CN101758498B - 一种通用机器人形体组件 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种机器人形体组件，属于机器人技术领域。它由旋转模块、伸缩模块和弯曲模块组成，旋转模块、伸缩模块和弯曲模块之间可以任意顺序、数量相互连接，模块的两端分别是一个航空标准的插头和插座，各模块之间易于连接。此组件与其他组件连接时采用串行连接的方式，各个组件共用信号线和电源线，每个组件都有唯一的硬件编号作为与CPU通讯的依据。使用此通用形体组件可以降低机器人的研发、维护、升级等费用，节约社会资源，并使机器人肢体灵活，具有较好的自我修复能力。

Description

一种通用机器人形体组件

技术领域

本发明提供一种机器人形体组件，属于机器人技术领域。 

背景技术

现代机器人行业越来越发达，各种各样的机器人层出不穷，都是各个研究所或机器人公司独立研发的，其构造和运行方式都各不相同，这是由于目前机器人行业没有一种通用的组件或制造标准。当机器人的设计和制作每次都从最底层开始的时候，就会有很多重复劳动，耗费很多不必要的社会资源。专利CN100488732C提出了一种机器人组件的制作标准，它将机器人的很多功能组件模块化、标准化，如电源模块、控制模块、传感器模块等，这使得机器人的设计有所简化，设计人员可以通过这些模块的灵活组合实现多样化的功能，这有很重要的意义。但是机器人作为现代工业或军事使用，光有多样化的功能还不够，它的肢体还要足够的灵活，要有足够的鲁棒性，要尽量避免因某一外部形体组件损坏而瘫痪的问题。目前，很多机器人常因某个机械运动组件的故障导致全部功能无法正常使用，而且由于组件是由特定的公司所制造，组件的制造没有统一标准，在本地区往往买不到相应的组件用来更换，这使机器人的维护、维修变得相当困难，有时甚至会造成严重的后果。 

发明内容

本发明提供一种通用的机器人形体组件。它由旋转模块、伸缩模块和弯曲模块组成，旋转模块、伸缩模块和弯曲模块之间可以任意顺序、数量相互连接，模块的两端分别是一个航空标准的插头和插座，各模块之间易于连接。此组件与其他组件连接时采用串行连接的方式，各个组件共用信号线和电源线，每个组件都有唯一的硬件编号作为与CPU通讯的依据。 

旋转模块由两个圆筒状、同轴连接的部件组成，两个部件可以沿共同的轴线转动，部件之间有阻止部件转动的锁紧装置，部件内部有驱动部件转动的电磁装置和脉冲电路。模块以脉冲的方式运动，脉冲的间隙由锁紧装置配合进行锁紧，便于控制和承受一定的载荷。 

伸缩模块由两个圆筒状、同轴连接、可以沿轴线做活塞式运动的部件组成，部件内部有 阻止部件运动的锁紧装置和驱动部件运动的电磁装置和脉冲电路。模块以脉冲的方式运动，脉冲的间隙由锁紧装置配合进行锁紧，便于控制和承受一定的载荷。 

弯曲模块由两个一端连在一起并可以绕端点旋转的空心部件组成，部件之间有阻止部件转动的锁紧装置，部件内部有驱动部件旋转的电磁装置和脉冲电路。模块以脉冲的方式运动，脉冲的间隙由锁紧装置配合进行锁紧，便于控制和承受一定的载荷。 

各模块之间的机械连接采用统一标准、易于连接且强度可靠的接头，电连接采用统一的、航空标准的接头。模块内部两个部件之间的电连接采用电刷结构或者直接用导线连接，不同的是电刷结构可以使弯曲模块弯曲行程不受限制，旋转模块旋转行程不受限制，直接用导线连接行程会受到导线长度的限制。 

