专利名称：可分解重构的多机器人移动系统的多种单元结构的制作方法
技术领域：
本发明属于机器人技术领域，特别涉及一种可分解重构的多机器人移动系统。
传统移动机器人主要包括轮式、履带式、足式、混合式等运动形式。其中，轮式机器人结构简单，但其运动受环境因素所限，运动能力较弱，而足式机器人尽管运动能力较强，但结构和控制复杂。随着人类生产生活空间的不断扩展，移动机器人的应用领域也更加广泛，为适应环境和任务的不断变化，需要移动机器人具备各种综合运动能力。传统的移动机器人为此在单机结构和控制上进行了不断的改进，在运动功能上得到了不断加强，但移动机器人的单机结构及其运动形式相对固定，其所适合的运动环境较为具体和有限。同时，移动机器人在结构和控制上变得越来越复杂，导致运行过程中的故障发生率不断增高，鲁棒性下降，并且机器人的研制费用和使用成本也大大增加。
目前，国内外关于多机器人协调运动和模块化机器人单元组合结构的研究大多集中在工业机器人领域，而针对移动机器人的有关研究成果非常有限，集中表现在各种组合机器人单元的结构相对复杂，且组合后的运动结构在功能上并未从根本上改变原有的运动形式，在运动结构及其功能上都没有显著的扩展和提高，不能很好地满足移动机器人经常变化的坏境和任务需要。
本发明的目的在于为克服已有技术的不足之处，开发一种可分解重构的多机器人移动系统，利用可重构的、具有简单移动功能的模块化机器人单元，动态组合成具有各种结构和运动形式的适应性移动系统，以满足各种环境和任务的需要，同时简化机器人的结构和控制，降低研制和使用成本，提高系统运行的鲁棒性。
本发明打破了已有的各种移动机器人在单机结构和功能上的限制，利用多个具有简单运动功能的移动机器人单元，根据环境和任务需要，快速便捷地组合成各种具有不同结构和运动形式的多机器人移动系统。这种可分解重构的单元采用适于组合的模块化结构设计，通过单电机驱动关节和轮式两种不同的运动形式，从而最大限度地发挥了系统组合单元在结构和运动功能上的扩展能力，并可尽量避免在结构和功能上的冗余。
同单机运行的移动机器人相比，本发明在移动机器人的结构和运动功能上都具有更大的扩展空间，并可方便替换失效单元，重新组合成新的运动结构，对各种不同的运动环境具有更强的适应能力。同时，由于各种类型的系统组合单元均采用统一的模块化标准结构，可使组合移动系统的使用和制造成本大大降低。以这种形式组成的多机器人移动系统是移动机器人技术领域的一个新研究方向，具有较为广泛的发展空间和应用前景。
本发明提出的一种可分解重构的多机器人移动系统的主动摆动单元结构，其特征在于，包括长方体的基本框架和辅助框架，所说的基本框架内安装有电机，套于电机输出轴的齿轮传动器，该齿轮传动器的一端连接带有主动轮的主动轮轴，另一端与设置在基本框架一侧面的关节摆动轴相连，固定在关节摆动轴两端的半轴面上的压板，以及固定在框架下部的滚动支撑轮；所说的辅助框架的一侧面套接在所说的关节摆动轴的两端，所说的基本框架和辅助框架的其它三个侧表面均可为固定有单元连接器的装配面。
本发明提出的另一种可分解重构的多机器人移动系统的主动旋转单元结构，其特征在于，包括长方体的基本框架和辅助框架，所说的基本框架内安装有电机，套于电机输出轴的齿轮传动器，该齿轮传动器的一端连接带有主动轮的主动轮轴，所说的基本框架和辅助框架的一侧面通过连接板固定连接，所说的基本框架的其它三个侧表面可为固定有单元连接器的装配面，其中与辅助框架相对的另一侧装配面的内侧安装一滚动支撑轮，所说的辅助框架与基本框架相对的另一侧表面为固定有单元连接器的装配面，其它两侧面分别安装有转弯支撑轮，所说的辅助框架的装配面内侧还安装一滚动支撑轮。
