專利名稱：可構(gòu)建寓教于樂型機器人的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種電子機械裝置，特別是用于家庭教育或娛樂的可構(gòu)建寓教于 樂型的機器人產(chǎn)品，尤其涉及一種通過模塊式電路板、機械結(jié)構(gòu)及外殼由孩子自行拼裝，可 通過手柄遙控或自動控制，具備自動感知家具、樓梯等障礙并避讓，在一定范圍內(nèi)跟隨移動 物體，室內(nèi)光線強度檢測、觸碰檢測、電量檢測、狀態(tài)提示、灰度識別、語音識別、錄音留言選 擇播放、音樂播放、定時提醒播放等功能，從而提高青少年動手能力，增強學習興趣以及了 解電子學、物理學、材料學、自動控制學、模糊邏輯學等多學科知識普及的可構(gòu)建寓教于樂 型機器人。
背景技術(shù)：
家庭教育是孩子成長過程中一個非常重要的環(huán)節(jié)。而目前，國內(nèi)市場上應用在家 庭教育領(lǐng)域的產(chǎn)品種類非常單一，而多以娛樂型的電子產(chǎn)品為主。用于娛樂的電子機械裝 置均用簡單的模擬電路或者簡單的單片機實現(xiàn)，只能實現(xiàn)某些簡單的機械動作或者固定的 外界刺激下表現(xiàn)出某些預設(shè)的動作，基本上不具備智能活動，用戶無法對其應激性行為進 行可編程設(shè)定；國外的某些智能產(chǎn)品的價格又十分昂貴，抑制了孩子們的購買欲。國內(nèi)家庭 教育類的電子產(chǎn)品中，通過娛樂啟發(fā)教育，集教育和娛樂于一身的智能機器人十分缺乏，青 少年很難找到一套良好的啟蒙教育套件，能對電子學、物理學、材料學、計算機應用、自動控 制等學科知識有一定的了解和認識。
發(fā)明內(nèi)容本實用新型的目的是提供一種可廣泛應用于教學、科研、家庭教育以及娛樂等方 面，有效提高青少年學習興趣的可構(gòu)建寓教于樂型機器人，該機器人的電路板模塊化拼裝 設(shè)計便于青少年學習和理解電路工作原理，做到將理論知識與科學實踐相結(jié)合?？蓸?gòu)建寓 教于樂型機器人能仿真生物的應激性，具有一定的智能，并可以讓用戶自行調(diào)整參數(shù)，全部 電子機械裝置及外殼由用戶自行拼裝。本實用新型可構(gòu)建寓教于樂型機器人是由機身殼 體、手柄殼體以及機身與手柄內(nèi)部的控制電路構(gòu)成，機身殼體頭部有一對帶發(fā)光LED燈的 眼睛，頭部有旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)；胸前有液晶顯示屏和機器人電源開關(guān)，腹部有用于錄音的麥克風小 孔和一個用于播放聲音的揚聲器；身體前部左右兩側(cè)分別各有一對用于障礙物檢測的圓 形凸起，里面設(shè)置有超聲波元件；身體中后部左右兩側(cè)分別各有一個用于檢測光線的橢圓 形凸起，里面設(shè)置有光敏元件；身體底部前后有一圈防撞杠作為保護，其中后部的防撞杠內(nèi) 嵌一個觸碰式開關(guān)；底盤有對稱嵌在左右兩側(cè)的兩個輪子，前部還安裝一個小型的、可以作 360度旋轉(zhuǎn)的萬向轉(zhuǎn)動輪；機身控制電路由控制主芯片及其外圍電路模塊發(fā)光電路、發(fā)聲 電路、障礙物檢測電路、光線檢測電路、碰撞檢測電路、灰度檢測電路、電機驅(qū)動電路、計算 機接口電路構(gòu)成，發(fā)光電路連接發(fā)光LED9燈，發(fā)聲電路連接揚聲器，障礙物檢測電路連接 