CN201707829U - 一种基于开放架构的模块化教学机器人 - Google Patents

Abstract

本实用新型为一种基于开放架构的模块化教学机器人，其特征在于：由若干具有标准接口的功能模块组成，包括：底盘、电源控制模块、传感与通信模块和运动控制模块等。所述的底盘为机器人的行走机构，采用轮式机构或履带式机构，由直流电机、步进电机或伺服电机驱动；所述的电源控制模块包括实现电源供给的充电电池和实现电源管理的电源控制板；所述的传感与通信模块包括若干机器人用传感器和控制电路板；所述的运动控制模块包括电机驱动和控制电路板。标准接口包含了电源和通信，功能模块相连接时可统一供电并相互通信，相互之间不用外部连线就能快速连接。功能模块具有各自的CPU和控制系统，可单独或联合使用，简化了设计过程，节约了设计成本。

Description

一种基于开放架构的模块化教学机器人

技术领域

本实用新型涉及的是一种模块化的机器人，特别是一种适合于教学实验的基于开放架构的模块化机器人。属于机器人技术领域。

背景技术

近年来随着模块化技术的发展，针对传统封闭架构体系的缺点，提出了开放式架构机器人的概念。开放式架构强调机器人设计的结构化、易开发性、易配置性、易扩展性、易交互性、易移植性、易裁剪性和易复用性。

封闭式架构的机器人，其所有的硬件控制都交给主控软件完成，硬件和软件必须要通盘考虑，完成不同功能的部件之间在软件上是一种紧密耦合的关系，在一台机器人上使用的编程代码，几乎不可能在另一台新开发的机器人上发挥作用，如果想开发新的机器人，就必须从头开始，移植性和重用性较差。这种封闭式机器人由于采用的是专用计算机、专用机器人语言、专用微处理器，结构封闭，机器人的应用上受到了很多限制，无论是硬件还是软件，兼容性都较差，功能和配置上难以扩充和更改。

开放式架构的机器人则通过模块化技术，使不同组件通过统一的硬件和软件接口，解除机器人各个部件之间的紧密耦合性，可以轻而易举地重复使用硬件和软件的模块。模块化的特征是实现开放式架构的基础，可以保证机器人的性能，便于系统维护与功能模块更换和扩展，并可以提高机器人对复杂工作情况的适应能力。

专利CN1445687公布了一种基于单处理器结构的教学机器人控制系统，采用了固定机构。专利CN101009054公布了一种简易模块化机器人，是由类似积木的拼装件组成机器人，属于机械上的一种简易模块化，是当前拼装机器人经常采用的方式，没有实现电子和软件的模块化和标准化。专利CN101053954公布一种基于CAN总线的模块化机器人控制系统，使用CAN总线使机器人节点与上位机通讯，仅在机器人模块与PC机之间采用了标准的通信协议。专利CN201432298公布了一种模块化的机器人电机控制系统，把整个控制系统均集中在一个电路基板上实现，属于电机控制内部的电路整合，不是机器人整体系统的模块化。

上述提到的专利技术均没有实现机器人的统一接口，只是在一些方面上局部实现了模块化，不是开放式架构的机器人。

此外，目前市场上用于教学、实验、竞赛的机器人有多种产品类型：比如小型机械臂、移动小车、组装式套件等。学生主要通过对机器人的编程调试以及添加一些传感器配件来增强对专业课程的理解和应用。目前，应用于教学的国内外机器人平台大都是采用一个单片机或其他微处理器控制，图形化语言编程，结构形式固定，功能单一，使用过于简单，扩展性能不好，对中学生课外竞赛能起到一定作用，但对大学生的训练明显不足，不适合大学生能力培养的需求。

发明内容

本实用新型的目的是针对当前机器人设计技术和上市产品的情况，提出一种机器人系统，使之适合大学生的教学实验的需求，并且基于开放式的架构的模块化设计简化了设计过程，节约了设计成本。

本实用新型是这样实现的：一种基于开放架构的模块化教学机器人，其特征在于：由若干具有标准接口的功能模块组成，其基本的功能模块包括：底盘、电源控制模块、传感与通信模块和运动控制模块等。

所述的底盘主要是指机器人的行走机构，可以采用轮式机构、履带式机构等。可以由直流电机、步进电机或者伺服电机来驱动。

所述的电源控制模块实现电源供给和电源管理的功能，包含可充电电池和电源控制板。该模块负责给机器人的其他功能模块供电及电源的管理。电源控制模块可以单独编程和使用。

所述的传感与通信模块包含了若干机器人用传感器和控制电路板等，并且提供扩展接口，可供用户外接更多的传感器和执行器。传感与通信模块可以单独编程和使用。

所述的运动控制模块包含了电机驱动和控制电路板，并且提供扩展接口，可供用户外接更多的传感器和执行器。运动控制模块可以单独编程和使用。

上述功能模块均带有一到两个标准接口，可以与其他功能模块相连接，也可以装在其他带有相同标准接口的机器人上。

机器人还可以包含更多的功能模块，如无线控制模块、步进电机模块、图像模块等，它们的设计与上述功能模块类似。

功能模块具有独立的电源接口，电源开关，可以单独由外接电源供电，具有电源保护，能够单独使用；功能模块具有独立的串口和JTAG口，能够单独对其编程和调试；功能模块(一些模块除外，比如底盘)具有独立的CAN接口、串口、AD口、IO口，对外开放，以便能够连其他执行器和传感器等，扩展功能。

