一种智能教育机器人的制作方法

本发明涉及教育机器人技术领域，具体的说涉及一种智能教育机器人。

背景技术：

随着科技的进步，机器人技术在人类生活和工业生产制造中发挥着越来越重要的作用，教育机器人作为机器人中的一种特殊机器人，其除用于参加各种比赛外，还可用于学科教学与课外兴趣拓展，提高学生设计、编程开发、应用机器人的能力和创新能力。

而化学作为一门实验科学，不仅需要学生掌握丰富扎实的理论知识，同时需要具备较强的实践动手能力。化学实验由于会发生各种化学反应过程，实验过程中针对初次接触的学生来说，带有一定的危险性，容易让学生产生一定的恐惧心理，从而降低了对化学实验这门学科的学习兴趣，另外，在进行一些科学实验的探索过程中，即便是经验丰富的老师动手操作，其实验本身的安全性往往导致探索过程进展停滞不前。

因此，亟需开发一款可以进行化学实验演示的教育机器人，使教育机器人作为素质教育的重要教学工具，在中国各个阶段的教育中能够被广泛推广。

技术实现要素：

鉴于以上现有技术的不足之处，本发明的主要目的在于提供一种智能教育机器人，以促使各个教育阶段的学生不仅能够扎实掌握化学理论知识、提升实践动手能力，同时有助于提高学生观察能力和编程能力等各方面的综合能力素质。

为达到以上目的，本发明采用的技术方案为：

一种智能教育机器人，包括机器人本体，所述机器人本体内置有测控装置，所述机器人本体的身体部位设置有敞口容器，其头部可沿第一旋转轴倒置在所述敞口容器中，所述第一旋转轴通过第一电机控制，所述头部为一密封的空腔，所述头部沿纵向延伸设有一根排气管，所述排气管末端距离所述第一旋转轴与所述头部顶端距离所述旋转轴的距离相等，以便当头部旋转至身体上部时，排气管末端排气口可以插入容器中的液位以下；手臂左右两侧分别设置有第一原料罐和第二原料罐，所述第一原料罐通过第一原料管与所述头部下巴位置的进料管相连，所述第一原料管上还设置有第二电动阀，所述第二原料罐设置有出口末端开口朝下并延伸至所述容器中的第二原料管；当所述头部倒置在所述敞口容器中时，通过第一进料机构使所述第一原料罐与所述头部下巴位置的进料管相连通，当所述头部通过第一电机旋转正立在所述身体的上方时，通过第二进料机构使所述第二原料罐与所述敞口容器相连通。

所述测控装置包括以下3个模块：

第一模块用于原料和实验参数的检测，所述第一模块包括第一微控制器、实验参数检测传感器和人机交互设备；所述实验参数检测传感器、人机交互设备分别与所述第一微控制器连接；

第二模块用于执行机构的控制，所述第二模块包括第二微控制器、执行机构及驱动电路、实验参数检测传感器和人机交互设备；所述执行机构通过驱动电路与第二微控制器连接，所述实验参数检测传感器、人机交互设备与所述第二微控制器连接；

第三模块用于机器人整体控制，所述第三模块由第三微控制器和人机交互设备组成；所述人机交互设备与所述第三微控制器连接。

进一步的，所述人机交互设备，由智能手机及串口蓝牙模块组成；串口蓝牙模块与微控制器的串行接口连接，智能手机与串口蓝牙模块无线连接。

进一步的，所述实验参数检测传感器为第一液位计和第二液位计。第一液位计和第二液位计均为超声波液位计，且所述第一液位计安装在第一原料罐上，所述第二液位计安装在容器上，分别用于监测第一原料罐和容器中的液位大小。

