CN101009054A - 一种简易模块化机器人 - Google Patents

Abstract

一种简易模块化机器人，包括多块拼装模块、舵机控制算法的中枢模式发生器，拼装模块包括左底板、右底板、舵机、舵机支撑耳片、舵机旋转输出耳片、机构外支撑耳片以及机构内支撑耳片；舵机一侧的转轴上带有舵机旋转盘，舵机支撑耳片、机构外支撑耳片与右底板固定连接，舵机支撑耳片与舵机一侧固定连接，机构外支撑耳片与右底板固定连接；舵机旋转输出耳片、机构外支撑耳片与左底板固定连接，舵机旋转输出耳片与舵机一侧的转轴套接，机构内支撑耳片顶部突起转轴与机构外支撑耳片上的配合孔套接；左底板、右底板上设有与另外的拼装模块配合的安装孔，中枢模式发生器与各个拼装模块的舵机连接。本发明组装方便、通用性强、能够提供多种连接组合方式。

Description

一种简易模块化机器人

(一)技术领域

本发明涉及一种简易模块化机器人。

(二)背景技术

模块化机器人因具有组装方便，价格便宜常常用于机器人教学和科研。使用通用或者非通用的模块研究人员可以组装不同构型的机器人，如机器蛇，机器毛虫，并利用它们进行运动控制，仿生等等研究。

如专利号为94247368.X，专利名称为智力拼装机器的中国实用新型专利，公开了一种智力拼装机器，由机架板、挡位调速动力源、多孔板、皮带和若干齿轮、凸轮、棘轮、滑轮、连杆以及接头组成。

再如专利号为03257835.0，专利名称为拼装实务教具的中国实用新型，公开了一种拼装组件，包括主体支架、接块、底座、地脚销钉、90度角接头、双向接头、三向接头、四向接头、六项接头、L型轴承座、多用吊架销轴、单子连接头、垫块、底盘、四销联接座、多用滑板、皮带轮、蜗轮、棘轮、链轮、车轮、方轴、花键套、二联花键套、三联花键套、滑套、C形卡环、C形挡环构件。

但是目前已知的用于模块化机器人构建的模块设计中存在如下问题：(1)、连接方式单一，模块组装不便，减少了组装不同构型机器人的可能性，系统的鲁棒性和通用性不高；(2)、模块化系统成本高、不便普及和推广；(3)、多使用集中式传统控制结构，控制算法复杂，计算量大，不便进行具有仿生学研究。

(三)发明内容

为了克服已有的机器人的组装不便、通用性不高、成本高的不足，本发明提供一种组装方便、通用性强、能够提供多种连接组合方式的简易模块化机器人。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种简易模块化机器人，所述的机器人包括多块拼装模块、舵机控制算法的中枢模式发生器，所述的拼装模块包括左底板、右底板、舵机、舵机支撑耳片、舵机旋转输出耳片、机构外支撑耳片以及机构内支撑耳片；所述舵机一侧的转轴上带有舵机旋转盘，所述舵机支撑耳片、机构外支撑耳片与右底板固定连接，舵机支撑耳片与舵机一侧固定连接，机构外支撑耳片与右底板固定连接；所述的舵机旋转输出耳片、机构外支撑耳片与左底板固定连接，舵机旋转输出耳片与舵机一侧的转轴套接，机构内支撑耳片顶部突起转轴与机构外支撑耳片上的配合孔套接；在空间上，所述的舵机的转轴与左底板、右底板平行，所述舵机支撑耳片、机构外支撑耳片与右底板垂直，所述的舵机旋转输出耳片、机构内支撑耳片与左底板垂直；所述的左底板、右底板上设有与另外的拼装模块配合的安装孔，所述的中枢模式发生器通过控制卡与各个拼装模块的舵机连接。

作为优选的一种方案：所述的舵机旋转输出盘上设有与另外的拼装模块配合的安装孔。

作为优选的再一种方案：所述的机构外支撑耳片上设有与另外的拼装模块配合的安装孔。

进一步，所述的中枢模式发生器用于实现各个拼装模块的动作，以及用于实现相邻拼装模块之间配合动作；在控制单元中，采用正弦函数进行步态运算，如式(1)所示：

$y_i=A_i\sin (\frac{2\mathrm{\π}}{T}t+{\mathrm{\φ}}_i)+O_i---\left(1\right)$

其中，y_i为第i个模块CPG控制输出量，A_i为第i个模块摆动振幅，t为控制时间，O_i为第i个模块的初始相位，T为控制周期；

在配合单元中，设置相邻两个垂直转动关节间相位差Δφ_V、相邻两个侧向转动关节间相位差Δφ_H、相邻两个垂直转动关节侧向转动关节间相位差Δφ_VH，依照需要的机器人动作调整采用A_i，Δφ_V，Δφ_H，Δφ_VH。

