專利名稱：一種智能化的帶教育和益智功能的機(jī)器人平臺(tái)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本申請(qǐng)?jiān)O(shè)涉及機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種具有很強(qiáng)擴(kuò)展性的、智能化 的、帶教育和益智功能的機(jī)器人平臺(tái)。
肖胃絲
隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，智能機(jī)器人必將作為一種新型的教學(xué)工具和載 體進(jìn)入學(xué)校和益智玩具市場(chǎng)，但由于目前此類型機(jī)器人起步較晚，在應(yīng)用上存 在很多缺陷。
首先，功能固化，大部分智能機(jī)器人在出廠之前其機(jī)械、電子、程序等都 已經(jīng)確定了，使用者無(wú)法做進(jìn)一步的更改，因此無(wú)法完成復(fù)雜的教學(xué)任務(wù)。
其次，對(duì)于需要編程的機(jī)器人，編程方式基本是基于代碼的，例如C、 C + + 、 BASIC等，需要使用者至少掌握一門高級(jí)語(yǔ)言；再次，入門門檻高，必須 具深厚的電子電工基礎(chǔ)和機(jī)械操作能力；最后，由于機(jī)器人保護(hù)措施和可維護(hù) 性能差，加上學(xué)生學(xué)習(xí)過程中有一定的破壞作用，造成機(jī)器人穩(wěn)定性差，容易 損壞等現(xiàn)象。上述原因，嚴(yán)重阻礙了智能機(jī)器人的在教學(xué)過程中的普及，尤其 是在中小學(xué)中的普及。
實(shí)用新型內(nèi)容
本申請(qǐng)旨在克服現(xiàn)有技術(shù)的上述缺陷，提供一套先進(jìn)的智能機(jī)器人教學(xué)平 臺(tái)。本申請(qǐng)的技術(shù)方案增強(qiáng)了擴(kuò)展性，克服了傳統(tǒng)機(jī)器人功能固化的缺陷，同 時(shí)提高機(jī)器人的可維護(hù)性和穩(wěn)定性，從而提高機(jī)器人在教學(xué)應(yīng)用中的普及性。
該機(jī)器人教學(xué)平臺(tái)其采用模塊化、可重構(gòu)設(shè)計(jì)理念，從而能夠讓學(xué)生最廣 泛地了解機(jī)器人的原理和技術(shù)現(xiàn)狀，并可激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，因此可以廣泛 使用于大學(xué)和中學(xué)的教學(xué)活動(dòng)中。它可以讓學(xué)生獲得各方面的知識(shí)，包括電子、 機(jī)械、自動(dòng)控制、檢測(cè)傳感、計(jì)算機(jī)等知識(shí)、它可以讓學(xué)生親自動(dòng)手動(dòng)腦，激 發(fā)對(duì)高科技的興趣，進(jìn)行系列創(chuàng)新實(shí)踐；它可以完成包括機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及制作、機(jī) 器人組裝、電子設(shè)計(jì)、控制等實(shí)驗(yàn)，培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力。本技術(shù) 還可以用于高端智能玩具的開發(fā)或?qū)櫸餀C(jī)器人、娛樂機(jī)器人的開發(fā)。
本技術(shù)采用單片機(jī)作為信息處理的核心，使用PC機(jī)作為開發(fā)工具，利用
各種外圍板卡和機(jī)械結(jié)構(gòu)用來(lái)構(gòu)成各種智能機(jī)器人系統(tǒng)，具備很強(qiáng)的可重構(gòu) 性。
該平臺(tái)具備以下特點(diǎn)
