專利名稱：個人機器人的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種面向教育的個人機器人系統(tǒng)，特別是公開一種采用兩輪驅(qū)動的移動底盤、基于單片機的控制系統(tǒng)，運行于個人電腦上軟件開發(fā)環(huán)境，適用于教學實驗的個人機器人。
本發(fā)明是這樣來實現(xiàn)的該系統(tǒng)的機械部分包括外殼、底盤及其驅(qū)動系統(tǒng)、位于底盤兩側(cè)的主動輪、前后布置的隨動輪；其電子部分包括裝置在底盤上面的控制板，控制板上裝置有高性能單片機、外部存儲器、RS232串行口、A/D、并行I/O口、通用擴展總線，裝置在外殼上并與控制板連接的光敏傳感器、測障紅外傳感器、碰撞傳感器液晶顯示屏以及電池；其軟件部分包括操作系統(tǒng)和圖形化開發(fā)環(huán)境；通過一根通訊線，把機器人上的操作系統(tǒng)和個人電腦上運行的開發(fā)環(huán)境相連接；在電腦上設計好的機器人程序可以隨時下載到機器人控制板上，機器人自主運行該程序，完成任務。
本發(fā)明個人機器人通過在個人電腦上安裝機器人軟件開發(fā)環(huán)境，用通用高級語言如C語言進行編程，再將編好的程序通過電腦通訊口下載到機器人里；機器人將下載的程序記憶在存儲器里，每次滿足運行條件時，就可以自動按照程序運行。因為存儲器中的內(nèi)容是可擦寫的，所以這樣的過程可以反復的進行操作。根據(jù)具體問題設計不同的機器人程序，下載下去，調(diào)試機器人執(zhí)行的效果，可以讓機器人在各種環(huán)境中完成不同的任務。這樣就能夠激發(fā)學生對獲取知識的興趣。
附圖
2個人機器人實施例二的透視圖，是個人機器人用于機器人搬運工教學實驗的一種設計方案，表明通用擴展總線的用法。
附圖3第二個實施例中通用擴展總線邏輯圖，表明總線接口與擴展器件關系。
附圖4第二個實施例中個人機器人的軟件運行狀態(tài)圖，顯示用戶程序和驅(qū)動程序關系。
附圖5第二個實施例的個人機器人的用戶程序交互式開發(fā)流程圖。
個人機器人的底盤5是機器人運動的基礎和機械執(zhí)行機構(gòu)擴展的平臺。在該實施例中底盤采用雙輪差動方式驅(qū)動，包括左輪6，左電機7，右輪8，右電機9，導向輪10。左輪7和右輪8的控制是獨立的，兩輪的轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速可以是不同的。導向輪10本身只起支撐和隨動作用。該底盤運動機構(gòu)只是個人機器人一種可能的驅(qū)動方式，在不同教學實驗里，個人機器人可以采用四輪，履帶或多足行走等運動機構(gòu)。
紅外線測障礙傳感器系統(tǒng)是個人機器人的感知外界的基本裝置，包括左紅外發(fā)射管11，右紅外發(fā)射管13，紅外接收管12，紅外線測障礙專用驅(qū)動接口14。在該實施例中測障系統(tǒng)采用最小化配置，只測左右兩個方向的障礙。經(jīng)過調(diào)制的紅外線脈沖發(fā)射后，遇障礙物返回，被紅外接收管12接收。由于左右兩個發(fā)射管是分時發(fā)射的，所以紅外接收管12可以區(qū)分出接收到的反射信號是由哪個方向發(fā)出的。調(diào)制的紅外線脈沖發(fā)射接收在很短促時間內(nèi)完成，不會被外界紅外源或另一臺個人機器人的發(fā)射所干擾。該系統(tǒng)可以根據(jù)教學實驗需要擴展到前后上下左右多個方向，實現(xiàn)多方位的環(huán)境障礙檢測。
