本發(fā)明涉及機器人技術領域，特別涉及一種可編程的教育機器人系統(tǒng)。

背景技術：

隨著科學技術的發(fā)展，人們普遍認識到基礎技術人才培養(yǎng)的重要性，目前有由科委牽頭在中小學生群體中推廣機器人教育和競賽，培養(yǎng)創(chuàng)新性的科技人才，但目前機器人教育中存在主要問題：

大多數(shù)公司開發(fā)的教育機器人主要是針對機器人競賽，為中小學生提供參加競賽的產(chǎn)品和圖形化編程方法，機器人功能固化，不能很好訓練學生的邏輯和思維能力。

市面上大多數(shù)機器人均是由學生自己聯(lián)想進行組裝，實現(xiàn)對應的功能，但不能在此基礎上對機器人做二次開發(fā)，只適合傳統(tǒng)應試教育，不能很好地開發(fā)學生動手、思維和創(chuàng)新能力。

大多數(shù)小、中、高和大學在校學生沒有進行嵌入式處理器方面知識的系統(tǒng)學習，不具備采用深度開發(fā)和使用c語言或匯編語言嵌入式編程的基礎，因此對機器人的功能拓展難于實現(xiàn)。

特別是中職、高職和大學學生在學校畢業(yè)后，因對嵌入式處理器知識了解很少，知識與實際脫節(jié)，不能很快適應企業(yè)對技術人才快速融入的要求。

技術實現(xiàn)要素：

針對上述現(xiàn)有的教育機器人功能固化，不能很好訓練學生的邏輯和思維能力，，不具備采用深度開發(fā)和使用c語言或匯編語言嵌入式編程的基礎，因此對機器人的功能拓展難于實現(xiàn)等問題，本發(fā)明要解決的技術問題是提供一種可編程的教育機器人系統(tǒng)。

為解決上述技術問題，本發(fā)明的技術方案為：一種可編程的教育機器人系統(tǒng)，包電源管理單元、主控制器單元、無線通信單元、傳感器單元、機械手臂控制單元、車體運動控制單元、語音播放單元、擴展應用單元、編程接口單元、蜂鳴器和指示燈，所述電源管理單元為主控制器單元、無線通信單元、傳感器單元、機械手臂控制單元、語音播放單元、車體運動控制單元、擴展應用單元、編程接口單元供電，所述主控制器單元分別與無線通信單元、傳感器單元、機械手臂控制單元、車體運動控制單元、語音播放單元、擴展應用單元、編程接口單元、蜂鳴器和指示燈進行通訊連接。

上述方案的優(yōu)選方案為：所述電源管理單元包括為機器人整機供電的可充電鋰電池、第1級ldo和第2級ldo；所述可充電鋰電池為所述第1級ldo供電；所述第1級ldo將可充電鋰電池電壓轉換為5v直流電壓，為所述語音播放單元、機械手臂控制單元和第2級ldo供電；所述第2級ldo將第1級ldo輸出的電壓轉換為3.3v的直流電壓，為所述主控制器單元、無線通信單元、傳感器單元、擴展應用單元、編程接口單元供電。

上述方案的優(yōu)選方案為：所述主控制器單元為32位armcortex-m3微處理器，用于所有外部及內部信號的采集與處理、車體的運動控制和機械手臂的操控、通信指令的解析和處理。

上述方案的優(yōu)選方案為：所述無線通信單元包括無線手柄通信模塊、wifi通信模塊、無線手柄和無線wifi設備；所述主控制器單元通過控制無線手柄通信模塊向無線手柄發(fā)出讀取按鍵值的請求指令，無線手柄根據(jù)請求返回按鍵值到無線手柄通信模塊，再由無線手柄通信模塊將按鍵值轉遞給主控制器單元進行數(shù)據(jù)處理；實現(xiàn)操作人員與機器人之間的控制通信，所述主控制器單元通過wifi通信模塊與無線wifi設備與機器人之間的數(shù)據(jù)交換。

上述方案的優(yōu)選方案為：所述傳感器單元包括包含聲音傳感器、地面灰度傳感器、紅外傳感器和超聲波傳感器，用于完成周圍環(huán)境數(shù)據(jù)的識別和檢測；所述聲音傳感器是通過mic將機器人周邊噪聲和聲音信號轉換為電信號并進行放大后將聲音數(shù)據(jù)傳遞給主控制器單元，主控制器單元通過與基準信號比較或讀取輸入狀態(tài)判斷聲音是否超過控制門限，主控制器單元根據(jù)設置條件控制機械手臂和車體運動的工作狀態(tài)；所述地面灰度傳感器嵌入到在機器人底盤，通過5組光敏二極管采集地面不同顏色的反射光并將其轉換為電信號給主控制器單元，用于機器人行走軌跡任務的路線識別，主控制器單元通過計算和處理采集到的信號并根據(jù)設置條件控制機械手臂和車體運動的工作狀態(tài)；所述紅外傳感器安裝在機器人前端，所述主控制器單元控制紅外發(fā)射二極管發(fā)出38khz的紅外光源，當前方有障礙物時，紅外傳感器內的紅外接收二極管接收到返回的紅外光源，并輸出一個電平轉換信號給主控制器單元，主控制器單元根據(jù)設置條件控制機械手臂和車體運動的工作狀態(tài)；所述超聲波傳感器安裝在機器人前端，所述主控制器單元控制超聲波傳感器發(fā)出超聲波信號，當前方有障礙物物時，超聲波傳感器收到超聲波返回信號，并產(chǎn)生一個電平信號給主控制器單元，主控制器單元根據(jù)超聲波傳感器產(chǎn)生的電平信號計算前方障礙物與機器人之間的距離，然后根據(jù)設置條件控制機械手臂和車體運動的工作狀態(tài)。

