本发明涉及机器人教学技术领域，具体而言，涉及一种机器人教学实验箱及系统。
背景技术：
随着人工智能技术、计算机科学技术等相关科学技术的迅速发展，对机器人的研究越来越多，机器人技术对人类的生活与发展也越来越重要。因此在教育领域，许多高校甚至是中学已经在教学计划中开设了机器人方面的有关课程。为了配合机器人课程的开设和展开，与机器人教学的理论知识相配合，相关的教学机器人设施也必须符合教学需求和实际使用需求。其中，以工业机器人产品为原型的教学机器人具备较好的经济性和易改造性，已经逐渐成为了大多数学校选择的教学机器人平台。此类机器人保留了原有的普通机器人特征，具有良好的开放性、操控性、可靠性及扩展性，能够更好地使学生理解和学习机器人的控制原理，从而更好地普及机器人教育。
但是现有的教学机器人多数只能通过上位机和控制终端设备进行操控，在进行机器人教学时需要使用的工具繁杂，不便于随身携带，且无法灵活方便地进行机器人原理教学，教学的环境适应性较差，存在教学效率低的问题。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种机器人教学实验箱及系统，以改善上述的问题。
本发明的实施例是这样实现的：
本发明提供了一种机器人教学实验箱，所述机器人教学实验箱包括箱体、安装组板和触控屏。所述箱体包括容置本体和箱盖。所述安装组板设置在所述箱体内，包括实验箱处理器以及至少一个电路板接口，所述至少一个电路板接口中的每个电路板接口相互连接的同时还分别与所述实验箱处理器连接。所述触控屏设置在所述箱盖内侧，并与所述实验箱处理器连接。本发明提供的机器人教学实验箱使机器人原理教学更加灵活、简便，并通过机器人教学系统进行机器人实体结构组装和操作教学。
在本发明可选的实施例中，所述机器人教学实验箱还包括与所述至少一个电路板接口匹配的机器人主控基板。
在本发明可选的实施例中，所述机器人主控基板包括主控芯片、电源模块和通信接口，所述主控芯片分别与所述电源模块和所述通信接口连接，所述通信接口包括IIC接口、SPI接口、单总线接口和串行接口。
在本发明可选的实施例中，所述机器人教学实验箱还包括与所述机器人主控基板连接的直流电机、步进电机、舵机以及电声转换器。
在本发明可选的实施例中，所述机器人教学实验箱还包括与所述机器人主控基板连接的环境感知模块，所述环境感知模块包括光敏传感器、声音传感器和温度传感器。
在本发明可选的实施例中，所述机器人教学实验箱还包括与所述机器人主控基板连接的智能识别模块，所述智能识别模块包括语音识别组件和图像识别组件。
在本发明可选的实施例中，所述机器人教学实验箱还包括与所述机器人主控基板连接的导航定位模块，所述导航定位模块包括陀螺仪、地磁计、加速度计、卫星定位芯片、超声波传感器和红外避障传感器。
在本发明可选的实施例中，所述机器人教学实验箱还包括与所述机器人主控基板连接的通信模块，所述通信模块包括WiFi模块、蓝牙模块、ZigBee模块、RFID识别模块和红外模块。
本发明还提供了一种机器人教学系统，所述机器人教学系统包括如上述的机器人教学实验箱和机器人基体，所述机器人基体包括设置在所述机器人基体内用于安装所述机器人主控基板的下位板安装口以及至少一个模块安装口。
在本发明可选的实施例中，所述机器人教学系统还包括上位机，所述上位机与所述机器人主控基板连接。
本发明实施例的有益效果是：
本发明实施例提供了一种机器人教学实验箱及系统，所述机器人教学实验箱包括箱体和带有实验箱处理器以及至少一个电路板接口的安装组板，能够使机器人原理教学的设备灵活便携，增强机器人原理教学的适应性，学员能够通过安装组板更高效率地学习机器人各模块连接原理。同时，所述机器人教学实验箱内设置有触控屏，在教学过程中可以触控屏播放教学视频以及与学员互动，提高教学效率；进一步地，所述触控屏还可以用于显示并提醒学员机器人主控基板以及各模块的工作状态。此外，本发明还提供了环境感知模块、智能识别模块、导航定位模块以及通信模块，使教学过程可以进行模块化划分，使教学内容更易被理解。所述机器人教学系统还包括与所述机器人教学实验箱内各模块匹配的机器人基体，可直观地对学员进行机器人实体组装及控制教学。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
通过附图所示，本发明的上述及其它目的、特征和优势将更加清晰，在全部附图中相同的附图标记指示相同的部分，并未刻意按实际尺寸等比例缩放绘制附图，重点在于示出本发明的主旨。
图1为本发明第一实施例提供的一种机器人教学实验箱的结构示意图；
图2为本发明第一实施例提供的一种机器人教学实验箱的模块示意图；
图3为本发明第二实施例提供的一种机器人教学系统的模块图；
图4为本发明第二实施例提供的一种机器人基体的结构示意图。
图标：100-机器人教学实验箱；110-箱体；112-容置本体；114-箱盖；120-安装组板；122-实验箱处理器；124-电路板接口；130-触控屏；140-机器人主控基板；150-环境感知模块；160-智能识别模块；170-导航定位模块；180-通信模块；200-机器人教学系统；210-机器人基体；212-下位安装口；220-上位机。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
