CN208584553U - 一种教育机器人 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种教育机器人，属于教育技术领域。该教育机器人包括：用于带动教育机器人运动的运动底盘、与运动底盘可拆卸连接的壳体和设置于壳体内的主控板。主控板上设置有主控模块、与主控模块连接的通信模块以及多个与主控模块连接的用于连接外围传感器的外设接口。运动底盘包括：第一控制模块、姿态传感器、编码器和动力装置，姿态传感器、编码器和动力装置均与第一控制模块连接，主控模块还与第一控制模块连接。该教育机器人可以根据外围设备发送的控制信号进行相对应的动作，并在运动的同时保持平衡；此外，该教育机器人还可以连接多个外围传感器进行教学试验，以此来培养学生的开发设计能力，达到教育的目的。

Description

一种教育机器人

技术领域

本实用新型属于教育技术领域，具体涉及一种教育机器人。

背景技术

随着科技的进步，机器人技术在人类生活和工业生产制造中发挥着越来越重要的作用。利用机器人可以实现在复杂、恶劣、危险环境下作业，也可以减轻劳动强度和提高产品质量。教育机器人作为机器人中的一种特殊机器人，其除用于参加各种比赛外，还可用于学科教学与课外兴趣拓展，提高学生设计、开发、应用机器人的能力和创新能力。而目前国内的教育机器人产品已出现了市场瓶颈，常用的教育机器人功能较为简单，因此其开发潜力及附加价值较低，学生对机器人的相关技术掌握的不够全面。

实用新型内容

鉴于此，本实用新型的目的在于提供一种教育机器人，以有效地改善上述问题。

本实用新型的实施例是这样实现的：

本实用新型实施例提供了一种教育机器人，包括：用于带动所述教育机器人运动的运动底盘、与所述运动底盘可拆卸连接的壳体和设置于所述壳体内的主控板。所述主控板上设置有主控模块、与所述主控模块连接的通信模块以及多个与所述主控模块连接的用于连接外围传感器的外设接口。所述运动底盘包括：第一控制模块、姿态传感器、编码器和动力装置，所述姿态传感器、所述编码器和所述动力装置均与所述第一控制模块连接，所述主控模块还与所述第一控制模块连接。所述编码器设置于所述动力装置上，用于检测所述动力装置中的电机的转动速度，并将所述转动速度传输给所述第一控制模块。所述姿态传感器用于检测所述运动底盘的角度偏移量，并将所述角度偏移量传输给所述第一控制模块。所述第一控制模块用于根据所述转动速度和所述角度偏移量调节所述动力装置的转动速度，以使所述教育机器人在运动的同时保持平衡。所述主控模块用于根据所述通信模块接收的外围设备发送的控制信号去控制所述运动底盘，以使所述教育机器人基于所述控制信号运动。

