一种教育机器人的制作方法

本发明涉及机器人领域，尤其是涉及一种教育机器人。

背景技术：

随着社会和科技的进步与发展，教育也逐渐趋于科技化，教育机器人就是一个典型的代表。教育机器人是专门开发的以激发学生学习兴趣、培养学生综合能力为目标的机器人成品、套装或散件。教育机器人对学生科学素养的培养和提高起到了积极的作用，并以其“玩中学”的特点深受青少年的喜爱，机器人走入学校和电脑普及校园一样，已经成为必定的趋势，机器人教育已经成为中小学教育领域的新课程。教育机器人未来将成为趋势，当今社会需要具有创新意识、有创造性思维的人才。

目前常见的教育机器人存在以下不足：一、工作与充电相分离的工作模式，即在工作中无法充电，或者在充电中无法工作；二、教育机器人的控制系统一般通过计算机软件平台来实现编程，对计算机软件平台依赖性高，从而导致编程的不便；三、教育机器人的功能单一、系统简单，无法满足儿童及少年的学习需求。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种教育机器人，具有能在充电中工作、通过触摸显示屏模块图形化编程的优点。

本发明解决上述技术问题采用的技术方案是：

一种教育机器人，包括硬件控制系统、安装在硬件控制系统中的软件系统，软件系统包括机器人编程软件，机器人编程软件算法包括以下步骤：s1、将数据库导入机器人编程软件；s2、对机器人编程软件并进行初始化；s3、进入多事件处理状态，发生任何事件时触发相应事件处理程序，不发生事件时维持目前状态。以上技术方案中，软件系统驱动硬件控制系统工作。进入机器人编程软件，经过3秒的软件欢迎页，然后自动进入初始界面，在初始界面将数据库导入机器人编程软件并对机器人编程软件进行初始化，初始化完成后机器人编程软件自动进入多事件处理状态。在机器人参加竞赛时，机器人编程软件旨在实现快速竞赛程序编写、调试、运行加载的功能，机器人编程软件采用模块化流程图模型，每一个模块完成一种特定的功能，即一个竞赛程序的基本单元，只要按程序编写的逻辑思路连接这些模块就可以快速有效地完成程序的编写。

作为优选，多事件包括退出事件，发生退出事件时触发退出事件处理程序并保存数据，然后退出机器人编程软件。以上技术方案中，触发退出事件处理程序时自动保存数据，降低了使用者忘记手动保存而导致编程无效的风险。

作为优选，多事件还包括功能事件，任一功能事件中均能进行退出事件。以上技术方案中，在机器人编程软件进行编程时，有时候只需在一个功能事件中进行编程或者修改参数，在任一功能事件中完成编程或参数修改时均能进行退出事件，大大地提高了编程效率。

作为优选，功能事件包括菜单事件、编辑事件、按钮事件、管理事件。以上技术方案中，发生菜单事件时机器人，机器人编程软件触发相对应的菜单事件处理程序，菜单事件体现在机器人编程软件中的菜单栏，通过选择菜单栏从而触发菜单事件处理程序。发生编辑事件时，机器人编程软件触发相对应的编辑事件处理程序，通过编辑事件可以在机器人编程软件中对教育机器人进行代码编程或代码修改操作。发生按钮事件时，机器人编程软件触发相对应的按钮事件处理程序，按钮事件体现在机器人编程软件中可点击的按钮事件标号，按钮事件标号包括新建文件、打开文件、保存、代码编辑、放大、缩小、编译下载、关闭系统，程序选择。发送管理事件时，机器人编程软件触发相对应的管理事件处理程序，管理事件体现在机器人编程软件中的编程管理界面，编程管理界面设有模块程序图标，模块程序图标与模块代码相对应，在编程管理界面对模块程序图标进行排序、增加、删减从而对机器人已有程序进行修改；编程管理界面还设有临时区界面，将常用的模块程序图标放入临时区界面可以极大地提高编程效率。

作为优选，如果s1、s2、s3步骤中任一步骤发生出错则关闭机器人编程软件。以上技术方案中，s1、s2、s3步骤中出错则自动关闭机器人编程软件，节省了出错等待时间，从而为机器人在竞赛过程中争取有效时间。

