專利名稱：可分解重構的多機器人移動系統的多種單元結構的制作方法
技術領域：
本發明屬于機器人技術領域，特別涉及一種可分解重構的多機器人移動系統。
傳統移動機器人主要包括輪式、履帶式、足式、混合式等運動形式。其中，輪式機器人結構簡單，但其運動受環境因素所限，運動能力較弱，而足式機器人盡管運動能力較強，但結構和控制復雜。隨著人類生產生活空間的不斷擴展，移動機器人的應用領域也更加廣泛，為適應環境和任務的不斷變化，需要移動機器人具備各種綜合運動能力。傳統的移動機器人為此在單機結構和控制上進行了不斷的改進，在運動功能上得到了不斷加強，但移動機器人的單機結構及其運動形式相對固定，其所適合的運動環境較為具體和有限。同時，移動機器人在結構和控制上變得越來越復雜，導致運行過程中的故障發生率不斷增高，魯棒性下降，并且機器人的研制費用和使用成本也大大增加。
目前，國內外關于多機器人協調運動和模塊化機器人單元組合結構的研究大多集中在工業機器人領域，而針對移動機器人的有關研究成果非常有限，集中表現在各種組合機器人單元的結構相對復雜，且組合后的運動結構在功能上并未從根本上改變原有的運動形式，在運動結構及其功能上都沒有顯著的擴展和提高，不能很好地滿足移動機器人經常變化的壞境和任務需要。
本發明的目的在于為克服已有技術的不足之處，開發一種可分解重構的多機器人移動系統，利用可重構的、具有簡單移動功能的模塊化機器人單元，動態組合成具有各種結構和運動形式的適應性移動系統，以滿足各種環境和任務的需要，同時簡化機器人的結構和控制，降低研制和使用成本，提高系統運行的魯棒性。
本發明打破了已有的各種移動機器人在單機結構和功能上的限制，利用多個具有簡單運動功能的移動機器人單元，根據環境和任務需要，快速便捷地組合成各種具有不同結構和運動形式的多機器人移動系統。這種可分解重構的單元采用適于組合的模塊化結構設計，通過單電機驅動關節和輪式兩種不同的運動形式，從而最大限度地發揮了系統組合單元在結構和運動功能上的擴展能力，并可盡量避免在結構和功能上的冗余。
同單機運行的移動機器人相比，本發明在移動機器人的結構和運動功能上都具有更大的擴展空間，并可方便替換失效單元，重新組合成新的運動結構，對各種不同的運動環境具有更強的適應能力。同時，由于各種類型的系統組合單元均采用統一的模塊化標準結構，可使組合移動系統的使用和制造成本大大降低。以這種形式組成的多機器人移動系統是移動機器人技術領域的一個新研究方向，具有較為廣泛的發展空間和應用前景。
本發明提出的一種可分解重構的多機器人移動系統的主動擺動單元結構，其特征在于，包括長方體的基本框架和輔助框架，所說的基本框架內安裝有電機，套于電機輸出軸的齒輪傳動器，該齒輪傳動器的一端連接帶有主動輪的主動輪軸，另一端與設置在基本框架一側面的關節擺動軸相連，固定在關節擺動軸兩端的半軸面上的壓板，以及固定在框架下部的滾動支撐輪；所說的輔助框架的一側面套接在所說的關節擺動軸的兩端，所說的基本框架和輔助框架的其它三個側表面均可為固定有單元連接器的裝配面。
本發明提出的另一種可分解重構的多機器人移動系統的主動旋轉單元結構，其特征在于，包括長方體的基本框架和輔助框架，所說的基本框架內安裝有電機，套于電機輸出軸的齒輪傳動器，該齒輪傳動器的一端連接帶有主動輪的主動輪軸，所說的基本框架和輔助框架的一側面通過連接板固定連接，所說的基本框架的其它三個側表面可為固定有單元連接器的裝配面，其中與輔助框架相對的另一側裝配面的內側安裝一滾動支撐輪，所說的輔助框架與基本框架相對的另一側表面為固定有單元連接器的裝配面，其它兩側面分別安裝有轉彎支撐輪，所說的輔助框架的裝配面內側還安裝一滾動支撐輪。
