CN101716765A - 用于构建模块化机器人的关节模块 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于构建模块化机器人的关节模块，运动单元的电机及减速传动装置安装在舱壳中；控制单元的控制电路板固定在连接端面A中，与电机连接；连接端面A安装在舱壳的下方，其上设有锁紧钩，连接端面B连接在电机输出轴上，在连接端面B上设有与锁紧钩配合的锁紧台阶，多组电极触点固定在连接端面B中；在控制电路板上也连接有多组电极触点。构建机器人时，一个模块的连接端面A与另一个模块的连接端面B连接锁紧并实现电气互联。连接端面的侧边还设有连接接口，用于连接分支机构。本发明包含独立自治的控制单元及拼接简便的连接接口，拆装方便、控制灵活、易于扩展，具有较高的教育、娱乐等应用价值。

Description

用于构建模块化机器人的关节模块

技术领域

本发明涉及一种机器人部件，具体的说是涉及一种用于构建模块化机器人的运动关节模块。属于机器人技术领域。

背景技术

随着机器人技术的不断发展，机器人的技术越来越高，品种越来越多，所能够完成的动作也越来越复杂。目前，大多数的模块化教育娱乐机器人产品均采用集中控制器和多个舵机配合一系列连接结构件完成机器人的搭建与编程设计，这类机器人产品通常存在拆装繁琐、控制复杂及扩展能力差的缺点，用户较难通过该类产品构建具备复杂构型及行为逻辑的机器人，一定程度上限制了产品的教育及娱乐价值。而且，2自由度的关节模块体积较大，操作不方便，结构复杂。

发明内容

为解决现有技术的问题，本发明的目的在于提供一种可用于快速搭建机器人构型、控制灵活的关节模块。

本发明的又一目的在于提供一种具有单自由度或二自由度的可快速拆装、控制灵活的用于构建模块化机器人的关节模块。

本发明的又一目的在于提供一种扩展能力强的用于构建模块化机器人的关节模块。

为达到上述目的，本发明是通过以下的技术方案来实现的：

一种用于构建模块化机器人的关节模块，包括用于实现关节模块运动的运动单元，其特征在于还包括控制单元和连接接口，控制单元包括控制电路板、多组电极触点、电缆，所述的控制电路板包括微处理器和外围电路，所述的电缆包括电源线和信号线，电缆连接控制电路板和多组电极触点，控制电路板与运动单元的电机连接；所述的连接接口包括连接端面A和连接端面B，分别设在运动单元的两端，在连接端面A上设有两个活动锁紧钩和两个固定锁紧钩，控制电路板固定在连接端面A中；在连接端面B上分别设有多个与连接端面A上的活动锁紧钩和固定锁紧钩相配合的锁紧台阶，多组电极触点固定在连接端面B中；所述的控制电路板上也连接有用于电气连接的多组电极触点。

前述的用于构建模块化机器人的关节模块，其特征在于所述的用于实现关节模块运动的运动单元包括电机、舱壳和减速传动装置，电机和减速传动装置安装在舱壳中，电机的输出轴从舱壳侧边伸出，在输出轴另一端的舱壳上设有支承轴，连接端面A安装在舱壳的下方，与电机机体固定；连接端面B的两侧分别设有耳部，整体成“U”形，两个耳部分别通过法兰盘连接在舱壳两端的电机输出轴和支承轴上。

前述的用于构建模块化机器人的关节模块，其特征在于所述的用于实现关节模块运动的运动单元包括运动单元I、运动单元II和中间连接件，所述的运动单元I包括支撑架A、齿轮减速机构A和电机A，支撑架A为U形，固定在连接端面A上，电机A安装在支撑架A的底部的内侧，输出轴从支撑架A的侧边伸出，连接被齿轮箱封盖A封装在支撑架A侧边的齿轮减速机构A，支撑架的另一侧用端面封盖A封装；锁紧钩封盖固定安装在连接端面A上，将活动锁紧钩封装在内部；