作为优选，软件系统还包括屏幕编程软件，屏幕编程软件算法包括以下步骤：q1、通过模块链选择待编程模块；q2、对于待编程模块进行编程；q3、完成编程并控制机器人进行相对应的动作。以上技术方案中，编程中的变量、常量、普通常见运算符、计算机数学基础、条件判断、循环、内置函数、封装好的api函数、自定义函数直接迁移到教育机器人屏幕编程软件，用于屏幕编程软件的自定义，从而实现教育机器人屏幕编程的功能。屏幕编程包括图形化编程，图形化编程能够吸引青少年以及儿童的使用教育机器人的学习兴趣，并使青少年及儿童在“玩中学，学中玩”编写出好玩能用的机器人程序。图形化编程还能锻炼青少年及儿童的逻辑思维能力。图形化编程还解决了现有教育机器人需要通过计算机软件平台才能实现编程的不足，从而减少来了教育机器人对外部计算机的依赖；通过图形化编程可以通过触摸显示屏方便地对教育机器人进行编程，大大地提升了编程效率。q1步骤中通过屏幕编程软件的内部代码链处理后选择待编程模块并对于待编程模块进行编程，内部代码链根据编程代码预设在屏幕编程软件中。

作为优选，软件系统还包括九宫竞赛系统管理软件，九宫竞赛系统管理软件算法包括以下步骤：p1、数据初始化；p2、进入多事件处理状态，发生任何事件时触发相应事件处理程序，不发生事件时维持目前状态；p3、相应事件处理完成后回到初始化状态；其中p2的多事件包括菜单事件、地图事件、按钮事件。发生菜单事件时，九宫竞赛系统管理软件触发相应菜单事件处理程序；发生地图事件时，九宫竞赛系统管理软件触发相应地图事件处理程序；发生按钮事件时，九宫竞赛系统管理软件触发相应按钮事件处理程序。

菜单事件包括用于新建不同大小规格场地地图的新建场地事件、用于从电子表格中导入参赛选手到九宫竞赛系统管理软件中的导入名单事件、用于将比赛成绩导出到外文件中的导出成绩事件、将外文件中的地图导入到九宫竞赛系统管理软件中导入地图事件、用于将编好的地图保存在外文件中的保存地图事件、用于打印参赛选手成绩的打印成绩事件、用于退出九宫竞赛系统管理软件的退出事件、用于将设计好的地图下载到九宫竞赛系统管理软件中并使九宫竞赛系统管理软件中脱机执行地图的下载场地实际；地图事件包括用于对子地图修改、管理的子地图修改事件、用于显示和修改子地图对应任务分值的单元任务分事件、用于选择是否累加分值的单元任务分获取与取消事件；按钮事件包括用于蓝牙连接到指定机器人的连接按钮事件、用于蓝牙启动指定机器人的启动按钮事件、用于断开所有连接的断开事件、用于当前选手成绩的打印成绩事件。

作为优选，硬件控制系统包括微处理器、与微处理器电连接的电源模块、与微处理器电连接的触摸显示模块、与微处理器电连接的电机驱动模块。以上技术方案中，对触摸显示模块进行触摸编程或通过机器人编程软件对教育机器人进行编程，并由微处理器控制电机驱动模块从而控制教育机器人运动，电源模块用于硬件控制系统供电。

作为优选，电压模块包括与微处理器电连接的电池、与电池电连接的充电电路路。以上技术方案中，电池用于对微处理器的供电，通过充电电路可以实现对电池循环充电，从而实现电池循环使用的功能，通过充电电路还可以实现教育机器人在充电过程中工作的功能。

作为优选，充电电路包括与电池电连接充电芯片、电阻r21、电阻r22、电阻r23、电容c22、电容c23、指示灯d4、指示灯d5，电阻r21一端与充电芯片电连接，电阻r21另一端接地；电阻r22一端与充电芯片电连接，电阻r22另一端与指示灯d4电连接；电阻r23一端与充电芯片电连接，电阻r23另一端与指示灯d5电连接；充电线路的电压输入端与5v电压电连接，5v电压还分别与指示灯d4、指示灯d5电连接；电容c22与5v电压并联连接，电容c22一端与充电芯片连接，电容c22另一端接地；电容c23与电池并联连接，电容c23一端与充电芯片电连接，电容c23另一端接地。以上技术方案中，充电电路包括与电池电连接的充电芯片，充电芯片还连接有用于指示充电状态的指示灯。充电芯片包括tp4056芯片，tp4056芯片的第一引脚temp、第二引脚prog、第三引脚gnd分别接地，第二引脚prog通过电阻r21接地，电阻r21一端与第二引脚prog连接，电阻r21另一端接地；tp4056芯片的第四引脚vcc与5v电压连接，第四引脚vcc还与稳压电容c22连接，第五引脚bat与电池连接，第五引脚bat还与稳压电容c23连接，稳压电容c22与稳压电容c23大小均为47μf，第六引脚stdby与指示灯d5连接，指示灯d5一端与第六引脚stdby连接，指示灯d5另一端与5v电压连接，指示灯d5与第六引脚stdby之间还设有电阻r23，第七引脚chrd与指示灯d4连接，指示灯d4一端与第六引脚stdby连接，指示灯d4另一端与5v电压连接，指示灯d4与第七引脚chrd之间设有电阻r22，第八引脚ce与5v电压连接。指示灯d4、指示灯d5均为发光二极管。