模块内部有脉冲发生电路、状态检测电路、信号接收/发送电路、动作控制电路、锁紧控制电路。状态检测电路负责实时检测各模块的旋转角度、弯曲角度和伸缩位移等状态信息。信号接收/发送电路负责从公用信号线上解码出目标信号，并将状态信号编码后发送到公用信号线上。动作控制电路负责根据目标信号控制设备进行相应的操作。锁紧控制电路负责在脉冲电路发生脉冲时解除模块的锁紧状态，在发生脉冲的间隙和动作前后无脉冲时对模块实施锁紧。CPU通过状态检测电路发送的状态信息调控各模块的运动。 

各模块与CPU之间的通信采用总线式结构。 

本发明所述的机器人形体组件可以与专利CN100488732C所述的各种组件连接在一起构成各种形态、具有行走能力的机器人，其姿态可采用程序进行控制，以适应不同的外部环境。这种机器人可以摆脱轮式机器人的限制，跨越障碍物，在复杂的地形中作业。任一形体组件发生损坏，可立即用另一形体组件进行更换或重新组合现有的形体组件，此操作甚至可由机器人自行完成。机器人需要完成复杂的的动作或改变工作方式时可以即时连接新的形体组件或改变现有形体组件的连接方式，整个操作过程非常简便，即连即用。本发明所述的形体组件不局限于某种特殊领域或某种特定的机器人，本发明可应用于军事、工业、安保、教育等多种领域。 

附图说明

图1为机器人形体组件各模块的外观示意图，其中1为旋转模块，2为伸缩模块，3为弯 曲模块。 

图2为旋转模块结构示意图。 

图3为旋转模块锁紧片示意图。 

图4为旋转模块透视图。 

图5为伸缩模块结构示意图。 

图6为伸缩模块透视图。 

图7为伸缩模块锁紧片示意图(凸纹在凹面)。 

图8为伸缩模块B部内壁的线圈分布示意图。 

图9为伸缩模块A部的凸纹结构(凸纹在凸面)。 

图10为伸缩模块A部的磁极与B部的线圈相互作用示意图。 

图11为弯曲模块结构示意图。 

图12为弯曲模块透视图。 

图13为形体组件各模块与CPU的通讯方式示意图。 

图14为人形机器人的形体组件构成示意图。 

图15为蛇形机器人的形体组件构成示意图。 

具体实施方式

此机器人通用形体组件由旋转模块、伸缩模块、弯曲模块三种模块组成。附图1是这三种模块的外观示意图，其中1为旋转模块，2为伸缩模块，3为弯曲模块。 

旋转模块由两个可以绕同一个轴旋转的部件组成，附图2为旋转模块的结构示意图，其中4为模块的外壳，5为锁紧装置的定位弹簧，6为锁紧片，7为模块的旋转轴。锁紧片的结构如附图3所示，盘片上有径向均匀分布的凸纹，两个锁紧片可以通过此凸纹互相咬合，其中8为旋转定位孔，9为旋转轴安装孔，10为凸纹。附图4为旋转模块的透视图，11为驱动旋转模块转动的电磁装置，其结构与普通的电动机类似。 

非工作状态下，旋转模块的锁紧片在定位弹簧的作用下互相咬合在一起，确保旋转模块的两个部件不会发生相对转动。当旋转模块工作时，脉冲发生电路会发出一个适当宽度的脉 冲电流，使两个部件之间产生转矩，同时使两个锁紧片沿轴向相反方向移动，互相松开，当两个部件旋转一个小角度后脉冲电流停止，这时两个锁紧片在定位弹簧的作用下重新咬合在一起，转动停止。每发生一个脉冲电流，旋转模块转动一个小角度。当旋转模块需要转动一个较大的角度时可以采取转动若干次的方式来完成目标。 

