CN102765087A - 一种模块化自重构机器人及其变形控制方法 - Google Patents

Abstract

一种模块化自重构机器人及其变形控制方法，机器人由单体连接构成，实现“一”构型和“十”构型，机器人的初始构型是“一”构型，将自身分为首模块、中间模块和尾模块三部分，接到变形控制命令时，首、尾模块和中间模块的对接机构实现分离，分离后，中间模块进行旋转，直至和首、尾模块成垂直状态；自动对接过程包括对接面初始相对角度调整、对接面相对角度偏差和相对位移偏差调整以及对接机构的锁紧，最终实现首、尾模块和中间模块的对接，完成由“一”构型到“十”构型的变形，其逆过程也可实现由“十”构型到“一”构型的变形。本发明的机器人及其控制方法可简单有效地实现单体之间的分离、对接，完成“一”构型和“十”构型之间的变形。

Description

一种模块化自重构机器人及其变形控制方法

技术领域

本发明属于机器人技术领域，涉及机器人的重构变形，为一种模块化自重构机器人及其变形控制方法。

背景技术

模块化自重构机器人由若干具有一定自治能力和感知能力的单元模块组成。各模块具备统一机械和电气接口，可自主对接组装为各种联体构型并可相互转换，从而实现不同的运动和操作功能。模块化自重构机器人的主要特点是自重构功能和自修复功能，要求模块化自重构求机器人能够根据环境、任务的变化，在不同的构型之间实现转换，从而能有效的完成一些更加复杂的、高难度的任务。“一”构型应用于爬行狭长的通道或者是跨越沟壑，当地面环境比较崎岖的时候，我们需要将“一”构型变换为“十”构型，运用仿生形的步态控制，跨越障碍物。为了适应复杂的环境和满足多变的任务，在不同构型之间实现变换的控制方法成为模块化自重构机器人研究中重要问题之一。

日本AIST机械工程实验室研制的M-TRAN模块化自重构机器人，基本模块由两个半圆柱体和连接杆组成，机器人的变形是基于模块的两个半圆柱体在空间内相对翻转实现的，对于控制方法的定位精度要求较高，因此变形的局限性很大。PaloAlto研究中心设计的PolyBot自重构机器人，它属于链式结构的自重构机器人，机器人变形过程中是利用SMA形状记忆合金实现对接，SMA形状记忆合金耗电多，机器人结构的计算分析和控制较困难，实现大面积的自重构任务的难度和代价较大。

发明内容

针对现有方法的不足，本发明提供一种模块化自重构机器人“一”构型和“十”构型的变形控制方法。能简单有效的实现单体之间的分离、自动对接，完成由“一”构型和“十”构型的变形，最终能处理更加复杂的、高难度的任务。

本发明的技术方案为：一种模块化自重构机器人，由至少三个单体连接构成，实现“一”构型和“十”构型，所述单体由前、中、后三个关节依次连接组成，所述关节包括两个U形框和舵机，所述U形框由一个底面和两个连接臂组成，连接臂对称设置在底面的两侧；两个U形框的连接臂上设有铰接孔，两个U形框通过铰接孔铰接在一起，转动连接，舵机固定在其中一个U形框内，驱动另一个U形框转动；前、中、后三个关节之间通过U形框的底面相互固定连接，所述单体放置在水平面上时，前关节和后关节俯仰转动，中关节左右转动；

所述单体连接构型，“一”构型时，各单体前后关节相连成直链，单体之间相互连接的U形框底面上分别设有对接锥头和卡接孔，底面中间设有对接锥头的U形框称为对接公头，底面中间设有卡接孔的U形框称为对接母头，所述对接锥头与卡接孔构成卡接结构，对接公头的底面中间设有圆孔，对接锥头穿过所述圆孔连接一旋转齿轮，对接公头的底面上还设有直流电机，所述直流电机的输出轴驱动旋转齿轮，带动对接锥头旋转，对接锥头侧面设有卡齿，卡接孔直径与对接锥头一致，设有对应所述卡齿的卡槽，对接公头与对接母头连接时，对接锥头对应卡槽位置穿过卡接孔，旋转后，卡齿卡在卡接孔未设卡槽的边缘，实现卡接；

“十”构型时，将“一”构型中的单体分为首模块、中间模块和尾模块三个部分，十字交叉点位于中间模块，中间模块在所述十字交叉点位置的两侧设有连接面，连接面上设有卡接孔，首模块和尾模块通过连接锥头连接至所述连接面的卡接孔，得到“十”构型；其中，首模块和尾模块与连接面连接的U形框底面上设有一对红外接收管，连接面上设有一对红外发射管。

