CN109545068A - 一种教学机器人套装 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种教学机器人套装，涉及拼装机器人领域，包括：机械零部件和电控模块，机械零部件能够组成不同形状的机器人，电控模块能够控制机械零部件组装成型的具体机器人，使机械零部件组装成型的具体机器人实现具体的机械运动功能；机械零部件包括：若干连接板、若干连接梁、若干连接架、若干驱动电机、若干夹取装置、若干传动零件和若干驱动轮；电控模块包括：若干驱动板、若干主控板、若干通信板、若干扩展板和若干传感器；本发明结构简单、生产成本较低、可开发度高适用于各种机器人教育的教材使用。

Description

一种教学机器人套装

技术领域

本发明涉及拼装机器人领域，尤其涉及一种教学机器人套装。

背景技术

随着机器人的迅速发展，国内外的科技行业开发出了各种各样的机器人，随之而来的机器人教育也越来越受各大院校的重视，但是现有的机器人产品，品种繁多，质量参差不齐，为了适应不同构型的搭建，不少机器人均包括了大量的零件，从而使其价格过于昂贵，给学校的机器人教育事业带来了很大的经济压力；

如中国发明专利CN 107264671A所公开的一种多功能机器人底盘套装，涉及拼装机器人领域，包括：接头组件、连接梁组件、电机组件、车轮组件、控制系统；接头组件包含有90°接头组件、120°接头组件、135°接头组件、三通接头组件，不同型号的接头结合连接梁装配出不同形状的骨架，车轮组件包含有45°麦克纳姆轮组件、90°麦克纳姆轮组件、橡胶轮组件、履带轮组件；不同型号的车轮组件结合不同形状的骨架装配出不同形状的底盘；底盘组装完成后由控制系统控制驱动底盘。

上述发明仅限于组装机器人底盘，缺少进一步开发更多完整机器人的条件。无法满足作为高等院校教材普及。

发明内容

一、要解决的技术问题

本发明的目的是针对现有技术所存在的上述问题，特提供一种教学机器人套装，使其能够进一步组装出更多种类的机器人，解决无法满足作为高等院校教材普及的问题。

二、技术方案

为解决上述技术问题，本发明提供一种教学机器人套装包括：机械零部件和电控模块，机械零部件能够组成不同形状的机器人，电控模块能够控制机械零部件组装成型的具体机器人，使机械零部件组装成型的具体机器人实现具体的机械运动功能；

机械零部件包括：若干连接板、若干连接梁、若干连接架、若干驱动电机、若干夹取装置、若干传动零件和若干驱动轮；

电控模块包括：若干驱动板、若干主控板、若干通信板、若干扩展板和若干传感器；

连接梁能够与连接板或连接架配合组装成底盘框架；

底盘框架能够与驱动电机和驱动轮和/或传动零件配合组装成机器人底盘；

传动零件能够和连接板或连接梁配合组成直线运动装置；

夹取装置安装于直线运动装置上能够使直线运动装置具有驱动功能；

驱动电机还用于驱动直线运动装置和夹取装置；

驱动板能够控制驱动板、通信板、扩展板、和传感器中的任意一个或任意多个电控单元，使机器人底盘和/或直线运动装置和/或夹取装置实现运动功能。

本技术方案的机器人套装，从机械角度讲，可以通过不同的机械零件组装成不同功能的机器人，可以是单独的机器人底盘，也可以是具夹取功能的机器人，使机器人的组装具有多样性，并且在教学角度讲也可以让学生更直观的看到机械传动的原理，在组装过程中也可以提高学生的机械装配能力；

从电子角度讲，通过各电控模块之间的配合实现控制功能，可以让学生更直观理解各电控模块之间的通讯原理，各种电机的控制远离了。

其中，若干连接梁包括有：若干种长度的梁组合；且每种长度的梁均有若干个，且每根连接梁为厚度和宽度相等的中空方管，连接梁的四周外表面开设有连接通孔，连接通孔均匀分布连接梁外表面。每一个连接通孔都能够作为机器人在组装过程中的安装孔，使机器人的组装形态多样化。

其中，若干驱动轮包括若干个橡胶轮、45°麦克纳姆轮、90°麦克纳姆轮和万向轮。在组装底盘时，可以选择一种或一种以上的驱动轮，组装出多样化的底盘。

其中，若干连接板包括若干种面积不同的矩形或正方形的板，且每种面积的板均有若干个，且每个板上均布有大小不同的连接通孔。连接板上均布多种大小不同的连接通孔，可以适应不同型号的螺丝，提高连接板的通用性；

