CN119952682A - 一种基于开源硬件的stem教育变形机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于开源硬件的STEM教育变形机器人，属于智能机器人领域，该机器人由运动模块、总线舵机、躯干、腿部、手臂和欠驱动型仿生手组成，通过各个总线舵机的协同运动实现了从人形到车形再到无人机三种形态的转换。本发明采用上述的一种基于开源硬件的STEM教育变形机器人，集成了车形、人形及无人机三种变换形态，实现多形态切换与多功能整合，提升了教学趣味性和技术复杂度，并且降低了采购成本。

Description

一种基于开源硬件的STEM教育变形机器人

技术领域

本发明属于智能机器人领域，具体涉及一种基于开源硬件的STEM教育变形机器人。

背景技术

STEM教育(Science,Technology,Engineering,Mathematics)是一种以科学、技术、工程和数学四大学科为核心的教育理念，强调跨学科整合与实践应用，旨在培养学生在真实情境中解决复杂问题的能力，为未来科技驱动型社会储备创新型人才。随着科学技术的发展，各种电子类产品及机器人已经越来越普及地出现在普通家庭中，同时STEM教育已经成为全球教育改革的方向。

现有的STEM教育机器人普遍存在功能单一、成本过高等挑战，无法充分满足高阶教学需求，特别是在复杂任务执行、跨域任务处理等方面表现不足。这些挑战限制了STEM教育机器人在更广泛范围内的应用和普及。因此，开发一种能够克服上述不足，具备多功能、低成本、易于维护等特点的STEM教育机器人显得尤为重要。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于开源硬件的STEM教育变形机器人，该机器人集成了车形、人形及无人机三种变换形态，实现多形态切换与多功能整合，提升了教学趣味性和技术复杂度，并且降低了采购成本。

为实现上述目的，本发明提供了一种基于开源硬件的STEM教育变形机器人，包括肩部零件，所述肩部零件的上侧设置有运动模块，所述肩部零件的下侧固定在总线舵机上，所述总线舵机的一端与肩部短U支架栓销连接，所述肩部短U支架与躯干相连，所述躯干的下端与腿部相连，所述总线舵机的另一端与肩部长U支架栓销连接，所述肩部长U支架的另一端与手臂相连，所述手臂的下端与欠驱动型仿生手相连。

优选的，所述运动模块包括涵道风扇，所述涵道风扇固定在所述肩部零件上，所述涵道风扇的螺旋桨外部套有涵道，所述运动模块还包括车轮组件，所述车轮组件由车轮与减速电机组成，所述减速电机配有编码器，所述车轮组件固定在所述肩部零件上。

优选的，所述总线舵机包括水平向总线舵机、肩外部总线舵机、上胳膊总线舵机、下胳膊总线舵机、腰部总线舵机、胯部总线舵机、上腿部总线舵机和下腿部总线舵机，上述总线舵机线性连接。

优选的，所述躯干包括躯干零件，所述躯干零件与臀部零件相连，所述臀部零件内部安装有所述腰部总线舵机，所述臀部零件的外侧安装有胯部短U支架，所述胯部短U支架的另一端与所述胯部总线舵机相连。

优选的，所述腿部包括所述上腿部总线舵机，所述上腿部总线舵机的上端通过胯部十字架与所述胯部总线舵机相连，所述上腿部总线舵机的下端通过腿部连接件与所述下腿部总线舵机连接，所述下腿部总线舵机通过脚踝部十字支架与所述脚部总线舵机相连，所述脚部总线舵机的下侧安装有脚部短U支架，所述脚部短U支架的下侧与脚部零件相连。

优选的，所述手臂包括肩外部短U支架的一端与所述肩部长U支架相连，所述肩外部短U支架的另一端与所述肩外部总线舵机相连，所述肩外部总线舵机通过肩部十字支架与所述上胳膊总线舵机相连，所述上胳膊总线舵机的下侧使用舵机连接件与所述下胳膊总线舵机连接，所述下胳膊总线舵机下侧与腕部长U支架连接。

优选的，所述欠驱动型仿生手包括手掌，所述手掌内部安装有小型减速电机，所述手掌与手指相连，所述手指包括第一指关节、第二指关节和第三指关节，所述第三指关节的一端与所述手掌栓销连接，所述第三指关节的另一端与所述第二指关节栓销连接，所述第二指关节与所述第一指关节栓销连接。

