专利名称：一种基于开放架构的模块化教学机器人的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及的是一种模块化的机器人，特别是一种适合于教学实验的基于开 放架构的模块化机器人。属于机器人技术领域。
背景技术：
近年来随着模块化技术的发展，针对传统封闭架构体系的缺点，提出了开放式架 构机器人的概念。开放式架构强调机器人设计的结构化、易开发性、易配置性、易扩展性、易 交互性、易移植性、易裁剪性和易复用性。封闭式架构的机器人，其所有的硬件控制都交给主控软件完成，硬件和软件必须 要通盘考虑，完成不同功能的部件之间在软件上是一种紧密耦合的关系，在一台机器人上 使用的编程代码，几乎不可能在另一台新开发的机器人上发挥作用，如果想开发新的机器 人，就必须从头开始，移植性和重用性较差。这种封闭式机器人由于采用的是专用计算机、 专用机器人语言、专用微处理器，结构封闭，机器人的应用上受到了很多限制，无论是硬件 还是软件，兼容性都较差，功能和配置上难以扩充和更改。开放式架构的机器人则通过模块化技术，使不同组件通过统一的硬件和软件接 口，解除机器人各个部件之间的紧密耦合性，可以轻而易举地重复使用硬件和软件的模块。 模块化的特征是实现开放式架构的基础，可以保证机器人的性能，便于系统维护与功能模 块更换和扩展，并可以提高机器人对复杂工作情况的适应能力。专利CN1445687公布了一种基于单处理器结构的教学机器人控制系统，采用了固 定机构。专利CN101009054公布了一种简易模块化机器人，是由类似积木的拼装件组成机 器人，属于机械上的一种简易模块化，是当前拼装机器人经常采用的方式，没有实现电子和 软件的模块化和标准化。专利CN101053954公布一种基于CAN总线的模块化机器人控制系 统，使用CAN总线使机器人节点与上位机通讯，仅在机器人模块与PC机之间采用了标准的通 信协议。专利CN201432298公布了一种模块化的机器人电机控制系统，把整个控制系统均集 中在一个电路基板上实现，属于电机控制内部的电路整合，不是机器人整体系统的模块化。上述提到的专利技术均没有实现机器人的统一接口，只是在一些方面上局部实现 了模块化，不是开放式架构的机器人。此外，目前市场上用于教学、实验、竞赛的机器人有多种产品类型比如小型机械 臂、移动小车、组装式套件等。学生主要通过对机器人的编程调试以及添加一些传感器配件 来增强对专业课程的理解和应用。目前，应用于教学的国内外机器人平台大都是采用一个 单片机或其他微处理器控制，图形化语言编程，结构形式固定，功能单一，使用过于简单，扩 展性能不好，对中学生课外竞赛能起到一定作用，但对大学生的训练明显不足，不适合大学 生能力培养的需求。
发明内容本实用新型的目的是针对当前机器人设计技术和上市产品的情况，提出一种机器
3人系统，使之适合大学生的教学实验的需求，并且基于开放式的架构的模块化设计简化了 设计过程，节约了设计成本。本实用新型是这样实现的一种基于开放架构的模块化教学机器人，其特征在于 由若干具有标准接口的功能模块组成，其基本的功能模块包括底盘、电源控制模块、传感 与通信模块和运动控制模块等。所述的底盘主要是指机器人的行走机构，可以采用轮式机构、履带式机构等。可以 由直流电机、步进电机或者伺服电机来驱动。 所述的电源控制模块实现电源供给和电源管理的功能，包含可充电电池和电源控 制板。该模块负责给机器人的其他功能模块供电及电源的管理。电源控制模块可以单独编 程和使用。所述的传感与通信模块包含了若干机器人用传感器和控制电路板等，并且提供扩 展接口，可供用户外接更多的传感器和执行器。传感与通信模块可以单独编程和使用。所述的运动控制模块包含了电机驱动和控制电路板，并且提供扩展接口，可供用 户外接更多的传感器和执行器。运动控制模块可以单独编程和使用。上述功能模块均带有一到两个标准接口，可以与其他功能模块相连接，也可以装 在其他带有相同标准接口的机器人上。