上述模块化自重构机器人的变形控制方法，由上位机控制将“一”构型变形为“十”构型，将“一”构型分为首模块、中间模块和尾模块三部分，每个模块包括至少一个单体，十字交叉点位于中间模块，“一”构型时，中间模块的两端为对接母头，首、尾模块通过对接公头连接中间模块，“一”构型变形为“十”构型时，所述三部分模块分解：待分解处的对接公头的直流电机旋转带动对接锥头旋转，对应卡接孔的卡槽位置，首、尾模块分别向远离中间模块的方向直线移动，使首、尾模块和中间模块实现完全分离，所述直线移动通过单体前关节与后关节的俯仰转动动作，利用关节与地面的摩擦力，波浪式直线移动；然后中间模块通过单体的中关节左右转动，利用前、后关节与地面的摩擦力，调整角度旋转90°，和首、尾模块成垂直状态，首、尾模块再向着中间模块的方向直线移动，根据首尾模块对接公头上的红外接收管，以及中间模块对接面上的红外发射管，通过红外强度与距离的关系建立数学模型，通过红外接收管接收的红外强度值推算出对接公头与对接面的距离，当对接公头距对接面距离达到设定的对接距离阈值，自动对接过程开始：

1）首、尾模块的对接公头向左右15°范围内按5°递增模式进行角度搜索，寻找对接面红外发射管发射红外强度最大的方向，完成对接面初始相对角度调整；

2）在所述红外强度最大的方向上测量首、尾模块的红外接收管和中间模块对接面的红外发射管的距离值，上传至上位机，上位机根据已知的红外发射管与对接面卡接孔位置关系、红外接收管与对接锥头位置关系、以及所述距离值建立一个局部坐标系，计算对接公头和对接面相对角度偏差和相对位移偏差，首、尾模块根据得到的偏差值调整与中间模块的相对位置；

循环以上两个步骤，直到对接公头与对接面完全正对，且距离足以完成对接锥头与卡接孔的卡接，首、尾模块驱动对接锥头，同时进行与对接面的对接，实现由“一”构型到“十”构型的变形。

进一步的，上位机控制机器人由“十”构型变为“一”构型，首模块、中间模块和尾模块三部分完全分离，中间模块旋转90°，和首、尾模块成直链状态，首、尾模块的对接公头通过红外接收管管，以及中间模块对接母头的红外发射管进行自动对接过程，至首、尾模块的对接公头与中间模块的对接母头连接完成，实现由“十”构型到“一”构型的变形。

所述自动对接开始的对接距离阈值设置为9～11cm。

本发明具有以下有益效果：一，可以有效的实现单体之间的对接和分离；二，首尾单模块单体能够和旋转后的双模块单体实现自动对接，完成从“一”型到“十”型的变形；三，控制方法简单可靠。

附图说明

图1是本发明单模块单体的结构图。

图2是本发明对接公头的上视图。

图3是本发明双模块单体的结构图。

图4是本发明对接母头的立体图。

图5是本发明对接公头对接母头锁紧状态。

图6是本发明对接公头对接母头分离状态。

图7是本发明“一”构型的结构图。

图8是单模块单体行走一个步长过程图

图9是本发明“一”构型到“十”构型的变形过程。

图10是本发明双模块单体旋转90°的立体图。

图11是对接过程中建立的局部坐标系。

图12是本发明对接为“十”构型的立体图。

图13是本发明“一”构型到“十”构型的变形流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明作进一步详细说明。

本发明为一种模块化自重构机器人，由至少四个单体连接构成，实现“一”构型和“十”构型，如图1所示，本发明的单体由前关节1、后关节2、中关节3三个部分依次连接组成，所述关节包括两个U形框和舵机，所述U形框由一个底面和两个连接臂组成，连接臂对称设置在底面的两侧；两个U形框的连接臂上设有铰接孔，两个U形框通过铰接孔铰接在一起，转动连接，舵机固定在其中一个U形框内，驱动另一个U形框转动；

