CN103395061A - 一种可重构模块机器人系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及的是一种机械控制系统，特别涉及一种可以自由组装的可重构模块机器人系统。可重构模块机器人模块系统，包括单自由度模块、多自由度模块和连接模块，单自由度模块包括回转模块、摇摆模块、移动模块、执行模块；连接模块包括固连连接模块和调整距离连接模块。本发明设计模块结构紧凑，便于模块间快速连接。连接模块分为固定连接模块和距离连接模块：固定连接模块提供标准的电气和机械连接接口，用于运动模块间连接，能够保证安装快速性，固定连接模块具有多种角度连接方式，保证连接的多样性。

Description

一种可重构模块机器人系统

技术领域

本发明涉及的是一种机械控制系统，特别涉及一种可以自由组装的可重构模块机器人系统。

背景技术

可重构机器人是模块化机器人发展的一个方向，机器人模块的研究是可重构机器人研究的基础，机器人模块设计的好坏直接影响到可重构机器人的各项性能。

模块的概念是：对产品系统进行统筹考虑，把其中含有相同和相似功能的单元分离开来，用标准化原理进行统一、归并、简化，以通用单元的形式独立存在。模块化的思想应用到很多生产生活领域，在使用中，模块能以标准化的接口方式实现某些功能，使用者不需了解模块的内部构造，只知道其功能和接口形式即可。从单一任务的执行方面来说，模块化组合的实现效果可能并不是最优的，但模块化后，系统可以实现的功能的范围大大增加，从而大大提高了系统的柔性，对于量小、种类多的任务能够获得较高的生产率；或者是模块将中间的某些执行过程集成，简化了系统操作的难度，提高了系统实现的可靠性。这就是系统模块化研究的意义。

Carnegie Mellon大学的RMMS的模块驱动体积较大，反应迟缓；德国AMTEC公司的PowerCube系列模块产品，其结构较松散，而且采用外部走线的方式，不满足实际作业需要。

专利号为200710066827.2的简易模块机器人，其结构轻巧紧凑，组装很方便，但是模块类型单一、数量较少，因此可形成的机器人构形较少。

专利号200910047473.6的采用网络的方式实现了模块化机器人接口，缺乏模块机器人的硬件接口技术。

申请号200910248530.7的模块化可重构机器人，设计了转动关节模块、伸缩关节模块和夹爪模块。从设计的结构看，其结构较为复杂，无疑会增大实际系统自身的重量，具有较低的负重/自重比，很难满足实际需要。

此外目前的模块的连接方式过于单一，且连接不够可靠、重复性较差，很难实现电气和机械快速连接。

上述问题的存在使得可重构模块化机器人系统在快速性、灵活性、平衡性和可靠性等方面受到很大制约，影响了进一步的开发与应用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种有更好的独立性、平衡性、可靠性、快速灵活、结构紧凑实用的可重构模块机器人系统。

本发明的目的是这样实现的：

可重构模块机器人模块系统，包括单自由度模块、多自由度模块和连接模块，单自由度模块包括回转模块、摇摆模块、移动模块、执行模块；连接模块包括固连连接模块和调整距离连接模块。

回转模块包括伺服电机、电机端盖、紧固连接件、基座套筒、输出套筒、轴承定位套筒、电机套筒、深沟球轴承、锁紧螺母、连接板和电路板，伺服电机的安装法兰与电机套筒安装面用螺钉紧固；伺服电机输出轴与紧固连接件的楔形孔固连，紧固连接件与输出套筒通过紧固螺钉固连；电机套筒外圈配有成对深沟球轴承，成对的深沟球轴承的内环配有轴承定位套筒，电机套筒外圈具有阶梯，与电机端盖和内环配有轴承定位套筒实现成对的深沟球轴承的内环定位；成对的深沟球轴承的外圈与输出套筒内圈相配，通过圆周公差尺寸实现圆周定位，锁紧螺母的外螺纹与输出套筒内螺纹通过旋紧紧固，锁紧螺母螺纹端与输出套筒的内阶梯端实现成对的深沟球轴承的外环定位；基座套筒两侧具有相同安装尺寸的螺纹孔，一侧与电机套筒通过螺钉紧固，另一侧与连接板的安装法兰通过螺钉固连；控制电路板固定在连接板，伺服电机集成了直流电机、减速器和光电码盘电路；在电机端盖上安装三个霍尔传感器，在输出套筒的相应位置安装小磁铁，实现回转模块的绝对位置限位和零位标定；

摇摆模块包括伺服电机、电机端盖、紧固连接件、基座套筒、输出套筒、输出端盖、轴承定位套筒、电机套筒、深沟球轴承、锁紧螺母、上连接板、下连接板、密封端盖和电路板，伺服电机的安装法兰与电机套筒安装面用螺钉紧固，伺服电机输出轴与紧固连接件的楔形孔固连，紧固连接件与输出端盖通过紧固螺钉固连；输出套筒的圆弧弦切端面与上连接板通过螺钉固连；输出端盖与输出套筒、上连接板的轴向端面通过螺钉固连；电机套筒外圈配有成对深沟球轴承，成对的深沟球轴承的内环配有轴承定位套筒，电机套筒外圈具有阶梯，与电机端盖和内环配有轴承定位套筒实现成对的深沟球轴承的内环定位；成对的深沟球轴承的外圈与输出套筒、上连接板组成的内圈相配，通过圆周公差尺寸实现圆周定位，锁紧螺母的外螺纹与输出套筒内螺纹通过旋紧紧固，锁紧螺母螺纹端与输出套筒的内阶梯端实现成对的深沟球轴承的外环定位；基座套筒两侧具有相同安装尺寸的螺纹孔，一侧与电机套筒通过螺钉紧固，另一侧与密封端盖的安装法兰通过螺钉固连，基座套筒的圆弧弦切端面与下连接板通过螺钉固连；控制电路板固定在密封端盖，伺服电机集成了直流电机、减速器和光电码盘电路；在电机端盖上安装三个霍尔传感器，在输出端盖的相应位置安装小磁铁，实现摇摆模块的绝对位置限位和零位标定；

