CN215417151U - 教学用模块化机器人装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种教学用模块化机器人装置，包括可行走的车身模块，其中，车身模块上设置有循迹模块、机械臂模块、抬升模块、以及避障模块；车身模块、机械臂模块和抬升模块的受控端均连接车身模块上设置的单片机；循迹模块和避障模块的输出端均连接单片机的输入端。本实用新型在用于教学使用过程中，不但可单独使用车身模块进行单片机的编程基础教学，还可以根据教学计划的需求，完成各阶段教学的循序渐进；而且还可以通过在模块化机器人各个模块的分步发放，来保证在学生手中不会出现功能赘余，既可以让教学有计划、有条理的一步步完成，也可以在各种模块的配合下增加教学的趣味性以及最终考核任务的多样性，具有较大的实用性。

Description

教学用模块化机器人装置

技术领域

本实用新型涉及机械设备自动控制技术领域，具体涉及一种教学用的模块化机器人装置。

背景技术

在如今这个信息时代，程序的编写与单片机结合的教学是现在大学生实践项目的重点内容，如何让大学生一步步的掌握单片机的编程以及对相应的各个模块的简单控制，再到相应的反馈自动控制，是现在教学的重点。

现市面上出现了许多相对应的机械小车，可以通过编程来让其实现循迹、加速、降速、避障等功能，但是对应的功能都太过于局限化，一类小车只能完成一类任务，没有相对应的套件可以组装让其实现更多的功能，这就给单片机编程的实践教学增加了难度。因此，能使机械小车可充分满足教学的需要与需求，是现阶段本技术人员亟需解决的问题。

实用新型内容

本实用新型需要解决的技术问题是提供一种教学用模块化机器人装置，可充分满足教学的需要与需求。

为解决上述技术问题，本实用新型所采取的技术方案如下。

教学用模块化机器人装置，包括可行走的车身模块，其中，所述车身模块上设置有循迹模块、机械臂模块、抬升模块、以及避障模块；所述车身模块、机械臂模块和抬升模块的受控端均连接车身模块上设置的单片机；所述循迹模块和避障模块的输出端均连接单片机的输入端。

优选的，所述车身机构包括车身外壳，车身外壳的两侧通过设置的轴承对称连接有四个轮胎，沿车身机构行走方向相对设置的一对轮胎分别连接有设置在车身机构上的电机，两个电机的受控端连接有设置在车身机构上的驱动模块，驱动模块的受控端连接单片机的输出端。

优选的，所述机械臂模块包括设置在车身模块上的机械臂安装底座、安装在机械臂安装底座上的三关节机械臂和安装在机械臂上的第一抓筒；所述机械臂的三个关节由第一双轴舵机、第二双轴舵机、第一单轴舵机以及连接支架组成，第一双轴舵机安装在机械臂安装底座上，连接支架连接在第一双轴舵机、第二双轴舵机和单轴舵机之间；所述第一抓筒通过设置的传动齿轮与第一单轴舵机连接；所述第一双轴舵机、第二双轴舵机和第一单轴舵机的受控端均连接单片机的输出端。

优选的，所述抬升模块包括设置在车身模块上的抬升模块底座，抬升模块底座的两侧通过设置的连杆座支设有连杆；所述连杆上设置有可沿连杆上下运动的抬升机构，抬升机构上设置有第二抓筒。

优选的，所述连杆的顶端支设有顶板，顶板和抬升模块底座上相对设置有一对传动轮，抬升模块底座上的传动轮的动力输入端连接有设置在抬升模块底座上的微型电机，微型电机的受控端连接单片机的输出端；所述传动轮上设置有同步带，同步带通过抬升机构上设置的皮带固定扣与抬升机构连接。

