CN201156186Y - 可扩展型通用机器人开发平台 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种可扩展型通用机器人开发平台。该机器人开发平台的特点为模块化的软硬件结构，包括有多计算机分布处理系统、行进控制系统、识别系统、闪存卡式可替换存储系统、可替换电源系统、无线通讯系统、可扩充接口部分、模块化操作系统、可与微软机器人开发平台兼容的接口、以及模块化软件应用系统。整个系统由多个单一功能的程序组成。采用此种结构可以最大程度上降低程序间的耦合性，从而提高系统的可靠性及安全性。本实用新型可以作为机器人研发的基础平台，除具备通用机器人的控制、操作环境外，还提供了用户图形界面、可插入式用户程序、可选择性硬件接口，为机器人应用的再开发提供了灵活的软、硬件扩充界面。

Description

可扩展型通用机器人开发平台

技术领域

本实用新型涉及一种机器人开发平台，特别是一种具有可扩展型通用机器人开发平台。

背景技术

尽管国内外机器人市场非常活跃，迄今为止，尚缺乏体积小，功能强、软、硬件可扩展性灵活的机器人开发平台产品。目前，国际市场上以Lego为代表的非专业型机器人开发平台即所谓低端产品，主要是基于微控制器(MCU)的系统，处理功能有限，不能用于较复杂系统的开发。市场上的专业用机器人开发平台即所谓高端产品，缺乏应用软件库，可扩展灵活性差，升级维护困难，通常由于配有硬盘而造成系统经不起碰撞，且价格昂贵。因此，很多机器人研发单位不得不先搭建自己的开发平台，然后再进行某一特殊目的开发，花在平台搭建上的时间与资金，往往不亚于花在专业应用的开发上。就社会意义而言，造成大量资金浪费与重复劳动。

实用新型内容

本实用新型发明的目的是克服上述现有技术的不足，提供一种小型、灵活、功能强、且价格合理的可扩展型专业机器人开发平台产品。

本实用新型采用的技术方案是：一种可扩展型通用机器人开发平台采用模块化的软硬件结构，包括有多计算机分布处理系统、行进控制系统、识别系统、闪存卡式可替换存储系统、可替换电源系统、无线/有线通讯系统、可扩充接口部分、模块化操作系统、可与微软机器人开发平台兼容的接口、以及模块化软件应用系统。

该机器人开发平台的多计算机分布处理系统部分包括多核微处理器(CPU)，微控制处理器(MCU)，可供用户选择的模块化微软视窗嵌入式操作系统，或是Linux操作系统，与微软机器人开发平台兼容的软件接口，以及多种应用程序。所述多种应用程序包括控制处理、防碰撞处理、采样处理、图像处理、无线或有线通讯、及人机交互处理等。所述人机交互处理通过无线或有线通讯建立远程控制中心与机器人平台主机系统的信息交流。远程控制中心包括人机交互界面，可以向机器人发布操作命令，配有方向盘式操纵杆或是摇杆操纵杆，可以远程操控机器人的行进。

该机器人开发平台的行进系统包括有马达控制器、两个含有电机的变速齿轮箱、两个受控轮、及两个万向轮。所述受控轮安装在机器人的底部且位置可调，带动安装在机器人的底部的万向轮转动。受控轮或万向轮的个数可根据需要自行确定，软件支持上无限制。电机的大小可以根据所需扭力进行更换。需要时，所述受控轮和万向轮可更换成履带，以便在崎岖地面上行走。需要时，所述受控轮和万向轮可更换成拨轮，以便在水面上行走。

该机器人开发平台的识别系统包括有数字摄像头、伺服电机控制器、伺服电机、距离探测器、和双向水平仪。所述数字摄像头用来摄取图像，用于环境识别或其它处理。所摄图像可通过通讯系统发送到远程控制台。所述数字摄像头在伺服电机控制下可在水平及垂直方向上转动，以达到机器人前方立体空间全方位的覆盖。所述距离探测器和水平仪在伺服电机控制下可在水平方向的自由旋转，以保证机器人行进方向的自动识别和平稳移动。伺服控制器的个数可以根据用户需要而增加，软件支持上无限制。

该机器人开发平台的数据存储系统采用闪存卡式可替换系统，取代传统的硬盘系统，克服了硬盘碰撞易损的缺点，增强了机器人系统的物理安全性，同时增强了存储系统的可扩充性。

该机器人开发平台的可替换电源系统包括直流变压电源模块和充电电池，可根据机器人的大小及负载选择容量及功率配置。

该机器人开发平台的通讯系统包括两部分：无线通讯及有线通讯。经由WiFi的无线通讯系统，A/V高频发射、接收系统，以及3G等广域无线通信网络。经由Internet，有线以太网，以及电话网络的有线通讯。

