CN111216111B - 一种模块单元及模块化机器人 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电子产品领域，尤其涉及一种模块单元及模块化机器人，所述模块单元呈球体，所述模块单元包括两个呈半球型的转动部及可带动至少一所述转动部转动的伺服装置；所述转动部上设有至少一个卡扣件，经过所述卡扣件的中心且垂直于卡扣件所在平面的垂线与所述转动部的旋转中垂线相交，且相交的夹角为30°‑60°。一种模块化机器人，包括至少两个模块单元，两个所述模块单元之间通过所述卡扣件实现拼接。本发明提供的模块单元及模块化机器人具有减少自由度耦合等优点。

Description

一种模块单元及模块化机器人

【技术领域】

本发明涉及电子产品技术领域，尤其涉及一种模块单元及模块化机器人。

【背景技术】

现有的模块单元上集成有多个卡扣件，模块单元之间通过卡扣件实现拼接，当任意两个模块单元之间的转轴在平行或垂直方向时拼接、任意两个模块单元之间正反接时，整个模块化机器人存在自由度过大的耦合。

【发明内容】

为克服现有的模块单元拼接时自由度过大的缺陷，本发明提供一种模块单元及模块化机器人。

为了解决上述技术问题，本发明提供一技术方案如下：提供一种模块单元，所述模块单元呈球体，所述模块单元包括两个呈半球型的转动部及可带动至少一所述转动部转动的伺服装置；

所述转动部上设有至少一个卡扣件，所述转动部上设有至少一个卡扣件，经过所述卡扣件的中心且垂直于卡扣件所在平面的垂线与所述转动部的旋转中垂线相交，且相交的夹角为30°-60°；所述卡扣件包括卡扣连接件；所述转动部形成容纳空间，所述容纳空间内设置有连接组件，所述卡扣连接件的中心朝远离所述连接组件的一侧延伸形成第一连接块，所述卡扣连接件对应所述第一连接块的相对两侧分别设置有第一扣合块和第二扣合块，所述第一扣合块沿远离所述第一连接块的一侧延伸形成有连接凸块，所述第二扣合块靠近所述第一连接块的一侧凹陷形成凹槽，所述连接凸块与所述凹槽抵触以使所述第一扣合块与所述第二扣合块对应配合连接。

优选地，所述伺服装置包括控制器及至少两个传感器，所述传感器用以感测两个所述转动部的相对位置、速度及力矩，所述控制器以对位置、速度、力矩进行控制。

优选地，所述伺服装置包括设于任一转动部之内的位置传感器及与位置传感器对应的磁铁，当两个转动部转动时，所述磁铁可相对于所述位置传感器转动，通过检测所述磁铁与所述位置传感器之间的旋转角度以检测两个转动部之间的转动信息并传送至控制器。

优选地，所述伺服装置进一步还包括驱动电机，所述驱动电机设于任一所述转动部之间，所述控制器基于位置传感器检测所述转动信息与目标角度指令控制所述驱动电机以设定转速运行。

优选地，所述伺服装置包括至少两个磁性传感器及与所述驱动电机同轴连接的磁性件，所述磁性传感器相对设于所述磁性件的圆周方向上，通过所述传感器检测所述磁性件的磁极变化以计算所述驱动电机的转速、以及判断所述驱动电机的正反转。

优选地，所述卡扣件的数量为偶数，两个所述转动部的卡扣件设置位置以两个转动部交界面为基准呈镜像对称。

为了解决上述技术问题，本发明提供一种模块化机器人，其包括如上述至少两个模块单元以及用于模块单元之间相互连接的卡扣组件。

优选地，所述模块化机器人进一步包括卡扣组件，所述卡扣组件包括相对设置的第一卡扣部及第二卡扣部，两个所述模块单元之间通过所述卡扣组件拼接，其中一模块单元连接至所述第一卡扣部，另一模块单元连接至所述第二卡扣部。

与现有技术相比，本发明提供的模块单元及模块化机器人具有以下有益效果：

1、提供一种模块单元，所述模块单元呈球体，所述模块单元包括两个呈半球型的转动部及可带动至少一所述转动部转动的伺服装置；所述转动部上设有至少一个卡扣件，经过所述卡扣件的中心且垂直于卡扣件所在平面的垂线与所述转动部的旋转中垂线相交，且相交的夹角为30°-60°。采用此设计，任意两个模块单元在拼接时，能够减小拼接时自由度的耦合。

2、所述伺服装置包括控制器及至少两个传感器，所述传感器用以感测两个所述转动部的相对位置、速度及力矩，所述控制器以对位置、速度、力矩进行控制。通过伺服装置模块单元内的角度、转速以及力矩进行控制，以实现多个模块单元之间的传动控制，从而可组成不同的运动机构。

3、所述伺服装置包括设于任一转动部之内的位置传感器及与位置传感器对应的磁铁，当两个转动部转动时，所述磁铁可相对于所述位置传感器转动，通过检测所述磁铁与所述位置传感器之间的旋转角度以检测两个转动部之间的转动信息并传送至控制器。通过位置传感器检测磁铁的旋转角度以获得转动信息，方便实用，能够减小整个模块单元的体积，设计小巧。

4、所述伺服装置包括至少两个磁性传感器及与所述驱动电机同轴连接的磁性件，所述磁性传感器相对设于所述磁性件的圆周方向上，通过所述传感器检测所述磁性件的磁极变化以计算所述驱动电机的转速、以及判断所述驱动电机的正反转。采用此设计测量驱动电机的转速更精准，还能判断驱动电机的正反转，以获得模块单元之间的转动关系。

