专利名称：一种智能化的带教育和益智功能的机器人平台的制作方法
技术领域：
本申请设涉及机器人技术领域，具体涉及一种具有很强扩展性的、智能化 的、带教育和益智功能的机器人平台。
肖胃絲
随着科学技术的飞速发展，智能机器人必将作为一种新型的教学工具和载 体进入学校和益智玩具市场，但由于目前此类型机器人起步较晚，在应用上存 在很多缺陷。
首先，功能固化，大部分智能机器人在出厂之前其机械、电子、程序等都 已经确定了，使用者无法做进一步的更改，因此无法完成复杂的教学任务。
其次，对于需要编程的机器人，编程方式基本是基于代码的，例如C、 C + + 、 BASIC等，需要使用者至少掌握一门高级语言；再次，入门门槛高，必须 具深厚的电子电工基础和机械操作能力；最后，由于机器人保护措施和可维护 性能差，加上学生学习过程中有一定的破坏作用，造成机器人稳定性差，容易 损坏等现象。上述原因，严重阻碍了智能机器人的在教学过程中的普及，尤其 是在中小学中的普及。
实用新型内容
本申请旨在克服现有技术的上述缺陷，提供一套先进的智能机器人教学平 台。本申请的技术方案增强了扩展性，克服了传统机器人功能固化的缺陷，同 时提高机器人的可维护性和稳定性，从而提高机器人在教学应用中的普及性。
该机器人教学平台其采用模块化、可重构设计理念，从而能够让学生最广 泛地了解机器人的原理和技术现状，并可激发学生的学习热情，因此可以广泛 使用于大学和中学的教学活动中。它可以让学生获得各方面的知识，包括电子、 机械、自动控制、检测传感、计算机等知识、它可以让学生亲自动手动脑，激 发对高科技的兴趣，进行系列创新实践；它可以完成包括机构设计及制作、机 器人组装、电子设计、控制等实验，培养学生的动手能力和创新能力。本技术 还可以用于高端智能玩具的开发或宠物机器人、娱乐机器人的开发。
本技术采用单片机作为信息处理的核心，使用PC机作为开发工具，利用
各种外围板卡和机械结构用来构成各种智能机器人系统，具备很强的可重构 性。
该平台具备以下特点
电子开放性好该机器人采用扩展槽结构设计，扩展槽资源丰富，每个扩
展槽都有一个8bit并口、 一个SPI 口、 一个SCI 口(即UART)、 2个输出握手信 号线、2个输入握手信号线、2个地址线、l个复位信号线。可以非常方便兼容 本公司提供和第三方厂家提供的电子模块，也方便用户自己制作各种电子模 块。
机械开放性好该机器人具备多种机械接口，可以方便兼容市面上销售的
机器人机械模块，也可以很方便的兼容用户自己制作的模块。
扩展功能强大每个机器人拥有5个扩展槽接口， IO个传感器接口，多个
机械配件接口。
主板模块化设计在机器人功能上分为五大模块，即背板模块、通讯管理 模块模块、控制模块、下载模块、电源模块，这种模块化设计，使用机器人稳 定性能大大提高，让维护人员可以进行模块化维护和模块化维修。
根据本申请的一种典型机器人平台，包括底盘和主板，其中主板由背板、单
片机模块、通讯管理模块、下载模块、电源模块等组成，每个模块按插拔结构 设计，在主板上设置有用于安装不同功能的功能卡的扩展槽，用于连接到不同 的传感器的传感器接口。同时，在底盘上设置多种机械挂件接口以挂接不同的 机械挂件。
图1是根据本申请的机器人的主板结构图。
图2和图3是根据本申请的主板示意图。
图4是根据本申请的机器人采用的传感器支架。
图5是根据本申请的机器人背板的正面和反面视图。
图6是根据本申请的用于封装已安装了各种模块的主板的盒子的示例图。
图7是根据本申请的机器人的示例效果图。
具体实施方式
机器人由主板和底板构成。机器人内部通过FLASH存储器固化一个操作系 统，该操作系统由汇编语言编写，负责引导用户程序的下载，并对用户程序进 行管理。在一个实施例中，在机器人的主板上设置有USB端口，通过USB端 口可以将编译好的文件烧写到机器人的FLASH中去。
主板结构
如图1一3中所示，本申请的机器人主板由背板模块、单片机模块201、通 讯管理模块202、下载模块203、电源模块204等组成，每个模块按插拔结构 设计。机器人还包括多个扩展槽和接口 ，扩展卡或传感器的传输信号通过CPLD 缓冲变换，输入到MCU进行分析处理，最后转化成一定的执行信号控制执行 机构动作。各模块的功能如下