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定义和解释。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
此外，术语“水平”、“竖直”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。
在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
本发明的其他特征和优点将在随后的说明书阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明实施例而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
第一实施例
经本申请人研究发现，随着人工智能和机器人技术的推进，越来越多的机器人已经进入了普通家庭的日常生活中，人们对机器人的知识需求剧增，许多高校已经开始使用教学机器人进行机器人的理论和实践教学，但是现有的教学机器人大多只能通过上位机进行操控，在教学时需要分别携带机器人教学使用的多个模块，操作不方便且造成教学设备臃肿、灵活性低。同时教学机器人为教学使用，需要较高频率地更换控制模块、行进组件等，现有教学机器人的处理器更换复杂。现有教学机器人存在的各种不足，提高了教学成本、降低了机器人教学的效率。为了解决上述问题，本发明第一实施例提供了一种机器人教学实验箱100。
请参考图1和图2，图1为本发明第一实施例提供的一种机器人教学实验箱的结构示意图，图2为本发明第一实施例提供的一种机器人教学实验箱的模块示意图。
机器人教学实验箱100包括箱体110、安装组板120和触控屏130，安装组板120和触控屏130安装在箱体110内，安装组板120和触控屏130连接。
箱体110包括容置本体112和箱盖114，箱盖114用于封闭容置本体112。作为一种实施方式，本实施例中的箱盖114的一侧与封闭容置本体112的一侧通过转轴活动连接，应当理解的是，在其他实施例中，该连接方式还可以是卡扣连接等其他使箱盖114可开闭的连接方式。
机器人原理教学的教学场景多变，既可能在室内，也可能在室外，而机器人原理教学使用的模块装置多包括电子元件，因此应避免雨水或生活用水进入箱体110内。为了解决上述问题，箱体110应该具备防水功能，可选地，考虑到防水需求和具体成本问题，箱体110采用防水塑料制成，并在容置本体112和箱盖114的连接缝隙处设置有用于密封所述连接缝隙的橡胶条。
进一步地，箱体110在本实施例中是用于容置电子器件，而许多精密的电子器件无法承受较大的震动，进而在本实施例中，箱体110的容置本体112内还设置有用于缓冲作用的缓冲体。可选地，所述缓冲体可以是橡胶、泡沫或其他具有弹性的材料。
安装组板120设置在箱体110的容置本体112内，安装组板120包括实验箱处理器122和至少一个电路板接口124，其中，实验箱处理器122和至少一个电路板接口124中的每个电路板接口124连接，每个电路板接口124互相连接。
实验箱处理器122可以是一种集成电路芯片，具有信号的处理能力。所述处理器可以是通用处理器，包括中央处理器(Central Processing Unit，CPU)、网络处理器(Network Processor，NP)等；还可以是数字信号处理器(Digital Signal Processing，DSP)、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)、现成可编程门阵列(FieldProgrammable Gate Array，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件。所述通用处理器可以是微处理器或者所述处理器也可以是任何其他类型常规的处理器等。
可选地，电路板接口124互相之间的连接总线类型应当具有较强的适应性，本实施例中的电路板接口124互相之间架设有IIC总线、SPI总线、单总线、串行总线等类型的连接总线。应当注意的是，在其他实施例中电路板接口124互相之间还可以架设有IO总线等其他类型的连接总线，同时，还可以设置有预留连接线位置，以方便在具体使用过程中增加连接线。
触控屏130设置在箱盖114的内侧，在打开箱盖114时朝向学员，触控屏130与实验箱处理器122连接。学员通过机器人教学实验箱100进行机器人原理学习时，可以通过触控屏130播放的教学视频进行学习，还可以在触控屏130上获取所述机器人教学实验箱100内各模块和各组件的状态，还可以通过触控屏130对机器人教学实验箱100进行基础设置，从而提高机器人原理教学的效率。
进一步地，机器人教学实验箱100还包括与电路板接口124匹配的机器人主控基板140，机器人主控基板140包括主控芯片、电源模块和通信接口。所述主控芯片分别与所述电源模块和所述通信接口连接，所述通信接口包括IIC接口、SPI接口、单总线接口和串行接口，以使所述主控芯片能够传输和处理多种类型的数据，加强机器人教学实验箱100的普遍适用性。
应当理解的是，机器人主控基板140的所述主控芯片可以是和实验箱处理器122类似的集成电路芯片，也可以是其他具有处理功能的芯片。