所述单体连接构型，“一”构型时，各单体前后关节相连成直链，单体之间相互连接的U形框底面上分别设有对接锥头和卡接孔，底面中间设有对接锥头的U形框称为对接公头，如图2所示，底面中间设有卡接孔的U形框称为对接母头，如图4所示。前、中、后三个关节之间通过U形框的底面相互固定连接，所述单体放置在水平面上时，前关节和后关节俯仰转动，中关节左右转动；各单体之间通过对接锥头与卡接孔连接。

所述对接锥头与卡接孔构成卡接结构，如图2所示，对接公头101的底面中间设有圆孔，对接锥头102穿过所述圆孔连接一旋转齿轮107，对接公头101的底面上还设有直流电机108，所述直流电机108的输出轴齿轮与旋转齿轮107啮合，驱动齿轮107旋转，进而带动对接锥头102旋转，对接锥头侧面设有卡齿，卡接孔204直径与对接锥头102一致，设有对应所述卡齿的卡槽，如图4；对接公头与对接母头的连接如图5和图6所示，对接锥头对应卡槽位置穿过卡接孔，旋转后，卡齿卡在卡接孔未设卡槽的边缘，实现卡接，图5为锁紧状态，图6为分离状态。

对接公头的底面上设有一对红外接收管104、106，分别通过红外对管安装孔103、105安装在对接公头上，对接母头上也设有一对红外发射管202、206，分别通过红外对管安装孔203、205安装在对接母头上；对接公头和对接母头通过所述红外接收管和红外发射管定位。

“十”构型时，将“一”构型中的单体分为首模块、中间模块和尾模块三个部分，十字交叉点位于中间模块，中间模块在所述十字交叉点位置的两侧设有连接面，连接面上设有卡接孔，首模块和尾模块通过连接锥头连接至所述连接面的卡接孔，得到“十”构型；其中，首模块和尾模块与连接面连接的U形框底面上设有一对红外接收管，连接面上设有一对红外发射管。

下面以四个单体构成的模块化自重构机器人为例来说明本发明的实施。

如图3所示，中间模块为两个单体组成，J1、J3、J4、J6为双模块单体的四个俯仰关节，J2、J5为其两个旋转关节，卡槽4用于和首、尾模块的单体侧面对接。

由“一”构型变形为“十”构型，将“一”构型分为首模块、中间模块和尾模块三部分，每个模块包括至少一个单体，十字交叉点位于中间模块，“一”构型时，中间模块的两端为对接母头，首、尾模块通过对接公头连接中间模块，如图7所示，为实施例的机器人的初始构型“一”构型，由4个单体构成，首尾各一个单体作为“十”构型的首、尾模块，中间的两个单体作为“十”构型的中间模块。

三部分模块的分解为：待分解处的对接公头的直流电机旋转带动对接锥头旋转，对应卡接孔的卡槽位置，首、尾模块分别向远离中间模块的方向直线移动，使首、尾单模块和中间模块实现完全分离，所述直线移动为通过单体前关节与后关节的俯仰转动动作，利用关节与地面的摩擦力，波浪式直线移动。然后中间模块通过单体的中关节左右转动，利用前、后关节与地面的摩擦力，调整角度旋转90°，和首、尾模块成垂直状态，首、尾模块再向着中间模块的方向直线移动，检测到距中间模块单体为10cm左右，自动对接过程开始。

如图8所示，图中Step1~Step5为单体一个运动周期，Step1为初始状态，节点处于伸展状态，为运动作准备。Step2中，前关节向上偏转θ1角度，为的是减少模块运动过程中与地面的摩擦力。Step3中，后关节向下偏转θ2角度，由于摩擦力的作用，整个单体并没有向前移动而是将向前的驱动力转化成中关节的上拱。Step4中，前关节由原来的向上偏转θ1转变为向下偏转一定的角度，后关节的水平高度高于前关节，这样为单体向前移动提供更加充足的力矩。在Step5中，后关节向上偏转θ2使关节处于伸展状态，由此产生向前驱动力，驱动整个单体向前移动，前关节向上摆动一定的角度，使关节处于伸展状态，恢复Step1状态，开始下一轮的循环。其中S为单体一个运动周期所走的距离即一个步长，在本实施例中为2cm~2.8cm。