进一步的，所述执行机构为第一电动阀、第二电动阀、第一开关、第二开关、第三开关、第一电机、第二电机和第三电机。

进一步的，所述第一进料机构包括延伸至教育机器人身体内的第一原料管，所述第一原料管水平管段与进料管水平管段之间设置的连通盘，所述进料管竖直方向设置有第一开关，带动所述连通盘旋转的第二电机，位于所述第二电机和所述连通盘之间的第三齿轮，及设置在第一开关上并与第三齿轮啮合传动的第一齿轮；所述连通盘可旋转地与第一原料管和进料管匹配连接，所述第二电机带动位于所述第二电机和所述连通盘之间的第三齿轮旋转，所述第一齿轮带动第一开关动作。

所述连通盘为圆形设置，内置有贯穿连通盘并且与所述第一原料管出口和进料管进口相匹配的通孔，当第二电机带动连通盘旋转时，可以控制第一原料的进料，所述通孔可以为一根或者中心对称设置的数根，连通盘旋转角度不同，起到第一原料液的输送和阻塞作用。

进一步的，所述第二进料机构包括设置在所述第二原料管的水平管段位置的第三开关，带动所述第三开关动作的第三电机，设置在所述第三电机和第三开关之间的第四齿轮，与所述第四齿轮啮合传动的第二齿轮，及由所述第二齿轮带动且位于排气管上的第二开关。当喷泉演示实验开始后，头部旋转至身体上部，第二齿轮旋转至容器内时，与第四齿轮啮合传动配合。

进一步的，在所述第二开关和教育机器人头部之间的排气管上还设有一根排气旁管，所述排气旁管上设有第一电动阀。

进一步的，所述的第一微控制器、第二微控制器、第三微控制器均为8位微控制器；所述第一微控制器、第二微控制器分别通过串行接口与第三微控制器连接。

进一步的，所述第一微控制器、第二微控制器的型号为stm8s105s4t6c，第三微控制器的型号为stm8s208c8t6。

相应的，一种如上述智能教育机器人的使用方法，包括以下步骤：

(1)模块调试：将第一微控制器和第二微控制器的串行接口分别与第三微控制器的串行接口连接，并依次进行以下各模块的调试；

第一模块调试：将第一模块内的第一微控制器通过串口蓝牙模块与智能手机无线连接；用智能手机向所述第一微控制器发送针对第一原料罐和容器中实验参数检测传感器的检测命令；所述第一微控制器收到命令后启动检测并将检测结果发给智能手机显示；使用者根据检测结果确定原料罐的液位和容器液位的初始值；将原料罐的液位和容器液位的初始值通过控制程序写入所述第一微控制器中；

第二模块调试：将第二模块内的第二微控制器通过串口蓝牙模块与智能手机无线连接；用智能手机向所述第二微控制器发送各种控制命令；所述第二微控制器收到命令后执行相应操作：控制执行机构动作，并采集实验参数检测传感器的输出数据，计算原料进料量、进料速度等参数发给智能手机显示；使用者根据参数，确定控制程序并写入所述第二微控制器中；

第三模块调试：将第三模块内的第三微控制器通过串口蓝牙模块与智能手机无线连接；用智能手机向所述第三微控制器发送仿真检测数据；所述第三微控制器根据算法将控制命令发给智能手机显示，编写仿真演示程序；

(2)实验演示：所述第三模块通过串行接口向所述第一模块内的第一微控制器发送检测命令；所述第一微控制器返回原料罐的液位和容器液位的初始值；所述第三微控制器收到检测值后根据算法综合判定，确定机器人动作顺序，通过串行接口向所述第二模块内的第二微控制器发出控制命令；所述第二微控制器根据命令对执行机构进行相应地控制，观测头部喷泉的演示效果。

本发明的有益效果：

本发明利用设置在教育机器人各个身体部位上的相应功能部件，通过演示者掌握的基础理论知识和实验预案，结合教育机器人本体内置的测控装置进行模块化编程设计，使演示者可以采用人机交互的模式，进行各项化学实验的演示，从而不仅保证的演示实验的安全进行，提升学生对化学学科的学习兴趣，同时，促进学生在化学和计算机等交叉学科的综合能力提升。

