專利名稱：一種教育用機(jī)器人控制系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及教育用機(jī)器人，特別是教育用機(jī)器人的控制系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
教育用機(jī)器人是面向應(yīng)用教學(xué)、娛樂(lè)用途的一類(lèi)機(jī)器人產(chǎn)品。通過(guò)該類(lèi)產(chǎn)品，可以使使用者(學(xué)生)了解到機(jī)器人等智能產(chǎn)品的組成、控制原理、方法和用途，使使用者(學(xué)生)拓展其動(dòng)手能力、思維空間和創(chuàng)造力。
現(xiàn)有的教育用機(jī)器人，其控制系統(tǒng)通常包括控制器、執(zhí)行器(主要為電機(jī))、傳感器；控制器與執(zhí)行器之間通過(guò)線路連接，控制器控制執(zhí)行器；控制器與傳感器之間通過(guò)線路連接，控制器控制傳感器并接收傳感器輸出的信號(hào)。如廣茂達(dá)生產(chǎn)的AS-EI能力風(fēng)暴教育用機(jī)器人，它的控制器采用Motorola單片機(jī)；中鳴數(shù)碼生產(chǎn)的積木機(jī)器人，它的控制器采用AVR單片機(jī)；樂(lè)高生產(chǎn)的積木式教育機(jī)器人、上海集成生產(chǎn)的積木式教育機(jī)器人，其控制器采用8052單片機(jī)。
上述現(xiàn)有的教育用機(jī)器人的控制系統(tǒng)，它們均采用集中式的控制方式，即控制器通過(guò)線路分別與各執(zhí)行器、各傳感器連接，因此，現(xiàn)有的教育用機(jī)器人的控制系統(tǒng)存在以下缺陷1、由于教育用機(jī)器人的控制系統(tǒng)中的執(zhí)行器、傳感器較多，因此現(xiàn)有的教育用機(jī)器人控制系統(tǒng)線路復(fù)雜，體積龐大；2、擴(kuò)展功能簡(jiǎn)單或者沒(méi)有擴(kuò)展；3、控制器控制所有的執(zhí)行器和傳感器，不具備獨(dú)立組合模塊的能力。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種線路簡(jiǎn)單，體積小，且有利于功能擴(kuò)展的教育用機(jī)器人控制系統(tǒng)。
本發(fā)明解決上述技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是一種教育用機(jī)器人控制系統(tǒng)，它包括控制器、執(zhí)行器和/或傳感器，控制器與執(zhí)行器和/或傳感器之間通過(guò)線路連接；控制器與執(zhí)行器和/或傳感器之間通過(guò)三線制總線連接，三線制總線由兩根電源線和一根信號(hào)線組成；執(zhí)行器和/或傳感器通過(guò)信號(hào)轉(zhuǎn)換電路與總線連接。
上述方案中，控制系統(tǒng)還包括總控制器，總控制器通過(guò)四線制總線與控制器連接，四線制總線由兩根電源線、一根數(shù)據(jù)發(fā)送(TXD)信號(hào)線、一根數(shù)據(jù)接收(RXD)信號(hào)線組成。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明教育用機(jī)器人控制系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)在于1、控制器與執(zhí)行器、傳感器之間通過(guò)三線制總線連接，線路簡(jiǎn)單，體積??；2、對(duì)于單獨(dú)的傳感器或者電機(jī)元器件，由于環(huán)境影響和本身特性，其工作精度和穩(wěn)定性一般不能直接與控制器進(jìn)行信號(hào)交換。因此，本發(fā)明控制系統(tǒng)在底層的元件和控制器之間加一層信號(hào)轉(zhuǎn)換電路，既向使用者屏蔽掉硬件的差異提供統(tǒng)一的接口，增加操作的方便性和工作的穩(wěn)定性，也提高設(shè)備的智能功能，一部分控制算法可以隱藏在信號(hào)轉(zhuǎn)換電路中快速直接的對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。