身體前部兩側(cè)的超聲波元件，光線檢測電路連接身體中后部兩側(cè)的光敏元件，碰撞檢測電 路連接身體后部防撞杠內(nèi)的觸碰開關(guān)，灰度檢測電路連接身體底部的灰度元件，電機驅(qū)動電路與輪子電機連接，計算機接口電路與身體后部USB 口連接；手柄殼體上蓋上部有一個 液晶顯示屏，顯示屏左右兩側(cè)對稱分布了功能操作輸入鍵盤，設(shè)有菜單方向、確認、退出及 機器人方向移動，設(shè)有左電機前進、后退，右電機前進、后退按鍵，以及照明、功能切換按鍵， 電性連接該手柄主控芯片，上蓋下部中間是開關(guān)機按鍵，按鍵左側(cè)是用于操控機器人移動 方向的搖桿，按鍵右側(cè)是用于設(shè)置機器人移動速度的滑動桿，手柄殼體頂部有計算機接口， 底部有一個麥克風小孔，里面設(shè)置有用于語音識別的麥克風。手柄殼體下蓋分為主殼體與 左右電池蓋殼體三部分，前部左右各分布一對由用戶預設(shè)的功能按鍵，下蓋中上部的圓形 點陣是手柄用于發(fā)聲的揚聲器，手柄控制電路由控制主芯片及其外圍電路模塊射頻通信 電路、語音識別電路構(gòu)成，射頻通信電路內(nèi)置發(fā)射接收天線，語音識別電路連接手柄底部的 麥克風，可擦寫語音識別芯片用于識別語音指令?？蓸?gòu)建寓教于樂型機器人的機身殼體后 部防撞杠有彈性裝置設(shè)計，可用于檢測碰撞和觸摸的觸碰開關(guān)?？蓸?gòu)建寓教于樂型機器人 的底盤有電池盒以及兩個驅(qū)動輪。控制電路板及模塊化功能電路板裝置在底盤內(nèi)部?？蓸?gòu) 建寓教于樂型機器人機身可以通過USB 口或射頻通訊口，把用戶設(shè)定的程序下載到該機器 人機身內(nèi)的控制主芯片上，從而令機器人具有類似智能生物的應激性，檢測部件被觸發(fā)時 產(chǎn)生相應的應激動作，如前進、后退、轉(zhuǎn)彎、原地旋轉(zhuǎn)、發(fā)聲、閃燈等功能，形成一個復雜而完 善的智能系統(tǒng)；可構(gòu)建寓教于樂型機器人也可以通過遙控手柄分別調(diào)取單個檢測部件功能 模塊，并觸發(fā)其相應的應激動作，以達到教育的目的。 本實用新型可構(gòu)建寓教于樂型機器人采用ARM處理器作為控制主芯片，一方面適 合對計算機應用、自動控制等進行啟蒙教育，便于深入淺出地對相關(guān)概念進行解釋，讓使用 者對機器人有感性和理性的了解和認識。另一方面，該可構(gòu)建寓教于樂型機器人能仿真生 物的應激性，具有一定的智能，并且可由用戶自行調(diào)整參數(shù)、設(shè)定操作流程，全部電子機械 裝置及外殼由用戶自行拼裝，增加趣味性，寓教于樂。

圖15為可構(gòu)建寓教于樂型機器人機身與手柄控制電路的通信電路圖。圖16為可構(gòu)建寓教于樂型機器人手柄控制電路的語音識別電路圖。圖17為可構(gòu)建寓教于樂型機器人機身與手柄組合的一個實施例的示意圖。
具體實施方式
圖1、2中，機身殼體由一系列的外殼組件拼裝而成，外殼使用ABS塑料，頭頂部有 擴展接口裝置設(shè)計7，用于安裝外置SD存儲設(shè)備，頭前部有一對帶發(fā)光LED燈的眼睛6，可 以獨立控制亮和滅，頭部有旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)15;胸前有液晶顯示屏4，可以顯示工作狀態(tài)及參數(shù)， 以及機器人電源開關(guān)3，方便用戶操作，腹部有用于錄音的麥克風小孔2和一個用于播放聲 