CN103659819A - 一种模块化机器人 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种模块化机器人，包括第一机身板、第二机身板和至少两个柔性关节，所述柔性关节包括控制装置和两个弹性连接件，其中一个弹性连接件的一端与所述第一机身板固定连接，另一端与所述控制装置活动连接；另一个弹性连接件的一端与所述第二机身板固定连接，另一端与所述控制装置活动连接；所述控制装置控制所述弹性连接件伸缩。本发明通过设置至少两个的柔性关节，通过控制柔性关节的伸缩，实现机身的弯曲，实现机身姿态的自主调整，提高了模块化机器人的灵活性，能够适用复杂的地形。
Description
技术领域
本发明属于机器人技术领域，尤其涉及一种模块化机器人。
背景技术
救援机器人，是专门用于灾害，尤其是地震后在废墟中寻找幸存者、执行救援任务的机器人。“十一五”期间，国家已经将“废墟搜索与辅助救援机器人”项目列入了国家863重点项目。在灾害救援中，救援机器人的灵活性和搜索效率对救援的效果具有决定性影响。除了救援以外，在资源、环境探索与险情排查等领域，同样要求机器人具有较好的灵活性和较高的搜索效率。
为了适应多种环境与任务的需要，机器人需要具备良好的地形适应能力和功能组件的兼容性与互换性。由于传统的机器人都是基于刚性连接所组成的，其机械体系固定，局限了机器人在任务中的灵活性，无法适应多种环境与不同任务功能的快速切换。而模块化机器人可实现机械的自组与重构，根据不同的环境进行组装，以适应复杂的环境和满足不同的需求。中国专利200910172475公开了一种模块化的灾害救援机器人，采用六边形的主体模块，通过机械连接，可以快速组装多种任务模块。
但是现有的模块化机器人由旋转关节和连接结构组成，而旋转关节一般由减速电机或舵机和刚体支架构成。采用刚性结构保障了机构的强度以及旋转的精度， 但是降低了机器人的灵活性，极大地局限了机器人在任务中的适应性。
发明内容
本发明的目的在于提供一种模块化机器人，以解决现有技术中机器人灵活性低，对环境的适应性较差的问题。
为了实现上述目的，本发明提供了一种模块化机器人，包括第一机身板、第二机身板和至少两个柔性关节，所述柔性关节包括控制装置和两个弹性连接件，其中一个弹性连接件的一端与所述第一机身板固定连接，另一端与所述控制装置活动连接；另一个弹性连接件的一端与所述第二机身板固定连接，另一端与所述控制装置活动连接；所述控制装置控制所述弹性连接件伸缩。
优选地，所述模块化机器人还包括至少一块支撑板，设置在所述第一机身板和所述第二机身板之间，所述控制装置设置在其中一块支撑板上，所述弹性连接件穿过所述支撑板并可相对所述支撑板移动。
优选地，所述模块化机器人还包括至少两根牵引线，所述牵引线固定连接所述支撑板、所述第一机身板和所述第二机身板。
优选地，所述模块化机器人还包括驱动所述模块化机器人移动的驱动装置，设置在有控制装置的支撑板上。
优选地，所述驱动装置包括两个驱动电机和两个车轮，所述车轮设置在所述支撑板底部，所述驱动电机独立驱动所述车轮。
优选地，所述驱动装置包括三个驱动电机和三个车轮，其中一个车轮设置在所述支撑板顶部，另外两个车轮设置在所述支撑板底部，所述驱动电机独立驱动所述车轮。
优选地，所述第一机身板和所述第二机身板上分别设置有连接至少两个模块化机器人的连接装置。
优选地，所述柔性关节的数量为三个，所述柔性关节呈三角形分布。
优选地，所述控制装置包括电机和齿轮，所述电机的输出轴上设置所述齿轮，所述弹性连接件与所述控制装置连接的一端设置有与所述齿轮相对应的螺纹。
优选地，所述弹性连接件与所述控制装置连接的一端的端部设置有限位装置。