3、可方便地采用接口的形式使執(zhí)行器、傳感器與總線連接，使控制系統(tǒng)具有強(qiáng)大的擴(kuò)展功能；4、具備獨(dú)立組合模塊的能力。當(dāng)要做的控制系統(tǒng)復(fù)雜度較大時(shí)，這時(shí)候單單一個(gè)控制器已不能滿足需求，于是本發(fā)明控制系統(tǒng)增加了一個(gè)總控制器，總控制器可以方便地通過(guò)總線控制多個(gè)由一個(gè)控制器、若干個(gè)執(zhí)行器、傳感器組成的控制單元(功能模塊)，每個(gè)控制器完成一部分工作，使多個(gè)控制器作到相互合作，互相通信。


圖1為本發(fā)明控制系統(tǒng)實(shí)施例1的結(jié)構(gòu)框2為本發(fā)明控制系統(tǒng)實(shí)施例2的結(jié)構(gòu)框3為控制器電路原理4為直流電機(jī)元件模塊(直流電機(jī)及其信號(hào)轉(zhuǎn)換電路)的電路原理5為紅外探測(cè)傳感器元件模塊(紅外探測(cè)傳感器及其信號(hào)轉(zhuǎn)換電路)的電路原理6為超聲波測(cè)距傳感器元件模塊(超聲波測(cè)距傳感器及其信號(hào)轉(zhuǎn)換電路)的電路原理圖具體實(shí)施方式
如圖1所示的本發(fā)明控制系統(tǒng)實(shí)施例1，它包括控制器、執(zhí)行器、傳感器，執(zhí)行器為直流電機(jī)，傳感器包括紅外探測(cè)傳感器和超聲波測(cè)距傳感器；控制器與執(zhí)行器、傳感器之間通過(guò)三線制總線連接；控制器控制執(zhí)行器、傳感器，并接收傳感器輸出的信號(hào)；三線制總線由兩根電源線和一根信號(hào)線組成；執(zhí)行器、傳感器通過(guò)信號(hào)轉(zhuǎn)換電路與總線連接，信號(hào)轉(zhuǎn)換電路采用接口的方式與總線連接。
圖中，三線制總線是指a、b、c三線。a線是信號(hào)線，可以把控制器的指令傳給電機(jī)或傳感器，也可以把傳感器的數(shù)據(jù)傳輸給控制器；所有信息的傳送在a線上完成。b線是電源線，給元件供電。c是電源地線。根據(jù)控制器所采用的芯片型號(hào)不同，所能提供的信號(hào)線接口數(shù)目有多有少。
本發(fā)明實(shí)施例1在設(shè)計(jì)中運(yùn)用和發(fā)明了多種技術(shù)和協(xié)議，包括有三線制接口方式，信號(hào)轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)，控制電路設(shè)計(jì)。定義的三線通訊方式使用a、b、c三線插頭，其中a為信號(hào)線，b，c為電源線。信號(hào)線是支持雙向的數(shù)據(jù)傳送，減少了連線，可以明顯的減小機(jī)器人的體積，有利于功能擴(kuò)展。
如圖2所示的本發(fā)明控制系統(tǒng)實(shí)施例2，控制系統(tǒng)包括一個(gè)總控制器和兩個(gè)控制單元(功能模塊)，兩控制單元分別由一個(gè)控制器、一個(gè)執(zhí)行器、兩個(gè)傳感器組成，總控制器通過(guò)四線制總線與控制器連接，四線制總線由兩根電源線、一根TXD信號(hào)線、一根RXD信號(hào)線組成。總控制器可為單片機(jī)，也可為計(jì)算機(jī)。
本發(fā)明控制系統(tǒng)實(shí)施例2的總線采用RS232/485，USB連接總控制器(PC機(jī))下載程序。