實施例2根據(jù)附圖2，個人機器人在實施例1基本結(jié)構(gòu)的基礎上擴展了搬運機構(gòu)15和超聲波測距傳感器17。在該實施例中，要求個人機器人對搬運物體和環(huán)境要精確定位，并有夾持物體的機械手。超聲波測距傳感器17連接在超聲驅(qū)動卡18上，可以對環(huán)境做精確的定位。搬運機構(gòu)15是通過伺服電機驅(qū)動，并連接在伺服電機驅(qū)動卡16上，可以夾持、搬運和釋放物體。如利用AS-CCD系統(tǒng)的偵察機器人和遙控操作機器人、利用AS-ARM機械手的工業(yè)機器人和搬運機器人、利用AS-HAND手爪的送信機器人和撿廢紙機器人、利用AS-SERVO卡的多用途機械手和機器昆蟲以及利用AS-SONAR卡的導盲機器人和測距機器人。伺服電機驅(qū)動卡16和超聲驅(qū)動卡18堆疊在通用擴展總線接口2的兩個插槽19和20上，與控制板4連接，接受程序控制。
根據(jù)附圖3，通用擴展總線接口2由8位數(shù)據(jù)口23、地址選擇口24、模擬口25、數(shù)字IO口26和電源27組成。伺服電機驅(qū)動電路21使用了8位數(shù)據(jù)口23、地址選擇口24和電源27，超聲驅(qū)動電路22使用了數(shù)字IO口26和電源27。
根據(jù)附圖4，用戶根據(jù)教學實驗要求設計的程序，即用戶程序。用戶程序不是在單片機35上直接運行，而是運行在個人機器人的系統(tǒng)軟件內(nèi)核32之上的。個人機器人的系統(tǒng)軟件內(nèi)核32是一個運行在單片機35上的小型多任務操作系統(tǒng)。它包括三部分主體進程調(diào)度、解釋器和中斷處理服務。用戶程序運行時可以是一個進程，也可以是多進程，都稱為用戶進程29。進程調(diào)度是實現(xiàn)多任務的核心。解釋器在用戶程序運行時，把用戶進程29代碼轉(zhuǎn)換成單片機35能直接執(zhí)行的機器指令。中斷處理服務則是處理實時任務。
教學實驗中使用外部的傳感器37和執(zhí)行器38，需要載入相應的驅(qū)動程序。要使用搬運機構(gòu)15和超聲波測距傳感器17，除了要在通用擴展總線2(19，20)插上伺服電機驅(qū)動卡16和超聲驅(qū)動卡18，用戶程序中還要載入伺服驅(qū)動和超聲驅(qū)動程序。硬件接口36是所有擴展接口的集合，它包括專用接口，如紅外線測障礙專用驅(qū)動接口14，也包括通過通用擴展總線2擴展的所有傳感器37和執(zhí)行器38的驅(qū)動電路。
根據(jù)附圖5，用戶在程序編寫環(huán)境41中修改用戶程序39，并下載到個人機器人45上。用戶可以發(fā)出調(diào)試命令或直接允許程序中的某條語句40，交互命令處理42接收命令和語句交由個人機器人45執(zhí)行，并把執(zhí)行結(jié)果返回給用戶。所有程序下載和調(diào)試命令和語句都是通過個人電腦的通訊串口44傳給個人機器人45，個人機器人45通過自己的通訊串口34接收，由系統(tǒng)軟件中的交互進程28處理和執(zhí)行，執(zhí)行結(jié)果按相反方向傳回用戶。
權利要求
1.一種個人機器人，它包括機械、電子、軟件三部分，其特征在于該系統(tǒng)的機械部分包括外殼、底盤及其驅(qū)動系統(tǒng)、位于底盤兩側(cè)的主動輪，前后布置的隨動輪；其電子部分包括裝置在底盤上面的控制板，控制板上裝置有高性能單片機、外部存儲器、RS232串行口、A/D、并行I/O口、通用擴展總線，裝置在外殼上并與控制板連接的光敏傳感器、測障礙紅外傳感器、碰撞傳感器、液晶顯示屏以及電池；軟件部分包括操作系統(tǒng)和圖形化開發(fā)環(huán)境；通過一根通訊線，把機器人上的操作系統(tǒng)和個人電腦上運行的圖形化開發(fā)環(huán)境相連接；在電腦上設計好的機器人程序可以隨時下載到機器人控制板上，機器人自主運行該程序，完成任務。