如图9所示，为“一”构型到“十”构型变形过程中双模块单体实现旋转的具体步态。图中step1到step6为一个运动周期，在step1中，初始构型“一”构型收到上位机变形控制的命令之后，待分解处的对接公头分别控制各自的直流电机108旋转，带动对接锥头102旋转60°，使得待分解处的对接公头101和对接母头201处于分离状态。首、尾模块分别向远离中间模块的方向移动一个步长，首、尾模块和中间模块实现完全分离；在step2中，中间模块的关节J1、J6向下偏转，这样有利于增加整个模块端部与地面的摩擦力；在step3中，中间模块的关节J2、J5分别向右、向左摆动一定的角度，带动中间模块旋转一定的角度，然后关节J1、J6向上偏转一定的角度，关节J1、J6恢复初始的状态；在step4中，关节J3向上旋转一定的角度，关节J2向左摆动一定的角度，J2恢复初始状态，关节J3向下摆动一定角度，关节J1、J2、J3恢复初始状态；Step5的过程正好和step4相对应，关节J4、J5、J6恢复初始状态；在Step6中，整个中间模块整体旋转过约15°并恢复初始状态，为下一次循环作准备。上述步骤中提到的一定角度均上位机通过关节的舵机控制，如表1所示，为中间模块实现旋转的具体步态表。其中A代表关节的俯仰旋转角度，+A代表向上的旋转的角度，-A代表向下旋转的角度，B代表关节的水平方向旋转的角度，+B代表从纸面旋出的角度，-B代表向纸内旋进去的角度。转动角度可以预先对舵机进行设置，例如设置每次旋转15°。

表1

如图10、图11、图12所示，中间模块按照图9所示的旋转周期旋转6次，即旋转90°，和首、尾模块对接公头成垂直状态，最后完成对接。具体的过程为：首先，中间模块按照旋转步态表进行角度调整，直至中间模块和首、尾模块的主动对接面成垂直状态，也就是对接公头垂直于中间模块十字交叉点所处的平面，即对接面；其次，首、尾模块需向着中间模块的方向一段距离，通过红外接收管检测到距中间模块10cm左右，自动对接开始，首、尾模块和中间模块的对接同时进行。首模块的控制对接公头向左右15°范围内按5°递增模式进行角度搜索，寻找中间模块发射红外强度最大的方向，完成对接面初始相对角度调整；如图11所示，在该方向上测量对接公头的一对红外接收管与对接面一对红外发射管的距离值，上传至上位机，上位机根据已知的红外发射管与对接面卡接孔位置关系、红外接收管与对接锥头位置关系、以及所述距离值建立一个局部坐标系，计算对接公头和对接面相对角度偏差和相对位移偏差，首、尾模块根据得到的偏差值调整与中间模块的相对位置；如图11，计算如下：

$D=\frac{D_1+D_2}{2}---\left(1\right)$

$\mathrm{\α}=\arctan \frac{D_2-D_1}{L}---\left(2\right)$

$X=D*\sin \mathrm{\α}=\frac{D_1+D_2}{2}*\sin \mathrm{\α}---\left(3\right)$

$Y=D*\cos \mathrm{\α}=\frac{D_1+D_2}{2}*\cos \mathrm{\α}---\left(4\right)$

式中，D为对接公头与对接面的距离，L为对接公头上两个红外接收管的中心距，相对角度偏差为α，相对位移偏差包括距离Y和水平偏差X，D₁和D₂分别为对接面的红外发射管IRT1、IRT2与对接公头的红外接收管IRR1、IRR2的距离。

然后首模块根据得到的偏差值调整与中间模块对接面的相对位置。经过循环搜索、调整两个步骤，直到两个对接公头与对接面完全正对，也就是对接锥头与卡接孔正对，并调整距离至足以完成对接机构的锁紧。尾模块经过相同的对接过程，最终实现由“一”构型到“十”构型的变形。

如表2所示，为“十”构型的运动步态表，其中A,B的定义和表1中A,B定义相同，J1－J12分别对应图11中的各个关节。

表2

如图13所示，为“一”构型到“十”构型变形的流程图。其中流程图中的IR值代表红外发射管红外发射值。

进一步的，上位机还可控制机器人由“十”构型变为“一”构型，首模块、中间模块和尾模块三部分完全分离，中间模块旋转90°，和首、尾模块成直链状态，首、尾模块的对接公头通过红外接收管管，以及中间模块对接母头的红外发射管进行自动对接过程，至首、尾模块的对接公头与中间模块的对接母头连接完成，实现由“十”构型到“一”构型的变形。

Claims (4)