机器人还可以包含更多的功能模块，如无线控制模块、步进电机模块、图像模块 等，它们的设计与上述功能模块类似。功能模块具有独立的电源接口，电源开关，可以单独由外接电源供电，具有电源保 护，能够单独使用；功能模块具有独立的串口和JTAG 口，能够单独对其编程和调试；功能模 块(一些模块除外，比如底盘)具有独立的CAN接口、串口、AD 口、IO 口，对外开放，以便能 够连其他执行器和传感器等，扩展功能。功能模块的标准接口规范定义之后，便于扩展更多的功能模块，便于不同机器人 之间共享功能模块，也便于用户按照此规范来开发符合自身要求的模块。本实用新型提出了一种开放式架构，由多个功能模块组成，是一种不用外部连线 就能够快速连接的模块化机器人。本实用新型中将机器人划分为若干个功能模块，每个功 能模块均带有标准接口，并具有各自的CPU和完整的控制系统，能单独作为实验平台使用。 模块标准接口包含了电源和通信，模块相连接时可统一供电并相互通信。每个功能模块可 单独使用，可以联合使用，可以组装成一个具有多CPU的移动机器人，也可以作为其他具有 相同标准接口的机器人或设备的配件使用。功能模块采用相同的CPU及开发环境或者采用不同的CPU结构及开发环境。在 教学实验中，每个功能模块可单独编程和开展实验，便于学生掌握机器人相关的传感器、导 航、通讯、运动、图像等方面的知识和技能。多个模块通过标准接口快速连接后即成为一个 多CPU的机器人平台，可以进行全自主机器人的开发，多CPU的编程方式训练，使学生能够 掌握前沿的技术。模块分立编程组装后机器人集中调试的方式便于一个小组共同完成一个 项目，能增强学生之间的团队合作。功能模块可以作为标准配件安装在其他移动机器人平 台上，便于实现基础的研究成果的实用化。此外，用户有更多需要时，可以根据提供的标准 接口定义自行开发，直接扩展到原有机器人平台上。本实用新型的有益效果是本实用新型基于开放式的架构设计机器人的功能模块，不用外部连线就能够快速组装成一个移动机器人，当需要新的功能时，只需要扩展一个 新的带有标准接口的功能模块，原先的模块可以继续使用，成熟的功能模块作为一种标准 件可以提供给其他兼容标准接口的机器人使用，其控制算法也可以移植到新的机器人平台 上，在新产品设计中可以简便地重复使用功能模块，大大简化了设计过程，节约了设计成 本。 此外，本实用新型在现有的固定架构主要适合中小学的机器人产品上进行了创 新，扩展了机器人的教学功能，为机器人的终端用户提供了更为基础的大学生工科综合实 验项目，能够适合机械电子、自动化、信息技术、测试技术、计算机、机器人等相关专业的课 程实验，使之成为工科学生的最佳综合实验平台。
[0022]图1是本实用新型架构图；[0023]图2a是本实用新型轮式底盘图；[0024]图2b是本实用新型履带式底盘图；[0025]图2c是本实用新型底盘下部的机器人标准接口 SIR图[0026]图3是本实用新型标准功能模块结构图；[0027]图4a是本实用新型功能模块单独使用模式图；[0028]图4b是本实用新型功能模块联合使用模式图；[0029]图4c是本实用新型功能模块组成机器人系统模式图；[0030]图4d是本实用新型功能模块作为配件使用模式图。
具体实施方式
以下结合附图，论述本实用新型技术方案的实施。根据附图1，一种基于开放架构的模块化教学机器人10，主要由底盘20、电源控制 模块30、运动控制模块40和传感与通信模块50等标准模块组成。根据附图2a和2b，所述底盘20可以采用轮式底盘，也可以采用履带式底盘。底盘 包含了电机组件、轮子或者履带机构等。根据附图2c，底盘下具有一个机器人标准接口 SIR(Standard Interface for Robot) 21,能够与其他具有相同接口的设备相连。电源控制模块30包含了壳体，可充电锂电池和带有ARM控制器的电源控制板。