專利名稱：可擴展型通用機器人開發(fā)平臺的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種機器人開發(fā)平臺，特別是一種具有可擴展型通用機 器人開發(fā)平臺。
背景技術(shù)：
盡管國內(nèi)外機器人市場非?；钴S，迄今為止，尚缺乏體積小，功能強、軟、硬件可擴展性靈活的機器人開發(fā)平臺產(chǎn)品。目前，國際市場上以Lego 為代表的非專業(yè)型機器人開發(fā)平臺即所謂低端產(chǎn)品，主要是基于微控制器 (MCU)的系統(tǒng)，處理功能有限，不能用于較復(fù)雜系統(tǒng)的開發(fā)。市場上的專 業(yè)用機器人開發(fā)平臺即所謂高端產(chǎn)品，缺乏應(yīng)用軟件庫，可擴展靈活性差， 升級維護困難，通常由于配有硬盤而造成系統(tǒng)經(jīng)不起碰撞，且價格昂貴。 因此，很多機器人研發(fā)單位不得不先搭建自己的開發(fā)平臺，然后再進行某 一特殊目的開發(fā)，花在平臺搭建上的時間與資金，往往不亞于花在專業(yè)應(yīng) 用的開發(fā)上。就社會意義而言，造成大量資金浪費與重復(fù)勞動。實用新型內(nèi)容本實用新型發(fā)明的目的是克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種小型、靈 活、功能強、且價格合理的可擴展型專業(yè)機器人開發(fā)平臺產(chǎn)品。本實用新型采用的技術(shù)方案是 一種可擴展型通用機器人開發(fā)平臺采用 模塊化的軟硬件結(jié)構(gòu)，包括有多計算機分布處理系統(tǒng)、行進控制系統(tǒng)、識別 系統(tǒng)、閃存卡式可替換存儲系統(tǒng)、可替換電源系統(tǒng)、無線/有線通訊系統(tǒng)、 可擴充接口部分、模塊化操作系統(tǒng)、可與微軟機器人開發(fā)平臺兼容的接口、 以及模塊化軟件應(yīng)用系統(tǒng)。該機器人開發(fā)平臺的多計算機分布處理系統(tǒng)部分包括多核微處理器(CPU),徼控制處理器(MCU)，可供用戶選擇的模塊化微軟視窗嵌入式操 作系統(tǒng)，或是Limix操作系統(tǒng)，與微軟機器人開發(fā)平臺兼容的軟件接口，以及多種應(yīng)用程序。所述多種應(yīng)用程序包括控制處理、防碰撞處理、采樣處理、 圖像處理、無線或有線通訊、及人機交互處理等。所述人機交互處理通過無 線或有線通訊建立遠程控制中心與機器人平臺主機系統(tǒng)的信息交流。遠程控 制中心包括人機交互界面，可以向機器人發(fā)布操作命令，配有方向盤式操縱 桿或是搖桿操縱桿，可以遠程操控機器人的行進。該機器人開發(fā)平臺的行進系統(tǒng)包括有馬達控制器、兩個含有電機的變速 齒輪箱、兩個受控輪、及兩個萬向輪。所述受控輪安裝在機器人的底部且位 置可調(diào)，帶動安裝在機器人的底部的萬向輪轉(zhuǎn)動。受控輪或萬向輪的個數(shù)可 根據(jù)需要自行確定，軟件支持上無限制。電機的大小可以根據(jù)所需扭力進行 更換。需要時，所述受控輪和萬向輪可更換成履帶，以便在崎嶇地面上行走。 需要時，所述受控輪和萬向輪可更換成撥輪，以便在水面上行走。該機器人開發(fā)平臺的識別系統(tǒng)包括有數(shù)字攝像頭、伺服電機控制器、伺 服電機、距離探測器、和雙向水平儀。所述數(shù)字攝像頭用來攝取圖像，用于 環(huán)境識別或其它處理。所攝圖像可通過通訊系統(tǒng)發(fā)送到遠程控制臺。所述數(shù) 字攝像頭在伺服電機控制下可在水平及垂直方向上轉(zhuǎn)動，以達到機器人前方 立體空間全方位的覆蓋。所述距離探測器和水平儀在伺服電機控制下可在水 平方向的自由旋轉(zhuǎn)，以保證機器人行進方向的自動識別和平穩(wěn)移動。伺服控 制器的個數(shù)可以根據(jù)用戶需要而增加，軟件支持上無限制。