教育机器人的制作方法

本发明涉及教具设备技术领域，具体而言，涉及一种教育机器人。

背景技术：

随着人工智能和工业化4.0的推进，作为人工智能的载体，工业化4.0的代表产品——机器人也在飞速的发展，因此有关机器人的教育也逐步开展到中小学阶段，大量的机器人教具面市，称之为教育机器人。这些教育机器人始于国外早期的创客作品，基本都是基于开源主控中心作为主控中心，配有几种常用传感器，这种类型的产品在社会上已经存在多年，虽然外形上有一些改进，但基本技术方案并没有改进。

一类产品是基于开源主控中心进行定制开发，在主控中心上会集成了其他芯片或电子元器件，最终形成非标准化的机器人主控中心，并基于这样的主控中心推出具有一定自主知识产权的教育机器人产品。这样的产品集成度高，产品几乎完全封装，只提供有限的接口供外连设备，配合自主研发的相关学习软件，具有容易学习，快速入门和使用的效果。该类型产品主要有以下几点缺点：1、对于开源的主控中心进行定制开发，导致主控中心不再适用免费开源的软件系统，因此大量的免费开源库文件不能被使用，无法进行深度研发，定制开发的主控中心仅支持定制研发的学习软件，虽然容易学习，适合快速入门，但是不能满足提升难度的学习需求；2、主控中心经过定制开发，会限制或弃用一些功能，这样尽管容易上手，但是适配的硬件也受限制，只能使用厂家定制的配套硬件，无法将第三方的、新型的硬件接入体系中，导致功能无法扩展，满足不了教育的需求；3、定制开发的主控中心一般属于公司专供，无法通过市场渠道购买到，导致在学校或培训机构学习后，买不到的主控中心而无法继续学习和使用；4、这种产品一般只具有一块主控中心，板载引脚有限，只能连接数量有限的外部设备，因此可扩展性和创新应用都会受限，不能满足机器人发展带来的学习的深度和广度的需求，这也是为什么多年来机器人教育依然停留在使用超声波测距、红外循线这些基础功能的主要原因。

另一类教育机器人则仿照创客设计的个人作品，采用的是开源主控中心、传感器、电机等主要零件是市场上能采购到电子元器件，不经过改装和定制，完全基于元器件出厂时的原生态。设计者会以定制的线路板、特定的装配框架作为平台去装配以上电子元器件，并通过杜邦线直接进行连接以形成教育用机器人。有时为了减少采用杜邦线连接，也可能会对一些传感器等电子元器件进行定制，如改为磁吸式，或者金手指方式。该类型产品主要有以下几点缺点：1、这种产品一般也只具有一块主控中心，板载引脚有限，同样只能连接为数不多的外部设备，因此可扩展性有限，学习的深度和广度、未来创新二次开发都受限；2、由于是创客类型作品，因此基本都是采用杜邦线进行引脚连接，这种连接无法达到焊接或全封装产品的牢靠程度，而且线缆多是裸露在外面，在调试过程中容易造成断开，影响学习，如果对杜邦线进行焊接则失去了灵活调整引脚的便利性；3、采用定制的线路板和特定的装配框架，电子元器件的安装位置都是固定的，调整安装位置，或者更换为其他电子元器件就可能无法安装，这种设计方案造成机器人教具功能固定，很难根据课程内容的调整进行相应电子元器件的增加和调整；4、由于需要使用杜邦线将多个电子元器件的金属引脚集中连接到主控中心或者扩展板的金属引脚上，尽管可能在主控中心或者扩展版上有标注，但由于金属引脚和线缆的样式都是一样的，大量的线缆混杂在一起，具有一定的连接组装难度，因此此类产品无法满足初级入门学习的需求，年龄较小或者较马虎的学生容易插错，并且不易排查错误，老师在授课时会在排查引脚连接上耽误大量时间；5、金属引脚都很纤细且都裸露在外，很容易被插歪或者在机器人运行过程中意外损毁，一旦金属引脚被损毁，很难用工具纠正，轻微的影响杜邦线连接，严重的会导致电子元器件报废。