1.一种模块化自重构机器人，其特征是由至少三个单体连接构成，实现“一”构型和“十”构型，所述单体由前、中、后三个关节依次连接组成，所述关节包括两个U形框和舵机，所述U形框由一个底面和两个连接臂组成，连接臂对称设置在底面的两侧；两个U形框的连接臂上设有铰接孔，两个U形框通过铰接孔铰接在一起，转动连接，舵机固定在其中一个U形框内，驱动另一个U形框转动；前、中、后三个关节之间通过U形框的底面相互固定连接，所述单体放置在水平面上时，前关节和后关节俯仰转动，中关节左右转动；

所述单体连接构型，“一”构型时，各单体前后关节相连成直链，单体之间相互连接的U形框底面上分别设有对接锥头和卡接孔，底面中间设有对接锥头的U形框称为对接公头，底面中间设有卡接孔的U形框称为对接母头，所述对接锥头与卡接孔构成卡接结构，对接公头的底面中间设有圆孔，对接锥头穿过所述圆孔连接一旋转齿轮，对接公头的底面上还设有直流电机，所述直流电机的输出轴驱动旋转齿轮，带动对接锥头旋转，对接锥头侧面设有卡齿，卡接孔直径与对接锥头一致，设有对应所述卡齿的卡槽，对接公头与对接母头连接时，对接锥头对应卡槽位置穿过卡接孔，旋转后，卡齿卡在卡接孔未设卡槽的边缘，实现卡接；

“十”构型时，将“一”构型中的单体分为首模块、中间模块和尾模块三个部分，十字交叉点位于中间模块，中间模块在所述十字交叉点位置的两侧设有连接面，连接面上设有卡接孔，首模块和尾模块通过连接锥头连接至所述连接面的卡接孔，得到“十”构型；其中，首模块和尾模块与连接面连接的U形框底面上设有一对红外接收管，对接母头及连接面上设有一对红外发射管。

2.权利要求1所述的模块化自重构机器人的变形控制方法，其特征是由上位机控制将“一”构型变形为“十”构型，将“一”构型分为首模块、中间模块和尾模块三部分，每个模块包括至少一个单体，十字交叉点位于中间模块，“一”构型时，中间模块的两端为对接母头，首、尾模块通过对接公头连接中间模块，“一”构型变形为“十”构型时，所述三部分模块分解：待分解处的对接公头的直流电机旋转带动对接锥头旋转，对应卡接孔的卡槽位置，首、尾模块分别向远离中间模块的方向直线移动，使首、尾模块和中间模块实现完全分离，所述直线移动通过单体前关节与后关节的俯仰转动动作，利用关节与地面的摩擦力，波浪式直线移动；然后中间模块通过单体的中关节左右转动，利用前、后关节与地面的摩擦力，调整角度旋转90°，和首、尾模块成垂直状态，首、尾模块再向着中间模块的方向直线移动，根据首尾模块对接公头上的红外接收管，以及中间模块对接面上的红外发射管，通过红外强度与距离的关系建立数学模型，通过红外接收管接收的红外强度值推算出对接公头与对接面的距离，当对接公头距对接面距离达到设定的对接距离阈值，自动对接过程开始：

1）首、尾模块的对接公头向左右15°范围内按5°递增模式进行角度搜索，寻找对接面红外发射管发射红外强度最大的方向，完成对接面初始相对角度调整；

2）在所述红外强度最大的方向上测量首、尾模块的红外接收管和中间模块对接面的红外发射管的距离值，上传至上位机，上位机根据已知的红外发射管与对接面卡接孔位置关系、红外接收管与对接锥头位置关系、以及所述距离值建立一个局部坐标系，计算对接公头和对接面相对角度偏差和相对位移偏差，首、尾模块根据得到的偏差值调整与中间模块的相对位置；

循环以上两个步骤，直到对接公头与对接面完全正对，且距离足以完成对接锥头与卡接孔的卡接，首、尾模块驱动对接锥头，同时进行与对接面的对接，实现由“一”构型到“十”构型的变形。

3.根据权利要求2所述的模块化自重构机器人的变形控制方法，其特征是上位机控制机器人由“十”构型变为“一”构型，首模块、中间模块和尾模块三部分完全分离，中间模块旋转90°，和首、尾模块成直链状态，首、尾模块的对接公头通过红外接收管管，以及中间模块对接母头的红外发射管进行自动对接过程，至首、尾模块的对接公头与中间模块的对接母头连接完成，实现由“十”构型到“一”构型的变形。

4.根据权利要求2所述的模块化自重构机器人的变形控制方法，其特征是所述自动对接开始的对接距离阈值设置为9～11cm。

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