所述的运动单元II与运动单元I相同，支撑架B安装在连接端面B上；

所述的中间连接件为十字轴，在两个运动单元的支撑架的两个侧边上分别设有轴孔，十字轴的轴头安装在轴孔中，分别与两个齿轮减速机构连接，两个支撑架成垂直交叉方向。

前述的用于构建模块化机器人的关节模块，其特征在于在所述的连接端面A和连接端面B的侧边还设有多个用于与分支结构件或传感器模块进行电气连接和机械连接的侧边扩展接口。

前述的用于构建模块化机器人的关节模块，其特征在于所述的扩展接口分别为4个。

前述的用于构建模块化机器人的关节模块，其特征在于所述的固定在连接端面B中的多组电极触点连接在一个电气连接电路板上，所述的电气连接电路板固定在连接端面B中。

前述的用于构建模块化机器人的关节模块，其特征在于所述的电极触点为弹片电极。

前述的用于构建模块化机器人的关节模块，其特征在于所述的运动单元的电机为舵机、直流电机或步进电机。

请述的用于构建模块化机器人的关节模块，其特征在于所述的锁紧台阶为8个，八个锁紧台阶分两组在相互垂直的方向上呈旋转对称性分布。

本发明的有益效果是：本发明关节模块包含独立自治的控制单元及拼接简便的连接接口，与现有技术及产品相比，具有拆装方便、控制灵活、易于扩展等优点，同时连接端面具有正交的两个连接方向，相邻的关节模块可以根据需要选择其中的一个方向连接，另外，本发明可有用于单自由度或二自由度的关节模块，用于构建模块化机器人，具有较高的教育、娱乐等应用价值。

附图说明

图1为本发明实施例一的结构示意图；

图2为本发明实施例一的结构分解图；

图3为本发明实施例一中的锁紧台阶的分布示意图；

图4为图3中的D-D向局部剖视图；

图5为图3中的B-B向局部剖视图；

图6为利用本发明实施例一及其它模块搭建的一种机器毛虫的结构示意图；

图7是本发明实施例二的整体结构立体图；

图8是本发明实施例二的整体结构爆炸图；

图9是本发明实施例二的运动单元I整体结构立体图；

图10是本发明实施例二的运动单元I整体结构爆炸图；

图11是本发明实施例二的运动单元II整体结构立体图；

图12是本发明实施例二的运动单元II整体结构爆炸图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

图1为本发明较佳实施例的结构示意图；图2为本发明较佳实施例的结构分解图。

实施例一：

请参照图1、图2，本发明的用于构建模块化机器人的关节模块，主要包括运动单元、控制单元及连接接口。运动单元用于实现关节模块运动，包括电机、舱壳210和减速传动装置，电机可以采用舵机、有刷电机、步进电机或其它电机系统，可以完成旋转或伸缩运动，本实施例采用的是舵机201，但并不限于此。舵机201的输出轴从舱壳210的两端伸出，也可以采用舵机201的输出轴从一端伸出，舱壳210的另一端安装一个支承轴，或者采用其它的结构。

上述的控制单元根据机器人的动作或行为规划，对所述运动单元进行实时的速度控制或位置控制，主要包括控制电路板202、电气连接电路板211、电缆214，控制电路板202包括微处理器(包含在控制电路板202中)和外围电路，用以对舵机201进行控制。电缆214中包括电源线和信号线，电源线用于多个关节模块连接时的电源传递，信号线用于多个关节模块中的控制单元间的通信，从而实现机器人各个模块的同步和协调。电缆214连接控制电路板202和电气连接电路板211，控制电路板202又与舵机201连接，给予其控制信号及驱动电源。控制电路板202和电气连接电路板211分别连接用于电气连接的多组电极触点，本实施例采用的电极弹片213、212，但并不限定于此，其它的可以实现电气连接的电极触点方式同样可以适用。另外，电气连接电路板211也可以采用直接设置多组电极触点的形式，将多组电极触点与控制电路板202连接，多组电极触点固定在连接端面B中。

用于关节模块之间或关节模块与其它模块之间连接的连接接口包含有电气接口和机械接口，位于关节模块的两端。其包括连接端面A205和连接端面B204，连接端面A205安装在舱壳210的下方，与舵机201的机体固定，在连接端面A205上设有两个活动锁紧钩217、218和两个固定锁紧钩219、220，分别位于连接端面A205的四个角落，用于与其它模块连接。活动锁紧钩217、218的钩部通过连接端面A205上的四个孔伸到连接端面A205的下方。控制电路板202固定在连接端面A的下方。

