CN109648583B - 一种中小学科技创新教育机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种中小学科技创新教育机器人，包括机器人本体，其内置有测控装置；身体部位设置有第一容器和第二容器，第一容器和第二容器通过连通管相连接，手臂设置有第一原料罐和第二原料罐，第一原料罐通过第一原料管与第一容器连接，第二原料罐通过第二原料管与第二容器连接，第二容器连接有一根纵向向上延伸至机器人本体的头部位置的出液管；测控装置包括以下三个模块：用于原料和实验参数检测的第一模块，用于执行机构控制的第二模块，及用于机器人整体控制的第三模块。本发明中小学科技创新教育机器人，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

一种中小学科技创新教育机器人

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科技创新教育机器人。

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科技创新教育机器人，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：

一种中小学科技创新教育机器人，包括机器人本体及设置本体内的测控装置，所述机器人本体的身体部位设置有第一容器和第二容器，所述第一容器和第二容器均为密闭容器，且所述第一容器和第二容器通过连通管相连接，手臂设置有第一原料罐和第二原料罐，所述第一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，所述第一原料罐通过第一原料管与所述第一容器连接，所述第二原料罐通过第二原料管与所述第二容器连接，所述第二容器连接有一根纵向向上延伸至所述机器人本体的头部位置的出液管，所述第一原料管、第二原料管和出液管分别安装有第一电动阀、第二电动阀和第三电动阀；所述测控装置包括以下三个模块：

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液位计、压力传感器。所述液位计和压力传感器均安装在所述第二容器上，分别用于记录第二容器中的压力和液位。

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，当头部转向第一原料罐时，可以观察记录第一原料罐原料的液位，通过与第一电动阀的联动，控制第一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和电机。所述电动阀包括第一电动阀、第二电动阀和第三电动阀，所述第一电动阀和第二电动阀分别用于控制第一原料和第二原料的进料，所述电机用于控制机器人头部转动。

进一步的，所述连通管位于靠近所述第一容器和第二容器的上端位置，以便第一容器化学反应产生的气体从第一容器上端位置流向第二容器内。

进一步的，所述出液管的下端口沿纵向向下延伸至所述第二容器的底部，使第二原料的料液淹没出液管的下端口，以便第二容器内的压力足够大时，能将第二原料液从出液管压至教育机器人的头部，从而完成喷泉演示实验，所述第一原料管和第二原料管的出料口末端分别靠近第一容器和第二容器的上端位置，防止容器中的液体由于受到容器中的压力返流至原料管中，无法顺利完成演示实验。

进一步的，所述第一原料罐内添加有10wt％的双氧水溶液。

进一步的，所述第二原料罐内添加有一种带有颜色的溶液。

进一步的，所述第一容器内放置有二氧化锰粉末。

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。通过配置8位微控制器，可以增加简单、方便有利于老师和学生进行编程教学和学习。

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，一种如上述中小学科技创新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；

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，观测头部的喷泉现象；重复上述过程直到完成一个化学反应演示实验。

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、第一容器，22、第二容器，101、摄像装置，201、第一电动阀，202、第二电动阀，203、第三电动阀，204、连通管，205、出液管，301、第一原料罐，302、第一原料管，303、第二原料罐，304、第二原料管，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，一种中小学科技创新教育机器人，包括机器人本体及设置在本体内的测控装置5，所述机器人本体的身体2部位设置有第一容器21和第二容器22，所述第一容器21和第二容器22通过连通管204相连接，所述连通管204位于靠近所述第一容器21和第二容器22的上端位置，以便第一容器21化学反应产生的气体从第一容器21上端位置流向第二容器22内；手臂3设置有第一原料罐301和第二原料罐303，所述第一原料罐301通过第一原料管302与所述第一容器21连接，所述第二原料罐303通过第二原料管304与所述第二容器22连接，所述第二容器22连接有一根纵向向上延伸至所述机器人本体的头部1位置的出液管205，所述出液管205的下端口沿纵向向下延伸至所述第二容器22的底部，使第二原料的料液淹没出液管205的下端口，所述第一原料管302和第二原料管304的出料口末端分别靠近第一容器21和第二容器22的上端位置，所述第一原料管302、第二原料管304和出液管205分别安装有第一电动阀201、第二电动阀202和第三电动阀203；所述第一原料罐301添加有10wt％的双氧水溶液，第二原料罐303添加有一种带有颜色的溶液，所述带有颜色的溶液在喷泉实验进行时，可以增加实验的趣味性和实验的观赏性；所述测控装置5包括以下三个模块：

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液位计、压力传感器。

所述原料监测装置为用于观测原料液位的摄像装置101。

所述执行机构为电动阀和电机。所述电动阀包括第一电动阀201、第二电动阀202和第三电动阀203。

所述机器人的腿部4为一空腔，该空腔通过一根软管与头部相连接，用于收集喷泉实验演示后的第二原料，将回收后的第二原料采用泵输送至底儿原料罐，以便进行重复利用，自动完成喷泉实验的长时间进行。

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。

相应的，一种如上述中小学科技创新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第一原料罐301的液位和容器中实验参数的初始值；将第一原料罐301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：在实验初始时，所述第一容器21内放置25g的二氧化锰粉末，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第一原料罐301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，依次包括打开第二电动阀202、第二容器22液位至三分之二位置关闭第二电动阀202，启动电机使摄像装置101对准第一原料罐301，打开第一电动阀201，控制第一原料的进料量和进料速度，观察第二容器22中的压力值，打开第三电动阀203；以上动作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，观测头部1的喷泉现象；重复上述过程直到完成一个化学反应演示实验。

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)

1.一种中小学科技创新教育机器人，包括机器人本体及设置本体内的测控装置，其特征在于，所述机器人本体的身体部位设置有第一容器和第二容器，所述第一容器和第二容器通过连通管相连接，手臂设置有第一原料罐和第二原料罐，所述第一原料罐通过第一原料管与所述第一容器连接，所述第二原料罐通过第二原料管与所述第二容器连接，所述第二容器连接有一根纵向向上延伸至所述机器人本体的头部位置的出液管；所述测控装置包括以下三个模块：用于原料和实验参数检测的第一模块，用于执行机构控制的第二模块，及用于机器人整体控制的第三模块， 所述第一原料罐内添加有10wt%的双氧水溶液， 所述第一容器内放置有二氧化锰粉末， 使用方法包括以下步骤：

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；

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，观测头部的喷泉现象；重复上述实验演示过程直到完成一个化学反应演示实验。

2.如权利要求1所述的中小学科技创新教育机器人，其特征在于，所述连通管位于靠近所述第一容器和第二容器的上端位置。

3.如权利要求1所述的中小学科技创新教育机器人，其特征在于，所述出液管的下端口沿纵向向下延伸至所述第二容器的底部，所述第一原料管和第二原料管的出料口末端分别靠近第一容器和第二容器的上端位置。

4.如权利要求1所述的中小学科技创新教育机器人，其特征在于，所述第二原料罐内添加有一种带有颜色的溶液。

5.如权利要求1所述的中小学科技创新教育机器人，其特征在于，所述第一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。

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