CN101934471A

CN101934471A - 虚拟环境中快速组装模块机器人产品的方法与技术

Info

Publication number: CN101934471A
Application number: CN2009100541092A
Authority: CN
Inventors: 张坛; 章文俊
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2009-06-30
Filing date: 2009-06-30
Publication date: 2011-01-05

Abstract

本发明公开了一种虚拟环境中快速组装模块机器人雕塑产品的方法与技术，其特征在于，建立在Solidworks软件及LEGO模块系统的基础上的一种快速方便的装配。本发明的本质是：在原来连杆单元模块结构的stud inlet结构中增加一个“凸起结构”特征，这一特征附加在原模块上。在此特征基础上，LEGO连杆单元模块的两个通用的特征(同轴心和重合配合)就可以同时实现。从而只需要一次操作就能在虚拟环境中装配两个模块，同样使用该特征能装配两个连杆。本发明为虚拟环境中模块机器人以及相关的以机器人为基础的产品的组装提供了一种用户友好，高效的快速装配方法与技术。

Description

虚拟环境中快速组装模块机器人产品的方法与技术

技术领域

本发明涉及的是一种设备制造与设计技术领域的方法，具体的说，是一种虚拟环境中快速组装模块机器人产品的方法。

技术背景

机器人是一种自动化的机器，所不同的是这种机器具备一些与人或生物相似的智能能力，如感知能力、规划能力、动作能力和协同能力，是一种具有高度灵活性的自动化机器。模块机器人产品采用机器人作为产品的内部框架，外部覆盖其它材料以表现产品的美感，进一步操控机器人运动，则整个产品外形会发生变化，从而体现出它的动态之美。采用基于塑料模块(如LEGO模块)组装成机器人产品，不仅可以满足产品制作过程中不断拆卸和组装的要求，而且能够减轻产品的质量，使其更加灵活。虽然本技术起源于动态雕塑艺术品，但它可以用于任何产品原型的设计与制造，在以下文章中，“雕塑品”与“产品”两者互换或意思相同。此外，LEGO模块机器人产品还可以是一种快速原型系统。

LEGO模块是一种由LEGO公司制造的积木玩具。模块机器人雕塑品主要是由LEGO关节模块和LEGO连杆模块组装而成的动态雕塑品。如图1所示具有“凸起管”(stud-and-tube)结构的砖块称为连杆单元模块。模块之间的连接有两种，第一种连接称为“刚性”连接，即连接在一起的两个模块之间没有相对运动。这种连接是通过模块上的stud及stud inlet来装配实现，如图1(a)和图1(b)所示的stud和stud inlet结构。通过这种连接器连接而成的模块称为连杆模块，在机器人学中，其特点是各个单元模块间不产生相对运动，如图1(c)所示。第二种连接器称为关节，有两种主要的关节分别称为Pin和Axle，如图2(a)所示。它们分别与图2(b)和图2(c)中连杆单元模块的Pinhole和Axlehole连接。在机器人中，其特点是各个连杆间产生相对转动或相对移动。如图2(d)所示。

经过对现有虚拟环境中实现由LEGO模块组成的模型的组装方法进行研究发现，专门用于搭建这种模型的软件已经存在，这里称为LEGO软件。从这些软件界面中的零件库窗口拖动零件至编辑区域中其他模块附近，这两个模块会自动按照stud-stud inlet，pin-pinhole等连接在一起。但是大部分LEGO软件中所搭建的模型的模块间的装配关系不能被识别，因此当拖动一个模块时，其他的模块不会跟随该模块运动。在另外一些LEGO软件中，如SR 3DBuilder软件中，虽然模型的模块间的装配关系可以被识别，但是当拖动由不同的连杆和关节组成的模型中的任意一个模块时，其余的模块不能按照相应的装配关系产生相应的运动。也就是说，建立的模型不是一个机构。机构是一组(刚体)连杆的组合，移动其中一个连杆，迫使另一个相关连杆，使其依照组合所形成的规律，产生一种运动。因此，不能在LEGO软件中搭建模块机器人。

目前对于在3D软件中组装基于LEGO模块的模型已经有一些研究。但是模型的装配都是采用标准的装配方法，即通过插入零件——选择配合实体——确定配合关系来实现装配的。这种方法操作繁琐，效率较低，不适合模块机器人雕塑品这种需要模块数目较大的系统的装配。

在Solidworks软件中，利用智能配合技术可以拖动一个模块至装配体中目标配合实体，即装配体中模块参与配合的面或边线，这样两个配合实体就自动装配在一起。这在一定程度上能够提高整个模型的装配效率。如图3所示，在Solidworks软件中，模块机器人雕塑品中连杆单元间的配合表现为两个模块(模块M1和模块M2)中的三个配合：模块M1中两个stud圆边线A和B与模块M2中对应的两个stud圆边线A’和B’间的同轴心配合以及模块M1的底面C和模块M2的顶面C’间的重合配合。采用Solidworks智能配合技术，一次拖动模块只能实现一个配合参考实体与装配体中目标配合实体的配合。所以，采用智能配合技术，无论先实现LEGO连杆单元三个配合中的哪个配合，都会使其余两个配合关系很难实现或者出现不理想的装配效果。