音的揚聲器1，身體前部左右兩側(cè)分別各有一對用于障礙物檢測的圓形凸起5，里面設(shè)置有 超聲波元件，身體中后部左右兩側(cè)分別各有一個用于檢測光線的橢圓形凸起8，里面設(shè)置有 光敏元件，計算機接口電路與身體后部USB 口連接10，身體底部前后有一圈防撞杠作為保 護，其中后部的防撞杠內(nèi)嵌一個觸碰式開關(guān)11 ；底盤有對稱嵌在左右兩側(cè)的兩個輪子9，前 部還安裝一個小型的、可以作360度旋轉(zhuǎn)的萬向轉(zhuǎn)動輪12，底盤前輪的后面是灰度傳感元 件13，在機器人移動過程中可以檢測地面灰度的區(qū)別，底盤中間是電池盒14，可使用充電 電池或普通堿性電池為機器人提供能量。圖3、4中，手柄殼體由一系列的外殼組件拼裝而成，外殼使用ABS塑料，手柄殼體 上蓋上部有一個液晶顯示屏2，顯示屏左右兩側(cè)對稱分布了功能操作輸入鍵盤3及機器人 方向移動按鍵4，上蓋下部中間是開關(guān)機按鍵7，按鍵左側(cè)是用于操控機器人移動方向的搖 桿5，按鍵右側(cè)是用于設(shè)置機器人移動速度的滑動桿6，手柄殼體頂部有計算機接口 1，底部 有一個麥克風小孔8，里面設(shè)置有用于語音識別的麥克風；手柄殼體下蓋分為主殼體與左 右電池蓋殼體11三部分，前部左右各分布一對由用戶預設(shè)的功能按鍵9，下蓋中上部的圓 形點陣是手柄用于發(fā)聲的揚聲器10。圖5中，主控電路由主控芯片和外圍電路構(gòu)成，主控芯片采用ARM處理器，通過標 準I/O接口、AD轉(zhuǎn)換接口、SPI數(shù)據(jù)通信接口等采集機身外圍傳感器的數(shù)據(jù)，處理器內(nèi)核進 行處理，并產(chǎn)生相應的反饋，如前進、后退、身體轉(zhuǎn)動、頭部轉(zhuǎn)動、眼睛閃爍、發(fā)音等，綜合這 些動作，機器人更可以展現(xiàn)出擬人化的躲避障礙物、尋找光源等功能。另外產(chǎn)品配備PC端 圖形化軟件編程平臺，用戶可自行編制機器人的行為，通過USB接口下載至機身，使用戶在 體驗機器人樂趣的同時，可以學習到各種傳感器的工作原理以及編程規(guī)范、技巧，起到寓教 于樂的作用。圖6中，發(fā)光裝置由3個三極管和6個發(fā)光LED組成，Ql控制白色LED D3、D4、D5、 D6，Q2控制紅色LED D2，Q3控制藍色LED Dl，處理器的I/O驅(qū)動三極管的開關(guān)，來控制LED 的開關(guān)，同時增大了驅(qū)動能力。整個機器人含兩個發(fā)光裝置，并可以獨立控制。圖7A中，整個機身含兩路障礙檢測發(fā)射裝置，并可以獨立控制，每一路都由升壓 電路和發(fā)射頭構(gòu)成，處理器輸出固定頻率的PWM波，經(jīng)升壓后驅(qū)動發(fā)射頭發(fā)射信號到待檢 測的物體表面。圖7B中，整個機身含兩路障礙檢測接收裝置，并可以獨立控制，每一路都由一個 運算放大器將接收到的反射信號進行放大，放到后的信號送到U5進行比較，以確定該路是 否檢測到物體，比較的結(jié)果送到處理器處理，并可根據(jù)與發(fā)射檢測信號時的時間進行比較，結(jié)合信號傳播速度計算待檢測物體距機器人本身的距離。圖8中，光線檢測裝置由兩個光敏電阻Rsl和Rs2組成和對應的分壓電阻R2和R3 組成，在光線發(fā)生變化的時候，Rsl和Rs2的阻值會發(fā)生變化，進而分到Rsl和Rs2的電壓 也會跟隨變化，處理器通過檢測光敏電阻的電壓值，來確定外界光線的強度。