專利名稱：一種基于開放架構的模塊化教學機器人的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及的是一種模塊化的機器人，特別是一種適合于教學實驗的基于開 放架構的模塊化機器人。屬于機器人技術領域。
背景技術：
近年來隨著模塊化技術的發展，針對傳統封閉架構體系的缺點，提出了開放式架 構機器人的概念。開放式架構強調機器人設計的結構化、易開發性、易配置性、易擴展性、易 交互性、易移植性、易裁剪性和易復用性。封閉式架構的機器人，其所有的硬件控制都交給主控軟件完成，硬件和軟件必須 要通盤考慮，完成不同功能的部件之間在軟件上是一種緊密耦合的關系，在一臺機器人上 使用的編程代碼，幾乎不可能在另一臺新開發的機器人上發揮作用，如果想開發新的機器 人，就必須從頭開始，移植性和重用性較差。這種封閉式機器人由于采用的是專用計算機、 專用機器人語言、專用微處理器，結構封閉，機器人的應用上受到了很多限制，無論是硬件 還是軟件，兼容性都較差，功能和配置上難以擴充和更改。開放式架構的機器人則通過模塊化技術，使不同組件通過統一的硬件和軟件接 口，解除機器人各個部件之間的緊密耦合性，可以輕而易舉地重復使用硬件和軟件的模塊。 模塊化的特征是實現開放式架構的基礎，可以保證機器人的性能，便于系統維護與功能模 塊更換和擴展，并可以提高機器人對復雜工作情況的適應能力。專利CN1445687公布了一種基于單處理器結構的教學機器人控制系統，采用了固 定機構。專利CN101009054公布了一種簡易模塊化機器人，是由類似積木的拼裝件組成機 器人，屬于機械上的一種簡易模塊化，是當前拼裝機器人經常采用的方式，沒有實現電子和 軟件的模塊化和標準化。專利CN101053954公布一種基于CAN總線的模塊化機器人控制系 統，使用CAN總線使機器人節點與上位機通訊，僅在機器人模塊與PC機之間采用了標準的通 信協議。專利CN201432298公布了一種模塊化的機器人電機控制系統，把整個控制系統均集 中在一個電路基板上實現，屬于電機控制內部的電路整合，不是機器人整體系統的模塊化。上述提到的專利技術均沒有實現機器人的統一接口，只是在一些方面上局部實現 了模塊化，不是開放式架構的機器人。此外，目前市場上用于教學、實驗、競賽的機器人有多種產品類型比如小型機械 臂、移動小車、組裝式套件等。學生主要通過對機器人的編程調試以及添加一些傳感器配件 來增強對專業課程的理解和應用。目前，應用于教學的國內外機器人平臺大都是采用一個 單片機或其他微處理器控制，圖形化語言編程，結構形式固定，功能單一，使用過于簡單，擴 展性能不好，對中學生課外競賽能起到一定作用，但對大學生的訓練明顯不足，不適合大學 生能力培養的需求。
發明內容本實用新型的目的是針對當前機器人設計技術和上市產品的情況，提出一種機器
3人系統，使之適合大學生的教學實驗的需求，并且基于開放式的架構的模塊化設計簡化了 設計過程，節約了設計成本。本實用新型是這樣實現的一種基于開放架構的模塊化教學機器人，其特征在于 由若干具有標準接口的功能模塊組成，其基本的功能模塊包括底盤、電源控制模塊、傳感 與通信模塊和運動控制模塊等。所述的底盤主要是指機器人的行走機構，可以采用輪式機構、履帶式機構等。可以 由直流電機、步進電機或者伺服電機來驅動。 所述的電源控制模塊實現電源供給和電源管理的功能，包含可充電電池和電源控 制板。該模塊負責給機器人的其他功能模塊供電及電源的管理。電源控制模塊可以單獨編 程和使用。所述的傳感與通信模塊包含了若干機器人用傳感器和控制電路板等，并且提供擴 展接口，可供用戶外接更多的傳感器和執行器。傳感與通信模塊可以單獨編程和使用。所述的運動控制模塊包含了電機驅動和控制電路板，并且提供擴展接口，可供用 戶外接更多的傳感器和執行器。運動控制模塊可以單獨編程和使用。上述功能模塊均帶有一到兩個標準接口，可以與其他功能模塊相連接，也可以裝 在其他帶有相同標準接口的機器人上。