CN111402691A - 一种用于创新教育的智能机器狗实验装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种用于创新教育的智能机器狗实验装置，该装置包括机器狗机身以及固定在机器狗机身上的驱动与控制单元、电学实验模块、力学实验模块、运动实验模块、运动与力学实验模块。本发明将传统的编程机器人与高中各物理实验结合，使学生能利用该装置自主编程，重现所学的物理实验。

Description

一种用于创新教育的智能机器狗实验装置
技术领域
本发明涉及教育机器人领域，具体涉及一种用于创新教育的智能机器狗实验装置。
背景技术
当今世界科技发展日新月异，机器人技术作为20世纪以来最具有创造性的伟大发明之一，在工业智能制造、批量生产和公众服务等方面发挥着越来越重要的作用，已成为一个国家科学技术和工业技术发展水平的重要标志。根据应用领域的不同，机器人可分为工业机器人和服务机器人。其中服务机器人是为人类或工业自动化应用之外的设备而执行任务的机器人，包括个人服务机器人与专业服务机器人，其中教育型机器人属于专业服务机器人。
教育机器人是面向教育领域专门研发的以培养学生分析能力、创造能力和实践能力为目标的机器人，具有教学适用性、开放性、可扩展性和友好的人机交互等特点。教育机器人是多学科、跨领域的研究，以激发学生学习兴趣、培养学生综合能力为目标，对学生科学素养的培养和提高起到了积极的作用。
目前，随着提倡学生综合素质的招生制度的提出，高中生对机器人教育的需求越来越大。但是市面上的教育机器人很大一部分只面向年龄层较低的初中生、小学生为主，推行图形化编程，常常只作为儿童的益智玩具、幼教工具。而难度稍大的编程类机器人大多功能类似，没有针对性。此外，由于机器人教育尚未被正式纳入体制内的课程，又存在着应试教育的压力，高中生往往无法与市面上的编程机器人很好地契合。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提出一种用于创新教育的智能机器狗实验装置，该实验装置将编程机器人与物理实验相结合，使学生能利用该装置自主编程，重现所学的物理实验。
本发明的目的通过如下的技术方案来实现：
一种用于创新教育的智能机器狗实验装置，该装置包括机器狗机身以及固定在机器狗机身上的驱动与控制单元、电学实验模块、力学实验模块、运动实验模块、运动与力学实验模块；
所述的机器狗机身包括相互连接安装平台和腿部结构，安装在腿部结构上的车轮；
所述的驱动与控制单元包括单片机、拓展板、红外巡线传感器、红外遥控器、红外接收器、驱动电机和电机驱动器，单片机和拓展板连接，用于处理信号；红外遥控器用于发射红外信号，通过红外遥控器、红外接收传感器、单片机的配合实现智能机器狗的远程遥控运行，通过红外巡线传感器与单片机的配合实现智能机器狗的巡线行驶；
所述的驱动电机和电机驱动器用导线连接，所述的驱动电机与所述的车轮相连，用于驱动车轮运动；
电学实验模块、力学实验模块、运动实验模块、运动与力学实验模块均与所述的单片机连接，由所述的单片机进行控制，从而执行各种实验。
进一步地，所述的电学实验模块包括面包板以及固定在所述面包板上的通用电阻、发光二极管、电容、光敏电阻、热敏电阻以及按钮开关，通过插线实现各种电子元件的组合，进而实现各种类型电路的组装，然后利用导线使对应的元器件与所述单片机的输入输出连接，从而进行电学实验。
进一步地，所述的力学实验模块安装在所述的实验装置的端部，其包括中空固定块、连接块、弹簧、碰撞头和压力传感器，所述的中空固定块固连在所述的机身安装平台上，所述的连接块一端嵌入所述的中空固定块中，可沿所述的中空固定块滑动，所述的连接块的另一端固连所述的碰撞头，且所述的压力传感器安装在所述的碰撞头上，用于感应所述的碰撞头的受力，所述的弹簧套设在所述的连接块的中部，且弹簧两端抵接在所述的中空固定块和连接块上，所述的压力传感器与所述的单片机用导线连接。
进一步地，所述的连接块上刻有刻度，用于测量弹簧压缩长度。
进一步地，所述的运动实验模块分散安装在机器狗机身的前端与腿部结构上，其包括用于测定机器狗机身与前方障碍物距离的超声波传感器、超声波传感器固定件、用于改变超声波传感器方向的舵机以及用于测速的测速模块，所述的超声波传感器固定在超声波传感器固定件上，舵机与超声波传感器固定件相连，所述的测速模块安装在所述的驱动电机的轴上，用于测定整个实验装置的速度。