模 块具有模块标准接口 SIM (Standard Interface for Module)，可以连接其他功能模块，给 其他功能模块提供电源。模块标准接口 SIM中包含了 12V电源和CAN总线。运动控制模块40包含了壳体，ARM控制器的运动控制板，能够驱动两个直流电机 和一个步进电机。模块上下均有一个模块标准接口 SIM，可以与其他功能模块相连接。该模 块还包含了 CAN接口、AD接口和10 口，可供添加更多的设备使用。传感与通信模块50包含了壳体，ARM控制器的传感与通信板，具有红外、罗盘等传 感器。模块具有一个网络接口，可以与其他设备或PC机进行网络通信。模块上下均有一个 模块标准接口 SIM，可以与其他功能模块相连接。该模块还包含了 CAN接口、AD接口和10 口，可供添加更多的设备使用。
5[0038]根据附图3，上述标准功能模块60 (指代上述30，40，50及其他未列出的类似功能 模块)除底盘20外包含以下几部分外壳61，控制板62，两个模块标准接口 SIM 63，电源 开关64等。所述控制板62为标准功能模块的控制系统，可以采用多种CPU芯片来实现，本实 例中采用ARM控制器。在控制板62上有电源输入口，ISP拨动开关，串口，JTAG 口，CAN接 口，AD 口(可选)，IO 口(可选)，网络口(可选)等外部接口，供下载程序和扩展设备使用。所述模块标准接口 SIM 63采用DB15，引脚规范定义如下表
权利要求一种基于开放架构的模块化教学机器人，其特征在于由若干具有标准接口的功能模块组成，其基本的功能模块包括底盘、电源控制模块、传感与通信模块和运动控制模块；所述的底盘为机器人的行走机构，采用轮式机构或履带式机构，由直流电机、步进电机或伺服电机驱动；所述的电源控制模块包括实现电源供给的充电电池和实现电源管理的电源控制板；所述的传感与通信模块包括若干机器人用传感器和控制电路板及若干扩展接口；所述的运动控制模块包括电机驱动和控制电路板及若干扩展接口。
2.根据权利要求1所述的一种基于开放架构的模块化教学机器人，其特征在于所述 的功能模块具有标准接口，模块之间依靠标准接口相互连接，标准接口包含电源和CAN信 号线，功能模块之间采用CAN通信。
3.根据权利要求1或2所述的一种基于开放架构的模块化教学机器人，其特征在于 所述的功能模块之间通过标准接口相连接，组成一个多CPU机器人系统。
4.根据权利要求1或2所述的一种基于开放架构的模块化教学机器人，其特征在于 所述的功能模块包含完整的控制系统，能单独作为实验平台使用。
5.根据权利要求1或2所述的一种基于开放架构的模块化教学机器人，其特征在于 依据标准接口扩展功能模块种类，功能模块作为其他具有相同标准接口的机器人或设备的 配件使用。
6.根据权利要求3所述的一种基于开放架构的模块化教学机器人，其特征在于所述 的功能模块采用相同的CPU及开发环境或者采用不同的CPU结构及开发环境。
专利摘要本实用新型为一种基于开放架构的模块化教学机器人，其特征在于由若干具有标准接口的功能模块组成，包括底盘、电源控制模块、传感与通信模块和运动控制模块等。所述的底盘为机器人的行走机构，采用轮式机构或履带式机构，由直流电机、步进电机或伺服电机驱动；所述的电源控制模块包括实现电源供给的充电电池和实现电源管理的电源控制板；所述的传感与通信模块包括若干机器人用传感器和控制电路板；所述的运动控制模块包括电机驱动和控制电路板。标准接口包含了电源和通信，功能模块相连接时可统一供电并相互通信，相互之间不用外部连线就能快速连接。功能模块具有各自的CPU和控制系统，可单独或联合使用，简化了设计过程，节约了设计成本。
文档编号G09B25/02GK201707829SQ20102022687
公开日2011年1月12日 申请日期2010年6月13日 优先权日2010年6月13日
发明者卢秋红, 杨伯群, 王义保, 蒋金鹏 申请人:上海中为智能机器人有限公司