高产品质量。教育机器人作为机器人中的一种特殊机器人，其除用于参加各种比赛外，还可用于学科教学与课外兴趣拓展，提高学生设计、开发、应用机器人的能力和创新能力。

视觉是构成人体感官的重要组成，有60％以上的信息通过视觉进行感受。机器人缺少视觉传感系统就少了很多的功能应用。作为自平衡教育机器人，若少了视觉系统，就不能进行视觉系统的教学，学生不能通过这一装备学习到关于机器人视觉系统的知识，和视觉系统相关的控制机理及软硬件实现方法。例如：目标识别、目标跟随等。因此，如何提供一种可解决上述问题的方案，已成为本领域技术人员的一大难题。

发明内容

为了克服上述现有技术中的不足，本发明提供一种教学机器人及教学机器系统，能够自动采集图像并对图像中的目标对象进行跟踪运动，有助于利用机器人进行操作演示，进而解决上述问题。

为了实现上述目的，本发明较佳实施例所提供的技术方案如下所示：

本发明较佳实施例提供一种教学机器人，包括：

处理器；

与所述处理器连接的用于采集图像的传感组件；

与所述处理器连接的平衡电机，所述平衡电机接收所述处理器基于所述传感组件采集教学机器人的姿态数据生成的平衡控制指令；

与所述处理器连接的驱动电机，以及

与所述驱动电机传动连接的运动组件，其中，所述驱动电机接收所述处理器基于所述图像确定的目标对象及所述目标对象的位置信息生成的运动控制指令，并带动所述运动组件运动实现所述教学机器人对所述目标对象跟踪运动。

可选地，上述传感组件包括：

与所述处理器连接的用于采集教学机器人的所述姿态数据的姿态传感器；

与所述处理器连接的用于采集所述目标对象的所述图像的摄像头。

可选地，上述传感组件还包括超声波测距传感器、激光测距传感器、红外传感器中的至少一种传感器。

可选地，上述教学机器人还包括：用于与管理终端连接的外设接口模块，所述外设接口模块与所述处理器连接。

可选地，上述外设接口模块包括USB接口、I/O接口、RS232接口、RS485接口中的至少一种。

可选地，上述教学机器人还包括与所述处理器连接的显示模块。

可选地，上述教学机器人还包括电源模块，所述电源模块与所述处理器、所述传感组件、所述平衡电机、所述驱动电机连接。

可选地，上述电源模块包括电源管理单元及电池单元，所述电源管理单元与所述电池单元连接。

可选地，上述运动组件为与所述驱动电机传动连接的车轮；

或者，所述运动组件为与所述驱动电机传动连接的皮带轮；

或者，所述运动组件为与所述驱动电机传动连接的机械腿。

本发明较佳实施例还提供一种教学机器系统，包括管理终端及如上所述的教学机器人，所述管理终端与所述教学机器人通信连接。

相对于现有技术而言，本发明提供的教学机器人及教学机器系统至少具有以下有益效果：该教学机器人可以包括处理器、传感组件、平衡电机、驱动电机及运动组件。其中，传感组件与处理器连接，处理器还与平衡电机及驱动电机连接，传感组件可以用于采集图像。平衡电机接收处理器基于传感组件采集教学机器人的姿态数据生成的平衡控制指令。运动组件与驱动电机传动连接，驱动电机接收处理器基于图像确定的目标对象及目标对象的位置信息生成的运动控制指令，并带动运动组件运动实现教学机器人对目标对象跟踪运动。本发明提供的教学机器人及教学机器系统结构简单、易于实现，能够自动采集图像并根据确定的目标对象，对目标对象进行跟踪运动，有助于人们对机器人视觉系统进行学习、开发与实践。

为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举本发明较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍。应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明较佳实施例提供的教学机器人的方框示意图之一。

图2为本发明较佳实施例提供的传感组件的方框示意图。

图3为本发明较佳实施例提供的教学机器人的方框示意图之二。

图4为本发明较佳实施例提供的教学机器系统的交互示意图。

图标：10-教学机器系统；100-教学机器人；110-处理器；120-传感组件；121-姿态传感器；122-摄像头；130-平衡电机；140-驱动电机；160-外设接口模块；170-显示模块；180-电源模块；200-管理终端。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中”、“上”、“下”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“水平”、“竖直”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接。可以是机械连接，也可以是电性连接。可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面结合附图，对本发明的一些实施方式作详细说明。在不冲突的情况下，下述的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

请参照图1，为本发明较佳实施例提供的教学机器人100的方框示意图之一。本发明提供的教学机器人100可以包括处理器110、传感组件120、平衡电机130、驱动电机140及运动组件。所述处理器110、传感组件120、平衡电机130、驱动电机140各个元件之间直接或间接地电性连接，以实现数据的传输或交互。例如，这些元件相互之间可通过一条或多条通讯总线或信号线实现电性连接。

