CN113043770A - 基于电机控制实现精确绘图的遥控教具设备及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及儿童教育技术领域，公开一种基于电机控制实现精确绘图的遥控教具设备及方法，包括壳体，壳体上开孔用于安装画笔并作为落笔点；所述壳体上设置有两个或以上的驱动机构，所有驱动机构之间的几何中心与所述落笔点重合；所述壳体内侧设置有微处理器、无线通信模块、笔夹具控制模块和电源模块；所述无线通信模块用于接收客户端下发的绘图指令；所述微处理器用于根据所述绘图指令控制驱动机构和笔夹具控制模块工作；所述驱动机构用于驱动笔夹具带动画笔运动完成绘图操作；所述笔夹具控制模块用于控制笔夹具带动画笔进行升降；所述电源模块用于给设备提供电源。本发明能够实现精确绘图操作，其设备整体结构功能简单、容易操作且成本较低。

Description

基于电机控制实现精确绘图的遥控教具设备及方法

技术领域

本发明涉及少年儿童教育技术领域，更具体的说，特别涉及一种基于电机控制实现精确绘图的遥控教具设备及方法。

背景技术

少年儿童编程教育是一种新兴教育形式。编程作为未来世界的基本技能之一，越来越多的被重视。可遥控类产品尤其能够引起少年儿童的兴趣和注意力。将编程教育和玩具类遥控教学演示物两者结合可以很大程度上减少教学的枯燥性。目前市面上的儿童编程教育产品所出现的问题是无法吸引幼儿的学习兴趣，操作界面及涉及的配套件复杂，甚至成人都很难使用，更影响到少年儿童对编程学习热情。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术存在的技术问题，提供一种基于电机控制实现精确绘图的遥控教具设备及方法，能够实现精确绘图操作，其设备整体结构功能简单、容易操作且成本较低。

为了解决以上提出的问题，本发明采用的技术方案为：

一种基于电机控制实现精确绘图的遥控教具设备，包括壳体，其中壳体上开孔用于安装画笔并作为落笔点；所述壳体上设置有两个或以上的驱动机构，所有所述驱动机构之间的几何中心与所述落笔点重合；

所述壳体内侧设置有微处理器、无线通信模块、笔夹具控制模块和电源模块；所述无线通信模块用于接收客户端下发的绘图指令；所述微处理器用于根据所述绘图指令控制驱动机构和笔夹具控制模块工作；所述驱动机构用于驱动笔夹具带动画笔运动完成绘图操作；所述笔夹具控制模块用于控制笔夹具带动画笔进行升降；所述电源模块用于给设备提供电源。

进一步地，所述壳体为圆形壳体，其中心开孔并作为落笔点。

进一步地，所述驱动机构包括驱动轮和电机，其中电机安装在壳体上，其电机轴上安装驱动轮，所述驱动轮与笔夹具相连。

进一步地，所有的所述驱动机构沿所述壳体周向均匀设置，所有所述驱动轮连线的中心与所述落笔点重合。

进一步地，所述电机采用带编码器的直流电机或舵机；所述驱动轮采用麦克纳姆轮或万向麦轮，其表面摩擦系数大。

进一步地，所述驱动机构包括履带和电机，其中履带和电机轴连接，并连接笔夹具；两组所述驱动结构以壳体的中心呈中心对称设置，两个所述履带之间的几何中心与所述落笔点重合。

进一步地，所述无线通信模块采用蓝牙、WiFi或其它适用于远距传输信息的无线传输方式。

一种基于电机控制实现精确绘图的遥控教具设备的方法，该方法步骤具体包括如下：

步骤S1：用户通过操作客户端软件对设备绘图的运动轨迹进行设定，客户端通过无线通信模块将包含运动轨迹的指令发送至设备；

步骤S2：设备的微处理器接收所述指令并对其进行解析，控制驱动机构和笔夹具控制模块工作；

步骤S3：驱动机构通过电机带动驱动轮或履带运动，驱动笔夹具带动画笔实现轨迹运动；同时笔夹具控制模块控制笔夹具带动画笔升降；

步骤S4：微处理器根据电机反馈的脉冲，得到所述驱动轮或履带的当前位置信息，并实时调整对驱动机构和笔夹具控制模块的控制，完成精确绘图。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

本发明通过驱动机构驱动笔夹具带动画笔进行轨迹运动，运动轨迹的中心点即为所需要绘制的图画，所有驱动机构的几何中心与画笔点重合，这样绘图时就不需要的多余的步数矫正或轨迹冗余操作，即可实现笔划的弯折实现精确绘图操作，其设备整体结构功能简单、容易操作且成本较低。

附图说明

图1为本发明基于电机控制实现精确绘图的遥控教具设备的原理图。

图2为本发明遥控教具设备采用两个万向轮的实施例图。

图3为本发明遥控教具设备采用四个万向轮的实施例图。

图4为本发明遥控教具设备采用三个万向轮的实施例图。

图5为本发明遥控教具设备采用两个履带的实施例图。

图6为本发明基于电机控制实现精确绘图的遥控教具方法的流程图。

附图标记说明：1-驱动轮、2-电机轴、3-电机、4-笔夹具、5-壳体、6-万向麦轮、7-履带。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。