5、所述卡扣件的数量为偶数，两个所述转动部的卡扣件设置位置以两个转动部交界面为基准呈镜像对称。所述卡扣件上设有第一触点，通过所述第一触点与外接模块的对应触点接触，可实现信号通讯。可实现模块单元之间信号的传输。

6、经过所述卡扣件的中心且垂直于卡扣件所在平面的垂线与所述转动部的旋转中垂线相交，且相交的夹角为45°。当两个所述模块单元的转轴平行或者垂直时都能实现拼接，并且能够减小相互拼接的模块单元之间自由度的耦合。

7、提供一种模块化机器人，其包括如上述至少两个模块单元，两个所述模块单元之间通过所述卡扣件实现拼接。通过模块单元上的卡扣件直接实现模块单元之间的拼接，方便模块单元之间的安装与拆卸。

8、所述模块化机器人进一步包括卡扣组件，所述卡扣组件包括相对设置的第一卡扣部及第二卡扣部，两个所述模块单元之间通过所述卡扣组件拼接，其中一模块单元连接至所述第一卡扣部，另一模块单元连接至所述第二卡扣部。通过卡扣组件间接实现模块单元之间的拼接，传动性能好，适合高速度、高频率的模块单元之间组合而成的运动机构。

【附图说明】

图1是本发明第一实施例中模块化机器人的立体结构示意图；

图2-A是本发明第一实施例中模块单元的正视图；

图2-B是本发明第一实施例中两个模块单元的连接示意图；

图2-C是本发明第一实施例中两个模块单元的另一连接示意图；

图3是本发明第一实施例中模块单元的爆炸结构示意图；

图4是本发明第一实施例中第一转动件的爆炸结构示意图；

图5是本发明第一实施例中连接件的立体结构示意图；

图6是本发明第一实施例中面卡扣的爆炸结构示意图；

图7-A是本发明第一实施例中卡扣连接件的立体结构示意图；图7-B是本发明第一实施例中卡扣连接件的另一立体结构示意图；

图8是本发明第一实施例中卡扣连接件的正视图；

图9-A是本发明第一实施例中两个卡扣连接件连接的后视图；图9-B是图9-A沿A-A方向的剖视图；

图10-A是本发明第一实施例中两个卡扣连接件连接的后视图；

图10-B是图10-A沿C-C方向的剖视图；

图11是本发明第一实施例中传动组件的爆炸结构示意图；

图12是本发明第一实施例中转动组件的爆炸结构示意图；

图13是本发明第一实施例中磁性件的立体结构示意图；

图14是本发明第一实施例中连接组件的爆炸结构示意图；

图15是本发明第一实施例中连接组件的俯视图；

图16是图15沿B-B方向的剖视图；

图17是本发明第二实施例中模块化机器人的立体结构示意图；

图18是本发明第二实施例中卡扣组件的爆炸结构示意图；

图19是本发明第二实施例中旋转连接部的立体结构示意图；

图20是本发明第二实施例中第一卡扣部的立体结构示意图；

图21是本发明第二实施例中第一卡扣部的另一立体结构示意图；

图22是本发明第二实施例中模块单元与卡扣组件连接的立体结构示意图；

图23是本发明第三实施例中模块单元位置伺服系统的爆炸结构示意图；

图24是本发明第四实施例中模块单元位置伺服系统的控制方法的流程示意图。

附图标记说明：

01、模块化机器人；10、模块单元；20、第一转动部；22、传动组件；23、保护罩；24、传动件；241、驱动电机；242、锥齿轮；243、磁性件；244、速度传感器；245、安装板；25、转动组件；251、连接板；252、齿轮环；253、安装架；254、转动架；255、滚珠；30、第二转动部；32、连接组件；321、第二PCB板；322、导电环座；323、滑环；324、磁铁；325、位置传感器；40、第一转动件；41、壳体；411、第一穿设孔；42、面卡扣；421、第一PCB板；4211、LED光源；4212、第一电连接件；4213、中间通孔；422、卡扣连接件；4221、第一连接块；4222、第一容纳孔；4223、第一凸块；423、遮挡片；424、第一扣合块；4241、连接凸块；4242、第一卡接块；425、第二扣合块；4251、凹槽；4252、第二卡接块；426、卡扣连接面；427、卡扣安装面；428、紧固件；429、边孔；430、卡扣连接孔；43、连接件；431、第二穿设孔；432、容纳件；4321、容纳槽；433、抵持件；50、第二转动件；100、卡扣组件；101、第一卡扣部；102、第二卡扣部；103、旋转连接部；104、连接壳体；105、固定芯；106、旋转孔；107、第二容纳孔；108、卡槽；109、限位凸起；110、第二连接块；111、第二电连接件；112、锁紧件；113、容置孔；114、旋转限位孔；1141、容纳端；1142、卡接端；115、卡接板；116、第三卡接块；117、扣合件；118、卡位；119、凹陷孔；120、容置空间；130、卡接件；141、第一连接轴；142、第二连接轴；200、模块单元位置伺服系统；201、转动部；202、位置传感器；203、磁铁；204、控制器；210、运动副；211、传动组件；212、连接组件。

【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实例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。