优选的，所述抬升机构上设置有第二单轴舵机，第二抓筒通过设置的传动齿轮与第二单轴舵机连接，第二单轴舵机的受控端连接单片机的输出端。

优选的，所述循迹模块和避障模块均为根据外界红外光的反射进行识别判断的红外传感器模块。

优选的，所述车身模块上设置有电池槽和稳压模块；所述电池槽的内部安装有用作装置整体供电的电池，电池的输出端电性连接稳压模块的输入端。

由于采用了以上技术方案，本实用新型所取得技术进步如下。

本实用新型通过模块化的设计，在用于教学使用过程中，不但可单独使用车身模块进行单片机的编程基础教学，还可以根据教学计划的需求，让学生自主安装机械臂模块和抬升模块，完成各阶段教学的循序渐进；而且还可以通过在模块化机器人各个模块的分步发放，来保证在学生手中不会出现功能赘余，既可以让教学有计划、有条理的一步步完成，也可以在各种模块的配合下增加教学的趣味性以及最终考核任务的多样性，具有较大的实用性。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图；

图2为本实用新型的车身模块的结构示意图；

图3为本实用新型的机械臂模块的结构示意图；

图4为本实用新型的抬升模块的第一视角结构示意图；

图5为本实用新型的抬升模块的第二视角结构示意图；

图6为本实用新型的避障模块的结构示意图；

图7为本实用新型的循迹模块的结构示意图。

其中：1.车身模块、11.车身外壳、12.轮胎、13.单片机、14.驱动模块、15.稳压模块、16.电机、17.电池槽、18.轴承、19.机械臂安装盘、2.循迹模块、3.机械臂模块、31.第一双轴舵机、32.机械臂安装底座、33.连接支架、34.第一单轴舵机、35.第一抓筒、36.第二双轴舵机、4.抬升模块、41.底座、42.连杆、43.连杆座、44.第二抓筒、45.抬升机构、46.顶板、47.传动轮、48.微型电机、49.皮带固定扣、5.避障模块。

具体实施方式

下面将结合附图和具体实施方式对本实用新型进行进一步详细说明。

一种教学用模块化机器人装置，结合图1所示，包括车身模块1以及设置在车身模块1上的循迹模块2、机械臂模块3、抬升模块4和避障模块5。

如图2所示，车身模块1包括车身外壳11，车身外壳11为船型。车身外壳11的内部设置有单片机13、驱动模块14、稳压模块15、两个电机16和电池槽17，车身外壳11的两侧通过设置的轴承18对称连接有四个轮胎12，其中，沿车身机构1行走方向相对设置的后轮轮胎12(也可以是前轮轮胎12)分别与两个电机16连接，电机16的受控端连接驱动模块14的输出端，驱动模块14的受控端连接单片机13的输出端；电池槽17内安装有电池，电池用作装置整体供电，电池的输出端电性连接稳压模块15的输入端，单片机13和驱动模块14的电源输入端均电性连接稳压模块15的输出端；电池槽17的下方装有开关，开关用于控制电源的通断。在使用时，电池经过稳压模块15稳压后供电，单片机13通过驱动模块14对电机16进行控制，电机16驱动后轮轮胎12转动，前轮轮胎12从动转动，从而实现车身模块1的行走。

在教学使用初期，简单的装配车身模块1，使用单片机13对应的编程软件(以keil4为例)，教导学生如何创建工程文件，并教学简单的IO口定义及使用，配合单片机13上对应的指示灯进行教学。

后续教学过程中，先单独使用车身模块1，通过IO赋值的变换，结合延时函数，教导学生使用单片机13通过驱动模块14控制电机16的转动方向以及使用延时函数调速，通过观察轮胎12的转速及方向，可以让学生清晰的感受到对应函数的作用，方便更好的掌握使用单片机13控制电机16。

如图6至图7所示，循迹模块2和避障模块5均为红外传感器模块，可根据外界红外光的反射进行识别判断。循迹模块2和避障模块5的输出端均连接单片机13的输入端，循迹模块2和避障模块5的电源输入端均电性连接稳压模块15的输出端。循迹模块2会根据地面上的黑白来向单片机13返回对应的高低电平值，避障模块5会检测前方障碍物的反射光来判读是否有障碍物并单片机13返回对应的高低电平值。

