CN204423669U - 人机互动课堂辅助教学仪 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供了一种人机互动课堂辅助教学仪，其包括键盘数据采集系统、主控制系统、执行系统；其中，键盘数据采集系统与主控制系统通过无线数传进行数据传输，主控制系统通过线缆控制执行系统的动作执行；主控制系统由Arduino2560控制器组成，Arduino2560主控制器与执行系统中的行走电机、语音合成音响、胸部触摸屏、舵机控制板和头部显示屏连接；执行系统包括：机械结构部分和电子控制部分。本实用新型是一个具备一定人机交互能力的机器人，作为课堂中除老师与学生以外的第三方交流对象，它用于活跃沉闷单调的教学气氛，激发学生的听课兴趣和注意力，促进教学相长的师生关系，打造一个友好的课堂教学环境。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种课堂教学辅助设备，特别是一种人机互动课堂辅助教学仪。
背景技术
传统课堂教学中，课堂教学辅助装置常采用LED显示屏和MP3模块的纯电子设备，不能有效地活跃沉闷单调的教学氛围，无法提高学生的积极性以及学习效率，越来越多学生上课时被手机吸引，课堂也越发显得单调乏味，尤其是大学的课堂更是出现了老师独自讲，下面的学生却无人听课的现象，另外老师考勤点名和维护纪律，也要花费很多时间和精力。因此，为了激发学生的学习热情，营造轻松愉快的教学环境，提高学生的学习积极性以及学习效率，同时也提高老师的教学质量，需要开发设计新的课堂教学设备。
发明内容
本实用新型所要解决的技术问题是提供一种人机互动课堂辅助教学仪，此辅助教学仪在课堂教学过程中能够接受教师通过电脑键盘输入的指令，从而实现上课铃响，提醒上课保持安静，考勤点名，知识点播放，课间娱乐等功能的提高教学气氛的课堂教学辅助装置。
为了实现上述目的，本实用新型提供了一种人机互动课堂辅助教学仪，它包括键盘数据采集系统、主控制系统、执行系统。
上述的键盘数据采集系统与主控制系统通过无线数传进行数据传输，主控制系统通过线缆连接并控制执行系统的动作执行。
上述的主控制系统采用Arduino2560控制器，Arduino2560主控制器与执行系统中的行走电机、语音合成音响、胸部触摸屏、舵机控制板和头部显示屏连接。
上述的执行系统包括：机械结构部分和电子控制部分。
上述的键盘数据采集系统中电脑端通过LabVIEW程序来采集键盘数据，然后通过APC220无线数传将数据发送给人机互动课堂辅助教学仪的主控制器，控制教学仪动作协调。
上述的主控制系统对键盘数据采集系统所采集的数据进行分析，并控制相应的执行系统执行相关的动作，有胸部触摸屏和头部显示屏图像输出，舵机和直流电机运动，喇叭声音输出。
上述的机械结构部分包括：主体结构，头部结构，手臂结构，机身动力结构。
上述的主体结构，其特征在于，它包括：头部机构、胸部触摸屏、左右手臂、语音喇叭和动力结构，胸部触摸屏固定在机身上，机身与底板相连，左右手臂固定在机身上，头部机构连在机身上，从而组成了人机互动课堂辅助教学仪的机械结构。
上述头部结构，其特征在于，头部显示屏由头部挡板、支撑条和铜柱所支撑，头部挡板与舵机支架相连，舵机固定在舵机支架上，舵机输出轴的另一端与舵机支架相连，舵机固定在舵机支架上，舵机的输出轴连在舵机支架上。
上述手臂结构，其特征在于，双臂各安装有四个舵机及其支架以及手掌构成，形成开式运动链构成手臂的四个关节，分别为大臂部、小臂部、肘部、腕部关节，能够实现手臂的四自由度转动。
上述机身动力结构，其特征在于，它包括直流电机、链轮、履带、轴承、底板、左右侧挡板和前侧挡板，直流电机与履带通过链轮连接。
上述电子控制部分中Arduino2560控制器控制车体行走、语音合成、舵机群运动、胸部触摸屏和头部显示屏。
上述车体行走是通过主控制器控制直流电机转动从而实现教学仪的前进、后退、左转、右转运动；语音合成是通过主控制器控制语音合成模块发声，实现学生与教学仪的语音互动；舵机群运动是主控制器发送指令给USBSSC32舵机控制板，从而通过舵机控制板控制舵机运动实现4自由度机械臂和2自由度机械头部运动；胸部触摸屏是由主控制器发送指令控制，能够点播知识点、辅助评判对错以及资讯显示等，并且能够实现人机视频互动，触摸互动；头部显示屏是由主控制器发送指令控制，用于教学仪脸部动态表情的显示。