移动模块包括输出端盖、连接套筒、移动套筒、导向柱、导向件、丝杠、滑块、联轴器、连接板、伺服电机、电机端盖、密封端盖，伺服电机的安装法兰与电机套筒安装面用螺钉紧固，实现伺服电机与电机套筒相连；伺服电机轴通过联轴器与丝杠相连；滑块与移动套筒通过螺钉固连；移动套筒和导向块固连在输出端盖上；导向柱与电机端盖固连；连接套筒与电机端盖固连；电机端盖与密封端盖固连；电机端盖与连接板固连，选用的伺服电机集成了直流电机、减速器和光电码盘电路，在套筒的前后位置上安装两个霍尔传感器，在移动套筒的相应位置安装小磁铁，实现移动模块的绝对位置限位和零位标定；

执行模块采用对向二指夹器，包括指端、辅助连接杆、主连接杆、联动杆、固定连接板、伸缩杆、角接触轴承、丝杆、联动模块、连接套筒、轴承定位板、轴承定位套筒、电机定位板、套筒、步进电机、电路板、密封端盖，步进电机的安装法兰与电机定位板通过螺钉相连；步进电机通过联轴器与丝杠固连；联动模块与伸缩杆通过螺钉固连；伸缩杆与联动杆通过铰链连接；联动杆与主连接杆通过铰链相连；主连接杆、辅助连接杆、指端和固定连接板组成四杆连动机构；丝杠带动联动模块实现连动，联动模块的移动通过伸缩杆、联动杆、主连接杆传递到指端，实现指端的开合和夹紧动作；固定连接板、连接套筒、轴承定位板、轴承定位套筒、电机定位板通过螺钉依次固连，实现了成对角接触轴承空间定位；套筒分别与电机定位板和密封端盖通过螺钉固连，电路板固连在密封端盖上，在联动模块上安装磁铁，与安装在连接套筒的两个霍尔器件组成电子限位装置，控制手抓的绝对位置；

多自由度模块由横向的摇摆部分和纵向的回转部分组成，包括上连接端盖、回转电机端盖、回转轴承、回转电机套筒、回转电机旋紧螺母、回转电机、摇摆输出端盖、摇摆轴承、摇摆电机端盖、摇摆电机套筒、摇摆电机、固定端盖、密封端盖、下连接板，回转电机的安装法兰与回转电机端盖安装面用螺钉紧固，实现回转电机与回转电机端盖相连；回转电机输出轴通过旋紧螺钉与上连接端盖固连；回转轴承的内环通过回转电机套筒的阶梯轴和回转电机端盖进行定位，回转电机端盖固连在回转电机套筒安装回转电机的法兰面上；上连接端盖在电机输出轴的反侧端含有内螺纹，回转电机旋紧螺母含有外螺纹，回转电机旋紧螺母通过旋紧的方式连接到上连接端盖上，并实现回转轴承的外环定位；摇摆电机的安装法兰与摇摆电机端盖安装面用螺钉紧固，实现摇摆电机与摇摆电机端盖相连；摇摆输出端盖有楔形孔，通过紧固螺钉摇摆电机输出轴与摇摆输出端盖固连；摇摆电机端盖和固定端盖分别用螺钉固连在摇摆电机套筒两侧，摇摆电机端盖和固定端盖都具有阶梯轴，用于固定成对的摇摆轴承的内环，摇摆轴承采用对向安装方式；摇摆输出端盖和密封端盖的内环与轴承具有尺寸公差，保证同轴度，内环具有阶梯，用于定位成对摇摆轴承的外环；下连接板的两端分别于摇摆输出端盖和密封端盖的下侧端面固连；控制电路内置于摇摆电机套筒与摇摆电机之间的空腔内；

连接模块有固连连接模块、调整距离连接模块，固连连接模块用于模块间的连接，上连接板、下连接板、锁紧钩、固定块、螺纹套管、电路板、弹片，固连连接模块内有两块电路板，分别固连在上连接板和下连接板；上连接板与固定块固连；锁紧钩与下连接板通过铰链相连；模块连接时，锁紧钩勾住固定块，通过螺纹套管的旋紧固定上连接板空间位置，实现锁紧，而弹片在连接过程中实现了电气连接，从而实现了模块间的机械和电气连接，在上连接板和下连接板采用不对称销钉进行安装定位；

每个单自由度模块和多自由度模块之间通过连接模块相连。

本发明的有益效果为：

本发明设计模块结构紧凑，以圆柱形式为主，电路板内置模块内，集机械、控制、驱动、位置检测和通讯于一体，模块电气连线均采用内部走线，模块输入输出具有标准的机械和电气接口，便于模块间快速连接。连接模块分为固定连接模块和距离连接模块：固定连接模块提供标准的电气和机械连接接口，用于运动模块间连接，能够保证安装快速性，模块间具有不对称的销钉进行定位，保证模块连接的重复定位准确；固定连接模块具有多种角度连接方式，保证连接的多样性。模块的连接多样性使可重构机器人系统具有可扩展性。为增加模块的多样性，在偏置的摇摆模块增加相应附件，能够实现非偏置形式的摇摆模块转变，实现构形的多样性。

附图说明

图1为模块的基本类型图；

图2为多自由度模块结构示意图；

图3为执行模块结构示意图；

图4为摇摆模块结构示意图；

图5为回转模块结构示意图；

图6为移动模块结构示意图；

图7为连接模块结构示意图；

图8为模块连接过程示意图；

图9为搭建的几种可重构机器人工作构形示意图。

具体实施方式

下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：

可重构机器人模块系统包括模块的机械系统和控制系统，模块控制系统内置于模块的机械系统中，可通过CAN总线与PC机相连，实现各种组合运动控制。机械系统由单自由度模块、多自由度模块、连接模块组成；连接模块调整关节中心的距离和固连各模块。每类模块都具有一些结构形式相同，结构尺寸和驱动能力不同的型号模块，可根据实际需要选择。控制系统由多自由度控制系统、单自由度控制系统和信息交互系统组成；其中：多自由度控制系统和单自由度控制系统都设立一套完整的控制、驱动、通讯和传感器电路。可重构机器人模块可根据任务需要通过接口组合成新的机器人工作构形，可通过手动方式实现自由组合。