圖9中，灰度檢測裝置由發(fā)光LED DlO及其限流電阻R3和光敏IC Q3及其采樣電 阻R4組成，DlO發(fā)出固定強度的光線，通過不同物體表面反射到Q3，驅(qū)動Q3輸出相應的電 流，使R4兩端產(chǎn)生一定的電壓變化，處理器通過采集R4兩端的電壓以確定物體表面的灰 度。圖10中，電量檢測裝置由電阻Rl和R2組成，隨著電壓的變化，R2兩端的電壓會 同時變化，處理器通過檢測R2兩端的電壓值確定當前系統(tǒng)的電壓值。圖11中，觸碰檢測裝置由一個觸碰開關(guān)及其上拉電阻組成，當機器人的尾部碰到 障礙物的時候，觸碰開關(guān)會閉合，輸出端會產(chǎn)生一個電平變化，處理器一旦檢測到這種變 化，立刻做出停止電機等保護動作。圖12中，聲音處理裝置由一個音頻處理芯片及其外圍電路組成，可以播放MP3、 WMA, WAV、MIDI格式的音頻，音頻信號可經(jīng)過Ml接口輸出到耳機或有源音箱。圖13中，馬達驅(qū)動裝置由驅(qū)動芯片和保護電路組成，驅(qū)動芯片可同時分別控制兩 路電機的轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)向，使機器人能自由運動，保護電路中，F(xiàn)USEl和FUSE2的作用是限制驅(qū) 動芯片輸出的電流，保證電機不被大電流燒毀，D1-D8的作用是驅(qū)動芯片輸出開關(guān)切換時為 電機提供續(xù)流的通路。圖14中，存儲裝置由一片8Mbit的串行flash芯片組成，通過SPI接口與處理器 交換數(shù)據(jù)。圖15中，通信裝置由機身部分和手柄部分組成，兩部分結(jié)構(gòu)相同，均用一種射頻 芯片及其外圍電路組成物理層接口電路，軟件上編寫固定的協(xié)議棧完成無線數(shù)據(jù)通信，實 現(xiàn)機身和手柄的相互控制和數(shù)據(jù)傳輸，并結(jié)合固定的跳頻算法防止干擾。圖16中，語音識別裝置由特定人語音識別芯片及其外圍電路組成，通過特定的開 發(fā)平臺可完成訓練、識別、語音提示等功能。圖17中，是機器人機身與手柄遙控組合的一個實施例的示意圖。
權(quán)利要求1.一種可構(gòu)建寓教于樂型機器人，由殼體和控制電路構(gòu)成，其特征在于殼體分為機 身殼體和手柄殼體兩大部分，分別由一系列的外殼組件拼裝而成；機身殼體頭部有一對帶 發(fā)光LED燈的眼睛，頭部有旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)；胸前有液晶顯示屏和機器人電源開關(guān)，腹部有用于錄 音的麥克風小孔和一個用于播放聲音的揚聲器；身體前部左右兩側(cè)分別各有一對用于障礙 物檢測的圓形凸起，里面設(shè)置有超聲波元件；身體中后部左右兩側(cè)分別各有一個用于檢測 光線的橢圓形凸起，里面設(shè)置有光敏元件；身體底部前后有一圈防撞杠作為保護，其中后部 的防撞杠內(nèi)嵌一個觸碰式開關(guān)；底盤有對稱嵌在左右兩側(cè)的兩個輪子，前部還安裝一個小 型的、可以作360度旋轉(zhuǎn)的萬向轉(zhuǎn)動輪；機身控制電路由控制主芯片及其外圍電路模塊發(fā) 光電路、發(fā)聲電路、障礙物檢測電路、光線檢測電路、碰撞檢測電路、灰度檢測電路、電機驅(qū) 