本实用新型有如下有益效果：
本实用新型采用上述设计，能够接受教师通过电脑键盘输入的指令，从而实现上课铃响，提醒上课保持安静，考勤点名，知识点播放，课间娱乐等功能的提高教学气氛的课堂教学辅助装置。此教学仪价格便宜、携带方便、使用简单，可以在课堂教学中得到大范围推广使用。
所述的键盘数据采集系统与主控制系统通过无线数传进行数据传输，主控制系统通过线缆连接并控制执行系统的动作执行，从而能够保证主控制系统通过键盘数据采集系统接受教师所输入的指令。
所述的主控制系统采用Arduino2560控制器，Arduino2560主控制器与执行系统中的行走电机、语音合成音响、胸部触摸屏、舵机控制板和头部显示屏连接，通过主控系统实现教学仪的各种动作。
所述的执行系统包括：机械结构部分和电子控制部分。
所述的键盘数据采集系统中电脑端通过LabVIEW程序来采集键盘数据，然后通过APC220无线数传将数据发送给人机互动课堂辅助教学仪的主控制器，控制教学仪动作。
所述的主控制系统对键盘数据采集系统所采集的数据进行分析，并控制相应的执行系统执行相关的动作，有胸部触摸屏和头部显示屏图像输出，舵机和直流电机运动，喇叭声音输出。
所述的机械结构部分包括：主体结构，头部结构，手臂结构，机身动力结构；
所述的主体结构，其特征在于，它包括：头部机构、胸部触摸屏、左右手臂、语音喇叭和动力结构，胸部触摸屏固定在机身上，机身与底板相连，左右手臂固定在机身上，头部机构连在机身上，从而组成了人机互动课堂辅助教学仪的机械结构，能够保证教学仪的各种动作执行。
所述头部结构，其特征在于，头部显示屏由头部挡板、支撑条和铜柱所支撑，头部挡板与舵机支架相连，舵机固定在舵机支架上，舵机输出轴的另一端与舵机支架相连，舵机固定在舵机支架上，舵机的输出轴连在舵机支架上，从而实现了教学仪的头部动作。
所述手臂结构，其特征在于，双臂各安装有四个舵机及其支架以及手掌构成，形成开式运动链构成手臂的四个关节，分别为大臂部、小臂部、肘部、腕部关节，能够实现手臂的四自由度转动，从而实现了教学仪的四肢动作。
所述机身动力结构，其特征在于，它包括直流电机、链轮、履带、轴承、底板、左右侧挡板和前侧挡板组成，直流电机与链轮通过履带连接，从而实现了教学仪的行走。
所述电子控制部分中Arduino2560控制器控制车体行走、语音合成、舵机群运动、胸部触摸屏和头部显示屏。
所述车体行走是通过主控制器控制直流电机转动从而实现教学仪的前进、后退、左转、右转运动；语音合成是通过主控制器控制语音合成模块发声，实现学生与教学仪的语音互动；舵机群运动是主控制器发送指令给USBSSC32舵机控制板，从而通过舵机控制板控制舵机运动实现4自由度机械臂和2自由度机械头部运动；胸部触摸屏是由主控制器发送指令控制，能够点播知识点、辅助评判对错以及资讯显示等，并且能够实现人机视频互动，触摸互动；头部显示屏是由主控制器发送指令控制，用于教学仪脸部动态表情的显示。
本实用新型的优点：
本实用新型是一个具备一定人机交互能力的机器人，作为课堂中除老师与学生以外的第三方交流对象。它用于活跃沉闷单调的教学气氛，激发学生的听课兴趣和注意力，促进教学相长的师生关系，打造一个友好、梦幻的课堂教学环境。它的人机互动表现在：（1）双臂和身体的机械动作；（2）触摸屏的视频资讯；（3）语音合成模块的声音传达。
附图说明
下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步说明。
图1是本实用新型的主体结构示意图。
图2是本实用新型电控方案原理图。
图3是本实用新型的头部结构示意图。
图4是本实用新型的手臂结构示意图。
图5是本实用新型的机身动力结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型的实施方式做进一步的说明。
本实用新型的一种人机互动课堂辅助教学仪，根据图1-5所示，包括键盘数据采集系统、主控制系统、执行系统。