参阅图1所示，本发明提供一种基于电机控制实现精确绘图的遥控教具设备，包括壳体5，其中壳体5上开孔用于安装画笔并作为落笔点。所述壳体5上设置有两个或以上的驱动机构，所有所述驱动机构之间的几何中心与所述落笔点重合，所述驱动机构连接安装有画笔的笔夹具。

所述壳体5内侧设置有微处理器、无线通信模块、笔夹具控制模块和电源模块。

所述无线通信模块用于接收客户端下发的绘图指令。

所述微处理器用于根据所述绘图指令控制驱动机构和笔夹具控制模块工作。

所述驱动机构用于驱动笔夹具4带动画笔运动完成绘图操作。

所述笔夹具控制模块用于控制笔夹具4带动画笔进行升降，实现抬笔或落笔操作。

所述电源模块用于给设备提供电源。

本实施例中，为了方便安装和精确绘图的实现，所述壳体5为圆形壳体，其中心开孔并作为落笔点P。所有所述驱动机构之间的几何中心与落笔点P重合，这样可以实现绘图时不需要多余的步数矫正或轨迹冗余操作，即可实现笔划的弯折。

本申请的一个实施例中，参阅图2所示，所述壳体5上沿其径向对称设置两组驱动机构。所述驱动机构包括驱动轮1和电机3，其中电机3安装在壳体5上，其电机轴2上安装驱动轮1。所述驱动轮1与笔夹具4相连，两个所述驱动轮1的着地点连线的中心与落笔点P重合。

上述中，所述驱动机构也可采用两个以上的驱动机构，即采用三个或四个的驱动机构沿壳体5周向均匀设置(参阅图3和图4所示)，所有所述驱动轮1之间的几何中心与落笔点P重合。本发明根据实际需要可以增加或减少驱动机构的数量，不同数量的电机可以增加绘图的控制精度，也能减少画笔在白板上绘图时的摩擦使其可以适应不同材质的需求，而且电机数量的增加可以减小产品外形的高度，使整个设备的结构更紧凑。

上述中，所述电机3采用带编码器的直流电机或舵机，所述驱动轮1的表面有较大的摩擦系数，便于在垂直平面内抓紧会图面，并且在所述电机3停止时有较高的制动作用防止打滑。所述驱动轮1采用麦克纳姆轮，其结构简单、方便操作且使用效果好。当所述驱动轮1为奇数时，其采用万向麦轮6，这样在绘图时可以保证所述驱动轮1的运动方向。

本申请的一个实施例中，参阅图4所示，所述驱动机构包括履带7和电机3，其中履带7和电机轴2连接，并连接笔夹具4带动画笔实现绘图。进一步地，采用两组所述驱动结构以壳体5的中心呈中心对称设置，两个所述履带7之间的几何中心与所述落笔点P重合。

上述中，所述无线通信模块采用蓝牙、WiFi或其它适用于远距传输信息的无线传输方式。

上述中，客户端与设备之间的无线通信过程，不仅支持以APP传输运动轨迹数据包的形式下发至微处理器的形式控制运动，同时也支持接受传输时发送的实时编辑运动轨迹计算出的电机编码器值。

具体地，用户使用本发明设备对应的APP时，可以进入实时遥控模式不需要提前编程或指定运动轨迹。实时遥控模式时，绘图设备将每一执行周期内的所有电机编码器值上传至客户端并记录当前时间点，客户端根据记录的电机编码值可以推算出刚刚绘制的轨迹并保存。客户端内保存的数据在用户随机操作时，可以通过再次下发再现，实现对即兴创作时的保存和再现复制，即实现客户端内的反向操作功能。

本申请实施例中，根据单个电机3的旋转角度能够直接推算画笔的轨迹，以图2为例，设驱动轮1的直径为d，两轮之间的距离为L，选用电机3的减速比为K，旋转一圈的脉冲为s，则驱动轮1每转动一圈产生Ks数量的脉冲，若绘制一个边长为A的等边三角形，则具体过程如下：

1)双轮同时前进距离A，反映到绘图工具上，则需要控制两个电机3对应的码盘反馈脉冲数量即为AKs/πd，截止电机3停止运动即可；

2)令一侧的驱动轮1正转，相对的另一侧反转，落笔位置维持不变，两轮转速相同，根据轮径计算两个电机正反转对应控制的翻盘脉冲即为LKs/6d；

3)重复步骤1)完成第二条边的绘制，重复步骤2)完成第二个转角，依此类推重复两次则等边三角形绘制完成。

如需要绘制曲线可以将曲线公式描绘为最小旋转半径，旋转半径根据控制两轮差速实现，方向也可作为变量参考实现。

本发明可将运动曲线拆分为任意简单轨迹，根据每个电机所对应的码盘反馈脉冲的数量精确控制。客户端拆分运动轨迹并下发运动轨迹对应的简单函数数据至绘图设备，绘图设备通过所述微控制器拆解函数，并转化为对电机运动速度和返回脉冲的控制，即控制所述电机3实现所要绘制的轨迹图形。