該機器人開發(fā)平臺的數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)采用閃存卡式可替換系統(tǒng)，取代傳統(tǒng) 的硬盤系統(tǒng)，克服了硬盤碰撞易損的缺點，增強了機器人系統(tǒng)的物理安全性， 同時增強了存儲系統(tǒng)的可擴充性。該機器人開發(fā)平臺的可替換電源系統(tǒng)包括直流變壓電源模塊和充電電 池，可根據(jù)機器人的大小及負載選擇容量及功率配置。該機器人開發(fā)平臺的通訊系統(tǒng)包括兩部分無線通訊及有線通訊。經(jīng)由WiFi的無線通訊系統(tǒng)，A/V高頻發(fā)射、接收系統(tǒng)，以及3G等廣域無線通信網(wǎng) 絡(luò)。經(jīng)由Internet,有線以太網(wǎng)，以及電話網(wǎng)絡(luò)的有線通訊。該機器人機體可從側(cè)面、后面，上面加裝額外的機體?？梢愿鶕?jù)需要而 擴充，以容納更多的硬件設(shè)備。該機器人開發(fā)平臺的基本接口部分包括USB接口，及可編程I/0接口板 (MCU)。接口板的數(shù)量、或USB接口的數(shù)量均可根據(jù)用戶需要增加。軟件可支持的輸入、輸出接口數(shù)量無限制。模擬接口作為備選，可根據(jù)用戶需求 加以擴充。
本系統(tǒng)含有的可運行程序包括插件式用戶圖形界面，機器人遠程控制， 機器人自主控制，機器人信息采集，防碰撞控制，圖片采集傳送，機器人硬
件控制等。
本系統(tǒng)釆用松散軟件結(jié)構(gòu)， 一個單一基本功能即是一個單獨可執(zhí)行程序， 一個具體的系統(tǒng)應(yīng)用由若干相關(guān)的單一功能可執(zhí)行程序配合運行而實現(xiàn)，所 有的程序共用統(tǒng)一的通信協(xié)議，程序間傳輸?shù)男畔⒂上M成。
本實用新型的優(yōu)點在于所述機器人開發(fā)平臺為軟、硬件均為模塊化結(jié) 構(gòu)，具有極其靈活的可擴展性。用戶可以增添新的控制板，擴展其控制功能； 可以根據(jù)需要更換電源系統(tǒng)，使其具有更大的功率及更強的驅(qū)動能力；可以 根據(jù)需要更換存儲系統(tǒng)，使系統(tǒng)升級；其體積也可視需要而作相應(yīng)的擴展。 對于復(fù)雜的實時計算要求，所述主機系統(tǒng)可外接計算機陣列體系，進行高效 率的并行計算處理。所述機器人開發(fā)平臺系統(tǒng)采用松散軟件結(jié)構(gòu)，可以最大 程度上降低程序間的耦合性，以期達到最好的系統(tǒng)效能和最低的機器人功耗， 從而提高系統(tǒng)的可靠性及安全性。本實用新型所包含的基本功能可直接應(yīng)用 于未知環(huán)境下機器人的移動、探索、及通訊，可用于開發(fā)巡視機器人，惡略 環(huán)境下的探險機器人，救援機器人等。在語音功能上的擴展，可以開發(fā)為導(dǎo) 游機器人、講解機器人等。本實用新型可以作為機器人研發(fā)的基礎(chǔ)平臺，除 具備通用機器人的控制、操作環(huán)境外，還提供了用戶圖形界面、可插入用戶 程序、可選擇或擴展硬件接口，為機器人應(yīng)用的再開發(fā)提供了靈活的軟、硬 件擴充界面。
本實用新型可用作各種特殊用途機器人的核心控制系統(tǒng)，并為其開發(fā)提 供了有效、實用的平臺。


圖l為本實用新型外形圖。
圖2為本實用新型軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。
圖3為遠程控制臺所需要的軟件模塊結(jié)構(gòu)圖。
圖4為本實用新型機載計算機所霈的軟件模塊結(jié)構(gòu)圖。圖號說明A……第一層板 B……第二層板 C……第三層板D……第四層板 E……支撐架1……受控輪2……含有電機的變速齒輪箱3……萬向輪4……電池 5……可更換內(nèi)存卡6……電源模塊7……計算機主板8……MCU板9……伺服電機控制板10……USB分線器11……通訊信號接受器12a， 12b， 12c， 12d， 12e......距離探測器13……雙向水平探測器 14……數(shù)字攝像頭15a, 15b, 15c......伺服電機 16……電視攝像頭具體實施方式