所述的键盘数据采集系统与主控制系统通过无线数传进行数据传输，主控制系统通过线缆连接并控制执行系统的动作执行，从而能够保证主控系统通过键盘数据采集系统接受教师所输入的指令。
所述的执行系统包括：机械结构部分和电子控制部分。
所述的键盘数据采集系统中电脑端通过LabVIEW程序来采集键盘数据，然后通过APC220无线数传将数据发送给人机互动课堂辅助教学仪的主控制器，控制教学仪动作。
所述的主控制系统对键盘数据采集系统所采集的数据进行分析，并控制相应的执行系统执行相关的动作，有胸部触摸屏和头部显示屏图像输出，舵机和直流电机运动，喇叭声音输出。
所述的机械结构部分包括：主体结构，头部结构，手臂结构，机身动力结构；
如图1所示，所述的主体结构，其特征在于，它包括：头部机构10、胸部触摸屏90、左右手臂30、语音喇叭80和动力结构40，胸部触摸屏90固定在机身60上，机身60与底板50相连，左右手臂30固定在机身60上，头部机构10连在机身60上，从而组成了人机互动课堂辅助教学仪的机械结构，能够保证教学仪的各种动作执行。
如图2所示，所述的主控制系统采用Arduino2560控制器，Arduino2560主控制器与执行系统中的行走电机、语音合成音响、胸部触摸屏、舵机控制板和头部显示屏连接，通过主控系统实现教学仪的各种动作。
如图3所示，述头部结构，其特征在于，头部显示屏101由头部挡板104、支撑条102和铜柱103所支撑，头部挡板104与舵机支架105相连，舵机106固定在舵机支架105上，舵机106输出轴的另一端与舵机支架107相连，舵机109固定在舵机支架108上，舵机109的输出轴连在舵机支架107上，从而实现了教学仪的头部动作。
如图4所示，所述手臂结构，其特征在于，双臂各安装有四个舵机302、304、307、3011及其支架301、303、305、306、3010、309以及手掌3012构成，形成开式运动链构成手臂的四个关节，分别为大臂部、小臂部、肘部、腕部关节，能够实现手臂的四自由度转动，从而实现了教学仪的四肢动作。
如图5所示，所述机身动力结构，其特征在于，它包括直流电机402、链轮404、履带401、轴承406、底板403、左右侧挡板405和前侧挡板407，直流电机402与履带401通过链轮404连接，从而实现了教学仪的行走。
所述电子控制部分中Arduino2560控制器控制车体行走、语音合成、舵机群运动、胸部触摸屏和头部显示屏。
所述车体行走是通过主控制器控制直流电机402转动从而实现教学仪的前进、后退、左转、右转运动；语音合成是通过主控制器控制语音合成模块80发声，实现学生与教学仪的语音互动；舵机群运动是主控制器发送指令给USBSSC32舵机控制板，从而通过舵机控制板控制舵机运动实现4自由度机械臂和2自由度机械头部运动；胸部触摸屏90是由主控制器发送指令控制，能够点播知识点、辅助评判对错以及资讯显示等，并且能够实现人机视频互动，触摸互动；头部显示屏101是由主控制器发送指令控制，用于教学仪脸部动态表情的显示。
人机互动课堂辅助教学仪是通过在电脑键盘按下相应的按键来遥控它的执行动作的。操作方法如下：
按“UP”键教学仪前进；
按“DOWN”键教学仪后退；
按“LEFT”键教学仪向左转；
按“RIGHT”键教学仪向右转；
按“END”键教学仪停止运动；
按“A”键教学仪执行上课铃响程序；
按“B”键教学仪执行点名程序；
按“C”键教学仪执行思考题程序；
按“D”键教学仪进行自我介绍，欢迎程序；
按“E”键教学仪进行知识点点播程序；
按“Q”键教学仪执行安静程序；
按“Y”键教学仪执行回答正确程序；
按“N”键教学仪执行回答错误程序；
按“空格”键教学仪执行跳舞娱乐程序；
所述按“UP”、“DOWN”、“LEFT”、“RIGHT”、“END”键是实现教学仪车体的行走运动；
所述按“A”键是教学仪提醒开始上课，同学们安静；
所述按“B”键是教学仪开始帮助教师进行点名，教师只需记录未达“到”的学生；
所述按“C”键是教学仪提供一道思考题与同学们互动，供学生们思考、回答。回答错误时，给予提示并重新选择回答；回答正确时，给予表扬；
所述按“D”键是教学仪进行自我介绍，并带领大家进入梦幻课堂；