電子開放性好該機(jī)器人采用擴(kuò)展槽結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，擴(kuò)展槽資源豐富，每個(gè)擴(kuò)
展槽都有一個(gè)8bit并口、 一個(gè)SPI 口、 一個(gè)SCI 口(即UART)、 2個(gè)輸出握手信 號(hào)線、2個(gè)輸入握手信號(hào)線、2個(gè)地址線、l個(gè)復(fù)位信號(hào)線。可以非常方便兼容 本公司提供和第三方廠家提供的電子模塊，也方便用戶自己制作各種電子模 塊。
機(jī)械開放性好該機(jī)器人具備多種機(jī)械接口，可以方便兼容市面上銷售的
機(jī)器人機(jī)械模塊，也可以很方便的兼容用戶自己制作的模塊。
擴(kuò)展功能強(qiáng)大每個(gè)機(jī)器人擁有5個(gè)擴(kuò)展槽接口， IO個(gè)傳感器接口，多個(gè)
機(jī)械配件接口。
主板模塊化設(shè)計(jì)在機(jī)器人功能上分為五大模塊，即背板模塊、通訊管理 模塊模塊、控制模塊、下載模塊、電源模塊，這種模塊化設(shè)計(jì)，使用機(jī)器人穩(wěn) 定性能大大提高，讓維護(hù)人員可以進(jìn)行模塊化維護(hù)和模塊化維修。
根據(jù)本申請(qǐng)的一種典型機(jī)器人平臺(tái)，包括底盤和主板，其中主板由背板、單
片機(jī)模塊、通訊管理模塊、下載模塊、電源模塊等組成，每個(gè)模塊按插拔結(jié)構(gòu) 設(shè)計(jì)，在主板上設(shè)置有用于安裝不同功能的功能卡的擴(kuò)展槽，用于連接到不同 的傳感器的傳感器接口。同時(shí)，在底盤上設(shè)置多種機(jī)械掛件接口以掛接不同的 機(jī)械掛件。
圖1是根據(jù)本申請(qǐng)的機(jī)器人的主板結(jié)構(gòu)圖。
圖2和圖3是根據(jù)本申請(qǐng)的主板示意圖。
圖4是根據(jù)本申請(qǐng)的機(jī)器人采用的傳感器支架。
圖5是根據(jù)本申請(qǐng)的機(jī)器人背板的正面和反面視圖。
圖6是根據(jù)本申請(qǐng)的用于封裝已安裝了各種模塊的主板的盒子的示例圖。
圖7是根據(jù)本申請(qǐng)的機(jī)器人的示例效果圖。
具體實(shí)施方式
機(jī)器人由主板和底板構(gòu)成。機(jī)器人內(nèi)部通過FLASH存儲(chǔ)器固化一個(gè)操作系 統(tǒng)，該操作系統(tǒng)由匯編語(yǔ)言編寫，負(fù)責(zé)引導(dǎo)用戶程序的下載，并對(duì)用戶程序進(jìn) 行管理。在一個(gè)實(shí)施例中，在機(jī)器人的主板上設(shè)置有USB端口，通過USB端 口可以將編譯好的文件燒寫到機(jī)器人的FLASH中去。
主板結(jié)構(gòu)
如圖1一3中所示，本申請(qǐng)的機(jī)器人主板由背板模塊、單片機(jī)模塊201、通 訊管理模塊202、下載模塊203、電源模塊204等組成，每個(gè)模塊按插拔結(jié)構(gòu) 設(shè)計(jì)。機(jī)器人還包括多個(gè)擴(kuò)展槽和接口 ，擴(kuò)展卡或傳感器的傳輸信號(hào)通過CPLD 緩沖變換，輸入到MCU進(jìn)行分析處理，最后轉(zhuǎn)化成一定的執(zhí)行信號(hào)控制執(zhí)行 機(jī)構(gòu)動(dòng)作。各模塊的功能如下
背板模塊背板模塊是負(fù)責(zé)聯(lián)絡(luò)主板各模塊間的信號(hào)連接，類似PC機(jī)器的 主板，將其他模塊聯(lián)系成一個(gè)整體。另外背板上設(shè)計(jì)有蜂鳴器，可以使機(jī)器人 發(fā)出聲音。背板上還具舵?zhèn)渌欧C(jī)接口、左右伺服電機(jī)接口、主電源接口、擴(kuò) 展電源接口、主板通訊接口，及5個(gè)模擬傳感器接口和5個(gè)數(shù)字傳感器接口， 5個(gè)擴(kuò)展槽接口等。