本发明通过设置至少两个的柔性关节，通过控制柔性关节的伸缩，控制机身的弯曲，实现机身姿态的自主调整，提高了模块化机器人的灵活性，能够适用复杂的地形；通过设置支撑板，使弹性连接件受力更加均匀，机身更加稳定，增加了模块化机器人的稳定性；通过设置连接装置，使模块化机器人能够快速重组与分离，增加了模块化机器人的灵活性和越障性，满足不同负载或附加功能的需要。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是实施例一的模块化机器人的结构示意图；
图2是柔性关节的结构示意图；
图3是实施例二的模块化机器人的结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。
实施例一
如图1所示，本发明提供了一种模块化机器人，包括第一机身板101、第二机身板102和至少两个柔性关节。柔性关节包括控制装置201和两个弹性连接件202、203，第一弹性连接件202的一端与第一机身板101固定连接，另一端与控制装置201活动连接；第二弹性连接件203的一端与第二机身板102固定连接，另一端与控制装置201活动连接；控制装置201控制第一弹性连接件202、第二弹性连接件203伸缩。
优选地，本发明模块化机器人，还包括至少一块支撑板3，设置在第一机身板101和第二机身板102之间，控制装置201设置在其中一块支撑板3上，弹性连接件穿过所述支撑板3并可相对所述支撑板3移动。第一机身板101、第二机身板102与支撑板3具有相同的大小和形状，机身板和支撑板3可以通用，使机身的制造、替换和修理更加方便。
具体的，本实施例中，模块化机器人包括一块支撑板3，设置在第一机身板101与第二机身板102的中间位置，控制装置201设置在该支撑板3上。
优选地，设置有控制装置201的支撑板3上设置有驱动装置。通过驱动装置驱动模块化机器人行进。
具体的，驱动装置包括两个驱动电机501和两个车轮502，车轮502设置在中心位置的支撑板3底部的两端，分布在机身的两侧。一个驱动电机501独立驱动一个车轮502。车轮502可以为具斜面的车轮。采用具斜面的车轮，可以增加车轮与地面的接触面积，防止打滑，提高稳定性。
本发明实施例中，采用两个驱动电机分别驱动两个车轮，具有良好的驱动效果。根据差速原理，实现对模块化机器人的行进以及转向控制。通过驱动电机控制车轮的转速与转向，当两侧车轮的转速和转向一致时，模块化机器人前进。通过改变车轮的转向，实现对前进、后退的控制。当需要向左转向时，通过降低左侧车轮的转速或者增加右侧车轮的转速，使左侧车轮的转速低于右侧车轮的转速，左侧车轮的行驶路径小于右侧车轮的行驶路径，即实现了向左转向。同理，可以实现向右转向。当然，通过设置差速器，用一个驱动电机驱动两个车轮，也可以实现模块化机器人的行进与转向的控制。
优选地，第一机身板101、第二机身板102上分别设置有连接装置7。连接装置7可以是机械连接结构，比如螺栓螺纹、挂扣等；也可以是磁性结构，通过磁力进行连接。
具体的，连接装置7是磁性连接装置，为三组电磁铁。通过控制电磁铁的极性和开关，可以实现相邻的模块化机器人的连接与分离。
通过在第一机身板、第二机身板上设置连接装置，当相邻的模块化机器人的连接装置极性相异时，在磁力的作用下，相邻的模块化机器人可以快速组装。当相邻模块化机器人的连接装置极性相同或者断开电磁铁的开关时，相邻模块化机器人可以快速分离，便于拆装、替换。重组后的模块化机器人为串联结构，不同单元可以呈现为不同的弧度，并保持良好的驱动效果，在复杂环境，尤其是狭长的地形中，具有良好的灵活性和适应性。当前端的模块化机器人越障时，后端的模块化机器人可以通过柔性关节传递驱动力，增加前端的模块化机器人的驱动力。在柔性关节和强大的驱动力下，模块化机器人具有良好的越障性能。