总结来说，上述的两种类型的产品，在扩展性、灵活性以及示教的高效性方面很难兼容地满足教育机器人的需要，因此在一定程度上并不完全适合作为教育产品。

技术实现要素：

本发明的主要目的在于提供一种教育机器人，以解决现有技术中教育机器人在扩展性、灵活性以及示教的高效性方面很难兼容地满足教育机器人的需要的技术问题。

为了实现上述目的，本发明提供了一种教育机器人，包括：执行机构模块箱，包括第一主体和在第一主体上设置的驱动机构和位移机构，驱动机构用于驱动位移机构运动；控制模块箱，包括第二主体和设置在第二主体内的主控中心，第二主体可拆卸地与第一主体连接，主控中心与驱动机构电连接，用于控制驱动机构的运行；传感器模块箱，包括第三主体和设置在第三主体上的传感器，第三主体可拆卸地与第二主体连接或可拆卸地与第一主体连接，传感器与主控中心电连接，主控中心还用于接收传感器检测的信号。

在一个实施方式中，第一主体和第二主体之间通过第一接口组件电连接主控中心与驱动机构，和/或第二主体和第三主体和之间通过第二接口组件电连接主控中心与传感器。

在一个实施方式中，第一接口组件和/或第二接口组件为db型接口组件。

在一个实施方式中，教育机器人还包括电源模块，电源模块安装在第一主体或第二主体内。

在一个实施方式中，传感器至少包括以下之一：超声波传感器、巡线传感器、光敏传感器和红外测距传感器。

在一个实施方式中，传感器模块箱还包括设置在第三主体上的led灯和/或蜂鸣器。

在一个实施方式中，控制模块箱为多个，多个控制模块箱通过第三接口组件连接。

在一个实施方式中，位移机构包括安装在第一主体上的车轮或履带，驱动机构包括设置在第一主体内的电机和传动件，电机通过传动件驱动车轮或履带运动。

在一个实施方式中，执行机构模块箱还包括安装在第一主体上的抓取机构，驱动机构还与抓取机构驱动连接。

在一个实施方式中，教育机器人还包括显示模块箱，包括第四主体和设置在第四主体上的显示装置，显示装置与主控中心电连接，主控中心用于控制显示装置的显示。

在一个实施方式中，教育机器人还包括通信模块箱，包括第五主体和设置在第五主体上的通讯装置，通讯装置与主控中心电连接，通讯装置用于和控制主控中心传输数据。

在一个实施方式中，第一主体和/或第二主体和/或第三主体和/或第四主体和/或第五主体为箱体式结构。

应用本发明的技术方案，执行机构模块箱、控制模块箱以及传感器模块箱均可以提前准备为多种，在面对相对应的机器人学习时，直接选择相应的种类，再将执行机构模块箱、控制模块箱以及传感器模块三个部件组合在一起，就可以完成机器人的组装，省去了学生插接线的过程，也避免了插错线的可能性，让学生可以更专注于机器人编程控制知识的学习，保证机器人学习的深度。此外，由于传感器等部件避免了重复的插拔，也可以保证部件的寿命。另外一方面，由于实现机器人功能的模块箱是可以拆卸替换的，也可以让机器人的扩展性、灵活性得到保证，进而确保后续学习的深度。

除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1示出了根据本发明的教育机器人的实施例一的整体结构示意图；

图2示出了图1的教育机器人的实施例一的分解结构示意图；

图3示出了根据本发明的教育机器人的实施例二的整体结构示意图；

图4示出了根据本发明的教育机器人的实施例三的整体结构示意图；

图5示出了图4的教育机器人的实施例三的执行机构模块箱的结构示意图；

图6示出了根据本发明的教育机器人的实施例四的整体结构示意图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的术语在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