本發(fā)明控制系統(tǒng)實(shí)施例2的總線還可采用無(wú)線遙控的方式連接，無(wú)線遙控信號(hào)經(jīng)過(guò)解碼器解碼，將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成PWM，再經(jīng)過(guò)軟件解碼分8路馬達(dá)控制信號(hào)輸出。采用矢量運(yùn)動(dòng)控制方式，用PID設(shè)計(jì)軟件控制精度，通過(guò)向運(yùn)動(dòng)控制芯片發(fā)送包括速度和方向的矢量，只要通過(guò)數(shù)字接口發(fā)送簡(jiǎn)單的速度和方向幀指令就可以達(dá)到控制小車(chē)運(yùn)動(dòng)方向和速度的目的。
本發(fā)明控制系統(tǒng)實(shí)施例2能夠應(yīng)用于教育目的的綜合控制系統(tǒng)，它采用模塊化設(shè)計(jì)，工作性能穩(wěn)定、控制靈活。對(duì)比已有的小型教育機(jī)器人，本發(fā)明實(shí)施例2的優(yōu)點(diǎn)在于1、制作了各種具有獨(dú)立工作能力的傳感器、控制器元件模塊，元件模塊既可以組合功能模塊，又可以單獨(dú)與PC機(jī)相連在電腦上演示，構(gòu)造了一個(gè)可裁剪的試驗(yàn)平臺(tái)。這種方式不僅隔離了硬件的差異，是用戶通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的接口操作，而且提高了傳感器精度和工作穩(wěn)定性，是單純的傳感器元件所不能比擬的。2、使用結(jié)構(gòu)化的程序設(shè)計(jì)方式，實(shí)現(xiàn)接受用戶控制指令完成各種動(dòng)作，使用者既可以通過(guò)計(jì)算機(jī)上的配套軟件編程下載運(yùn)行，也可以通過(guò)計(jì)算機(jī)直接在線控制。3、可具有獨(dú)特的無(wú)線遙控功能，可以同時(shí)遙控8個(gè)電機(jī)。4、可用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)目的，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中可以根據(jù)控制需要選擇功能模塊，既節(jié)省了空間，又能做到心中有數(shù)按需配置。5、由于傳統(tǒng)的模擬元件精度和穩(wěn)定性有限，隨著數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的發(fā)展當(dāng)前利用軟件算法來(lái)處理信號(hào)不僅可以提高精度而且控制性能更佳。6、使用信號(hào)轉(zhuǎn)換電路來(lái)處理傳感器或者電機(jī)的信號(hào)，不僅可以分散控制器的處理任務(wù)，解決控制器的高速和外圍硬件的低速問(wèn)題，而且使得外圍的硬件可以做到統(tǒng)計(jì)接口。7、即使脫離了總控制器也可以獨(dú)立或者互相組合進(jìn)行工作。
本發(fā)明控制系統(tǒng)實(shí)施例2，可將用戶程序直接存儲(chǔ)在芯片的非易失性存儲(chǔ)器中，不需要電源來(lái)維持，即使長(zhǎng)時(shí)間的關(guān)機(jī)也不會(huì)造成用戶程序丟失。
如圖3所示，控制器采用單片機(jī)PIC18F8520，它的TTL_RX與總線的RXD信號(hào)線連接，TTL_TX與總線的TXD信號(hào)線連接。Port端口連接信號(hào)線a，VCC連接的是電源線b。
如圖4、5、6所示，直流電機(jī)的信號(hào)轉(zhuǎn)換電路、紅外探測(cè)傳感器的信號(hào)轉(zhuǎn)換電路、超聲波測(cè)距傳感器的信號(hào)轉(zhuǎn)換電路均通過(guò)接口與總線連接，其中白線與信號(hào)線a連接，紅線與電源線b連接，黑線與電源線c(地線)連接。
直流電機(jī)的信號(hào)轉(zhuǎn)換電路主要分為電平轉(zhuǎn)換、信號(hào)處理、PWM發(fā)生三個(gè)部分電平轉(zhuǎn)換由一塊集成電路芯片把電機(jī)用的電平和單片機(jī)用電平區(qū)分開(kāi)來(lái)，信號(hào)處理由一塊單片機(jī)帶上程序已完成一些智能診斷和控制工作，PWM是一個(gè)由分立元件組成的橋式電路，負(fù)責(zé)把單片機(jī)的控制信號(hào)轉(zhuǎn)換成直流電機(jī)能夠接受到電壓信號(hào)。
