CN210233038U - 人形机器人实验系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种人形机器人实验系统，包括设置在实验箱内的电路板和人形机器人分体部分；人形机器人分体部分包括机械手、机械腿及机械头；电路板上设有主控制器，与主控制器有线连接、接收主控制器指令、控制人形机器人机械手旋转、弯曲、翻转、抓取动作的机械手控制模块，与主控制器有线连接、接收主控制器指令、控制人形机器人机械腿弯曲、横跨步、脚掌内外翻动作的机械腿控制模块，与主控制器有线连接、接收主控制器指令、控制人形机器人机械头转动、俯仰动作的机械头控制模块。本实用新型的实验系统，通过将人形机器人拆分为三个部分，并对每部分进行控制实验，实现了人形机器人多模块应用教学，拓展了教学与科研的可行性方向。

Description

人形机器人实验系统

技术领域

本实用新型属于教学仪器领域，具体涉及一种人形机器人实验系统。

背景技术

随着科技的进步，机器人的研究应用领域在不断扩展，其中人形机器人的研究和应用尤其受到普遍关注，并成为机器人领域中最活跃的研究热点之一。目前，机器人教育主要体现在课外活动、各种兴趣班或培训班上，使学生只学会简单操作，根本无法进行系统的创新使用，更不能进行熟练使用各种传感器研制机器人，阻碍了机器人技术的快速发展。

实用新型内容

针对现有技术中存在的问题，本实用新型提供一种人形机器人实验系统，应用于学校教学，能够使更多学生全面了解机器人的组成原理及动作操作过程，提高对机器人的深入了解和研究，推动人形机器人的快速发展。

为达到以上目的，本实用新型采用的技术方案是：1.一种人形机器人实验系统，包括设置在实验箱内的电路板和人形机器人分体部分，人形机器人分体部分包括机械手、机械腿及机械头，所述电路板上设有主控制器，与主控制器有线连接、接收主控制器指令、控制人形机器人机械手旋转、弯曲、翻转、抓取动作的机械手控制模块，与主控制器有线连接、接收主控制器指令、控制人形机器人机械腿弯曲、横跨步、脚掌内外翻动作的机械腿控制模块，与主控制器有线连接、接收主控制器指令、控制人形机器人机械头转动、俯仰动作的机械头控制模块。

进一步，所述机械手上搭载用于调节人形机器人身体自平衡的六轴运动传感器。

进一步，所述机械腿上搭载用于躲避障碍物的超声波测距模块。

进一步，所述机械头搭载用于检测目标物颜色并对目标进行视觉追踪的视觉追踪模块。

进一步，所述试验箱内还包括舵机训练模块和舵机组件；舵机组件包括舵机、设置在舵机转轴上的角度指针及设置在舵机云台上设有角度盘，角度指针与角度盘配合使用；舵机训练模块与主控制器相连接、接收主控制器指令、执行角度指针转动。

进一步，所述舵机包括PWM标准舵机和串行总线舵机，机械手通过5个PWM标准舵机连接而成；机械腿通过8个串行总线舵机连接而成；机械头通过2个串行总线舵机连接而成。

进一步，所述电路板上还设有RS232电路，在实验过程中，接收主控制器指令，将TTL电平转换为232串行信号，实现串口通信的抗干扰性，该RS232电路采用有线连接方式与主控制器相连接。

进一步，所述电路板上还设有驱动电路，该驱动电路与主控制器有线连接，驱动机械手、机械腿、机械头、PWM标准舵机及串行总线舵机执行相关动作。

进一步，所述电路板上还设有液晶显示器，该液晶显示器直接与主控制器相连接，用于显示实验中的实验结果。

进一步，所述电路板上还设有蓝牙遥控模块，该蓝牙遥控模块与主控制器有线连接，在实验过程中，接收主控制器指令，将有线信号转换为无线电波，发送给机械头控制模块，控制机械头执行追踪物体动作。