本技术方案的机器人套装通过不同规格的零部件的设计，使机器人套装可以组装成不同机器人，进一步使机器人套装在教学中拥有更广的教学用途，实现教具的多样性使用。

其中，若干驱动电机包括若干个舵机、步进电机和直流减速电机。不同的电机有不同的功能，通过电机多样化，实现多种驱动方式。

其中，驱动板包括若干个直流电机驱动板、舵机驱动板和步进电机驱动板。

其中，若干传感器触碰开关和自校准寻迹传感器。

本技术方案的机器人套装通过机械零件和电控模块的结合，可以让机器人套装在教学中可以同时适用于机械专业和电学专业的教学，完成机械专业和电学专业教学的结合。

其中，教学机器人套装还包括驱动电源，优选为锂电池，提高安全性能。

其中，传动零件包括同步带同步轮轮组件、导轨滑块组件、丝杆丝杆螺母组件和齿轮组件。不同的传动模式，具有不同的传动特点，在教学过程中更加直观。

其中，若干夹取装置包括若干个四连杆爪、平行移动爪和圆周运动爪。通过不同机械爪实现不同的夹取功能。

三、本发明的有益效果

与现有技术相比，本发明的教学机器人套装具有如下诸多优点：

(1)结构简单，造价成本低；

(2)可开发度高，适合高等教育用具；

(3)固件采用标准件，采购方便。

附图说明

图中：11为传动齿轮；12为连动杆；13为齿轮杆；14为爪杆；15为连接杆；21为夹臂；22为转臂；23为舵盘；31为夹爪；

图1为本发明的机器人组装效果图；

图2为本发明的连接梁示意图；

图3为本发明的连接板示意图；

图4为本发明的利用单纯的连接梁和连接架组装的底盘框架示意图；

图5为本发明的在图4的基础上配合连接板底盘框架示意图；

图6为本发明的连接梁和连接板组装成底盘框架的示意图；

图7为本发明的橡胶轮和直流减速电机组装的底盘示意图；

图8为本发明的90°麦克纳姆轮和橡胶轮组装的底盘示意图；

图9为本发明的利用同步带轮组装的四驱底盘示意图；

图10为本发明的安装四连杆爪机的器人示意图；

图11为本发明的安装平行移动爪的机器人示意图；

图12为本发明的安装圆周运动爪的机器人示意图；

图13为本发明的四连杆爪结构示意图；

图14为本发明的平行移动爪结构示意图；

图15为本发明的圆周运动爪结构示意图；

图16为本发明的电控模块示意图；

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。

本发明实施例的教学机器人套装的结构如图1至图16所示包括：机械零部件和电控模块，机械零部件能够组成不同形状的机器人，电控模块能够控制机械零部件组装成型的具体机器人，使机械零部件组装成型的具体机器人实现具体的机械运动功能；

机械零部件包括：若干连接板、若干连接梁、若干连接架、若干驱动电机、若干夹取装置、若干传动零件和若干驱动轮；

电控模块包括：若干驱动板、若干主控板、若干通信板、若干扩展板和若干传感器；

连接梁能够与连接板或连接架配合组装成底盘框架；

底盘框架能够与驱动电机和驱动轮和/或传动零件配合组装成机器人底盘；

传动零件能够和连接板或连接梁配合组成直线运动装置；

夹取装置安装于直线运动装置上能够使直线运动装置具有夹取功能；

驱动电机还用于驱动直线运动装置和夹取装置；

驱动板能够控制驱动板、通信板、扩展板、和传感器中的任意一个或任意多个电控单元，使机器人底盘和/或直线运动装置和/或夹取装置实现运动功能。

若干连接梁包括有：若干种长度的梁组合；且每种长度的梁均有若干个，且每根连接梁为厚度和宽度相等的中空方管，连接梁的四周外表面开设有连接通孔，连接通孔均匀分布连接梁外表面。