请参阅图1和图2-A，本发明提供一种模块化机器人01，所述模块化机器人01包括至少一个模块单元10，任意两个所述模块单元10之间可直接或间接地进行连接以形成运动机构，模块单元10与模块单元10之间的不同连接方式可重构出不同构型的模块化机器人01。所述模块单元10包括第一转动部20，可与第一转动部20转动连接的第二转动部30，所述第一转动部20与第二转动部30之间可相对转动以实现模块化机器人01的不同运动状态，所述模块单元10呈球体，第一转动部20、第二转动部30呈半球型，及可带动至少一所述转动部转动的伺服装置(未图示)，所述转动部可以为第一转动部20或第二转动部30的任一种，所述伺服装置包括控制器及至少两个传感器，所述传感器用以感测第一转动部20、第二转动部30的相对位置、速度及力矩，所述控制器以对位置、速度、力矩进行控制。

请参阅图3，所述第一转动部20包括第一转动件40，容纳在所述第一转动件40的传动组件22，所述第一转动件40为半球形结构。所述第二转动部30包括第二转动件50，容纳在所述第二转动件50的连接组件32。所述第一转动件40与所述第二转动件50结构相同。所述传动组件22与所述连接组件32连接，所述第一转动件40与所述第二转动件50连接形成有容纳所述传动组件22、所述连接组件32的容纳空间。

请参阅图4和图5，所述第一转动件40包括中空的壳体41，容纳在所述壳体41内的连接件43，与连接件43连接的至少一面卡扣42。所述壳体41为半球形结构且所述壳体41上设置有供所述面卡扣42穿设的第一穿设孔411，所述第一穿设孔411的数量与所述面卡扣42的数量相对应，所述面卡扣42穿设所述第一穿设孔411且与所述连接件43连接，所述连接件43容纳在所述壳体41内。

所述连接件43与所述壳体41的形状结构相对应，所述连接件43对应所述第一穿设孔411的位置上设置有第二穿设孔431，所述面卡扣42依次穿设所述第一穿设孔411、第二穿设孔431。所述第二穿设孔431内壁延伸形成一环形容纳件432，所述容纳件432上开设有多个容纳槽4321，多个所述容纳槽4321呈环形分布且与所述面卡扣42连接。

两个所述第二穿设孔431之间设置有抵持件433，所述抵持件433朝所述连接组件32凸起形成，当连接组件32容纳在所述连接件43内时，所述抵持件433与所述连接组件32抵持连接。

请参阅图6，所述面卡扣42包括卡扣连接面426、与卡扣连接面426相对设置的卡扣安装面427，所述面卡扣42包括与所述容纳槽4321连接的第一PCB板421、与第一PCB板421连接的卡扣连接件422、套设在所述卡扣连接件422和第一PCB板421之间的遮挡片423，所述卡扣连接件422与另一所述卡扣连接件422连接。所述第一PCB板421一端与所述卡扣连接件422可拆卸连接，另一端与所述连接组件32电性连接，所述第一PCB板421朝所述卡扣连接件422的一侧上环形设置有多个LED光源4211，当面卡扣42与连接件43连接时，多个LED光源4211对应容纳在所述容纳槽4321内。多个LED光源4211以为模块单元10提供光源显示，以实时直观地向用户显示模块单元10的工作状态。所述遮挡片423为中空结构以供所述卡扣连接件422、第一PCB板421穿设，所述遮挡片423放置在所述LED光源4211上接触以防止LED光源4211漏光。

所述卡扣安装面427上的边缘设有至少两个边孔429，所述第一PCB板421与所述卡扣安装面427之间通过所述边孔429打入紧固件实现固定。所述第一PCB板421的中心位置上设置有至少两个第一电连接件4212，所述第一电连接件4212的一端依次穿设所述第一PCB板421、遮挡片423并且与所述卡扣连接件422连接，所述第一电连接件4212的另一端与所述连接组件32电性连接，所述第一电连接件4212用于提供多个拼接的模块单元10之间信号的传输，即可通过所述第一电连接件4212与外接模块的对应电连接件接触，可实现信号通讯。所述第一电连接件4212为铜柱且起导电传输作用，在本实施例中，所述第一电连接件4212为电连接件。所述第一PCB板421上还设置有两个中间通孔4213，所述中间通孔4213与所述卡扣连接件422相对应，可通过紧固件(未标注)穿设所述中间通孔4213以实现第一PCB板421与所述卡扣连接件422的连接，通过调节所述紧固件进而调整第一PCB板421与卡扣连接件422连接的松紧程度，还能调节两个卡扣连接件422之间的扣合力度。在本实施例中，所述第一电连接件4212的数量为三个。

请参阅图6、图7-A和图7-B，所述卡扣连接件422的中心朝远离所述第一PCB板421的一侧延伸形成柱形的第一连接块4221，所述第一连接块4221设置有至少两个第一容纳孔4222，所述第一容纳孔4222的数量与第一电连接件4212相对应且容纳所述第一电连接件4212，所述第一电连接件4212通过所述第一容纳孔4222外露与所述卡扣连接面426。所述第一连接块4221的外壁沿“十”字方向延伸形成四个第一凸块4223，在所述第一凸块4223与所述卡扣连接件422之间还留有间隙以形成一空间。优选的，所述第一容纳孔4222的数量为三个。

