CN201974998U

CN201974998U - 多足教育机器人

Info

Publication number: CN201974998U
Application number: CN2011200031389U
Authority: CN
Inventors: 刘波; 谢祥南; 欧龙文; 宋璐; 何岭松
Original assignee: Huazhong University of Science and Technology
Current assignee: Huazhong University of Science and Technology
Priority date: 2011-01-07
Filing date: 2011-01-07
Publication date: 2011-09-14
Anticipated expiration: 2021-01-07

Abstract

本实用新型公开了一种多足教育机器人，包括身架、对称分布在该身架两侧的多条腿、控制板、驱动板和多个舵机，所述控制板和驱动板安装在所述身架上，所述舵机设置在腿上，控制板发送控制信号给驱动板，通过该驱动板驱动各舵机带动各条腿运动，实现机器人的各种动作。本实用新型具有多种功能，机器人爱好者可以通过将不同的模块安插在面包板上来实现机器人不同的功能，可二次开发；大专院校学生也可以通过安插其他的传感器模块，并编写相应的控制程序，作为大专院校学生学习机器人、传感器、机械创新设计、控制技术等课程的实验仪器。

Description

多足教育机器人

技术领域

本实用新型涉及一种机器人，具体指是一种多足教育机器人。

背景技术

在知识经济日见端倪的今天，随着计算机技术的发展，智能化越来越成为当今的潮流，而人们对智能机器人的好奇和探索则愈加凸显。伴随着都市白领群体的增加，开发一款具有一定专业背景，并且又有趣味的智能机器人以供他们探索和娱乐愈发成为一种必要。同时，随着高校CCTV机器人大赛、机器人足球大赛等赛事的举办，愈发激起大学生对机器人领域的浓厚兴趣，在这种情况下，能有一种集机械、控制、电路、软件开发于一体的机器人以供他们学习、调试无疑成为一种必要。通过我们的检索和调查，发现现有的机器人很难同时满足上述要求，它们或者结构简单、智能化程度低，或者过于复杂，难以进行二次开发，不适合机器人初学者。如CN201285619Y的教育机器人，机械结构和控制算法简单，不适合成年机器人爱好者和大专院校学生学习和二次开发属于自己的机器人。而CN1410230A的4+2六脚机器人研究比较前沿，不适合机器人爱好者作为学习和开发机器人的模版。同时，很多机器人都是成型的，控制板都是焊接在一起成为一个模块，机械结构也已经组装完成，这样不利于初学者搭建自己需要的模块，即不利于二次开发，不能起到教育的目的。通过我们调查，现有机器人还存在以下缺点：

(1)腿部结构自由度少，造成机器人自适应差，运动步态单一；

(2)机器人灵活性差，腿部抬起高度小，难以逾越障碍，不能爬楼梯；

(3)机器人或者不能独立行走、避障，或者不能通过电脑无限控制；

综上所述，现有教育机器人难以满足难易得当，灵活性，和可供二次开发学习的综合要求。

发明内容

本实用新型旨在于提供一种智能化，可供大专院校教学和学生自学，或供成年机器人爱好者学习和二次开发，自由选择功能模块的教育机器人。它能够让使用者自己装配机器人，在最简单控制系统和相应程序的基础之上，通过自己添加不同的模块和相应的控制程序来使机器人的具有不同的功用。在开发的过程中，使用者将能充分的学习机械、电路、控制算法、编程、传感器方面的知识，以使他们充分了解机器人各个领域的基础知识，激起他们对机器人开发的兴趣，同时有利于他们制作出真正属于自己的更加复杂、更加智能化的机器人。

为了实现以上功能，本实用新型将通过以下技术方案来实现。

一种多足教育机器人，其特征是，包括身架、对称分布在该身架两侧的多条腿、控制板、驱动板和多个舵机，所述控制板和驱动板安装在所述身架上，所述舵机设置在腿上，控制板发送控制信号给驱动板，通过该驱动板驱动各舵机带动各条腿运动，实现机器人的各种动作。

多足教育机器人外形像昆虫，包括一个身架，偶数数目的腿对称分布在身架的两侧，每条腿结构相同，包括髋部，大腿，小腿，足等部分，其中髋部与大腿通过两个舵机相连，分别实现大腿垂直方向上下摆动和水平方向前后摆动，大腿和小腿通过一个舵机相连，实现小腿垂直方向上下摆动，即每条腿均有三个自由度。

所述控制板和面包板相连接，该面包板用于插接各种传感器模块，所述传感器模块通过检测感测到的周围环境信息，传送到控制板内，由控制板根据上述信息发送相应的控制信号给驱动板，通过所述驱动板驱动各舵机旋转，实现机器人的动作。