上述方案的優(yōu)選方案為：所述機械手臂控制單元包括支架和機械手臂，所述機械手臂包括第一舵機、連接支架、第二舵機和夾具；所述第一舵機安裝在支架上；所述第一舵機與第二舵機通過連接支架連接；所述第二舵機上連接有夾具，第一舵機用于控制機械手臂的翻轉角度，第二舵機用于控制機械手臂的張開與合攏，進行夾取物品或叉取物品。

上述方案的優(yōu)選方案為：所述車體運動控制單元包括車座、直流電機控制模塊、4個直流電機和4個車輪；所述車座上設置有4個直流電機和4個車輪；所述直流電機與車輪一一對應連接，直流電機通過機械傳動車輪，實現(xiàn)車輪的轉動控制；所述直流電機控制模塊與直流電機連接；所述主控制器單元控制直流電機控制模塊實現(xiàn)機器人的運動控制。

上述方案的優(yōu)選方案為：所述語音播放單元包括音頻解碼芯片、tf卡座、音頻放大器和揚聲器；所述主控制器單元通過指令控制音頻解碼芯片的工作狀態(tài)；所述tf卡座連接到音頻解碼芯片，由音頻解碼芯片讀取tf卡中的音頻文件，通過音頻解碼后將信號給音頻放大器，聲音信號通過放大后推動揚聲器發(fā)出聲音。

上述方案的優(yōu)選方案為：所述擴展應用單元為用戶提供可編程的操作接口，用于用戶通過主控制器單元獲取外部設備數(shù)據(jù)或控制外部設備。

上述方案的優(yōu)選方案為：所述編程接口單元一端連接到主控制器單元，另外一端通過串口線纜連接到電腦，用于將用戶通過電腦編程的程序下載到機器人并運行和驗證程序正確性。

與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明具有以下有益效果：

1)操作簡單，成本低，可很好普及到學校；

2)提供圖形化、c語言、匯編語言編程環(huán)境，方便用戶學習課程體系。

3)底層驅動進行模塊化封裝，用戶不需要了解嵌入式處理器底層代碼就可實現(xiàn)編程。

4)用戶可以任意操作主控制器單元，進行二次開發(fā)，自由擴展外部設備，便于用戶的創(chuàng)新。

5)通過本機器人教學課程的開展，可以使學生深入了解嵌入式處理器架構，做到學以致用。

6)灰度傳感器嵌入到底盤中，5組地面灰度識別，可以很好識別線路和避開障礙。

附圖說明

圖1為本發(fā)明一種可編程的教育機器人系統(tǒng)的示意圖；

圖2為本發(fā)明中機械手臂的結構示意圖；

圖3為本發(fā)明中車體的結構示意圖；

圖4為本發(fā)明中機器人整機的示意圖。

圖中：1-電源管理單元，2-主控制器單元，3-語音播放單元，4-機械手臂控制單元，5-車體運動控制單元，6-指示燈，7-蜂鳴器，8-傳感器單元，9-編程接口單元，10-擴展應用單元，11-無線通信單元，41-支架，42-第一舵機，43-第二舵機，44-機械手臂，45-夾具，51-車座，52-車輪，53-直流電機，12-機器人車體。

具體實施方式

下面結合附圖對本發(fā)明的具體實施方式作進一步說明。在此需要說明的是，對于這些實施方式的說明用于幫助理解本發(fā)明，但并不構成對本發(fā)明的限定。此外，下面所描述的本發(fā)明各個實施方式中所涉及的技術特征只要彼此之間未構成沖突就可以相互組合。

如圖1、2、3、4所示,本實施例的一種可編程的教育機器人系統(tǒng)，包電源管理單元1、主控制器單元2、無線通信單元11、傳感器單元8、機械手臂控制單元4、車體運動控制單元5、語音播放單元3、擴展應用單元10、編程接口單元9、蜂鳴器7和指示燈6，電源管理單元1為主控制器單元2、無線通信單元11、傳感器單元8、機械手臂控制單元4、語音播放單元3、車體運動控制單元5、擴展應用單元10、編程接口單元9供電，主控制器單元2分別與無線通信單元11、傳感器單元8、機械手臂控制單元4、車體運動控制單元5、語音播放單元3、擴展應用單元10、編程接口單元9、蜂鳴器7和指示燈6進行通訊連接。