单自由度模块包括回转模块、摇摆模块、移动模块、执行模块。

单自由度回转模块包括伺服电机、电机端盖、紧固连接件、基座套筒、输出套筒、轴承定位套筒、电机套筒、深沟球轴承、锁紧螺母、连接板和电路板。各零部件的连接方式为：伺服电机的安装法兰与电机套筒安装面用螺钉紧固，实现伺服电机与电机套筒相连；伺服电机输出轴与紧固连接件的楔形孔固连，紧固连接件与与输出套筒通过紧固螺钉固连；电机套筒外圈配有成对深沟球轴承，成对的深沟球轴承的内环配有轴承定位套筒，电机套筒外圈具有阶梯，与电机端盖和内环配有轴承定位套筒实现成对的深沟球轴承的内环定位；成对的深沟球轴承的外圈与输出套筒内圈相配，通过圆周公差尺寸实现圆周定位，锁紧螺母的外螺纹与输出套筒内螺纹通过旋紧紧固，锁紧螺母螺纹端与输出套筒的内阶梯端实现成对的深沟球轴承的外环定位；基座套筒两侧具有相同安装尺寸的螺纹孔，一侧与电机套筒通过螺钉紧固，另一侧与连接板的安装法兰通过螺钉固连；控制电路板固定在连接板。选用的伺服电机集成了直流电机、减速器和光电码盘电路，直流电机通过减速器能够降低电机输出速度，但能够提高输出力矩，光电码盘能够检测电机旋转的相对位置，实现位置和速度的反馈；此外为了实现回转模块的绝对位置限位和零位标定，在电机端盖上安装三个霍尔传感器，在输出套筒的相应位置安装小磁铁。

摇摆模块采用偏置形式。包括伺服电机、电机端盖、紧固连接件、基座套筒、输出套筒、输出端盖、轴承定位套筒、电机套筒、深沟球轴承、锁紧螺母、上连接板、下连接板、密封端盖和电路板。各零部件的连接方式为：伺服电机的安装法兰与电机套筒安装面用螺钉紧固，实现伺服电机与电机套筒相连；伺服电机输出轴与紧固连接件的楔形孔固连，紧固连接件与与输出端盖通过紧固螺钉固连；输出套筒的圆弧弦切端面与上连接板通过螺钉固连；输出端盖与输出套筒、上连接板的轴向端面通过螺钉固连；电机套筒外圈配有成对深沟球轴承，成对的深沟球轴承的内环配有轴承定位套筒，电机套筒外圈具有阶梯，与电机端盖和内环配有轴承定位套筒实现成对的深沟球轴承的内环定位；成对的深沟球轴承的外圈与输出套筒、上连接板组成的内圈相配，通过圆周公差尺寸实现圆周定位，锁紧螺母的外螺纹与输出套筒内螺纹通过旋紧紧固，锁紧螺母螺纹端与输出套筒的内阶梯端实现成对的深沟球轴承的外环定位；基座套筒两侧具有相同安装尺寸的螺纹孔，一侧与电机套筒通过螺钉紧固，另一侧与密封端盖的安装法兰通过螺钉固连，基座套筒的圆弧弦切端面与下连接板通过螺钉固连；控制电路板固定在密封端盖。选用的伺服电机集成了直流电机、减速器和光电码盘电路，直流电机通过减速器能够降低电机输出速度，但能够提高输出力矩，光电码盘能够检测电机旋转的相对位置，实现位置和速度的反馈；此外为了实现摇摆模块的绝对位置限位和零位标定，在电机端盖上安装三个霍尔传感器，在输出端盖的相应位置安装小磁铁。

移动模块采用滚珠丝杠实现形式。包括输出端盖、连接套筒、移动套筒、导向柱、导向件、丝杠、滑块、联轴器、连接板、伺服电机、电机端盖、密封端盖。各零部件的连接方式为：伺服电机的安装法兰与电机套筒安装面用螺钉紧固，实现伺服电机与电机套筒相连；伺服电机轴通过联轴器与丝杠相连；滑块与移动套筒通过螺钉固连；移动套筒和导向块固连在输出端盖上；导向柱与电机端盖固连；连接套筒与电机端盖固连；电机端盖与密封端盖固连；电机端盖与连接板固连。选用的伺服电机集成了直流电机、减速器和光电码盘电路，直流电机通过减速器能够降低电机输出速度，但能够提高输出力矩，光电码盘能够检测电机旋转的相对位置，实现位置和速度的反馈；此外为了实现移动模块的绝对位置限位和零位标定，在套筒的前后位置上安装两个霍尔传感器，在移动套筒的相应位置安装小磁铁。

执行模块采用对向二指夹器方式。包括指端、辅助连接杆、主连接杆、联动杆、固定连接板、伸缩杆、角接触轴承、丝杆、联动模块、连接套筒、轴承定位板、轴承定位套筒、电机定位板、套筒、步进电机、电路板、密封端盖。各零部件的连接方式为：步进电机的安装法兰与电机定位板通过螺钉相连；步进电机通过联轴器与丝杠固连；联动模块与伸缩杆通过螺钉固连；伸缩杆与联动杆通过铰链连接；联动杆与主连接杆通过铰链相连；主连接杆、辅助连接杆、指端和固定连接板组成四杆连动机构；丝杠带动联动模块实现连动，联动模块的移动通过伸缩杆、联动杆、主连接杆传递到指端，实现指端的开合和夹紧动作；固定连接板、连接套筒、轴承定位板、轴承定位套筒、电机定位板通过螺钉依次固连，而这些零件也实现了成对角接触轴承空间定位；套筒分别于电机定位板和密封端盖通过螺钉固连，电路板固连在密封端盖上。在联动模块上安装磁铁，与安装在连接套筒的两个霍尔器件组成电子限位装置，控制手抓的绝对位置。

