CN102381378B - 可重构的模块化机器人 - Google Patents

Abstract

可重构的模块化机器人，由多个可以独立运动的重构模块连接组合构成；重构模块包括，U型外架、U型内架、舵机架、内架连轴件和舵机；U型外架的一侧通过舵机架与U型内架连接，U型外架的另一侧通过内架连轴件与U型内架连接，舵机安装固定在舵机架内，内架连轴件伸出端的舵机轴轴套内侧通过花键孔与舵机输出轴的花键配合，U型外架的侧面和底侧分别设置模块组合连接孔，U型内架在侧面具有一组模块组合连接孔，内架连轴件上具有一组模块组合连接内圈孔，重构模块之间通过模块组合连接内圈孔或外圈孔或全孔连接组合在一起构成模块化机器人。单个模块的U型外架和U型内架间可进行360°连续旋转，具有运动功能，多模块可进行任意组装。

Description

可重构的模块化机器人

技术领域

本发明属于机器人技术领域，特别是可重构模块化机器人。

背景技术

可重构模块化机器人是一种能根据任务需要和环境的变化，重新组合构形的机器人。它一般是由许多个一种或有限的几种通用模块通过连接组成,各模块间有统一的接口环境,可用于传递力、运动、能量和通信,通过模块之间的连接断开操作进行重组改变整体构形,扩展运动形式,完成多种运动及操作任务。与传统的固定构形机器人相比,自重构机器人具有环境适应能力强、制造成本低、可自行修复、自变形等优点,可以应用于多种不同的场合和完成各种复杂的任务。

自上世纪八十年代末以来，可重构机器人研究也得到了迅速的发展，成为近年来机器人技术研究普遍关注的热点之一。可重构机器人技术的发展拓展了机器人的应用空间，使其在敏捷制造领域、极限环境中作业、灾难救援、军事领域、星球探测等方面均有良好的应用前景。在国外，典型的与本发明相关的模块化机器人有  PolyBot （by Mark Yim ,at Palo Alto Research Center），SuperBot （by Wei-Min Shen ,at the University of Southern California），iMobot（by Harry H.Cheng，at University of California,Davis）。PolyBot的单个模块是一种外形为约50mm的正方体，具有一个旋转自由度，最大旋转角度为180°，每个模块具有两个连接面用于模块之间的连接。通过多个模块的组合，该模块系统可以完成多种运动方式及构型。但是，该模块的最大缺点是单个模块不可运动，且只有在较多个模块的组合时，才能体现出模块化机器人整体的优点。SuperBot的单个模块在外形上类似两个PolyBot组合而成，但在两个PolyBot之间增加了一个旋转自由度，所以每个SuperBot具有3个自由度，两个可以旋转180°，另一个自由度可以连续旋转。SuperBot与 PolyBot具有同样的缺点，但是也有所改进。同时，SuperBot的结构相对复杂。iMobot是外形为长方体集成度比较高的单个模块，每个模块具有四个自由度，单个模块的运动功能比较强，有爬行及依靠两侧的方轮转动两个主要运动方式。但由于iMobot的主体和侧轮同样大小，主体充当支架的时候便要求地面平整才可以轮式移动。做爬行运动时也有很多的局限性，如运动缓慢，对地面的要求比较高等。

虽然经过几十年的发展,模块化重构机器人在技术上已经取得了很大的进步,但在硬件设计方面依然存在着许多难题。最急需解决的一个问题就是通用模块的设计,以提高模块的适用范围。

