CN109648582A - 一种中小学教育机器人 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种中小学教育机器人，包括机器人本体，所述机器人本体内置有测控装置，其头部连接有气球，中间身体部位设置有容器，手臂设置有原料罐，腿部设有称重器；所述测控装置包括以下3个模块：第一模块用于原料和实验参数的检测，包括第一微控制器、原料监测装置、实验参数检测传感器和人机交互设备；第二模块用于执行机构的控制，包括第二微控制器、执行机构及驱动电路、实验参数检测传感器和人机交互设备；第三模块用于机器人整体控制，由第三微控制器和人机交互设备组成。本发明中小学教育机器人，不仅可以促使学生掌握化学理论知识、实践动手能力，同时有助于提高学生的观察能力和编程能力。

Description

一种中小学教育机器人
技术领域
本发明涉及教育机器人技术领域，具体的说涉及一种中小学教育机器人。
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，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、编程开发、应用机器人的能力和创新能力。
而化学作为一门实验科学，不仅需要学生掌握丰富扎实的理论知识，同时需要具备较强的实践动手能力。化学实验由于会发生各种化学反应过程，实验过程中针对初次接触的学生来说，带有一定的危险性，容易让学生产生一定的恐惧心理，从而降低了对化学实验这门学科的学习兴趣，另外，在进行一些科学实验的探索过程中，即便是经验丰富的老师动手操作，其实验本身的安全性往往导致探索过程进展停滞不前。
因此，亟需开发一款可以进行化学实验演示的教育机器人，使教育机器人作为素质教育的重要教学工具，在中国各个阶段的教育中能够被广泛推广。
发明内容
鉴于以上现有技术的不足之处，本发明的主要目的在于提供一种中小学教育机器人，以促使各个教育阶段的学生不仅能够扎实掌握化学理论知识、提升实践动手能力，同时有助于提高学生观察能力和编程能力等各方面的综合能力素质。
为达到以上目的，本发明采用的技术方案为：
一种中小学教育机器人，包括机器人本体，所述机器人本体内置有测控装置，所述机器人本体的头部连接有干瘪的气球，中间身体部位设置有容器，所述容器为密闭容器，手臂设置有原料罐，所述原料罐由透明材质制成，并且朝向头部位置一侧设置有刻度尺，所述气球与所述容器顶部通过第一管道连接，所述原料罐与所述容器的侧壁通过第二管道连接，腿部设有称重器；当化学反应过程中产生气体时，气体通过第一管道进入到气球中，因此，所述气球可以用于直观、定性地观察演示实验的进行程度。所述腿部称重器用于检测实验过程中反应物和反应产物的定量变化过程；所述左侧原料罐添加有15wt％的碳酸氢钠水溶液，右侧原料罐添加有10wt％的盐酸；当碳酸氢钠与盐酸在容器相接触时，发生化学反应产生二氧化碳气体，二氧化碳气体沿第一管道进入到气球中，使其鼓起，此时可以定性判断演示实验进行程度，当取下气球，并停止进料时，通过腿部称重器的重量值变化，可以定量的判断演示实验进行程度，从而可以通过程序进行调试和控制；
所述测控装置包括以下3个模块：
第一模块用于原料和实验参数的检测，所述第一模块包括第一微控制器、原料监测装置、实验参数检测传感器和人机交互设备；所述原料检测传感器、实验参数检测传感器、人机交互设备分别与所述第一微控制器连接；
第二模块用于执行机构的控制，所述第二模块包括第二微控制器、执行机构及驱动电路、实验参数检测传感器和人机交互设备；所述执行机构通过驱动电路与第二微控制器连接，所述实验参数检测传感器、人机交互设备与所述第二微控制器连接；
第三模块用于机器人整体控制，所述第三模块由第三微控制器和人机交互设备组成；所述人机交互设备与所述第三微控制器连接。
进一步的，所述人机交互设备，由智能手机及串口蓝牙模块组成；串口蓝牙模块与微控制器的串行接口连接，智能手机与串口蓝牙模块无线连接。
进一步的，所述实验参数检测传感器包括温度传感器、压力传感器和pH计。所述温度传感器、压力传感器和pH计均安装在教育机器人身体部位的容器侧壁或者顶端上，分别用于记录容器中的温度、压力和pH值大小。