機器人還可以包含更多的功能模塊，如無線控制模塊、步進電機模塊、圖像模塊 等，它們的設計與上述功能模塊類似。功能模塊具有獨立的電源接口，電源開關，可以單獨由外接電源供電，具有電源保 護，能夠單獨使用；功能模塊具有獨立的串口和JTAG 口，能夠單獨對其編程和調試；功能模 塊(一些模塊除外，比如底盤)具有獨立的CAN接口、串口、AD 口、IO 口，對外開放，以便能 夠連其他執行器和傳感器等，擴展功能。功能模塊的標準接口規范定義之后，便于擴展更多的功能模塊，便于不同機器人 之間共享功能模塊，也便于用戶按照此規范來開發符合自身要求的模塊。本實用新型提出了一種開放式架構，由多個功能模塊組成，是一種不用外部連線 就能夠快速連接的模塊化機器人。本實用新型中將機器人劃分為若干個功能模塊，每個功 能模塊均帶有標準接口，并具有各自的CPU和完整的控制系統，能單獨作為實驗平臺使用。 模塊標準接口包含了電源和通信，模塊相連接時可統一供電并相互通信。每個功能模塊可 單獨使用，可以聯合使用，可以組裝成一個具有多CPU的移動機器人，也可以作為其他具有 相同標準接口的機器人或設備的配件使用。功能模塊采用相同的CPU及開發環境或者采用不同的CPU結構及開發環境。在 教學實驗中，每個功能模塊可單獨編程和開展實驗，便于學生掌握機器人相關的傳感器、導 航、通訊、運動、圖像等方面的知識和技能。多個模塊通過標準接口快速連接后即成為一個 多CPU的機器人平臺，可以進行全自主機器人的開發，多CPU的編程方式訓練，使學生能夠 掌握前沿的技術。模塊分立編程組裝后機器人集中調試的方式便于一個小組共同完成一個 項目，能增強學生之間的團隊合作。功能模塊可以作為標準配件安裝在其他移動機器人平 臺上，便于實現基礎的研究成果的實用化。此外，用戶有更多需要時，可以根據提供的標準 接口定義自行開發，直接擴展到原有機器人平臺上。本實用新型的有益效果是本實用新型基于開放式的架構設計機器人的功能模塊，不用外部連線就能夠快速組裝成一個移動機器人，當需要新的功能時，只需要擴展一個 新的帶有標準接口的功能模塊，原先的模塊可以繼續使用，成熟的功能模塊作為一種標準 件可以提供給其他兼容標準接口的機器人使用，其控制算法也可以移植到新的機器人平臺 上，在新產品設計中可以簡便地重復使用功能模塊，大大簡化了設計過程，節約了設計成 本。 此外，本實用新型在現有的固定架構主要適合中小學的機器人產品上進行了創 新，擴展了機器人的教學功能，為機器人的終端用戶提供了更為基礎的大學生工科綜合實 驗項目，能夠適合機械電子、自動化、信息技術、測試技術、計算機、機器人等相關專業的課 程實驗，使之成為工科學生的最佳綜合實驗平臺。
[0022]圖1是本實用新型架構圖；[0023]圖2a是本實用新型輪式底盤圖；[0024]圖2b是本實用新型履帶式底盤圖；[0025]圖2c是本實用新型底盤下部的機器人標準接口 SIR圖[0026]圖3是本實用新型標準功能模塊結構圖；[0027]圖4a是本實用新型功能模塊單獨使用模式圖；[0028]圖4b是本實用新型功能模塊聯合使用模式圖；[0029]圖4c是本實用新型功能模塊組成機器人系統模式圖；[0030]圖4d是本實用新型功能模塊作為配件使用模式圖。
具體實施方式
以下結合附圖，論述本實用新型技術方案的實施。根據附圖1，一種基于開放架構的模塊化教學機器人10，主要由底盤20、電源控制 模塊30、運動控制模塊40和傳感與通信模塊50等標準模塊組成。根據附圖2a和2b，所述底盤20可以采用輪式底盤，也可以采用履帶式底盤。底盤 包含了電機組件、輪子或者履帶機構等。根據附圖2c，底盤下具有一個機器人標準接口 SIR(Standard Interface for Robot) 21,能夠與其他具有相同接口的設備相連。電源控制模塊30包含了殼體，可充電鋰電池和帶有ARM控制器的電源控制板。