控制板，驱动板和面包板均通过螺栓螺母固定在机器人的安装孔上，控制板和驱动版，驱动板与驱动板，驱动板与舵机之间均通过三根导线，即VCC，GND，信号线相连接。各功能模块可以直接通过插槽插在面包板上，并经由简单的几根线连接到控制板相应的插槽上。机器人通过JLINK下载器，可以将相应程序下载到控制板内，以实现机器人不同的检测方式和行走模式。也可以通过蓝牙无线通信模块，用电脑人机交互界面来控制机器人的行走和步态。

综上所述，本实用新型具有多种功能，机器人爱好者可以通过将不同的模块安插在面包板上来实现机器人不同的功能，可二次开发；大专院校学生也可以通过安插其他的传感器模块，并编写相应的控制程序，来学习机器人技术。通过整个开发过程，开发者将会对机器人各个技术环节都有所了解，为他们开发研究更加复杂的机器人做好铺垫和知识储备，同时能够锻炼他们的动手能力。也可以作为大专院校学生学习机器人、传感器、机械创新设计、控制技术等课程的实验仪器。

附图说明

图1为本实用新型的总体机械结构图；

图2为本实用新型机器人腿部机械结构详图；

图3为本实用新型的控制原理图；

具体实施方式

本实施例中以六足为例，结合附图对本实用新型多足教育机器人的具体结构作进一步说明。

一套六足教育机器人系统，包括以下部分：

机器人的身架，上下左右前后共6块铝板，铝板对称布置，结构简单；六条腿，每条腿包括髋部支架两块铝板，舵机安装盒两块铝板(折弯连接)，大腿两块铝板，小腿两块铝板(折弯连接)；6个足，均为橡胶垫；18个舵机，每条腿三个；六个长螺栓及相应螺母，用于加固大腿两侧；六个行程开关，内嵌于机器人脚部，用以探测机器人脚部是否着地。

一块控制板(优选STM32F107最小系统板)作为机器人的大脑；两块舵机驱动板(优选propeller servo controller USB)用于同步驱动机器人的各关节舵机；一块面包板，用于实现各传感器模块、蓝牙接收发送模块以及显示模块等和控制板之间的连接；

所述蓝牙接收发送模块，用于实现机器人和电脑之间的无线通信。电脑作为上位机无线控制机器人的运动形式和步态；

所述传感器模块可以包括CMUcam视觉识别模块，用于机器人跟踪探测物体，躲避障碍物，并且可以识别物体颜色；红外线发送接收模块，通过红外线的发送和接收，来感知机器人与物体之间的距离，用于机器人探测躲避障碍物；超声波发送接收模块，通过超声波的发送和接收，用于机器人探测与物体或者障碍物的实时距离；加速度模块，即集成的加速度计，用以测量机器人的加速度，速度，和行走距离；指南针模块，可以提供实时的方位信息，用于机器人辨别方向；

所述显示模块可以为LCD液晶模块，用于显示机器人发出的信息和命令或者其它需要显示的信息。

如附图1所示，其中上侧铝板3、后侧铝板4、侧板7、下侧铝板8和前侧铝板9通过螺栓螺母连接组装成机器人身架，铝板上打有很多减重孔和安装孔，铝板结构对称，加工简单。上下侧铝板相应位置各突出六小块铝板，为机器人的髋部，作为机器人各大腿关节的安装架。大腿6通过两个舵机连接到髋部上，即大腿关节水平旋转舵机2和大腿关节垂直旋转舵机10，通过舵机实现大腿的前后和左右摆动。小腿5通过小腿关节舵机1连接到大腿上，实现小腿在竖直平面上的上下左右摆动。每条腿上的三个舵机组成相应的三个关节，使机器人的每条腿拥有三个自由度，这样就可以模拟自然界中昆虫的前后行走，左右转弯，侧身，原地旋转，抬脚等动作。本实施例中优选的舵机型号为：Hitec HS-645MG，可旋转角度180度，通过调整各个舵机旋转角度的不同，可以使机器人最高距地面22cm，最低可贴着地面匍匐前进，从上述数据可以看出，机器人的腿部活动范围很大，很容易翻越障碍和在凸凹不平的地面上行走。机器人的腿对称布置在身架的两侧，各关节均是通过舵机舵盘直接驱动，无中间传动部件，这样就使每条腿结构简单，驱动灵活；每条腿对称布置，结构相同也降低了加工费用；每条腿有三个自由度，这就使机器人可以在三维空间里拥有全自由度(六个自由度)，使机器人运动灵活。