进一步地，所述的运动与力实验模块包括滑道、滑块、三轴加速度计、定滑轮、砝码盘，其中，所述的滑道连接在所述的机器狗机身的安装平台上，所述的三轴加速度计连接在滑块上，所述的滑块可沿所述的滑道滑动，所述的定滑轮固定在所述的滑道的端部，且所述的滑块与所述的砝码盘通过定滑轮进行绳连接，所述的砝码盘的重力与所述的滑块和滑道之间的滑动摩檫力相等。
进一步地，所述的滑道的一端与所述的机器狗机身铰接，通过在滑道的另一端放置不同高度的垫块，形成平滑道或者不同角度斜滑道进行试验。
进一步地，所述的机器狗机身的安装平台包括固定连接的上层架构和下层架构，所述的运动实验模块分散固定在所述的上层架构的前端与腿部结构，所述的力学实验模块为两个，安装在所述的下层架构的前端，所述的运动与力实验模块安装在所述的下层架构的后端；所述的单片机安装在所述的上层架构上，且通过设置在其上的封装盖遮盖其内部结构和连线。
进一步地，所述的机器狗机身由铝合金或碳纤维材料制成，且所述的机器狗机身还包括用于遮盖其内部结构和连接的封装盖。
进一步地，所述的驱动与控制单元还包括固定在机器狗机身的电源，用于为整个实验装置供电。
本发明的有益效果如下：
1.本发明为一体化实验装置，整体性好、结构简单、且具备较高的强度与稳定性。
2.本发明将编程机器人与高中物理实验相结合，解决了目前机器人教育与高中课程无法衔接、编程教育没有对象针对性等问题，使学生能在学习编程、机械相关知识的同时，重温所学的物理知识，大大提高教师与学生对机器人教育的接受度。
3.本发明可以实现电学、运动学、力学以及验证牛顿第二定律等多种类型的物理实验，覆盖范围广。
附图说明
图1为本发明的智能机器狗实验装置的立体结构示意图；
图2为本发明的智能机器狗实验装置的上层架构立体结构示意图；
图3为本发明的智能机器狗实验装置的下层架构立体结构示意图；
图4为本发明的硬件结构图；
图5为本发明电学实验模块的结构示意图；
图6为本发明力学实验模块的结构示意图；
图7是本发明进行运动学实验时的控制流程图；
图8为本发明运动与力实验模块的结构示意图；
图中，机器狗机身1、驱动与控制单元2、电学实验模块3、力学实验模块4、运动实验模块5、运动与力学实验模块6、电源7、上层架构101、封装盖102、下层架构103、腿部结构104、车轮105、单片机201、拓展板202、红外巡线传感器203、红外遥控器204、红外接收器205、驱动电机206、电机驱动器207、面包板301、发光二极管302、通用电阻303、按钮开关304、电容305、光敏电阻306、热敏电阻307、中空固定块401、连接块402、弹簧403、压力传感器404、碰撞头405、舵机501、超声波传感器固定件502、超声波传感器503、测速模块504、滑道601、滑块602、三轴加速度计603、定滑轮604、铰接结构605、砝码盘606。
具体实施方式
下面根据附图和优选实施例详细描述本发明，本发明的目的和效果将变得更加明白。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1-8所示，本发明的用于创新教育的智能机器狗实验装置，包括机器狗机身1以及固定在机器狗机身1上的驱动与控制单元2、电学实验模块3、力学实验模块4、运动实验模块5、运动与力学实验模块6、电源7。
机器狗机身1包括通过四个双通六角螺柱连接的上层架构101、封装盖102、下层架构103，以及与下层架构103连接的四条腿部结构104、与腿部结构连接的车轮105。
驱动与控制单元2包括单片机201、拓展板202、红外巡线传感器203、红外遥控器204、红外接收器205、驱动电机206和电机驱动器207，本实施例的单片机201选用Arduino单片机，单片机201和拓展板202连接，固定在上层架构101中部，用于处理信号；红外接收器205与面包板301相连，固定在在上层架构101的中部，红外巡线传感器203安装在下层架构103的前端，红外遥控器204用于发射红外信号。通过红外遥控器204、红外接收器205、Arduino单片机201的配合可以实现智能机器狗的远程遥控运行，通过红外巡线传感器203与Arduino单片机201的配合可以实现智能机器狗的巡线行驶。