参阅图6所示，本发明还提供一种基于电机控制实现精确绘图的遥控教具方法，该方法步骤具体包括如下：

步骤S1：用户通过操作客户端软件对设备绘图的运动轨迹进行设定，客户端通过无线通信模块将包含运动轨迹的指令发送至设备。

本步骤S1中，客户端与设备的无线通信时，每隔设定时间段(如20ms)刷新一次手持设备如手机或Pad的客户端，对绘图设备是否执行完预定轨迹的回传值进行判断，并将其与设定值进行对比，便于对在下一个执行周期内下发的指令进行修改。

步骤S2：设备的微处理器接收所述指令并对其进行解析，控制驱动机构和笔夹具控制模块工作。

步骤S3：驱动机构通过电机带动驱动轮1转动，驱动轮1驱动笔夹具带动画笔实现轨迹运动完成绘制；同时笔夹具控制模块控制笔夹具带动画笔升降，实现落笔或抬笔。

步骤S4：微处理器通过检查电机编码器的返回脉冲或计量输出的驱动脉冲，能够精确掌握驱动轮1或履带7的当前位置信息，并实时调整对驱动机构和笔夹具控制模块的控制，从而实现绘制出用户想要的图案完成精确绘图。

本发明提供的基于电机控制实现精确绘图的遥控教具及方法通过设置所有驱动机构的几何中心与落笔点重合，可以实现在水平面内的平整白板或挂在墙面的白板上精确绘画，绘画功能的目的是要实现在手持设备上的app端或电脑应用程序上的儿童编程教学内容的实践与操作，以实现一个特定的绘画图形功能教育少年儿童学习编程，也能增强少年儿童编程教学的趣味性。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于电机控制实现精确绘图的遥控教具设备，其特征在于：包括壳体，其中壳体上开孔用于安装画笔并作为落笔点；所述壳体上设置有两个或以上的驱动机构，所有所述驱动机构之间的几何中心与所述落笔点重合；

所述壳体内侧设置有微处理器、无线通信模块、笔夹具控制模块和电源模块；所述无线通信模块用于接收客户端下发的绘图指令；所述微处理器用于根据所述绘图指令控制驱动机构和笔夹具控制模块工作；所述驱动机构用于驱动笔夹具带动画笔运动完成绘图操作；所述笔夹具控制模块用于控制笔夹具带动画笔进行升降；所述电源模块用于给设备提供电源。

2.根据权利要求1所述的基于电机控制实现精确绘图的遥控教具设备，其特征在于：所述壳体为圆形壳体，其中心开孔并作为落笔点。

3.根据权利要求2所述的基于电机控制实现精确绘图的遥控教具设备，其特征在于：所述驱动机构包括驱动轮和电机，其中电机安装在壳体上，其电机轴上安装驱动轮，所述驱动轮与笔夹具相连。

4.根据权利要求3所述的基于电机控制实现精确绘图的遥控教具设备，其特征在于：所有的所述驱动机构沿所述壳体周向均匀设置，所有所述驱动轮连线的中心与所述落笔点重合。

5.根据权利要求4所述的基于电机控制实现精确绘图的遥控教具设备，其特征在于：所述电机采用带编码器的直流电机或舵机；所述驱动轮采用麦克纳姆轮或万向麦轮，其表面摩擦系数大。

6.根据权利要求2所述的基于电机控制实现精确绘图的遥控教具设备，其特征在于：所述驱动机构包括履带和电机，其中履带和电机轴连接，并连接笔夹具；两组所述驱动结构以壳体的中心呈中心对称设置，两个所述履带之间的几何中心与所述落笔点重合。

7.根据权利要求1所述的基于电机控制实现精确绘图的遥控教具设备，其特征在于：所述无线通信模块采用蓝牙、WiFi或其它适用于远距传输信息的无线传输方式。

8.一种基于权利要求1-7任意一项所述的基于电机控制实现精确绘图的遥控教具设备的方法，其特征在于，该方法步骤具体包括如下：

步骤S1：用户通过操作客户端软件对设备绘图的运动轨迹进行设定，客户端通过无线通信模块将包含运动轨迹的指令发送至设备；

步骤S2：设备的微处理器接收所述指令并对其进行解析，控制驱动机构和笔夹具控制模块工作；

步骤S3：驱动机构通过电机带动驱动轮或履带运动，驱动笔夹具带动画笔实现轨迹运动；同时笔夹具控制模块控制笔夹具带动画笔升降；

步骤S4：微处理器根据电机反馈的脉冲，得到所述驱动轮或履带的当前位置信息，并实时调整对驱动机构和笔夹具控制模块的控制，完成精确绘图。

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