CN217317979U

CN217317979U - 一种高精度定位协作牵引式模块化群机器人

Info

Publication number: CN217317979U
Application number: CN202123243437.2U
Authority: CN
Inventors: 穆智超; 周迁明; 吴雪峰; 杨煜榕; 王博
Original assignee: Harbin University of Science and Technology
Current assignee: Harbin University of Science and Technology
Priority date: 2021-12-22
Filing date: 2021-12-22
Publication date: 2022-08-30
Anticipated expiration: 2031-12-22

Abstract

本实用新型公开了一种高精度定位协作牵引式模块化群机器人，其特征在于该机器人总分为五大功能集成部各功能集成部分别由各种模块组合而成，包括运动中枢集成部(核心控制及机器人移动)、视觉功能集成部、机械爪牵引集成部、光能转化集成部、定位功能集成部及承载所有功能集成部的车身框架，所有功能集成部之间均采用串口及杜邦线连接；上述机器人的整体架构简单，各集成部的模块集成度高，各且安装方便，任一模块损坏可轻松维修换置，易于批量化生产，集成上述功能集成部的单个机器人可进行独立拖拽重物，也可多机器人协作进行重物拖拽，乃至机器人之间也可进行互相协作拖拽，此方案解决了单个机器人工作效率低下、结构复杂、工作任务单一及维护成本高等问题。

Description

一种高精度定位协作牵引式模块化群机器人

技术领域

本实用新型涉及群体协作机器人技术领域，具体设计一种高精度定位协作牵引式模块化群协作机器人。

背景技术

随着工程技术的不断发展，机器人技术日新月异，机器人开始广泛应用于工业、医疗、军事等领域。对于复杂应用场景。多机器人协作逐渐成为提高任务执行效率的有效途径。

传统的群体机器人大多设计高度集中，且机器人的拆装不便；在机器人群体中不同结构的机器人架构大不相同，一旦出现损坏整个机器人得全部回收，使得进行群体性研究所需的成本较高且灵活性较差；且机器人中个体所具有且环境感知能力较差，少数个体进行协作任务时环境信息数据获取较慢，且信息共享能力及定位精度较差，上述问题大大影响了机器人任务效率，且不利于机器人群体的后期维护。

发明内容

本实用新型为解决上述一部分问题，提供一种高精度定位协作牵引式模块化群机器人，将机器人按模块划分，所有功能集成部可随意轻松拆卸。当机器人部分模块发生故障时可较快确定及更换受损模块，还可将UWB模块替换为与其接口类型相同的远距离通信模块以提高整个机器人系统的灵活性。维护简单方便，适应不同工作需求。

为解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案是：一种高精度定位协作牵引式模块化群机器人，其特征在于，该机器人总分为五大功能集成部，各功能集成部分别由各种模块组合而成，包括运动中枢集成部、视觉功能集成部、机械爪牵引集成部、光能转化集成部、定位功能集成部及承载所有功能集成部的车身框架，所有功能集成部之间均采用串口及杜邦线连接。