该机器人机体可从侧面、后面，上面加装额外的机体。可以根据需要而扩充，以容纳更多的硬件设备。

该机器人开发平台的基本接口部分包括USB接口，及可编程I/O接口板(MCU)。接口板的数量、或USB接口的数量均可根据用户需要增加。软件可支持的输入、输出接口数量无限制。模拟接口作为备选，可根据用户需求加以扩充。

本系统含有的可运行程序包括：插件式用户图形界面，机器人远程控制，机器人自主控制，机器人信息采集，防碰撞控制，图片采集传送，机器人硬件控制等。

本系统采用松散软件结构，一个单一基本功能即是一个单独可执行程序，一个具体的系统应用由若干相关的单一功能可执行程序配合运行而实现，所有的程序共用统一的通信协议，程序间传输的信息由消息包组成。

本实用新型的优点在于：所述机器人开发平台为软、硬件均为模块化结构，具有极其灵活的可扩展性。用户可以增添新的控制板，扩展其控制功能；可以根据需要更换电源系统，使其具有更大的功率及更强的驱动能力；可以根据需要更换存储系统，使系统升级；其体积也可视需要而作相应的扩展。对于复杂的实时计算要求，所述主机系统可外接计算机阵列体系，进行高效率的并行计算处理。所述机器人开发平台系统采用松散软件结构，可以最大程度上降低程序间的耦合性，以期达到最好的系统效能和最低的机器人功耗，从而提高系统的可靠性及安全性。本实用新型所包含的基本功能可直接应用于未知环境下机器人的移动、探索、及通讯，可用于开发巡视机器人，恶略环境下的探险机器人，救援机器人等。在语音功能上的扩展，可以开发为导游机器人、讲解机器人等。本实用新型可以作为机器人研发的基础平台，除具备通用机器人的控制、操作环境外，还提供了用户图形界面、可插入用户程序、可选择或扩展硬件接口，为机器人应用的再开发提供了灵活的软、硬件扩充界面。

本实用新型可用作各种特殊用途机器人的核心控制系统，并为其开发提供了有效、实用的平台。

附图说明

图1为本实用新型外形图。

图2为本实用新型软件系统结构图。

图3为远程控制台所需要的软件模块结构图。

图4为本实用新型机载计算机所需的软件模块结构图。

图号说明：

A……第一层板    B……第二层板      C……第三层板

D……第四层板    E……支撑架

1……受控轮      2……含有电机的变速齿轮箱    3……万向轮

4……电池        5……可更换内存卡  6……电源模块

7……计算机主板  8……MCU板         9……伺服电机控制板

10……USB分线器  11……通讯信号接受器

12a，12b，12c，12d，12e......距离探测器

13……双向水平探测器         14……数字摄像头

15a，15b，15c......伺服电机  16……电视摄像头

具体实施方式

下面结合附图说明本实用新型的具体实施方式。

如图1展示一种可扩展型通用机器人开发平台，分为四层结构，由第一层板A，第二层板B，第三层板C，及第四层板D构成，并配有支撑架E。

第一层板A用以支撑该系统的驱动部分。两个受控轮1及其对应的含有电机的变速齿轮箱2固定在板A的底部前方，左右各一个。两个受控轮1或两个万向轮3与第一层模板底部相连，位于机器人后方，左右各一个。所述受控轮在变速箱的控制下，调整前进的方向及速度。万向轮被带动运动。所述变速箱在系统驱动程序下工作，该驱动程序既可受机器人主机系统的控制，也可接受远程控制中心的发来的命令。机器人主机系统在对环境识别程序和防碰撞程序进行处理后，对该驱动程序发出动作指令，引导机器人的行进。

电源电池4，直流变压电源模块6，固定在第一层板A的顶部。所述电源电池为可充电电池，其大小可根据用户要求进行更换。

系统主机板7固定在第二层板B的顶部，它是该机器人系统的核心控制部分，亦称作机载计算机。它包含经过特化的操作系统，各种接口控制程序，及各种应用控制程序。它的硬件配置包括CPU、存贮器、串行接口、无线网卡等均可根据用户需要进行调整。