以下結(jié)合附圖說明本實用新型的具體實施方式
。如圖1展示一種可擴展型通用機器人開發(fā)平臺，分為四層結(jié)構(gòu)，由第一 層板A，第二層板B，第三層板C，及第四層板D構(gòu)成，并配有支撐架E。第一層板A用以支撐該系統(tǒng)的驅(qū)動部分。兩個受控輪1及其對應(yīng)的含有 電機的變速齒輪箱2固定在板A的底部前方，左右各一個。兩個受控輪l或 兩個萬向輪3與第一層模板底部相連，位于機器人后方，左右各一個。所述 受控輪在變速箱的控制下，調(diào)整前進的方向及速度。萬向輪被帶動運動。所 述變速箱在系統(tǒng)驅(qū)動程序下工作，該驅(qū)動程序既可受機器人主機系統(tǒng)的控制， 也可接受遠程控制中心的發(fā)來的命令。機器人主機系統(tǒng)在對環(huán)境識別程序和 防碰撞程序進行處理后，對該驅(qū)動程序發(fā)出動作指令，引導(dǎo)機器人的行進。電源電池4，直流變壓電源模塊6，固定在第一層板A的頂部。所述電源電池為可充電電池，其大小可根據(jù)用戶要求進行更換。系統(tǒng)主機板7固定在第二層板B的頂部，它是該機器人系統(tǒng)的核心控制 部分，亦稱作機載計算機。它包含經(jīng)過特化的操作系統(tǒng)，各種接口控制程序， 及各種應(yīng)用控制程序。它的硬件配置包括CPU、存貯器、串行接口、無線網(wǎng) 卡等均可根據(jù)用戶需要進行調(diào)整?？筛鼡Q閃存卡式硬盤5，微控制器板(MCU) 8，伺服電機控制板9， USB 分線器IO，以及通訊信號接收器ll，固定在第三層板C上，并通過接口與主機板相連。微控制器，伺服電機控制器，USB分線器及信號接受器的大小及 功能均可根據(jù)用戶要求進行選擇。
主機CPU系統(tǒng)通過微控制器MCU控制馬達的變速，進而控制系統(tǒng)的行 進。MCU接受CPU發(fā)來的詢問指令，檢測各個距離探測器或水平探測器， 并將其獲得的信息發(fā)送給CPU。伺服電機控制器在CPU指令下，對伺服電機 15a， 15b和15c分別進行控制。通訊接收器ll用以接收遠程控制中心發(fā)來 的指令，并轉(zhuǎn)送到主機CPU進行處理。
四個距離探測器12a, 12b， 12c, 12d，和雙向水平探測器13分別固定 在第四層板D的頂部，構(gòu)成全方位距離探測及系統(tǒng)水平探測。伺服電機15a 固定在板C的頂部，與板D底部相連，使得板D可沿水平方向轉(zhuǎn)動。
支撐架E固定于第一層板A的頂部，支撐架的前方放置數(shù)字攝像頭14及 電視攝像頭16，通過伺服電機15b和15c達到水平與垂直方向的轉(zhuǎn)動，用來 攝取機器人前進方向的圖像，并將圖像傳送到主機系統(tǒng)作為環(huán)境識別的輸入 信息。主機系統(tǒng)若接收到遠程控制中心發(fā)來的索取指令，則將所攝圖像轉(zhuǎn)換 為JPEG格式，通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到遠程控制中心，以供進一步的應(yīng)用。
本實用新型的軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示，整體分為三大部分裝載在遠 程控制中心上的軟件功能模塊，裝載在機器人上的軟件功能模塊，以及計算 機陣列功能模塊。運行在遠程控制中心的程序如圖3所示，包括用戶圖形 界面，機器人用戶控制，機器人自主控制，及機器人信息采集。運行在機器 人機載計算機上的程序如圖4所示，包括防碰撞控制，圖片采集，及機器
人硬件控制。計算機陣列模塊用于處理復(fù)雜的實時計算。
本實用新型的計算機主機板、微控制器板(MCU)、伺服電機控制板、 USB分線器、通訊接受器、可更換閃存卡、雙向水平探測器、距離探測器、 數(shù)字攝像頭、電視攝像頭、電池及電源模塊、伺服電機、含有電機的變速齒 輪箱、受控輪及萬向輪等均是成型產(chǎn)品。以上所述僅是本實用新型具體實施 例，凡是熟悉此項技藝人士極易據(jù)此而做出各種修飾或變更，因此，凡此種 種不脫離本實用新型權(quán)利要求精神所作的等效替換，均應(yīng)包括于本實用新型 的權(quán)利要求保護范圍中。
