本發(fā)明涉及機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種可編程的教育機(jī)器人系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人們普遍認(rèn)識(shí)到基礎(chǔ)技術(shù)人才培養(yǎng)的重要性，目前有由科委牽頭在中小學(xué)生群體中推廣機(jī)器人教育和競(jìng)賽，培養(yǎng)創(chuàng)新性的科技人才，但目前機(jī)器人教育中存在主要問(wèn)題：

大多數(shù)公司開(kāi)發(fā)的教育機(jī)器人主要是針對(duì)機(jī)器人競(jìng)賽，為中小學(xué)生提供參加競(jìng)賽的產(chǎn)品和圖形化編程方法，機(jī)器人功能固化，不能很好訓(xùn)練學(xué)生的邏輯和思維能力。

市面上大多數(shù)機(jī)器人均是由學(xué)生自己聯(lián)想進(jìn)行組裝，實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)的功能，但不能在此基礎(chǔ)上對(duì)機(jī)器人做二次開(kāi)發(fā)，只適合傳統(tǒng)應(yīng)試教育，不能很好地開(kāi)發(fā)學(xué)生動(dòng)手、思維和創(chuàng)新能力。

大多數(shù)小、中、高和大學(xué)在校學(xué)生沒(méi)有進(jìn)行嵌入式處理器方面知識(shí)的系統(tǒng)學(xué)習(xí)，不具備采用深度開(kāi)發(fā)和使用c語(yǔ)言或匯編語(yǔ)言嵌入式編程的基礎(chǔ)，因此對(duì)機(jī)器人的功能拓展難于實(shí)現(xiàn)。

特別是中職、高職和大學(xué)學(xué)生在學(xué)校畢業(yè)后，因?qū)η度胧教幚砥髦R(shí)了解很少，知識(shí)與實(shí)際脫節(jié)，不能很快適應(yīng)企業(yè)對(duì)技術(shù)人才快速融入的要求。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)上述現(xiàn)有的教育機(jī)器人功能固化，不能很好訓(xùn)練學(xué)生的邏輯和思維能力，，不具備采用深度開(kāi)發(fā)和使用c語(yǔ)言或匯編語(yǔ)言嵌入式編程的基礎(chǔ)，因此對(duì)機(jī)器人的功能拓展難于實(shí)現(xiàn)等問(wèn)題，本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種可編程的教育機(jī)器人系統(tǒng)。

為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明的技術(shù)方案為：一種可編程的教育機(jī)器人系統(tǒng)，包電源管理單元、主控制器單元、無(wú)線通信單元、傳感器單元、機(jī)械手臂控制單元、車(chē)體運(yùn)動(dòng)控制單元、語(yǔ)音播放單元、擴(kuò)展應(yīng)用單元、編程接口單元、蜂鳴器和指示燈，所述電源管理單元為主控制器單元、無(wú)線通信單元、傳感器單元、機(jī)械手臂控制單元、語(yǔ)音播放單元、車(chē)體運(yùn)動(dòng)控制單元、擴(kuò)展應(yīng)用單元、編程接口單元供電，所述主控制器單元分別與無(wú)線通信單元、傳感器單元、機(jī)械手臂控制單元、車(chē)體運(yùn)動(dòng)控制單元、語(yǔ)音播放單元、擴(kuò)展應(yīng)用單元、編程接口單元、蜂鳴器和指示燈進(jìn)行通訊連接。

上述方案的優(yōu)選方案為：所述電源管理單元包括為機(jī)器人整機(jī)供電的可充電鋰電池、第1級(jí)ldo和第2級(jí)ldo；所述可充電鋰電池為所述第1級(jí)ldo供電；所述第1級(jí)ldo將可充電鋰電池電壓轉(zhuǎn)換為5v直流電壓，為所述語(yǔ)音播放單元、機(jī)械手臂控制單元和第2級(jí)ldo供電；所述第2級(jí)ldo將第1級(jí)ldo輸出的電壓轉(zhuǎn)換為3.3v的直流電壓，為所述主控制器單元、無(wú)線通信單元、傳感器單元、擴(kuò)展應(yīng)用單元、編程接口單元供電。