多自由度模块由横向的摇摆部分和纵向的回转部分组成，包括上连接端盖、回转电机端盖、回转轴承、回转电机套筒、回转电机旋紧螺母、回转电机、摇摆输出端盖、摇摆轴承、摇摆电机端盖、摇摆电机套筒、摇摆电机、固定端盖、密封端盖、下连接板。各零部件的连接方式为：回转电机的安装法兰与回转电机端盖安装面用螺钉紧固，实现回转电机与回转电机端盖相连；回转电机输出轴通过旋紧螺钉与上连接端盖固连；回转轴承的内环通过回转电机套筒的阶梯轴和回转电机端盖进行定位，回转电机端盖固连在回转电机套筒安装回转电机的法兰面上；上连接端盖在电机输出轴的反侧端含有内螺纹，回转电机旋紧螺母含有外螺纹，回转电机旋紧螺母通过旋紧的方式连接到上连接端盖上，并实现回转轴承的外环定位；摇摆电机的安装法兰与摇摆电机端盖安装面用螺钉紧固，实现摇摆电机与摇摆电机端盖相连；摇摆输出端盖有楔形孔，通过紧固螺钉摇摆电机输出轴与摇摆输出端盖固连；摇摆电机端盖和固定端盖分别用螺钉固连在摇摆电机套筒两侧，这两个零件都具有阶梯轴，用于固定成对的摇摆轴承的内环，摇摆轴承采用对向安装方式；摇摆输出端盖和密封端盖的内环与轴承具有尺寸公差，保证同轴度，同时内环具有阶梯，用于定位成对摇摆轴承的外环；下连接板的两端分别于摇摆输出端盖和密封端盖的下侧端面固连；控制电路内置于摇摆电机套筒与摇摆电机之间的空腔内。

连接模块有固连连接模块、调整距离连接模块，固连连接模块用于模块间的连接，上连接板、下连接板、锁紧钩、固定块、螺纹套管、电路板、弹片。各零部件的连接方式为：固连连接模块内有两块电路板，分别固连在上连接板和下连接板；上连接板与固定块固连；锁紧钩与下连接板通过铰链相连；模块连接时，锁紧钩勾住固定块，通过螺纹套管的旋紧固定上连接板空间位置，实现锁紧，而弹片在连接过程中实现了电气连接，从而实现了模块间的机械和电气连接。此外为保证连接的一致性，在上连接板和下连接板采用不对称销钉进行安装定位。

多自由度控制系统和单自由度控制系统，多自由度控制系统和单自由度控制系统包括驱动执行模块、感知模块、信息处理与决策模块、通信模块、存储器模块。其中：模块驱动为直流伺服电机，外形采用圆柱体，功率要求较大且模块内部空间较大的运动模块，选用美国国家半导体公司生产的驱动芯片作为主驱动芯片，对于功率小且内部空间也较小的运动模块，选用表贴芯片作为主驱动芯片。感知模块中码盘选用电机集成的码盘，零点位置检测和上下限位置检测采用霍尔元件和码盘结合检测的方式。信息处理决策模块采用TI公司生产的一款专为运动控制设计的DSP芯片。通信模块采用PHILIPS公司的CAN收发芯片作为总线收发器。存储器模块选用异步静态随机存储器（SRAM）。

信息交互系统的信息交互系统采用模块化和可扩展性较强CAN总线方式进行通信。本系统中的CAN卡，它一端通过USB接口与主机PC相连，另一端通过CAN总线接口连接到CAN总线上，各个模块与CAN总线相连。其中模块中的DSP的CAN控制模块与CAN总线收发器相连，总线收发器连接到CAN总线上。

多自由度控制系统和单自由度控制系统的多自由度控制系统和单自由度控制系统都设立一套完整的控制和驱动电路，内置于单自由度模块和多自由度模块中。

可重构机器人模块系统连接方式在于：每个单自由度模块和多自由度模块之间通过连接模块相连。

可重构机器人模块系统组合构形方式根据任务的需要和环境的变化情况，按照效率最高的方式进行优化和选型。

附图中：1.多自由度模块，2.执行模块，3.摇摆模块，4.回转模块，5.移动模块，6.调整距离连接模块，7.固连连接模块；

8.回转电机端盖，9.回转轴承，10.回转电机旋紧螺母，11.回转电机套筒，12.回转电机，13.摇摆输出端盖，14.摇摆轴承，15.摇摆电机端盖，16.套筒，17.固定端盖，18.密封端盖，19.摇摆电机，19.摇摆电机，20.下连接板，21.上连接端盖；

22.辅助连接杆，23.主连接杆，24.联动杆，25.固定连接板，26.伸缩杆，27.角接触轴承，28.丝杆，29.联动模块，30.连接套筒，31.轴承定位板，32.轴承定位套筒，33.电机定位板，34.步进电机，35.套筒，36.电路板，37.密封端盖，38.指端；

39.紧固连接件，40.电机端盖，41.深沟球轴承，42.轴承定位套筒，43.输出套筒，44.电机套筒，45.锁紧螺母，46.伺服电机，47.下连接板，48.上连接板，49.电路板，50.密封端盖，51.输出端盖，52.基座套筒；

53.电机端盖，54.电机套筒，55.轴承定位套筒，56.深沟球轴承，57.锁紧螺母，58.伺服电机，59.基座套筒，60.电路板，61.连接板，62.输出套筒，63.紧固连接件；

65.移动套筒，66.导向柱，67.丝杠，68.滑块，69.联轴器，70.伺服电机，71.电机端盖，72连接套筒，73密封端盖，74.导向件，75.输出端盖；

76.固定块，77.下连接板，78.电路板，79.弹片，80.螺纹套管，81.上连接板，82.锁紧钩。

单个机器人模块结构简单紧凑，选用高效率直流电机和体积较小的高减速比减速器，直流电机和减速器采用胶结的方式集成到一起，电机后端配有体积很小的高精度电子码盘，整体结构材料选用轻型铝合金材料，通过结构分析等辅助手段，将零件的体积、重量和壁厚设计尽量小，提高机器人模块关节的负重/自重比。此外所有的机器人模块关节的控制、驱动和通信电路都内置于机器人模块关节内的空腔内，避免了外部走线，同时减少了系统的体积。