單片機(jī)模塊單片機(jī)模塊是整個(gè)機(jī)器人的"大腦"，所有數(shù)據(jù)都將傳送給 它處理，并且它還擔(dān)任了存儲(chǔ)器的工作，本智能機(jī)器人采用了MC68HC908AP64 型單片機(jī)。該單片機(jī)是Motorola公司生產(chǎn)的高性能CMOS單片機(jī)MC68HC08 系列的一種型號(hào)。它的CPU為8位，最高工作頻率為32MHz，具有一百多條 指令，包括乘法、除法和各種位操作指令。它具有2KB RAM和62KB FLASH ROM,有兩個(gè)各具備兩路輸入輸出的16位定時(shí)器，32位輸入輸出接口 (即I/O 接口) ， 8路10位模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換接口 (即AD轉(zhuǎn)換)，該單片機(jī)通訊功能強(qiáng)大， 擴(kuò)展槽上的各種信號(hào)最終傳輸?shù)竭@里進(jìn)行處理。
下載模塊通訊下載模塊是用來(lái)連接計(jì)算機(jī)和單片機(jī)之間通信的。作用是將 編寫好的程序下載到單片機(jī)里，該模塊嵌入了一套USB通訊協(xié)議和程序下載協(xié) 議。
通訊管理模塊通訊管理模塊負(fù)責(zé)對(duì)安裝在擴(kuò)展槽上的模塊進(jìn)行管理。利用 高度集成的可編程邏輯元件對(duì)MCU進(jìn)行擴(kuò)展。該芯片使用流程圖、VHDL語(yǔ) 言以及VerilogHDL語(yǔ)言混合幵發(fā)。其內(nèi)部嵌入了和MCU的通訊協(xié)議，該模 塊負(fù)責(zé)產(chǎn)生擴(kuò)展槽地址總線和控制總線信號(hào)，為擴(kuò)展槽產(chǎn)生8路地址信號(hào)，8 路輸入握手信號(hào)，8路輸出握手信號(hào)，另外該模塊還集成了兩個(gè)加減計(jì)數(shù)器、
兩路速度傳感器、5路數(shù)字輸入信號(hào)、4路電機(jī)控制信號(hào)等。提供了多達(dá)5個(gè) 模擬采集端口和5個(gè)數(shù)字采集端口，如果使用模擬端口擴(kuò)展卡，每張卡可提供 另外多達(dá)8個(gè)傳感器輸入端口。
擴(kuò)展槽及其接口為使用該機(jī)器人重構(gòu)靈活，主板使用了四個(gè)通用型擴(kuò)展 槽，和一個(gè)IIC通訊擴(kuò)展槽，這樣處理的結(jié)果是，每個(gè)機(jī)器人主板至少可以加 載4個(gè)擴(kuò)展卡，和若干個(gè)IIC擴(kuò)展設(shè)備，如此眾多的擴(kuò)展槽為用戶重構(gòu)機(jī)器人 提供了足夠的空間，所以該機(jī)器人具備非常高的柔性，可以根據(jù)需要完成的任 務(wù)隨時(shí)自由組裝。
為了提高擴(kuò)展槽的對(duì)外兼容能力，每個(gè)擴(kuò)展槽都擁有多種通訊方式，包括 8bit并口通訊，SPI通訊，SCI通訊，每個(gè)擴(kuò)展槽都帶有兩個(gè)輸入輸出地址信號(hào) 線，兩路輸出握手信號(hào)線，兩路輸入握手信號(hào)線， 一個(gè)模擬輸入。這就意味著， 通過該擴(kuò)展槽可以輕易地?cái)U(kuò)展基于SPI通訊地設(shè)備、基于8bit并口通訊的設(shè)備、 基于SCI通訊的設(shè)備。
主板上具備一個(gè)IIC通訊接口，該接口可以擴(kuò)展128個(gè)基于IIC通訊的擴(kuò) 展設(shè)備。