优选地，设置有控制装置201的支撑板3底部设置有支撑装置6。支撑装置 6可以在两个车轮502之间。支撑装置6的底部可以是球形轮，通过连接件与支撑板3固定连接，用以支撑模块化机器人，增加了模块化机器人的支撑点，避免仅有两个车轮接触地面而导致的倾覆，提高了模块化机器人的稳定性。
优选地，弹性连接件与控制装置201连接的一端的端部设置有限位装置204。限位装置204可以是螺母或者其他限位块。通过设置限位装置204，限制弹性连接件移动的最大距离，避免弹性连接件与控制装置201脱离，保证了柔性关节的稳定性。
如图2所示，柔性关节包括控制装置201和两个弹性连接件，其中控制装置201包括电机和齿轮2011，电机的输出轴上设置齿轮2011，第一弹性连接件202、第二弹性连接件203与控制装置201活动连接的一端设置有与齿轮2011对应的螺纹。控制装置201控制弹性连接件伸缩，实现柔性关节的伸缩。弹性连接件可以是弹簧，也可以是其他具有一定强度的弹性材质制成。
当齿轮顺时针旋转时，第一弹性连接件202向左移动，第二弹性连接件203向右移动，柔性关节伸长。反之，柔性关节收缩。通过控制齿轮2011的转向、转速和转动时间，可以实现对柔性关节伸长、收缩的长度和快慢进行调整，以满足在伸缩幅度与时间的需要。通过增加齿轮或者设置变速器，可以实现第一弹性连接件202与第二弹性连接件203的独立伸缩。
本实施例中，柔性关节的数量为两个，呈左右两侧分布。当两侧的柔性关节伸长相同的距离时，机身伸长。当两侧的柔性关节收缩相同的距离时，机身收缩。当左侧的柔性关节收缩，或者右侧的柔性关节伸长时，第一机身板101的左侧，相对于右侧，更靠近控制装置201。第一机身板101左侧受到更大的作用力，向左倾斜。第一弹性连接件202受力向左弯曲，机身向左弯曲。同理，可以实现机 身向右弯曲，实现机身姿态的自主调节，提高模块化机器人的灵活性。
柔性关节可以分布在机身的左右两侧，也可以分布在机身的上下两侧，也可以呈多边形分布。为了更精确、简便地控制机身的弯曲方向，柔性关节可以机身板的中心为圆心，呈正多边形分布。柔性关节的数量可以为两个、三个或者更多。本实施例中，模块化机器人包括两个柔性关节，只能实现两个方向的弯曲。当存在更多的柔性关节时，机身可以实现更多方向的弯曲。
本发明的模块化机器人，通过设置至少两个柔性关节，控制机身的伸缩与弯曲，可以实现自主的机身姿态调整，提高了模块化机器人的灵活性；通过设置两个驱动电机独立驱动车轮，增加了驱动力，增加了模块化机器人的越障性能；利用差速原理实现模块化机器人行进方向的控制，结构简单，控制方便；通过设置连接装置，实现至少两个模块化机器人之间的重组，增加负载能力或者附加功能。
实施例二
如图3所示，为本发明模块化机器人的实施例二。与实施例一相比，本实施例的模块化机器人，在第一机身板101与第二机身板102之间设置有五块支撑板3。通过设置五块支撑板3，将机身的弯曲传递到支撑板3上，使弹性连接件的受力更加均匀，实现机身弯曲的均匀化，使机身更加稳定。支撑板3均匀分布在第一机身板101与第二机身板102之间，可以保持机身的平衡，保障模块化机器人的稳定性。
优选地，本发明的模块化机器人还包括，至少两根牵引线4，牵引线4固定连接支撑板3、第一机身板101、第二机身板102。
具体的，本实施例的模块化机器人包括6根牵引线。通过牵引线4连接支撑板3、第一机身板101和第二机身板102，第一机身板101、第二机身板103相 对控制装置201的移动，可以传递到整个机身，保持支撑板3分布均匀，保障弹性连接件的受力均匀，保证机身的稳定性。