tp4056芯片的第二引脚temp连接的r21大小为1kω，从而充电电路与电池的充电电流可高达1000ma，从而能够稳定快速地对电池进行充电；第四引脚vcc的电压为内部电路的工作电源，当第四引脚vcc与第五引脚bat之间的电压差小于30mv，tp4056芯片进入低功耗的停机模式，此时第五引脚的电流小于2μa；第五引脚bat与电池连接，第五引脚bat为电池提供充电电流；第六引脚atdby为电池充电完成指示端，当电池充电完成时，第六引脚stdby被内部开关拉到低电平，表示充电完成，此时指示灯d5指示充电完成；第七引脚chrg为漏极开路输出的充电状态指示端，当tp4056对电池充电时，第七引脚chrg被内部开关拉到低电平，此时指示灯d4指示正在充电中；第八引脚ce为tp4056芯片的使能输入端并与5v电压连接。

作为优选，触摸显示屏模块包括与微处理器电连接的薄膜晶体管tft、分别与微处理器和薄膜晶体管tft电连接的触摸屏控制器。以上技术方案中，使用者在薄膜晶体管tft上触摸，薄膜晶体管tft接收触摸信号然后将触摸信号转换为相对应的电信号并将此电信号传送至微处理器，微处理器发出相对指令信号并控制系统作出相对动作，从而实现了本系统的触屏功能。

作为优选，微处理器包括嵌入式单片机芯片。以上技术方案中，本系统的嵌入式单片机芯片包括stm32f407芯片，stm32f407芯片具有32位高性能armcortex-m4处理器，其时钟频率高达168mhz，还具有丰富的外接引脚和io接口，十分符合用于作为本系统的微处理器。

本发明具有的有益效果是：

1、本发明的教育机器人的控制系统可以一边充电一边工作。

2、本发明的教育机器人的控制系统可以通过触摸显示屏进行编程，降低对外部计算机的依赖，大大地提升了编程效率。

附图说明

图1是本发明的机器人编程软件算法的流程示意图。

图2是本发明的屏幕编程软件算法的流程示意图。

图3是本发明的硬件控制系统的示意图。

图4是本发明的充电电路的电路示意图。

图5是本发明的微处理器的接口示意图。

图6是本发明的薄膜晶体管tft的接口示意图。

图7是本发明的触摸屏控制器的接口示意图。

图8是本发明的电机驱动芯片的接口示意图。

图9是本发明的辅助驱动芯片的接口示意图。

图10是本发明的声音接收模块的电路示意图。

图11是本发明的声音输出模块的电路示意图。

图12是本发明的电压控制模块的电路示意图。

图13是本发明的升压电路的电路示意图。

图14是本发明的蓝牙模块的电路示意图。

图15是转接板pj0的电路示意图。

图16是本发明的九宫竞赛系统管理软件算法的流程示意图。

图中：1、微处理器，2、电池，3、充电电路，4、薄膜晶体管tft，5、触摸屏控制器，6、电机驱动模块，61、电机驱动芯片，62、辅助驱动芯片，7、升压电路，8、输入输出接口，9、声音接收模块，10、声音输出模块，11、电压控制模块，12、蓝牙模块。