在本实施例中，处理器110可以为中央处理器(Central Processing Unit，CPU)、图形处理器(Graphics Processing Unit，GPU)；还可以是数字信号处理器(DSP)、专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件。当然，该处理器110也可以为单片机，比如为STM32系列单片机。

可理解地，处理器110负责一切数据的处理，控制传感组件120数据信号的采集，控制平衡电机130及驱动电机140的运作，这里对处理器110的具体种类不作具体限定。

在本实施例中，传感组件120与处理器110连接，用于采集教学机器人100周边环境的图像。处理器110可以基于预设特征对图像中的信息进行识别，以确定图像中的目标对象。比如，预设特征为一人物图像，处理器110便可对图像中的人物图像进行识别并判断是否为预设的人物图像，并在为是时确定图像中的人物图像为目标对象。

可理解地，目标对象可以为运动状态下的实物(比如猫、狗、者汽车等)，也可以为静止状态下的实物(比如桌椅、电脑等)，这里对目标对象的种类不作具体限定。

在本实施例中，运动组件可以为车轮、或皮带轮、或机械腿中的一种，用于带动机器人运动，比如对目标对象进行跟踪运动。其中，车轮/皮带轮/机械腿与驱动电机140传动连接，也就是驱动电机140用于为车轮/皮带轮/机械腿提供运动所需的力矩，从而实现运动。

请参照图2，为本发明较佳实施例提供的传感组件120的方框示意图。在本实施例中，传感组件120可以包括姿态传感器121、摄像头122。其中，姿态传感器121与处理器110连接，用于采集教学机器人100的姿态数据。该姿态数据可以包括速度数据、加速度数据、角加速度数据、角度数据中的至少一种数据。可选地，姿态传感器121可以为MPU-6050芯片。另外，摄像头122与处理器110连接，用于采集目标对象的图像。

可理解地，摄像头122可以为一个，也可以为多个以增加采集图像的视野范围，这里对摄像头122的个数不做具体限定。

作为一种可选的实施方式，传感组件120还可以包括超声波测距传感器、激光测距传感器、红外传感器中的至少一种传感器。其中，超声波测距传感器用于测量教学机器人100与目标对象之间的距离或教学机器人100与障碍物之间的距离。激光测距传感器的功能作用与超声波测距传感器的功能作用相类似，这里不再赘述。

红外传感器可以用于检测红外线，可以用于识别生物。比如，该红外传感器为热释电红外传感器，可以用于接收红外线并根据红外线的波长识别人类，以便于对人类进行跟踪运动。

在本实施例中，平衡电机130与处理器110连接。处理器110可以基于传感组件120采集的教学机器人100的姿态数据生成平衡控制指令，该平衡电机130用于接收处理器110发送的平衡控制指令，以根据该平衡控制指令控制教学机器人100的平衡。

例如，传感组件120可以采集教学机器人100相对于水平面的空间倾斜角度。可理解地，该空间倾斜角度在预设范围内时，教学机器人100处于平衡状态，若超出该预设范围，教学机器人100可能失去平衡。而本发明可利用平衡电机130基于平衡控制指令，对教学机器人100的空间倾斜角度进行调节，使得该角度在预设范围内，从而保证教学机器人100处于平衡状态。其中，该预设范围可根据实际情况进行设置，这里不作具体限定。

在本实施例中，驱动电机140与处理器110连接。处理器110可以基于图像确定的目标对象及该目标对象的位置信息生成的运动控制指令。驱动电机140可以接受处理器110发送的运动控制指令，并根据运动控制指令进行运转以带动运动组件运动，从而使得教学机器人100对目标对象进行跟踪运动。其中，该位置信息可以包括机器人与目标对象之间的距离以及目标对象相对于机器人的方位角，也就是，驱动电机140可基于运动控制指令而使得教学机器人100实现对目标对象的跟踪运动。

请参照图3，为本发明较佳实施例提供的教学机器人100的方框示意图之二。可选地，教学机器人100还可以包括外设接口模块160、显示模块170以及电源模块180。

作为一种可选的实施方式，外设接口模块160与处理器110连接。该外设接口模块160可以包括USB接口、I/O接口、RS232接口、RS485接口中的至少一种接口，可以用于与管理终端200(如图4)或其他二次开发的传感器连接。比如，学生可以利用外设接口对机器人的功能进行扩展时，可通过外设接口模块160接入其他传感器或模块，以采集相应数据，实现相应功能。比如，可以接入温湿度传感器，以对温湿度进行采集；或者，可以接入喇叭，该喇叭可以用于警报提示或语音播放等。

在本实施例中，管理终端200可以与教学机器人100通过网络建立通信连接以进行数据交互。该管理终端200可以是，但不限于，智能手机、个人电脑(personal computer，PC)、平板电脑、个人数字助理(personal digital assistant，PDA)、移动上网设备(mobileInternet device，MID)等。所述网络可以是，但不限于，有线网络或无线网络。