本發明提出的一種可分解重構的多機器人移動系統的輔助連接單元結構，其特征在于由6個基板固定連接而成，其外側表面均可為固定有單元連接器的裝配面。其中，兩個相對的側面基板內分別安裝有一對滾動支撐輪。
所說的單元連接器可由連成一體的兩個側板和一底板構成，該連接器底板中間有一長形滑槽，該連接器兩側端板上各有一個通孔和一個螺紋孔。
本發明由兩種可獨立移動的簡單機器人主動單元、一種輔助連接單元和單元連接器組成。其中，主動單元在結構包括基本框架和輔助框架兩部分，在基本框架上安裝一個驅動電機，根據其具體的結構和運動特性可分為擺動單元和旋轉單元兩種類型。
擺動單元的輔助框架套接在基本框架的關節驅動軸兩端，通過壓板將輔助框架固定在關節驅動軸兩端的半軸面上，隨關節驅動軸擺動；若松開壓板，將二者脫開，同時在側面用螺釘連接輔助框架和基本框架，此時的擺動單元可由基本框架上的運動輪獨立驅動前進。
旋轉單元的輔助框架套接在電機輸出軸端，通過螺釘將輔助框架固定在電機輸出軸端的齒輪側面，隨電機輸出軸旋轉；若松開固定螺釘，將二者脫開，同時將輔助框架和基本框架都固定在連接板上，此時的旋轉單元可由基本框架上的運動輪獨立驅動前進。
輔助單元用于實現主動單元間的各種所需組合結構參數，各組合單元間通過多對單元連接器相互連接。每對連接器包括兩個相對正接的單連接器，在兩個端面通過螺釘相互連接，并分別用螺釘固定在組合單元的裝配表面上，連接器底板上有滑槽，沿滑槽可調整螺釘在連接器上的固定位置。
本發明具有以下效果1.本發明打破了已有的各種移動機器人在單機結構和功能上的限制，利用多個具有簡單運動功能的移動機器人單元，根據環境和任務需要，快速便捷地組合成各種具有不同結構和運動形式的多機器人移動系統。這種可分解重構的單元采用適于組合的模塊化結構設計，通過單電機驅動關節和輪式兩種不同的運動形式，從而最大限度地發揮了系統組合單元在結構和運動功能上的擴展能力，并可盡量避免在結構和功能上的冗余。
2.本發明的各主動單元具備獨立運動和組合運動兩種能力，可根據需要由多個主動單元和必要的輔助單元通過單元連接器組合成多種具有復雜結構和運動形式的機器人移動系統，或重新分解成多個分布運動的簡單移動機器人，不但便于替換失效單元，維持系統的正常運行，而且還可以進一步擴展系統的組成結構及其運動功能，從而增強了移動機器人系統的環境適應能力和運動能力。
3.本發明均采用統一的模塊化標準結構組成各種類型的系統，可批量制造生產，并靈活組合成多種適于各種環境和任務要求的移動系統，從而降低了移動機器人系統的制造和使用成本。
4.本發明各主動機器人單元結構簡單，具有獨立的運動和控制功能，從而降低了移動機器人系統在結構和控制上的復雜程度。
5.同單機運行的移動機器人相比，本發明在移動機器人的結構和運動功能上都具有更大的擴展空間，并可方便替換失效單元，重新組合成新的運動結構，對各種不同的運動環境具有更強的適應能力。同時，由于各種類型的系統組合單元均采用統一的模塊化標準結構，可使組合移動系統的使用和制造成本大大降低。以這種形式組成的多機器人移動系統是移動機器人技術領域的一個新研究方向，具有較為廣泛的發展空間和應用前景。