伸缩模块由两个沿轴互相套在一起的部件(A部、B部)组成，附图5为伸缩模块的结构示意图，附图6为伸缩模块的透视图，其中12为A部，17为B部，13为锁紧装置定位弹簧，14为锁紧片，15为电磁装置的线圈，位于B部的内壁，与A部的磁极相对应；16为伸缩模块的旋转轴，固定于B部的空腔内；附图7为伸缩模块锁紧片的结构示意图，锁紧片为一个弧形的金属片，金属片的凹面上有沿母线方向分布的弧形凸纹结构；附图8为B部内壁上的线圈分布示意图；图9为伸缩模块A部上与锁紧片相对应部分表面上的凸纹结构示意图，与锁紧片的结构类似，凸纹与磁极交替排列，凸纹与锁紧片对应，磁极与线圈对应。图10为伸缩模块A部的磁极与B部的线圈相互作用示意图，其中19为线圈，20为电流方向，21为排列于A部上的磁极；线圈互相靠的很近，线圈的边缘与磁极的中心相对应，当电流沿图示的方向流动时，线圈会受到向左的作用力。 

非工作状态下伸缩模块的锁紧片在弹簧的作用下与A部表面上的凸纹咬合在一起，使伸缩模块的两个部分无法相互移动。当伸缩模块工作时，脉冲发生电路会发出一个适当宽度的脉冲电流，使两个部件之间产生作用力，同时使锁紧片离开A部表面，当两个部件相对移动一个短距离后脉冲电流停止，这时锁紧片在定位弹簧的作用下重新与A部咬合在一起，伸缩运动停止。每发生一个脉冲电流，伸缩模块就会伸长或缩短一个较小的长度。当伸缩模块需要伸缩一个较大的长度时可以采取伸缩若干次的方式来完成目标。 

弯曲模块由两个连接于一个短轴上、可沿短轴转动并使两者产生一定角度的部件组成。附图11是弯曲模块的结构示意图，附图13为弯曲模块的透视图，其中22为弯曲模块的A部，23为弯曲模块的B部，24为驱动弯曲模块产生动作的电磁装置，其结构与普通电机类似，25为锁紧装置的定位弹簧，26为锁紧片，其结构与旋转模块的锁紧片相同，如图3所示，27为B部表面上的凸纹结构，与锁紧片的位置相对应。 

非工作状态下弯曲模块的锁紧片在弹簧的作用下与B部表面上的凸纹咬合在一起，使弯曲模块的两个部分无法相互转动。当弯曲模块工作时，脉冲发生电路会发出一个适当宽度的 脉冲电流，使两个部件之间产生力矩，同时使锁紧片离开B部表面，当两个部件弯曲一个小角度后脉冲电流停止，这时锁紧片在定位弹簧的作用下重新与B部咬合在一起，弯曲运动停止。每发生一个脉冲电流，弯曲模块的两个部件之间就会增加或减少一个小角度。当弯曲模块需要变换一个较大的角度时可以采取变化若干次的方式来完成目标。 

模块之间的机械连接采用统一标准、易于连接且强度可靠的接头，电连接采用统一的、航空标准的接头。模块内部两个部件之间的电连接采用电刷结构或者直接用导线连接，不同的是电刷结构可以使弯曲模块弯曲行程不受限制，旋转模块旋转行程不受限制，直接用导线连接行程会受到导线长度的限制。 

模块内部有脉冲发生电路、状态检测电路、信号接收/发送电路、动作控制电路、锁紧控制电路。状态检测电路负责实时检测各模块的旋转角度、弯曲角度和伸缩位移等状态信息。信号接收/发送电路负责从公用信号线上解码出目标信号，并将状态信号编码后发送到公用信号线上。动作控制电路负责根据目标信号控制设备进行相应的操作。锁紧控制电路负责在脉冲电路发生脉冲时解除模块的锁紧状态，在发生脉冲的间隙和动作前后无脉冲时对模块实施锁紧。CPU通过状态检测电路发送的状态信息调控各模块的运动。 

各模块与CPU的通信采用总线式结构，如图13所示。各模块与CPU之间使用同一条通信线缆，每个模块内部都有唯一且固定的硬件编号，CPU所发出的指令以及硬件发送到CPU的状态信息均包含硬件的编号，因此不会与其它硬件发生冲突。 