模 塊具有模塊標準接口 SIM (Standard Interface for Module)，可以連接其他功能模塊，給 其他功能模塊提供電源。模塊標準接口 SIM中包含了 12V電源和CAN總線。運動控制模塊40包含了殼體，ARM控制器的運動控制板，能夠驅動兩個直流電機 和一個步進電機。模塊上下均有一個模塊標準接口 SIM，可以與其他功能模塊相連接。該模 塊還包含了 CAN接口、AD接口和10 口，可供添加更多的設備使用。傳感與通信模塊50包含了殼體，ARM控制器的傳感與通信板，具有紅外、羅盤等傳 感器。模塊具有一個網絡接口，可以與其他設備或PC機進行網絡通信。模塊上下均有一個 模塊標準接口 SIM，可以與其他功能模塊相連接。該模塊還包含了 CAN接口、AD接口和10 口，可供添加更多的設備使用。
5[0038]根據附圖3，上述標準功能模塊60 (指代上述30，40，50及其他未列出的類似功能 模塊)除底盤20外包含以下幾部分外殼61，控制板62，兩個模塊標準接口 SIM 63，電源 開關64等。所述控制板62為標準功能模塊的控制系統，可以采用多種CPU芯片來實現，本實 例中采用ARM控制器。在控制板62上有電源輸入口，ISP撥動開關，串口，JTAG 口，CAN接 口，AD 口(可選)，IO 口(可選)，網絡口(可選)等外部接口，供下載程序和擴展設備使用。所述模塊標準接口 SIM 63采用DB15，引腳規范定義如下表
權利要求一種基于開放架構的模塊化教學機器人，其特征在于由若干具有標準接口的功能模塊組成，其基本的功能模塊包括底盤、電源控制模塊、傳感與通信模塊和運動控制模塊；所述的底盤為機器人的行走機構，采用輪式機構或履帶式機構，由直流電機、步進電機或伺服電機驅動；所述的電源控制模塊包括實現電源供給的充電電池和實現電源管理的電源控制板；所述的傳感與通信模塊包括若干機器人用傳感器和控制電路板及若干擴展接口；所述的運動控制模塊包括電機驅動和控制電路板及若干擴展接口。
2.根據權利要求1所述的一種基于開放架構的模塊化教學機器人，其特征在于所述 的功能模塊具有標準接口，模塊之間依靠標準接口相互連接，標準接口包含電源和CAN信 號線，功能模塊之間采用CAN通信。
3.根據權利要求1或2所述的一種基于開放架構的模塊化教學機器人，其特征在于 所述的功能模塊之間通過標準接口相連接，組成一個多CPU機器人系統。
4.根據權利要求1或2所述的一種基于開放架構的模塊化教學機器人，其特征在于 所述的功能模塊包含完整的控制系統，能單獨作為實驗平臺使用。
5.根據權利要求1或2所述的一種基于開放架構的模塊化教學機器人，其特征在于 依據標準接口擴展功能模塊種類，功能模塊作為其他具有相同標準接口的機器人或設備的 配件使用。
6.根據權利要求3所述的一種基于開放架構的模塊化教學機器人，其特征在于所述 的功能模塊采用相同的CPU及開發環境或者采用不同的CPU結構及開發環境。
專利摘要本實用新型為一種基于開放架構的模塊化教學機器人，其特征在于由若干具有標準接口的功能模塊組成，包括底盤、電源控制模塊、傳感與通信模塊和運動控制模塊等。所述的底盤為機器人的行走機構，采用輪式機構或履帶式機構，由直流電機、步進電機或伺服電機驅動；所述的電源控制模塊包括實現電源供給的充電電池和實現電源管理的電源控制板；所述的傳感與通信模塊包括若干機器人用傳感器和控制電路板；所述的運動控制模塊包括電機驅動和控制電路板。標準接口包含了電源和通信，功能模塊相連接時可統一供電并相互通信，相互之間不用外部連線就能快速連接。功能模塊具有各自的CPU和控制系統，可單獨或聯合使用，簡化了設計過程，節約了設計成本。
文檔編號G09B25/02GK201707829SQ20102022687
公開日2011年1月12日 申請日期2010年6月13日 優先權日2010年6月13日
發明者盧秋紅, 楊伯群, 王義保, 蔣金鵬 申請人:上海中為智能機器人有限公司