上述方案的優(yōu)選方案為：所述主控制器單元為32位armcortex-m3微處理器，用于所有外部及內(nèi)部信號(hào)的采集與處理、車(chē)體的運(yùn)動(dòng)控制和機(jī)械手臂的操控、通信指令的解析和處理。

上述方案的優(yōu)選方案為：所述無(wú)線通信單元包括無(wú)線手柄通信模塊、wifi通信模塊、無(wú)線手柄和無(wú)線wifi設(shè)備；所述主控制器單元通過(guò)控制無(wú)線手柄通信模塊向無(wú)線手柄發(fā)出讀取按鍵值的請(qǐng)求指令，無(wú)線手柄根據(jù)請(qǐng)求返回按鍵值到無(wú)線手柄通信模塊，再由無(wú)線手柄通信模塊將按鍵值轉(zhuǎn)遞給主控制器單元進(jìn)行數(shù)據(jù)處理；實(shí)現(xiàn)操作人員與機(jī)器人之間的控制通信，所述主控制器單元通過(guò)wifi通信模塊與無(wú)線wifi設(shè)備與機(jī)器人之間的數(shù)據(jù)交換。

上述方案的優(yōu)選方案為：所述傳感器單元包括包含聲音傳感器、地面灰度傳感器、紅外傳感器和超聲波傳感器，用于完成周?chē)h(huán)境數(shù)據(jù)的識(shí)別和檢測(cè)；所述聲音傳感器是通過(guò)mic將機(jī)器人周邊噪聲和聲音信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)并進(jìn)行放大后將聲音數(shù)據(jù)傳遞給主控制器單元，主控制器單元通過(guò)與基準(zhǔn)信號(hào)比較或讀取輸入狀態(tài)判斷聲音是否超過(guò)控制門(mén)限，主控制器單元根據(jù)設(shè)置條件控制機(jī)械手臂和車(chē)體運(yùn)動(dòng)的工作狀態(tài)；所述地面灰度傳感器嵌入到在機(jī)器人底盤(pán)，通過(guò)5組光敏二極管采集地面不同顏色的反射光并將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào)給主控制器單元，用于機(jī)器人行走軌跡任務(wù)的路線識(shí)別，主控制器單元通過(guò)計(jì)算和處理采集到的信號(hào)并根據(jù)設(shè)置條件控制機(jī)械手臂和車(chē)體運(yùn)動(dòng)的工作狀態(tài)；所述紅外傳感器安裝在機(jī)器人前端，所述主控制器單元控制紅外發(fā)射二極管發(fā)出38khz的紅外光源，當(dāng)前方有障礙物時(shí)，紅外傳感器內(nèi)的紅外接收二極管接收到返回的紅外光源，并輸出一個(gè)電平轉(zhuǎn)換信號(hào)給主控制器單元，主控制器單元根據(jù)設(shè)置條件控制機(jī)械手臂和車(chē)體運(yùn)動(dòng)的工作狀態(tài)；所述超聲波傳感器安裝在機(jī)器人前端，所述主控制器單元控制超聲波傳感器發(fā)出超聲波信號(hào)，當(dāng)前方有障礙物物時(shí)，超聲波傳感器收到超聲波返回信號(hào)，并產(chǎn)生一個(gè)電平信號(hào)給主控制器單元，主控制器單元根據(jù)超聲波傳感器產(chǎn)生的電平信號(hào)計(jì)算前方障礙物與機(jī)器人之間的距離，然后根據(jù)設(shè)置條件控制機(jī)械手臂和車(chē)體運(yùn)動(dòng)的工作狀態(tài)。

上述方案的優(yōu)選方案為：所述機(jī)械手臂控制單元包括支架和機(jī)械手臂，所述機(jī)械手臂包括第一舵機(jī)、連接支架、第二舵機(jī)和夾具；所述第一舵機(jī)安裝在支架上；所述第一舵機(jī)與第二舵機(jī)通過(guò)連接支架連接；所述第二舵機(jī)上連接有夾具，第一舵機(jī)用于控制機(jī)械手臂的翻轉(zhuǎn)角度，第二舵機(jī)用于控制機(jī)械手臂的張開(kāi)與合攏，進(jìn)行夾取物品或叉取物品。

