专利名称：一种机器人教学模型的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种用于机器人教学实践的机器人教学模型，尤其涉及一种应用 于中央空调的管道清扫机器人教学模型。
背景技术：
随着机器人在现代生产和生活中广泛应用，机器人及相关课程的教学实践受到越 来越多重视，机器人教学模型有着很广泛的应用，但目前机器人教学模型种类不够多，工程 应用背景不够强，或者价格昂贵。发明内容，针对上述的不足，本实用新型提供了一种适用于清扫方形中央空调通 风管道的机器人教学模型，可以广泛用于机器人、机械零件和机电产品控制等课程的教学 实践。
发明内容本实用新型是通过以下技术方案实现的一种中央空调通风管道清扫机器人教学 模型，由车体和清扫臂组成，清扫臂由小连杆和大连杆两段通过螺栓连接组成，清扫臂的下 端与固定在车体底盘后部的支架连接，其上端安装有清扫刷电动机，清扫刷电动机可以驱 动安装在电机轴上的清扫刷，车体左右两侧各具有两个驱动轮，分别由四个电机驱动。上述机器人教学模型，增设清扫臂起落机构，所述清扫臂起落架由升降电机、支撑 臂、丝杠副、导轨、轴承、轴承支座，支撑臂一端与清扫臂连接，另一端与丝杠副中螺母连接， 轴承安装在轴承支座中，导轨和丝杠副中丝杠由轴承及支座支撑，丝杠的一端通过联轴器 与升降电机连接，升降电机和轴承6及支撑座固定在车体底盘上。上述机器人教学模型，所述车体底盘下方增设底箱，在底箱两侧壁上分别固定着 两个车轮的驱动电动机。上述机器人教学模型，所述车体后部增设摄像头，摄像头经USB 口与PC机连接。上述机器人教学模型，所述车体前部增设超声波探头。本实用新型所述的机器人模型在应用时本实用新型所述机器人模型可驶入管道内部，用清扫刷驱动电机对管道臂进行清 扫，变换机器人的位置可对管道内不同内壁进行清扫，改变清扫刷的旋转方向，可以适应不 同内壁的清扫；利用升降电机、丝杆副和支撑臂组成的清扫臂起落机构调整清扫臂的前倾 角度，从而改变清扫高度，以适应不同截面的管道，更换小连杆来改变清扫臂的长度，从而 改变清扫刷高度，以适应不同截面的管道，利用超声波探头来探测车体前方是否有障碍物， 来判断是否需要转弯避障，利用摄像头可将管道内部的清扫臂工作状况在PC机上进行显 示或存储，便于外部观看和调阅，总之，本实用新型具有重量轻，积小，操作灵活，制作成本 低，有着较好的教学实践价值，本实用新型所述机器人模型可采用PC机进行控制，图4是一 种控制电路结构框图，由图4可知，所述清扫刷驱动电动机，清扫臂升降驱动电动机，车轮 驱动电动机的电源端分别同对应的电动机驱动电路的驱动电源输出端连接，而所述各电动机驱动电路的控制极分别同单片机相应控制信号输出端对应连接，所述车轮测速的霍尔测 速元件连接单片机相应控制信号输入端对应连接，所述清扫臂升降限位开关连接单片机相 应控制信号输入端对应连接，所述PC机串行口经串行通讯接口电路与单片机串口连接，所 述摄像头与PC机的USB 口连接。图4所示控制电路框图的工作过程是，启动PC机(上位机)，进入专用控制软件， 在显示屏幕上可显示控制功能窗口菜单；执行控制命令时，控制指令经串行通讯接 口电路送至单片机(下位机)，而单片机根据不同指令发出驱动信号给电动机驱动电路使 其分别或同步完成相应的功能。同时车轮转速的霍尔测速元件将车轮的转速快慢信号送入 单片机，单片机根据测速信号给车轮的电动机驱动电路发出驱动信号来改变车轮转速，从 而调整车体的行走的状态。清扫臂升降限位开关将清扫臂升降到极限位置信号送给单片 机，单片机根据极限位置信号给清扫臂升降驱动电动机的驱动电路发送控制信号停止清扫臂的升降运动。摄像头将管道内的工作情况送到PC机上 显示，摄像头上自带LED用来照亮管道内部。
图1是本实用新型的主视图。图2是本实用新型的左视图。图3是本实用新型的俯视图。图4是一种采用PC机进行控制的控制原理框图。图5是单片机及外围电路。在所述附图中1、车轮2、底箱3、底盘4、轴承支座5、丝杆6、轴承7、螺母8、支撑臂9、小连杆10、 螺栓11、大连杆12、支架13、联轴器14、升降电动机15、摄像头16、超声波探测头17、车轮 驱动电动机18、连接轴19、导轨20、清扫刷驱动电机21、单片机22、23、24电动机驱动电路 25、串行通讯接口电路26、限位开关27、霍尔测速元件28、PC机29、摄像头