具体实施方式

以下结合附图和实施方式对本发明作进一步的说明。

实施例

如图1-16所示，本实施例的一种教育机器人，包括硬件控制系统、安装在硬件控制系统中的软件系统，软件系统包括机器人编程软件，机器人编程软件算法包括以下步骤：

s1、将数据库导入机器人编程软件；

s2、对机器人编程软件进行初始化；

s3、进入多事件处理状态，发生任何事件时触发相应事件处理程序，不发生事件时维持目前状态。

本实施例中，多事件包括退出事件，发生退出事件时触发退出事件处理程序并保存数据，然后退出机器人编程软件。

本实施例中，多事件还包括功能事件，任一功能事件中均能进行退出事件。

本实施例中，功能事件包括菜单事件、编辑事件、按钮事件、管理事件。

本实施例中，如果s1、s2、s3步骤中任一步骤发生出错则关闭机器人编程软件。

本实施例中，软件系统还包括屏幕编程软件，屏幕编程软件算法包括以下步骤：

q1、通过模块链选择待编程模块；

q2、对于待编程模块进行编程；

q3、完成编程并控制机器人进行相对应的动作。

本实施例中，软件系统还包括九宫竞赛系统管理软件，九宫竞赛系统管理软件算法包括以下步骤：p1、数据初始化；p2、进入多事件处理状态，发生任何事件时触发相应事件处理程序，不发生事件时维持目前状态；p3、相应事件处理完成后回到初始化状态；其中p2的多事件包括菜单事件、地图事件、按钮事件。发生菜单事件时，九宫竞赛系统管理软件触发相应菜单事件处理程序；发生地图事件时，九宫竞赛系统管理软件触发相应地图事件处理程序；发生按钮事件时，九宫竞赛系统管理软件触发相应按钮事件处理程序。

本实施例中，硬件控制系统包括微处理器1、与微处理器1电连接的电源模块、与微处理器1电连接的触摸显示模块、与微处理器1电连接的电机驱动模块6。

本实施例中，电源模块包括与微处理器1电连接的电池2、与电池2电连接的充电电路3。

本实施例中，充电电路3包括与电池2电连接充电芯片、电阻r21、电阻r22、电阻r23、电容c22、电容c23、指示灯d4、指示灯d5，电阻r21一端与充电芯片电连接，电阻r21另一端接地；电阻r22一端与充电芯片电连接，电阻r22另一端与指示灯d4电连接；电阻r23一端与充电芯片电连接，电阻r23另一端与指示灯d5电连接；充电线路的电压输入端与5v电压电连接，5v电压还分别与指示灯d4、指示灯d5电连接；电容c22与5v电压并联连接，电容c22一端与充电芯片连接，电容c22另一端接地；电容c23与电池2并联连接，电容c23一端与充电芯片电连接，电容c23另一端接地。

本实施例中，触摸显示屏模块包括与微处理器1电连接的薄膜晶体管tft4、分别与微处理器1和薄膜晶体管tft4电连接的触摸屏控制器5。触摸屏控制器5包括xpt2046芯片，xpt2046芯片的第一引脚vcc与3.3v电压连接，第二引脚x+、第三引脚y+、第四引脚x-、第五引脚y-分别与薄膜晶体管tft连接，第六引脚gnd接地，第十引脚vcc与3.3v电压连接，第十一引脚pen与微处理器的引脚连接，第十二引脚dout、第十四引脚din、第十五引脚cs、第十六引脚clk分别与微处理器的spi引脚连接。

xtp2046芯片的第十一引脚为接触中断引脚，当薄膜晶体管tft4没有被触摸时，xtp2046芯片的第十一引脚保持高电平，当薄膜晶体管tft4被触摸时，xtp2046的第十一引脚变为低电平，因此微处理器1通过检测xtp2046芯片的第十一引脚的高低电平就可以知道薄膜晶体管tft4是否有触摸事件发生。当薄膜晶体管tft4发生触摸事件时，微处理器1通过spi接口分别发送x坐标和y坐标的读取命令给xtp2046芯片，从而xtp2046芯片获取薄膜晶体管tft被触摸到的位置。

xtp2046芯片的第十一引脚pen、第十二引脚dout、第十四引脚din、第十五引脚cs、第十六引脚clk通过转接板pj0与微处理器1连接。转接板pj0使实际接线更加清晰有条理，降低了实际接线过程中出错的概率，并在检查线路过程中更加清晰方便。

薄膜晶体管tft4的第一引脚vcc与3.3v电压连接，第二引脚cs为片选信号接口并与微处理器1连接，第三引脚scl为时钟信号接口并与微处理器1连接，第四引脚sdi为数字串行接量输入接口并与微处理器1连接，第五引脚sdo为数字串行接量输出接口并与微处理器1连接，第六引脚reset为复位接口并与微处理器1连接，第七引脚a+接12v电压并用于供电，第八引脚k-接地，第九引脚rs为命令/数据选择接口并与微处理器1连接，第十引脚xr、第十一引脚yd，第十二引脚xl，第十三引脚yu分别与xtp2046芯片连接并实现通讯从而xtp2046芯片获取薄膜晶体管tft4的触摸信号，第十五引脚接地。薄膜晶体管tft通过转接板pj0与微处理器连接。

本实施例中，硬件控制系统还包括升压电路7，升压电路7包括升压芯片fp6293，升压芯片fp6293将电池输出电压升为12v并将12v用于薄膜晶体管tft4的供电作用。