本发明的技术方案所创新设计的教育机器人解决现有技术中教育机器人在扩展性、灵活性以及示教的高效性方面很难兼容地满足教育机器人的需要的技术问题，想要保留现有两种教育机器人的优点，让教育机器人在扩展性、灵活性以及示教的高效性方面兼容地满足示教的需要。本发明所设计的教育机器人采用松耦合模块箱组装式结构，可以根据课程设置选择模块箱组装成适用的机器人教具用于教学，多模块箱提供更多学习内容和深度，松耦合模块箱不但可以快捷组装，且有利于二次研发和自由扩展。模块箱封装有效避免杜邦线缆裸露而导致意外断开，且保护金属引脚在运行过程不受碰撞降低意外损毁的可能性。模块箱封装有效的将连接线缆分散到每个模块箱中，细分线缆降低了插错的可能性。针对初级入门学习阶段，模块箱对于初学者而言即是“黑箱”，可以通过对模块箱的快速组装，不用调整内部的杜邦线缆即可形成入门学习用的机器人教具，且一次性可以完成多个部件的连接，配合自主定制研发的学习软件，满足快速入门，容易学习的需求。

具体的，如图1所示，在本发明的技术方案中，该教育机器人主要包括执行机构模块箱10、控制模块箱20和传感器模块箱30。执行机构模块箱10包括第一主体11和在第一主体11上设置的驱动机构和位移机构12，驱动机构用于驱动位移机构12运动，控制模块箱20包括第二主体和设置在第二主体内的主控中心，第二主体可拆卸地与第一主体11连接，主控中心与驱动机构电连接，用于控制驱动机构的运行；传感器模块箱30包括第三主体和设置在第三主体上的传感器，第三主体可拆卸地与第二主体连接或可拆卸地与第一主体11连接，传感器与主控中心电连接，主控中心还用于接收传感器检测的信号。

采用本发明的技术方案，执行机构模块箱10、控制模块箱20以及传感器模块箱30均可以提前准备为多种，在面对相对应的机器人学习时，直接选择相应的种类，再将执行机构模块箱10、控制模块箱20以及传感器模块三个部件组合在一起，就可以完成机器人的组装，省去了学生插接线的过程，也避免了插错线的可能性，让学生可以更专注于机器人编程控制知识的学习，保证机器人学习的深度。此外，由于传感器等部件避免了重复的插拔，也可以保证部件的寿命。另外一方面，由于实现机器人功能的模块箱是可以拆卸替换的，也可以让机器人的扩展性、灵活性得到保证，进而确保后续学习的深度。

上述的，传感器至少包括以下之一：超声波传感器、巡线传感器、光敏传感器和红外测距传感器。可选的，除此之外，选用其他的传感器也是可行的。更为优选的，传感器模块箱30还包括设置在第三主体上的led灯和/或蜂鸣器，以便于配合控制模块箱20做出发出指示信号。

优选的，在本发明的技术方案中，第一主体11和/或第二主体和/或第三主体为箱体式结构，以便于执行机构模块箱10、控制模块箱20以及传感器模块箱30进行组装进行物理连接。

作为一种优选的实施方式，在本发明的技术方案中，第一主体11和第二主体之间通过第一接口组件a电连接主控中心与驱动机构，和/或第二主体和第三主体和之间通过第二接口组件b电连接主控中心与传感器，通过第一接口组件a和第二接口组件b可以实现模块箱之间的快速电连接，在需要更换电子元器件或者调整连接引脚时，可以通过手工插接完成调整工作，方便快捷，操作难度小，避免因焊接造成不易扩展和不易更换的问题。作为一种可选的实施方式，第一接口组件a和/或第二接口组件b为db型接口组件。优选的，db型接口组件的接线柱为螺丝拧紧式而非焊接式，可以将杜邦线缆插入接线柱拧紧达到连接的目的。且杜邦线缆都内置于模块中，在运行过程中受模块外壳的保护，因此稳固程度可以满足作为教具的需要。这种接口可以快速插拔，能够一次性完成多个电子元器件的连接，形成模块与模块松耦合的连接模式，且db型接口组件具有防呆设计，可以有效防止错误连接。本发明技术方案使用杜邦线缆将电子元器件的引脚按照一定次序连接到db型接口组件一端的接线柱上db型接口组件另一端的接线柱到主控中心或者扩展板按照对应的次序采用杜邦线缆连接。db型接口组件在此起到桥梁作用，这样两端连接的线缆可以完全置于模块的保护壳中，避免线缆裸露在外，这样在使用时可以有效避免线缆意外脱落或者损伤折断。作为其他的可选的实施方式，db型接口组件亦可以采用其他的集成式接口连接件替代，只要是具有多排针或多层多排公母头方式的连接器均可使用。采用db型接口组件支持松耦合模式的快捷组装。基于这样造型设计，可以支持快速更换模块，支持第三方扩展模块，有利于创客在此基础上设计换装更新功能模块，使其具有很好的可扩展性，成为二次开发平台。

