一種自重構(gòu)模塊化可移動(dòng)式機(jī)器人系統(tǒng)模塊單元的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域，特別是自重構(gòu)模塊化機(jī)器人系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]模塊化機(jī)器人系統(tǒng)是一種能根據(jù)任務(wù)的需要和環(huán)境的變化，自主重組成有用構(gòu)形的機(jī)器人系統(tǒng)。它一般是由許多個(gè)一種或有限的幾種通用模塊通過連接組成，各模塊間有統(tǒng)一的接口環(huán)境，可用于傳遞力、運(yùn)動(dòng)、能量和通信，通過模塊之間的連接斷開操作進(jìn)行重組改變整體構(gòu)形，擴(kuò)展運(yùn)動(dòng)形式，完成多種運(yùn)動(dòng)及操作任務(wù)。與傳統(tǒng)的特定構(gòu)形機(jī)器人相比，自重構(gòu)機(jī)器人具有環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)、可自行修復(fù)、自變形等優(yōu)點(diǎn)，可以應(yīng)用于多種不同的場(chǎng)合和完成不確定的任務(wù)。
[0003]自上世紀(jì)八十年代末以來，可重構(gòu)及自重構(gòu)機(jī)器人的研究得到了迅速的發(fā)展，成為近年來機(jī)器人技術(shù)研究普遍關(guān)注的熱點(diǎn)之一?？芍貥?gòu)機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展得益于該機(jī)器人在未來的應(yīng)用場(chǎng)景，包括未知及極限環(huán)境中偵察、災(zāi)難環(huán)境救援、軍事領(lǐng)域、空間探測(cè)等方面均有良好的潛在應(yīng)用價(jià)值。在國(guó)外，典型的與本實(shí)用新型相關(guān)的模塊化機(jī)器人有PolyBot (by Mark Yim , at University of Pennsylvania, Philadelphia, U.S.A.)，SuperBot (by ffe1-Min Shen , at the University of Southern California, U.S.A.)，iMobot (by Harry H.Cheng, at University of California, Davis, U.S.A.)。PolyBot的單個(gè)模塊是一種外形為約50mm的正方體，具有一個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度，最大旋轉(zhuǎn)角度為180°，每個(gè)模塊具有兩個(gè)連接面用于模塊之間的連接。通過多個(gè)模塊的組合，該模塊系統(tǒng)可以完成多種運(yùn)動(dòng)方式及構(gòu)型。但是，該模塊的最大缺點(diǎn)是單個(gè)模塊不可運(yùn)動(dòng)，且只有在較多個(gè)模塊的組合時(shí)，才能體現(xiàn)出模塊化機(jī)器人整體的優(yōu)點(diǎn)。SuperBot的單個(gè)模塊在外形上類似兩個(gè)PolyBot組合而成，但在兩個(gè)PolyBot之間增加了一個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度，所以每個(gè)SuperBot具有3個(gè)自由度，兩個(gè)可以旋轉(zhuǎn)180°，另一個(gè)自由度可以連續(xù)旋轉(zhuǎn)。SuperBot與PolyBot具有同樣的缺點(diǎn)，但是也有所改進(jìn)。同時(shí)，SuperBot的結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜。iMobot是外形為長(zhǎng)方體集成度比較高的單個(gè)模塊，每個(gè)模塊具有四個(gè)自由度，單個(gè)模塊的運(yùn)動(dòng)功能比較強(qiáng)，有蠕動(dòng)式及依靠?jī)蓚?cè)的方輪旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)的兩個(gè)主要運(yùn)動(dòng)方式。但由于iMobot的主體和側(cè)輪同樣大小，主體充當(dāng)支架的時(shí)候便要求地面平整才可以輪式移動(dòng)。做蠕動(dòng)運(yùn)動(dòng)時(shí)也有很多的局限性，如運(yùn)動(dòng)緩慢，對(duì)地面的要求比較高等。
[0004]雖然經(jīng)過幾十年的發(fā)展，模塊化重構(gòu)機(jī)器人在技術(shù)上已經(jīng)取得了很大的進(jìn)步，但在硬件設(shè)計(jì)方面依然存在著許多難題。最急需解決的一個(gè)問題就是通用模塊的設(shè)計(jì)，以提高模塊的適用范圍。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本實(shí)用新型目的是克服現(xiàn)有技術(shù)中模塊機(jī)器人單個(gè)模塊設(shè)計(jì)上存在的上述問題，提供一種自重構(gòu)模塊化可移動(dòng)式機(jī)器人系統(tǒng)模塊單元。