进一步的，所述原料监测装置为用于观测原料液位的摄像装置。通过安装在教育机器人头部的摄像装置，当头部转向左侧原料罐时，可以观察记录左侧原料罐原料的液位，当头部转向右侧原料罐时，此时可以观察记录右侧原料罐原料的液位，并通过与电动阀的联动，控制原料的进料量和进料速度，从而进一步地控制整个演示实验的进度。
进一步的，所述执行机构为电动阀、精密计量泵和电机。所述电动阀用于控制原料的进料，所述精密计量泵用于将容器中反应后的料液输送至指示模块中，所述电机包括一个用于带动容器中搅拌桨转动的电机和一个用于控制机器人头部转动的电机。
进一步的，所述容器侧壁外表面设置有指示模块。所述指示模块为透明材料，通过精密计量泵将容器中的反应物送至指示模块中，在指示模块中指示剂的作用下，观察化学反应进行的程度，所述指示剂为酚酞指示剂、甲基橙指示剂、石蕊指示剂、淀粉指示剂、钙镁指示剂中的一种。
进一步的，所述的第一微控制器、第二微控制器、第三微控制器均为8位微控制器；所述第一微控制器、第二微控制器分别通过串行接口与第三微控制器连接。
进一步的，所述第一微控制器、第二微控制器的型号为STM8S105S4T6C，第三微控制器的型号为STM8S208C8T6。
相应的，一种如上述中小学教育机器人的使用方法，包括以下步骤：
(1)模块调试：将第一微控制器和第二微控制器的串行接口分别与第三微控制器的串行接口连接，并依次进行以下各模块的调试；
第一模块调试：将第一模块内的第一微控制器通过串口蓝牙模块与智能手机无线连接；用智能手机向所述第一微控制器发送针对原料监测装置和容器中实验参数检测传感器的检测命令；所述第一微控制器收到命令后启动检测并将检测结果发给智能手机显示；使用者根据检测结果确定原料罐的液位和容器中实验参数的初始值；将原料罐的液位和容器中实验参数的初始值通过控制程序写入所述第一微控制器中；当检测到的原料罐液位和容器中实验参数的初始值出现异常时，返回至第一模块内的第一微控制器，进行程序地调试及相应硬件地检查；
第二模块调试：将第二模块内的第二微控制器通过串口蓝牙模块与智能手机无线连接；用智能手机向所述第二微控制器发送各种控制命令；所述第二微控制器收到命令后执行相应操作：控制执行机构动作，并采集实验参数检测传感器的输出数据，计算原料进料量、进料速度、电机转速等参数发给智能手机显示；使用者根据参数，确定控制程序并写入所述第二微控制器中；当检测到的执行机构动作信号和采集的实验参数输出数据出现异常时，返回至第二模块内的第二微控制器，进行程序地调试及相应硬件地检查；
第三模块调试：将第三模块内的第三微控制器通过串口蓝牙模块与智能手机无线连接；用智能手机向所述第三微控制器发送仿真检测数据；所述第三微控制器根据算法将控制命令发给智能手机显示，编写仿真演示程序；当检测到的仿真检测数据出现异常时，返回至第三模块内的第三微控制器，进行程序地调试及相应硬件地检查；
(2)实验演示：调试完成后，所述第三模块通过串行接口向所述第一模块内的第一微控制器发送检测命令；所述第一微控制器返回原料罐液位和实验参数初始值；所述第三微控制器收到检测值后根据算法综合判定，确定机器人动作顺序，包括电动阀的开启顺序、开启程度、开启时间，精密计量泵的启动时间、输送量，电机的转速等工作信号，通过串行接口向所述第二模块内的第二微控制器发出控制命令；所述第二微控制器根据命令对执行机构进行相应地控制，观测气球大小和称重值；重复上述过程直到完成一个化学演示实验。
本发明的有益效果：
本发明利用设置在教育机器人各个身体部位上的相应功能部件，通过演示者掌握的基础理论知识和实验预案，结合教育机器人本体内置的测控装置进行模块化编程设计，使演示者可以采用人机交互的模式，进行各项化学实验的演示，从而不仅保证的演示实验的安全进行，提升学生对化学学科的学习兴趣，同时，促进学生在化学和计算机等交叉学科的综合能力提升。
附图说明
图1为本发明教育机器人的整体结构示意图；
图2为本发明教育机器人身体部位设置的容器结构示意图；
图3为本发明教育机器人使用方法的控制逻辑示意图；