驱动电机206为两个或四个，与车轮105一起连接在腿部结构104上，通过控制驱动电机206的正反转及转速实现机器狗正行、倒行、转向等运动方式。电机驱动器207安装在下层架构103中部，可以将单片机201输出的电脉冲转化为角位移，并通过控制脉冲频率来控制驱动电机206转动的速度和加速度。
驱动与控制单元还包括电源7，固定在上层架构101的后端，用于为单片机201和驱动电机206提供动力。
如图1和5所示，电学实验模块3位于上层架构101中部，其包括用于电子电路免焊接组装的面包板301，以及焊接固定在面包板301上的发光二极管302、通用电阻303、按钮开关304、电容305、光敏电阻306以及热敏电阻307等电子元件，也可以根据需要设置其他的电子元件。使用者可以通过插线实现任意电子元件的组合，进而实现各种类型电路的组装。
如图1和6所示，力学实验模块4安装在实验装置下层架构103的端部，其包括中空固定块401、连接块402、弹簧403、压力传感器404和碰撞头405，中空固定块401固连在所述的实验装置的机身1上，连接块402一端在中空固定块401中，可沿中空固定块401滑动，连接块402的另一端固连碰撞头405，且压力传感器404安装在碰撞头405上，用于感应碰撞头405的受力，弹簧403保持自然状态(即原长)套设在连接块402的中部，且弹簧403两端抵接在中空固定块401和连接块402上。连接块402上刻有刻度，零刻度在碰撞头405一侧。
力学实验模块4可以实现两种类型的物理实验，其一，施加不同压力在碰撞头405上，通过压力传感器404与Arduino单片机201的配合，可以串口监视窗口将压力数值记录并显示，而通过连接块402上的刻度可获取弹簧403压缩量，根据所获得的数据可验证胡克定律；其二，使驱动电机206驱动机器狗以不同速度匀速行驶并碰撞到障碍物上，通过压力传感器404与Arduino单片机201的配合获取碰撞过程不同时刻的压力值，进而利用ArduinoIDE中的串口绘图器绘制碰撞曲线。
如图1和2所示，运动实验模块5分散安装在机器狗机身1的上层架构101的前端与腿部结构104上，其包括用于测定机器狗机身1与前方障碍物距离的超声波传感器503、超声波传感器固定件502、用于改变超声波传感器503方向的舵机501以及用于测速的测速模块504，超声波传感器503固定在超声波传感器固定件502上，舵机501与超声波传感器固定件502相连，测速模块504安装在驱动电机206的轴上，用于测定整个实验装置的速度。
此外，运动实验模块5的实施还需配合滑块602上的三轴加速度计603使用。具体实施过程如下：首先利用程序控制驱动电机206实现匀速、匀加速以及匀减速运动，在运动过程中分别利用超声波传感器503、测速模块504以及三轴加速度计603获得机器狗某时刻的位移、速度及加速度，并利用串口监视器显示并记录，此外还可利用串口绘图器绘制位移-时间图、速度-时间图、加速度-时间图。实施的具体软件流程图如图7所示。
如图1和8所示，运动与力实验模块包括滑道601、滑块602、三轴加速度计603、定滑轮604、铰接结构605、砝码盘606，其中，滑道601连接在机器狗机身1的下层架构103上，三轴加速度计603连接在滑块602上，滑块602可沿滑道601滑动，定滑轮604固定在滑道601的端部，且滑块602与砝码盘606通过定滑轮604进行绳连接，砝码盘606的重力与滑块602和滑道601之间的滑动摩檫力相等。实施过程中，控制滑道601水平，在砝码盘606上放置不同重量的砝码作为外力，外力使滑块602滑动，利用滑块602上的三轴加速度计603可测得滑块602加速度，显示在串口监视器中，利用实验数据即可验证牛顿第二定律。此外，还可利用垫片与铰接结构605，构成不同角度的斜滑道601进行实验。
本领域普通技术人员可以理解，以上所述仅为发明的优选实例而已，并不用于限制发明，尽管参照前述实例对发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实例记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在发明的精神和原则之内，所做的修改、等同替换等均应包含在发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于创新教育的智能机器狗实验装置，其特征在于,该装置包括机器狗机身以及固定在机器狗机身上的驱动与控制单元、电学实验模块、力学实验模块、运动实验模块、运动与力学实验模块；