上述方案的優(yōu)選方案為：所述車(chē)體運(yùn)動(dòng)控制單元包括車(chē)座、直流電機(jī)控制模塊、4個(gè)直流電機(jī)和4個(gè)車(chē)輪；所述車(chē)座上設(shè)置有4個(gè)直流電機(jī)和4個(gè)車(chē)輪；所述直流電機(jī)與車(chē)輪一一對(duì)應(yīng)連接，直流電機(jī)通過(guò)機(jī)械傳動(dòng)車(chē)輪，實(shí)現(xiàn)車(chē)輪的轉(zhuǎn)動(dòng)控制；所述直流電機(jī)控制模塊與直流電機(jī)連接；所述主控制器單元控制直流電機(jī)控制模塊實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制。

上述方案的優(yōu)選方案為：所述語(yǔ)音播放單元包括音頻解碼芯片、tf卡座、音頻放大器和揚(yáng)聲器；所述主控制器單元通過(guò)指令控制音頻解碼芯片的工作狀態(tài)；所述tf卡座連接到音頻解碼芯片，由音頻解碼芯片讀取tf卡中的音頻文件，通過(guò)音頻解碼后將信號(hào)給音頻放大器，聲音信號(hào)通過(guò)放大后推動(dòng)揚(yáng)聲器發(fā)出聲音。

上述方案的優(yōu)選方案為：所述擴(kuò)展應(yīng)用單元為用戶(hù)提供可編程的操作接口，用于用戶(hù)通過(guò)主控制器單元獲取外部設(shè)備數(shù)據(jù)或控制外部設(shè)備。

上述方案的優(yōu)選方案為：所述編程接口單元一端連接到主控制器單元，另外一端通過(guò)串口線纜連接到電腦，用于將用戶(hù)通過(guò)電腦編程的程序下載到機(jī)器人并運(yùn)行和驗(yàn)證程序正確性。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果：

1)操作簡(jiǎn)單，成本低，可很好普及到學(xué)校；

2)提供圖形化、c語(yǔ)言、匯編語(yǔ)言編程環(huán)境，方便用戶(hù)學(xué)習(xí)課程體系。

3)底層驅(qū)動(dòng)進(jìn)行模塊化封裝，用戶(hù)不需要了解嵌入式處理器底層代碼就可實(shí)現(xiàn)編程。

4)用戶(hù)可以任意操作主控制器單元，進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，自由擴(kuò)展外部設(shè)備，便于用戶(hù)的創(chuàng)新。

5)通過(guò)本機(jī)器人教學(xué)課程的開(kāi)展，可以使學(xué)生深入了解嵌入式處理器架構(gòu)，做到學(xué)以致用。

6)灰度傳感器嵌入到底盤(pán)中，5組地面灰度識(shí)別，可以很好識(shí)別線路和避開(kāi)障礙。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明一種可編程的教育機(jī)器人系統(tǒng)的示意圖；

圖2為本發(fā)明中機(jī)械手臂的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為本發(fā)明中車(chē)體的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4為本發(fā)明中機(jī)器人整機(jī)的示意圖。

圖中：1-電源管理單元，2-主控制器單元，3-語(yǔ)音播放單元，4-機(jī)械手臂控制單元，5-車(chē)體運(yùn)動(dòng)控制單元，6-指示燈，7-蜂鳴器，8-傳感器單元，9-編程接口單元，10-擴(kuò)展應(yīng)用單元，11-無(wú)線通信單元，41-支架，42-第一舵機(jī)，43-第二舵機(jī)，44-機(jī)械手臂，45-夾具，51-車(chē)座，52-車(chē)輪，53-直流電機(jī)，12-機(jī)器人車(chē)體。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式作進(jìn)一步說(shuō)明。在此需要說(shuō)明的是，對(duì)于這些實(shí)施方式的說(shuō)明用于幫助理解本發(fā)明，但并不構(gòu)成對(duì)本發(fā)明的限定。此外，下面所描述的本發(fā)明各個(gè)實(shí)施方式中所涉及的技術(shù)特征只要彼此之間未構(gòu)成沖突就可以相互組合。