附图说明

图1为本发明教育机器人的整体结构示意图；

图2为本发明教育机器人头部初始状态的剖面示意图；

图3为本发明教育机器人头部演示状态的剖面示意图；

图4为本发明教育机器人使用方法的控制逻辑示意图；

其中，1、头部，2、身体，3、手臂，5、测控装置，21、容器，101、第一齿轮，102、第一开关，103、进料管，104、排气旁管，105、第一电动阀，106、第二齿轮，107、第二开关，108、排气管，109、第一电机，110、第一旋转轴，201、第二电机，202、第三齿轮，203、连通盘，204、第三电机，205、第四齿轮，206、第三开关，301、第一原料罐，302、第一原料管，303、第二电动阀，304、第二原料罐，305、第二原料管，501、第一模块，502、第二模块，503、第三模块。

具体实施方式

以下描述用于揭露本发明以使本领域技术人员能够实现本发明。以下描述中的优选实施例只作为举例，本领域技术人员可以想到其他显而易见的变型。

如图1至图4所示，一种智能教育机器人，包括机器人本体，所述机器人本体内置有测控装置5，所述机器人本体的身体2部位设置有敞口容器21，其头部1可沿第一旋转轴110倒置在所述敞口容器21中，所述第一旋转轴110通过第一电机109控制，所述头部1为一密封的空腔，所述头部1沿纵向延伸设有一根排气管108，所述排气管108末端距离所述第一旋转轴110与所述头部1顶端距离所述旋转轴的距离相等；手臂3左右两侧分别设置有第一原料罐301和第二原料罐304，所述第一原料罐301内添加有浓硝酸，所述第二原料罐304内添加有紫色石蕊溶液，所述第一原料罐301通过第一原料管302与所述头部1下巴位置的进料管103相连，所述第一原料管302上还设置有第二电动阀303，所述第二原料罐304设置有出口末端开口朝下并延伸至所述容器21中的第二原料管305；所述测控装置5包括以下3个模块：

第一模块501用于原料和实验参数的检测，所述第一模块501包括第一微控制器、实验参数检测传感器和人机交互设备；所述实验参数检测传感器、人机交互设备分别与所述第一微控制器连接；

第二模块502用于执行机构的控制，所述第二模块502包括第二微控制器、执行机构及驱动电路、实验参数检测传感器和人机交互设备；所述执行机构通过驱动电路与第二微控制器连接，所述实验参数检测传感器、人机交互设备与所述第二微控制器连接；

第三模块503用于机器人整体控制，所述第三模块503由第三微控制器和人机交互设备组成；所述人机交互设备与所述第三微控制器连接。

串口蓝牙模块可选risymhc-05，与微控制器的一个串行接口连接；微控制器可以通过串口蓝牙模块对外无线收发数据；智能手机内都具有蓝牙模块，安装手机蓝牙串口调试软件后，智能手机可作为一个数据终端使用，智能手机现代大学生已普遍拥有，无需额外配置。

所述实验参数检测传感器为第一液位计和第二液位计。第一液位计和第二液位计均为超声波液位计，且所述第一液位计安装在第一原料罐301上，所述第二液位计安装在容器21上，分别用于监测第一原料罐301和容器21中的液位大小。

所述执行机构为第一电动阀105、第二电动阀303、第一开关102、第二开关107、第三开关206、第一电机109、第二电机201和第三电机204。

所述第一原料管302水平管段延伸至教育机器人身体2内，并与进料管103水平管段之间设置有连通盘203，所述连通盘203可旋转地与第一原料管302和进料管103匹配连接，所述进料管103竖直方向设置有第一开关102，所述连通盘203通过第二电机201带动旋转，所述第二电机201带动位于所述第二电机201和所述连通盘203之间的第三齿轮202旋转，所述第三齿轮202与第一齿轮101啮合传动，所述第一齿轮101带动第一开关102动作。