在单自由度机器人模块关节中，摇摆模块采用偏置形式，与非偏置形式的摇摆模块相比，其运动空间很大，但是模块关节中心具有偏心力矩，通过结构中调整成对轴承的位置，减少偏心力矩对模块关节中心的影响。

为了增加系统组合的多样性，可重构机器人系统除了设计基本的单自由度机器人模块关节，还设计多自由度的关节模块和多种接口连接方式。多自由度关节模块结构紧凑，本专利仅列出正交形式的摇摆和回转组合的多自由度模块。

连接模块采用钩爪方式，通过外圈螺纹旋紧的方式实现紧固，内置弹簧弹片，用于电气连接，电气和机械连接方便可靠，简单快速。

现将具体技术方案如下：

一种可重构机器人模块的系统包括模块的机械系统和控制系统。机械系统由单自由度模块、多自由度模块、连接模块组成；其中：单自由度模块为柔性生产提供丰富的选择，多自由度模块能够极大的减小机器人本体空间，提高机器人的灵活度，连接模块调整关节中心的距离和固连各模块。控制系统由多自由度控制系统、单自由度控制系统和信息交互系统组成；其中：单关节模块系统的每个运动模块都设立一套完整的控制、驱动、通讯和传感器电路。

单自由度模块包括回转模块、摇摆模块、移动模块、执行模块。

单自由度回转模块其特征在于：包括伺服电机、电机端盖、紧固连接件、基座套筒、输出套筒、轴承定位套筒、电机套筒、深沟球轴承、锁紧螺母、连接板和电路板。各零部件的连接方式为：伺服电机的安装法兰与电机套筒安装面用螺钉紧固，实现伺服电机与电机套筒相连；伺服电机输出轴与紧固连接件的楔形孔固连，紧固连接件与与输出套筒通过紧固螺钉固连；电机套筒外圈配有成对深沟球轴承，成对的深沟球轴承的内环配有轴承定位套筒，电机套筒外圈具有阶梯，与电机端盖和内环配有轴承定位套筒实现成对的深沟球轴承的内环定位；成对的深沟球轴承的外圈与输出套筒内圈相配，通过圆周公差尺寸实现圆周定位，锁紧螺母的外螺纹与输出套筒内螺纹通过旋紧紧固，锁紧螺母螺纹端与输出套筒的内阶梯端实现成对的深沟球轴承的外环定位；基座套筒两侧具有相同安装尺寸的螺纹孔，一侧与电机套筒通过螺钉紧固，另一侧与连接板的安装法兰通过螺钉固连；控制电路板固定在连接板。选用的伺服电机集成了直流电机、减速器和光电码盘电路，直流电机通过减速器能够降低电机输出速度，但能够提高输出力矩，光电码盘能够检测电机旋转的相对位置，实现位置和速度的反馈；此外为了实现回转模块的绝对位置限位和零位标定，在电机端盖上安装三个霍尔传感器，在输出套筒的相应位置安装小磁铁。

摇摆模块采用偏置形式。其特征在于：包括伺服电机、电机端盖、紧固连接件、基座套筒、输出套筒、输出端盖、轴承定位套筒、电机套筒、深沟球轴承、锁紧螺母、上连接板、下连接板、密封端盖和电路板。各零部件的连接方式为：伺服电机的安装法兰与电机套筒安装面用螺钉紧固，实现伺服电机与电机套筒相连；伺服电机输出轴与紧固连接件的楔形孔固连，紧固连接件与与输出端盖通过紧固螺钉固连；输出套筒的圆弧弦切端面与上连接板通过螺钉固连；输出端盖与输出套筒、上连接板的轴向端面通过螺钉固连；电机套筒外圈配有成对深沟球轴承，成对的深沟球轴承的内环配有轴承定位套筒，电机套筒外圈具有阶梯，与电机端盖和内环配有轴承定位套筒实现成对的深沟球轴承的内环定位；成对的深沟球轴承的外圈与输出套筒、上连接板组成的内圈相配，通过圆周公差尺寸实现圆周定位，锁紧螺母的外螺纹与输出套筒内螺纹通过旋紧紧固，锁紧螺母螺纹端与输出套筒的内阶梯端实现成对的深沟球轴承的外环定位；基座套筒两侧具有相同安装尺寸的螺纹孔，一侧与电机套筒通过螺钉紧固，另一侧与密封端盖的安装法兰通过螺钉固连，基座套筒的圆弧弦切端面与下连接板通过螺钉固连；控制电路板固定在密封端盖。选用的伺服电机集成了直流电机、减速器和光电码盘电路，直流电机通过减速器能够降低电机输出速度，但能够提高输出力矩，光电码盘能够检测电机旋转的相对位置，实现位置和速度的反馈；此外为了实现摇摆模块的绝对位置限位和零位标定，在电机端盖上安装三个霍尔传感器，在输出端盖的相应位置安装小磁铁。

移动模块采用滚珠丝杠实现形式。其特征在于：包括输出端盖、连接套筒、移动套筒、导向柱、导向件、丝杠、滑块、联轴器、连接板、伺服电机、电机端盖、密封端盖。各零部件的连接方式为：伺服电机的安装法兰与电机套筒安装面用螺钉紧固，实现伺服电机与电机套筒相连；伺服电机轴通过联轴器与丝杠相连；滑块与移动套筒通过螺钉固连；移动套筒和导向块固连在输出端盖上；导向柱与电机端盖固连；连接套筒与电机端盖固连；电机端盖与密封端盖固连；电机端盖与连接板固连。选用的伺服电机集成了直流电机、减速器和光电码盘电路，直流电机通过减速器能够降低电机输出速度，但能够提高输出力矩，光电码盘能够检测电机旋转的相对位置，实现位置和速度的反馈；此外为了实现移动模块的绝对位置限位和零位标定，在套筒的前后位置上安装两个霍尔传感器，在移动套筒的相应位置安装小磁铁。