在本实用新型可选的实施例中，所述主控板上还设置有语音识别模块和视觉传感器，所述语音识别模块和视觉传感器均与所述主控模块连接。

在本实用新型可选的实施例中，所述主控板上还设置有避障模块，所述避障模块与所述主控模块连接。

在本实用新型可选的实施例中，所述主控板上还设置有颜色传感器，所述颜色传感器与所述主控模块连接。

在本实用新型可选的实施例中，所述主控板上还设置有定位模块，所述定位模块与所述主控模块连接。

在本实用新型可选的实施例中，所述外设接口包括：用于连接温湿度传感器的接口。

在本实用新型可选的实施例中，所述外设接口包括：用于连接力传感器的接口。

在本实用新型可选的实施例中，所述外设接口包括：用于连接光敏传感器的接口。

在本实用新型可选的实施例中，所述姿态传感器包括：陀螺仪和多轴传感器。

在本实用新型可选的实施例中，所述避障模块包括：超声波传感器和/或红外传感器。

本实用新型实施例提供的教育机器人包括：用于带动所述教育机器人运动的运动底盘、与所述运动底盘可拆卸连接的壳体和设置于所述壳体内的主控板。所述主控板上设置有主控模块、与所述主控模块连接的通信模块以及多个与所述主控模块连接的用于连接外围传感器的外设接口。所述运动底盘包括：第一控制模块、姿态传感器、编码器和动力装置，所述姿态传感器、所述编码器和所述动力装置均与所述第一控制模块连接，所述主控模块还与所述第一控制模块连接。该教育机器人可以根据外围设备发送的控制信号进行相对应的动作，进一步地，通信模块将外围设备发送的控制信号发送给主控模块，再由主控模块去控制运动底盘，以便运动底盘带动该教育机器人运动。在运动的过程中，该运动底盘中的姿态传感器会实时检测该教育机器人的角度偏移量，同时，编码器也会实时检测该动力装置中的电机的转动速度，以便第一控制模块根据所述转动速度和所述角度偏移量调节所述动力装置的转动速度，实现该教育机器人在运动的同时保持平衡。此外，该教育机器人还可以连接多个外围传感器进行教学试验，以此来培养学生的开发设计能力，来满足电子技术类学生从基础学习到实践开发的需求。

本实用新型的其他特征和优点将在随后的说明书阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本实用新型实施例而了解。本实用新型的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。通过附图所示，本实用新型的上述及其它目的、特征和优势将更加清晰。在全部附图中相同的附图标记指示相同的部分。并未刻意按实际尺寸等比例缩放绘制附图，重点在于示出本实用新型的主旨。

图1示出了本实用新型实施例提供的一种教育机器人的结构示意图。

图2示出了本实用新型实施例提供的一种主控板的结构示意图。

图3示出了本实用新型实施例提供的一种运动底盘的结构示意图。

图4示出了本实用新型实施例提供的运动底盘的平衡控制原理图。

图标：10－教育机器人；11－壳体；12－主控板；121－主控模块；122－通信模块；123－语音识别模块；124－视觉传感器；125－避障模块；126－颜色传感器；127－定位模块；128－外设接口；13－运动底盘；131－第一控制模块；132－姿态传感器；133－编码器；134－动力装置。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本实用新型实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本实用新型的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本实用新型的范围，而是仅仅表示本实用新型的选定实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该实用新型产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本实用新型的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

本实用新型实施例提供了一种教育机器人10，如图1所示。该教育机器人10包括：用于带动所述教育机器人10运动的运动底盘13、与所述运动底盘13可拆卸连接的壳体11和设置于所述壳体11内的主控板12。

作为一种可选的实施方式，该壳体11的形状为长方体形，其可以是封闭的长方体形，也可以是一端开口的长方体形，在该壳体11的上设置有用于与运动底盘13可拆卸连接的第一连接件。

该第一连接件可以根据不同的连接方式进行相应的替换，例如，可以是卡扣、也可以是卡槽、还可以是凸起等。

如图2所示，所述主控板12上设置有主控模块121、与所述主控模块121连接的通信模块122以及多个与所述主控模块121连接的用于连接外围传感器的外设接口128。

该通信模块122可以将外围设备发送的控制信号发送给主控模块121，以控制该教育机器人10的运动，此外，该主控模块121还可以将该教育机器人10的运动状态、运动参数等信息经该通信模块122传输给外围设备。其中，该外围设备包括但不限于手机、电脑等设备。

作为一种可选的实施方式，该主控板12上还设置有语音识别模块123和视觉传感器124，所述语音识别模块123和视觉传感器124均与所述主控模块121连接。例如，采用FZ4系列的视觉传感器。例如，采用YQ5969型号的语音识别模块。

此时，用户可以通过语音的方式控制该教育机器人10运动，通过也可以是控制该教育机器人10进行拍照，或者用于验证开启教育机器人10的权限使用。例如，通过预先录入权限人员的语音信息和/或图像信息，以便后续在使用该教育机器人10时，对使用者的身份进行验证，即采集该使用者的语音信息和/或图像信息，与之前所存储的语音信息和/或图像信息进行比对，在匹配成功时，表明该使用者具备使用权限，否则无，此外，该可以在无权限时，进行报警，例如，主控模块121将预设的报警信息经通信模块122发送至外围设备，以便管理人员发现异常。

作为一种可选的实施方式，该主控板12上还设置有避障模块125，所述避障模块125与所述主控模块121连接。该避障模块125用于在教育机器人10运动的过程中，进行避障的，进一步地，可以是基于距离避障的方式进行避障，此时该避障模块125可以是超声波传感器和/或红外传感器等。例如，采用MEIJIDENKI型号的超声波传感器。其中，红外传感器可以采用P228、LHl958、LHI954、RE200B、KDS209等型号的传感器。