具体实施方式
参看图1、图2、图3，车体为一个四轮小车，车体前部装有超声波探头16，后部装有 摄像头15，超声波探头16检测机器人运动过程中前方是否有障碍物，摄像头监视机器人在 管道内的工作状况，车体的每个车轮具有一个驱动电机17，车体前进或后退时，控制电路使 四个车轮同向旋转，车体转弯时，左右车轮旋转方向相反，机器人模型的清扫臂的上端安装 双轴输出电机20，电机输出轴的旋转带动清扫刷运动，清扫臂由小连杆9和大连杆11由螺 栓10连接，清扫臂大连杆11下端与支架12通过连接轴18连接，大连杆11与较长的小连 杆连接适用于内径大的管道，大连杆11与较短的小连杆连接适用于内径小的管道。清扫臂 的大连杆11与支撑臂8—端连接，支撑臂8的另一端与丝杠副中螺母7连接，丝杠副中的 丝杠5两端支撑在轴承6里，轴承座4固定在新走小车底盘3上。升降电机14通过联轴器 13带动丝杠副中的丝杠5的旋转，丝杠5的旋转带动丝杠副中的螺母7沿丝杠5和导轨19前后移动，从而通过支撑臂8驱动清扫臂绕连接轴18旋转，改变清扫高度，清扫臂与地面的 夹角可在0度到90度之间调节，车体的底箱2与底盘3连接，可以防止灰尘侵入电机及周 围元件。图4是整机控制与驱动一种实际电路框图，该方案采用PC28机控制，具有智能化、 自动化和软件化的操作平台，装置体积小，使用灵活方便，行走、清扫定位准确，监视方便， 可直接生成存储监控图片。图5是图4所示框图是一种实际电路图，其工作过程如下1.由单片机21、晶振、电容组成单片机(下位机)中心电路，单片机选择 STC89C52，当单片机上电后，由晶振、电容产生时钟信号送至单片机21，单片机21处于待机 状态。2.小车行走驱动系统由直流减速电动机和直流电动机驱动芯片及周围元件组成机器人行走电路，直流 电动机驱动芯片选择L298，当计算机要求小车前进时，单片机21按照驱动芯片L298工作 逻辑要求向直流电动机驱动芯片发送信号使电机电机同时正转，当计算机要求机器人后退 时，单片机21按照驱动芯片L298工作逻辑要求向直流电动机驱动芯片发送信号使电机电 机同时反转，当计算机要求机器人向左转时，单片机21按照驱动芯片L298工作逻辑要求 向一个直流电机驱动芯片发送信号，使车轮1、2的驱动电机反转，单片机21按照驱动芯片 L298工作逻辑要求向直流电机驱动芯片发送信号，使车轮3、4的驱动电机正转，当计算机 要求机器人向右转时，单片机21按照驱动芯片L298工作逻辑要求向直流电机驱动芯片发 送信号，使车轮1、2的驱动电机正转，单片机21按照驱动芯片L298工作逻辑要求向直流电 机驱动芯片发送信号，使车轮3、4的驱动电机反转。3.超声波电路系统超声波发射电路由反相器74LS04、超声波发射换能器T、电阻R6、R7组成，单片机 21的P3. 2端口输出的40kHz方波信号送入超声波发射电路，超声波接收电路由集成芯片、 电容、电阻和超声波接受换能器组成。集成芯片选用集成电路芯片CX20106A，超声波接收电 路将接受的超声波信息送入单片机21的P3. 3端口，机器人前进过程中，单片机21的P3. 2 端口输出的40kHz方波信号送入超声波发射电路，通过发射电路不断发出频率为40KHZ的 超声波，若机器人前方无障碍物，超声波接收探头R未收到信号，机器人向前走，若机器人 前方有障碍物，超声波接收探头R接收到超声波发射探头T发出的超声波反射回来的信号， 经超声波接收电路处理后向单片机21送入指令，经计算机运行发出指令让电动机或反转， 或停止，使机器人绕过障碍物继续行走或停止运动。4.机器人测速系统机器人测速电路由霍尔元件组成，霍尔元件型号选择0620，当安装在电动机1和 电动机2上的永磁铁靠近霍尔时就产生一个脉冲，信号通过TO 口传输到单片机21中，单片 机通过TO计数外部脉冲在一秒钟内纪录的脉冲数，从而计算出小车两侧车轮的转速，单片 机21根据车体运动控制的需要向小车行走驱动系统发送指令信号，调整机器人行走的速 度、及转向。5.