可选的，教育机器人还包括电源模块，电源模块安装在第一主体11或第二主体内。

优选的，在本发明的技术方案中，控制模块箱20为两个，两个控制模块箱20通过第三接口组件c连接。每个控制模块箱20既可以单独使用，也可以使用串行技术将两个控制模块箱20连接在一起使用。双控制模块箱20有效地解决了单一控制模块箱20引脚不够用的问题，可以连接更多的外设，扩展机器人功能，增加教学内容的深度和广度。控制模块箱20和与之相对应的电子元器件均采用公开发售的标准化电子元器件，尽量采用创客常用的开源电子元器件，不经过改装和定制，完全基于出厂时的原生态。采用原生态、开源的电子元器件教学，有利于学生在校学习后从市场上直接采购元器件，用于自己的创新研发，避免学后无器件可用的问题。双控制模块箱20亦可用于其他类型的控制模块箱20组成双控制模块箱20，只要该类型控制模块箱20支持以串行或者其他方式进行互联，相互之间能够通信，能够设置为主机从机即适用本设计方案。作为其他的可选的实施方式，双控制模块箱20设计方案亦可用多控制模块箱20替代，只要该类型控制模块箱20支持以串行或者其他方式进行互联，相互之间能够通信，能够设置为主机从机即适用本设计方案。发明所设计的教育机器人基于开源硬件，保留开源硬件的强大功能和学习便利性和扩展性，设计有双控制模块箱20，可以扩充连接更多的硬件，从而提高扩充性，为二次创新设计提供平台。可选的，第三接口组件c也为用db型接口组件。

作为一种可选的实施方式，如图2所示，位移机构12包括安装在第一主体11上的车轮，驱动机构包括设置在第一主体11内的电机和传动件，电机通过传动件驱动车轮运动。作为另一种可选的实施方式，如图5所示，位移机构12包括安装在第一主体11上的履带，驱动机构包括设置在第一主体11内的电机和传动件，电机通过传动件驱动履带运动。可选的，执行机构模块箱10还包括安装在第一主体11上的抓取机构，驱动机构还与抓取机构驱动连接。作为其他的可选的实施方式，抓取机构也可以用其他的动作机构来替代，位移机构12也可以选用其他的形式。

更为优选的，在本发明的技术方案中，教育机器人还包括显示模块箱40，包括第四主体和设置在第四主体上的显示装置，显示装置与主控中心电连接，主控中心用于控制显示装置的显示。

如图1和图2所示，更为优选的，教育机器人还包括通信模块箱50，包括第五主体和设置在第五主体上的通讯装置，通讯装置与主控中心电连接，通讯装置用于和控制主控中心传输数据。

具体的，图1和图2示出了本发明的教育机器人的实施例一，该实施例的教育机器人，采用了车轮式的位移机构12，并在第一主体11上搭载了两个串接的控制模块箱20。此外，在第一主体11上还搭载了传感器模块箱30、显示模块箱40以及通信模块箱50。实施例一的教育机器人，重点是教学传感器与履带式驱动模块相结合精确控制机器人的运动，单片机原理和数据总线相关知识。

图3示出了本发明的教育机器人的实施例二，该实施例的教育机器人，采用了车轮式的位移机构12，并在第一主体11上搭载了一个串接的控制模块箱20。此外，在第一主体11上还搭载了传感器模块箱30以及通信模块箱50。实施例二的教育机器人，用于进行轮式机器人移动原理和控制的教学，传感器的教学，以及利用传感器数据控制轮式底盘的运动。

图4示出了本发明的教育机器人的实施例三，该实施例的教育机器人，采用了履带式的位移机构12，并在第一主体11上搭载了两个串接的控制模块箱20。此外，在第一主体11上还搭载了传感器模块箱30、显示模块箱40以及通信模块箱50。实施例三的教育机器人，重点是教学传感器与履带式驱动模块相结合精确控制机器人的运动，单片机原理和数据总线相关知识。