进所述的运动中枢集成部分两大模块：核心控制模块及动力驱动模块，两者分别为群机器人提供任务调度指令及控制群机器人移动。

优选的，核心控制模块采用单片机最小核心板引出引脚插入功能拓展转接板并用螺钉固定在光能转化集成部防护壳的上部即太阳能充电模块所在的保护壳上部。

优选的，动力驱动模块包括电机驱动板组件、动力执行机构及电池组模块，电机驱动板组件由电机驱动板及散热片构成并用螺钉垂直固定于车身框架前部。

优选的，动力执行机构的编码器减速电机放置于车身框架的电机固定仓内且外部连接有橡胶小轮。

优选的，电池模组由锂电池组及其外部散热片组成，其用螺钉固定在车身框架上，且位于车身架构中心，即在光能转化集成部之下。

所述的光能转化集成部单独给UWB模块进行锂电池充电，其由太阳能电池板、太阳能充电模块及太阳能充电锂电池均置于光能转化集成部保护壳内部。

优选的，太阳能电池板置于光能转化集成部保护壳中间部分且位于锂电池组上部，太阳能充电模块置于光能转化集成部保护壳前部即最小核心板的功能拓展转接板下部的壳舱内。

优选的，太阳能充电锂电池置于光能转化集成部保护壳后部仓内即与后部电机固定仓接合部分。

所述的视觉功能集成部为机器人提供标定点捕捉及动态机器人识别，包括板载摄像头模块及可调铰链。

优选的，板载摄像头模块通过螺钉固定在铰链前半叶上，后半叶铰链通过螺钉固定在电机驱动板上侧的车身框架上栏杆部分。

优所述的定位功能集成部包括红外模块及UWB模块，红外用于近距离高精度定位通信，UWB模块用于大范围定位。

优选的，红外模块经螺钉固定在车身框架头、尾底部，前后均匀各六个，四角最外部红外模块呈一定角度固定；UWB模块在保护壳内固定且该模块引出信号放大天线，保护壳经螺纹螺母固定在机器人小车框架底部。

所述的机械爪牵引集成部可实现群机器人协作拖拽牵引重物及群机器人之间的相互拖拽牵引。

机械爪牵引集成部包括两个机械夹爪及驱动机械夹爪的驱动舵机，两机械夹爪垂直于水平地面且用螺钉固定在车身框架前部电机驱动板模块两侧。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果如下：采用上述方案后，本实用新型的机器人整体架构简单，各模块的集成度高且便于拆卸安装，任何部分零部件发生损坏可以快速的替换，易于后期的维护维修；所述的动力驱动模块的电动机驱动板上部覆盖有散热片易于电机驱动的过程中电动机驱动板散热。

所述的机械爪牵引集成部在进行机器人间的协作牵引时，其中一个机器人行驶至某个机器人尾部，此机器人的车头部位的两机械爪张开调整好姿态后合上机械爪，此小车的合上的机械爪卡住前车的车身框架尾部，此时两车形成协作牵引关系，可进行互相拖拽牵引也可进行对重物的拖拽。

所述的板载摄像头模块，在进行两车牵引或者多车牵引工作时，此模块可以捕捉识别标定在前车上的标记点，通过预写入控制器的程序校准调整机械爪与前车的接合动作，使之两车协作接合效率更高。

所述的定位功能集成部，UWB模块进行远距离高精度定位，而车底的红外收发传感器用来近距离定位，以此弥补UWB定位的误差，为群机器人的协作任务提供高精度定位。

所述的光能转化集成部，其太阳能电池板、太阳能充电模块及太阳能充电锂电池均被光能转化集成部外壳保护着，拆卸方便，且转化的电能专门为UWB模块供电大大减少了整机的电能消耗且减少了主控制板的引脚占用。

所述的UWB模块外部被其保护壳保护着，防止在两车乃至多车协作牵引时由于定位角度未调整好进行误碰撞，造成机器小车UWB模块损坏或者是后车的机械夹爪损坏，且有利于调整协作角度，大大的降低了协作难度及提高了协作精度。

所述的电池模组上也带有散热片，为前后车轮的驱动电机及电池组本身提供良好的散热，降低电机在密闭空间内由于散热不良导致的故障率。

附图说明

图1为实用新型整体架构图；

图2为UWB模块图；

图3为机械爪牵引集成部整体结构图；

图4为视觉功能集成部结构图；

图5为是光能转化集成部结构图；

附图标记如下：10.橡胶小轮；20.UWB模块；30.光能转化集成部保护壳；40.锂电池组；50.核心控制板；60.视觉功能集成部；70.机械爪牵引集成部；80.机械夹爪；90.电机驱动板；100.驱动模块散热片；110.舵机；120.光能转化集成部保护壳前部；130.扩展板；140.红外模块；150.电池组散热片；160.车身框架；170.车身电机仓；180.光能转化集成部保护壳后部；190.车身框架上栏杆；200.光能转化集成部；210.电池组模块。

具体实施方式

现在结合附图和具体实施方式对本实用新型进行详细说明，需要特别说明的是，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。