综上所述，目前对于在虚拟环境中模块机器人雕塑的装配效率仍然不高，已经给出的研究主要存在两个问题：在专门用于搭建基于LEGO模块的模型的软件中，虽然可以快速搭建模型，但是最终搭建的模型不是机器人；3D软件中可以组装模块机器人雕塑品，但是组装效率很低。

发明内容：

本发明的目的在于为虚拟环境中模块机器人以及相关的以机器人为基础的产品的组装提供了一种用户友好，高效的快速装配方法与技术。

本发明采用的技术方案是：在原来连杆单元模块结构的stud inlet结构中增加一个“凸起结构”特征，这一特征附加在原模块上。这一特征可以取代两个特征，即同时实现两个配合，如图3所示的圆边线A和A’的同轴心配合以及面C和C’的重合配合。将这一特征称为复合特征。在此复合特征的基础上，模块机器人产品的装配效率得到了很大的提高。

两个LEGO连杆单元模块组装成连杆的过程只需要两个步骤：首先，拖动一个模块至装配体中目标配合实体，

该复合特征使得模块机器人产品的组装过程更加方便，快捷。

在此特征基础上，LEGO连杆单元模块的两个通用的特征(同轴心和重合配合)就可以同时实现。从而只需要一次操作就能在虚拟环境中装配两个模块，同样使用该特征能装配两个连杆。

附图说明

图1为连杆单元模块结构示意图

图2为关节模块结构示意图

图3为两个连杆单元间的装配关系示意图

图4为虚拟环境中连杆单元stud inlet中增加的“凸起结构”示意图

图5为结构改变后的连杆单元间快速装配过程示意图

图6为转动关节模块与连杆单元快速装配过程示意图

图7为移动关节模块与连杆单元快速装配过程示意图

具体实施方式

下面结合附图和实例对本发明作详细说明。

本发明在原来连杆单元模块结构的stud inlet结构中，增加一些“凸起结构”特征，其横截面剖视图如图4所示，其中圆弧的圆心O位于stud inlet相对应的顶面stud圆柱的轴线上，半径R与stud圆柱半径相等。该特征附加在原模块上。这一特征可以取代两个特征，即同时实现两个配合，如图3所示的圆边线A和A’的同轴心配合以及面C和C’的重合配合。将这一特征称为复合特征。

在此复合特征的基础上，模块机器人产品的装配效率得到了很大的提高，其具体装配过程如下：

(1)将两个连杆单元模块装配成为连杆模块，其过程如下：

a)分别设置两个“凸起结构”底面圆边线为主要参考实体和第二参考实体，设置一个stud底面圆边线为第三参考实体，分别如图5所示的1、2和3；

b)将带有配合参考的模块拖放至装配体中连杆单元的stud圆边线附近，完成一个同轴心和重合配合；

c)最后按住Alt键，拖动插入的连杆单元的stud圆柱面至装配体中连杆单元的stud圆柱面附近，完成另一个同轴心配合。从而完成了连杆模块的快速装配。

(2)装配带有转动关节模块pin的模块

a)设置转动关节模块pin圆边线A为主要参考实体；

b)将带有配合参考的pin拖放至装配体中具有pinhole结构的连杆的圆边线A’附近，完成圆边线A与A’的同轴心和重合配合，使转动关节与连杆相对转动。如图6所示。

(3)装配带有移动关节模块axle的模块

a)设置移动关节模块axle面B为主要配合参考实体；

b)将带有配合参考的axle拖放至装配体中具有axlehole结构的连杆面B’附近，完成面B和面B’的同轴心配合；

c)然后按住Alt键，拖动C面至C’面附近，实现C面与C’面的重合配合。使移动关节与连杆相对移动。如图7所示。

这样就可以快速方便的组装模块机器人产品。在标准的装配过程中，完成两个连杆单元的三个配合需要七个步骤——插入零件以及分别选择两个零件各自的三个配合实体。采用本发明所提供的方法，只需要两个步骤——拖动零件至目标配合实体，拖动该零件另外的配合实体至其对应的目标配合实体。如果采用该方法需要3秒钟，那么采用标准的装配方法则需要10秒钟，当装配体中模块数量增多时，甚至需要更多的时间。按这样计算，如果装配体需要1000个LEGO连杆单元模块，采用新技术需要50分钟，而采用标准的装配方法则至少需要2小时47分钟。而且随着模块数量增多，新技术会远比传统的方法耗费的时间少。

在组装模块机器人产品的过程中，以上所述的对连杆模块单元模块结构的改变是开发者即发明者的任务，用户不需要做这部分工作。本发明通过改变连杆单元模块结构来实现模块机器人雕塑品的快速装配，对虚拟环境中模块机器人产品的快速装配具有重要的意义。

Claims

1.一种虚拟环境中快速组装模块机器人产品的技术及系统，其特征在于：建立在Solidworks软件及LEGO模块基础上的一种用户友好，高效的快速装配方法与技术。

2.根据权利要求1所述的一种虚拟环境中快速组装模块机器人产品的技术及系统，其主要特征是：在原来连杆单元模块结构的stud inlet中增加一个“凸起结构”特征，在此特征基础上，两个通用的特征(同轴心和重合配合)就可以同时实现。