[0006]該自重構(gòu)模塊化可移動(dòng)式機(jī)器人系統(tǒng)模塊單元包括，外被動(dòng)架(1)、自轉(zhuǎn)內(nèi)立方體(2 )、轉(zhuǎn)向面板(3 )及磁鐵機(jī)械復(fù)合主動(dòng)連接機(jī)構(gòu)(4)。外被動(dòng)架(1)為U型結(jié)構(gòu)，自轉(zhuǎn)內(nèi)立方體(2)外形為長(zhǎng)方體，外被動(dòng)架與自轉(zhuǎn)內(nèi)立方體為相鄰構(gòu)件且具有相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)系，外被動(dòng)架為自轉(zhuǎn)內(nèi)立方體的旋轉(zhuǎn)提供所需空間，該自由度為連續(xù)旋轉(zhuǎn)自由度。轉(zhuǎn)向面板(3)為帶倒圓角的正方形，轉(zhuǎn)向面板位于自轉(zhuǎn)內(nèi)立方體的一個(gè)平面，轉(zhuǎn)向面板與自轉(zhuǎn)內(nèi)立方體為相鄰構(gòu)件且具有相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)系，該自由度為連續(xù)旋轉(zhuǎn)自由度，旋轉(zhuǎn)軸貫穿轉(zhuǎn)向面板中心以及自轉(zhuǎn)內(nèi)立方體的中心，并與自轉(zhuǎn)內(nèi)立方體的自轉(zhuǎn)軸垂直，該三部分構(gòu)成了本模塊的運(yùn)動(dòng)載體。
[0007]模塊單元具有兩個(gè)相互垂直的連續(xù)旋轉(zhuǎn)的自由度，分別驅(qū)動(dòng)自轉(zhuǎn)內(nèi)立方體相對(duì)于外被動(dòng)架旋轉(zhuǎn)及驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向面板相對(duì)于自轉(zhuǎn)內(nèi)立方體旋轉(zhuǎn)，兩個(gè)自由度獨(dú)立驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)直行、轉(zhuǎn)向等多種功能。
[0008]單個(gè)模塊的外被動(dòng)架攜帶攝像頭，作為可移動(dòng)全方位攝像頭。
[0009]單個(gè)模塊的移動(dòng)功能可以服務(wù)于多模塊之間的自重構(gòu)，重構(gòu)后，模塊的自由度可以用于多模塊組合中的旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，重構(gòu)成鏈?zhǔn)郊熬W(wǎng)式構(gòu)型。
[0010]單一轉(zhuǎn)向面板的旋轉(zhuǎn)可以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)，具有兩種轉(zhuǎn)向?qū)崿F(xiàn)方式選擇，分別為由轉(zhuǎn)向面板邊角驅(qū)動(dòng)或轉(zhuǎn)向面板平面驅(qū)動(dòng)，兩個(gè)自由度的配合運(yùn)動(dòng)可以實(shí)現(xiàn)兩自由度全方位云臺(tái)功能，當(dāng)外被動(dòng)架攜帶攝像頭，模塊的自由度可以同時(shí)服務(wù)于攝像頭自身環(huán)境中的位置控制及攝像頭攝像方位的控制，該模塊的自由度可以直接用于多模塊組合后構(gòu)成旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，可以重構(gòu)成鏈?zhǔn)郊熬W(wǎng)式構(gòu)型。在于該模塊兩個(gè)自由度分別負(fù)責(zé)直線行走于轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)，并且該自由度可以用于多模塊構(gòu)型，提供相互垂直的連續(xù)旋轉(zhuǎn)的自由度。
[0011 ] 兩電機(jī)均固定于自轉(zhuǎn)內(nèi)立方體內(nèi)部，兩電機(jī)的輸出軸相交且垂直，一個(gè)電機(jī)的輸出軸與外被動(dòng)架相連，驅(qū)動(dòng)自轉(zhuǎn)內(nèi)立方體相對(duì)于外被動(dòng)架實(shí)現(xiàn)連續(xù)旋轉(zhuǎn)。另一個(gè)電機(jī)的輸出軸與轉(zhuǎn)向面板相連，驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向面板相對(duì)于自轉(zhuǎn)內(nèi)立方體實(shí)現(xiàn)連續(xù)旋轉(zhuǎn)，若此電機(jī)沒有旋轉(zhuǎn)輸出，轉(zhuǎn)向面板便作為自轉(zhuǎn)內(nèi)立方體的一個(gè)面，隨著自轉(zhuǎn)內(nèi)立方體的運(yùn)動(dòng)而運(yùn)動(dòng)。每個(gè)模塊具有兩個(gè)連續(xù)旋轉(zhuǎn)的自由度，對(duì)于單個(gè)模塊可以實(shí)現(xiàn)五種運(yùn)動(dòng)方式，多個(gè)模塊的組合可以實(shí)現(xiàn)更多種的運(yùn)動(dòng)功能。