发明内容

本发明目的是克服现有技术中模块机器人单个模块设计上存在的上述问题，提供一种可重构的模块化机器人。

本发明提供的可重构的模块化机器人由至少两个可以独立运动的重构模块通过重构模块上设置的模块组合连接外圈孔或模块组合连接内圈孔或模块组合连接全孔连接组合构成；

所述的重构模块包括，一个U型外架，一个U型内架，一个舵机架、一个内架连轴件和一个舵机；U型外架的一侧具有与舵机架连接的一组外架螺栓孔，一个定位孔及一组模块组合连接外圈孔，另一侧具有与安装在内架连轴件上轴承相配合的外架轴承孔，及一组模块组合连接外圈孔，U型外架的底侧设置有一组模块组合连接外圈孔和模块组合连接内圈孔，模块组合连接外圈孔和模块组合连接内圈孔共同构成模块组合连接全孔，这三种孔统称为模块组合连接孔；U型内架的与U型外架具有外架螺栓孔面配合的一侧具有与安装在舵机架上的轴承相配合的内架轴承孔，另一侧具有与外架轴承孔同轴的用来穿过内架连轴件轴台的连轴件配合孔及与连轴件固定连接的一组内架螺栓孔，U型内架在底侧具有一组模块组合连接全孔；舵机架的一侧为三个呈阶梯状轴台，外端轴台小于里侧的轴台，最外端轴台插入U型外架的定位孔，用于装配时的定位，中间的轴台用于安装与U型内架轴承孔配合的轴承，里侧的轴台用于轴承的轴向定位，舵机架的中间轴台上设有一组与U型外架上的外架螺栓孔对应的舵机架螺栓孔，舵机架和U型外架通过螺栓固定连接在一起，舵机架的内侧为夹板状舵机固定架，舵机固定架内固定安装舵机；内架连轴件整体为三个呈阶梯状的轴台，内架连轴件的伸出端为舵机轴轴套，内侧为花键孔，用于与舵机输出轴上的花键配合，里侧轴台插入U型内架的配合孔中，中间轴台用于安装与U型外架轴承孔配合的轴承，外侧轴台用于轴承的轴向定位，内架连轴件外侧轴台具有一组与U型内架螺栓孔对应的连轴件螺栓孔，用于与U型内架螺栓连接，内架连轴件外侧轴台的外侧面同时设有一组模块组合连接内圈孔。

所述的模块组合连接外圈孔和模块组合连接内圈孔每组4个。两U型架底侧同时具有模块组合连接外圈孔及模块组合连接内圈孔，称为模块组合连接全孔，共8个，为了满足模块底侧面连接时需要更大力矩的要求，增加可靠性。

因内架连轴件与U型内架固连，所以装配后内架连轴件上的模块组合连接内圈孔可以视为在U型内架上，为描述直观，把此组模块组合连接内圈孔称做内架连接孔。

本发明的控制系统为双控制模块，在U型外架和U型内架上分别有一控制系统，在U型外架上的控制系统为主控制系统，包括运算控制，舵机控制及传感控制。在U型内架上载有次级控制系统，主要解决U型内架上的传感控制及连接控制。U型外架和U型内架上带有各自的电源及控制板，U型外架的电源为主电源，负责舵机供电及主控板供电。U型内架的电源为辅助电源，只负责U型内架控制板的供电。U型外架和U型内架之间采用无线传输，模块与模块之间采用无线通信。

本发明设计可以实现如下功能

U型外架与U型内架分别与舵机的机体与输出轴固连，所以U型外架与U型内架可以相对连续旋转，U型外架与U型内架上都具有模块组合连接孔（外圈孔和/或内圈孔），所以在多个模块重构机器人时，当模块中的U型外架或U型内架与主体固连时，另一U型架便会绕主体旋转。

每个模块具有四个连接面，五种连接方式。

在U型外架与内架连轴件轴承连接的一侧，U型外架与内架连轴件各有一组模块组合连接孔用于连接，U型外架的连接外圈孔使其他模块可以与U型外架固连，内架连轴件的连接内圈孔使其他模块可以与内架固连，所以这一面具有两种连接方式，其他三个面各有一组模块组合连接孔（外圈孔或全孔），共五组模块组合连接孔，即五种连接方式。

单个模块的U型外架与U型内架可以相对连续旋转，在单个重构模块在地面运行时，会自动使U型外架作为主体，U型内架绕旋转轴旋转，实现单个模块在地面上可靠直行运动。由于U型内架在地面上如同特殊轮式运动，所以对地面的要求不高，可以在多种路况下运动。

对于两个模块的组合有多种方式：

1、两个模块组合构型直线型，即两模块通过U型架底侧与底侧连接，若两模块的U型外架底侧相互连接，则两U型外架构成主体，两U型内架可以连续旋转进行特殊轮式运动。

2、若两个模块的U型内架底侧相互固连，则两U型内架构成主体，两U型外架作为驱动部件往复摆动，可实现两模块机器人做爬行运动。

3、还可以一个重构模块的U型外架底侧与另一重构模块的U型内架底侧连接，以满足不同的任务要求。

4、两个模块的组合构型为垂直型，即两模块并非通过U型架底侧与底侧连接时，由于U型外架与内架安装连轴件一侧的可选连接面，增加了更多的连接方式组合，可以产生多种构型。若一模块的U型外架底侧与另一模块的任意侧面连接，两U型内架的旋转轴相互垂直，即可分配一U型内架负责直行前进运动，另一U型内架负责转向，即此种方式重构出的两模块机器人可以到达平面任意位置。