优选地，驱动装置包括三个驱动电机和三个车轮，其中一个车轮502设置在支撑板3的顶部，另外两个车轮502设置在支撑板3的底部，每个车轮502由单独的驱动电机501控制。机身板与支撑板3为三角形，机身板与支撑板3具有相同的大小，机身为三棱柱状。支撑板3的三个角落设置有相同的驱动结构，使得模块化机器人发生倾覆时，不需要调整机身，即可恢复驱动能力，继续执行任务，增加了模块化机器人的稳定性。
优选地，本发明的模块化机器人，设置有三个柔性关节，柔性关节呈三角形分布，可以实现机身更多角度的弯曲，能够适应更加复杂的地形环境，具有更好的灵活性。
在设置控制装置201的支撑板3的三边上设置有支撑装置6，使机身三个面均具有一个支撑装置6，极大地增加了模块化机器人的稳定性。
本发明的模块化机器人，通过设置至少两个的柔性关节，通过控制柔性关节的伸缩，实现机身的弯曲，实现机身姿态的自主调整；通过设置支撑板，使弹性连接件受力更加均匀，机身更加稳定，增加了模块化机器人的稳定性；通过设置连接装置，使模块化机器人能够快速重组、分离，满足不同负载或不同附加功能的需要，增加了模块化机器人的灵活性和越障性；相对于传统的模块化机器人，本发明的模块化机器人更加灵活，可以自主的调整机身姿态，具有更好的环境的适应性和越障性。
应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
Claims (10)
1.一种模块化机器人，其特征在于，包括第一机身板、第二机身板和至少两个柔性关节，所述柔性关节包括控制装置和两个弹性连接件，其中一个弹性连接件的一端与所述第一机身板固定连接，另一端与所述控制装置活动连接；另一个弹性连接件的一端与所述第二机身板固定连接，另一端与所述控制装置活动连接；所述控制装置控制所述弹性连接件伸缩。
2.根据权利要求1所述的模块化机器人，其特征在于，所述模块化机器人还包括至少一块支撑板，设置在所述第一机身板和所述第二机身板之间，所述控制装置设置在其中一块支撑板上，所述弹性连接件穿过所述支撑板并可相对所述支撑板移动。
3.根据权利要求2所述的模块化机器人，其特征在于，所述模块化机器人还包括至少两根牵引线，所述牵引线固定连接所述支撑板、所述第一机身板和所述第二机身板。
4.根据权利要求2所述的模块化机器人，其特征在于，所述模块化机器人还包括驱动所述模块化机器人移动的驱动装置，设置在有控制装置的支撑板上。
5.根据权利要求4所述的模块化机器人，其特征在于，所述驱动装置包括两个驱动电机和两个车轮，所述车轮设置在所述支撑板底部，所述驱动电机独立驱动所述车轮。
6.根据权利要求4所述的模块化机器人，其特征在于，所述驱动装置包括三个驱动电机和三个车轮，其中一个车轮设置在所述支撑板顶部，另外两个车轮设置在所述支撑板底部，所述驱动电机独立驱动所述车轮。
7.根据权利要求1所述的模块化机器人，其特征在于，所述第一机身板和所述第二机身板上分别设置有连接至少两个模块化机器人的连接装置。
8.根据权利要求1所述的模块化机器人，其特征在于，所述柔性关节的数量为三个，所述柔性关节呈三角形分布。
9.根据权利要求1至8任一项所述的模块化机器人，其特征在于，所述控制装置包括电机和齿轮，所述电机的输出轴上设置所述齿轮，所述弹性连接件与所述控制装置连接的一端设置有与所述齿轮相对应的螺纹。
10.根据权利要求9所述的模块化机器人，其特征在于，所述弹性连接件与所述控制装置连接的一端的端部设置有限位装置。
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