功能模块的标准接口规范定义之后，便于扩展更多的功能模块，便于不同机器人之间共享功能模块，也便于用户按照此规范来开发符合自身要求的模块。

本实用新型提出了一种开放式架构，由多个功能模块组成，是一种不用外部连线就能够快速连接的模块化机器人。本实用新型中将机器人划分为若干个功能模块，每个功能模块均带有标准接口，并具有各自的CPU和完整的控制系统，能单独作为实验平台使用。模块标准接口包含了电源和通信，模块相连接时可统一供电并相互通信。每个功能模块可单独使用，可以联合使用，可以组装成一个具有多CPU的移动机器人，也可以作为其他具有相同标准接口的机器人或设备的配件使用。

功能模块采用相同的CPU及开发环境或者采用不同的CPU结构及开发环境。在教学实验中，每个功能模块可单独编程和开展实验，便于学生掌握机器人相关的传感器、导航、通讯、运动、图像等方面的知识和技能。多个模块通过标准接口快速连接后即成为一个多CPU的机器人平台，可以进行全自主机器人的开发，多CPU的编程方式训练，使学生能够掌握前沿的技术。模块分立编程组装后机器人集中调试的方式便于一个小组共同完成一个项目，能增强学生之间的团队合作。功能模块可以作为标准配件安装在其他移动机器人平台上，便于实现基础的研究成果的实用化。此外，用户有更多需要时，可以根据提供的标准接口定义自行开发，直接扩展到原有机器人平台上。

本实用新型的有益效果是：本实用新型基于开放式的架构设计机器人的功能模块，不用外部连线就能够快速组装成一个移动机器人，当需要新的功能时，只需要扩展一个新的带有标准接口的功能模块，原先的模块可以继续使用，成熟的功能模块作为一种标准件可以提供给其他兼容标准接口的机器人使用，其控制算法也可以移植到新的机器人平台上，在新产品设计中可以简便地重复使用功能模块，大大简化了设计过程，节约了设计成本。

此外，本实用新型在现有的固定架构主要适合中小学的机器人产品上进行了创新，扩展了机器人的教学功能，为机器人的终端用户提供了更为基础的大学生工科综合实验项目，能够适合机械电子、自动化、信息技术、测试技术、计算机、机器人等相关专业的课程实验，使之成为工科学生的最佳综合实验平台。

附图说明

图1是本实用新型架构图；

图2a是本实用新型轮式底盘图；

图2b是本实用新型履带式底盘图；

图2c是本实用新型底盘下部的机器人标准接口SIR图；

图3是本实用新型标准功能模块结构图；

图4a是本实用新型功能模块单独使用模式图；

图4b是本实用新型功能模块联合使用模式图；

图4c是本实用新型功能模块组成机器人系统模式图；

图4d是本实用新型功能模块作为配件使用模式图。

具体实施方式

下面结合附图，论述本实用新型技术方案的实施。

根据附图1，一种基于开放架构的模块化教学机器人10，主要由底盘20、电源控制模块30、运动控制模块40和传感与通信模块50等标准模块组成。

根据附图2a和2b，所述底盘20可以采用轮式底盘，也可以采用履带式底盘。底盘包含了电机组件、轮子或者履带机构等。

根据附图2c，底盘下具有一个机器人标准接口SIR(Standard Interface for Robot)21，能够与其他具有相同接口的设备相连。

电源控制模块30包含了壳体，可充电锂电池和带有ARM控制器的电源控制板。模块具有模块标准接口SIM(Standard Interface for Modu1e)，可以连接其他功能模块，给其他功能模块提供电源。模块标准接口SIM中包含了12V电源和CAN总线。

运动控制模块40包含了壳体，ARM控制器的运动控制板，能够驱动两个直流电机和一个步进电机。模块上下均有一个模块标准接口SIM，可以与其他功能模块相连接。该模块还包含了CAN接口、AD接口和IO口，可供添加更多的设备使用。

传感与通信模块50包含了壳体，ARM控制器的传感与通信板，具有红外、罗盘等传感器。模块具有一个网络接口，可以与其他设备或PC机进行网络通信。模块上下均有一个模块标准接口SIM，可以与其他功能模块相连接。该模块还包含了CAN接口、AD接口和IO口，可供添加更多的设备使用。

根据附图3，上述标准功能模块60(指代上述30，40，50及其他未列出的类似功能模块)除底盘20外包含以下几部分：外壳61，控制板62，两个模块标准接口SIM 63，电源开关64等。