再进一步，所述舵机支撑耳片呈直角三角形，所述舵机支撑耳片的两个斜角处设有安装孔，所述的舵机支撑耳片斜边与靠近旋转盘侧的舵机固定连接，所述舵机支撑耳片的直角边与右底板固定连接；所述机构外支撑耳片呈锐角三角形，在一个顶角处设有安装孔，机构外支撑耳片的顶角处有配合孔，用于与机构内支撑耳片配合，与该顶角对应的斜边与右底板固定连接；所述舵机旋转输出耳片呈锐角三角形，在一个顶角处设有安装孔，舵机旋转输出耳片的顶角与舵机靠近旋转盘侧的转轴套接，与该顶角对应的斜边与左底板固定连接；所述机构内支撑耳片呈锐角三角形，在一个顶角处设有安装孔，所述机构内支撑耳片的顶角的突起转轴与机构外支撑耳片上的配合孔套接，与该顶角对应的斜边与左底板固定连接。

更进一步，所述的右底板设有与舵机支撑耳片、机构外支撑耳片配合的配合面，所述的左底板设有与舵机旋转输出耳片、机构内支撑耳片配合的配合面。

本发明的技术构思为：机器人采用若干相同基本模块GZ和少量连接附件组成。

该基本模块GZ由它由2件底板(左底板，右底板)，1片舵机支撑耳片，1片舵机旋转输出耳片，1片机构外支撑耳片，1片机构内支撑耳片，1个舵机和若干连接螺钉组成。所有零件均使用铝合金机械加工制成，并阳极化处理。模块可实现一个范围在±90度之间的转动自由度。模块具有4个连接面用于与其它模块连接，分别为2个底板，舵机旋转输出盘和机构外支撑耳片。

参见图3，舵机通过四组螺钉与舵机支撑耳片连接，该舵机支撑耳片和机构外支撑耳片与右底板通过4个螺钉连接，从而形成模块右单元；舵机旋转盘与舵机旋转输出耳片通过与舵机旋转盘安装连接孔适合的小螺钉相连，该耳片和机构内支撑耳片与左底板通过4个螺钉相连，从而形成模块左单元；将左单元沿模块安装轴线压入右单元的连接配合，从而快速完成模块组装。

本发明的有益效果主要表现在：1、模块之间存在多种连接方式，组装方便，能够形成多种不同构型的机器人；2、机构轻巧紧凑；3、模块能够重复使用，从而减少了模块成本；4、通用性强，鲁棒性高。

(四)附图说明

图1是本发明的拼装机器人的拼装模块的结构图。

图2是图1的反面示意图。

图3是拼装模块在装配前的结构示意图。

图4是拼装模块安装配合轴线示意图。

图5是拼装模块安装配合完成后的示意图。

图6是右底板的结构示意图。

图7是左底板的结构示意图。

图8是舵机旋转输出耳片的结构示意图。

图9是舵机支撑耳片的结构示意图。

图10是机构外支撑耳片的结构示意图。

图11是机构内支撑耳片的结构示意图。

图12是两块拼装模块之间的一种连接方式示意图。

图13是两块拼装模块之间的另一种连接方式示意图。

图14是两块拼装模块之间的再一种连接方式示意图。

图15是两块拼装模块之间的再另一种连接方式示意图。

图16是机器毛虫的示意图。

图17是机器蛇的示意图。

图18是机器狗的示意图。

图19是具有摆动关节的4足步行机器人的示意图。

图20是仿人机器人的示意图。

图21是本发明的拼装机器人的连接示意图。

图22是中枢模式发生器算法的应用示意图。

图23是中枢模式发生器的具体控制参数示意图。

(五)具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。

参照图1～图11、图21，一种简易模块化机器人，所述的机器人包括多块拼装模块9、用于控制舵机动作的算法中枢模式发生器是10、控制卡11，拼装模块9包括左底板1、右底板4以及舵机6，所述舵机6一侧的转轴上带有舵机旋转盘7，所述的拼装模块还包括舵机支撑耳片5、舵机旋转输出耳片8、机构外支撑耳片3以及机构内支撑耳片2；所述舵机支撑耳片5、机构外支撑耳片3分别与右底板4固定连接，舵机支撑耳片5与舵机6一侧固定连接，机构外支撑耳片3直接与右底板4固定连接；所述的舵机旋转输出耳片8、机构内支撑耳片2分别与左底板1固定连接，舵机旋转输出耳片8套接在舵机6一侧的转轴上，机构内支撑耳片2顶部突起转轴与机构外支撑耳片3上的配合孔套接；在空间上，所述的舵机6的转轴与左底板1、右底板4平行，所述舵机支撑耳片5、机构外支撑耳片3与右底板4垂直，所述的舵机旋转输出耳片8、机构内支撑耳片2与左底板1垂直。所述的左底板1、右底板4上设有与另外的拼装模块配合的安装孔，所述的中枢模式发生器10通过控制卡11与各个拼装模块9的舵机连接。