附图14是一个人形机器人的形体组件构成示意图。其中28为人形机器人的CPU，29为弯曲模块，30为旋转模块，31为弯曲模块，32为伸缩模块，33为弯曲模块，34为旋转模块，35为弯曲模块，36为伸缩模块。每个机器臂由一个弯曲模块、一个旋转模块、一个弯曲模块和一个伸缩模块按顺序连接而成，可以实现多自由度、复杂的动作。 

附图15是一个蛇形机器人的形体组件构成示意图。其中37为蛇形机器人的CPU，38为一个形体组件，它由一个旋转模块、一个弯曲模块和一个伸缩模块连接而成。39、40、41和42与38的构成相同，都作为蛇形机器人的一个肢节使用，可以互相调换位置。蛇形机器人工作时如果其中一个肢节发生故障则可用其它肢节替换，这使机器人的稳定性和可靠性都大大增强。 

本发明所述的机器人形体组件可以与专利CN100488732C所述的各种组件连接在一起构 成各种形态、具有行走能力的机器人，其姿态可采用程序进行控制，以适应不同的外部环境，例如机器人可以使用伸缩模块的伸缩功能随时改变自己的身高或手臂长度，使用弯曲模块的弯曲功能完成弯腰的动作，使用旋转模块的功能完成转身的动作等。这种机器人可以摆脱轮式机器人的限制，跨越障碍物，在复杂的地形中作业。任一形体组件发生损坏，可立即用另一形体组件进行更换或重新组合现有的形体组件，此操作甚至可由机器人自行完成。机器人要完成复杂的的动作或改变工作方式时可以即时连接新的形体组件或改变现有形体组件的连接方式，整个操作过程非常简便，即连即用。本发明所述的形体组件可以降低机器人的研发、维护、升级等费用，节约社会资源。本发明所述的形体组件不局限于某种特殊领域或某种特定的机器人，本发明可应用于军事、工业、安保、教育等多种领域。 

Claims (1)

1.一种通用机器人形体组件，其特征是：包括旋转模块、弯曲模块和伸缩模块，三种模块可以任意顺序、数量相互连接，三种模块都具有各自的锁紧装置，并以脉冲电流驱动、锁紧装置保持的方式运行；各模块都有唯一且固定的硬件编号，采用统一的机械接口和电接口，共用电源线和信号线；各模块之间的连接方式为串行连接；

伸缩模块包括圆筒状、同轴连接、可以沿轴线做活塞式运动的A、B两个部件，伸缩模块的锁紧装置和驱动部件运动的电磁装置的线圈位于B部件的内壁，所述线圈与A部件上的磁极相对应，伸缩模块的锁紧装置包括锁紧片和定位弹簧，锁紧片通过定位弹簧安装在B部件的的内壁，锁紧片为弧形的金属片，A部件上与锁紧片相对应的表面上具有凸纹，其中凸纹与磁极沿伸缩模块轴向交替排列，各线圈的边缘与磁极中心相对应，伸缩模块的活塞式运动由脉冲电流通过线圈直接驱动，脉冲电流停止时由伸缩模块的锁紧装置发生动作使伸缩模块锁紧、阻止其运动；

三种模块的内部均具有脉冲发生电路、状态检测电路、信号接收/发送电路、动作控制电路、锁紧控制电路；状态检测电路负责实时检测各模块相应的旋转角度、弯曲角度或伸缩位移状态信息；信号接收/发送电路负责从公用信号线上解码出目标信号，并将状态信息编码后发送到公用信号线上；动作控制电路负责根据目标信号控制模块进行相应的操作；锁紧控制电路负责在脉冲电路发生脉冲时解除模块的锁紧状态，在发生脉冲的间隙和动作前后无脉冲时对模块实施锁紧；CPU通过状态检测电路发送的状态信息调控各模块的运动；

各模块与CPU的通信采用总线式结构，各模块与CPU之间使用同一条通信线缆，每个模块内部都有唯一且固定的硬件编号，CPU所发出的指令以及状态检测电路发送到CPU的状态信息均包含硬件编号。

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