所述控制板62为标准功能模块的控制系统，可以采用多种CPU芯片来实现，本实例中采用ARM控制器。在控制板62上有电源输入口，ISP拨动开关，串口，JTAG口，CAN接口，AD口(可选)，IO口(可选)，网络口(可选)等外部接口，供下载程序和扩展设备使用。

所述模块标准接口SIM 63采用DB15，引脚规范定义如下表：

序号	1	2	3	4	5	6	7	8
									定义	TXD	RXD	GND	CANH	CANL	GND	VIDEO	GND
序号	9	10	11	12	13	14	15
									定义	12V	GND	12V	GND	24V	GND	NC

模块上下壳体各安装一个，下面是一个公头，上面是一个母头。带有此标准接口的功能模块或机器人都可以相连。功能模块相互连接时只要对准模块标准接口，按紧后电气和机械上即可相连。在一般应用时可采用此种简易连接，在比较复杂路面上实验时为了更加可靠可用四颗螺柱和螺丝连接。

电源输入口可插入12V的电源给模块供电。相互连接的模块可以采用同一个电源供电，只要将电源插入其中任一个模块即可通过模块标准接口给其他模块供电。所述电源开关供打开或关闭开关该功能模块电源使用。所述的ISP拨动开关供切换功能模块“程序下载”和“程序运行”两种状态使用。所述串口供给功能模块下载程序以及PC机或其他设备与功能模块之间的串口通信使用。所述的JTAG口供给功能模块下载程序和调试程序使用。所述CAN接口供外部设备与模块CAN通信使用。所述AD口供模块外部扩展模拟传感器使用。所述IO口供模块外部扩展数字传感器或执行机构使用。所述网络口供模块与其他设备进行有线网络通信使用。

根据附图4a～4d，功能模块具有四种使用模式：

图4a模块单独使用的模式

单独使用时，模块由外接电源适配器供电，将适配器一端插入模块上的电源口，一端插入交流220V三相插座即可。打开模块上的电源开关，模块即上电。模块与PC机通过串口延长线或者JTAG线连接，上位机的程序通过串口或者JTAG口下载到模块当中的芯片内。

图4b多个模块联合使用的模式

两个以上的模块通过模块标准接口SIM上下对接，并可在其中间用螺柱固定。电源适配器和串口延长线连接到其中一个模块即可使用。分别向不同的模块下载程序，模块之间通过CAN通信，联合实现一些复杂的功能。

图4c组成机器人系统的模式

电源模块通过模块标准接口SIR与底盘连接，多个模块通过模块标准接口SIM相互叠加，组成一个多CPU的机器人系统。机器人系统统一由电源模块中的电池供电，对各个模块分别编程，一起运行可以实现机器人的智能控制。

图4d作为其他机器人的配件使用模式

模块可以安装在其他具有机器人标准接口SIR或模块标准接口SIM的机器人或设备上，作为标准配件使用。比如传感与通信模块可以作为其他机器人的传感器件使用。在其上开发算法直接可以应用到其他机器人上，极大程度地缩短了开发产品的时间，节约了开发成本。

以上实施方式仅对基本的模块进行了论述，按照不同使用需求，可以有更多种类的模块，如无线通信模块、图像模块等。这些扩展的功能模块与基本模块一样具有模块标准接口和外部扩展接口，具有相似的设计和使用方法。在本实施方式中，所有模块采用了相同的CPU芯片，具有相同的开发平台环境，学习使用方便。对于不同的需求，也可以采用不同的CPU系统来设计功能模块。

Claims (6)

1.一种基于开放架构的模块化教学机器人，其特征在于：由若干具有标准接口的功能模块组成，其基本的功能模块包括：底盘、电源控制模块、传感与通信模块和运动控制模块；所述的底盘为机器人的行走机构，采用轮式机构或履带式机构，由直流电机、步进电机或伺服电机驱动；所述的电源控制模块包括实现电源供给的充电电池和实现电源管理的电源控制板；所述的传感与通信模块包括若干机器人用传感器和控制电路板及若干扩展接口；所述的运动控制模块包括电机驱动和控制电路板及若干扩展接口。

2.根据权利要求1所述的一种基于开放架构的模块化教学机器人，其特征在于：所述的功能模块具有标准接口，模块之间依靠标准接口相互连接，标准接口包含电源和CAN信号线，功能模块之间采用CAN通信。

3.根据权利要求1 或2所述的一种基于开放架构的模块化教学机器人，其特征在于：所述的功能模块之间通过标准接口相连接，组成一个多CPU机器人系统。

4.根据权利要求1 或2所述的一种基于开放架构的模块化教学机器人，其特征在于：所述的功能模块包含完整的控制系统，能单独作为实验平台使用。

5.根据权利要求1 或2所述的一种基于开放架构的模块化教学机器人，其特征在于：依据标准接口扩展功能模块种类，功能模块作为其他具有相同标准接口的机器人或设备的配件使用。

6.根据权利要求3所述的一种基于开放架构的模块化教学机器人，其特征在于：所述的功能模块采用相同的CPU及开发环境或者采用不同的CPU结构及开发环境。 

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