所述按“E”键是教学仪与同学们进行知识点互动点播，播放相关的知识点；
所述按“Q”键是教学仪提醒同学们上课时间请保持安静，不要说话；
所述按“Y”键是教师向同学们提问，如回答正确，则给予表扬；
所述按“N”键是教师向同学们提问，如回答错误，则给予哭脸；
所述按“空格”键是教学仪在课间休息时将进行舞蹈表演，增添娱乐气氛；
动力部分采用12V大扭矩直流减速电机，其减速比为1/90；
本作品教学仪采用12V锂电池供电，理论输出转速为30r/min，但实际供给电机的电压只有9V及一些实际原因等，故最终输出转速为25 r/min。
教学仪的整体尺寸为440mmX320mmX500mm。这样的设计不是很大，教学仪可以在教室里自由运动；也不算很小，足以引起学生的注意；
本作品采用12V锂电池供电，首先供给直流电机需稳压成9V，其次供给舵机控制器需稳压成6V，最后稳压成5V作为逻辑电压输送给Arduino2560主控制器。
Claims (4)
1.人机互动课堂辅助教学仪，其特征在于：它包括键盘数据采集系统、主控制系统、执行系统；
键盘数据采集系统与主控制系统通过无线数传进行数据传输，主控制系统通过线缆连接并控制执行系统的动作执行；
主控制系统采用Arduino2560控制器，Arduino2560主控制器与执行系统中的行走电机、语音合成音响、胸部触摸屏、舵机控制板和头部显示屏连接；
执行系统包括：机械结构部分和电子控制部分。
2.根据权利要求1所述的人机互动课堂辅助教学仪，其特征在于，所述的键盘数据采集系统中电脑端通过LabVIEW程序来采集键盘数据，然后通过APC220无线数传将数据发送给人机互动课堂辅助教学仪的主控制器，控制教学仪动作协调。
3.根据权利要求1所述的人机互动课堂辅助教学仪，其特征在于，所述的主控制系统对键盘数据采集系统所采集的数据进行分析，并控制相应的执行系统执行相关的动作，有胸部触摸屏和头部显示屏图像输出，舵机和直流电机运动，喇叭声音输出。
4.根据权利要求1所述的人机互动课堂辅助教学仪，其特征在于，所述的机械结构部分包括：主体结构，头部结构，手臂结构，机身动力结构；
所述的主体结构，其特征在于，它包括：头部机构（10）、胸部触摸屏（90）、左右手臂（30）、语音喇叭（80）和动力结构（40），胸部触摸屏（90）固定在机身（60）上，机身（60）与底板（50）相连，左右手臂（30）固定在机身（60）上，头部机构（10）连在机身（60）上，从而组成了人机互动课堂辅助教学仪的机械结构；
所述头部结构，其特征在于，头部显示屏（101）由头部挡板（104）、支撑条（102）和铜柱（103）所支撑，头部挡板（104）与舵机支架（105）相连，舵机（106）固定在舵机支架（105）上，舵机（106）输出轴的另一端与舵机支架（107）相连，舵机（109）固定在舵机支架（108）上，舵机（109）的输出轴连在舵机支架（107）上；
所述手臂结构，其特征在于，双臂各安装有四个舵机（302、304、307、3011）及其支架（301、303、305、306、3010、309）以及手掌（3012）构成，形成开式运动链构成手臂的四个关节，分别为大臂部、小臂部、肘部、腕部关节；
所述机身动力结构，其特征在于，它包括直流电机（402）、链轮（404）、履带（401）、轴承（406）、底板（403）、左右侧挡板（405）和前侧挡板（407），直流电机（402）与履带（401）通过链轮（404）连接。
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN104575141A (zh) * | 2015-01-20 | 2015-04-29 | 三峡大学 | 人机互动课堂辅助教学仪 |
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2015
- 2015-01-20 CN CN201520037891.8U patent/CN204423669U/zh not_active Expired - Fee Related
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