请参阅图7-A、图7-B和图8，所述卡扣连接件422对应所述第一凸块4223延伸方向的相对的两侧上分别设有第一扣合块424、第二扣合块425，所述第一扣合块424、第二扣合块425以及第一连接块4221形成在所述卡扣连接面426上且所述第一扣合块424、第二扣合块425环绕所述第一连接块4221设置，所述第一扣合块424、第二扣合块425受力后可发生一定形变且所述中间通孔4213与所述第一扣合块424相对应，所述第一扣合块424容纳在所述中间通孔4213内。所述第一扣合块424、第二扣合块425分别朝远离所述第一PCB板421延伸且所述第一扣合块424、第二扣合块425分别与所述第一凸块4223之间留有间隙空间，所述第一扣合块424与所述第二扣合块425环绕所述第一连接块4221设置。所述第一扣合块424沿远离所述第一连接块4221的一侧延伸形成有连接凸块4241，所述第二扣合块425靠近所述第一连接块4221的一侧凹陷形成凹槽4251，所述连接凸块4241与所述凹槽4251相对应且两者呈弧形，相对的所述连接凸块4241与凹槽4251之间的连线呈“十”字方向设置。当两个模块单元10连接时，所述第一扣合块424与第二扣合块425对应配合连接，连接凸块4241与凹槽4251抵触，所述第一连接块4221、所述第一扣合块424与所述第二扣合块425之间界定一平面，所述第一凸块4223与所述平面之间形成间隙以供所述外设的卡扣组件(未图示)置入。

所述卡扣安装面427上设有两个卡扣连接孔430，所述卡扣连接孔430与所述第一扣合块424位置相匹配，卡扣连接孔430对应设置在所述连接凸块4241的位置上，且所述卡扣连接孔430伸入所述第一扣合块424内，所述卡扣连接孔430内可打入紧固件，根据所述紧固件打入的深度，以控制两个所述面卡扣42之间的扣合力度。

请继续参阅图7-A，第一扣合块424远离所述第一连接块4221的一侧凸出形成第一卡接块4242，第二扣合块425靠近所述第一连接块4221的一侧凹陷形成第二卡接块4252，所述第一卡接块4242、第二卡接块4252设置在远离所述第一PCB板的一侧，所述第一卡接块4242、第二卡接块4252分别与所述连接凸块4241、凹槽4251形成“T”字型，所述第一卡接块4242、第二卡接块4252呈弧形设置。请参阅图8、图9-A和图9-B，以两个所述卡扣连接件配合连接为例，当所述连接凸块4241与对应的凹槽4251抵触配合时，所述第一卡接块4242与第二卡接块4252弹性抵触，以实现两个模块单元10之间的配合连接。

请参阅图10-A和图10-B并结合图7-A和图7-B，通过紧固件428穿设所述中间通孔4213、卡扣连接孔430以实现第一PCB板421与所述卡扣连接件422的连接，所述紧固件428穿设所述中间通孔4213且容纳在所述卡扣连接孔430内，所述面卡扣42的扣合过程中，打入紧固件428的第一扣合块424向所述第一连接块4221产生形变，以使所述第一卡接块4242与所述第二卡接块4252之间扣合；当需要将两个所述面卡扣42分离时，由于所述第一卡接块4242与所述第二卡接块4252之间相匹配的弧面，使打入紧固件428的第一扣合块424再次向远离所述第一连接块4221一侧产生形变。当打入的紧固件428较紧时，所述第一扣合块424较难形变，此时两个所述面卡扣42分离困难，当打入的紧固件428较松时，所述第一扣合块424容易形变，此时两个所述面卡扣42很容易分离。采用此设计，相互连接的面卡扣42安装连接时容易，相互连接的面卡扣42拆卸时困难，实现面卡扣42易装难拆的效果。当模块单元10之间拼接在一起时，模块单元10之间的第一电连接件4212相互接触以实现信号传输。

请参阅图11，所述传动组件22包括传动件24、转动组件25、与所述转动组件25连接的保护罩23，所述保护罩23与所述第一转动件40的连接件43连接，转动组件25与保护罩23连接并形成可以容纳所述传动件24的容置空间。所述保护罩23与所述传动件24相对应，所述保护罩23与所述传动件24连接时，传动件24容纳在所述保护罩23内。

继续如图11中所示，所述传动件24进一步包括驱动电机241、与驱动电机241一端同轴连接的锥齿轮242、与驱动电机241另一端同轴连接的柱形磁性件243，所述锥齿轮242与所述转动组件25转动连接且锥齿轮242驱动转动组件25旋转。即所述伺服装置进一步还包括驱动电机241，所述驱动电机241设于任一所述转动部之间。

所述传动件24上还包括安装板245，与安装板245连接的至少一速度传感器244，如图11中所示，所述安装板245与所述驱动电机241的一端固定连接，所述速度传感器244设置在所述磁性件243的圆周方向上，所述速度传感器244与所述连接组件32(如图3中所示)电性连接。在一些具体的实施例中，所述速度传感器244为霍尔传感器且数量为两个，两个所述速度传感器244与所述磁性件243相对且呈一定角度倾斜设置，两个所述速度传感器244之间倾斜角度为100°-120°；和/或所述速度传感器244与所述磁性件243之间的距离间隔为1-2mm。所述速度传感器244可根据磁性件243的磁极变化计算所述驱动电机241的转动速度以及判断所述驱动电机241的正反转。优选倾斜角度为100°-120°，具体地，所述倾斜角度还可为100°、110°、115°等。此时两个速度传感器244在磁性件243上的投影面积最大，能够更准确地测量磁性件243上的磁极变化情况。

请参阅图12，具体地，为了使所述锥齿轮242可更好地带动所述转动组件25转动，在一些具体的实施例中，所述转动组件25包括中空的连接板251、与连接板251固定连接的齿轮环252，齿轮环252设置在所述连接板251靠近传动件24的一侧上，所述齿轮环252未设有齿轮的环面与所述连接板251连接，所述齿轮环252设有齿轮的环面与所述锥齿轮242转动连接。所述齿轮环252与所述锥齿轮242对应配合连接以实现驱动电机241带动所述转动组件25的转动，所述连接板251与所述第二转动件50上的连接件43连接。