附圖簡要說明圖1是本發明的擺動機器人單元結構實施例示意圖，其中(a)為正視圖，(b)為俯視圖。
圖2是本發明的旋轉機器人單元結構實施例示意圖，其中(a)為正視圖，(b)為俯視圖，(c)為側視圖。
圖3是本發明輔助連接單元結構實施例示意圖，其中(a)為正視圖，(b)為俯視圖。
圖4是本發明的單元連接器結構實施例示意圖，其中(a)、(b)為二種尺寸的結構。
圖5是本發明雙主動單元組合移動系統的四種不同結構實施例示意圖。
圖6是本發明的混合輪臂式單元組合移動系統的結構實施例示意圖。
圖7是本發明的鏈式單元組合移動系統的結構實施例示意圖。
圖8是本發明的關節腿式單元組合移動系統的結構實施例示意圖。
圖9是本發明混合輪臂式單元組合移動系統實施例示意圖，(a)為正視圖，(b)為俯視圖。
圖10是本發明鏈式單元組合移動系統結構實施例示意圖。
圖11是關節腿式單元組合移動系統結構實施例示意圖。
圖12是本發明混合輪臂式單元組合移動系統上臺階的運動過程示意圖。
圖13是本發明鏈式單元組合移動系統在各種地形下的運動過程示意圖。
本發明的幾種實施例結合
如下圖1所示為本發明的擺動機器人單元結構實施例。其中，1是輔助框架，8是基本框架，2是關節擺動軸，3是框架連接螺釘，4是壓板，5是滾動支撐輪，6是電位計，7是主動輪軸，9是主動輪，10是傳動軸，11是二級齒輪傳動器，12是電機，13是壓板固定螺釘，14是一級齒輪傳動器。在此結構中，輔助框架1和基本框架8作為兩個基本裝配體，其各自的3個外側表面均可進行通過單元連接器與其它單元進行組合裝配。輔助框架1的一側套接在位于基本框架8上的關節擺動軸2的兩端。當此單元作為擺動關節運動時，用壓板固定螺釘13將壓板4固定在關節擺動軸2兩端的半軸面上，從而使輔助框架1與關節擺動軸2連接在一起，同時松開輔助框架1與基本框架間8的框架連接螺釘3，使輔助框架1與基本框架8脫離，此時電機12通過一級齒輪傳動器14驅動關節擺動軸2，帶動輔助框架1相對基本框架8轉動，其設計轉角范圍可達360°。當單元需要作為輪式機器人獨立運動時，可將壓板4松開，使輔助框架1脫開關節擺動軸2，再將輔助框架1和基本框架8用框架連接螺釘3連接起來，此時電機通過二級齒輪傳動器11驅動主動輪軸7，帶動主動輪9推動擺動單元沿單方向移動。電位計6位于傳動軸10的軸端，用于檢測電機輸出軸的轉角和轉速。
圖2所示為本發明的旋轉機器人單元結構實施例。其中，17是基本框架，22是輔助框架，15是一級齒輪傳動器，16是檢測軸，18是電位計，19是電機，20是主動輪軸，21是主動輪，23是轉彎支撐輪，24是二級齒輪傳動器，25是連接板，26是電機輸出軸端齒輪，27是輸出軸端齒輪26與輔助框架22間的固定連接螺釘，28是基本框架17和輔助框架22與連接板25間的固定連接螺釘，29是滾動支撐輪。在此結構中，基本框架17的外側表面可提供3個組合裝配表面。輔助框架22的一端套接在電機輸出軸端齒輪26上，另一端的外側表面可進行組合裝配。當此單元作為旋轉關節運動時，用固定螺釘27將輔助框架22固定在齒輪26的側面上，松開輔助框架22和基本框架17與連接板25間的連接螺釘28，使輔助框架22與基本框架17脫離，電機19直接帶動輔助框架22相對于基本框架17作360°旋轉運動。當單元需要作為輪式機器人獨立運動時，將齒輪26側面的固定螺釘27松開，再將基本框架17與輔助框架22都用螺釘27固定在連接板25上。電機19通過二級齒輪減速器24驅動主動輪軸20，帶動主動輪21推動旋轉單元沿單方向移動。電機19通過一級齒輪減速器驅動檢測軸16，電位計18裝在檢測軸16的軸端，用于檢測電機輸出軸的轉角和轉速。