执行模块采用对向二指夹器方式。其特征在于：包括指端、辅助连接杆、主连接杆、联动杆、固定连接板、伸缩杆、角接触轴承、丝杆、联动模块、连接套筒、轴承定位板、轴承定位套筒、电机定位板、套筒、步进电机、电路板、密封端盖。各零部件的连接方式为：步进电机的安装法兰与电机定位板通过螺钉相连；步进电机通过联轴器与丝杠固连；联动模块与伸缩杆通过螺钉固连；伸缩杆与联动杆通过铰链连接；联动杆与主连接杆通过铰链相连；主连接杆、辅助连接杆、指端和固定连接板组成四杆连动机构；丝杠带动联动模块实现连动，联动模块的移动通过伸缩杆、联动杆、主连接杆传递到指端，实现指端的开合和夹紧动作；固定连接板、连接套筒、轴承定位板、轴承定位套筒、电机定位板通过螺钉依次固连，而这些零件也实现了成对角接触轴承空间定位；套筒分别于电机定位板和密封端盖通过螺钉固连，电路板固连在密封端盖上。在联动模块上安装磁铁，与安装在连接套筒的两个霍尔器件组成电子限位装置，控制手抓的绝对位置。

多自由度模块由横向的摇摆部分和纵向的回转部分组成，其特征在于：包括上连接端盖、回转电机端盖、回转轴承、回转电机套筒、回转电机旋紧螺母、回转电机、摇摆输出端盖、摇摆轴承、摇摆电机端盖、摇摆电机套筒、摇摆电机、固定端盖、密封端盖、下连接板。各零部件的连接方式为：回转电机的安装法兰与回转电机端盖安装面用螺钉紧固，实现回转电机与回转电机端盖相连；回转电机输出轴通过旋紧螺钉与上连接端盖固连；回转轴承的内环通过回转电机套筒的阶梯轴和回转电机端盖进行定位，回转电机端盖固连在回转电机套筒安装回转电机的法兰面上；上连接端盖在电机输出轴的反侧端含有内螺纹，回转电机旋紧螺母含有外螺纹，回转电机旋紧螺母通过旋紧的方式连接到上连接端盖上，并实现回转轴承的外环定位；摇摆电机的安装法兰与摇摆电机端盖安装面用螺钉紧固，实现摇摆电机与摇摆电机端盖相连；摇摆输出端盖有楔形孔，通过紧固螺钉摇摆电机输出轴与摇摆输出端盖固连；摇摆电机端盖和固定端盖分别用螺钉固连在摇摆电机套筒两侧，这两个零件都具有阶梯轴，用于固定成对的摇摆轴承的内环，摇摆轴承采用对向安装方式；摇摆输出端盖和密封端盖的内环与轴承具有尺寸公差，保证同轴度，同时内环具有阶梯，用于定位成对摇摆轴承的外环；下连接板的两端分别于摇摆输出端盖和密封端盖的下侧端面固连；控制电路内置于摇摆电机套筒与摇摆电机之间的空腔内。

连接模块其特征在于：连接模块有固连连接模块、调整距离连接模块，固连连接模块用于模块间的连接，其特征在于：上连接板、下连接板、锁紧钩、固定块、螺纹套管、电路板、弹片。各零部件的连接方式为：固连连接模块内有两块电路板，分别固连在上连接板和下连接板；上连接板与固定块固连；锁紧钩与下连接板通过铰链相连；模块连接时，锁紧钩勾住固定块，通过螺纹套管的旋紧固定上连接板空间位置，实现锁紧，而弹片在连接过程中实现了电气连接，从而实现了模块间的机械和电气连接。此外为保证连接的一致性，在上连接板和下连接板采用不对称销钉进行安装定位。

单关节模块系统包括驱动执行模块、感知模块、信息处理与决策模块、通信模块、存储器模块。其中：模块驱动为直流伺服电机，外形采用圆柱体，功率要求较大且模块内部空间较大的运动模块，选用美国国家半导体公司生产的驱动芯片作为主驱动芯片，对于功率小且内部空间也较小的运动模块，选用表贴芯片作为主驱动芯片。感知模块中码盘选用电机集成的码盘，零点位置检测和上下限位置检测采用霍尔元件和码盘结合检测的方式。信息处理决策模块采用TI公司生产的一款专为运动控制设计的DSP芯片。通信模块采用PHILIPS公司的CAN收发芯片作为总线收发器。存储器模块选用异步静态随机存储器（SRAM）。

可重构机器人的信息交互系统采用模块化和可扩展性较强CAN总线方式进行通信。本系统中的CAN卡，它一端通过USB接口与主机PC相连，另一端通过CAN总线接口连接到CAN总线上，各个模块与CAN总线相连。其中模块中的DSP的CAN控制模块与CAN总线收发器相连，总线收发器连接到CAN总线上。

多自由度控制系统和单自由度控制系统都设立一套完整的控制和驱动电路，内置于单自由度模块和多自由度模块中。

实施1：如图1所示，所设计的可重构机器人系统的基本模块由单自由度模块、多自由度模块、连接模块组成。其中：单自由度模块包括回转模块4、摇摆模块3、移动模块5、执行模块2；连接模块包括调整距离连接模块6、固连连接模块7；为保证搭建的机器人系统的紧凑性，多自由度模块1所示的为两自由度模块。

实施2：如图2所示，所设计的两自由度模块的回转电机12与摇摆电机19正交布置，下连接板20通过固连连接模块7与下一个模块相连，而摇摆输出端盖13和固定端盖17都固连在下连接板20，摇摆电机19输出轴与摇摆输出端盖13通过旋紧螺钉固连，当摇摆电机19工作时，其输出轴固连的摇摆输出端盖13与电机本体发生相对转动，而与摇摆电机19固连的摇摆电机端盖15在摇摆轴承14的支撑下与摇摆输出端盖13发生相对转动，摇摆部分运动的角度由摇摆电机19固连的光码盘检测，安放在密封端盖18上的三个霍尔元件与安放在固定端盖17小磁铁组成零位检测和位置限定电路，实现零位自检测确定关节的绝对运动角度和关节的软限位。回转电机套筒11与套筒16固连，实现了回转部分与摇摆部分连接，两部分正交性通过回转电机套筒11底端面和套筒16台阶面保证，回转电机12通过回转电机端盖8与套筒16固连，回转电机12输出轴与上连接端盖21固连，上连接端盖21通过回转电机旋紧螺母10旋紧的方式对回转轴承9进行空间定位，回转电机12运动时，其输出轴带动上连接端盖21及其固连的上一模块与回转电机套筒11产生相对运动，运动角度通过回转电机12自带的光电码盘检测角度。