清扫臂升降驱动系统由直流减速电动机和直流电动机驱动芯片及周围元件组成清扫臂升降驱动电路，直流减速电动机选择ZYM-25A280，直流电动机驱动芯片选择L298，当单片机21按照驱动芯 片L298工作逻辑要求向直流电动机驱动芯片发送信号使电机同时正转，使清扫臂向上举 起；当单片机21按照驱动芯片L298工作逻辑要求向直流电动机驱动芯片发送信号使电机 同时反转，使清扫臂向下降落。6.清扫臂升降限位检测系统由限位开关构成清扫臂升降限位检测电路。限位开关分别检测丝杠副中螺母是否 移到丝杠的最左端或最右端，从而检测到清扫臂是否升到最高或降到最低的位置。当清扫 臂升到最高位置，限位开关将检测信号经P3. 6送入单片机21中，单片机21向清扫臂升降 驱动驱动电路发送指令使升降电机停止运动，使清扫臂停止继续向上举起。当清扫臂降到 高低位置，限位开关将检测信号经P3. 7送入单片机21中，单片机21向清扫臂升降驱动驱 动电路发送指令使升降电机停止运动，使清扫臂停止继续向下降落。7.液晶显示系统由液晶模块及周围元件组成，液晶显示模块选择IXD1601，IXD160共有16个引脚， 其中VSS接地，VDD接+5V给液晶供电。V0可直接接地，若接一滑动变阻器后在接地，可调 节字体亮度，RS、RW、E是三根控制线，DO D7是8根数据线，单片机21通过着11根线向 液晶模块发送数据，显示相应的提示信息。8.串行通讯接口电路由RS232串口通讯接口芯片及5个1UF的电容组成，单片机21经串行通讯接口电 路与PC机连接，PC机将控制指令传送给单片机21，单片机将机器人工作过程中反馈信息传 送给PC机，供PC根据返回的信息进一步控制机器人的工作状态。
权利要求一种教学机器人模型，主要包括车轮(1)、底盘(2)、底箱(3)、丝杠(5)、丝杠副的螺母(7)、支撑臂(8)、小连杆(9)、螺栓(10)、支架(12)、清扫臂升降驱动电动机(14)、摄像头(15)、超声波探头(16)、车轮驱动电动机(17)、导轨(19)、清扫刷驱动电动机(20)、单片机(21)、电动机驱动电路(22、23、24)、串行通讯接口电路(25)、清扫臂升降限位开关(26)、霍尔测速元件(27)、PC机(28)，其特征是，它由车体和清扫臂组成，所述清扫臂由小连杆(9)和大连杆(12)由螺栓(10)连接组成，清扫臂的下端与车体的后面的支架(12)连接，其上端设有清扫刷驱动电机(20)，清扫臂升降驱动电动机(14)安装在车体上，所述车体的底盘(2)下面安装底箱(3)，车体两侧分别具有两个车轮(1)，分别由四个电机驱动(17)。
2.根据权利要求1所述教学机器人模型，其特征是，增设清扫臂升降机构，清扫臂升降 机构由升降电动机(14)、丝杠副、导轨(19)和支撑臂(8)组成，支撑臂(8) —端与清扫臂连 接，另一端与丝杠副的螺母(7)连接，丝杠副中的丝杠(5) —端与升降电动机(14)的输出 轴连接。
3.根据权利要求1所述教学机器人模型，其特征是，所述车体前部增设摄像头(15)和 超声波探头(16)，所述车轮驱动电动机(17)、清扫臂升降驱动电动机(14)、清扫刷驱动电 动机(20)电源端分别同对应的电动机驱动电路(22、23、24)的驱动电源输出端连接，所述 各电动机驱动电路(22、23、24)的控制极分别同单片机(21)相应控制信号输出端对应连 接，车轮测速的霍尔测速元件(27)连接单片机(21)相应控制信号输入端对应连接，所述清 扫臂升降限位开关(26)连接单片机(21)相应控制信号输入端对应连接，所述PC机(28) 串行口经串行通讯接口电路(25)与单片机(21)串口连接。
专利摘要本实用新型涉及一种机器人教学模型，属于教学设备领域。其技术方案是它有由机器人主体和机器人控制箱组成，该机器人主体包括车体、摄像头、超声波探头、位于车体之上的升降清扫臂、清扫臂升降机构及驱动电机、安装在清扫臂上端的清扫刷驱动电机。清扫臂由小连杆和大连杆两段通过螺栓连接组成，清扫臂的下端与固定在车体底盘后部的支架铰接。车体左右两侧各具有两个驱动轮，分别由四个电机驱动。本实用新型具有重量轻，体积小，操作灵活，制作成本，有着较好的教学实践价值。
文档编号G09B25/02GK201576397SQ20092002074
公开日2010年9月8日 申请日期2009年4月9日 优先权日2009年4月9日
发明者太荣兵, 尹文彬, 杨红娟, 赵德志, 陈继文, 黄国栋 申请人:杨红娟