图3为本发明实施例一中的锁紧台阶的分布示意图；图4为图3中的D-D向局部剖视图；图5为图3中的B-B向局部剖视图。

连接端面B204的两侧分别设有耳部206、207，整体成“U”形，两个耳部206、207分别通过法兰盘208、209连接在舵机201的输出轴上，通过舵机201的输出轴驱动两个耳部206、207带动连接端面B204旋转，从而实现连接端面B204相对于连接端面A205的转动。在连接端面B204上分别对应于连接端面A205上的活动锁紧钩217、218和固定锁紧钩219、220设有八个锁紧台阶221、222、223、224、226、227、228和229，活动锁紧钩217、218和固定锁紧钩219、220可与另一个关节模块上的八个锁紧台阶相互连接锁紧。为了实现两个关节模块之间可以具备两个正交方向的连接方式，八个锁紧台阶分两组在相互垂直的方向上呈旋转对称性分布。

模块间对接拆卸的具体操作为：把一个关节模块上的连接端面A205中的固定锁紧钩219、220分别扣入另一关节模块上的连接端面B204中的锁紧台阶221、222，再将连接端面A205中的活动锁紧钩214、215扣入上述另一关节模块上的连接端面B204中的锁紧台阶223、224时，两个关节模块就实现了平行方向的对接。同理将上述锁紧台阶221、222、223及224对应换成226、227、228及229即可实现相邻模块间的垂直连接。拆卸时，只需按住活动锁紧钩217、218，然后依次将活动锁紧钩217、218和固定锁紧钩219、220从另一个模块上的锁紧台阶中卸下，即可实现模块的拆卸。

电气连接电路板211固定在连接端面B204的上方。当模块之间实现机械锁紧的同时，控制电路板202上的电极弹片213和另一个模块上的电气连接电路板211上的电极弹片212就被压紧在一起，对应接触，实现了电气互联。

在连接端面B与连接端面A的侧边还分别设有多个侧边连接接口215和216，可用于与其它分支结构件或传感器模块进行电气连接和机械连接。

本发明利用多组电极弹片212、213和连接电缆214，控制电路板202及舵机201从外部获取工作电源输入，同时，控制电路板202还通过信号线与外部其它模块进行通信协调。

图6所示是利用上述实施例及其它模块搭建的一种机器毛虫的结构示意图，其中包括电源模块301、多个本发明的用于构建模块化机器人的关节模块302-306、接触传感模块307-311和测障模块312，各模块按上述实施例所述连接方式拼接互连，并通过各模块的协调配合完成所述机器毛虫的行走运动。在连接起来的关节模块的两端分别以同样的方式连接电源模块301和测障模块312，在每个关节模块的侧边连接接口215、216处连接旋转传感模块。这样一个机器毛虫就连接好了，在控制电路板202控制下，舵机201产生旋转，并带动连接端面B204与连接端面A205绕旋转轴线225进行相对旋转运动，实现关节模块的旋转运动功能。

实施例二：

图7是本发明实施例二的整体结构立体图；图8是本发明实施例二的整体结构爆炸图；图9是本发明实施例二的运动单元I整体结构立体图；图10是本发明实施例二的运动单元I整体结构爆炸图；图11是本发明实施例二的运动单元II整体结构立体图；图12是本发明实施例二的运动单元II整体结构爆炸图。

如图所示，本实施例与实施例一的区别在于运动单元为2自由度的运动单元。

本实施例的运动单元包括运动单元I、运动单元II及中间连接件。运动单元I包括齿轮减速机构A4和驱动电机A8等，在连接端面A1上设有U形的支撑架A，电机A1安装在支撑架A的底部的内侧，为运动单元I提供动力。电机A1的输出轴从支撑架的侧边伸出，连接被齿轮箱封盖A11封装在支撑架A侧边的齿轮减速机构A4，通过电机A8来驱动齿轮减速机构A4转动。齿轮箱封盖A11与齿轮减速机构A4组成运动单元I的传动减速机构，支撑架A的另一侧用端面封盖A10封装。包含有控制单元的电路板A7安装在连接端面A1的端面上，在电路板A7上设有电极触点A9。锁紧钩封盖3固定安装在连接端面A1上，将活动锁紧钩2封装在内部。活动锁紧钩2为活动式，可以人为地按动，使其锁紧或释放。固定锁紧钩没有示出。