所述的机器狗机身包括相互连接安装平台和腿部结构，安装在腿部结构上的车轮；
所述的驱动与控制单元包括单片机、拓展板、红外巡线传感器、红外遥控器、红外接收器、驱动电机和电机驱动器，单片机和拓展板连接，用于处理信号；红外遥控器用于发射红外信号，通过红外遥控器、红外接收传感器、单片机的配合实现智能机器狗的远程遥控运行，通过红外巡线传感器与单片机的配合实现智能机器狗的巡线行驶；
所述的驱动电机和电机驱动器用导线连接，所述的驱动电机与所述的车轮相连，用于驱动车轮运动。
电学实验模块、力学实验模块、运动实验模块、运动与力学实验模块均与所述的单片机连接，由所述的单片机进行控制，从而执行各种实验。
2.根据权利要求1所述的用于创新教育的智能机器狗实验装置，其特征在于,所述的电学实验模块包括面包板以及固定在所述面包板上的通用电阻、发光二极管、电容、光敏电阻、热敏电阻以及按钮开关，通过插线实现各种电子元件的组合，进而实现各种类型电路的组装，然后利用导线使对应的元器件与所述单片机的输入输出连接，从而进行电学实验。
3.根据权利要求1所述的用于创新教育的智能机器狗实验装置，其特征在于,所述的力学实验模块安装在所述的实验装置的端部，其包括中空固定块、连接块、弹簧、碰撞头和压力传感器，所述的中空固定块固连在所述的机身安装平台上，所述的连接块一端嵌入所述的中空固定块中，可沿所述的中空固定块滑动，所述的连接块的另一端固连所述的碰撞头，且所述的压力传感器安装在所述的碰撞头上，用于感应所述的碰撞头的受力，所述的弹簧套设在所述的连接块的中部，且弹簧两端抵接在所述的中空固定块和连接块上，所述的压力传感器与所述的单片机用导线连接。
4.根据权利要求3所述的用于创新教育的智能机器狗实验装置，其特征在于,所述的连接块上刻有刻度，用于测量弹簧压缩长度。
5.根据权利要求1所述的用于创新教育的智能机器狗实验装置，其特征在于,所述的运动实验模块分散安装在机器狗机身的前端与腿部结构上，其包括用于测定机器狗机身与前方障碍物距离的超声波传感器、超声波传感器固定件、用于改变超声波传感器方向的舵机以及用于测速的测速模块，所述的超声波传感器固定在超声波传感器固定件上，舵机与超声波传感器固定件相连，所述的测速模块安装在所述的驱动电机的轴上，用于测定整个实验装置的速度。
6.根据权利要求1所述的用于创新教育的智能机器狗实验装置，其特征在于，所述的运动与力实验模块包括滑道、滑块、三轴加速度计、定滑轮、砝码盘，其中，所述的滑道连接在所述的机器狗机身的安装平台上，所述的三轴加速度计连接在滑块上，所述的滑块可沿所述的滑道滑动，所述的定滑轮固定在所述的滑道的端部，且所述的滑块与所述的砝码盘通过定滑轮进行绳连接，所述的砝码盘的重力与所述的滑块和滑道之间的滑动摩檫力相等。
7.根据权利要求1所述的用于创新教育的智能机器狗实验装置，其特征在于，所述的滑道的一端与所述的机器狗机身铰接，通过在滑道的另一端放置不同高度的垫块，形成平滑道或者不同角度斜滑道进行试验。
8.根据权利要求1所述的用于创新教育的智能机器狗实验装置，其特征在于，所述的机器狗机身的安装平台包括固定连接的上层架构和下层架构，所述的运动实验模块分散固定在所述的上层架构的前端与腿部结构，所述的力学实验模块为两个，安装在所述的下层架构的前端，所述的运动与力实验模块安装在所述的下层架构的后端；所述的单片机安装在所述的上层架构上，且通过设置在其上的封装盖遮盖其内部结构和连线。
9.根据权利要求1所述的用于创新教育的智能机器狗实验装置，其特征在于，所述的机器狗机身由铝合金或碳纤维材料制成，且所述的机器狗机身还包括用于遮盖其内部结构和连接的封装盖。
10.根据权利要求1所述的用于创新教育的智能机器狗实验装置，其特征在于，所述的驱动与控制单元还包括固定在机器狗机身的电源，用于为整个实验装置供电。
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