对于多种模块的组合，可以有链式及网式重构模型，重构出仿蛇机器人，仿狗机器人等仿生机器人，即可以重构出国内外此类模块化机器人可以重构出的任何构型。以及由于U型外架与内架连轴件一侧的可选连接面，增加了更多的构型及功能，具有更好的实际应用。

本发明的优点和积极效果：

本发明最重要的就是单个模块具有灵活性和可靠性非常好的移动功能。实现单个模块在地面上可靠直行运动。使得执行任务前多个模块可以各自或两两组合到达目标位置，然后重构出所需构型完成任务。

由于U型内架在地面上如同特殊轮式运动， 运动过程对地面的要求比较低，只要没有非常大的障碍，一些小的缓坡，沙地，小凹凸不平的地面都可以稳定前行，具有一定的全地形适应能力。

由于模块的U型外架与U型内架的相对连续旋转及多种连接方式，使得多个模块的组合种类更多，用于多种不同的场合和完成各种复杂的任务。

由于模块的U型外架与U型内架的相对连续旋转，大大提高了模块的扩展应用范围，比如可以用轮子连接U型内架，完成真正的轮式运动。还可以作为360°连续旋转的摄像头云台。

附图说明

图1是可重构的模块化机器人重构模块组装示意图；

图2是图1中的A-A旋转局部剖视图；

图3是单个模块的一般视图

图4是重构模块主要零件示意图；

图5、图6、图7是单个可重构模块的分解示意图；

图8至图11是两个可重构模块组合成的模块化运动机器人运动过程示意图；

图12至图15是四个可重构模块组合成的摄像机器人工作过程示意图。

图中，1是U型外架，2是U型内架，3舵机架，4内架连轴件，5舵机，6外架螺栓孔，7定位孔，8外架轴承孔，9模块组合连接孔，10内架轴承孔，11连轴件配合孔，12内架螺栓孔，13模块组合连接孔，14舵机架螺栓孔，15舵机轴轴套，16连轴件螺栓孔，17模块组合连接孔；A:U型外架底侧模块组合连接全孔，B:U型外架侧面模块组合连接外圈孔，C1:U型外架侧面模块组合连接外圈孔，C2:内架连轴件模块组合连接内圈孔，D:U型内架底侧模块组合连接全孔。

具体实施方式

实施例1：可重构模块

如图1至图6所示，该重构模块为一个100*100*128的长方体，包括一个U型外架1，一个U型内架2， U型外架的一侧具有与舵机架固连的一组螺栓孔6及一个定位孔7，另一侧具有与内架连轴件上安装的轴承连接的外架轴承孔8，U型外架的两侧及底侧分别设置有一组模块组合连接孔9。U型内架在与U型外架具有螺栓孔面配合的一侧具有与舵机架3轴承连接的内架轴承孔10，另一侧具有与外架轴承孔同轴的用来穿过内架连轴件4内侧轴台的配合孔11及与连轴件固定连接的一组螺栓孔12，U型内架在底侧具有一组模块组合连接全孔13。舵机架3的一侧为呈三层阶梯状的轴台，最外端轴台插入U型外架的定位孔7，用于装配时的定位，中间的轴台用于安装与U型内架轴承孔配合的轴承，里侧的轴台用于轴承的轴向定位，舵机架3通过在中间轴台上的一组螺栓孔14与U型外架固连，舵机架的内侧为夹板状舵机固定架，舵机固定架内固定安装舵机5。内架连轴件4整体为三个呈阶梯状轴台，内架连轴件伸出端为舵机轴轴套15，内侧为花键孔，与舵机5输出轴的花键配合，内架连轴件的内侧轴台插入U型内架的配合孔11，中间轴台安装与U型外架轴承孔8配合的轴承，外侧轴台用于轴承的轴向定位，内架连轴件外侧轴台具有一组对应于U型内架螺栓孔的连轴件螺栓孔16用于与U型内架螺栓连接，外侧轴台的外侧面同时具有一组模块组合连接内圈孔17（参见图1至图4）。

在U型外架与内架连轴件轴承连接的一侧，U型外架与内架连轴件各有一组模块组合连接孔即外圈C1与内圈C2用于连接，U型外架另一侧及底侧和U型内架底侧三个面各有一组模块组合连接孔B、A、D，四个面共有五组模块组合连接孔即A、B、C1、C2和D用于模块间的连接，其中A、D为模块组合连接全孔，C1、B为外圈孔，C2为内圈孔，参见图5和图6，A:U型外架底侧模块组合连接全孔，B:U型外架侧面模块组合连接外圈孔，C1:U型外架侧面模块组合连接外圈孔，C2:内架连轴件模块组合连接内圈孔，D:U型内架底侧模块组合连接全孔。（参见图5和图6）