可更换闪存卡式硬盘5，微控制器板(MCU)8，伺服电机控制板9，USB分线器10，以及通讯信号接收器11，固定在第三层板C上，并通过接口与主机板相连。微控制器，伺服电机控制器，USB分线器及信号接受器的大小及功能均可根据用户要求进行选择。

主机CPU系统通过微控制器MCU控制马达的变速，进而控制系统的行进。MCU接受CPU发来的询问指令，检测各个距离探测器或水平探测器，并将其获得的信息发送给CPU。伺服电机控制器在CPU指令下，对伺服电机15a，15b和15c分别进行控制。通讯接收器11用以接收远程控制中心发来的指令，并转送到主机CPU进行处理。

四个距离探测器12a，12b，12c，12d，和双向水平探测器13分别固定在第四层板D的顶部，构成全方位距离探测及系统水平探测。伺服电机15a固定在板C的顶部，与板D底部相连，使得板D可沿水平方向转动。

支撑架E固定于第一层板A的顶部，支撑架的前方放置数字摄像头14及电视摄像头16，通过伺服电机15b和15c达到水平与垂直方向的转动，用来摄取机器人前进方向的图像，并将图像传送到主机系统作为环境识别的输入信息。主机系统若接收到远程控制中心发来的索取指令，则将所摄图像转换为JPEG格式，通过网络发送到远程控制中心，以供进一步的应用。

本实用新型的软件系统结构图如图2所示，整体分为三大部分：装载在远程控制中心上的软件功能模块，装载在机器人上的软件功能模块，以及计算机阵列功能模块。运行在远程控制中心的程序如图3所示，包括：用户图形界面，机器人用户控制，机器人自主控制，及机器人信息采集。运行在机器人机载计算机上的程序如图4所示，包括：防碰撞控制，图片采集，及机器人硬件控制。计算机阵列模块用于处理复杂的实时计算。

本实用新型的计算机主机板、微控制器板(MCU)、伺服电机控制板、USB分线器、通讯接受器、可更换闪存卡、双向水平探测器、距离探测器、数字摄像头、电视摄像头、电池及电源模块、伺服电机、含有电机的变速齿轮箱、受控轮及万向轮等均是成型产品。以上所述仅是本实用新型具体实施例，凡是熟悉此项技艺人士极易据此而做出各种修饰或变更，因此，凡此种种不脱离本实用新型权利要求精神所作的等效替换，均应包括于本实用新型的权利要求保护范围中。

Claims (4)

1、一种可扩展型通用机器人开发平台，其特征在于：采用模块化的软硬件结构，包括有多计算机分布处理系统、行进控制系统、识别系统、闪存卡式可替换存储系统、可替换电源系统、无线/有线通讯系统、可扩充接口部分、模块化操作系统、可与微软机器人开发平台兼容的接口、以及模块化软件应用系统；所述多计算机分布处理系统包括多核微处理器(CPU)，微控制处理器(MCU)，可供用户选择的模块化微软视窗嵌入式操作系统，或是Linux操作系统，与微软机器人开发平台兼容的软件接口，以及控制处理、防碰撞处理、采样处理、图像处理、无线通讯、及人机交互处理应用程序；所述行进控制系统包括马达控制部分和防碰撞系统，所述马达控制部分包括有马达控制器、含有电机的变速齿轮箱、受控轮、及万向轮；所述识别系统包括有数字摄像头、伺服电机控制器、伺服电机、距离探测器、和双向水平仪；所述可替换电源系统包括直流变压电源模块和可充电电池，所述无线通讯系统包括经由WiFi但不限于WiFi的无线通讯系统，以及A/V高频发射、接收系统；主机CPU系统通过微控制器MCU及马达控制器控制马达的变速，进而控制系统的行进；MCU接受CPU发来的询问指令，检测各个距离探测器或水平探测器，并将其获得的信息发送给CPU；伺服电机控制器与主机CPU直接相连，在CPU指令下，对伺服电机进行控制；无线网Wi-Fi接收器用以接收远程控制中心发来的指令，并转送到主机CPU进行处理。

2、根据权利要求1所述的可扩展型通用机器人开发平台，其特征在于：所述马达控制部分的受控轮和万向轮可更换为履带，亦可更换为拨轮。

3、根据权利要求1所述的可扩展型通用机器人开发平台，其特征在于：机器人机体可从侧面、后面，上面加装额外的机体。

4、根据权利要求1所述的可扩展型通用机器人开发平台，其特征在于：所述可扩充接口部分的接口板的数量、或USB接口的数量均可根据用户需要增加。

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