本发明提出的一种可分解重构的多机器人移动系统的辅助连接单元结构，其特征在于由6个基板固定连接而成，其外侧表面均可为固定有单元连接器的装配面。其中，两个相对的侧面基板内分别安装有一对滚动支撑轮。
所说的单元连接器可由连成一体的两个侧板和一底板构成，该连接器底板中间有一长形滑槽，该连接器两侧端板上各有一个通孔和一个螺纹孔。
本发明由两种可独立移动的简单机器人主动单元、一种辅助连接单元和单元连接器组成。其中，主动单元在结构包括基本框架和辅助框架两部分，在基本框架上安装一个驱动电机，根据其具体的结构和运动特性可分为摆动单元和旋转单元两种类型。
摆动单元的辅助框架套接在基本框架的关节驱动轴两端，通过压板将辅助框架固定在关节驱动轴两端的半轴面上，随关节驱动轴摆动；若松开压板，将二者脱开，同时在侧面用螺钉连接辅助框架和基本框架，此时的摆动单元可由基本框架上的运动轮独立驱动前进。
旋转单元的辅助框架套接在电机输出轴端，通过螺钉将辅助框架固定在电机输出轴端的齿轮侧面，随电机输出轴旋转；若松开固定螺钉，将二者脱开，同时将辅助框架和基本框架都固定在连接板上，此时的旋转单元可由基本框架上的运动轮独立驱动前进。
辅助单元用于实现主动单元间的各种所需组合结构参数，各组合单元间通过多对单元连接器相互连接。每对连接器包括两个相对正接的单连接器，在两个端面通过螺钉相互连接，并分别用螺钉固定在组合单元的装配表面上，连接器底板上有滑槽，沿滑槽可调整螺钉在连接器上的固定位置。
本发明具有以下效果1.本发明打破了已有的各种移动机器人在单机结构和功能上的限制，利用多个具有简单运动功能的移动机器人单元，根据环境和任务需要，快速便捷地组合成各种具有不同结构和运动形式的多机器人移动系统。这种可分解重构的单元采用适于组合的模块化结构设计，通过单电机驱动关节和轮式两种不同的运动形式，从而最大限度地发挥了系统组合单元在结构和运动功能上的扩展能力，并可尽量避免在结构和功能上的冗余。
2.本发明的各主动单元具备独立运动和组合运动两种能力，可根据需要由多个主动单元和必要的辅助单元通过单元连接器组合成多种具有复杂结构和运动形式的机器人移动系统，或重新分解成多个分布运动的简单移动机器人，不但便于替换失效单元，维持系统的正常运行，而且还可以进一步扩展系统的组成结构及其运动功能，从而增强了移动机器人系统的环境适应能力和运动能力。
3.本发明均采用统一的模块化标准结构组成各种类型的系统，可批量制造生产，并灵活组合成多种适于各种环境和任务要求的移动系统，从而降低了移动机器人系统的制造和使用成本。
4.本发明各主动机器人单元结构简单，具有独立的运动和控制功能，从而降低了移动机器人系统在结构和控制上的复杂程度。
5.同单机运行的移动机器人相比，本发明在移动机器人的结构和运动功能上都具有更大的扩展空间，并可方便替换失效单元，重新组合成新的运动结构，对各种不同的运动环境具有更强的适应能力。同时，由于各种类型的系统组合单元均采用统一的模块化标准结构，可使组合移动系统的使用和制造成本大大降低。以这种形式组成的多机器人移动系统是移动机器人技术领域的一个新研究方向，具有较为广泛的发展空间和应用前景。
附图简要说明图1是本发明的摆动机器人单元结构实施例示意图，其中(a)为正视图，(b)为俯视图。