如附图1所示，本实用新型提供一种高精度定位协作牵引式模块化群机器人，其特征在于，该机器人总分为五大功能集成部，各功能集成部分别由各种模块组合而成，包括运动中枢集成部50、90、视觉功能集成部60、机械爪牵引集成部70、光能转化集成部200、定位功能集成部140、20及承载所有功能集成部的亚克力板车身框架160，所有功能集成部之间均采用串口及杜邦线连接。

结合附图1、2、3、4、5所示，一种高精度定位协作牵引式模块化群机器人，整合了上述集成部的群机器人具有高精度定位、标记捕捉、光能转化、协作牵引重物及群机器人彼此间相互协作牵引的能力。

结合附图1所示，运动中枢集成部分两大模块：核心控制模块50及动力驱动模块90、 100，两者分别为群机器人提供任务调度指令及控制群机器人移动；核心控制模块50采用单片机最小核心板引出引脚插入功能拓展转接板130并用螺钉固定在光能转化集成部200防护壳的上部。

动力驱动模块包括电机驱动板90组件、动力执行机构及电池组模块210，电机驱动板组件由电机驱动板90及散热片100构成并用螺钉垂直固定于车身框架160前部。

动力执行机构的编码器减速电机放置于车身框架的电机固定仓170内且外部连接有橡胶小轮10；电池组模块210由锂电池组40及其外部散热片150组成，其用螺钉固定在车身框架上，且位于车身架构中心，即在光能转化集成部200之下。

电机驱动板90经过接收来自单片机核心板的PWM调制信号，驱动控制电机，使机器人前进行驶，带编码器的减速电机将电机转速反馈给单片机进行反馈校准，由此可使机器人的任务精度更高。

结合附图1、5所示，所述的光能转化集成部200单独给UWB模块23进行锂电池充电，所述的太阳能电池板、太阳能充电模块及太阳能充电锂电池均置于光能转化集成部保护壳30内部，光能转化集成部为UWB模块提供单独的电力来源，有效的降低了整机的电能消耗问题，且整体拆装简便易于小车内部电机的安装与检修。

太阳能电池板置于光能转化集成部保护壳中间部分且位于锂电池组上部，太阳能充电模块置于光能转化集成部保护壳前部120即最小核心板的功能拓展转接板130下部的壳舱内；太阳能充电锂电池置于光能转化集成部保护壳后部180仓内即与后部电机固定仓170接合部分。

结合附图1、4所示所述的视觉功能集成部60为机器人提供标定点捕捉及动态机器人识别，可识别协作机器人前车UWB模块保护壳上的标记点，有利于在两车协作时帮助后车调整协作姿态，使两车快速进行协作结合，包括板载摄像头模块60-1及可调铰链60-2；板载摄像头模块60-1通过螺钉固定在铰链前半叶上，后半叶铰链通过螺钉固定在电机驱动板上侧的车身框架上栏杆190部分。

结合附图1、2所示，所述的定位功能集成部包括红外模块140及UWB模块23，红外用于近距离高精度定位通信，UWB模块用于大范围定位。

红外模块140经螺钉固定在车身框架头、尾底部，前后均匀各六个，四角最外部红外模块呈一定角度固定，由红外模块接收一定距离内来自不同周边不机器小车的红外信号经单片机系统解调红外信号，根据信号强度结合算法算出附近小车的方位及距离进行近距离高精度定位。

UWB模块23在保护壳内固定且该模块引出信号放大天线22，保护壳经螺纹螺母21固定在机器人小车框架底部，UWB模块提供室内环境大范围定位，结合红外模块进行高精度定位，且UWB模块保护壳起到辅助两机器人协作结合作用。

结合附图1、3所示，所述的机械爪牵引集成部70可实现群机器人协作拖拽牵引重物及群机器人之间的相互拖拽牵引，两车协作接合时，后车机械爪张开，调整好姿态后，卡在UWB模块保护壳两侧的车身框架底部，进行两车协作任务。