若干驱动轮包括若干个橡胶轮、45°麦克纳姆轮、90°麦克纳姆轮和万向轮。

若干连接板包括若干种面积不同的矩形或正方形的板，且每种面积的板均有若干个，且每个板上均布有大小不同的连接通孔。

若干驱动电机包括若干个舵机、步进电机和直流减速电机。

驱动板包括若干个直流电机驱动板、舵机驱动板和步进电机驱动板。

若干传感器触碰开关和自校准寻迹传感器。

教学机器人套装还包括驱动电源。

传动零件包括同步带同步轮轮组件、导轨滑块组件、丝杆丝杆螺母组件和齿轮组件。

若干夹取装置包括若干个四连杆爪、平行移动爪和圆周运动爪。

作为教具首先是灵活多变的，在组装机器人的时候可以首先初步确定所要组装机器人的大小，根据所需机器人的大小确定选择连接梁的长度或连接板的大小；

如图4所示，利用单纯的连接梁和连接架组装的底盘框架，首先确定选择合适长度的连接梁，连接梁长度确定后即可组装底盘框架；

如图5所示，可以在图4的基础上配合合适大小的连接板，组装成另一种形式的底盘框架；

如图6所示，也可以用单纯的连接梁和连接板组装成底盘框架；

底盘框架组装好后根据需求选择驱动电机和驱动轮；

如图7所示，选择橡胶轮和直流减速电机安装于底盘框架上组合成机器人底盘；

也可以根据实际需求选择不同的轮子组成底盘，如麦克纳姆轮等，也可以选择多种轮子组装于同一个底盘中；

如图8所示，将90°麦克纳姆轮和橡胶轮组装于同一个底盘中，使底盘具有更加灵活的转向功能；

如图9所示，可以仅使用两个电机作为驱动，利用同步带同步轮作为传动件连接另外两个驱动轮，使底盘同样具有四驱功能。

在完成底盘组装后，组装上部机构时，同样可以根据需求组装成具有不同结构的抓取机器人。

如图1所示，组装的教学机器人具有X、Y、Z轴的移动功能和抓取装置的角度调节功能；X和Y轴的移动利用步进电机作为驱动单元，利用齿轮齿条作为传动单元，配合导轨滑块增加移动稳定性；Z轴的移动利用步进电机作为驱动单元，丝杆和丝杆螺母作为传动单元，配合导轨滑块增加移动稳定性；而抓取装置的角度调节功能则利用舵机配合舵机架实现；

在图1基础上可以减少任意一个或多个的驱动功能或安装不同的夹取装置，如图10至12所示；

如图13所示，四连杆爪包括传动齿轮11、连动杆12、齿轮杆13、爪杆14和连接杆15；

传动齿轮11固定在齿轮杆13一端上，连动杆12一端与爪杆14活动连接，另一端与连接杆15活动连接，爪杆14一端与齿轮杆13另一端活动连接，齿轮杆13的齿轮固定端与连接杆15活动连接，各连杆组装后组合成一个四杆机构，两套四杆几个互相配合并且两个传动齿轮11啮合后组成四连杆爪，并在舵机的驱动下完成夹取工作。

平行移动爪包括导轨、滑块、夹臂21、转臂22和舵盘23；夹臂21固定在滑块上，转臂22一端与夹臂21一端活动连接，另一端与舵盘23活动连接，舵机驱动舵盘23旋转带动转臂22，使夹臂21实现直线运动完成夹取工作。

圆周运动爪包括夹爪31、传动齿轮11和连接杆15；夹爪31固定在传动齿轮11上，两个夹爪31通过传动齿轮11啮合实现联动，夹爪31通过销轴与连接杆15活动连接，通过舵机驱动其中一个传动齿轮11实现夹爪31圆周运动完成夹取工作。

如图16所示，主控板通过CAN总线以命令形式对直流电机驱动板、舵机控制板、步进电机驱动板、扩展板、按键板、液晶模块进行控制；

直流电机驱动板用于底盘电机的控制，步进电机驱动模块用于直线运动装置的控制，舵机模块用于夹取装置的控制；

触碰开关用于控制直线运动装置的运动极限，如图1所示，在齿条的两端均装上触碰开关后，当齿轮驱动齿条移动到端部时，就会触碰到触碰开关，此时触碰开关就会发送信号给主控板，主控板再发送相应的命令给对应的电机控制板，使电机停止转动或反转。

自校准寻迹传感器用于控制底盘的稳定性，自校准寻迹传感器预先设有一个水平点，当底盘放置于倾斜面后，轮子在重力的作用下会自动旋转，而自校准寻迹传感器中的水平点自然也会检测到倾斜度，此时自校准寻迹传感器向主控板发送相应的信号，主控板在收到信号后对相应的直流电机驱动板发送命令，直流电机驱动板在收到命令后驱动直流电机沿倾斜面反向旋转，从而保持机器人在一个斜面上的稳定性；

机器人的整体控制可以是对主控板输入程序指令，使机器人实现自动控制，也可以使用遥控板通过无线模式与主控板进行数据交互从而手动控制机器人；

遥控板主要由两个2维摇杆、4个按键、两个拨码开关、无线通讯模块、单片机芯片等构成，主控芯片通过多路AD对两个摇杆的AD值进行读取，结合4个按键及两个拨码开关的状态，以20毫秒每次的发送频率发送给主控板，从而实现遥控功能。

主控板由单片机芯片、无线通讯模块、CAN芯片等构成，主控接收到遥控板发送过来的摇杆AD值、按键状态、拨码开关状态等相应数据后，结合扩展板、自校准寻迹传感器，通过换算以命令方式发送给直流电机控板、舵机控制板、步进电机控制板，从而实现对底盘、直线运动装置运动。