可选地，除了上述用于完成控制功能的各类芯片，机器人教学实验箱100内还放置有用于实现机器人基本功能的直流电机、步进电机、舵机以及电声转换器。进一步地，在可选的实施例中，机器人教学实验箱100还可以包括与机器人主控基板140连接的蜂鸣器和LED点阵屏等组件。
应当理解的是，现有的大多数机器人都具备环境监测和自动定位及行进功能，为了提高机器人教学的全面性，本实施例提供的机器人教学实验箱100也包括环境感知模块150。环境感知模块150可被安装在安装组板120上，并与机器人主控基板140连接。可选地，环境感知模块150包括光敏传感器、声音传感器和温度传感器，进一步地，在机器人教学实验箱100需要更多的功能进行教学时，还可以包括压力传感器、触摸传感器、指纹传感器以及脉搏体征传感器。
近年来，智能化已经是机器人以及众多电子设备的发展方向，因此本实施例提供的机器人教学实验箱100还可以包括智能识别模块160。智能识别模块160包括语音识别组件和图像识别组件，可选地，所述语音识别组件包括非特定人语音识别芯片以及收音麦克风，所述图像识别组件为集成了摄像传感器和ARM处理器的可编程的嵌入式计算机视觉传感器，为机器人扩展了嵌入式图像处理能力，主要功能有能够跟踪和监视高对比度的区域、运动监测、颜色识别以及检测跟踪，同时所述图像识别组件还能输出不同的视频格式到计算机进行额外的图像处理。
作为一种实施方式，本实施例提供的机器人教学实验箱100还可以提供导航、定位以及避障功能的教学，机器人教学实验箱100包括可安装于安装组板120上，并与机器人主控基板140连接的导航定位模块170。导航定位模块170包括陀螺仪、地磁计、加速度计、卫星定位芯片、超声波传感器和红外避障传感器。其中，陀螺仪、地磁计、加速度计可采用微电子机械类型的微电子陀螺仪、微电子地磁计以及微电子加速度计；卫星定位芯片可以选用北斗定位芯片、GPS定位芯片或其他定位芯片。
应当理解的是，几乎所有的机器人都可以和外部实现通信连接，以便于更好地操控和发送以及返回操控信息，因此本实施例提供的机器人教学实验箱100必然包括可安装于安装组板120上，并与机器人主控基板140连接的通信模块180。通信模块180可以包括WiFi模块、蓝牙模块、ZigBee模块、RFID识别模块、红外模块和2.4G无线遥控模块中的一种或多种数据传输模块。
本发明第一实施例提供的机器人教学实验箱100的工作原理是：
在需要进行机器人原理教学时，打开机器人教学实验箱100，触控屏130开始播放机器人原理教学视频，学员根据所述机器人原理教学视频将容置本体112内的机器人主控基板140、环境感知模块150、智能识别模块160、导航定位模块170以及通信模块180分别安装到安装组板120上与其对应的电路板接口124中，完成机器人控制系统各模块的连接及设置，在学员进行安装的过程中，触控屏130还会根据各个电路板接口124传回实验箱处理器122的相关信息对机器人主控基板140、环境感知模块150、智能识别模块160、导航定位模块170以及通信模块180的具体安装状态进行提示。
第二实施例
请参考图3，图3为本发明第二实施例提供的一种机器人教学系统的模块图。
机器人教学系统200包括本发明第一实施例提供的机器人教学实验箱100以及与机器人教学实验箱100配套的机器人基体210和上位机220。
请参考图4，图4为本发明第二实施例提供的一种机器人基体的结构示意图。
机器人基体210可以是包括机器人主体、夹持臂和行进机构的普通机器人构造，机器人基体210包括用于安装机器人主控基板140的下位安装口212以及用于安装环境感知模块150、智能识别模块160、导航定位模块170以及通信模块180的模块安装口。
上位机220是指可以直接发出操控命令的计算机，一般是PC/host computer/master computer/upper computer,屏幕上显示各种信号变化(液压，水位，温度等)。下位机是直接控制设备获取设备状况的计算机，一般是PLC/单片机single chip microcomputer/slave computer/lower computer之类的，在本实施例中所述下位机为机器人教学实验箱100中的下位板即机器人主控基板140。上位机220发出的命令首先给机器人主控基板140，机器人主控基板140再根据此命令解释成相应时序信号直接控制相应设备。机器人主控基板140不时读取设备状态数据(一般为模拟量)，转换成数字信号反馈给上位机220。
综上所述，本发明实施例提供了一种机器人教学实验箱及系统，所述机器人教学实验箱包括箱体和带有实验箱处理器以及至少一个电路板接口的安装组板，能够使机器人原理教学的设备灵活便携，增强机器人原理教学的适应性，学员能够通过安装组板更高效率地学习机器人各模块连接原理。同时，所述机器人教学实验箱内设置有触控屏，在教学过程中可以触控屏播放教学视频以及与学员互动，提高教学效率；进一步地，所述触控屏还可以用于显示并提醒学员机器人主控基板以及各模块的工作状态。此外，本发明还提供了环境感知模块、智能识别模块、导航定位模块以及通信模块，使教学过程可以进行模块化划分，使教学内容更易被理解。所述机器人教学系统还包括与所述机器人教学实验箱内各模块匹配的机器人基体，可直观地对学员进行机器人实体组装及控制教学。
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。