请参阅图12并结合图11，所述转动组件25还包括与驱动电机241固定连接的安装架253、与安装架253转动连接的转动架254。所述安装架253与所述连接组件32连接，所述安装架253、转动架254容纳在所述连接板251内。所述转动架254为环状结构，具体地，所述转动架254上设置有多个滚珠255，多个滚珠255呈圆周分布。所述转动架254套接在所述安装架253上，所述安装架253通过所述滚珠255与所述连接板251连接和相对转动。所述保护罩23与所述驱动电机241、速度传感器244、磁性件243、安装架253相对应且所述保护罩23容纳所述驱动电机241、速度传感器244、磁性件243和安装架253。采用此设计能够减小传动组件22的体积，进而减小整个模块单元10的体积，设计小巧。

采用此设计，当锥齿轮242与齿轮环252相对转动时，所述安装架253、驱动电机241、保护罩23与所述齿轮环252、连接板251相对转动，所述安装架253带动所述连接组件32转动，所述保护罩23带动所述第一转动件40转动，以实现第一转动件40与第二转动件50的相对转动。

请参阅图13，所述磁性件243上设置有多个磁极，所述磁极包括N极及S极，其中，N极磁极与S极磁极可间隔分布设置。当所述驱动电机241工作转动以带动所述磁性件243、锥齿轮242的转动，所述锥齿轮242带动所述转动组件25转动，此时速度传感器244感应磁性件243上的多个磁极的变化以计算所述驱动电机241的转动速度以及判断所述驱动电机241的正反转。

请参阅图14、图15和图16，所述连接组件32进一步包括与安装架(未图示)连接的第二PCB板321、与所述第二PCB板321连接的导电环座322、部分容纳于所述导电环座322的滑环323、容纳于所述滑环323的磁铁324，所述滑环323套设在所述磁铁324的外围，所述磁铁324与所述抵持件433抵持，所述第二PCB板321为控制器。所述第二PCB板321与所述速度传感器244、驱动电机241电性连接。所述第二PCB板321对应磁铁324的位置上设置有位置传感器325，所述位置传感器325与所述滑环323同步转动，所述磁铁324与所述位置传感器325之间的距离为1mm-2mm。所述第一转动件40带动所述滑环323、位置传感器325相对于所述磁铁324转动。所述位置传感器325用于检测磁铁324的位置变化信号，以获取所述磁铁324的转动角度，通过检测所述磁铁324与所述位置传感器325之间的旋转角度以检测两个转动部之间的转动信息并传送至第二PCB板321，所述控制器设置在所述第二PCB板321上，所述控制器基于位置传感器325检测所述旋转角度信息与目标角度指令控制所述驱动电机241以设定转速运行。

当所述第一转动件40与所述第二转动件50之间需要相互转动时，可先由所述驱动电机241带动所述连接板251转动，进而连接板251带动与其固定连接的所述第二PCB板321转动，由于所述导电环座322、滑环323依次固定在所述第二PCB板321之上，因此，对应的所述导电环座322、滑环323也会转动，也即，通过驱动电机241驱动，可同步带动第一转动件40转动，所述导电环座322带动所述滑环323相对于所述磁铁324转动。

同时，由于所述磁铁324与所述第二转动件50连接，由于所述磁铁324与所述抵持件433抵持连接，因此，磁铁324与第二转动件50并不会随着所述第二PCB板321转动。

因此，基于上述的连接结构和连动关系，可使第一转动件40与第二转动件50可相对转动，通过位置传感器325与磁铁324之间相对的转动，以实现通过位置传感器325检测并获得所述第一转动件40与第二转动件50之间相对的转动角度。

请继续参阅图2-A，所述模块单元10包括两个可相对旋转的第一转动部20、第二转动部30，所述第一转动部20、第二转动部30为半球结构，两个转动部均沿半球截面的中垂线f旋转运动；在一所述转动部上设置至少一个卡扣连接件422，两个转动部上卡扣连接件422的位置以半球截面为基准呈镜像对称，即两个所述转动部的卡扣连接件422设置位置以两个转动部交界面为基准呈镜像对称；所述模块单元10之间通过一组卡扣连接件422实现插拔对接。

所述卡扣连接件422呈圆形，过所述卡扣连接件422圆心且垂直于所述卡扣连接件422所在平面的垂线e与所述转动部的旋转中垂线f相交，且相交的夹角为D且为30°-60°。所述模块单元10设置所述卡扣连接件422的数量为偶数。可选的，在一些具体的实施例中，所述夹角D为45°，请参阅图2-B和图2-C，此时当两个所述模块单元10的中间转轴无论平行或者垂直时都能实现拼接，并且能够减小相互拼接的模块单元10之间自由度的耦合。

请参阅图17，本发明第二实施例提供一种模块化机器人01，所述模块化机器人01包括至少两个模块单元10，用于与模块单元10之间相互连接的卡扣组件100，任意两个所述模块单元10之间可通过卡扣组件100进行连接以形成运动机构，模块单元10与模块单元10之间通过卡扣组件100的不同连接方式可拼接组合出不同结构的模块化机器人01。

所述卡扣组件100包括旋转连接部103，分别与旋转连接部103相对两侧可拆卸连接的第一卡扣部101、第二卡扣部102，分别穿设所述第一卡扣部101、第二卡扣部102、旋转连接部103的至少两个第二电连接件111。所述第二电连接件111可以为铜柱、合金柱等起导电传输作用的电连接件中的任一种，在本实施例中，所述第二电连接件111为电连接件。所述第一卡扣部101与第二卡扣部102的结构呈镜像对应。两个所述模块单元10的任一卡扣连接件422分别与所述第一卡扣部101、所述第二卡扣部102旋拧固定连接。