优选的，所述手掌内部、指关节内部以及指关节与指关节之间的连接处均设置有轴，直齿轮安装在轴上，所述直齿轮之间啮合连接。

优选的，所述车轮组件设置有4组，其中2组通过支架零件设置在所述肩部零件上，另外2组通过所述支架零件设置在所述脚部零件上。

优选的，所述涵道风扇共设置有4个，其中2个固定在所述肩部零件上，另外2个固定在所述脚部零件上。

因此，本发明采用上述一种基于开源硬件的STEM教育变形机器人，与现有技术相比，本发明具有以下显著的有益效果：

(1)本发明通过总线舵机驱动实现车形、人形和无人机三种形态的切换，并结合涵道风扇提供飞行动力，实现了陆地移动与空中飞行的多功能整合，增强了教学趣味性和技术复杂度；

(2)本发明利用Arduino Uno和Nano开源硬件平台，大幅降低了技术门槛和成本；

(3)本发明的欠驱动仿生手的设计简化了抓取功能，同时具备低成本和易维修的特点，适合用于机械设计教学；

(4)本发明的机械部件采用3D打印技术制造，便于学生动手打印和升级优化，降低了设备的整体成本；

(5)本发明选择涵道风扇作为无人机形态的动力装置，提高了安全性并增强了无人机的稳定性，适合在教育环境中使用。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明一种基于开源硬件的STEM教育变形机器人的人形态正视图；

图2为本发明一种基于开源硬件的STEM教育变形机器人的人形态爆炸图；

图3为本发明一种基于开源硬件的STEM教育变形机器人的欠驱动型仿生手的结构图；

图4为本发明一种基于开源硬件的STEM教育变形机器人的欠驱动型仿生手的爆炸图；

图5为本发明一种基于开源硬件的STEM教育变形机器人的欠驱动型仿生手的后视图；

图6为本发明一种基于开源硬件的STEM教育变形机器人的小车形态俯视图；

图7为本发明一种基于开源硬件的STEM教育变形机器人的无人机形态俯视图。

附图标记

1、车轮；2、减速电机；3、涵道风扇；4、肩部零件；5、支架零件；6、躯体零件；7、臀部零件；8、脚部零件；9、欠驱动型仿生手；10、肩部短U支架；11、水平向总线舵机；12、肩部长U支架；13、肩外部短U支架；14、肩外部总线舵机；15、肩部十字支架；16、上胳膊总线舵机；17、舵机连接件；18、下胳膊总线舵机；19、腕部长U支架；20、腰部总线舵机；21、胯部总线舵机；22、小型减速电机；23、手掌；24、第一指关节；25、第二指关节；26、第三指关节；27、伞齿轮；28、直齿轮；29、胯部十字支架；30、上腿部总线舵机；31、胯部短U支架；32、腿部连接件；33、下腿部总线舵机；34、脚踝部十字支架；35、脚部短U支架；36、脚部总线舵机。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。除非另外定义，本发明使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。

实施例一

如图1-图2所示，本发明的一种基于开源硬件的STEM教育变形机器人，包括车轮机构、涵道风扇3、欠驱动型仿生手9和总线舵机。车轮机构包括车轮1，车轮1与减速电机2相连，减速电机2为车轮1提供动力。减速电机2配备有编码器，用于采集小车速度等参数，并将数据传回Arduino Uno单片机进行处理，从而精确控制小车转动。车轮机构设置有4组，其中，车轮机构通过支架零件5固定在肩部零件4上，左右肩膀为对称设置；车轮机构通过支架零件5固定在脚部零件8，左右脚为对称设置。当机器人处于小车形态时能够通过车轮机构实现行驶功能。

涵道风扇3共设置有4个，其中位于肩部的涵道风扇3通过支架零件5固定在肩部零件4上，左右肩膀为对称设置；另外位于脚部的涵道风扇3通过支架零件5固定在脚部零件8上，左右脚为对称设置。涵道风扇3作为机器人在无人机形态时的动力来源，为确保学生安全并提高飞行稳定性，选择了涵道风扇设计，即螺旋桨外部套上涵道，避免了螺旋桨暴露在外的风险，同时增强了气流稳定性和升力效果。

肩部零件4固定在水平向总线舵机11上，水平向总线舵机11负责控制肩部的整体运动。水平向总线舵机11通过肩部短U支架10与躯体零件6相连，负责完成人形机器人肩部的前后运动。臀部零件7的一端与躯体零件6相连，臀部零件7的内部安装有腰部总线舵机20，负责完成人形机器人上半身的旋转动作。