机械爪牵引集成部包括两个机械夹爪80及驱动机械夹爪的驱动舵机110，两机械夹爪垂直于水平地面且用螺钉固定在车身框架前部的电机驱动板90两侧。

本实用新型基于UWB超宽带定位技术与红外定位技术来对机器人进行高精度定位，为机器人动作提供可靠的保障；采用了视觉捕捉标记点技术，辅助两机器人进行协作接合动作，提升协作精度与协作效率；采用光能转化模块，减少了整机的电能消耗；且机器人整体模块化程度高，利于后续开发维护工作，集成了上述功能的机器人在协作任务时定位精度好，任务执行效率高在多机器人协作领域由较高的可行性及可实施性。

以上所述，仅是本实用新型的较佳实施例而已，并非对本实用新型的技术范围作任何限制，故但凡依本实用新型的权利要求和说明书所做的变化或修饰，皆应属于本实用新型专利涵盖的范围之内。

Claims

1.一种高精度定位协作牵引式模块化群机器人，其特征在于，该机器人总分为五大功能集成部，各功能集成部分别由各种模块组合而成，包括运动中枢集成部(50、90)、视觉功能集成部(60)、机械爪牵引集成部(70)、光能转化集成部(200)、定位功能集成部(140、20)及承载所有功能集成部的亚克力板车身框架(160)，所有功能集成部之间均采用串口及杜邦线连接。

2.根据权利要求1所述的一种高精度定位协作牵引式模块化群机器人，其特征在于，运动中枢集成部分两大模块：核心控制模块(50)及动力驱动模块(90、100)，两者分别为群机器人提供任务调度指令及控制群机器人移动；核心控制模块(50)采用单片机最小核心板引出引脚插入功能拓展转接板(130)并用螺钉固定在光能转化集成部(200)防护壳的上部；动力驱动模块包括电机驱动板组件、动力执行机构及电池组模块(210)，电机驱动板组件由电机驱动板(90)及散热片(100)构成并用螺钉垂直固定于车身框架(160)前部；动力执行机构的编码器减速电机放置于车身框架的电机固定仓(170)内且外部连接有橡胶小轮(10)；电池组模块(210)由锂电池组(40)及其外部散热片(150)组成，其用螺钉固定在车身框架上，且位于车身架构中心，即在光能转化集成部(200)之下。

3.根据权利要求2所述的一种高精度定位协作牵引式模块化群机器人，其特征在于，所述的光能转化集成部(200)单独给UWB模块(23)进行锂电池充电，太阳能电池板、太阳能充电模块及太阳能充电锂电池均置于光能转化集成部保护壳(30)内部；太阳能电池板置于光能转化集成部保护壳部分且位于锂电池组上部，太阳能充电模块置于光能转化集成部保护壳前部(120)即最小核心板的功能拓展转接板(130)下部的壳舱内；太阳能充电锂电池置于光能转化集成部保护壳后部(180)仓内即与后部电机固定仓(170)接合部分。

4.根据权利要求1所述的一种高精度定位协作牵引式模块化群机器人，其特征在于，所述的视觉功能集成部(60)为机器人提供标定点捕捉及动态机器人识别，包括板载摄像头模块(60-1)及可调铰链(60-2)；板载摄像头模块(60-1)通过螺钉固定在铰链前半叶上，后半叶铰链通过螺钉固定在电机驱动板上侧的车身框架上栏杆(190)部分。

5.根据权利要求1所述的一种高精度定位协作牵引式模块化群机器人，其特征在于，所述的定位功能集成部包括红外模块(140)及UWB模块(23)，红外用于近距离高精度定位通信，UWB模块用于大范围定位；红外模块(140)经螺钉固定在车身框架头、尾底部，前后均匀各六个，四角最外部红外模块呈一定角度固定；UWB模块(23)在保护壳(20)内固定且该模块引出信号放大天线(22)，保护壳经螺纹螺母(21)固定在机器人小车框架底部。

6.根据权利要求1所述的一种高精度定位协作牵引式模块化群机器人，其特征在于，所述的机械爪牵引集成部(70)可实现群机器人协作拖拽牵引重物及群机器人之间的相互拖拽牵引；机械爪牵引集成部包括两个机械夹爪(80)及驱动机械夹爪的驱动舵机(110)，两机械夹爪垂直于水平地面且用螺钉固定在车身框架前部的电机驱动板(90)两侧。