两个所述模块单元10之间通过所述卡扣组件100拼接，其中一模块单元连接至所述第一卡扣部101，另一模块单元连接至所述第二卡扣部102。

请参阅图18和图19，所述旋转连接部103包括连接壳体104以及设置在所述连接壳体104内的固定芯105，所述固定芯105为设置在连接壳体104内的圆板状结构。固定芯105朝所述第一卡扣部101、第二卡扣部102端面相对的两侧凹陷，以形成用于容纳所述第一卡扣部101、第二卡扣部102的空间，所述第一卡扣部101、第二卡扣部102的外周壁分别与所述连接壳体104的内壁套接。

所述固定芯105上任意两个相互垂直的直径方向设置有旋转孔106，所述旋转孔106为腰形孔且所述旋转孔106设置在所述固定芯105与连接壳体104的内壁上。所述固定芯105的中心上设置有第二容纳孔107，所述第二容纳孔107容纳所述第一卡扣部101、第二卡扣部102且第二电连接件111穿设所述第二容纳孔107，在本实施例中，所述第二电连接件111数量为三个。

请继续参阅图19，所述固定芯105还设置有至少一锁紧件112，所述锁紧件112设置在所述旋转孔106与所述第二容纳孔107之间。所述锁紧件112分别朝所述第一卡扣部101、第二卡扣部102方向延伸，所述锁紧件112靠近第一卡扣部101、第二卡扣部102的一端沿所述第二容纳孔107的中心轴凸出以形成弯钩状，锁紧件112为弹性结构。所述锁紧件112与所述第一卡扣部101、第二卡扣部102旋转配合实现第一卡扣部101、第二卡扣部102与旋转连接部103的可拆卸连接。在本实施例中，所述锁紧件112数量为四个且锁紧件112分布在相互垂直的两直径上。所述连接壳体104朝第一卡扣部101、第二卡扣部102的内壁上还设置有卡槽108，卡槽108上设置有限位凸起109，所述限位凸起109与所述第一卡扣部101、第二卡扣部102连接。

请参阅图20，所述第一卡扣部101的中心分别朝靠近、远离所述旋转连接部103的一侧延伸形成柱形的第二连接块110，所述第二连接块110设置有容纳所述第二电连接件111的容置孔113且所述容置孔113的数量与所述第二电连接件111的数量相对应，所述第二电连接件111从所述容置孔113中露出。第一卡扣部101对应所述锁紧件112的位置上设置有旋转限位孔114，所述旋转限位孔114的包括相互连接的容纳端1141和卡接端1142，容纳端大于所述锁紧件112的尺寸以容纳所述锁紧件112，卡接端1142与锁紧件112的尺寸相对应以锁紧件112配合连接，所述锁紧件112与所述卡接端1142为过盈配合，所述锁紧件112通过所述旋转限位孔114外露，所述旋转限位孔114呈圆弧状设置，请结合图18，所述旋转孔106供所述第一卡扣部101、第二卡扣部102的第二连接块110穿设。

请继续参阅图20，所述第一卡扣部101直径方向上还设置有卡接板115，所述卡接板115环绕所述第二连接块110设置，卡接板115朝远离旋转连接部103的一侧延伸。所述卡接板115靠近设置在所述旋转限位孔114的卡接端1142，卡接板115朝第二连接块110的凸出形成第三卡接块116，所述第三卡接块116凸出延伸至所述卡接端1142。第一卡扣部101与旋转连接部103连接时，锁紧件112对应穿设旋转限位孔114的容纳端1141，通过旋转第一卡扣部101或旋转连接部103实现锁紧件112对应移动至旋转限位孔114的卡接端1142，此时锁紧件112与所述第三卡接块116抵持卡接，以实现第一卡扣部101与旋转连接部103的连接。

请继续参阅图20，所述第一卡扣部101直径方向上还设置有扣合件117，所述扣合件117朝远离所述旋转连接部103一侧凸起，两个所述扣合件117的相连的直径方向与卡接板115相连的直径方向垂直。所述扣合件117为弹性结构且所述扣合件117与所述模块单元10的第二扣合块425结构相同，即所述扣合件117与所述模块单元10的第一扣合块424结构相对应，所述扣合件117靠近所述第二连接块110的一侧凹陷形成凹陷孔119，所述凹陷孔119呈弧形设置。

请参阅图21，所述第一卡扣部101朝旋转连接部103的一侧上设置有卡位118，所述卡位118与限位凸起109相对应，所述卡位118在卡槽108上滑动至抵触限位凸起109，以实现所述第一卡扣部101与旋转连接部103扣合连接。

所述第一卡扣部101朝所述旋转连接部103的一侧凸出形成第一连接轴141以及第二连接轴142，所述第一卡扣部101的第一连接轴141、第二连接轴142分别对应与所述第二卡扣部102的第二连接轴142、第一连接轴141连接并容纳在所述旋转孔106内，所述旋转孔106起到第一卡扣部101与第二卡扣部102连接转动时的导向作用。