进一步，所述电路板上还设有蜂鸣器，在实验中充当报警终端，该蜂鸣器采用有线连接方式与主控制器相连接。

进一步，所述电路板上还设有LED灯，用于在实验中充当显示终端，该LED灯采用有线连接方式与主控制器相连接。

本实用新型的有益技术效果在于：

本实用新型的实验系统，通过将人形机器人拆分为三个部分，并对每部分进行控制实验，实现了人形机器人多模块应用教学，拓展了教学与科研的可行性方向。人形机器人实验系统配备了相关实验指导书，实验指导书内容除了所有的实验操作步骤外，还有各个实验模块的实验原理讲解，以及运行通过、注释详细的试验例程，使用者只需要安装调试好EL-IBrobot设备，实验过程十分方便快捷。

附图说明

图1是本实用新型人形机器人实验系统的控制原理图；

图2为本实用新型机械手的结构示意图；

图3为本实用新型机械手控制原理图；

图4为本实用新型机械腿的结构示意图；

图5为本实用新型驱动电路控制原理图；

图6为本实用新型机械头的结构示意图；

图7为本实用新型视觉追踪模块的控制原理图；

图8为本实用新型六轴运动传感器的控制原理图；

图9为本实用新型RS232电路的控制原理图；

图10为本实用新型超声波测距模块的控制原理图；

图11为本实用新型串行总线舵机的结构示意图；

图12为本实用新型PWM标准舵机的结构示意图。

图中：

1-PWM标准舵机 2、3-串行总线舵机 4-六轴运动传感器 5-超声波测距模块 6-视觉追踪模块 7-角度指针 8-角度盘

具体实施方式

下面结合附图，对本实用新型的具体实施方式作进一步详细的描述。

如图1所示，是本实用新型提供的人形机器人实验系统EL-IBrobot，该系统包括设置实验箱内的电路板、人形机器人和舵机组件。人形机器人包括三个部分，分别为机械手部分、机械腿部分及机械头部分。舵机组件包括舵机、设置在舵机转轴上的角度指针7及设置在舵机云台上的角度盘8。电路板上设有主控制器、机械手控制模块、机械腿控制模块、机械头控制模块、舵机训练模块、LCD12864液晶显示器、蜂鸣器、LED灯、按键、拨码开关、RS232电路、驱动电路及蓝牙遥控模块；机械手控制模块、机械腿控制模块、机械头控制模块、LCD12864液晶显示器、蜂鸣器、LED灯、按键、拨码开关分别通过有线连接方式与主控制器相连接。

主控制器通过串口调试方式与PC机通信，接收PC机指令，并将指令下发给各直连接模块，控制人形机器人的每个部分动作，实现各类实验。

人形机器人三部分均通过舵机连接而成，机械手通过5个PWM标准舵机1连接而成，由此产生5个自由度，其中下面的4个自由度分别控制机械手臂的主要关节，上面的1个自由度控制手抓的合闭，如图2所示。

机械手控制原理如图3所示，主控制器接收PC机下发程序指令，并将该指令传送给机械手控制模块及驱动电路，机械手控制模块及驱动电路接收程序指令，通过RS232电路转换信号后，传输给机械手上的每个舵机云台，舵机云台上的芯片接收指令，并下发给相应的舵机，驱动各个舵机转动不同角度，实现旋转、弯曲、翻转、抓取等动作。

机械腿通过8个舵机连接而成，8个舵机采用串行总线舵机2，左右各4个，其中2个控制腿横跨步，2个控制左右腿弯曲，2个控制左右转，2个控制左右脚脚掌内翻外翻，如图4所示。

机械腿的控制原理如图5所示，主控制器接收PC机下发的程序指令，并传输给机械腿控制模块及驱动电路，机械腿控制模块及驱动电路接收程序指令，通过RS232电路转换信号后，发给相应的机械腿上的每个舵机云台，舵机云台上的芯片接收指令，下发给各个舵机转动不同角度，实现弯曲、横跨步、脚掌内外翻等动作。

机械头通过2个串行总线单舵机3连接而成，由此产生2个自由度，可以实现机器人机械头的左右转头、上下抬头低头等动作，如图6所示。

机械头控制原理如图7所示，主控制器接收PC机下发的程序指令，并将该指令传输给机械头控制模块和驱动电路，机械头控制模块和驱动电路接收程序指令，通过RS232电路转换信号后，传输给舵机云台上的芯片，芯片接收指令，发给相应的舵机转动相应角度，实现转、抬头动作。