实施3：如图3所示，所设计的执行模块采用对向二指夹器方式。密封端盖37与下一个模块相连，连接套筒30、轴承定位板31、轴承定位套筒32、电机定位板33、套筒35、密封端盖37依次固连，形成一个固定腔体，步进电机34通过与电机定位板33固连固定在这个固定腔体中，步进电机34输出轴通过联轴器与丝杆28固连，丝杠28通过角接触轴承27支撑与固定腔体连接，步进电机34运动时带动丝杠28转动，联动模块29随着实现前后移动，与之固连的伸缩杆26通过铰链拉动联动杆24，进而拉动主连接杆23，而辅助连接杆22、主连接杆23、固定连接板25和指端38形成平行四边形连接机构，主动连接杆23的运动带动该机构产生联动，实现指端38的开合动作。

实施4：如图4所示，所设计的摇摆模块可通过更换下连接板47和上连接板48实现偏置摇摆模块和非偏置摇摆模块的变换。下连接板47和上连接板48分别与上下机器人模块固连，电机套筒44、密封端盖50、下连接板47都固连在基座套筒52上，伺服电机46通过电机端盖40与电机套筒44固连，伺服电机46运动时，其输出轴通过固连的紧固连接件39带动输出端盖51，进而实现与之固连的输出套筒43、上连接板48与下连接板47、基座套筒52产生相对运动。

实施5：如图5所示，所设计的回转模块的连接板61与下一个模块相连，连接板61、基座套筒59和电机套筒54依次固定连接，伺服电机58通过电机端盖53与电机套筒54固连，伺服电机58运动时，其输出轴通过固连的紧固连接件63带动输出套筒62，进而实现与之固连的上一个机器人模块和基座套筒59产生相对运动。

实施6：如图6所示，所设计的移动模块的密封端盖73与下一个机器人模块固连，电机端盖71、连接套筒72、密封端盖73依次固连形成固定部分，伺服电机70固连在电机端盖71上，而移动套筒65、滑块68、导向件74、.输出端盖75固连形成移动模块的移动部分，伺服电机70运动时，其输出轴通过联轴器69带动丝杠67转动，进而使滑块68实现前后移动，导向件74通过导向柱66限制，消除移动模块的移动部分相对固定部分的相对转动，仅产生移动动作。

实施7：如图7所示，连接模块上连接板81和下连接板77分别于上下机器人模块固连，当上下两个机器人进行连接时，与上连接板81的固连的4个固定块76下沿推动锁紧钩82的一端，使锁紧钩82绕着固定在下连接板77的铰链转动，锁紧钩82另一钩端卡在固定块76和上连接板81形成的空腔内，但锁紧钩82与固定块76有空隙，通过旋紧螺纹套管80，将上连接板81顶起，消除产生的间隙，实现机械连接；而连接模块中有两块电路板，分别固连在上连接板81和下连接板77上，其中固连在下连接板77电路板上安装4个金属弹片79，当连接模块连接时，4个金属弹片79与固连在上连接板81电路板的电路接触，实现电气连接。

在每个单自由度模块的相对运动零件中，都放置了三个霍尔元件和小型磁铁，组成零位检测电路和关节位置限位电路，实现运动模块的绝对位置检测和位置限位。

实施8：

实施8：如图8所示利用设计的可重构机器人模块搭建的一种6自由度的可重构机器人工作构形，回转模块4的连接板61与基座相连，回转模块4的输出套筒62与固连连接模块7的下连接板77固连，固连连接模块7的上连接板81固连与摇摆模块3的基座套筒52固连，摇摆模块3的输出套筒43与固连连接模块7的下连接板77固连，固连连接模块7的上连接板与调整距离连接模块6底端相连，调整距离连接模块6顶端与摇摆模块3的基座套筒52固连，摇摆模块3的输出套筒43与固连连接模块7的下连接板77固连，固连连接模块7的上连接板与回转模块4的连接板61固连，回转模块4的输出套筒62与固连连接模块7的下连接板77固连，固连连接模块7的上连接板81固连与多自由度模块1的下连接板20固连，多自由度模块1的上连接板21与固连连接模块7的下连接板77固连，固连连接模块7的上连接板与执行模块2的密封端盖37固连。

Claims (1)

1.一种可重构模块机器人模块系统，包括单自由度模块、多自由度模块和连接模块，单自由度模块包括回转模块、摇摆模块、移动模块、执行模块；连接模块包括固连连接模块和调整距离连接模块，其特征在于：

回转模块包括伺服电机、电机端盖、紧固连接件、基座套筒、输出套筒、轴承定位套筒、电机套筒、深沟球轴承、锁紧螺母、连接板和电路板，伺服电机的安装法兰与电机套筒安装面用螺钉紧固；伺服电机输出轴与紧固连接件的楔形孔固连，紧固连接件与输出套筒通过紧固螺钉固连；电机套筒外圈配有成对深沟球轴承，成对的深沟球轴承的内环配有轴承定位套筒，电机套筒外圈具有阶梯，与电机端盖和内环配有轴承定位套筒实现成对的深沟球轴承的内环定位；成对的深沟球轴承的外圈与输出套筒内圈相配，通过圆周公差尺寸实现圆周定位，锁紧螺母的外螺纹与输出套筒内螺纹通过旋紧紧固，锁紧螺母螺纹端与输出套筒的内阶梯端实现成对的深沟球轴承的外环定位；基座套筒两侧具有相同安装尺寸的螺纹孔，一侧与电机套筒通过螺钉紧固，另一侧与连接板的安装法兰通过螺钉固连；控制电路板固定在连接板，伺服电机集成了直流电机、减速器和光电码盘电路；在电机端盖上安装三个霍尔传感器，在输出套筒的相应位置安装小磁铁，实现回转模块的绝对位置限位和零位标定；