所述的左底板、右底板上设有与另外的拼装模块配合的安装孔。所述的舵机旋转输出盘和机构外支撑耳片上设有与另外的拼装模块配合的安装孔。

所述的中枢模式发生器10用于实现各个拼装模块的动作，以及用于实现相邻拼装模块之间配合动作；在控制单元中，采用正弦函数进行步态运算，如式(1)所示：

$y_i=A_i\sin (\frac{2\mathrm{\π}}{T}t+{\mathrm{\φ}}_i)+O_i---\left(1\right)$

其中，y_i为第i个模块CPG控制输出量，A_i为第i个模块摆动振幅，t为控制时间，O_i为第i个模块的初始相位，T为控制周期；

在配合单元中，设置相邻两个垂直转动关节间相位差Δφ_V、相邻两个侧向转动关节间相位差Δφ_H、相邻两个垂直转动关节侧向转动关节间相位差Δφ_VH，依照需要的机器人动作调整采用A_i，Δφ_V，Δφ_H，Δφ_VH。

所述舵机支撑耳片呈直角三角形，所述舵机支撑耳片的两个斜角处设有安装孔，所述的舵机支撑耳片斜边与靠近旋转盘侧的舵机固定连接，所述舵机支撑耳片的直角边与右底板固定连接；所述机构外支撑耳片呈锐角三角形，在一个顶角处设有安装孔，机构外支撑耳片的顶角处有配合孔，用于与机构内支撑耳片配合，与该顶角对应的斜边与右底板固定连接；所述舵机旋转输出耳片呈锐角三角形，在一个顶角处设有安装孔，舵机旋转输出耳片的顶角与舵机靠近旋转盘侧的转轴套接，与该顶角对应的斜边与左底板固定连接；所述机构内支撑耳片呈锐角三角形，在一个顶角处设有安装孔，所述机构内支撑耳片的顶角的突起转轴与机构外支撑耳片上的配合孔套接，与该顶角对应的斜边与左底板固定连接。

所述的右底板设有与舵机支撑耳片、机构外支撑耳片配合的配合面，所述的左底板设有与舵机旋转输出耳片、机构内支撑耳片配合的配合面。

参照图12，将两个模块通过4个螺钉直接快速连接，一个模块的右底板与另一模块的左底板同方向直接连接；

参照图13，两个模块的左底板、右底板之间的配合孔均匀对称，可以实现沿着Z轴线旋转90度后连接；

参照图14，通过2个螺钉，利用机构外支撑耳片6个连接螺纹孔中对称分布的两个与右底板中部2个光孔，可以实现两个模块垂直连接；

参照图15，通过2套螺钉螺母，利用舵机旋转输出盘的连接孔与右底板中部2个光孔，可以实现两个模块垂直连接。

重复使用模块时，可按照模块组装顺序的逆序分解。

图12、13、14、15所示的四种不同的连接方式为构建模块化机械人的基本单元，通过该四种连接方式，能够实现各种不同的机构动作。

采用一般单片机控制，PWM信号驱动，使用方便。图21为普通具有PWM输出的单片机控制卡。控制算法在主控计算机中完成，通过RS232实现控制计算机与单片机的进行通讯；控制卡电源、机器人驱动电源均从外部提供。

图16是机器毛虫的示意图，依照图12所示的连接关系依次连接而成。2足步行机器人的连接方式也依照图12，且两端与地面接触，两端视为足时，形成步行机器人。图17是机器蛇的示意图，依照图13所示的连接关系依次连接而成。图18是机器狗的示意图，机器狗的四只脚均按照图12所示的连接关系连接，脚与机器狗身体之间采用图14、15所示的连接关系(增加附加板)，机器狗身体的三个拼装模块之间采用图12所示的连接关系。图19是具有摆动关节的4足步行机器人的示意图，四个足均按照图13所示的连接关系连接，足和身体之间采用采用图14、15所示的连接关系(增加附加板)，机器人身体的三个拼装模块之间采用图13所示的连接关系。图20是仿人机器人的示意图，两个足采用图12所示的连接关系，身体的两块拼装模块采用图12所示的连接关系，手的两块拼装模块采用图13所示的连接关系，身体与两个足之间采用图12所述的连接关系(增加附加板)，身体与两个手之间采用图13所示的连接关系(增加了附加板)，身体与头部之间的连接关系，按照图12所示，并将头部模块底板沿Z轴旋转180度。

