CN201744997U - 模块化便携式移动机器人系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提出一种模块化便携式移动机器人系统，包括：控制单元、驱动单元、移动平台、能源、传感器、标准接口等功能模块，功能模块之间采用包含电源和通信总线的标准接口模块相互连接，不需要任何外部连线就能同时实现机械和电气的连接关系；相互连接的功能模块位于同一条通信总线上，每个模块相当于一个控制节点，没有主从之分，地位平等，各自独立，某个节点故障不会影响到其他节点；功能模块在连接接口和总线通信协议具有相同的特征，可由类似功能的模块替代，可根据不同用户的需求迅速地组装成不同的机器人平台，便于扩展性能，降低了机器人系统的设计、集成、安装、扩展、维修和更新换代的成本。

Description

模块化便携式移动机器人系统

技术领域

本发明涉及的是一种智能移动机器人平台，特别是一种模块化便携式移动机器人系统。

背景技术

移动机器人平台是一种能够自主或者半自主移动的机器人，其行走方式有轮式、履带式、两足式、四足式、多足式等。机器人经常会携带一些传感器和驱动装置，实现特定的功能，能够用于娱乐、家用、教学、军用、安防等领域。

目前的移动机器人系统具有各式各样的组成结构，比如轮式的足球比赛机器人，四足机器狗，两足人形机器人，履带式可以越障的室外机器人等。已经有研究者将模块化的概念引入机器人设计领域：2005年《高教装备》第11期第45页公开了“可扩展教学机器人系统设计”，介绍了一种可以扩展的机器人系统设计方法，引入组件化概念，将机器人组件进行分类，并通过一定的接口形式连接。目前成熟的产品有德国PowerCube公司的可重组的模块化机器人，提供一系列具有标准机械和电子接口的功能模块，由许多功能关节可以组成各种形状和功能的多自由度手臂、人形、蛇形机器人等。多自由度并联机器人也采用了模块化的设计思想。以上这些研究和应用仅限于机械臂结构，通用性差，尚不能适合移动式的机器人系统。

在移动机器人模块化设计方面，专利申请号为200710041709.6的“模块化及标准化组件构成的机器人”介绍了一种模块化及标准化组件构成的机器人，提出一种机器人模块化、标准化组件安装方法，将机器人部件中具有类似功能的部分融合为一体，成为一个标准组件，方便组件之间的组装。但此项研究仅限于机器人机械安装方面的标准化和模块化。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：针对上述现有技术存在的缺陷，提供一种扩展方便、控制简单的模块化便携式移动机器人系统。

本发明的技术方案是：

一种模块化便携式移动机器人系统，包括控制单元模块、驱动单元模块、移动平台模块、翻转臂模块、能源模块、传感器模块、标准接口模块；所述能源模块内嵌于所述移动平台模块内，所述翻转臂模块与所述移动平台模块连接，所述控制单元模块通过所述驱动单元模块与所述移动平台模块相连，所述传感器模块通过标准接口模块与所述控制单元模块相连；所述的标准接口模块包含了电源和通信总线；所述传感器模块与所述控制单元模块通过标准接口模块实现电气和机械连接，且在同一通信总线上，具有各自的CPU和控制系统，相互之间采用标准的通信协议相互通信。

所述控制单元模块包括主控制器、操作控制单元和控制软件系统；所述主控制器通过标准的总线系统和标准协议与所述驱动单元模块、所述传感器模块通信；所述主控制器包含主控CPU、运动控制CPU和通讯控制CPU；主控CPU用于整体决策、任务分配、传感器信息采集及处理、外围扩展器件的控制和管理、电源管理；运动控制CPU用于控制机器人的操作动作；通讯控制CPU用于主控制器各个CPU之间的通信协议及与主控制器与外围CPU节点和所述操作控制单元的通信。

所述移动平台模块为轮式机构或履带式机构。

所述驱动单元模块包括移动平台驱动模块和翻转臂驱动模块；所述移动平台驱动模块由直流伺服电机、电机编码器、电机驱动器、减速箱、传动机构组成，电机驱动器从所述控制单元模块接收指令驱动所述直流伺服电机，经由所述传动机构传动到所述移动平台模块，驱动机器人行走；所述翻转臂驱动模块包括翻转电机、电机编码器、电机驱动器、减速箱和传动机构，从所述控制单元模块发出的信号驱动所述翻转电机旋转，再带动所述翻转臂模块旋转。

所述翻转臂模块包含一根翻转臂轴，由翻转臂驱动模块的翻转电机驱动无角度限制连续旋转。

本发明的有益效果：

1、提出了机器人整体系统模块化设计的思想，并将其应用在便携式移动机器人的设计当中。本发明中的模块化便携式移动机器人系统从机械、电子和软件三方面实现了模块化，使机器人功能扩展容易，控制简单，方便进行多机器人系统的协调和作业。

2、机器人系统在机械和电子设计上进行了模块化，模块之间采用标准接口模块相互连接，同时实现机械和电气的连接关系。标准接口模块包含了电源和通信总线，模块相互连接时不需要任何外部连线，每个功能模块在总线上相当于一个控制节点，节点没有主从之分，地位平等，各自独立，某个节点故障不会影响到其他节点。