摇摆模块包括伺服电机、电机端盖、紧固连接件、基座套筒、输出套筒、输出端盖、轴承定位套筒、电机套筒、深沟球轴承、锁紧螺母、上连接板、下连接板、密封端盖和电路板，伺服电机的安装法兰与电机套筒安装面用螺钉紧固，伺服电机输出轴与紧固连接件的楔形孔固连，紧固连接件与输出端盖通过紧固螺钉固连；输出套筒的圆弧弦切端面与上连接板通过螺钉固连；输出端盖与输出套筒、上连接板的轴向端面通过螺钉固连；电机套筒外圈配有成对深沟球轴承，成对的深沟球轴承的内环配有轴承定位套筒，电机套筒外圈具有阶梯，与电机端盖和内环配有轴承定位套筒实现成对的深沟球轴承的内环定位；成对的深沟球轴承的外圈与输出套筒、上连接板组成的内圈相配，通过圆周公差尺寸实现圆周定位，锁紧螺母的外螺纹与输出套筒内螺纹通过旋紧紧固，锁紧螺母螺纹端与输出套筒的内阶梯端实现成对的深沟球轴承的外环定位；基座套筒两侧具有相同安装尺寸的螺纹孔，一侧与电机套筒通过螺钉紧固，另一侧与密封端盖的安装法兰通过螺钉固连，基座套筒的圆弧弦切端面与下连接板通过螺钉固连；控制电路板固定在密封端盖，伺服电机集成了直流电机、减速器和光电码盘电路；在电机端盖上安装三个霍尔传感器，在输出端盖的相应位置安装小磁铁，实现摇摆模块的绝对位置限位和零位标定；

移动模块包括输出端盖、连接套筒、移动套筒、导向柱、导向件、丝杠、滑块、联轴器、连接板、伺服电机、电机端盖、密封端盖，伺服电机的安装法兰与电机套筒安装面用螺钉紧固，实现伺服电机与电机套筒相连；伺服电机轴通过联轴器与丝杠相连；滑块与移动套筒通过螺钉固连；移动套筒和导向块固连在输出端盖上；导向柱与电机端盖固连；连接套筒与电机端盖固连；电机端盖与密封端盖固连；电机端盖与连接板固连，选用的伺服电机集成了直流电机、减速器和光电码盘电路，在套筒的前后位置上安装两个霍尔传感器，在移动套筒的相应位置安装小磁铁，实现移动模块的绝对位置限位和零位标定；

执行模块采用对向二指夹器，包括指端、辅助连接杆、主连接杆、联动杆、固定连接板、伸缩杆、角接触轴承、丝杆、联动模块、连接套筒、轴承定位板、轴承定位套筒、电机定位板、套筒、步进电机、电路板、密封端盖，步进电机的安装法兰与电机定位板通过螺钉相连；步进电机通过联轴器与丝杠固连；联动模块与伸缩杆通过螺钉固连；伸缩杆与联动杆通过铰链连接；联动杆与主连接杆通过铰链相连；主连接杆、辅助连接杆、指端和固定连接板组成四杆连动机构；丝杠带动联动模块实现连动，联动模块的移动通过伸缩杆、联动杆、主连接杆传递到指端，实现指端的开合和夹紧动作；固定连接板、连接套筒、轴承定位板、轴承定位套筒、电机定位板通过螺钉依次固连，实现了成对角接触轴承空间定位；套筒分别与电机定位板和密封端盖通过螺钉固连，电路板固连在密封端盖上，在联动模块上安装磁铁，与安装在连接套筒的两个霍尔器件组成电子限位装置，控制手抓的绝对位置；

多自由度模块由横向的摇摆部分和纵向的回转部分组成，包括上连接端盖、回转电机端盖、回转轴承、回转电机套筒、回转电机旋紧螺母、回转电机、摇摆输出端盖、摇摆轴承、摇摆电机端盖、摇摆电机套筒、摇摆电机、固定端盖、密封端盖、下连接板，回转电机的安装法兰与回转电机端盖安装面用螺钉紧固，实现回转电机与回转电机端盖相连；回转电机输出轴通过旋紧螺钉与上连接端盖固连；回转轴承的内环通过回转电机套筒的阶梯轴和回转电机端盖进行定位，回转电机端盖固连在回转电机套筒安装回转电机的法兰面上；上连接端盖在电机输出轴的反侧端含有内螺纹，回转电机旋紧螺母含有外螺纹，回转电机旋紧螺母通过旋紧的方式连接到上连接端盖上，并实现回转轴承的外环定位；摇摆电机的安装法兰与摇摆电机端盖安装面用螺钉紧固，实现摇摆电机与摇摆电机端盖相连；摇摆输出端盖有楔形孔，通过紧固螺钉摇摆电机输出轴与摇摆输出端盖固连；摇摆电机端盖和固定端盖分别用螺钉固连在摇摆电机套筒两侧，摇摆电机端盖和固定端盖都具有阶梯轴，用于固定成对的摇摆轴承的内环，摇摆轴承采用对向安装方式；摇摆输出端盖和密封端盖的内环与轴承具有尺寸公差，保证同轴度，内环具有阶梯，用于定位成对摇摆轴承的外环；下连接板的两端分别于摇摆输出端盖和密封端盖的下侧端面固连；控制电路内置于摇摆电机套筒与摇摆电机之间的空腔内；

连接模块有固连连接模块、调整距离连接模块，固连连接模块用于模块间的连接，上连接板、下连接板、锁紧钩、固定块、螺纹套管、电路板、弹片，固连连接模块内有两块电路板，分别固连在上连接板和下连接板；上连接板与固定块固连；锁紧钩与下连接板通过铰链相连；模块连接时，锁紧钩勾住固定块，通过螺纹套管的旋紧固定上连接板空间位置，实现锁紧，而弹片在连接过程中实现了电气连接，从而实现了模块间的机械和电气连接，在上连接板和下连接板采用不对称销钉进行安装定位；

每个单自由度模块和多自由度模块之间通过连接模块相连。

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