所述第二原料管305位于教育机器人身体2内的水平管段位置设有第三开关206，所述第三开关206通过第三电机204带动，在第三电机204和第三开关206之间设置有第四齿轮205，所述第四齿轮205与第二齿轮106啮合传动，所述第二齿轮106带动位于排气管108上的第二开关107动作。

在所述第二开关107和教育机器人头部1之间的排气管108上还设有一根排气旁管104，所述排气旁管104上设有第一电动阀105。

所述的第一微控制器、第二微控制器、第三微控制器均为8位微控制器；所述第一微控制器、第二微控制器分别通过串行接口与第三微控制器连接。

所述第一微控制器、第二微控制器的型号为stm8s105s4t6c，第三微控制器的型号为stm8s208c8t6。

相应的，一种如上述智能教育机器人的使用方法，包括以下步骤：

(1)模块调试：将第一微控制器和第二微控制器的串行接口分别与第三微控制器的串行接口连接，并依次进行以下各模块的调试；

第一模块501调试：将第一模块501内的第一微控制器通过串口蓝牙模块与智能手机无线连接；用智能手机向所述第一微控制器发送针对第一原料罐301和容器21中实验参数检测传感器的检测命令；所述第一微控制器收到命令后启动检测并将检测结果发给智能手机显示；使用者根据检测结果确定原料罐的液位和容器21液位的初始值；将原料罐的液位和容器21液位的初始值通过控制程序写入所述第一微控制器中；

第二模块502调试：将第二模块502内的第二微控制器通过串口蓝牙模块与智能手机无线连接；用智能手机向所述第二微控制器发送各种控制命令；所述第二微控制器收到命令后执行相应操作：控制执行机构动作，并采集实验参数检测传感器的输出数据，计算原料进料量、进料速度等参数发给智能手机显示；使用者根据参数，确定控制程序并写入所述第二微控制器中；

第三模块503调试：将第三模块503内的第三微控制器通过串口蓝牙模块与智能手机无线连接；用智能手机向所述第三微控制器发送仿真检测数据；所述第三微控制器根据算法将控制命令发给智能手机显示，编写仿真演示程序；

(2)实验演示：所述第三模块503通过串行接口向所述第一模块501内的第一微控制器发送检测命令；所述第一微控制器返回原料罐的液位和容器21液位的初始值；所述第三微控制器收到检测值后根据算法综合判定，确定机器人动作顺序，通过串行接口向所述第二模块502内的第二微控制器发出控制命令；所述第二微控制器根据命令对执行机构进行相应地控制，观测头部1喷泉的演示效果。

实验演示过程如下：

喷泉演示实验开始前，在倒置的头部1空腔内放置20g的铜片，记录第一原料罐301中的初始液位，记录容器21的初始液位，通过程序控制，依次打开第一电动阀105、第二电动阀303和第二电机201，使第一原料罐301中的浓硝酸流动至头部1空腔中，并与空腔内的铜片发生反应，产生的红棕色二氧化氮气体将空腔内的空气依次通过空腔、排气管108、排气旁管104排净，排净后关闭第一电动阀105、第二电动阀303和第二电机201；开启第一电机109，将倒置的头部1旋转至身体2上方后关闭第一电机109；开启第三电机204，带动第三开关206开启，第二原料液流动至容器21中，此时容器21中的第二原料液淹没过排气管108末端出气口；同时，第三电机204带动第四齿轮205转动，第四齿轮205带动第二齿轮106转动，第二齿轮106进一步地带动第二开关107开启，由于二氧化氮气体与水反应，头部1空腔的压力减小，此时容器21中的紫色石蕊溶液自动沿排气管108向上流动在容器21中喷出，形成美丽的喷泉，自此喷泉演示实验成功完成。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明的范围内。本发明要求的保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。