图2是本发明的旋转机器人单元结构实施例示意图，其中(a)为正视图，(b)为俯视图，(c)为侧视图。
图3是本发明辅助连接单元结构实施例示意图，其中(a)为正视图，(b)为俯视图。
图4是本发明的单元连接器结构实施例示意图，其中(a)、(b)为二种尺寸的结构。
图5是本发明双主动单元组合移动系统的四种不同结构实施例示意图。
图6是本发明的混合轮臂式单元组合移动系统的结构实施例示意图。
图7是本发明的链式单元组合移动系统的结构实施例示意图。
图8是本发明的关节腿式单元组合移动系统的结构实施例示意图。
图9是本发明混合轮臂式单元组合移动系统实施例示意图，(a)为正视图，(b)为俯视图。
图10是本发明链式单元组合移动系统结构实施例示意图。
图11是关节腿式单元组合移动系统结构实施例示意图。
图12是本发明混合轮臂式单元组合移动系统上台阶的运动过程示意图。
图13是本发明链式单元组合移动系统在各种地形下的运动过程示意图。
本发明的几种实施例结合
如下图1所示为本发明的摆动机器人单元结构实施例。其中，1是辅助框架，8是基本框架，2是关节摆动轴，3是框架连接螺钉，4是压板，5是滚动支撑轮，6是电位计，7是主动轮轴，9是主动轮，10是传动轴，11是二级齿轮传动器，12是电机，13是压板固定螺钉，14是一级齿轮传动器。在此结构中，辅助框架1和基本框架8作为两个基本装配体，其各自的3个外侧表面均可进行通过单元连接器与其它单元进行组合装配。辅助框架1的一侧套接在位于基本框架8上的关节摆动轴2的两端。当此单元作为摆动关节运动时，用压板固定螺钉13将压板4固定在关节摆动轴2两端的半轴面上，从而使辅助框架1与关节摆动轴2连接在一起，同时松开辅助框架1与基本框架间8的框架连接螺钉3，使辅助框架1与基本框架8脱离，此时电机12通过一级齿轮传动器14驱动关节摆动轴2，带动辅助框架1相对基本框架8转动，其设计转角范围可达360°。当单元需要作为轮式机器人独立运动时，可将压板4松开，使辅助框架1脱开关节摆动轴2，再将辅助框架1和基本框架8用框架连接螺钉3连接起来，此时电机通过二级齿轮传动器11驱动主动轮轴7，带动主动轮9推动摆动单元沿单方向移动。电位计6位于传动轴10的轴端，用于检测电机输出轴的转角和转速。
图2所示为本发明的旋转机器人单元结构实施例。其中，17是基本框架，22是辅助框架，15是一级齿轮传动器，16是检测轴，18是电位计，19是电机，20是主动轮轴，21是主动轮，23是转弯支撑轮，24是二级齿轮传动器，25是连接板，26是电机输出轴端齿轮，27是输出轴端齿轮26与辅助框架22间的固定连接螺钉，28是基本框架17和辅助框架22与连接板25间的固定连接螺钉，29是滚动支撑轮。在此结构中，基本框架17的外侧表面可提供3个组合装配表面。辅助框架22的一端套接在电机输出轴端齿轮26上，另一端的外侧表面可进行组合装配。当此单元作为旋转关节运动时，用固定螺钉27将辅助框架22固定在齿轮26的侧面上，松开辅助框架22和基本框架17与连接板25间的连接螺钉28，使辅助框架22与基本框架17脱离，电机19直接带动辅助框架22相对于基本框架17作360°旋转运动。当单元需要作为轮式机器人独立运动时，将齿轮26侧面的固定螺钉27松开，再将基本框架17与辅助框架22都用螺钉27固定在连接板25上。电机19通过二级齿轮减速器24驱动主动轮轴20，带动主动轮21推动旋转单元沿单方向移动。电机19通过一级齿轮减速器驱动检测轴16，电位计18装在检测轴16的轴端，用于检测电机输出轴的转角和转速。