实施例2：重构模块机器人1

如图8至图11所示，两模块的U型外架底侧连接，重构成直线型，两U型外架构成主体，两U型内架可以进行360°连续旋转（顺时针旋转为向右行，逆时针旋转为向左行），进行特殊轮式运动，以右行为例，图8为运动开始，图9为转过一个锐角时的状态，图10为转过一个钝角时的状态，图11为转过180°即半周时的状态，再次旋转半周回到初始位置进行下一步前行，如此循环达到右行的目的。

实施例3：重构模块机器人2（四个重构模块组合的例子）

如图12至图15所示，为重构模块Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ四个模块重构出的移动摄像机器人，重构模块Ⅰ的U型外架侧面C1与重构模块Ⅱ的U型外架底侧A固定连接，重构模块Ⅱ的U型内架C2与重构模块Ⅲ的U型内架C2固定连接，重构模块Ⅲ的U型外架底侧A与重构模块Ⅳ内架C2连接，在重构模块Ⅳ的U型外架底侧中间安装一个摄像头（图中未画出）。在图12的状态下， 机器人处于寻找目标阶段，重构模块Ⅰ的U型内架和重构模块Ⅳ的U型外架的旋转为主要驱动方式，进行特殊轮式运动，以到达目标位置附近，图13为准备摄像姿势，重构模块Ⅲ的舵机转动90°，带动重构模块Ⅲ的U型外架与重构模块Ⅳ立起，图13为摄像阶段，重构模块Ⅳ的舵机旋转，控制携带有摄像头的U型外架360°连续旋转摄像，图14为在摄像为主要运动时，也可以通过重构模块Ⅰ的U型内架旋转适当的调整位置，重构模块Ⅱ及重构模块Ⅲ进行合适的控制，可以使重构模块Ⅱ的U型内架与重构模块Ⅲ的U型内架同时旋转，进行直线移动。

Claims (2)

1.一种可重构的模块化机器人，其特征在于该模块化机器人由至少两个可以独立运动的重构模块通过模块上设置的模块组合连接外圈孔或模块组合连接内圈孔或模块组合连接全孔连接组合构成，所述的模块组合连接全孔由所述的模块组合连接外圈孔和所述的模块组合连接内圈孔共同构成，这三种孔统称为模块组合连接孔；

所述的重构模块包括一个U型外架，一个U型内架，一个舵机架、一个内架连轴件和一个舵机；U型外架的一侧具有与舵机架连接的一组外架螺栓孔，一个定位孔及一组所述的模块组合连接外圈孔，另一侧具有与安装在内架连轴件上轴承相配合的外架轴承孔，及一组所述的模块组合连接外圈孔，U型外架的底侧设置有一组所述的模块组合连接全孔；U型内架的与U型外架具有外架螺栓孔面配合的一侧具有与安装在舵机架上的轴承相配合的内架轴承孔，另一侧具有与外架轴承孔同轴的用来穿过内架连轴件轴台的连轴件配合孔及与连轴件固定连接的一组内架螺栓孔，U型内架在底侧具有一组所述的模块组合连接全孔；舵机架的一侧为三个呈阶梯状轴台，外端轴台小于里侧的轴台，最外端轴台插入所述U型外架上所述的定位孔，用于装配时的定位，中间的轴台用于安装与U型内架轴承孔配合的轴承，里侧的轴台用于轴承的轴向定位，舵机架的中间轴台上设有一组与U型外架上的外架螺栓孔对应的舵机架螺栓孔，舵机架和U型外架通过螺栓固定连接在一起，舵机架的内侧为夹板状舵机固定架，舵机固定架内固定安装舵机；内架连轴件整体为三个呈阶梯状的轴台，内架连轴件的伸出端为舵机轴轴套，内侧为花键孔，用于与舵机输出轴上的花键配合，里侧轴台插入U型内架的配合孔中，中间轴台用于安装与U型外架轴承孔配合的轴承，外侧轴台用于轴承的轴向定位，内架连轴件外侧轴台具有一组与U型内架螺栓孔对应的连轴件螺栓孔，用于与U型内架螺栓连接，内架连轴件外侧轴台的外侧面同时设有一组所述的模块组合连接内圈孔。

2.根据权利要求1所述的可重构的模块化机器人，其特征在于所述的重构模块上的所述的模块组合连接外圈孔和所述的模块组合连接内圈孔每组为4个孔，所述的模块组合连接全孔每组为8个孔。

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