動電路、計算機接口電路構(gòu)成，發(fā)光電路連接發(fā)光LED燈，發(fā)聲電路連接揚聲器，障礙物檢 測電路連接身體前部兩側(cè)的超聲波元件，光線檢測電路連接身體中后部兩側(cè)的光敏元件， 碰撞檢測電路連接身體后部防撞杠內(nèi)的觸碰開關(guān)，灰度檢測電路連接身體底部的灰度元 件，電機驅(qū)動電路與輪子電機連接，計算機接口電路與身體后部USB 口連接；手柄殼體上蓋 上部有一個液晶顯示屏，顯示屏左右兩側(cè)對稱分布了功能操作輸入鍵盤及機器人方向移動 按鍵，上蓋下部中間是開關(guān)機按鍵，按鍵左側(cè)是用于操控機器人移動方向的搖桿，按鍵右側(cè) 是用于設(shè)置機器人移動速度的滑動桿，手柄殼體頂部有計算機接口，底部有一個麥克風小 孔，里面設(shè)置有用于語音識別的麥克風；手柄殼體下蓋分為主殼體與左右電池蓋殼體三部 分，控制電路由控制主芯片及其外圍電路模塊射頻通信電路、語音識別電路構(gòu)成，射頻通 信電路內(nèi)置發(fā)射接受天線，語音識別電路連接手柄底部的麥克風。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可構(gòu)建寓教于樂型機器人，其特征在于機身控制主芯片上 設(shè)置有可把用戶設(shè)定的程序下載到該可構(gòu)建寓教于樂型機器人的USB 口或射頻通訊口。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可構(gòu)建寓教于樂型機器人，其特征在于機身殼體后防撞杠 有彈性裝置設(shè)計，可用于檢測碰撞和觸摸的觸碰開關(guān)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可構(gòu)建寓教于樂型機器人，其特征在于機身殼體頭頂部有 擴展接口裝置設(shè)計，用于安裝外置SD存儲設(shè)備。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可構(gòu)建寓教于樂型機器人，其特征在于該機器人的遙控手 柄功能操作輸入鍵盤設(shè)有菜單方向、確認、退出、左電機前進、后退，右電機前進、后退，照 明、功能切換、用戶預設(shè)按鍵，電性連接該手柄主控芯片、可擦寫語音識別芯片。
專利摘要本實用新型涉及一種模塊化電子機械裝置，特別是用于家庭教育或娛樂的可構(gòu)建寓于樂型機器人。通過功能豐富的外圍電路、精巧的機械結(jié)構(gòu)及遙控手柄，實現(xiàn)前進、后退、轉(zhuǎn)彎、原地旋轉(zhuǎn)、閃燈等功能。該機器人還具備自動感知家具、樓梯等障礙并避讓，在一定范圍內(nèi)跟隨物體移動，光線檢測、觸碰檢測、電量檢測、灰度識別、語音識別、音樂播放、定時提醒等功能。用戶對其應激性行為進行可編程設(shè)定，機器人會根據(jù)實時檢測結(jié)果來運行用戶設(shè)定的活動，實現(xiàn)交互式操作，令裝置更具智能化。該機器人由用戶自行拼裝模塊式電路板及外殼，可廣泛應用于教學、科研、家庭教育及娛樂等方面，有效提高青少年學習興趣，便于學習和理解電子機械工作原理。
文檔編號G09B5/00GK201820390SQ20102014025
公開日2011年5月4日 申請日期2010年3月25日 優(yōu)先權(quán)日2010年3月25日
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