一种多形态STEM教育机器人

摘要

本发明适用于智能机器人技术领域，提供了一种多形态STEM教育机器人，包括机器人主体，所述机器人主体包括行走架、主控模块和电池模组，所述机器人主体的两侧分别设置有两个用于安装动力器件的安装孔，多形态STEM教育机器人还包括多组可选择性连接于所述安装孔的行走部件，行走部件包括至少两个可替换式连接于所述安装孔处的动力器件，所述行走部件还包括用于与不同所述动力器件匹配的轮体或机械臂。本发明中，机器人主体结构合理紧凑，通过设置通用的安装孔，不同的动力器件可以适配安装于安装孔处，机器人主体可以匹配不同的动力器件、轮体或机械臂实现不同的形态，组件具有通用性，利于降低采购成本，从而利于产品及技术的推广应用。

说明书

技术领域

本发明属于智能机器人技术领域，尤其涉及一种多形态STEM教育机器人。

背景技术

目前的智能机器人，例如用于STEAM教育领域的机器人，主要面向对编程和机器人感兴趣的客户群体,由于该领域对机器人产品的类型要求很多，需要研发各种不同形态的机器人来满足客户的心理预期,并且由于产品种类过多,对于教育机构来说会增加很多采购成本，不同机器人之间的零件也很难通用。导致了配货数不好预估，有可能还会造成厂商库存积压。对于客户群体而言，也增加了购买成本，不利于产品及技术的推广。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供了一种多形态STEM教育机器人，其部件具有通用性，利于降低采购成本，从而利于产品及技术的推广。

本发明的技术方案是：一种多形态STEM教育机器人，包括机器人主体，所述机器人主体包括行走架、主控模块和电池模组，所述机器人主体的两侧分别设置有两个用于安装动力器件的安装孔，所述多形态STEM教育机器人还包括多组可选择性连接于所述安装孔的行走部件，所述行走部件包括至少两个可替换式连接于所述安装孔处的动力器件，所述行走部件还包括用于与不同所述动力器件匹配的轮体或机械臂。

具体地，所述动力器件包括两个并列设置的180度舵机、一个360度舵机和一个直流减速电机；所述机械臂为用于与所述180度舵机配合且用于步态行走的多连杆机构。

具体地，所述轮体为用于与所述360度舵机配合的行走轮和用于与所述直流减速电机配合的竞速轮；所述两个180度舵机、一个360度舵机和一个直流减速电机择一插于所述安装孔处并通过锁紧件连接于所述行走架，所述锁紧件螺纹连接于所述安装孔两侧的螺纹孔。

具体地，所述安装孔呈矩形。

具体地，所述多连杆机构包括第一连杆、第二连杆、第三连杆和第四连杆，所述第一连杆的第一端固定连接于同一所述安装孔处的一个所述180度舵机，所述第一连杆的第二端转动连接于所述第二连杆的第一端，所述第二连杆的第二端转动连接于所述第三连杆的第一端，所述第三连杆的第二端转动连接于所述第四连杆的第一端，所述第车连杆的第二端固定连接于另一个所述180度舵机。

具体地，所述主控模块为树莓派主控器，所述树莓派主控板与所述电池模组连接，所述180度舵机、所述360度舵机和所述直流减速电机连接于所述行走架时与所述树莓派主控板连接。

具体地，所述行走架包括冲压折弯成型的铝合金底盘和冲压折弯成型的铝合金盖板，所述铝合金盖板连接于所述铝合金底盘，所述树莓派主控板连接于所述铝合金底盘上且位于所述铝合金盖板下方，所述树莓派主控板具有电源接口、USB接口和视频输出接口。