圖3所示為本發明的輔助連接單元結構實施例，由30、31、32、33、34、35等6個基板固定連接而成，其外側表面均可作為組合裝配面。其中，36是單元連接器，37是滾動支撐輪。
圖4所示為本發明的兩種不同長度的單元連接器結構實施例。單元連接器通過緊固螺釘固定在系統組合單元的裝配面上，連接器底板41，41’中間有一長形滑槽42，42′，用于調節連接器在裝配面上的固定位置，從而調整組合單元間的相對位置和方向。連接器兩側端面43，43′上各有一個通孔和一個螺紋孔44，44′，用于與另一連接器間的連接。當系統中的兩個單元進行組合裝配時，首先在各自對應的組合裝配表面上通過螺釘固定相同數目的連接器，然后調節連接器在裝配面上的固定位置和方向，將兩個單元上的連接器一一對接，并令一個連接器的螺紋孔位于另一對接連接器的通孔內側，每對這樣組合起來的連接器通過螺釘進行固定連接。
圖5～圖8為本發明雙主動單元組合移動系統的四種不同的應用結構實施例。
圖5是由兩個擺動單元1在輔助框架的側面通過單元連接器4組成的雙輪獨立驅動移動系統結構。
圖6是由兩個旋轉單元2分別在基本框架和輔助框架的側面通過單元連接器4組成的雙輪獨立驅動移動系統結構。
圖7是由一個擺動單元1和一個旋轉單元2在輔助框架的側面通過單元連接器4組成的雙輪獨立驅動移動系統結構，其中，擺動單元的輔助框架和基本框架折疊放置。
圖8是由一個擺動單元1和一個旋轉單元2分別在基本框架和輔助框架的側面通過單元連接器4組成的移動系統車輛結構，其中，旋轉單元控制前輪轉向，擺動單元驅動后輪推動車體前進。
圖9所示為本發明的混合輪臂式單元組合移動系統結構實施例，共由三個擺動單元和六個輔助連接單元組成。其中，兩個輔助連接單元組成車體39；擺動單元38和41分別作為組合移動系統的前后輪驅動單元左支撐臂42和右支撐臂43分別由兩個輔助連接單元組成，用于抬起車體；擺動單元40作為左右支撐臂的轉動關節。
圖10所示為鏈式單元組合移動系統結構實施例，由四個擺動單元和兩個輔助連接單元互相串聯組成，全部系統結構包括44～48五個基本等長的串聯運動構件，四個擺動單元分別作為中間的四個轉動關節。其中，構件44、45合稱前腿，構件47、48合稱后腿，構件46集中了兩個擺動單元的基本框架，稱為車體。
圖11為關節腿式單元組合移動系統結構實施例示意圖，共由二十個個輔助連接單元、十個擺動單元和三個旋轉單元組成。其中，車體48由五個輔助連接單元組合構成；腿44、46和47由分別由一個旋轉單元、兩個擺動單元和一個輔助單元組合構成；腿43、45分別由兩個擺動單元和一個輔助單元組合構成。
圖12所示為混合輪臂式單元組合移動系統上臺階的運動過程示意圖。根據圖9所示組合系統各部分的結構標號，建立該移動系統運動結構模型如圖12(a)所示。設運動方向自左向右，則具體運動過程為系統移動至臺階前停止，擺動單元40驅動雙輪臂自后向前擺動到車體前部，如圖12(b)狀態；雙輪臂末端支撐，抬起車體39前端，如圖12(c)狀態；靠后輪41驅動系統前進，使前輪38運動至臺階上，雙輪臂又由擺動單元40驅動，轉動至到車體后部，如圖12(d)狀態；雙輪臂末端再次支撐，抬起車體39的后端，靠前輪38驅動系統前進，如圖12(e)狀態；前輪38繼續驅動系統前進，直至系統重心移至臺階之上，擺動單元40驅動雙輪臂抬起，擺動到車體前部，如圖12(f)狀態；系統在臺階上繼續前進，如圖12(g)狀態。