此外，为了提高避障效果，还可以是基于多种避障方式进行避障，如在采用距离避障的基础上，结合图像传感器采集的图像信息进行避障，以进一步提高避障效果。

作为一种可选的实施方式，该主控板12上还设置有颜色传感器126，所述颜色传感器126与所述主控模块121连接。该颜色传感器126主要用于实现教育机器人10的循迹运动，例如，用特定颜色搭建一个运动路线，此时机器人便可以遵循该运动路线运动。例如，采用ColorMaxRGB型号的颜色传感器。

作为一种可选的实施方式，该主控板12上还设置有定位模块127，所述定位模块127与所述主控模块121连接。通过该定位模块127实现教育机器人10的定位，其中，该定位模块127可以是基于GPS导航定位系统进行定位的定位仪，也可以是基于北斗卫星导航定位系统进行定位的定位仪。

其中，设置于该主控板12上的多个外设接口128，是用于连接外围传感器的，例如，该主控板12上设置有用于连接温湿度传感器的接口、用于连接力传感器的接口、用于连接光敏传感器的接口等。在教育的过程中，可以根据不同的教育需求，连接不同的外围传感器，如，连接温湿度传感器时，该教育机器人10便可以检测当前环境下的温湿度信息，连接力传感器时，当向该力传感器的受力部分施加作用力时，该教育机器人10便可以检测当前作用力的大小，连接光敏传感器时，该教育机器人10便可以检测当前环境位置的光度强弱信息。例如，采用SHT10型号的温湿度传感器。例如，采用PT124G系列的力传感器。例如，采用SMD1206型号的光敏传感器。

其中，需要说明的是，设置于主控板12上的主控模块121、通信模块122、语音识别模块123、视觉传感器124、避障模块125、颜色传感器126以及定位模块127等均是采用独立的模块化设计的方式进行设计的，即这些元器件均是可以拆卸与组装的。其中，该主控板12上集成有所需的外围电路设计以及PCB布线方式等。

此外，该外设接口128还可以包括JTAG下载接口、RS485接口、RS232接口、VGA接口、液晶扩展接口和/或USB接口等，以便满足更多扩展需求，实现更多功能。

其中，需要说明的是，上述的主控模块121是一种集成电路芯片，具有信号的处理能力。上述的主控模块121可以是通用处理器，包括中央处理器(Central ProcessingUnit，CPU)、网络处理器(Network Processor，NP)等；还可以是数字信号处理器(DSP)、专用集成电路(ASIC)、现成可编程门阵列(FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件。通用处理器可以是微处理器或者该主控模块121也可以是任何常规的处理器等。如本实施例中，采用具备现场可编程特性的FPGA芯片(例如，选用Altera公生产的Cyclone系列的第四代产品EP4CE6F17C8芯片)。

上述的通信模块122优选为无线传输模块，例如，蓝牙模块、WiFi模块、ZigBee模块、3G模块、4G模块或其他无线传输模块，如本实施例中，采用HY－254101、HY－40R204、HY－40R201等型号的蓝牙模块。

其中，如图3所示，作为带动该教育机器人10运动的运动底盘13包括：第一控制模块131、姿态传感器132、编码器133和动力装置134。所述姿态传感器132、所述编码器133和所述动力装置134均与所述第一控制模块131连接，所述主控模块121还与所述第一控制模块131连接。

所述编码器133设置于所述动力装置134上，用于检测所述动力装置134中的电机的转动速度，并将所述转动速度传输给所述第一控制模块131。

所述姿态传感器132用于检测所述运动底盘13的角度偏移量，并将所述角度偏移量传输给所述第一控制模块131。其中，该姿态传感器132包括：陀螺仪(如三轴陀螺仪)和多轴传感器(如三轴传感器)。

所述第一控制模块131用于根据所述转动速度和所述角度偏移量调节所述动力装置134的转动速度，以使所述教育机器人10在运动的同时保持平衡。此外，该第一控制模块131还用于根据发送的控制信号去控制动力装置134的运动，以使所述教育机器人10基于所述控制信号运动。

其中，该第一控制模块131是一种集成电路芯片，具有信号的处理能力。上述的第一控制模块131可以是通用处理器，包括中央处理器(Central Processing Unit，CPU)、网络处理器(Network Processor，NP)等；还可以是数字信号处理器(DSP)、专用集成电路(ASIC)、现成可编程门阵列(FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件。通用处理器可以是微处理器或者该第一控制模块131也可以是任何常规的处理器等。如本实施例中，采用STM32单片机。

