CN107244361A - 一种组合式移动机器人 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种组合式移动机器人，包括多个可独立控制模块，各个可独立控制模块之间通过磁力进行联系，可独立控制模块为正方形，其每个面上都有两条相互垂直的凹槽，凹槽将每个面平分为四个区域；可独立控制模块由外壳、动力装置、控制装置和供电装置组成，动力装置是由24个相互独立小型电磁铁组成的矩阵结构，在可独立控制模块的每个面上分别安装有4个电磁铁，这四个电磁铁分别位于由凹槽分出的四个区域中；动力装置的电磁铁由绕行线圈、塑料保护外壳、电流输入管脚和铁芯组成，将铁芯两端安装塑料保护外壳，并将绕行线圈穿过塑料保护外壳的外侧绕行在铁芯上，塑料保护外壳的底端引出电流输入管脚。
Description
技术领域
本发明涉及机器人技术领域，具体为一种组合式移动机器人。
背景技术
智能移动机器人，是一个集环境感知、动态决策与规划、行为控制与执行等多功能于一体的综合系统。它集中了传感器技术、信息处理、电子工程、计算机工程、自动化控制工程以及人工智能等多学科的研究成果，代表机电一体化的最高成就，是目前科学技术发展最活跃的领域之一。随着机器人性能不断地完善，移动机器人的应用范围大为扩展，不仅在工业、农业、医疗、服务等行业中得到广泛的应用，而且在城市安全、国防和空间探测领域等有害与危险场合得到很好的应用。因此，运动机器人技术已经得到世界各国的普遍关注。
移动机器人的研究始于60年代末期。斯坦福研究院(SRI)的Nils Nilssen和Charles Rosen等人，在1966年至1972年中研发出了取名Shakey的自主移动机器人。目的是研究应用人工智能技术，在复杂环境下机器人系统的自主推理、规划和控制。
根据移动方式来分，可分为:轮式移动机器人、步行移动机器人(单腿式、双腿式和多腿式)、履带式移动机器人、爬行机器人、蠕动式机器人和游动式机器人等类型；
移动机器人具有移动功能，在代替人从事危险、恶劣(如辐射、有毒等)环境下作业和人所不及的(如宇宙空间、水下等)环境作业方面，比一般机器人有更大的机动性、灵活性。
移动机器人是一种在复杂环境下工作的，具有自行组织、自主运行、自主规划的智能机器人，融合了计算机技术、信息技术、通信技术、微电子技术和机器人技术等。
传统的机器人，都为一个整体，在移动中移动的方式，形状不能做出太大的改变。面对复杂的环境，例如管道，废墟中移动，传统的移动方式将会受到极大的限制；传统的机器人的控制核心集中，因此，中央控制系统发挥极大作用。一旦中央控制系统出现故障，整个机器人极有可能发生瘫痪；传统的机器人每个部件都有不同的功能。因此部件间部件的兼容性差；传统机器人的适用面窄，面对特定工作环境需要设计特定的机器人，需要花费更多的财力物力。
发明内容
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种组合式移动机器人，包括多个可独立控制模块，各个可独立控制模块之间通过磁力进行联系，所述可独立控制模块为正方形，其每个面上都有两条相互垂直的的凹槽，所述凹槽将每个面平分为四个区域；
所述可独立控制模块由外壳、动力装置、控制装置和供电装置组成，所述动力装置是由24个相互独立小型电磁铁组成的矩阵结构，通过相应位置电磁铁的开关和产生不同方向的磁力，来控制各个可独立控制模块之间的相对运动，在可独立控制模块的每个面上分别安装有4个电磁铁，这四个电磁铁分别位于由凹槽分出的四个区域中；所述控制装置采用Arduino开发板，所述供电装置由锂电池构成；
所述动力装置的电磁铁由绕行线圈、塑料保护外壳、电流输入管脚和铁芯组成，将铁芯两端安装塑料保护外壳，并将绕行线圈穿过塑料保护外壳的外侧绕行在铁芯上，所述塑料保护外壳的底端引出电流输入管脚。优选的，所述外壳可由ABS塑料构成。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)本发明每个模块相互独立，可通过其内部电磁铁的开关及方向的改变来控制其移动。当组合式机器人的模块数量达到一定的数目时(一般超过3个)，他们可以随意改变其形状来适应于不同的环境，尤其在管道，废墟这些复杂的地形中，其移动特点将会发挥出极大的优势。面对一些特殊环境无需设计专用机器人，只需通过设计控制系统程序便可得到适应特定环境特定移动方式的组合机器人，节约使用成本。
(2)本发明的组合式机器人的控制部分分散于每个模块之中，且都相互独立，因此不受其他模块的影响。所以当一个模块的控制系统出问题不影响其他模块的控制，削弱了控制系统的权利，使得机器人的控制更加灵活。
(3)本发明的组合式机器人的每个模块相互独立，且除了控制系统内编写的程序有所不同外，其他部分完全相同。因此，组合式机器人具有极大的兼容性，当一个模块发生故障时，只需将其所编写的程序拷贝到一个新的模块中，新模块就可以替代旧模块，提高了机器人的运行和检修效率。