如圖1、2、3、4所示,本實(shí)施例的一種可編程的教育機(jī)器人系統(tǒng)，包電源管理單元1、主控制器單元2、無(wú)線通信單元11、傳感器單元8、機(jī)械手臂控制單元4、車(chē)體運(yùn)動(dòng)控制單元5、語(yǔ)音播放單元3、擴(kuò)展應(yīng)用單元10、編程接口單元9、蜂鳴器7和指示燈6，電源管理單元1為主控制器單元2、無(wú)線通信單元11、傳感器單元8、機(jī)械手臂控制單元4、語(yǔ)音播放單元3、車(chē)體運(yùn)動(dòng)控制單元5、擴(kuò)展應(yīng)用單元10、編程接口單元9供電，主控制器單元2分別與無(wú)線通信單元11、傳感器單元8、機(jī)械手臂控制單元4、車(chē)體運(yùn)動(dòng)控制單元5、語(yǔ)音播放單元3、擴(kuò)展應(yīng)用單元10、編程接口單元9、蜂鳴器7和指示燈6進(jìn)行通訊連接。

其中，電源管理單元1包括為機(jī)器人整機(jī)供電的可充電鋰電池、第1級(jí)ldo和第2級(jí)ldo；可充電鋰電池為第1級(jí)ldo供電；第1級(jí)ldo將可充電鋰電池電壓轉(zhuǎn)換為5v直流電壓，為語(yǔ)音播放單元3、機(jī)械手臂控制單元4和第2級(jí)ldo供電；所述第2級(jí)ldo將第1級(jí)ldo輸出的電壓轉(zhuǎn)換為3.3v的直流電壓，為主控制器單元2、無(wú)線通信單元11、傳感器單元8、擴(kuò)展應(yīng)用單元10、編程接口單元9供電。

其中，主控制器單元2為32位armcortex-m3微處理器，用于所有外部及內(nèi)部信號(hào)的采集與處理、車(chē)體的運(yùn)動(dòng)控制和機(jī)械手臂的操控、通信指令的解析和處理。

其中，無(wú)線通信單元11包括無(wú)線手柄通信模塊、wifi通信模塊、無(wú)線手柄和無(wú)線wifi設(shè)備；主控制器單元2通過(guò)控制無(wú)線手柄通信模塊向無(wú)線手柄發(fā)出讀取按鍵值的請(qǐng)求指令，無(wú)線手柄根據(jù)請(qǐng)求返回按鍵值到無(wú)線手柄通信模塊，再由無(wú)線手柄通信模塊將按鍵值轉(zhuǎn)遞給主控制器單元2進(jìn)行數(shù)據(jù)處理；實(shí)現(xiàn)操作人員與機(jī)器人之間的控制通信，主控制器單元2通過(guò)wifi通信模塊與無(wú)線wifi設(shè)備與機(jī)器人之間的數(shù)據(jù)交換。