背板模块背板模块是负责联络主板各模块间的信号连接，类似PC机器的 主板，将其他模块联系成一个整体。另外背板上设计有蜂鸣器，可以使机器人 发出声音。背板上还具舵备伺服机接口、左右伺服电机接口、主电源接口、扩 展电源接口、主板通讯接口，及5个模拟传感器接口和5个数字传感器接口， 5个扩展槽接口等。
单片机模块单片机模块是整个机器人的"大脑"，所有数据都将传送给 它处理，并且它还担任了存储器的工作，本智能机器人采用了MC68HC908AP64 型单片机。该单片机是Motorola公司生产的高性能CMOS单片机MC68HC08 系列的一种型号。它的CPU为8位，最高工作频率为32MHz，具有一百多条 指令，包括乘法、除法和各种位操作指令。它具有2KB RAM和62KB FLASH ROM,有两个各具备两路输入输出的16位定时器，32位输入输出接口 (即I/O 接口) ， 8路10位模拟数字转换接口 (即AD转换)，该单片机通讯功能强大， 扩展槽上的各种信号最终传输到这里进行处理。
下载模块通讯下载模块是用来连接计算机和单片机之间通信的。作用是将 編写好的程序下载到单片机里，该模块嵌入了一套USB通讯协议和程序下载协 议。
通讯管理模块通讯管理模块负责对安装在扩展槽上的模块进行管理。利用 高度集成的可编程逻辑元件对MCU进行扩展。该芯片使用流程图、VHDL语 言以及VerilogHDL语言混合幵发。其内部嵌入了和MCU的通讯协议，该模 块负责产生扩展槽地址总线和控制总线信号，为扩展槽产生8路地址信号，8 路输入握手信号，8路输出握手信号，另外该模块还集成了两个加减计数器、
两路速度传感器、5路数字输入信号、4路电机控制信号等。提供了多达5个 模拟采集端口和5个数字采集端口，如果使用模拟端口扩展卡，每张卡可提供 另外多达8个传感器输入端口。
扩展槽及其接口为使用该机器人重构灵活，主板使用了四个通用型扩展 槽，和一个IIC通讯扩展槽，这样处理的结果是，每个机器人主板至少可以加 载4个扩展卡，和若干个IIC扩展设备，如此众多的扩展槽为用户重构机器人 提供了足够的空间，所以该机器人具备非常高的柔性，可以根据需要完成的任 务随时自由组装。
为了提高扩展槽的对外兼容能力，每个扩展槽都拥有多种通讯方式，包括 8bit并口通讯，SPI通讯，SCI通讯，每个扩展槽都带有两个输入输出地址信号 线，两路输出握手信号线，两路输入握手信号线， 一个模拟输入。这就意味着， 通过该扩展槽可以轻易地扩展基于SPI通讯地设备、基于8bit并口通讯的设备、 基于SCI通讯的设备。
主板上具备一个IIC通讯接口，该接口可以扩展128个基于IIC通讯的扩 展设备。
机器人拥有自主研发的丰富的配件库，包括扩展卡库、传感器库、机械配 件库、软件库，扩展卡库包括MP3扩展卡、数字指南针扩展卡、电机控制卡、 伺服电机卡、警报卡、PID控制卡、GPRS通讯卡、GPS卡、三维加速度卡、 陀螺仪卡等、模拟量传感器卡、数字传感器卡等十多种；传感器卡包括温度传 感器、湿度传感器、电压传感器、电流传感器、光敏传感器、红外传感器、远 红外传感器、紫外线传感器、金属传感器、磁传感器、加速度传感器、速度传 感器、触碰传感器、红外测距传感器等。
通过以上措施，使机器人的电子扩展能力和兼容能力大大提高。
底盘结构
本申请采用了 "可重构的机器人机械"技术。机器人主要由底盘、上盖、 轮子、支杆、齿轮箱和驱动芯片组成。其中机器人的底盘拥有多种拼装方式， 可以串接、并接、切割等，在机械结构上，拥有超过20个传感器探测头加挂 点，探测头高度和方位可以自主设置；底盘提供多种形式的机械接口，包括深 孔接口，光孔接口，螺纹接口，方孔接口等。通过以上措施，使本机器人平台 对第三方产品兼容性能好，可以兼容乐高创新组件，lasy组件等。在本申请的 一个实施例中，底盘直径为175mm，符合国际标准；这种一体化的底盘使机器人结构稳定，简洁。齿轮箱构造特殊，可以方便地改变机电机功率以及减速比。 齿轮箱按对称设计以及平板式的安装面，可以构建不同的机器人运动机构。传 感器支架采用三维柱坐标系设计，使传感器的安装非常方便。机器人底盘有多 种重构方式，提供多种机械接口，方便扩展。