權(quán)利要求1、 一種可擴展型通用機器人開發(fā)平臺，其特征在于采用模塊化的軟硬件 結(jié)構(gòu)，包括有多計算機分布處理系統(tǒng)、行進控制系統(tǒng)、識別系統(tǒng)、閃存卡式可替 換存儲系統(tǒng)、可替換電源系統(tǒng)、無線/有線通訊系統(tǒng)、可擴充接口部分、模塊化 操作系統(tǒng)、可與微軟機器人開發(fā)平臺兼容的接口、以及模塊化軟件應(yīng)用系統(tǒng)；所 述多計算機分布處理系統(tǒng)包括多核微處理器(CPU),微控制處理器(MCU),可 供用戶選擇的模塊化微軟視窗嵌入式操作系統(tǒng)，或是Limix操作系統(tǒng)，與微軟機 器人開發(fā)平臺兼容的軟件接口，以及控制處理、防碰撞處理、采樣處理、圖像處 理、無線通訊、及人機交互處理應(yīng)用程序；所述行進控制系統(tǒng)包括馬達控制部分 和防碰撞系統(tǒng)，所述馬達控制部分包括有馬達控制器、含有電機的變速齒輪箱、 受控輪、及萬向輪；所述識別系統(tǒng)包括有數(shù)字攝像頭、伺服電機控制器、伺服電 機、距離探測器、和雙向水平儀；所述可替換電源系統(tǒng)包括直流變壓電源模塊和 可充電電池,所述無線通訊系統(tǒng)包括經(jīng)由WiFi但不限于WiFi的無線通訊系統(tǒng)， 以及A/V高頻發(fā)射、接收系統(tǒng)；主機CPU系統(tǒng)通過微控制器MCU及馬達控制器 控制馬達的變速，進而控制系統(tǒng)的行進；MCU接受CPU發(fā)來的詢問指令，檢測 各個距離探測器或水平探測器，并將其獲得的信息發(fā)送給CPU;伺服電機控制器 與主機CPU直接相連，在CPU指令下，對伺服電機進行控制；無線網(wǎng)Wi-Fi 接收器用以接收遠程控制中心發(fā)來的指令，并轉(zhuǎn)送到主機CPU進行處理。
2、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的可擴展型通用機器人開發(fā)平臺，其特征在于所 述馬達控制部分的受控輪和萬向輪可更換為履帶，亦可更換為撥輪。
3、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的可擴展型通用機器人開發(fā)平臺，其特征在于機 器人機體可從側(cè)面、后面，上面加裝額外的機體。
4、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的可擴展型通用機器人開發(fā)平臺，其特征在于所 述可擴充接口部分的接口板的數(shù)量、或USB接口的數(shù)量均可根據(jù)用戶需要增加。
專利摘要本實用新型公開了一種可擴展型通用機器人開發(fā)平臺。該機器人開發(fā)平臺的特點為模塊化的軟硬件結(jié)構(gòu)，包括有多計算機分布處理系統(tǒng)、行進控制系統(tǒng)、識別系統(tǒng)、閃存卡式可替換存儲系統(tǒng)、可替換電源系統(tǒng)、無線通訊系統(tǒng)、可擴充接口部分、模塊化操作系統(tǒng)、可與微軟機器人開發(fā)平臺兼容的接口、以及模塊化軟件應(yīng)用系統(tǒng)。整個系統(tǒng)由多個單一功能的程序組成。采用此種結(jié)構(gòu)可以最大程度上降低程序間的耦合性，從而提高系統(tǒng)的可靠性及安全性。本實用新型可以作為機器人研發(fā)的基礎(chǔ)平臺，除具備通用機器人的控制、操作環(huán)境外，還提供了用戶圖形界面、可插入式用戶程序、可選擇性硬件接口，為機器人應(yīng)用的再開發(fā)提供了靈活的軟、硬件擴充界面。
文檔編號B25J9/00GK201156186SQ20072015124
公開日2008年11月26日 申請日期2007年6月11日 優(yōu)先權(quán)日2007年6月11日
發(fā)明者宇 陳, 黃雅東 申請人:宇 陳