装配使用时，第二电连接件111穿设所述第二容纳孔107且与第一卡扣部101、第二卡扣部102卡接连接，所述锁紧件112分别穿设并容纳在第一卡扣部101、第二卡扣部102的旋转限位孔114的容纳端1141内，转动所述旋转连接部103或第一卡扣部101、第二卡扣部102使第一卡扣部101、第二卡扣部102与旋转连接部103相对转动，此时锁紧件112从容纳端1141旋转移动至卡接端1142，锁紧件112与所述卡接板115的第三卡接块116抵持，所述卡位118在卡槽108上滑动至抵触限位凸起109，以形成旋转连接部103、第一卡扣部101、第二卡扣部102三者之间的锁紧结构。

上述装配使用的顺序也可调整，即也可先将第一卡扣部101与所述旋转连接部103连接，再将第二卡扣部102与所述旋转连接部103连接，第一卡扣部101、第二卡扣部102的锁紧件112都容纳在所述容纳端1141内，此时转动所述旋转连接部103，使得锁紧件112旋转移动至卡接端1142，卡位118在卡槽108上滑动至抵触限位凸起109。

采用此卡扣组件100的设计，简单方便，能够用较低的成本以提高卡扣连接的稳定性，使得卡扣组件100连接的刚度提高，能够承受外界较大的受力，同时不改变之前卡扣之间相互连接的方式。

请参阅图22，提供一种卡扣紧固组件(未标注)，其包括所述面卡扣42及与所述面卡扣42配合的卡扣组件100。所述面卡扣42上第一凸块4223与所述卡扣连接件422之间留有间隙以形成一容置空间120，所述容置空间120容纳所述锁紧件112。所述第一扣合块424朝所述第一凸块4223凸出形成卡接件130，所述卡接件130用于与锁紧件112抵持以限制锁紧件112的移动，实现卡扣组件100与模块单元10之间的配合连接。

所述卡扣组件100与模块单元10配合连接时，锁紧件112对应伸入所述第一连接块4221，通过转动锁紧件112和\或卡扣组件100实现卡扣组件100与模块单元10的相对转动。此时锁紧件112旋转至容置空间120内且与锁紧件112分别与所述第一凸块4223、卡接件130抵持，所述扣合件117上的凹陷孔119旋转至与连接凸块4241抵持，即可实现卡扣组件100与模块单元10之间连接的锁紧。此时第一连接块4221与第二连接块110相接触，第一电连接件4212与第二电连接件111接触以实现信号的传输。

本发明还进一步提供一种模块化机器人，其包括上述至少两个模块单元10拼接而成，其包括上述卡扣紧固组件，具体可参照前述的卡扣紧固组件说明，在此不再阐述。所述卡扣紧固组件可用于连接模块单元10、轮子、机械臂或底座中任两种或多种。

本发明还进一步提供一种机器人，所述机器人包括多个功能组件及至少一如上述的卡扣紧固组件，所述功能组件包括至少一个如上述的所述面卡扣42，所述卡扣紧固组件包括卡扣组件100内。所述卡扣紧固组件用于连接任意两个功能组件，两个功能组件通过卡扣紧固组件实现间接连接，即通过面卡扣42与卡扣组件100的连接实现两个功能组件的间接连接。

所述模块化机器人01包括位置伺服系统、速度伺服系统及力矩伺服系统中任一种或几种的组合。

请参阅图23，本发明提供第三实施例提供一种模块单元位置伺服系统200，本发明第一实施例中的模块单元10包括所述模块单元位置伺服系统200，模块单元位置伺服系统200用于检测模块单元10中两个转动部201之间的位置变化，两个所述转动部201可相对转动，模块单元位置伺服系统200包括所述设于任一转动部201之内的位置传感器202以及一对可周向旋转的运动副210，所述模块单元位置伺服系统200还包括连接两个转动部201的传动组件211和连接组件212，其中，所述传动组件211和所述连接组件212构成所述运动副210。所述位置传感器202感测运动副210之间的旋转角度信息，并结合目标角度指令控制传动组件211转动。

所述连接组件212还包括与所述位置传感器202对应的磁铁203，当两个转动部201相对转动时，所述磁铁203可相对于所述位置传感器202转动，通过检测所述磁铁203与所述位置传感器202之间的旋转角度以检测两个转动部201之间的旋转角度信息。

所述连接组件212还包括控制器204，所述控制器204与所述位置传感器202电性连接，所述位置传感器202所检测旋转角度信息传送至控制器204，并由控制器204将对应控制信息传送至所述传动组件211。

所述传动组件211包括驱动电机241，所述驱动电机241设于任一所述转动部201之内，所述控制器204基于位置传感器202检测的所述旋转角度信息与目标角度指令控制驱动电机241的转动速度。

请结合图11和图13，所述传动组件211进一步包括至少两个速度传感器244及与所述驱动电机241同轴连接的磁性件243，所述速度传感器244相对设于所述磁性件243的圆周方向上，通过所述速度传感器244检测所述磁性件243的磁极变化以计算所述驱动电机241的转速、以及判断所述驱动电机241的正反转。

请参阅图24，本发明第四实施例提供一种模块单元位置伺服系统的控制方法300，其包括如下步骤：

S1：提供驱动电机、一对可周向旋转的运动副及位置传感器；

S2：基于所述位置传感器检测所述运动副的旋转角度信息并传送至一控制器；

S3：所述控制器结合当前旋转角度信息与目标角度指令以对所述驱动电机进行控制，以设定驱动电机的转速运动。

与现有技术相比，本发明提供的模块单元及模块化机器人具有以下有益效果：

1、提供一种模块单元，所述模块单元呈球体，所述模块单元包括两个呈半球型的转动部及可带动至少一所述转动部转动的伺服装置；所述转动部上设有至少一个卡扣件，经过所述卡扣件的中心且垂直于卡扣件所在平面的垂线与所述转动部的旋转中垂线相交，且相交的夹角为30°-60°。采用此设计，任意两个模块单元在拼接时，能够减小拼接时自由度的耦合。