运动单元II与运动单元I的区别在于没有固定锁紧钩和活动锁紧钩，在连接端面B6的端面上设有用于与活动锁紧钩和固定锁紧钩配合的锁紧台阶，其余部分与运动单元I相同。

中间连接件为十字轴5，在两个运动单元的支撑架的两个侧边上分别设有轴孔，十字轴5的轴头分别安装在轴孔中，分别与两个齿轮减速机构连接，两个支撑架成垂直交叉方向。

运动单元II的电机B的转动带动齿轮减速机构B转动，从而带动十字轴向一个方向转动，同时，运动单元I的电机A8的转动带动齿轮减速机构A4转动，从而带动十字轴5、运动单元II向另一个方向转动，因此形成了二自由度旋转关节。

本实施例包含两个旋转自由度，在增加自由度的基础上，使机器人关节结构更加紧凑、运动更灵活；机器人装配拆卸简便快捷，免工具，只要用手按动锁紧钩即可；在机器人模块装配过程的同时实现电气连接，无需插拔电缆，简单方便。

上述实施例不以任何方式限制本发明，凡采用等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种用于构建模块化机器人的关节模块，包括用于实现关节模块运动的运动单元，其特征在于还包括控制单元和连接接口，控制单元包括控制电路板、多组电极触点、电缆，所述的控制电路板包括微处理器和外围电路，所述的电缆包括电源线和信号线，电缆连接控制电路板和多组电极触点，控制电路板与运动单元的电机连接；所述的连接接口包括连接端面A和连接端面B，分别设在运动单元的两端，在连接端面A上设有两个活动锁紧钩和两个固定锁紧钩，控制电路板固定在连接端面A中；在连接端面B上分别设有多个与连接端面A上的活动锁紧钩和固定锁紧钩相配合的锁紧台阶，多组电极触点固定在连接端面B中；所述的控制电路板上也连接有用于电气连接的多组电极触点。

2.根据权利要求1所述的用于构建模块化机器人的关节模块，其特征在于所述的用于实现关节模块运动的运动单元包括电机、舱壳和减速传动装置，电机和减速传动装置安装在舱壳中，电机的输出轴从舱壳侧边伸出，在输出轴另一端的舱壳上设有支承轴，连接端面A安装在舱壳的下方，与电机机体固定；连接端面B的两侧分别设有耳部，整体成“U”形，两个耳部分别通过法兰盘连接在舱壳两端的电机输出轴和支承轴上。

3.根据权利要求1所述的用于构建模块化机器人的关节模块，其特征在于所述的用于实现关节模块运动的运动单元包括运动单元I、运动单元II和中间连接件，所述的运动单元I包括支撑架A、齿轮减速机构A和电机A，支撑架A为U形，固定在连接端面A上，电机A安装在支撑架A的底部的内侧，输出轴从支撑架A的侧边伸出，连接被齿轮箱封盖A封装在支撑架A侧边的齿轮减速机构A，支撑架的另一侧用端面封盖A封装；锁紧钩封盖固定安装在连接端面A上，将活动锁紧钩封装在内部；

所述的运动单元II与运动单元I相同，支撑架B安装在连接端面B上；

所述的中间连接件为十字轴，在两个运动单元的支撑架的两个侧边上分别设有轴孔，十字轴的轴头安装在轴孔中，分别与两个齿轮减速机构连接，两个支撑架成垂直交叉方向。

4.根据权利要求1或2或3所述的用于构建模块化机器人的关节模块，其特征在于在所述的连接端面A和连接端面B的侧边还设有多个用于与分支结构件或传感器模块进行电气连接和机械连接的侧边扩展接口。

5.根据权利要求4所述的用于构建模块化机器人的关节模块，其特征在于所述的扩展接口分别为4个。

6.根据权利要求1所述的用于构建模块化机器人的关节模块，其特征在于所述的固定在连接端面B中的多组电极触点连接在一个电气连接电路板上，所述的电气连接电路板固定在连接端面B中。

7.根据权利要求1或6所述的用于构建模块化机器人的关节模块，其特征在于所述的电极触点为弹片电极。

8.根据权利要求1所述的用于构建模块化机器人的关节模块，其特征在于所述的运动单元的电机为舵机、直流电机或步进电机。

9.根据权利要求1所述的用于构建模块化机器人的关节模块，其特征在于所述的锁紧台阶为8个，八个锁紧台阶分两组在相互垂直的方向上呈旋转对称性分布。

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