机械手上搭载MPU6050六轴运动传感器4，通过舵机云台对当前的水平位置进行自动调节，使舵机云台保持平衡。

六轴运动传感器控制原理如图8所示，RS232电路原理如图9所示，PC机串口直连主控制器，主控制器直连RS232电路和机械手舵机云台，主控制器下发指令，RS232电路将TTL电平转换为232信号，机械手舵机云台芯片接收指令，并转换信号后下发给六轴运动传感器及机械手舵机，当机械手舵机出现角度变化，使舵机串口就会接收反馈并打印数据。

机械腿上搭载HY-SRF05超声波测距模块5，用于躲避障碍物，该超声波测距模块可提供2-450cm的非接触式距离感测功能，测距精度高达3mm。

超声波测距模块控制原理如图10所示，PC机串口直连主控制器，主控制器直连RS232电路和机械腿舵机云台，PC机下发控制指令，RS232电路将TTL电平转换为232信号，机械腿舵机云台芯片接收指令并转换信号下发给超声波传测距模块及机械腿舵机，超声波测距模块自动发送方波、自动检测是否信号返回，方波持续时间即为测距标准，当有信号返回后，自动换算处理器处理数据后，反馈串口，舵机串口就会接收反馈并打印数据。

机械头搭载Pixy CMUcam5视觉追踪模块6，用于检测目标物颜色并对目标进行视觉追踪。

视觉追踪模块控制原理如图7所示，用上位机软件Pixy Mon对视觉追踪摄像头颜色捕捉进行设定，如红色设为1，PC机串口直连主控制器下发程序指令，主控制器直连RS232电路和机械头舵机云台，主控制器下发控制指令，RS232电路将TTL电平转换为232信号，机械头控制芯片接收指令，并转换信号下发给视觉追踪模块及机械头舵机，当红色物体在摄像头前移动时，摄像头会跟随物体移动，并反馈串口，舵机串口接收反馈并打印数据。

串行总线舵机，如图11所示，只有一个自由度，配置有一套角度盘8和角度指针7，外搭一套测速设备，可以有效地帮助学生学习舵机的控制原理和协议，在串行总线舵机驱动实验中，主控制器通过定时器产生1个PWM方波，通过串口下发给RS232电路，RS232电路将方波转换为232信号，下发给舵机，舵机控制角度盘转动，产生角度差，将信号反馈串口，通过串口助手打印数据。

PWM标准舵机，如图12所示，只有一个自由度，也配置有一套角度盘8和角度指针7，功能同串行总线舵机，唯一不同的是为用户可以用MCU的定时器控制舵机，也可以用PCA9685芯片驱动进行测量；在舵机PWM控制实验中，主控制器通过定时器产生1个PWM方波，通过串口下发给舵机，舵机控制角度盘转动，产生角度差；而在PCA9685驱动实验中，主控制器下发控制指令给PCA9685控制芯片，IIC通信产生16路PWM方波，控制舵机角度盘转动，产生角度差。

本实用新型提供采用串行总线舵机和PWM标准舵机，使学生可以学习两种控制舵机的方式。

LCD12864液晶显示器，该液晶显示器直接与主控制器相连接，用于显示基础实验中的实验结果，表现为液晶显示相应文字。

蜂鸣器，其主要作用是在基础实验中充当报警终端，实验结果表现为蜂鸣器是否报警，该蜂鸣器采用有线连接方式与主控制器相连接。

按键，其主要作用是在基础实验中充当控制端，实验结果表现为按下按键后，实验数据产生变化，该按键采用有线连接方式与主控制器相连接。

LED灯，其主要作用是在基础实验中充当显示终端，实验结果表现为LED灯是否点亮，该LED灯采用有线连接方式与主控制器相连接。

SWITCH，其主要作用是在基础实验中充当控制端，实验结果表现为拨动开关后，实验数据产生变化，该SWITCH采用有线连接方式与主控制器相连接。

电路板上还设有HC-05蓝牙遥控模块，在蓝牙透传实验过程中，接收主控制器指令，将有线信号转换为无线电波，发送给机械头控制模块，进一步控制机械头执行追踪物体动作，该蓝牙模块采用有线连接方式与主控制器相连接。