3、功能模块在连接接口和总线通信协议具有相同的特征，可以由类似功能的模块替代，方便了模块间的安装，可以根据不同用户的需求迅速地组装机器人平台，便于扩展性能，降低了机器人系统的设计、集成、安装、扩展、维修和更新换代的成本。同时，这种机械电子模块化的设计简化了机器人的控制设计，为实际使用中机器人的配件扩展提供了方便。这种设计也使进行多机器人系统的协调作业更加方便。

3、构建了一种模块化便携式移动机器人，重量轻(小于25kg)，携带方便，并能够在全地形、全天候运行。具有2m/s的移动速度，能够攀爬40°的楼梯，可以选装多种传感器配件和机械臂等，完成特定的作业。机器人能够用在军用、公共安全、民用、教育研究等领域。

附图说明

图1为本发明架构图。

图2为本发明机械结构图。

图3为本发明控制框图。

具体实施方式

一种模块化便携式移动机器人系统，如图1所示。模块化便携式移动机器人平台10主要由能源模块20、翻转臂模块30、移动平台模块40、驱动单元模块50、控制单元模块60、传感器模块70、标准接口模块80等组成。

所述能源模块20给控制模块、传感器模块、驱动模块等供电.参照图2，能源模块20包含电池21，电池支架22以及电源控制板等。电池21由电池支架22固定，用螺丝把电池支架安装在移动平台模块40两侧履带机构的支撑板上。电池21同时，电池21完全采用模块化设计，安装和拆卸非常快速，电池可以在机器人上在线充电，也可以拿下来离线充电。虽然是可随时拆卸的电池模块，由于采用了标准接口，进行了防水处理，机器人可以在水中行驶而不必担心电池的安全。机器人最多可安装四块动力锂电池，左右各安装两块。电源控制板实现电源的转换、电源传输和电源无缝切换功能。电源控制板的另一个功能是采用继电器的方式实现电池与外接直流电源之间的无缝切换：没有接入外接电源时采用电池供电，当插入外接电源时，切断电池的供电回路，这样能够保护电池，延长了电池使用寿命。

参照图2，在本实施例中机器人左右各一个翻转臂模块30。翻转臂模块30包括翻转履带31、主动轮32、辅助轮33、支撑板34等。从左右两侧的履带机构贯穿一根由翻转驱动及传动机构501的翻转电机驱动的轴，轴的中心线与履带机构主动轮的轮轴中心线重合，两端装有轴承，翻转臂模块30的两个主动轮32安装在轴承上。翻转臂的主动轮32与履带机构的主动轮422同心安装，相互之间为间隙配合，分别由各自电机带动。翻转臂模块可以绕其轴360度旋转，从而起到辅助机器人适应各种复杂地形的作用。

参照图2，本实施例中机器人的移动平台模块40由底盘41、履带机构42和上面板43组成。底盘和上面板采用铝合金机加工而成。每个履带机构42包含一条履带421，一个主动轮422、一个从动轮423、12个辅助轮424、一个支撑板425。履带机构42用螺丝螺母固定在机器人的底盘41上，上面板43与底盘41相连接，共同构成移动平台框架。履带机构与底盘、底盘与上面板之间接合处采用密封圈做防水密封，驱动机构的电机输出轴与主动轮的接合处采用动密封，机器人能在水下运行。

参照图2，驱动单元模块50包含履带驱动及传动机构501，翻转臂驱动及传动机构502。履带驱动机构501包括直流伺服电机、电机编码器、电机驱动器。传动机构包括齿轮组、轴承等。电机驱动器从控制单元接收指令来驱动直流伺服电机，经由传动机构到达主动轮，再由主动轮带动整个履带运动，从而驱动机器人行走。电机驱动器控制电机的转速，根据控制单元模块60发出的信号控制直流伺服电机的转动方向。每个直流伺服电机带有一个增量型编码器，采集位置信息，实现机器人运动的闭环控制。机器人的运动控制采用开环和闭环两种方式，闭环包含速度环、位置环和电流环。履带驱动机构采用直流电机，专用的大电流电机驱动芯片，保证了机器人能够同时具备大负载和高速度。翻转臂的驱动和传动机构502由翻转电机、电机编码器、电机驱动器、齿轮和传动机构组成。从控制单元模块发出的信号驱动翻转电机旋转，再带动翻转臂主动轮旋转，从而使整个翻转臂绕主动轮轴旋转。翻转臂在机器人爬楼梯、翻转等动作中起支撑作用，是使机器人适应全地形作业的重要部件。

控制单元模块60包括机器人本体的主控制器、操作者控制单元OCU和控制软件系统组成。主控制器共用了三片CPU，一片CPU做主控，一片CPU专司运动控制，一片CPU专司通讯控制。主控CPU负责整体决策、任务分配、传感器信息采集及处理、外围扩展器件的控制和管理、电源管理等。运动控制芯片负责机器人平台的前后移动、翻转、旋转、爬楼梯等动作。通讯控制芯片负责各个CPU之间的通信。