图6示出了本发明的教育机器人的实施例四，该实施例的教育机器人，采用了履带式的位移机构12，并在第一主体11上搭载了一个串接的控制模块箱20。此外，在第一主体11上还搭载了传感器模块箱30以及通信模块箱50。实施例四的教育机器人，用于进行履带式机器人移动原理和控制的教学，机器人内部信息以及交互信息的显示教学，陀螺仪控制履带式机器人精确运动的教学。

以上四种形态的机器人其所支持的教学内容和深度超过市面上单一形态的教育机器人，每种形态的机器人各有侧重点，因此教学效果又如同单一形态的教育机器人一样简单明了。各功能模块之间通过db接口进行连接，易于插拔和更换，不受连接线缆的影响。此外，各功能模块的内部线缆采用防呆式接口和杜邦线缆进行非焊接式连接，有利于在学习掌握后进行拆除，重新连线改变机器人的功能，进行创新改造。本发明的产品易于扩展，更换功能模块就能更换学习内容，形成不同的机器人教学点，例如将传感器模块更换为机械爪模块。本发明的产品易易于改造升级，双主控中心更新或者升级为其他单片机或者更高级的单片机即可成为全新的教育机器人产品，满足开展其他单片机或者高阶机器人知识的学习。

本发明所设计的教育机器人方案提供自主研发的学习软件，配合机器人教具可以快速入门，实现常规方案一易于学习的效果，同时依然支持开源的编程软件，有利于使用开源库和接入新硬件。而且，本套引脚设计方案有效地避免引脚之间使用冲突的问题，且同时支持单主控中心和串行双主控中心，无须调整两个主控中心模块和配套模块内部的杜邦线缆连接。初学者无需调整引脚设置，可以以“黑箱”模式进行学习，有基础的人员则可以基于本引脚设计方案进行二次调整，以更换和扩展新的电子元器件，为机器人拓展新的应用和功能。在每个模块箱中按照系统功能设计安装有相应的电子元器件，传统设计方案会将电子元器件引脚与主控中心或者扩展板的相应引脚使用线缆连接。

由上述内容可知，本发明的技术方案具有以下效果：

1、针对初学者，通过松耦合模块组装即可快捷组成入门级机器人教具，配合自主定制研发的学习软件，初学者可以以“黑盒”的方式进行学习，满足快速入门，容易理解的需求，形成与技术方案一等同的适合初学者的有益效果。

2、随着课程设置和学习进度的推进，可以选择相应的机器人模块箱组装成具有不同功能的教具以满足需求。松耦合模块箱组装方式可以快捷的更换模块箱，通过模块箱的更换可以一次性完成多个电子元器件的更换，有效地减少采用杜邦线缆连接引脚的工作量，有效地减少甚至避免因引脚连接错误导致机器人教具无法运行，以及损伤金属引脚导致电子元器件报废。松耦合模块箱组装方式可以有效解决技术方案二中大量线缆混杂组装困难的问题，帮助教师和同学们注意力集中在知识的讲解和学习上，将因组装硬件造成的问题尽量排除。

3、采用松耦合模块箱设计方案，模块箱中的电子元器件均采用杜邦线缆进行连接，杜邦线缆都被收纳于模块箱的保护壳中，避免裸露在外，这样可以有效减少机器人运行过程中拉扯到杜邦线缆，避免造成线缆脱落、损伤甚至断裂的问题。

4、模块箱内使用杜邦线缆连接电子元器件的金属引脚与接线柱而不是通过焊接方式连接，有利于更换模块箱中的电子元器件或调整电子元器件所使用的引脚，降低更换的难度，不需要掌握焊接等技术。由于杜邦线缆是收纳于模块箱的保护壳中，其连接受保护，线缆本身的连接紧密程度满足教学的需要，不会意外脱落。

5、采用串行双主控中心设计，可以比单主控中心提供更多的引脚用以连接更多的电子元器件，从而比单主控中心机器人教具具有更多的教学知识点，更适合用作机器人教具，并具有更好的扩展性，也更适合做学习和创新的平台。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位（旋转90度或处于其他方位），并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制；方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。