具体地，所述铝合金盖板上固定连接有支架，所述支架固定连接有摄像头模块，所述摄像头模块电连接于树莓派主控板；

所述铝合金底盘的前端设置有超声波模块，所述超声波模块电连接于树莓派主控板；

所述铝合金底盘的前端设置有LED模块，所述LED模块电连接于树莓派主控板；

所述铝合金底盘的前端底部处设置有颜色识别模块，所述颜色识别模块电连接于树莓派主控板；

所述铝合金盖板连接有手势姿态传感器，所述手势姿态传感器电连接于树莓派主控板。

具体地，所述铝合金盖板的前端设置有倾斜面板，所述倾斜面板上连接有显示屏模块，所述显示屏模块电连接于树莓派主控板。

具体地，所述铝合金盖板和所述铝合金底盘上还设置有安装预留孔位。

具体地，所述铝合金盖板和所述铝合金底盘上设置有镂空孔位。

本发明所提供的一种多形态STEM教育机器人，机器人主体结构合理紧凑，通过设置通用的安装孔，不同的动力器件可以适配安装于安装孔处，机器人主体可以匹配不同的动力器件、轮体或机械臂实现不同的形态，组件具有通用性，利于降低采购成本，从而利于产品及技术的推广应用。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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的附图。

图1是本发明实施例提供的一种多形态STEM教育机器人中机器人主体第一视角的立体示意图；

图2是本发明实施例提供的一种多形态STEM教育机器人中机器人主体第二视角的立体示意图；

图3是本发明实施例提供的一种多形态STEM教育机器人中机器人主体第三视角的立体示意图；

图4是本发明实施例提供的一种多形态STEM教育机器人中机器人主体第四视角的立体示意图；

图5是本发明实施例提供的一种多形态STEM教育机器人中机器狗形态下去除一组多连杆行走部件的立体示意图；

图6是本发明实施例提供的一种多形态STEM教育机器人中机器狗形态的立体示意图；

图7是本发明实施例提供的一种多形态STEM教育机器人中行走小车形态下去除四组多连杆行走部件的立体示意图；

图8是本发明实施例提供的一种多形态STEM教育机器人中行走小车形态下去除四个行走轮的立体示意图；

图9是本发明实施例提供的一种多形态STEM教育机器人中行走小车形态的立体示意图；

图10是本发明实施例提供的一种多形态STEM教育机器人中竞速赛车形态下去除一个竞速轮的立体示意图；

图11是本发明实施例提供的一种多形态STEM教育机器人中竞速赛车形态下去的立体示意图；

图12是本发明实施例提供的一种多形态STEM教育机器人中盖板的立体示意图；

图13是本发明实施例提供的一种多形态STEM教育机器人中底盘的立体示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1至图13所示，本发明实施例提供的一种多形态STEM教育机器人，包括机器人主体100，所述机器人主体100包括行走架110、主控模块120和电池模组130，所述机器人主体100的两侧分别设置有两个用于安装动力器件的安装孔101，所述多形态STEM教育机器人还包括多组可选择性连接于所述安装孔101的行走部件，所述行走部件包括至少两个可替换式连接于所述安装孔101处的动力器件，所述行走部件还包括用于与不同所述动力器件匹配的轮体或机械臂。通过设置通用的安装孔101，使用者可以根据不同的应用场景选择不同的动力器件和轮体/机械臂进行组合，通过不同类型的动力器件并匹配不同的轮体，可以获得不同功能、满足不同要求的机器人小车，通过匹配机械臂，可以实现步态行走式的机器人(机器狗)，通过共用机器人主体100，组件具有通用性，利于降低采购成本，从而利于产品及技术的推广应用。

具体地，所述动力器件包括两个并列设置的180度舵机210、一个360度舵机310和一个直流减速电机410；所述机械臂为用于与所述180度舵机210配合且用于步态行走的多连杆机构。

具体地，所述轮体为用于与所述360度舵机310配合的行走轮320和用于与所述直流减速电机410配合的竞速轮420。竞速轮420的胎面宽度小于行走轮320的胎面宽度，其摩擦力较小，利于获得更高的速度。