在教学过程中，将车身模块1上加装上循迹模块2和避障模块5，通过单片机13的IO口的输入返回值，对当前车身与黑线的相对位置进行判断，然后单片机13对电机16的转速、方向进行控制，从而控制车身模块1的前进方向完成循迹以及转向。通过这个任务的完成，可以再一次加深学生对电机16的控制练习以及对输入返回电平信号的处理，这样，对于单片机13的IO口的输入输出的教学与实践就可以借助本装置的车身模块1、循迹模块2和避障模块5实现。

如图3所示，机械臂模块3包括机械臂安装底座32、机械臂和第一抓筒35，其中，机械臂安装底座32通过车身外壳11上设置的机械臂安装盘19连接在车身模块1上。机械臂为三关节机械臂，机械臂的三个关节由第一双轴舵机31、第二双轴舵机36、第一单轴舵机34以及两根连接支架33组成；第一双轴舵机31安装在机械臂安装底座32上，两根连接支架33分别连接在第一双轴舵机31和第二双轴舵机36之间以及第二双轴舵机36和单轴舵机34之间；第一抓筒35上设置有传动齿轮，传动齿轮与第一单轴舵机34连接，第一单轴舵机34为单轴270°舵机，用于驱动第一抓筒35的抓取。第一双轴舵机31、第二双轴舵机36和第一单轴舵机34的受控端均连接单片机13的输出端，第一双轴舵机31、第二双轴舵机36和第一单轴舵机34的电源输入端均电性连接稳压模块15的输出端。在使用时，单片机13对第一双轴舵机31、第二双轴舵机36和第一单轴舵机34进行控制来实现第一抓筒35的抓取动作。

在教学过程中，学生可以亲自动手，直接将机械臂模块3安装到车身模块1上并且将三个舵机的电源线和信号线分别连接到稳压模块15以及单片机13主板上，安装过程简单。机械臂的动作由单片机13进行开环控制，从而完成对物块的抓取动作，通过学习对机械臂的控制，可深入了解舵机的阈值，以及如何调节舵机角度，从而可以实现对舵机的控制。

如图4至5所示，抬升模块4通过车身外壳11尾部开设的凹槽设置在车身外壳11的尾部，抬升模块4包括抬升模块底座41、抬升机构45和第二抓筒44，其中，抬升模块底座41嵌设在车身外壳11的尾部，抬升模块底座41的两侧设置有连接座43，连接座43上垂直向上支设有连杆42；抬升机构45设置在连杆42上，第二抓筒44设置在抬升机构45上并朝向车身外壳11的后方设置。

连杆42的顶端支设有顶板46，顶板46和抬升模块底座41上相对设置有一对传动轮47，抬升模块底座41上的传动轮47的动力输入端连接有设置在抬升模块底座41上的微型电机48，微型电机48的受控端连接单片机13的输出端，微型电机48的电源输入端电性连接稳压模块15的输出端；传动轮47上设置有同步带，同步带通过抬升机构45上设置的皮带固定扣49与抬升机构45连接。在使用时，单片机13通过对微型电机48的控制来驱动传动轮47转动，传动轮47带动同步带转动，同步带带动抬升机构45上下运动，从而实现第二抓筒44的上下运动。

抬升机构45上设置有第二单轴舵机，第二单轴舵机为单轴270°舵机。第二抓筒44上设置有传动齿轮，传动齿轮与第二单轴舵机连接，第二单轴舵机的受控端连接单片机13的输出端，第二单轴舵机的电源输入端电性连接稳压模块15的输出端。在使用时，单片机13通过对第二单轴舵机进行控制来实现第二抓筒44的抓取动作。

在教学过程中，抬升模块4的安装方式是嵌入式安装，十分便捷，连接好微型电机48和第二单轴舵机后便可以工作。学生在控制抬升模块4这一阶段的教学中需要结合前面所学的对电机16、第一双轴舵机31、第二双轴舵机36和第一单轴舵机34的控制，完成对微型电机48和第二单轴舵机的联合控制，先是实现抬升机构45的上下平移运动，后完成对第二抓筒44的抓取物块的控制。