水平向总线舵机11通过其输出轴与肩部长U支架12相连。肩部长U支架12在水平向总线舵机11的驱动下进行旋转，从而带动手臂摆动。肩外部短U支架13的一端与肩部长U支架12相连。肩外部短U支架13另一端与肩外部总线舵机14栓销连接。肩外部总线舵机14通过肩外部短U支架13来增强其稳定性和定位精度。肩外部总线舵机14与肩部十字支架15通过键槽配合锁定，实现稳定且高效的力传递，以便完成复杂的肩部动作。肩部十字支架15下侧与上胳膊总线舵机16相连，上胳膊总线舵机16通过舵机连接件17与下胳膊总线舵机18相连，实现前臂的前后摆动。下胳膊总线舵机18的下侧与腕部长U支架19连接，腕部长U支架19的下侧与手掌23栓销连接。

如图3-图5所示，欠驱动型仿生手9包括手掌23，手掌23内部安装有小型减速电机22，小型减速电机22的输出轴上安装有直齿轮28。手掌23与手指相连，手指包括第一指关节24、第二指关节25和第三指关节26。第三指关节26的一端与手掌23栓销连接，第三指关节26的另一端与第二指关节25栓销连接，第二指关节25与第一指关节24栓销连接。同时，手掌23内部、指关节内部以及指关节与指关节之间的连接处均设置有轴，直齿轮28安装在轴上，直齿轮28之间啮合连接。小型减速电机22的输出轴上直齿轮28与手掌23内部的直齿轮28啮合连接。小型减速电机22通过驱动直齿轮28转动，将旋转运动从手掌23依次传递到第一指关节24。手掌23的水平方向连接有4只手指，手掌的垂直方向连接有1只手指。垂直方向手指的第三指关节26与手掌23的连接处分别安装有伞齿轮27，伞齿轮27之间啮合连接。

具体来说，小型减速电机22的输出轴开始旋转，带动其上的直齿轮28旋转。小型减速电机22输出轴上的直齿轮28与手掌23内部的直齿轮28啮合，使手掌23内部的直齿轮28也开始旋转。直齿轮28带动第三指关节26绕其轴心进行弯曲运动。第三指关节26通过安装在其内部的直齿轮28带动第二指关节25绕其轴心进行弯曲运动。第二指关节25通过安装在其内部的直齿轮28带动第一指关节24绕其轴心进行弯曲运动，最终实现手指的开合动作。

臀部零件7的外侧安装有胯部短U支架31，胯部短U支架31另一端与胯部总线舵机21相连，实现腿部与躯干的连接以及腿部水平活动。胯部十字支架29的一端与胯部总线舵机21相连，胯部十字支架29另一端与上腿部总线舵机30通过轴连接，上腿部总线舵机30的输出轴插入胯部十字支架29上的相应孔洞中，并使用键槽配合锁定，确保同步旋转。上腿部总线舵机30的另一端与腿部连接件32连接，下腿部总线舵机33的输出轴插入腿部连接件32孔洞，使用键槽配合锁定。下腿部总线舵机33的另一端通过输出轴插入脚踝部十字支架34上的孔洞，脚踝部十字支架34与脚部短U支架35相连。脚部短U支架35与脚部总线舵机36之间通过轴连接在一起。通过轴穿过脚部零件8的孔洞与脚部总线舵机36连接在一起。

总线舵机是机器人在人形状态时完成各种动作和变形的核心动力装置，总线舵机包括水平向总线舵机11、肩外部总线舵机14、上胳膊总线舵机16、下胳膊总线舵机18、腰部总线舵机20、胯部总线舵机21、上腿部总线舵机30和下腿部总线舵机33。这些总线舵机通过同一根线串联连接，同时还具有温度检测、电压监控和过载保护的功能。

3D打印零件包括肩部零件4、支架零件5、躯体零件6、臀部零件7、脚部零件8和欠驱动型仿生手9，所有零件均支持由学生自行打印和优化升级，便于维护且降低了成本，同时也锻炼了学生的动手能力。

如图6-图7所示，该变形机器人通过各个总线舵机的协同运动实现了从人形到车形再到无人机三种形态的转换。例如，当机器人从人形变为车形时，机器人会由站立姿态变为趴下姿态，此时水平向总线舵机11向内转动，使得肩部的车轮1接触地面，上腿部总线舵机30，向内转动，使大腿部分折叠，下腿部总线舵机33也向内转动，使小腿部分折叠，最终使得腿部由伸直状态变为蜷缩状态，形成车形态。当机器人从人形转变为无人机形态时，水平向总线舵机11向外转动，使得位于肩部的涵道风扇3朝上，下腿部总线舵机33转动，使得位于脚部的涵道风扇3朝上，以保证无人机起飞。