2.根據(jù)權利要求1所述的個人機器人，其特征在于所述的機械部分中的底盤驅(qū)動系統(tǒng)采用雙輪差動方式驅(qū)動，碰撞傳感器由碰撞開關和碰撞環(huán)組成，碰撞環(huán)的彈簧與底盤柔性連接、可以感受不同方向上碰撞；主動輪采用編程分別控制兩輪速度，主動輪與齒輪頭相連，齒輪頭包括電機和減速箱兩部分，用于驅(qū)動主動輪，齒輪頭輸出軸上裝置有碼盤，與光電偶合器配合使用來檢測輪子轉(zhuǎn)速。
3.根據(jù)權利要求1所述的個人機器人，其特征在于所述的電子部分中的高性能單片機是CPU 68HC11，控制板還設計有定時器系統(tǒng)、中斷和復位系統(tǒng)、有下載、停、運行三種狀態(tài)的主開關、激活機器人中現(xiàn)有程序的復位鍵以及通過串口連接線與計算機連接、用于程序下載等操作的通信口，通用擴展總線ASBUS設計含有單片機的數(shù)據(jù)線和地址線、通用模擬口和數(shù)字口、以及擴展所需的電源線；控制板采用外部靜態(tài)不揮發(fā)RAM存儲操作系統(tǒng)和用戶程序。
4.根據(jù)權利要求1所述的個人機器人，其特征在于所述的軟件部分中用戶程序在開發(fā)環(huán)境下編譯，先編譯生成中間代碼，而不直接編譯生成針對特定處理器的機器代碼，然后下載到控制板，由實時控制系統(tǒng)軟件解釋執(zhí)行。
5.根據(jù)權利要求1所述的個人機器人，其特征在于所述的CPU 68HC11上設計微型實時多任務嵌入系統(tǒng)ASOS，采用虛擬機技術，用戶程序是轉(zhuǎn)換為虛擬機代碼運行。
6.根據(jù)權利要求1所述的個人機器人，其特征在于所述的系統(tǒng)軟件含有一個包括實現(xiàn)多任務的進程調(diào)度、把用戶進程代碼轉(zhuǎn)換成機器指令的解釋器和處理實時任務的中斷處理服務三部分的系統(tǒng)軟件內(nèi)核。
7.由權利要求1-6所述個人機器人的用途，其特征在于個人機器人主要應用于教學實驗的教學實驗機器人。
8.根據(jù)權利要求7所述的個人機器人的用途，其特征在于個人機器人還可以利用AS-CCD系統(tǒng)的偵察機器人和遙控操作機器人、利用AS-ARM機械手的工業(yè)機器人和搬運機器人、利用AS-HAND手爪的送信機器人和撿廢紙機器人、利用AS-SERVO卡的多用途機械手和機器昆蟲以及利用AS-SONAR卡的導盲機器人和測距機器人。
全文摘要
本發(fā)明為一種個人機器人,該系統(tǒng)的機械部分包括外殼、底盤驅(qū)動系統(tǒng)、主動輪、導向輪、避碰機構(gòu);其電子部分包括由高性能單片機、外部存儲器、RS232串行口、A/D、并行I/O口、通用擴展總線組成的控制板,外部連接有光敏傳感器、測障礙傳感器、顯示用的液晶顯示屏以及電池;其軟件部分包括操作系統(tǒng)和開發(fā)環(huán)境。通過一根通訊線,把機器人上的操作系統(tǒng)和個人電腦上運行的圖形化開發(fā)環(huán)境相連接。在電腦上設計好的機器人程序可以隨時下載到機器人控制板上,機器人自主運行該程序,完成任務。本發(fā)明通過采用開放的接口,從而使個人機器人的軟硬件得以擴展,滿足設計靈活多樣的教學實驗,在普及教育方面具有較好的推廣價值。
文檔編號B25J5/00GK1369356SQ0211112
公開日2002年9月18日 申請日期2002年3月21日 優(yōu)先權日2002年3月21日
發(fā)明者孔鵬 申請人:上海廣茂達電子信息有限公司