在单片机教学的后期实践阶段，可以使用上述模块的自由组合，设计对应的考核任务交给学生完成，达到单片机教学后期学生具有自主完成对应任务能力的目标。

本实用新型在使用时，在用于教学使用过程中，可单独使用车身模块1进行单片机13的编程基础教学，根据教学计划的需求，让学生自主安装机械臂模块3和抬升模块4，各阶段教学循序渐进；模块化机器人各个模块的分步发放也可以保证在学生手中不会出现功能赘余，既可以让教学有计划、有条理的一步步完成，也可以在各种模块的配合下增加教学的趣味性以及最终考核任务的多样性，具有较大的实用性。

Claims (8)

1.教学用模块化机器人装置，包括可行走的车身模块(1)，其特征在于：所述车身模块(1)上设置有循迹模块(2)、机械臂模块(3)、抬升模块(4)、以及避障模块(5)；所述车身模块(1)、机械臂模块(3)和抬升模块(4)的受控端均连接车身模块(1)上设置的单片机(13)；所述循迹模块(2)和避障模块(5)的输出端均连接单片机(13)的输入端。

2.根据权利要求1所述的教学用模块化机器人装置，其特征在于：所述车身模块(1)包括车身外壳(11)，车身外壳(11)的两侧通过设置的轴承(18)对称连接有四个轮胎(12)，沿车身模块(1)行走方向相对设置的一对轮胎(12)分别连接有设置在车身模块(1)上的电机(16)，两个电机(16)的受控端连接有设置在车身模块(1)上的驱动模块(14)，驱动模块(14)的受控端连接单片机(13)的输出端。

3.根据权利要求1所述的教学用模块化机器人装置，其特征在于：所述机械臂模块(3)包括设置在车身模块(1)上的机械臂安装底座(32)、安装在机械臂安装底座(32)上的三关节机械臂和安装在机械臂上的第一抓筒(35)；所述机械臂的三个关节由第一双轴舵机(31)、第二双轴舵机(36)、第一单轴舵机(34)以及连接支架(33)组成，第一双轴舵机(31)安装在机械臂安装底座(32)上，连接支架(33)连接在第一双轴舵机(31)、第二双轴舵机(36)和单轴舵机(34)之间；所述第一抓筒(35)通过设置的传动齿轮与第一单轴舵机(34)连接；所述第一双轴舵机(31)、第二双轴舵机(36)和第一单轴舵机(34)的受控端均连接单片机(13)的输出端。

4.根据权利要求1所述的教学用模块化机器人装置，其特征在于：所述抬升模块(4)包括设置在车身模块(1)上的抬升模块底座(41)，抬升模块底座(41)的两侧通过设置的连杆座(43)支设有连杆(42)；所述连杆(42)上设置有可沿连杆(42)上下运动的抬升机构(45)，抬升机构(45)上设置有第二抓筒(44)。

5.根据权利要求4所述的教学用模块化机器人装置，其特征在于：所述连杆(42)的顶端支设有顶板(46)，顶板(46)和抬升模块底座(41)上相对设置有一对传动轮(47)，抬升模块底座(41)上的传动轮(47)的动力输入端连接有设置在抬升模块底座(41)上的微型电机(48)，微型电机(48)的受控端连接单片机(13)的输出端；所述传动轮(47)上设置有同步带，同步带通过抬升机构(45)上设置的皮带固定扣(49)与抬升机构(45)连接。

6.根据权利要求4所述的教学用模块化机器人装置，其特征在于：所述抬升机构(45)上设置有第二单轴舵机，第二抓筒(44)通过设置的传动齿轮与第二单轴舵机连接，第二单轴舵机的受控端连接单片机(13)的输出端。

7.根据权利要求1所述的教学用模块化机器人装置，其特征在于：所述循迹模块(2)和避障模块(5)均为根据外界红外光的反射进行识别判断的红外传感器模块。

8.根据权利要求1所述的教学用模块化机器人装置，其特征在于：所述车身模块(1)上设置有电池槽(17)和稳压模块(15)；所述电池槽(17)的内部安装有用作装置整体供电的电池，电池的输出端电性连接稳压模块(15)的输入端。

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