整个系统采用Arduino Uno作为主控板，Arduino Nano制作遥控器，显著降低了开发难度和成本，特别适合学校或家庭环境下的STEM教育应用。

因此，本发明采用上述的一种基于开源硬件的STEM教育变形机器人，该机器人集成了车形、人形及无人机三种变换形态，实现多形态切换与多功能整合，提升了教学趣味性和技术复杂度，并且降低了采购成本。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而这些修改或者等同替换亦不能使修改后的技术方案脱离本发明技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种基于开源硬件的STEM教育变形机器人，其特征在于，包括：肩部零件，所述肩部零件的上侧设置有运动模块，所述肩部零件的下侧固定在总线舵机上，所述总线舵机的一端与肩部短U支架栓销连接，所述肩部短U支架与躯干相连，所述躯干的下端与腿部相连，所述总线舵机的另一端与肩部长U支架栓销连接，所述肩部长U支架的另一端与手臂相连，所述手臂的下端与欠驱动型仿生手相连。

2.根据权利要求1所述的一种基于开源硬件的STEM教育变形机器人，其特征在于，所述运动模块包括涵道风扇，所述涵道风扇固定在所述肩部零件上，所述涵道风扇的螺旋桨外部套有涵道，所述运动模块还包括车轮组件，所述车轮组件由车轮与减速电机组成，所述减速电机配有编码器，所述车轮组件固定在所述肩部零件上。

3.根据权利要求2所述的一种基于开源硬件的STEM教育变形机器人，其特征在于，所述总线舵机包括水平向总线舵机、肩外部总线舵机、上胳膊总线舵机、下胳膊总线舵机、腰部总线舵机、胯部总线舵机、上腿部总线舵机、下腿部总线舵机和脚部总线舵机，上述总线舵机线性连接。

4.根据权利要求3所述的一种基于开源硬件的STEM教育变形机器人，其特征在于，所述躯干包括躯干零件，所述躯干零件与臀部零件相连，所述臀部零件内部安装有所述腰部总线舵机，所述臀部零件的外侧安装有胯部短U支架，所述胯部短U支架的另一端与所述胯部总线舵机相连。

5.根据权利要求3所述的一种基于开源硬件的STEM教育变形机器人，其特征在于，所述腿部包括所述上腿部总线舵机，所述上腿部总线舵机的上端通过胯部十字架与所述胯部总线舵机相连，所述上腿部总线舵机的下端通过腿部连接件与所述下腿部总线舵机连接，所述下腿部总线舵机通过脚踝部十字支架与所述脚部总线舵机相连，所述脚部总线舵机的下侧安装有脚部短U支架，所述脚部短U支架的下侧与脚部零件相连。

6.根据权利要求3所述的一种基于开源硬件的STEM教育变形机器人，其特征在于，所述手臂包括肩外部短U支架，所述肩外部短U支架的一端与所述肩部长U支架相连，所述肩外部短U支架的另一端与所述肩外部总线舵机相连，所述肩外部总线舵机通过肩部十字支架与所述上胳膊总线舵机相连，所述上胳膊总线舵机的下侧使用舵机连接件与所述下胳膊总线舵机连接，所述下胳膊总线舵机下侧与腕部长U支架连接。

7.根据权利要求1所述的一种基于开源硬件的STEM教育变形机器人，其特征在于，所述欠驱动型仿生手包括手掌，所述手掌内部安装有小型减速电机，所述手掌与手指相连，所述手指包括第一指关节、第二指关节和第三指关节，所述第三指关节的一端与所述手掌栓销连接，所述第三指关节的另一端与所述第二指关节栓销连接，所述第二指关节与所述第一指关节栓销连接。

8.根据权利要求7所述的一种基于开源硬件的STEM教育变形机器人，其特征在于，所述手掌内部、指关节内部以及指关节与指关节之间的连接处均设置有轴，直齿轮安装在轴上，所述直齿轮之间啮合连接。

9.根据权利要求5所述的一种基于开源硬件的STEM教育变形机器人，其特征在于，所述车轮组件设置有4组，其中2组通过支架零件设置在所述肩部零件上，另外2组通过所述支架零件设置在所述脚部零件上。

10.根据权利要求5所述的一种基于开源硬件的STEM教育变形机器人，其特征在于，所述涵道风扇共设置有4个，其中2个固定在所述肩部零件上，另外2个固定在所述脚部零件上。