其中，1、头部，2、身体，3、手臂，4、腿部，5、测控装置，21、容器，101、气球，102、摄像装置，103、第一管道，201、指示模块，202、温度传感器，203、压力传感器，204、pH计，301、原料罐，302、第二管道，303、电动阀，401、称重器，501、第一模块，502、第二模块，503、第三模块。
具体实施方式
以下描述用于揭露本发明以使本领域技术人员能够实现本发明。以下描述中的优选实施例只作为举例，本领域技术人员可以想到其他显而易见的变型。
如图1至图3所示，一种中小学教育机器人，包括机器人本体，所述机器人本体内置有测控装置5，所述机器人本体的头部1连接有干瘪的气球101，中间身体2部位设置有容器21，手臂3设置有原料罐301，所述气球101与所述容器21顶部通过第一管道103连接，所述原料罐301与所述容器21的侧壁通过第二管道302连接，腿部4设有称重器401；所述左侧原料罐添加有15wt％的碳酸氢钠水溶液，右侧原料罐添加有10wt％的盐酸；所述测控装置5包括以下3个模块：
第一模块501用于原料和实验参数的检测，所述第一模块501包括第一微控制器、原料监测装置、实验参数检测传感器和人机交互设备；所述原料检测传感器、实验参数检测传感器、人机交互设备分别与所述第一微控制器连接；
第二模块502用于执行机构的控制，所述第二模块502包括第二微控制器、执行机构及驱动电路、实验参数检测传感器和人机交互设备；所述执行机构通过驱动电路与第二微控制器连接，所述实验参数检测传感器、人机交互设备与所述第二微控制器连接；
第三模块503用于机器人整体控制，所述第三模块503由第三微控制器和人机交互设备组成；所述人机交互设备与所述第三微控制器连接。
串口蓝牙模块可选Risym HC-05，与微控制器的一个串行接口连接；微控制器可以通过串口蓝牙模块对外无线收发数据；智能手机内都具有蓝牙模块，安装手机蓝牙串口调试软件后，智能手机可作为一个数据终端使用，智能手机现代大学生已普遍拥有，无需额外配置。
所述实验参数检测传感器包括温度传感器202、压力传感器203和pH计204。
所述原料监测装置为用于观测原料液位的摄像装置102。
所述执行机构为电动阀303、精密计量泵和电机。
所述容器侧壁外表面设置有指示模块201，添加有甲基橙指示剂。
所述的第一微控制器、第二微控制器、第三微控制器均为8位微控制器；所述第一微控制器、第二微控制器分别通过串行接口与第三微控制器连接。
所述第一微控制器、第二微控制器的型号为STM8S105S4T6C，第三微控制器的型号为STM8S208C8T6。
本发明中小学教育机器人的使用方法，包括以下步骤：
(1)模块调试：将第一微控制器和第二微控制器的串行接口分别与第三微控制器的串行接口连接，并依次进行以下各模块的调试；
第一模块501调试：将第一模块501内的第一微控制器通过串口蓝牙模块与智能手机无线连接；用智能手机向所述第一微控制器发送针对原料监测装置和容器中实验参数检测传感器的检测命令；所述第一微控制器收到命令后启动检测并将检测结果发给智能手机显示；使用者根据检测结果确定原料罐的液位和容器中实验参数的初始值；将原料罐的液位和容器中实验参数的初始值通过控制程序写入所述第一微控制器中；
第二模块502调试：将第二模块502内的第二微控制器通过串口蓝牙模块与智能手机无线连接；用智能手机向所述第二微控制器发送各种控制命令；所述第二微控制器收到命令后执行相应操作：控制执行机构动作，并采集实验参数检测传感器的输出数据，计算原料进料量、进料速度、电机转速等参数发给智能手机显示；使用者根据参数，确定控制程序并写入所述第二微控制器中；
第三模块503调试：将第三模块503内的第三微控制器通过串口蓝牙模块与智能手机无线连接；用智能手机向所述第三微控制器发送仿真检测数据；所述第三微控制器根据算法将控制命令发给智能手机显示，编写仿真演示程序；