直流电机驱动板主要由单片机芯片、CAN芯片、直流电机驱动芯片、拨码开关等构成，其接收到主控板发送的电机转速命令后，通过输入捕获对当前电机实际转速进行检测，并通过PID进行计算后通过PWM占空比对电机驱动芯片进行控制，从而实现对直流电机转速的精准控制。由于底盘有4个直流电机，因此有4个直流电机驱动板，通过拨码开关的设置，实现不同直流电机驱动板地址的设置。根据现有通讯协议，主控板可同时对8块直流电机驱动板进行控制。

舵机控制板主要由单片机芯片、CAN芯片、拨码开关等构成，其接收到主控板发送的相应数据值，可同时实现对4个舵机的位置\转速控制。同时通过拨码开关的设置，可实现不同舵机控制板地址的设置。

步进电机控制模块主要由单片机芯片、CAN芯片、步进电机驱动芯片等构成，其接收到主控板发送的相应数据值，可同时实现对1个步进电机的转动角度\转速控制。由于单个机器人小车同时有3个步进电机，因此通过拨码开关的设置，实现不同步进电机驱动板地址的设置。

扩展板主要由单片机芯片、CAN芯片构成，用于外接行程开关、红外对射传感器等开关量的传感器，用于机器人自身机构的定位，及外部避障。

自校准寻迹传感器主要由单片机芯片、CAN芯片、鼠标芯片与9轴陀螺仪芯片构成，其中鼠标芯片用于实现在当前运动平面上偏移量的计算，9轴陀螺仪有三个作用，第一个作用为自身姿态的测算，第二个作用为车头绝对方向的测量，第三个作用与鼠标芯片计算出来的偏移量相互校准，从而得到一个更为准确的数据。

按键板主要由单片机芯片、CAN芯片与按键构成，用于接收按键状态，并实时发送给主控模块。

液晶模块主要由单片机芯片、CAN芯片与液晶屏构成，用于接收主控模块发送过来的命令与数据，并实时显示。

以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种教学机器人套装，其特征在于，所述教学机器人套装包括：机械零部件和电控模块，所述机械零部件能够组成不同形状的机器人，所述电控模块能够控制机械零部件组装成型的具体机器人，使所述机械零部件组装成型的具体机器人实现具体的机械运动功能；

所述机械零部件包括：若干连接板、若干连接梁、若干连接架、若干驱动电机、若干夹取装置、若干传动零件和若干驱动轮；

所述电控模块包括：若干驱动板、若干主控板、若干通信板、若干扩展板和若干传感器；

所述连接梁能够与所述连接板或所述连接架配合组装成底盘框架；

所述底盘框架能够与所述驱动电机和所述驱动轮和/或传动零件配合组装成机器人底盘；

所述传动零件能够和所述连接板或连接梁配合组成直线运动装置；

所述夹取装置安装于所述直线运动装置上能够使所述直线运动装置具有驱动功能；

所述驱动电机还用于驱动所述直线运动装置和所述夹取装置；

所述主控板能够控制所述驱动板、通信板、扩展板和传感器中的任意一个或任意多个电控单元，使所述机器人底盘和/或直线运动装置和/或夹取装置实现运动功能。

2.如权利要求1所述的教学机器人套装，其特征在于，所述所述若干连接梁包括有：若干种长度的梁组合；且每种长度的梁均有若干个，且所述每根连接梁为厚度和宽度相等的中空方管，所述连接梁的四周外表面开设有连接通孔，所述连接通孔均匀分布连接梁外表面。

3.如权利要求2所述的教学机器人套装，其特征在于，所述若干驱动轮包括若干个橡胶轮、45°麦克纳姆轮、90°麦克纳姆轮和万向轮。

4.如权利要求3所述的教学机器人套装，其特征在于，所述若干连接板包括若干种面积不同的矩形或正方形的板，且每种面积的板均有若干个，且每个板上均布有大小不同的连接通孔。

5.如权利要求4所述的教学机器人套装，其特征在于，所述若干驱动电机包括若干个舵机、步进电机和直流减速电机。

6.如权利要求5所述的教学机器人套装，其特征在于，所述若干驱动板包括若干个直流电机驱动板、舵机驱动板和步进电机驱动板。

7.如权利要求6所述的教学机器人套装，其特征在于，所述若干传感器包括触碰开关和自校准寻迹传感器。

8.如权利要求7所述的教学机器人套装，其特征在于，所述教学机器人套装还包括驱动电源。

9.如权利要求1所述的教学机器人套装，其特征在于，所述传动零件包括同步带同步轮轮组件、导轨滑块组件、丝杆丝杆螺母组件和齿轮齿条组件。

10.如权利要求8所述的教学机器人套装，其特征在于，所述若干夹取装置包括若干个四连杆爪、平行移动爪和圆周运动爪。