本申请的机器人具有丰富的机械配件库，包括支杆、支架、灭火装置、踢 球装置、弹射装置、扫雷装置、救援装置、机械手臂等。
机器人的支杆单元由两部分组成(如图4所示)小平板和支杆。支杆采 用柱坐标结构设计，可以360度旋转和高度调节，代替螺丝使得机器人的安装 方便快捷。支杆还可以用来安装机器人，安装传感器、显示屏和其他挂件等。 小平板不但可以安装各种传感器，还可以起到固定导线的作用。支杆的高度则 可以调节。
图5是底盘的示意图。如图5所示，在底盘正面上设置有电池槽501，底盘 上还分布了大大小小不同的孔洞(这其中包括底盘正面的导线孔502、减速箱 接孔503、机械挂件接孔504以及底盘反面的传感器支杆接孔505、控制器安 装孔506)。这些孔洞可以分为四种， 一种方形孔， 一种椭圆形孔，两种大小 不一的圆形孔，分别具有不同的功能。预留电机孔可以完成多种驱动方式，例 如前三轮驱动、后三轮驱动、左右差动驱动、四轮全驱动等，可以配备万向轮 做万向驱动。
机械挂件接口采用国际通用的方形接口，可用来加挂自己制作的机械机构， 如灭火装置，踢球装置或其他公司生产的各种挂件，如机械手等，可以扩展机 器人的功能。
图6示例性描述了在将各种模块安装到主板上之后，将其整体封装于一个盒 子中的情形，其中所述盒子的盖板上为扩展卡等预留有接口孔(扩展卡接口 601、下载接口 602)。同时在盒子上亦有用于安装多个传感器的支杆插孔603。
图7为根据本申请的智能机器人的示例性的产品图。在图7中，将主板封装 于一个盒子中，在盒子的上盖上有多个传感器支杆插孔，用于安装传感器，盒 子被整体地安装于底盘，底盘上亦有传感器支杆插孔。
权利要求1.一种机器人平台，包括底盘和主板，其中主板包括背板、单片机模块、通讯管理模块、下载模块、和电源模块，每个模块按插拔结构设计，在主板上设置有用于安装不同功能的功能卡的扩展槽，用于连接到不同的传感器的传感器接口。
2. 如权利要求l所述的机器人平台，其特征在于，在所述底盘上设置多种 机械挂件接口以挂接不同的机械挂件。
3. 如权利要求2所述的机器人平台，其特征在于，所述机械接口包括深孔 接口、光孔接口、螺纹接口、方孔接口。
4. 如权利要求l所述的机器人平台，其特征在于，采用由小平板和支杆组 成的支杆单元来安装传感器。
5. 如权利要求4所述的机器人平台，其特征在于，所述底盘上有传感器支 杆插孔。
6. 如权利要求l所述的机器人平台，其特征在于，所述主板被安装于盒子 中，所述盒子上有传感器支杆插孔。
7 .如权利要求1所述的机器人平台，其特征在于，所述主板上设置有U S B接口，通过该接口将程序下载到主板上。
8.如权利要求l所述的机器人平台，其特征在于，所述主板提供电信号到 电机驱动、蜂鸣器、以及图形点阵显示器。
9 .如权利要求1所述的机器人平台，其特征在于，通过模拟输入和数字输 入的至少其中之一提供输入信号给主板。
专利摘要一种智能化的带教育和益智功能的机器人平台，其主要特征在于是扩展性能强，可以反复重构组合。在一个实施例中，机器人平台包括底盘和主板，其中主板由背板、单片机模块、通讯管理模块、下载模块、电源模块等组成，每个模块按插拔结构设计，在主板上设置有用于安装不同功能的功能卡的扩展槽，用于连接到不同的传感器的传感器接口。同时，在底盘上设置多种机械挂件接口以挂接不同的机械挂件。通过在主板上数个扩展槽安装不同功能的扩展卡、在数个传感器接口上安装不同的传感器，以及在机械接口上安装各种功能的机械结构，来搭建出能完成特定任务的机器人。
文档编号G09B25/02GK201194139SQ20072012878
公开日2009年2月11日 申请日期2007年8月20日 优先权日2007年8月20日
发明者刘剑夫, 郑常熠 申请人:上海慧烁信息科技发展有限公司