其中，为了便于理解上述的过程，以图4所示的控制流程图对该过程进行说明。第一主控模块121根据姿态传感器132检测的角度偏移量计算出调节该角度偏移量所需的速度；同时通过编码器133采集的电机的转动速度，然后，第一主控模块121基于调节角度偏移量所需的速度、电机的转动速度以及PID算法去调节电机的转速，也即根据调节角度偏移量所需的速度和电机的转动速度输出对应的脉冲信号去控制电机的转速，以实现教育机器人10在运动的过程中保持平衡。

该运动底盘13上设置有用于与壳体11可拆卸连接的第二连接件，该第二连接件与第一连接件相匹配，例如，第一连接件为凸起时，该第二连接件为对应该凸起的卡槽，以便凸起卡在该卡槽内，以实现壳体11与运动底盘13的可拆卸连接。又例如，第一连接件为卡槽时，该第二连接件为对应该卡槽的凸起，以便凸起卡在该卡槽内，以实现壳体11与运动底盘13的可拆卸连接。

此外，需要说明的是，该运动底盘13还包括轮子(左右两侧的轮子)、传动轴(用于连接左右两侧的轮子)以及承载平台，各部分均采用模块化设计，以方便学生拆卸、组装，以更好的适应教学需求。

其中，需要说明的是，该教育机器人10是基于模块化的设计思路进行设计的，通过模块化的外设接口128连接不同的外设传感器以实现不同教学实验需求，满足机器人教学与二次开发需求，以此促进机器人技术教育事业发展、培养机器人高端技术人才。通过不同元器件之间的组装，可以实现不同的功能，可以学习机器人平衡控制算法、传感器信息采集与处理等技术，轻松实现不同应用场景的智能机器人开发。同时，也方便学生更深入地学习机器人程序。

以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种教育机器人，其特征在于，包括：用于带动所述教育机器人运动的运动底盘、与所述运动底盘可拆卸连接的壳体和设置于所述壳体内的主控板，所述主控板上设置有主控模块、与所述主控模块连接的通信模块以及多个与所述主控模块连接的用于连接外围传感器的外设接口；

所述运动底盘包括：第一控制模块、姿态传感器、编码器和动力装置，所述姿态传感器、所述编码器和所述动力装置均与所述第一控制模块连接，所述主控模块还与所述第一控制模块连接；

所述编码器设置于所述动力装置上，用于检测所述动力装置中的电机的转动速度，并将所述转动速度传输给所述第一控制模块；

所述姿态传感器用于检测所述运动底盘的角度偏移量，并将所述角度偏移量传输给所述第一控制模块；

所述第一控制模块用于根据所述转动速度和所述角度偏移量调节所述动力装置的转动速度，以使所述教育机器人在运动的同时保持平衡；

所述主控模块用于根据所述通信模块接收的外围设备发送的控制信号去控制所述运动底盘，以使所述教育机器人基于所述控制信号运动。

2.根据权利要求1所述的教育机器人，其特征在于，所述主控板上还设置有语音识别模块和视觉传感器，所述语音识别模块和视觉传感器均与所述主控模块连接。

3.根据权利要求2所述的教育机器人，其特征在于，所述主控板上还设置有避障模块，所述避障模块与所述主控模块连接。

4.根据权利要求3所述的教育机器人，其特征在于，所述主控板上还设置有颜色传感器，所述颜色传感器与所述主控模块连接。

5.根据权利要求4所述的教育机器人，其特征在于，所述主控板上还设置有定位模块，所述定位模块与所述主控模块连接。

6.根据权利要求1－5任一项所述的教育机器人，其特征在于，所述外设接口包括：用于连接温湿度传感器的接口。

7.根据权利要求6所述的教育机器人，其特征在于，所述外设接口包括：用于连接力传感器的接口。

8.根据权利要求7所述的教育机器人，其特征在于，所述外设接口包括：用于连接光敏传感器的接口。

9.根据权利要求8所述的教育机器人，其特征在于，所述姿态传感器包括：陀螺仪和多轴传感器。

10.根据权利要求3所述的教育机器人，其特征在于，所述避障模块包括：超声波传感器和/或红外传感器。