其中，傳感器單元8包括包含聲音傳感器、地面灰度傳感器、紅外傳感器和超聲波傳感器，用于完成周?chē)h(huán)境數(shù)據(jù)的識(shí)別和檢測(cè)；聲音傳感器是通過(guò)mic將機(jī)器人周邊噪聲和聲音信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)并進(jìn)行放大后將聲音數(shù)據(jù)傳遞給主控制器單元2，主控制器單元2通過(guò)與基準(zhǔn)信號(hào)比較或讀取輸入狀態(tài)判斷聲音是否超過(guò)控制門(mén)限，主控制器單元2根據(jù)設(shè)置條件控制機(jī)械手臂和車(chē)體運(yùn)動(dòng)的工作狀態(tài)；地面灰度傳感器嵌入到在機(jī)器人底盤(pán)，通過(guò)5組光敏二極管采集地面不同顏色的反射光并將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào)給主控制器單元2，用于機(jī)器人行走軌跡任務(wù)的路線識(shí)別，主控制器單元2通過(guò)計(jì)算和處理采集到的信號(hào)并根據(jù)設(shè)置條件控制機(jī)械手臂和車(chē)體運(yùn)動(dòng)的工作狀態(tài)；紅外傳感器安裝在機(jī)器人前端，主控制器單元2控制紅外發(fā)射二極管發(fā)出38khz的紅外光源，當(dāng)前方有障礙物時(shí)，紅外傳感器內(nèi)的紅外接收二極管接收到返回的紅外光源，并輸出一個(gè)電平轉(zhuǎn)換信號(hào)給主控制器單元2，主控制器單元2根據(jù)設(shè)置條件控制機(jī)械手臂和車(chē)體運(yùn)動(dòng)的工作狀態(tài)；超聲波傳感器安裝在機(jī)器人前端，主控制器單元2控制超聲波傳感器發(fā)出超聲波信號(hào)，當(dāng)前方有障礙物物時(shí)，超聲波傳感器收到超聲波返回信號(hào)，并產(chǎn)生一個(gè)電平信號(hào)給主控制器單元2，主控制器單元2根據(jù)超聲波傳感器產(chǎn)生的電平信號(hào)計(jì)算前方障礙物與機(jī)器人之間的距離，然后根據(jù)設(shè)置條件控制機(jī)械手臂和車(chē)體運(yùn)動(dòng)的工作狀態(tài)。

其中，機(jī)械手臂控制單元4包括固定支架41和機(jī)械手臂44，機(jī)械手臂44包括第一舵機(jī)42、連接支架46、第二舵機(jī)43和夾具45；第一舵機(jī)42安裝在固定支架41上；第一舵機(jī)41與第二舵機(jī)43通過(guò)連接支架46連接；第二舵機(jī)43上連接有夾具45，第一舵機(jī)用于控制機(jī)械手臂的翻轉(zhuǎn)角度，第二舵機(jī)用于控制機(jī)械手臂的張開(kāi)與合攏，進(jìn)行夾取物品或叉取物品。

其中，車(chē)體運(yùn)動(dòng)控制單元5包括車(chē)座51、直流電機(jī)控制模塊、4個(gè)直流電機(jī)53和4個(gè)車(chē)輪52；車(chē)座51上設(shè)置有4個(gè)直流電機(jī)53和4個(gè)車(chē)輪52；直流電機(jī)53與車(chē)輪52一一對(duì)應(yīng)連接，直流電機(jī)通過(guò)機(jī)械傳動(dòng)車(chē)輪，實(shí)現(xiàn)車(chē)輪的轉(zhuǎn)動(dòng)控制；所述直流電機(jī)控制模塊與直流電機(jī)連接；所述主控制器單元控制直流電機(jī)控制模塊實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制。

其中，語(yǔ)音播放單元3包括音頻解碼芯片、tf卡座、音頻放大器和揚(yáng)聲器；所述主控制器單元通過(guò)指令控制音頻解碼芯片的工作狀態(tài)；所述tf卡座連接到音頻解碼芯片，由音頻解碼芯片讀取tf卡中的音頻文件，通過(guò)音頻解碼后將信號(hào)給音頻放大器，聲音信號(hào)通過(guò)放大后推動(dòng)揚(yáng)聲器發(fā)出聲音。

其中，擴(kuò)展應(yīng)用單元10為用戶(hù)提供可編程的操作接口，用于用戶(hù)通過(guò)主控制器單元獲取外部設(shè)備數(shù)據(jù)或控制外部設(shè)備。

其中，編程接口單元9一端連接到主控制器單元，另外一端通過(guò)串口線纜連接到電腦，用于將用戶(hù)通過(guò)電腦編程的程序下載到機(jī)器人并運(yùn)行和驗(yàn)證程序正確性。

以上結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)施方式作了詳細(xì)說(shuō)明，但本發(fā)明不限于所描述的實(shí)施方式。對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員而言，在不脫離本發(fā)明原理和精神的情況下，對(duì)這些實(shí)施方式進(jìn)行多種變化、修改、替換和變型，仍落入本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。