在本实施例中，显示模块170可以为液晶显示屏或者LED显示屏，可以用于显示传感组件120采集的图像或视频。

在本实施例中，电源模块180可以与处理器110、传感组件120、平衡电机130、驱动电机140等模块连接，用于为处理器110、传感组件120、平衡电机130、驱动电机140等模块提供电能。

可选地，电源模块180可以包括电源管理单元及电池单元，所述电源管理单元与所述电池单元连接。

可理解地，电源管理单元可以为稳压芯片，比如LM2596S与AMS1117稳压芯片作为电源管理单元。电池单元可以为电池或多个单体电池形成的电池模组。该电池可以为锂离子电池或铅蓄电池，这里不作具体限定。

基于上述设计，教学机器人100可以自动获取周边环境图像，并对基于图像以确定图像中的目标对象，并对目标对象进行跟踪运动。通过该教学机器人100的视觉系统的识别以及跟踪，有助于人们(比如学生)对机器人中视觉系统硬件知识的学习及系统的开发。另外，基于外设接口模块160，可使得教学机器人100接口开放，拓展能力强，模块功能多，提高了该教学机器人100的适用性。

请参照图4，为本发明较佳实施例提供的教学机器系统10的交互示意图。该教学机器系统10可以包括管理终端200及教学机器人100，管理终端200可以与至少一个教学机器人100通过网络建立通信连接，以实现数据交互。

可理解地，该管理终端200可以用于对教学机器人100管理控制，比如管理人员(或学生)可以通过管理终端200对教学机器人100进行二次开发试验，也可以对教学机器人100的相关参数进行修改，这里对管理终端200的功能作用不再赘述。

综上所述，本发明提供一种教学机器人及教学机器系统。该教学机器人可以包括处理器、传感组件、平衡电机、驱动电机及运动组件。其中，传感组件与处理器连接，处理器还与平衡电机及驱动电机连接，传感组件可以用于采集图像。平衡电机接收处理器基于传感组件采集教学机器人的姿态数据生成的平衡控制指令。运动组件与驱动电机传动连接，驱动电机接收处理器基于图像确定的目标对象及目标对象的位置信息生成的运动控制指令，并带动运动组件运动实现教学机器人对目标对象跟踪运动。本发明提供的教学机器人及教学机器系统结构简单、易于实现，能够自动采集图像并根据确定的目标对象，对目标对象进行跟踪运动，有助于人们对机器人视觉系统进行学习、开发与实践。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种教学机器人，其特征在于，包括：

处理器；

与所述处理器连接的用于采集图像的传感组件；

与所述处理器连接的平衡电机，所述平衡电机接收所述处理器基于所述传感组件采集教学机器人的姿态数据生成的平衡控制指令；

与所述处理器连接的驱动电机，以及

与所述驱动电机传动连接的运动组件，其中，所述驱动电机接收所述处理器基于所述图像确定的目标对象及所述目标对象的位置信息生成的运动控制指令，并带动所述运动组件运动实现所述教学机器人对所述目标对象跟踪运动。

2.根据权利要求1所述的教学机器人，其特征在于，所述传感组件包括：

与所述处理器连接的用于采集教学机器人的所述姿态数据的姿态传感器；

与所述处理器连接的用于采集所述目标对象的所述图像的摄像头。

3.根据权利要求2所述的教学机器人，其特征在于，所述传感组件还包括超声波测距传感器、激光测距传感器、红外传感器中的至少一种传感器。

4.根据权利要求1所述的教学机器人，其特征在于，所述教学机器人还包括：用于与管理终端连接的外设接口模块，所述外设接口模块与所述处理器连接。

5.根据权利要求4所述的教学机器人，其特征在于，所述外设接口模块包括USB接口、I/O接口、RS232接口、RS485接口中的至少一种。

6.根据权利要求1所述的教学机器人，其特征在于，所述教学机器人还包括与所述处理器连接的显示模块。

7.根据权利要求1所述的教学机器人，其特征在于，所述教学机器人还包括电源模块，所述电源模块与所述处理器、所述传感组件、所述平衡电机、所述驱动电机连接。

8.根据权利要求7所述的教学机器人，其特征在于，所述电源模块包括电源管理单元及电池单元，所述电源管理单元与所述电池单元连接。

9.根据权利要求1所述的教学机器人，其特征在于，所述运动组件为与所述驱动电机传动连接的车轮；

或者，所述运动组件为与所述驱动电机传动连接的皮带轮；

或者，所述运动组件为与所述驱动电机传动连接的机械腿。

10.一种教学机器系统，其特征在于，包括管理终端及如权利要求1-9中任意一项所述的教学机器人，所述管理终端与所述教学机器人通信连接。