附图说明
图1为本发明结构简图；
图2为本发明结构示意图；
图3为本发明可独立控制模块结构示意图；
图4为本发明电磁铁的剖面结构示意图；
图5为本发明中各电磁铁的位置标注示意图。
图6为本发明实施例1的示意图；
图7为本发明实施例2的示意图；
图8为本发明实施例3的示意图；
图9为本发明实施例4的示意图；
图10为本发明实施例4的示意图；
图中：1-可独立控制模块；2-凹槽；3-外壳；4-动力装置；5-控制装置；6-供电装置；7-电磁铁；8-绕行线圈；9-塑料保护外壳；10-电流输入管脚；11-铁芯组。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例
如图1至图4所示，本发明提供一种技术方案：一种组合式移动机器人，包括多个可独立控制模块，各个可独立控制模块之间通过磁力进行联系，所述可独立控制模块为正方形，其各个边光滑且具有一定的弧度，其每个面上都有两条相互垂直的的凹槽，凹槽边缘光滑。凹槽将每个面平分为四个区域，所述可独立控制模块由外壳、动力装置、控制装置和供电装置组成，所述动力装置是由24个相互独立小型电磁铁组成的矩阵结构，通过相应位置电磁铁的开关和产生不同方向的磁力，来控制各个可独立控制模块之间的相对运动，在可独立控制模块的每个面上分别安装有4个电磁铁，这四个电磁铁分别位于由凹槽分出的四个区域中；所述控制装置采用Arduino开发板，所述供电装置由锂电池构成；所述动力装置的电磁铁由绕行线圈、塑料保护外壳、电流输入管脚和铁芯组成，将铁芯两端安装塑料保护外壳，并将绕行线圈穿过塑料保护外壳的外侧绕行在铁芯上，所述塑料保护外壳的底端引出电流输入管脚；所述外壳可由ABS塑料构成。
组合机器人是指由多个可独立控制的模块组成的一种智能移动机器人。每个模块之间通过磁力进行联系。每个模块的动力结构是由在其内部的电磁铁矩阵，通过相应位置电磁铁的开关和产生不同方向的磁力，来控制各个模块间的相对运动。
电磁铁工作说明：组合机器人的移动是通过改变每个模块上的相应电磁铁的方向及开关决定的。之后图示在各电磁铁的位置处如果有阴影这表示该电磁铁通电处于工作状态。反之，若无阴影则表示其未通电处于关闭状态。电磁铁工作无严格的方向要求，只需约定两个模块相互吸引时两块电磁铁产生磁场方向相反即可；单个模块与金属板吸引时电磁铁只需通电，对方向无要求。
坐标说明：图例上的坐标，规定X,Y轴所在平面为地面，Z轴垂直于地面。
只有两个模块移动时需要借助金属板作为辅助固定装置完成移动，防止移动时两模块相互作用引起的位置偏移。当模块个数超过2个时可以借助其他模块固定，可不再借助金属板作为固定装置完成移动。
图示上各电磁铁的位置按图5标注来确定。标注原则是由Z轴向X，Y平面看，模块上电磁铁由侧面到上下面顺时针计数。离X,Y平面近的为下，离X,Y平面远的为上。
实施例1：
组合式机器人的基本运动方式之一，平移:
以两个模块为例(图6)。两个模块并排排列，它们的接触面与地面交线的方向是组合机器人可以平移的方向。首先需要一个模块固定其位置。如图6①，模块A开启其底部的四个电磁铁(下-9,10，11,12)，使之固定于金属板上，模块B不固定。同时，模块A开启“上-2”和“下-2”两个电磁铁，B开启“上-5”和“下-5”两个电磁铁，使两个模块进入移动初始状态。如图6②，模块B开启“上-6”和“下-6”两个电磁铁，模块A开启“上-2”和“下-2”两个电磁铁，在磁力的作用下模块B沿X轴方向产生移动。移动距离为模块边长的一半。如图6③，模块B开启其底部的四个电磁铁(下-9,10，11,12)，固定于金属板上，模块A不固定。同时，B的“上-5”和“下-5”电磁铁开启，A的“上-2”和“下-2电磁铁”开启，在磁力的作用下A向X轴移动，移动距离为模块边长的一半。如图6④，模块B的“上-5”和“下-5”继续开启。同时，模块A的“上-1”和“下-1”开启。在磁力的作用下模块A向X轴正向移动，移动距离为模块边长的一半。如图6⑤，模块A开启其底部的四个电磁铁(下-9,10，11,12)，使之固定于金属板上，模块B不固定。模块B开启“上-5”和“下-5”电磁铁，模块A开启“上-2”和“下-2”两个电磁铁，在磁力的作用下,模块B向X轴正向移动，移动距离为模块边长的一半。同时回到了初始状态(图6①)，完成组合机器人的平移完整的一步，距离为一个模块的边长。
实施例2：
组合式机器人的基本运动方式之二，转动:
以两个模块为例(图7)。转动的主要目的是转动两个模块接触面与地面的交线的方向。首先需要一个模块固定其位置。如图7①，模块A开启其底部的四个电磁铁(下-9,10，11,12)，使之固定于金属板上，模块B不固定。同时，模块A开启“上-2”和“下-2”两个电磁铁，模块B开启“上-5”和“下-5”两个电磁铁，使两个模块进入转动初始状态。如图7②，模块B开启“上-6”和“下-6”两个电磁铁，模块A开启“上-2”和“下-2”两个电磁铁，在磁力的作用下模块B向X轴方向移动。移动距离为模块边长的一半。如图7③，模块A开启“上-3”和“下-3”两个电磁铁，模块B开启“上-5”和“下-5”两个电磁铁。此时，模块B受磁力的作用将以模块B上凹槽与模块A上的凸边的接触处为转轴发生转动。转动完成后，模块B到了如图7④的位置。转动使模块B转动90度。如图7⑤，模块A开启“上-4”和“下-4”两个电磁铁，模块B开启“上-5”和“下-5”两个电磁铁，在磁力的作用下模块B向Y轴负方向移动，移动距离为模块边长的一半。一个转动过程完成，此过程最终使模块B绕模块A中心转动90度。
实施例3：
组合式机器人的基本运动方式之三，爬升:
以两个模块为例(图8)。爬升的目的是使一个模块移动到另一个模块的上方。首先需要一个模块固定其位置。如图8①，模块A开启其底部的四个电磁铁(下-9,10，11,12)，使之固定于金属板上，模块B不固定。同时，个体A开启“上-1”和“上-2”两个电磁铁，模块B开启“上-5”和“上-6”两个电磁铁，使两个模块进入爬升初始状态。如图8②，模块B开启“下-5”和“下-6”两个电磁铁，模块A开启“上-1”和“上-2”两个电磁铁，在磁力的作用下模块B向Z轴正方向上升。上升距离为模块边长的一半。如图8③，模块A开启“上-9”和“上-10”两个电磁铁，模块B开启“上-5”和“上-6”两个电磁铁。此时，模块B受磁力的作用将以模块B上凹槽与A上的凸边的接触处为转轴发生转动。转动完成后，模块B到了如图8④的位置。转动使模块B转动90度。如图8⑤，模块A开启“上-11”和“上-12”两个电磁铁，模块B开启“上-5”和“上-6”两个电磁铁，在磁力的作用下模块B向X轴负方向移动，移动距离为模块边长的一半。到此一个爬升过程完成，此过程最终使模块B位于模块A的上方，爬升高度为一个模块的边长。
实施例4：
组合式机器人的基本运动方式之四，组合移动:
组合移动是指在3个及3个以上的模块，以之前的3个移动方式，即以平移，转动和爬升为基础，进行更复杂的运动方式。例如用8个组合机器人模块(图9)，通过有限步移动可以构成一个字母“A”(图10)。在拥有大量的组合机器人模块，和合理的编程条件下，理论上组合机器人可以构成任意想要组合的形状，和其他复杂的运动形式。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)本发明每个模块相互独立，可通过其内部电磁铁的开关及方向的改变来控制其移动。当组合式机器人的模块数量达到一定的数目时(一般超过3个)，他们可以随意改变其形状来适应于不同的环境，尤其在管道，废墟这些复杂的地形中，其移动特点将会发挥出极大的优势。面对一些特殊环境无需设计专用机器人，只需通过设计控制系统程序便可得到适应特定环境特定移动方式的组合机器人，节约使用成本。
(2)本发明的组合式机器人的控制部分分散于每个模块之中，且都相互独立，因此不受其他模块的影响。所以当一个模块的控制系统出问题不影响其他模块的控制，削弱了控制系统的权利，使得机器人的控制更加灵活。
(3)本发明的组合式机器人的每个模块相互独立，且除了控制系统内编写的程序有所不同外，其他部分完全相同。因此，组合式机器人具有极大的兼容性，当一个模块发生故障时，只需将其所编写的程序拷贝到一个新的模块中，新模块就可以替代旧模块，提高了机器人的运行和检修效率。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
Claims (2)
1.一种组合式移动机器人，其特征在于：包括多个可独立控制模块，各个可独立控制模块之间通过磁力进行联系，所述可独立控制模块为正方形，其每个面上都有两条相互垂直的的凹槽，所述凹槽将每个面平分为四个区域；
所述可独立控制模块由外壳、动力装置、控制装置和供电装置组成，所述动力装置是由24个相互独立小型电磁铁组成的矩阵结构，通过相应位置电磁铁的开关和产生不同方向的磁力，来控制各个可独立控制模块之间的相对运动，在可独立控制模块的每个面上分别安装有4个电磁铁，这四个电磁铁分别位于由凹槽分出的四个区域中；所述控制装置采用Arduino开发板，所述供电装置由锂电池构成；
所述动力装置的电磁铁由绕行线圈、塑料保护外壳、电流输入管脚和铁芯组成，将铁芯两端安装塑料保护外壳，并将绕行线圈穿过塑料保护外壳的外侧绕行在铁芯上，所述塑料保护外壳的底端引出电流输入管脚。
2.根据权利要求1所述的一种组合式移动机器人，其特征在于：所述外壳可由ABS塑料构成。
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Application publication date: 20171013 |