機(jī)器人擁有自主研發(fā)的豐富的配件庫(kù)，包括擴(kuò)展卡庫(kù)、傳感器庫(kù)、機(jī)械配 件庫(kù)、軟件庫(kù)，擴(kuò)展卡庫(kù)包括MP3擴(kuò)展卡、數(shù)字指南針擴(kuò)展卡、電機(jī)控制卡、 伺服電機(jī)卡、警報(bào)卡、PID控制卡、GPRS通訊卡、GPS卡、三維加速度卡、 陀螺儀卡等、模擬量傳感器卡、數(shù)字傳感器卡等十多種；傳感器卡包括溫度傳 感器、濕度傳感器、電壓傳感器、電流傳感器、光敏傳感器、紅外傳感器、遠(yuǎn) 紅外傳感器、紫外線傳感器、金屬傳感器、磁傳感器、加速度傳感器、速度傳 感器、觸碰傳感器、紅外測(cè)距傳感器等。
通過以上措施，使機(jī)器人的電子擴(kuò)展能力和兼容能力大大提高。
底盤結(jié)構(gòu)
本申請(qǐng)采用了 "可重構(gòu)的機(jī)器人機(jī)械"技術(shù)。機(jī)器人主要由底盤、上蓋、 輪子、支桿、齒輪箱和驅(qū)動(dòng)芯片組成。其中機(jī)器人的底盤擁有多種拼裝方式， 可以串接、并接、切割等，在機(jī)械結(jié)構(gòu)上，擁有超過20個(gè)傳感器探測(cè)頭加掛 點(diǎn)，探測(cè)頭高度和方位可以自主設(shè)置；底盤提供多種形式的機(jī)械接口，包括深 孔接口，光孔接口，螺紋接口，方孔接口等。通過以上措施，使本機(jī)器人平臺(tái) 對(duì)第三方產(chǎn)品兼容性能好，可以兼容樂高創(chuàng)新組件，lasy組件等。在本申請(qǐng)的 一個(gè)實(shí)施例中，底盤直徑為175mm，符合國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)；這種一體化的底盤使機(jī)器人結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，簡(jiǎn)潔。齒輪箱構(gòu)造特殊，可以方便地改變機(jī)電機(jī)功率以及減速比。 齒輪箱按對(duì)稱設(shè)計(jì)以及平板式的安裝面，可以構(gòu)建不同的機(jī)器人運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)。傳 感器支架采用三維柱坐標(biāo)系設(shè)計(jì)，使傳感器的安裝非常方便。機(jī)器人底盤有多 種重構(gòu)方式，提供多種機(jī)械接口，方便擴(kuò)展。
本申請(qǐng)的機(jī)器人具有豐富的機(jī)械配件庫(kù)，包括支桿、支架、滅火裝置、踢 球裝置、彈射裝置、掃雷裝置、救援裝置、機(jī)械手臂等。
機(jī)器人的支桿單元由兩部分組成(如圖4所示)小平板和支桿。支桿采 用柱坐標(biāo)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可以360度旋轉(zhuǎn)和高度調(diào)節(jié)，代替螺絲使得機(jī)器人的安裝 方便快捷。支桿還可以用來(lái)安裝機(jī)器人，安裝傳感器、顯示屏和其他掛件等。 小平板不但可以安裝各種傳感器，還可以起到固定導(dǎo)線的作用。支桿的高度則 可以調(diào)節(jié)。
圖5是底盤的示意圖。如圖5所示，在底盤正面上設(shè)置有電池槽501，底盤 上還分布了大大小小不同的孔洞(這其中包括底盤正面的導(dǎo)線孔502、減速箱 接孔503、機(jī)械掛件接孔504以及底盤反面的傳感器支桿接孔505、控制器安 裝孔506)。這些孔洞可以分為四種， 一種方形孔， 一種橢圓形孔，兩種大小 不一的圓形孔，分別具有不同的功能。預(yù)留電機(jī)孔可以完成多種驅(qū)動(dòng)方式，例 如前三輪驅(qū)動(dòng)、后三輪驅(qū)動(dòng)、左右差動(dòng)驅(qū)動(dòng)、四輪全驅(qū)動(dòng)等，可以配備萬(wàn)向輪 做萬(wàn)向驅(qū)動(dòng)。