紅外探測(cè)傳感器通過(guò)火焰探測(cè)探頭檢測(cè)火焰信號(hào)經(jīng)過(guò)放大，再交由軟件做數(shù)字信號(hào)處理，以自定義數(shù)據(jù)幀格式輸出到總線上。紅外探測(cè)傳感器的信號(hào)轉(zhuǎn)換電路，由于采用的是紅外接收管，本身精度就比較高，能夠滿足教育機(jī)器人的要求，所以只加了元件保護(hù)和信號(hào)匹配。元件保護(hù)由MMSZ4702穩(wěn)壓管完成，信號(hào)匹配由2個(gè)電阻完成，阻值得選擇決定傳感器的精度。
超聲波傳感器測(cè)得的距離信號(hào)經(jīng)過(guò)信號(hào)轉(zhuǎn)換電路的處理，用單片機(jī)轉(zhuǎn)換成脈寬信號(hào)，由一根信號(hào)線發(fā)出，采用Microchip公司生產(chǎn)的PIC單片機(jī)通過(guò)CCP捕捉從端口輸入的脈沖寬度。
超聲波測(cè)距傳感器的信號(hào)轉(zhuǎn)換電路主要分發(fā)射器控制和接收器控制電路，利用差分信號(hào)轉(zhuǎn)換芯片max232將原本5V的控制信號(hào)轉(zhuǎn)換后加在發(fā)射器元件上，即減少周?chē)脑?，又達(dá)到發(fā)射器元件的驅(qū)動(dòng)電平要求。發(fā)射信號(hào)的發(fā)生和與信號(hào)線a的信號(hào)轉(zhuǎn)換由一塊單片機(jī)pic12c508完成。接收部分的電路又由濾波，放大，反相，比較電路組成，通過(guò)調(diào)整比較器LP311的第3腳電壓能方便的控制元件的反應(yīng)精度。單片機(jī)捕獲比較器LP311的信號(hào)，根據(jù)內(nèi)建的聲速模型采用軟件計(jì)算出發(fā)射到反射回來(lái)所經(jīng)歷的距離。這樣可以保證快速實(shí)時(shí)的處理信號(hào)。
權(quán)利要求
1.一種教育用機(jī)器人控制系統(tǒng)，它包括控制器、執(zhí)行器和/或傳感器，控制器與執(zhí)行器和/或傳感器之間通過(guò)線路連接；其特征在于控制器與執(zhí)行器和/或傳感器之間通過(guò)三線制總線連接，三線制總線由兩根電源線和一根信號(hào)線組成；執(zhí)行器和/或傳感器通過(guò)信號(hào)轉(zhuǎn)換電路與總線連接。
2.如權(quán)利要求1所述的控制系統(tǒng)，其特征在于控制系統(tǒng)還包括總控制器，總控制器通過(guò)四線制總線與控制器連接，四線制總線由兩根電源線、一根數(shù)據(jù)發(fā)送信號(hào)線、一根數(shù)據(jù)接收信號(hào)線組成。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種教育用機(jī)器人控制系統(tǒng)，它包括控制器、執(zhí)行器和/或傳感器，控制器與執(zhí)行器和/或傳感器之間通過(guò)線路連接；控制器與執(zhí)行器和/或傳感器之間通過(guò)三線制總線連接，三線制總線由兩根電源線和一根信號(hào)線組成；執(zhí)行器和/或傳感器通過(guò)信號(hào)轉(zhuǎn)換電路與總線連接。本發(fā)明控制系統(tǒng)的控制器與執(zhí)行器、傳感器之間通過(guò)三線制總線連接，線路簡(jiǎn)單，體積小，可方便地采用接口的形式使執(zhí)行器、傳感器與總線連接，使控制系統(tǒng)具有強(qiáng)大的擴(kuò)展功能。
文檔編號(hào)B25J13/00GK1820907SQ20061001853
公開(kāi)日2006年8月23日 申請(qǐng)日期2006年3月14日 優(yōu)先權(quán)日2006年3月14日
發(fā)明者李文鋒, 張帆, 陳維克, 楊小鑄, 王中云 申請(qǐng)人:武漢理工大學(xué)