主控制器可支持EXP-89S51、EXP-STM32F107、EXP-STM32F407以及arduino等CPU板卡，通过P1总线为主控制器提供220V电源电压，所有板卡可以独立供电，单独使用，实现了多模块的应用实验。

本实用新型各附图中的数据和符号只是示例性的演示，对本实用新型不具有限定作用，本实用新型在具体的实验过程中可做适应性的改变。

本实用新型的人形机器人实验系统并不限于上述具体实施方式，本领域技术人员根据本实用新型的技术方案得出其他的实施方式，同样属于本实用新型的技术创新范围。

Claims (12)

1.一种人形机器人实验系统，包括设置在实验箱内的电路板和人形机器人分体部分，人形机器人分体部分包括机械手、机械腿及机械头，其特征是：所述电路板上设有主控制器，与主控制器有线连接、接收主控制器指令、控制人形机器人机械手旋转、弯曲、翻转、抓取动作的机械手控制模块，与主控制器有线连接、接收主控制器指令、控制人形机器人机械腿弯曲、横跨步、脚掌内外翻动作的机械腿控制模块，与主控制器有线连接、接收主控制器指令、控制人形机器人机械头转动、俯仰动作的机械头控制模块。

2.如权利要求1所述的人形机器人实验系统，其特征是：所述机械手上搭载用于调节人形机器人身体自平衡的六轴运动传感器。

3.如权利要求2所述的人形机器人实验系统，其特征是：所述机械腿上搭载用于躲避障碍物的超声波测距模块。

4.如权利要求3所述的人形机器人实验系统，其特征是：所述机械头搭载用于检测目标物颜色并对目标进行视觉追踪的视觉追踪模块。

5.如权利要求1-4任一项所述的人形机器人实验系统，其特征是：所述实验箱内还包括舵机训练模块和舵机组件；舵机组件包括舵机、设置在舵机转轴上的角度指针及设置在舵机云台上设有角度盘，角度指针与角度盘配合使用；舵机训练模块与主控制器相连接、接收主控制器指令、执行角度指针转动。

6.如权利要求5所述的人形机器人实验系统，其特征是：所述舵机包括PWM标准舵机和串行总线舵机，机械手通过5个PWM标准舵机连接而成；机械腿通过8个串行总线舵机连接而成；机械头通过2个串行总线舵机连接而成。

7.如权利要求6所述的人形机器人实验系统，其特征是：所述电路板上还设有RS232电路，在实验过程中，接收主控制器指令，将TTL电平转换为232串行信号，实现串口通信的抗干扰性，该RS232电路采用有线连接方式与主控制器相连接。

8.如权利要求7所述的人形机器人实验系统，其特征是：所述电路板上还设有驱动电路，该驱动电路与主控制器有线连接，驱动机械手、机械腿、机械头、PWM标准舵机及串行总线舵机执行相关动作。

9.如权利要求8所述的人形机器人实验系统，其特征是：所述电路板上还设有液晶显示器，该液晶显示器直接与主控制器相连接，用于显示实验中的实验结果。

10.如权利要求9所述的人形机器人实验系统，其特征是：所述电路板上还设有蓝牙遥控模块，该蓝牙遥控模块与主控制器有线连接，在实验过程中，接收主控制器指令，将有线信号转换为无线电波，发送给机械头控制模块，控制机械头执行追踪物体动作。

11.如权利要求10所述的人形机器人实验系统，其特征是：所述电路板上还设有蜂鸣器，在实验中充当报警终端，该蜂鸣器采用有线连接方式与主控制器相连接。

12.如权利要求11所述的人形机器人实验系统，其特征是：所述电路板上还设有LED灯，用于在实验中充当显示终端，该LED灯采用有线连接方式与主控制器相连接。

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