2、所述伺服装置包括控制器及至少两个传感器，所述传感器用以感测两个所述转动部的相对位置、速度及力矩，所述控制器以对位置、速度、力矩进行控制。通过伺服装置模块单元内的角度、转速以及力矩进行控制，以实现多个模块单元之间的传动控制，从而可组成不同的运动机构。

3、所述伺服装置包括设于任一转动部之内的位置传感器及与位置传感器对应的磁铁，当两个转动部转动时，所述磁铁可相对于所述位置传感器转动，通过检测所述磁铁与所述位置传感器之间的旋转角度以检测两个转动部之间的转动信息并传送至控制器。通过位置传感器检测磁铁的旋转角度以获得转动信息，方便实用，能够减小整个模块单元的体积，设计小巧。

4、所述伺服装置包括至少两个磁性传感器及与所述驱动电机同轴连接的磁性件，所述磁性传感器相对设于所述磁性件的圆周方向上，通过所述传感器检测所述磁性件的磁极变化以计算所述驱动电机的转速、以及判断所述驱动电机的正反转。采用此设计测量驱动电机的转速更精准，还能判断驱动电机的正反转，以获得模块单元之间的转动关系。

5、所述卡扣件的数量为偶数，两个所述转动部的卡扣件设置位置以两个转动部交界面为基准呈镜像对称。所述卡扣件上设有第一触点，通过所述第一触点与外接模块的对应触点接触，可实现信号通讯。可实现模块单元之间信号的传输。

6、经过所述卡扣件的中心且垂直于卡扣件所在平面的垂线与所述转动部的旋转中垂线相交，且相交的夹角为45°。当两个所述模块单元的转轴平行或者垂直时都能实现拼接，并且能够减小相互拼接的模块单元之间自由度的耦合。

7、提供一种模块化机器人，其包括如上述至少两个模块单元，两个所述模块单元之间通过所述卡扣件实现拼接。通过模块单元上的卡扣件直接实现模块单元之间的拼接，方便模块单元之间的安装与拆卸。

8、所述模块化机器人进一步包括卡扣组件，所述卡扣组件包括相对设置的第一卡扣部及第二卡扣部，两个所述模块单元之间通过所述卡扣组件拼接，其中一模块单元连接至所述第一卡扣部，另一模块单元连接至所述第二卡扣部。通过卡扣组件间接实现模块单元之间的拼接，传动性能好，适合高速度、高频率的模块单元之间组合而成的运动机构。

以上所述仅为本发明较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明原则之内所作的任何修改，等同替换和改进等均应包含本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种模块单元，其特征在于：所述模块单元呈球体，所述模块单元包括两个呈半球型的转动部及可带动至少一所述转动部转动的伺服装置；

所述转动部上设有至少一个卡扣件，经过所述卡扣件的中心且垂直于卡扣件所在平面的垂线与所述转动部的旋转中垂线相交，且相交的夹角为30°-60°；

所述卡扣件包括卡扣连接件；所述转动部形成容纳空间，所述容纳空间内设置有连接组件，所述卡扣连接件的中心朝远离所述连接组件的一侧延伸形成第一连接块，所述卡扣连接件对应所述第一连接块的相对两侧分别设置有第一扣合块和第二扣合块，所述第一扣合块沿远离所述第一连接块的一侧延伸形成有连接凸块，所述第二扣合块靠近所述第一连接块的一侧凹陷形成凹槽，所述连接凸块与所述凹槽抵触以使所述第一扣合块与所述第二扣合块对应配合连接。

2.如权利要求1所述的模块单元，其特征在于：所述伺服装置包括控制器及至少两个传感器，所述传感器用以感测两个所述转动部的相对位置、速度及力矩，所述控制器以对位置、速度、力矩进行控制。

3.如权利要求2所述的模块单元，其特征在于：所述伺服装置包括设于任一转动部之内的位置传感器及与位置传感器对应的磁铁，当两个转动部转动时，所述磁铁可相对于所述位置传感器转动，通过检测所述磁铁与所述位置传感器之间的旋转角度以检测两个转动部之间的转动信息并传送至控制器。

4.如权利要求3所述的模块单元，其特征在于：所述伺服装置进一步还包括驱动电机，所述驱动电机设于任一所述转动部之间，所述控制器基于位置传感器检测所述转动信息与目标角度指令控制所述驱动电机以设定转速运行。

5.如权利要求4所述的模块单元，其特征在于：所述伺服装置包括至少两个磁性传感器及与所述驱动电机同轴连接的磁性件，所述磁性传感器相对设于所述磁性件的圆周方向上，通过所述传感器检测所述磁性件的磁极变化以计算所述驱动电机的转速、以及判断所述驱动电机的正反转。

6.如权利要求1所述的模块单元，其特征在于：所述卡扣件的数量为偶数，两个所述转动部的卡扣件设置位置以两个转动部交界面为基准呈镜像对称。

7.一种模块化机器人，其特征在于：其包括如上述权利要求1-6中任一项所述的至少两个模块单元以及用于模块单元之间相互连接的卡扣组件。

8.如权利要求7所述的模块化机器人，其特征在于：所述模块化机器人进一步包括卡扣组件，所述卡扣组件包括相对设置的第一卡扣部及第二卡扣部，两个所述模块单元之间通过所述卡扣组件拼接，其中一模块单元连接至所述第一卡扣部，另一模块单元连接至所述第二卡扣部。

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