[0012]本實(shí)用新型的控制系統(tǒng)包括四部分，主控單元及三套傳感單元，在外被動(dòng)架、自轉(zhuǎn)內(nèi)立方體、轉(zhuǎn)向面板上各有一套傳感單元，外被動(dòng)架攜帶視頻采集及紅外測(cè)距傳感系統(tǒng)，自轉(zhuǎn)內(nèi)立方體攜帶碼盤、陀螺儀、加速計(jì)及在連接面上的紅外測(cè)距傳感系統(tǒng)，在轉(zhuǎn)向面板上具有碼盤，紅外測(cè)距傳感系統(tǒng)，主控芯片、主電池及電機(jī)均在自轉(zhuǎn)內(nèi)立方體內(nèi)部，主控芯片對(duì)傳感器傳來的信息進(jìn)行處理并作出決策，向電機(jī)發(fā)出控制命令，執(zhí)行運(yùn)動(dòng)。
[0013]本實(shí)用新型設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)如下功能
[0014]依據(jù)不同的機(jī)器人位姿及電機(jī)控制，單個(gè)模塊可以實(shí)現(xiàn)五種不同的運(yùn)動(dòng)方式:
[0015]1、當(dāng)模塊的自轉(zhuǎn)內(nèi)立方體的四個(gè)面之中的任何一個(gè)面與地面接觸時(shí)，通過控制與外被動(dòng)架的電機(jī)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，另一個(gè)電機(jī)處于伺服狀態(tài)，機(jī)器人可以實(shí)現(xiàn)前進(jìn)直線運(yùn)動(dòng)。
[0016]2、當(dāng)模塊的自轉(zhuǎn)內(nèi)立方體的四個(gè)面之中的任何一個(gè)面與地面接觸時(shí)，通過控制與外被動(dòng)架的電機(jī)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，另一個(gè)電機(jī)處于伺服狀態(tài)，機(jī)器人可以實(shí)現(xiàn)后退直線運(yùn)動(dòng)。
[0017]3、當(dāng)模塊的轉(zhuǎn)向面板的一條邊與地面接觸時(shí)，通過控制與轉(zhuǎn)向面板的電機(jī)執(zhí)行順時(shí)針或逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，另一個(gè)電機(jī)處于伺服狀態(tài)，機(jī)器人可以實(shí)現(xiàn)順時(shí)針或逆時(shí)針轉(zhuǎn)向，該旋轉(zhuǎn)以外被動(dòng)架與地面接觸的中心為旋轉(zhuǎn)中心。
[0018]4、當(dāng)模塊的轉(zhuǎn)向面板的方形面整體與地面接觸時(shí)，通過控制與轉(zhuǎn)向面板的電機(jī)執(zhí)行順時(shí)針或逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，另一個(gè)電機(jī)處于伺服狀態(tài)，機(jī)器人可以實(shí)現(xiàn)順時(shí)針或逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，該旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)軸即為驅(qū)動(dòng)外被動(dòng)架的電機(jī)的輸出軸。
[0019]5、當(dāng)模塊的轉(zhuǎn)向面板的方形面整體與地面接觸時(shí)，通過同時(shí)控制驅(qū)動(dòng)自轉(zhuǎn)內(nèi)立方體的電機(jī)及驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向面板的電機(jī)執(zhí)行指定命令，可以將外被動(dòng)架的底面指向任何方位，實(shí)現(xiàn)一個(gè)全方位的云臺(tái)。
[0020]6、在多模塊的復(fù)雜構(gòu)型中，單元模塊可以作為任何一個(gè)單方向的旋轉(zhuǎn)自由度關(guān)節(jié)，也可以作為具有垂直旋轉(zhuǎn)軸的兩自由度旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)。
[0021]本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)和積極效果:
[0022]本實(shí)用新型最重要的就是模塊單元通過僅僅的兩個(gè)自由度，實(shí)現(xiàn)單個(gè)模塊的多種運(yùn)動(dòng)方式，同時(shí)該自由度可以用于多個(gè)模塊之間的運(yùn)動(dòng)傳遞，大大提高了自由度的價(jià)值。
[0023]由于兩個(gè)電機(jī)、電池及主驅(qū)動(dòng)器都位于自轉(zhuǎn)內(nèi)立方體內(nèi)部，使得模塊單元的中心在自轉(zhuǎn)內(nèi)立方體中心附近，結(jié)合自轉(zhuǎn)內(nèi)立方體連續(xù)旋轉(zhuǎn)的運(yùn)動(dòng)使得單個(gè)模塊具有較快的運(yùn)動(dòng)速度。同時(shí)由于自轉(zhuǎn)內(nèi)立方體的類似立方結(jié)構(gòu)，運(yùn)動(dòng)過程中具有一定的足式運(yùn)動(dòng)特征，使得模塊對(duì)于地面環(huán)境的適應(yīng)能力較強(qiáng)，對(duì)地面的要求比較低，可以在草地、沙地