以生物学研究中的中枢模式发生器Central Pattern Generators(CPGs)模型为核心建立机器人控制算法，实现高效复杂的运动步态，并对生物学研究具有积极推动作用。以机器蛇的控制为例进行说明。图22为中枢模式发生器算法应用示意图。图中共有8个基本模块，相互之间均采用图13中所示原理连接。红色为垂直转动模块V_i(i＝1，2，3，4)，如图13中位于左边的模块；黄色为侧向转动模块H_i(i＝1，2，3，4)，如图13中位于右边的模块；每个模块CPG采用正弦函数进行步态运算，如式(1)所示。

$y_i=A_i\sin (\frac{2\mathrm{\π}}{T}t+{\mathrm{\φ}}_i)+O_i---\left(1\right)$

其中y_i为各模块CPG控制输出量，A_i为摆动振幅，t为控制时间，O_i为初始相位，T为控制周期；

Δφ_V为相邻两个垂直转动关节间相位差；Δφ_H为相邻两个侧向转动关节间相位差；Δφ_VH为相邻两个垂直转动关节侧向转动关节间相位差。

分别调整采用A_i，Δφ_V，Δφ_H，Δφ_VH，可以实现机器蛇的前行、后退、转弯、侧移、旋转、翻滚运动。具体控制参数如图23。

采用同样的方法，可以实现对于其他简易模块化机器人的运动控制。

Claims (6)

1、一种简易模块化机器人，其特征在于：所述的机器人包括多块拼装模块、舵机控制算法的中枢模式发生器，所述的拼装模块包括左底板、右底板、舵机、舵机支撑耳片、舵机旋转输出耳片、机构外支撑耳片以及机构内支撑耳片；所述舵机一侧的转轴上带有舵机旋转盘，所述舵机支撑耳片、机构外支撑耳片与右底板固定连接，舵机支撑耳片与舵机一侧固定连接，机构外支撑耳片与右底板固定连接；所述的舵机旋转输出耳片、机构外支撑耳片与左底板固定连接，舵机旋转输出耳片与舵机一侧的转轴套接，机构内支撑耳片顶部突起转轴与机构外支撑耳片上的配合孔套接；在空间上，所述的舵机的转轴与左底板、右底板平行，所述舵机支撑耳片、机构外支撑耳片与右底板垂直，所述的舵机旋转输出耳片、机构内支撑耳片与左底板垂直；所述的左底板、右底板上设有与另外的拼装模块配合的安装孔，所述的中枢模式发生器通过控制卡与各个拼装模块的舵机连接。

2、如权利要求1所述的一种简易模块化机器人，其特征在于：所述的舵机旋转输出盘上设有与另外的拼装模块配合的安装孔。

3、如权利要求1所述的一种简易模块化机器人，其特征在于：所述的机构外支撑耳片上设有与另外的拼装模块配合的安装孔。

4、如权利要求1-3之一所述的一种简易模块化机器人，其特征在于：所述的中枢模式发生器用于实现各个拼装模块的动作，以及用于实现相邻拼装模块之间配合动作，在控制单元中，采用正弦函数进行步态运算，如式(1)所示：

$y_i=A_i\sin (\frac{2\mathrm{\π}}{T}t+{\mathrm{\φ}}_i)+O_i---\left(1\right)$

其中，y_i为第i个模块CPG控制输出量，A_i为第i个模块摆动振幅，t为控制时间，O_i为第i个模块的初始相位，T为控制周期；在配合单元中，设置相邻两个垂直转动关节间相位差Δφ_V、相邻两个侧向转动关节间相位差Δφ_H、相邻两个垂直转动关节侧向转动关节间相位差Δφ_VH，依照需要的机器人动作调整A_i，Δφ_V，Δφ_H，Δφ_VH。

5、如权利要求1-3之一所述的一种简易模块化机器人，其特征在于：所述舵机支撑耳片呈直角三角形，所述舵机支撑耳片的两个斜角处设有安装孔，所述的舵机支撑耳片斜边与靠近旋转盘侧的舵机固定连接，所述舵机支撑耳片的直角边与右底板固定连接；所述机构外支撑耳片呈锐角三角形，在一个顶角处设有安装孔，机构外支撑耳片的顶角处有配合孔，用于与机构内支撑耳片配合，与该顶角对应的斜边与右底板固定连接；所述舵机旋转输出耳片呈锐角三角形，在一个顶角处设有安装孔，舵机旋转输出耳片的顶角与舵机靠近旋转盘侧的转轴套接，与该顶角对应的斜边与左底板固定连接；所述机构内支撑耳片呈锐角三角形，在一个顶角处设有安装孔，所述机构内支撑耳片的顶角的突起转轴与机构外支撑耳片上的配合孔套接，与该顶角对应的斜边与左底板固定连接。

6、如权利要求5所述的一种简易模块化机器人，其特征在于：所述的右底板设有与舵机支撑耳片、机构外支撑耳片配合的配合面，所述的左底板设有与舵机旋转输出耳片、机构内支撑耳片配合的配合面。

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