参照图3，主控CPU从电源系统获得电源，并对电源系统进行电源管理。用户开关或者按钮给主控CPU发开关信号，以使控制单元响应用户的操作。主控CPU控制指示灯，给用户提示机器人目前的状态。主控CPU中集成了传感器的信息采集及处理、图像处理与模式识别、地图构建、决策和任务分配等程序模块，能够根据各种环境和任务目标控制机器人的动作。

运动控制CPU给左、右电机和翻转电机发控制信号，控制电机的旋转。各个电机的编码器将旋转角度脉冲信号反馈给运动控制CPU。主控CPU根据传感器构建出环境地图，发出运动控制命令给运动控制CPU，运动控制CPU给电机发控制信号，并从编码器获得反馈信号，经计算后将位置和速度等信息通过CAN总线传递给主控CPU，使之了解机器人当前所处的位置及状态，以便进行下一步的控制。

通讯CPU负责主控制器的各个CPU之间的通信协议及主控制器与外围功能模块控制节点和OCU的通信任务。CPU之间的通信包括控制器中主控制器中三个芯片之间的通信，主控制器与标准接口模块之间的通信，遥控终端与主控制器之间的无线通讯。主控制器的三个CPU、以及各个功能模块均为独立的通信节点，本实施例采用了CAN协议进行通信，所有节点地位平等，任一个故障不会影响系统中的系统节点，系统可靠性增强。实施例保留了以太网和RS232通信接口，因此也可以采用这两种协议进行通信。

操作者控制单元OCU由一台笔记本电脑、无线通信模块、遥控手柄和携带箱组成。主控制器端也有一个无线通信模块，本实施例中，OCU与通信CPU之间的无线通讯采用标准的TCP/IP协议。采用遥控模式时，操作者通过OCU中的遥控手柄或者键盘发送的控制命令，通过无线网络传送给主控制器，由主控制器来控制机器人的运动。机器人由视觉传感器看到的图像视频由主控制器通过无线网络传送给OCU，操作者可以看到机器人实时环境，从而能够精确操作机器人。

参照图2，传感器模块70包含摄像机、PSD等传感器。传感器模块具有独立的CPU，与机器人本体间通过标准接口模块80实现电气和机械上的连接。传感器采集的信息通过通信总线传送给机器人的控制单元模块60，机器人发出的控制信息从控制单元模块60通过通信总线传送给传感器模块的CPU。

标准接口模块80包含了电源和通信总线，通过标准接口模块80可以实现不同功能模块之间的电气和机械连接，连接后的功能模块统一供电，位于同一条通信总线上。使用标准接口模块80连接功能模块与传统方式不同的是不需要外部连线，同时实现了电气和机械两种连接，使模块更换便捷，移植方便。

Claims (5)

1.一种模块化便携式移动机器人系统，其特征在于：包括控制单元模块、驱动单元模块、移动平台模块、翻转臂模块、能源模块、传感器模块、标准接口模块；所述能源模块内嵌于所述移动平台模块内，所述翻转臂模块与所述移动平台模块连接，所述控制单元模块通过所述驱动单元模块与所述移动平台模块相连，所述传感器模块通过标准接口模块与所述控制单元模块相连；所述的标准接口模块包含了电源和通信总线；所述传感器模块与所述控制单元模块通过标准接口模块实现电气和机械连接，且在同一通信总线上，具有各自的CPU和控制系统，相互之间采用标准的通信协议相互通信。

2.根据权利要求1所述的模块化便携式移动机器人系统，其特征在于：所述控制单元模块包括主控制器、操作控制单元和控制软件系统；所述主控制器通过标准的总线系统和标准协议与所述驱动单元模块、所述传感器模块通信；所述主控制器包含主控CPU、运动控制CPU和通讯控制CPU；主控CPU用于整体决策、任务分配、传感器信息采集及处理、外围扩展器件的控制和管理、电源管理；运动控制CPU用于控制机器人的操作动作；通讯控制CPU用于主控制器各个CPU之间的通信协议及与主控制器与外围CPU节点和所述操作控制单元的通信。

3.根据权利要求1所述的模块化便携式移动机器人系统，其特征在于：所述移动平台模块为轮式机构或履带式机构。

4.根据权利要求1所述的模块化便携式移动机器人系统，其特征在于：所述驱动单元模块包括移动平台驱动模块和翻转臂驱动模块；所述移动平台驱动模块由直流伺服电机、电机编码器、电机驱动器、减速箱、传动机构组成，电机驱动器从所述控制单元模块接收指令驱动所述直流伺服电机，经由所述传动机构传动到所述移动平台模块，驱动机器人行走；所述翻转臂驱动模块包括翻转电机、电机编码器、电机驱动器、减速箱和传动机构，从所述控制单元模块发出的信号驱动所述翻转电机旋转，再带动所述翻转臂模块旋转。

5.根据权利要求4所述的模块化便携式移动机器人系统，其特征在于：所述翻转臂模块包含一根翻转臂轴，由翻转臂驱动模块的翻转电机驱动无角度限制连续旋转。

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