圖13所示為鏈式單元組合移動系統在各種地形下的運動過程，根據圖10所示組合系統各部分的結構標號，建立該移動系統運動結構模型如圖13(a)所示。設運動方向自左向右，則一般的運動過程為以車體前端和后腿足端支撐，抬起前腿向前擺動至前方落足點落下；以前、后腿足端支撐，向前移動車體；以車體后端和前腿足端支撐，抬起后腿，向前擺動至新落足點落下；再以車體前端和后腿足端支撐，抬起前腿繼續向前擺動，反復循環此過程。在選擇新支撐點時，可根據運動環境的變化進行調整，避開禁止落足區。圖13(b)為平地運動過程，圖13(c)為上斜坡運動過程，圖13(d)為下斜坡運動過程，圖13(e)為上臺階運動過程，圖13(f)為下臺階運動過程，圖13(g)為跨越障礙運動過程。
權利要求
1.一種可分解重構的多機器人移動系統的主動擺動單元結構，其特征在于，包括長方體的基本框架和輔助框架，所說的基本框架內安裝有電機，套于電機輸出軸的齒輪傳動器，該齒輪傳動器的一端連接帶有主動輪的主動輪軸，另一端與設置在基本框架一側面的關節擺動軸相連，固定在關節擺動軸兩端的半軸面上的壓板，以及固定在框架下部的滾動支撐輪；所說的輔助框架的一側面套接在所說的關節擺動軸的兩端，所說的基本框架和輔助框架的其它三個側表面均可為固定有單元連接器的裝配面。
2.一種可分解重構的多機器人移動系統的主動旋轉單元結構，其特征在于，包括長方體的基本框架和輔助框架，所說的基本框架內安裝有電機，套于電機輸出軸的齒輪傳動器，該齒輪傳動器的一端連接帶有主動輪的主動輪軸，所說的基本框架和輔助框架的一側面通過連接板固定連接，所說的基本框架的其它三個側表面可為固定有單元連接器的裝配面，其中與輔助框架相對的另一側裝配面的內側安裝一滾動支撐輪，所說的輔助框架與基本框架相對的另一側表面為固定有單元連接器的裝配面，其它兩側面分別安裝有轉彎支撐輪，所說的輔助框架的裝配面內側還安裝一滾動支撐輪。
3.一種可分解重構的多機器人移動系統的輔助連接單元結構，其特征在于由6個基板固定連接而成，其外側表面均可為固定有單元連接器的裝配面。其中，兩個相對的側面基板內分別安裝有一對滾動支撐輪。
4.如權利要求1、2或3所述的單元結構，其特征在于，所說的單元連接器由連成一體的兩個側板和一底板構成，該連接器底板中間有一長形滑槽，該連接器兩側端板上各有一個通孔和一個螺紋孔。
全文摘要
本發明屬于機器人技術領域,本發明由兩種可獨立移動的簡單機器人主動單元(擺動單元和旋轉單元)、一種輔助連接單元和單元連接器組成。其中,主動單元包括基本框架和輔助框架兩部分,在基本框架上安裝一個驅動電機。本發明在移動機器人的結構和運動功能上都具有更大的擴展空間,并可方便替換失效單元,重新組合成新的運動結構,具有更強的適應能力,可使組合移動系統的使用和制造成本大大降低。具有較為廣泛的發展空間和應用前景。
文檔編號B25J5/00GK1259421SQ0010305
公開日2000年7月12日 申請日期2000年2月25日 優先權日2000年2月25日
發明者汪勁松, 鄭浩峻, 楊向東, 葉佩青, 段廣洪, 趙廣濤 申請人:清華大學