(2)实验演示：所述第三模块503通过串行接口向所述第一模块501内的第一微控制器发送检测命令；所述第一微控制器返回原料罐液位和实验参数初始值；所述第三微控制器收到检测值后根据算法综合判定，确定机器人动作顺序，依次包括开启摄像装置102，转动头部1将摄像装置102对准左侧原料罐301，观测左侧原料罐301液位，开启左侧电动阀303，延时一定时间后关闭左侧电动阀303，转动头部1将摄像装置102对准右侧原料罐，观测右侧原料罐液位，开启右侧电动阀，延时一定时间后关闭右侧电动阀，并开启电机、精密计量泵等工作信号，通过串行接口向所述第二模块502内的第二微控制器发出控制命令；所述第二微控制器根据命令对执行机构进行相应地控制，观测气球大小和称重值；重复上述过程直到完成一个化学演示实验。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明的范围内。本发明要求的保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。

Claims (5)

1.一种中小学教育机器人，包括机器人本体，所述机器人本体内置有测控装置，其特征在于，所述机器人本体的头部连接有干瘪的气球，中间身体部位设置有容器，手臂设置有原料罐，所述气球与所述容器顶部通过第一管道连接，所述原料罐与所述容器的侧壁通过第二管道连接，腿部设有称重器；所述测控装置包括以下3个模块：
第一模块用于原料和实验参数的检测，所述第一模块包括第一微控制器、原料监测装置、实验参数检测传感器和人机交互设备；所述原料检测传感器、实验参数检测传感器、人机交互设备分别与所述第一微控制器连接；
第二模块用于执行机构的控制，所述第二模块包括第二微控制器、执行机构及驱动电路、实验参数检测传感器和人机交互设备；所述执行机构通过驱动电路与第二微控制器连接，所述实验参数检测传感器、人机交互设备与所述第二微控制器连接；
第三模块用于机器人整体控制，所述第三模块由第三微控制器和人机交互设备组成；所述人机交互设备与所述第三微控制器连接。
2.如权利要求1所述的中小学教育机器人，其特征在于，所述容器侧壁外表面设置有指示模块。
3.如权利要求1所述的中小学教育机器人，其特征在于，所述的第一微控制器、第二微控制器、第三微控制器均为8位微控制器；所述第一微控制器、第二微控制器分别通过串行接口与第三微控制器连接。
4.如权利要求1-3任一项所述的中小学教育机器人，其特征在于，所述第一微控制器、第二微控制器的型号为STM8S105S4T6C，第三微控制器的型号为STM8S208C8T6。
5.一种如权利要求1所述中小学教育机器人的使用方法，其特征在于，该使用方法包括以下步骤：
(1)模块调试：将第一微控制器和第二微控制器的串行接口分别与第三微控制器的串行接口连接，并依次进行以下各模块的调试；
第一模块调试：将第一模块内的第一微控制器通过串口蓝牙模块与智能手机无线连接；用智能手机向所述第一微控制器发送针对原料监测装置和容器中实验参数检测传感器的检测命令；所述第一微控制器收到命令后启动检测并将检测结果发给智能手机显示；使用者根据检测结果确定原料罐的液位和容器中实验参数的初始值；将原料罐的液位和容器中实验参数的初始值通过控制程序写入所述第一微控制器中；
第二模块调试：将第二模块内的第二微控制器通过串口蓝牙模块与智能手机无线连接；用智能手机向所述第二微控制器发送各种控制命令；所述第二微控制器收到命令后执行相应操作：控制执行机构动作，并采集实验参数检测传感器的输出数据，计算原料进料量、进料速度、电机转速等参数发给智能手机显示；使用者根据参数，确定控制程序并写入所述第二微控制器中；
第三模块调试：将第三模块内的第三微控制器通过串口蓝牙模块与智能手机无线连接；用智能手机向所述第三微控制器发送仿真检测数据；所述第三微控制器根据算法将控制命令发给智能手机显示，编写仿真演示程序；
(2)实验演示：所述第三模块通过串行接口向所述第一模块内的第一微控制器发送检测命令；所述第一微控制器返回原料罐液位和实验参数初始值；所述第三微控制器收到检测值后根据算法综合判定，确定机器人动作顺序，通过串行接口向所述第二模块内的第二微控制器发出控制命令；所述第二微控制器根据命令对执行机构进行相应地控制，观测气球大小和称重值；重复上述过程直到完成一个化学演示实验。
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