180度舵机210和多连杆机构可以组成多连杆行走部件200。

360度舵机310和行走轮320可以组成行走轮部件300。

直流减速电机410和竞速轮420可以组成竞速轮部件400。

本实施例中，多形态STEM教育机器人除了可共用的机器人主体100，还包括四组多连杆行走部件200、四组行走轮部件300和四组竞速轮部件400，使用者可以根据需要灵活应用。每组所述多连杆行走部件200包括两个并列设置且可以安装于所述安装孔101处的180度舵机210和一个与所述180度舵机210配合且用于步态行走的多连杆机构；每组所述行走轮部件300包括一个可以安装于所述安装孔101处的360度舵机310和一个与所述360度舵机310配合的行走轮320；每组所述竞速轮部件400包括一个可以安装于所述安装孔101处的直流减速电机410和一个用于与所述直流减速电机410配合的竞速轮420。这样，可以共用一个机器人主体100，四组多连杆行走部件200、四组行走轮部件300和四组竞速轮部件400可以作为通用的替换附件，使用者只需一个机器人主体100，通过四组多连杆行走部件200、四组行走轮部件300和四组竞速轮部件400可以组装形成不同形状的机器人，例如机器人主体100结合四组多连杆行走部件200可以组成机器狗形态(如图5、6所示)，机器人主体100结合四组行走轮部件300可以组成行走小车形态(如图7、8、9所示)，机器人主体100结合四组竞速轮部件400可以组成竞速赛车形态(如图10、11所示)。

具体地，所述两个180度舵机210、一个360度舵机310和一个直流减速电机410择一插于所述安装孔101处并通过锁紧件连接于所述行走架110，所述锁紧件螺纹连接于所述安装孔101两侧的螺纹孔102，螺纹孔102可作为锁紧孔，其设置有多个且不同规格，以便于固定不同的电机、舵机等。

具体地，所述安装孔101呈矩形，以便于安装电机、舵机，本实施例中，180度舵机210、360度舵机310可以固定于安装孔101内侧。直流减速电机410可以固定于安装孔101的外侧。当然，电机、舵机的位置可以根据实际情况设定。

具体地，所述多连杆机构包括第一连杆231、第二连杆232、第三连杆233和第四连杆234，所述第一连杆231的第一端固定连接于同一所述安装孔101处的一个所述180度舵机210，所述第一连杆231的第二端转动连接于所述第二连杆232的第一端，所述第二连杆232的第二端转动连接于所述第三连杆233的第一端，所述第三连杆233的第二端转动连接于所述第四连杆234的第一端，所述第车连杆的第二端固定连接于另一个所述180度舵机210，第一连杆231、第二连杆232、第三连杆233和第四连杆234组装至后两个180度舵机210后呈菱形，通过两个180度舵机210的配合，可以实现机器狗形态的行走。本实施例中，多连杆机构设置有四组，180度舵机210具有8个。

具体地，所述主控模块120为树莓派主控器，所述树莓派主控板与所述电池模组130连接，所述180度舵机210、所述360度舵机310和所述直流减速电机410连接于所述行走架110时与所述树莓派主控板连接。树莓派主控器还可以设置有无线模块，用户可以通过遥控器或手机等终端对多形态STEM教育机器人进行遥控，多形态STEM教育机器人也可以通过无线模块向遥控器或手机等指定终端反馈数据信息。

具体地，所述行走架110包括冲压折弯成型的铝合金底盘140和冲压折弯成型的铝合金盖板150，所述铝合金盖板150连接于所述铝合金底盘140，所述树莓派主控板连接于所述铝合金底盘140上且位于所述铝合金盖板150下方，所述树莓派主控板具有电源接口、USB接口和视频输出接口等。

具体地，所述盖板150上固定连接有支架170，所述支架170固定连接有摄像头模块510，所述摄像头模块510电连接于树莓派主控板，功能丰富。

具体地，所述底盘140的前端设置有超声波模块520，所述超声波模块520电连接于树莓派主控板，超声波模块520可用于测距、避障等。

具体地，所述底盘140的前端设置有LED模块530，所述LED模块530电连接于树莓派主控板，可以用作照明或指示灯等。

具体地，所述底盘140的前端底部处设置有颜色识别模块540，所述颜色识别模块540电连接于树莓派主控板，可以应用于循迹行走。

具体地，所述盖板150连接有手势姿态传感器，所述手势姿态传感器电连接于树莓派主控板，手势姿态传感器可以识别使用者的手势，并使树莓派主控板根据预设作对对应的控制指令。