機(jī)械掛件接口采用國(guó)際通用的方形接口，可用來(lái)加掛自己制作的機(jī)械機(jī)構(gòu)， 如滅火裝置，踢球裝置或其他公司生產(chǎn)的各種掛件，如機(jī)械手等，可以擴(kuò)展機(jī) 器人的功能。
圖6示例性描述了在將各種模塊安裝到主板上之后，將其整體封裝于一個(gè)盒 子中的情形，其中所述盒子的蓋板上為擴(kuò)展卡等預(yù)留有接口孔(擴(kuò)展卡接口 601、下載接口 602)。同時(shí)在盒子上亦有用于安裝多個(gè)傳感器的支桿插孔603。
圖7為根據(jù)本申請(qǐng)的智能機(jī)器人的示例性的產(chǎn)品圖。在圖7中，將主板封裝 于一個(gè)盒子中，在盒子的上蓋上有多個(gè)傳感器支桿插孔，用于安裝傳感器，盒 子被整體地安裝于底盤，底盤上亦有傳感器支桿插孔。
權(quán)利要求1.一種機(jī)器人平臺(tái)，包括底盤和主板，其中主板包括背板、單片機(jī)模塊、通訊管理模塊、下載模塊、和電源模塊，每個(gè)模塊按插拔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在主板上設(shè)置有用于安裝不同功能的功能卡的擴(kuò)展槽，用于連接到不同的傳感器的傳感器接口。
2. 如權(quán)利要求l所述的機(jī)器人平臺(tái)，其特征在于，在所述底盤上設(shè)置多種 機(jī)械掛件接口以掛接不同的機(jī)械掛件。
3. 如權(quán)利要求2所述的機(jī)器人平臺(tái)，其特征在于，所述機(jī)械接口包括深孔 接口、光孔接口、螺紋接口、方孔接口。
4. 如權(quán)利要求l所述的機(jī)器人平臺(tái)，其特征在于，采用由小平板和支桿組 成的支桿單元來(lái)安裝傳感器。
5. 如權(quán)利要求4所述的機(jī)器人平臺(tái)，其特征在于，所述底盤上有傳感器支 桿插孔。
6. 如權(quán)利要求l所述的機(jī)器人平臺(tái)，其特征在于，所述主板被安裝于盒子 中，所述盒子上有傳感器支桿插孔。
7 .如權(quán)利要求1所述的機(jī)器人平臺(tái)，其特征在于，所述主板上設(shè)置有U S B接口，通過該接口將程序下載到主板上。
8.如權(quán)利要求l所述的機(jī)器人平臺(tái)，其特征在于，所述主板提供電信號(hào)到 電機(jī)驅(qū)動(dòng)、蜂鳴器、以及圖形點(diǎn)陣顯示器。
9 .如權(quán)利要求1所述的機(jī)器人平臺(tái)，其特征在于，通過模擬輸入和數(shù)字輸 入的至少其中之一提供輸入信號(hào)給主板。
專利摘要一種智能化的帶教育和益智功能的機(jī)器人平臺(tái)，其主要特征在于是擴(kuò)展性能強(qiáng)，可以反復(fù)重構(gòu)組合。在一個(gè)實(shí)施例中，機(jī)器人平臺(tái)包括底盤和主板，其中主板由背板、單片機(jī)模塊、通訊管理模塊、下載模塊、電源模塊等組成，每個(gè)模塊按插拔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在主板上設(shè)置有用于安裝不同功能的功能卡的擴(kuò)展槽，用于連接到不同的傳感器的傳感器接口。同時(shí)，在底盤上設(shè)置多種機(jī)械掛件接口以掛接不同的機(jī)械掛件。通過在主板上數(shù)個(gè)擴(kuò)展槽安裝不同功能的擴(kuò)展卡、在數(shù)個(gè)傳感器接口上安裝不同的傳感器，以及在機(jī)械接口上安裝各種功能的機(jī)械結(jié)構(gòu)，來(lái)搭建出能完成特定任務(wù)的機(jī)器人。
文檔編號(hào)G09B25/02GK201194139SQ20072012878
公開日2009年2月11日 申請(qǐng)日期2007年8月20日 優(yōu)先權(quán)日2007年8月20日
發(fā)明者劉劍夫, 鄭常熠 申請(qǐng)人:上?；蹱q信息科技發(fā)展有限公司