本实施例中，电机驱动模块包括与微处理器1电连接的电机驱动芯片61。

本实施例中，电机驱动模块还包括辅助驱动芯片62，辅助驱动芯片62均与电机驱动芯片61和微处理器1连接。电机驱动芯片61包括tb6612芯片，tb6612芯片为双驱动芯片，可以控制两个电机。tb6612芯片的第一引脚和第二引脚均为a01接口并通过j4转接板与第一电机负极连接，第五引脚和第六引脚均为a02接口并通过j4转接板与第二电机负极连接，第十一引脚和第十二引脚均为b01接口并通过j4转接板与第一电机正极连接，第七引脚和第八引脚均为b02接口并通过j4转接板与第二电机正极连接；第三引脚、第四引脚、第九引脚、第十引脚均为pgnd并接地；第二十四引脚vma、第十二引脚vm2和第十三引脚vm3分别接5v电压并用于电机驱动的输入电压；第十四引脚pwmb、第二十三引脚pwma为控制信号输入端并与5v电压连接从而使控制信号处于常高电平状态，从而减少了微处理器1的接口引脚并减轻了微处理器1的工作量；第十七引脚bin1和第十八引脚bin2分别与辅助驱动芯片62和微处理器1连接，第二十一引脚ain1和第二十二引脚ain2分别与辅助驱动芯片62和微处理器1连接，ain1和ain2引脚用于控制第一电机的正反转，bin1和bin2引脚用于控制第二电机的正反转；第十八引脚gnd接地；第十九引脚stby与3.3v电压连接从而使得stby处于常高电平状态，从而减少了微处理器1的接口引脚并减轻了微处理器的工作量；第二十引脚vcc与5v电压连接。本发明包括两个tb6612芯片并控制四个电机，两个tb6612芯片分别通过转接座rp1、转接座rp2与辅助驱动芯片62和微处理器1连接。辅助驱动芯片62包括74hc244芯片。

本实施例中，硬件控制系统还包括输入输出模块，输入输出模块包括与微处理器1电连接的输入输出接口8。输入输出接口1具有复用功能，可以实现多种接口功能，输入输出接口8可以兼容模拟输入、数字输入、数字输出、pwm输出，输入输出接口8的复用功能通过与微处理器1电连接的引脚实现，微处理器1内部具有兼容模拟输入、数字输入、数字输出、pwm输出的功能，用户使用接口时，微处理器1先对用户程序进行状态分解，得到用户需要的接口状态，然后微处理器1将接口初始化为对应工作状态。

本实施例中，教育机器人的控制系统还包括分别与微处理器1电连接的声音接收模块9、声音输出模块10、电压控制模块11、蓝牙模块12。声音接收模块包括麦克风mic，麦克风mic一端接地，麦克风mic另一端与3.3v电压连接，3.3v电压与麦克风mic之间设有电阻r43，麦克风mic还与三极管q2连接，麦克风mic与三极管q2之间设有电容c25，电容c25具有既不影响交流信号的传输也不影响三极管q2的各个极的直流电的偏置的作用；三极管q2基极与麦克风mic连接，三极管q2基极通过r44还与3.3v电压连接，集电极分别与3.3v电压和微处理器连接，发射极接地，集电极与3.3v电压之间设有电阻r45。电阻r43、电阻r45大小均为10kω，电阻r44大小为100k欧姆。麦克风mic接收到声音信号并转化为电信号，此电信号经过三极管q2的放大作用并传送至微处理器，从而微处理器接收放大后的电信号并作出相对应的控制指令，从而实现了本系统的声控的功能。

声音输出模块包括播放器speaker，播放器speaker一端与5v电压连接，播放器speaker另一端与三极管q1连接，三极管q1的集电极与播放器speaker连接，三极管q1的基极与微处理器连接，三极管q1的发射极接地，基极与发射极之间设有电阻r36，电阻r36大小为10k。

电压控制模块包括电阻r46、与电阻r46连接的电阻r47，电阻r46的一端与电池连接，电阻r46另一端与电阻r47连接，电阻r47一端与电阻r46连接，电阻r47另一端接地，电阻r46与电阻r47分别与微处理器连接。

蓝牙模块包括与微处理器电连接的bluetooth芯片，bluetooth芯片还与用于指示系统是否开启蓝牙功能的发光二极管d6连接，当系统使用蓝牙功能时，发光二极管d6亮，当系统不使用蓝牙功能时，发光二极管d6不亮。bluetooth芯片还与晶闸管nf连接，晶闸管与微处理器连接，微处理器通过晶闸管nf控制bluetooth芯片的工作状态。

本实施例中，微处理器1包括嵌入式单片机芯片。

说明书附图中各个电路图中的接口处一一对应的标号表示电路接线连接。

说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。