具体地，所述盖板150的前端设置有前斜板151，所述前斜板151上连接有显示屏模块550，所述显示屏模块550电连接于树莓派主控板。本实施例中，所述盖板150包括顶板154和两个分别一体折弯成型于所述顶板154两侧的侧斜板152，所述顶板154与所述底板之间通过多个支撑杆160连接，所述顶板154的前端一体折弯成型有前斜板151，所述前斜板151设置有用于安装显示屏模块550的显示屏安装窗口，所述前斜板151的下端一体成型有前面板153，所述前面板153设置有用于安装照射灯的灯孔。所述底盘140包括底板141和两个侧板142，两个所述侧板142相对所述底板141向下一体折弯成型于所述底板141的两侧，各所述侧板142分别设置有两个用于安装动力器件的安装孔101，所述底板141的上端向上一体折弯形成有前置板143，所述前置板143设置有用于安装附件传感器(例如超声波模块520、LED模块530)的安装结构。

具体应用中，多形态STEM教育机器人内置有姿态变化传感器(MPU6050传感器)，用于辅助实现自平衡功能。通过获取姿态变化传感器的数据，进而判断机器人的姿态变化,并利用伺服控制系统，精确的驱动舵机(180度舵机210)进行相应的姿态调整,以保持机器人的平衡状态。对数据的处理过程中，使用到了卡尔曼滤波算法(Kalman filtering)，卡尔曼滤波算法是一种利用线性系统状态方程，通过系统输入输出观测数据，对系统状态进行最优估计的算法。由于观测数据中包括系统中的噪声和干扰的影响，所以最优估计也可看作是滤波过程。具体应用中，在机器狗形态下，可以采用三角步态算法，在向前和向后走的时候保持每时每刻都至少要有三条腿(三组多连杆机构)着地，也就是说每时每刻只能最多有一条腿(一组多连杆机构)处于摆动副，至少有三条腿处于支撑副，其平稳性佳。当然，可以采用对角步态算法，对角的两条腿(两组多连杆机构)同时着地或同时处于摆动状态。

具体地，所述铝合金盖板150和所述铝合金底盘140上还设置有安装预留孔位，以安装不同的附件、传感器等。

具体地，所述铝合金盖板150和所述铝合金底盘140上设置有镂空孔位，以利于实现轻量化。

具体地，电池模组130可为电池盒，其可内置有18650等类型的电池，当然，电池模组130也可以选用聚合物电池、五号电池、锂电池等。

本发明实施例所提供的一种多形态STEM教育机器人，采用先进的软硬件技术架构、机械设计、智能算法和运动控制算法的智能四足机器人，具有自动避障、颜色识别和追踪、运动物体检测、自稳功能、三角步态、对角步态、Web远程控制等功能；用作机器狗时，腿部采用多连杆机构设计,能够大幅度降低机械结构的复杂度,同时最大化利用舵机的有限力量,使得多形态STEM教育机器人行走更加平稳有力:在舵机控制的程序中，使用了连杆逆解的算法，可以通过输入坐标值来控制腿部(多连杆机构)末端的位置,用来实现其它高级功能的基础函数,例如通过获取MPU60S0传感器的数据，可以实现四足机器人的自稳功能；当进行颜色色识别时，可以控制追踪某一颜色进行俯仰运动；在步态生成方面，提供了对角步态和三角步态两种步态生成方法。

用作行走小车时，可作为采用差速转向的轮式机器人，具有视觉巡线和巡线、自动避障、匀加速起步、颜色识别、运动物体检测、Web远程控制、OLED显示、照明指示灯等功能:可采用360°舵机作为动力装置，其速度会稍慢一些,但是它拥有更高的减速比，当速度很慢时也可以获得较大的扭矩。

用作竞速赛车时，也采用差速转向，具有视觉巡线和巡线、自动避障、颜色识别、运动物体检测、Web远程控制、OLED显示、照明指示灯等功能；使用直流减速电机410作为动力器件,其速度更快，使用大尺寸的轮子，使得Alter Racing Car拥有出色的越野性能，能适用复杂的地形。

本发明实施例所提供的一种多形态STEM教育机器人，机器人主体100结构合理紧凑，通过设置通用的安装孔101，不同的动力器件可以适配安装于安装孔101处，机器人主体100可以匹配不同的动力器件、轮体或机械臂实现不同的形态，组件具有通用性，利于降低采购成本，从而利于产品及技术的推广应用。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换或改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。