如附图2所示为腿部详细图示，2为髋部舵机，固定在髋部11上，带动大腿关节铝架12旋转，实现大腿的前后摆动。10为大腿关节舵机，其固定在12上，带动大腿铝板6旋转，实现大腿的左右旋转。小腿关节舵机1固定在小腿铝架5上，随着舵机的旋转，实现小腿的左右摆动。以上是机器人腿部结构，可以看出，机器人腿部运动采取舵机直接驱动，结构简单，运动灵活，通过设定舵机旋转角度，可以使机器人腿部摆出各种姿势。

如附图3所示为机器人的控制原理图，使用者使用本实用新型做机器人开发时，首先选择要开发的模块，将相应模块插在面包板上，并用导线连接到控制板相应引脚，然后编译相应程序，通过JLINK下载到STM32F107控制芯片内。各传感器模块均是通过检测相应环境信息，并将其传送到控制板内，由控制板发送给驱动板控制信号，通过两块驱动板驱动18个关节舵机旋转不同的角度，实现机器人各种复杂的动作。而LCD液晶模块则随时可以安插在机器人上，来显示使用者需要让机器人显示的信息，包括机器人的运动模式，速度等。将蓝牙接收发送模块安插在面包板上则可以通过电脑控制机器人的运动步态。

机器人有两种工作模式，一种是通过电脑无线控制机器人的运动步态；另外一种是通过各功能模块采集的不同信号来控制机器人的运动步态；前一种工作模式是机器人通过蓝牙转串口，实现信号的异步传输。蓝牙接收发送模块安插在机器人面包板上，如果电脑没有蓝牙功能，则电脑需要安插USB适配器以建立与机器人之间的无线通信。电脑上有友好的人机交互界面，通过操纵界面上的上下左右停按钮，来控制机器人前后左右停止等动作。另一种是选择将其它传感器模块安插在面包板上，并于控制板之间按要求连接好，通过事先下载的程序和机器人采集到的不同信号，由机器人自己判断如何行进，以追踪目标，躲避障碍物或者完成其他任务。本实用新型中的各功能模块优选Parallax公司的成型产品，只需通过几根导线即可与机器人控制板之间建立连接，安插简单方便。当然，使用者也可以安插其他传感器模块，以使机器人具备其他功能。这样无疑可以激发使用者的潜力和对机器人学习探索的兴趣。

Claims

1.一种多足教育机器人，其特征是，包括身架、对称分布在该身架两侧的多条腿、控制板、驱动板和多个舵机，所述控制板和驱动板安装在所述身架上，所述舵机设置在腿上，控制板发送控制信号给驱动板，通过该驱动板驱动各舵机带动各条腿运动，实现机器人的各种动作。

2.根据权利要求1所述的机器人，其特征在于，所述的多条腿的每条腿结构相同，均包括髋部，大腿，小腿和足，所述髋部固设在身架上，该髋部与大腿通过两个舵机相连，直接驱动大腿垂直方向上下摆动和水平方向前后摆动，所述大腿和小腿通过一个舵机相连，直接驱动小腿垂直方向上下摆动。

3.根据权利要求1或2所述的机器人，其特征在于，上述各舵机直接通过舵盘驱动与其连接的腿部部件的摆动，中间无传动部件。

4.根据权利要求1或2所述的机器人，其特征在于，所述控制板和面包板相连接，该面包板用于插接各种传感器模块，所述传感器模块通过检测感测到的周围环境信息，传送到控制板内，由控制板根据上述信息发送相应的控制信号给驱动板，通过所述驱动板驱动各舵机旋转，实现机器人的动作。

5.根据权利要求4所述的机器人，其特征在于，所述传感器模块包括：

CMUcam视觉识别模块，用于跟踪探测物体，避障及识别物体颜色；

红外线发送接收模块，用于机器人探测躲避障碍物；

超声波发送接收模块，用于机器人探测与物体或者障碍物的实时距离；

加速度模块，用以测量机器人的加速度，速度，和行走距离；

指南针模块，用于机器人辨别方向。

6.根据权利要求4或5所述的机器人，其特征在于，所述面包板还可以插接蓝牙接收发送模块，用于实现机器人和电脑之间的无线通信；显示模块，用于显示机器人的动作状态信息。

7.根据权利要求4所述的机器人，其特征在于，所述控制板与上位机连接，所述控制板根据上位机发出的控制指令发送相应的控制信号给驱动板，通过所述驱动板驱动各舵机旋转，实现机器人的相应动作。

8.根据权利要求1或2所述的机器人，其特征在于，所述的身架包括上侧板、后侧板、侧板、下侧板和前侧板，它们通过螺栓螺母连接组装形成所述身架。

9.根据权利要求1或2所述的机器人，其特征在于，所述的多足教育机器人为六足机器人。