其中，電源管理單元1包括為機器人整機供電的可充電鋰電池、第1級ldo和第2級ldo；可充電鋰電池為第1級ldo供電；第1級ldo將可充電鋰電池電壓轉換為5v直流電壓，為語音播放單元3、機械手臂控制單元4和第2級ldo供電；所述第2級ldo將第1級ldo輸出的電壓轉換為3.3v的直流電壓，為主控制器單元2、無線通信單元11、傳感器單元8、擴展應用單元10、編程接口單元9供電。

其中，主控制器單元2為32位armcortex-m3微處理器，用于所有外部及內部信號的采集與處理、車體的運動控制和機械手臂的操控、通信指令的解析和處理。

其中，無線通信單元11包括無線手柄通信模塊、wifi通信模塊、無線手柄和無線wifi設備；主控制器單元2通過控制無線手柄通信模塊向無線手柄發(fā)出讀取按鍵值的請求指令，無線手柄根據(jù)請求返回按鍵值到無線手柄通信模塊，再由無線手柄通信模塊將按鍵值轉遞給主控制器單元2進行數(shù)據(jù)處理；實現(xiàn)操作人員與機器人之間的控制通信，主控制器單元2通過wifi通信模塊與無線wifi設備與機器人之間的數(shù)據(jù)交換。

其中，傳感器單元8包括包含聲音傳感器、地面灰度傳感器、紅外傳感器和超聲波傳感器，用于完成周圍環(huán)境數(shù)據(jù)的識別和檢測；聲音傳感器是通過mic將機器人周邊噪聲和聲音信號轉換為電信號并進行放大后將聲音數(shù)據(jù)傳遞給主控制器單元2，主控制器單元2通過與基準信號比較或讀取輸入狀態(tài)判斷聲音是否超過控制門限，主控制器單元2根據(jù)設置條件控制機械手臂和車體運動的工作狀態(tài)；地面灰度傳感器嵌入到在機器人底盤，通過5組光敏二極管采集地面不同顏色的反射光并將其轉換為電信號給主控制器單元2，用于機器人行走軌跡任務的路線識別，主控制器單元2通過計算和處理采集到的信號并根據(jù)設置條件控制機械手臂和車體運動的工作狀態(tài)；紅外傳感器安裝在機器人前端，主控制器單元2控制紅外發(fā)射二極管發(fā)出38khz的紅外光源，當前方有障礙物時，紅外傳感器內的紅外接收二極管接收到返回的紅外光源，并輸出一個電平轉換信號給主控制器單元2，主控制器單元2根據(jù)設置條件控制機械手臂和車體運動的工作狀態(tài)；超聲波傳感器安裝在機器人前端，主控制器單元2控制超聲波傳感器發(fā)出超聲波信號，當前方有障礙物物時，超聲波傳感器收到超聲波返回信號，并產(chǎn)生一個電平信號給主控制器單元2，主控制器單元2根據(jù)超聲波傳感器產(chǎn)生的電平信號計算前方障礙物與機器人之間的距離，然后根據(jù)設置條件控制機械手臂和車體運動的工作狀態(tài)。

其中，機械手臂控制單元4包括固定支架41和機械手臂44，機械手臂44包括第一舵機42、連接支架46、第二舵機43和夾具45；第一舵機42安裝在固定支架41上；第一舵機41與第二舵機43通過連接支架46連接；第二舵機43上連接有夾具45，第一舵機用于控制機械手臂的翻轉角度，第二舵機用于控制機械手臂的張開與合攏，進行夾取物品或叉取物品。

其中，車體運動控制單元5包括車座51、直流電機控制模塊、4個直流電機53和4個車輪52；車座51上設置有4個直流電機53和4個車輪52；直流電機53與車輪52一一對應連接，直流電機通過機械傳動車輪，實現(xiàn)車輪的轉動控制；所述直流電機控制模塊與直流電機連接；所述主控制器單元控制直流電機控制模塊實現(xiàn)機器人的運動控制。

其中，語音播放單元3包括音頻解碼芯片、tf卡座、音頻放大器和揚聲器；所述主控制器單元通過指令控制音頻解碼芯片的工作狀態(tài)；所述tf卡座連接到音頻解碼芯片，由音頻解碼芯片讀取tf卡中的音頻文件，通過音頻解碼后將信號給音頻放大器，聲音信號通過放大后推動揚聲器發(fā)出聲音。

其中，擴展應用單元10為用戶提供可編程的操作接口，用于用戶通過主控制器單元獲取外部設備數(shù)據(jù)或控制外部設備。

其中，編程接口單元9一端連接到主控制器單元，另外一端通過串口線纜連接到電腦，用于將用戶通過電腦編程的程序下載到機器人并運行和驗證程序正確性。

以上結合附圖對本發(fā)明的實施方式作了詳細說明，但本發(fā)明不限于所描述的實施方式。對于本領域的技術人員而言，在不脫離本發(fā)明原理和精神的情況下，對這些實施方式進行多種變化、修改、替換和變型，仍落入本發(fā)明的保護范圍內。