图3所示为本发明的辅助连接单元结构实施例，由30、31、32、33、34、35等6个基板固定连接而成，其外侧表面均可作为组合装配面。其中，36是单元连接器，37是滚动支撑轮。
图4所示为本发明的两种不同长度的单元连接器结构实施例。单元连接器通过紧固螺钉固定在系统组合单元的装配面上，连接器底板41，41’中间有一长形滑槽42，42′，用于调节连接器在装配面上的固定位置，从而调整组合单元间的相对位置和方向。连接器两侧端面43，43′上各有一个通孔和一个螺纹孔44，44′，用于与另一连接器间的连接。当系统中的两个单元进行组合装配时，首先在各自对应的组合装配表面上通过螺钉固定相同数目的连接器，然后调节连接器在装配面上的固定位置和方向，将两个单元上的连接器一一对接，并令一个连接器的螺纹孔位于另一对接连接器的通孔内侧，每对这样组合起来的连接器通过螺钉进行固定连接。
图5～图8为本发明双主动单元组合移动系统的四种不同的应用结构实施例。
图5是由两个摆动单元1在辅助框架的侧面通过单元连接器4组成的双轮独立驱动移动系统结构。
图6是由两个旋转单元2分别在基本框架和辅助框架的侧面通过单元连接器4组成的双轮独立驱动移动系统结构。
图7是由一个摆动单元1和一个旋转单元2在辅助框架的侧面通过单元连接器4组成的双轮独立驱动移动系统结构，其中，摆动单元的辅助框架和基本框架折叠放置。
图8是由一个摆动单元1和一个旋转单元2分别在基本框架和辅助框架的侧面通过单元连接器4组成的移动系统车辆结构，其中，旋转单元控制前轮转向，摆动单元驱动后轮推动车体前进。
图9所示为本发明的混合轮臂式单元组合移动系统结构实施例，共由三个摆动单元和六个辅助连接单元组成。其中，两个辅助连接单元组成车体39；摆动单元38和41分别作为组合移动系统的前后轮驱动单元左支撑臂42和右支撑臂43分别由两个辅助连接单元组成，用于抬起车体；摆动单元40作为左右支撑臂的转动关节。
图10所示为链式单元组合移动系统结构实施例，由四个摆动单元和两个辅助连接单元互相串联组成，全部系统结构包括44～48五个基本等长的串联运动构件，四个摆动单元分别作为中间的四个转动关节。其中，构件44、45合称前腿，构件47、48合称后腿，构件46集中了两个摆动单元的基本框架，称为车体。
图11为关节腿式单元组合移动系统结构实施例示意图，共由二十个个辅助连接单元、十个摆动单元和三个旋转单元组成。其中，车体48由五个辅助连接单元组合构成；腿44、46和47由分别由一个旋转单元、两个摆动单元和一个辅助单元组合构成；腿43、45分别由两个摆动单元和一个辅助单元组合构成。
图12所示为混合轮臂式单元组合移动系统上台阶的运动过程示意图。根据图9所示组合系统各部分的结构标号，建立该移动系统运动结构模型如图12(a)所示。设运动方向自左向右，则具体运动过程为系统移动至台阶前停止，摆动单元40驱动双轮臂自后向前摆动到车体前部，如图12(b)状态；双轮臂末端支撑，抬起车体39前端，如图12(c)状态；靠后轮41驱动系统前进，使前轮38运动至台阶上，双轮臂又由摆动单元40驱动，转动至到车体后部，如图12(d)状态；双轮臂末端再次支撑，抬起车体39的后端，靠前轮38驱动系统前进，如图12(e)状态；前轮38继续驱动系统前进，直至系统重心移至台阶之上，摆动单元40驱动双轮臂抬起，摆动到车体前部，如图12(f)状态；系统在台阶上继续前进，如图12(g)状态。
图13所示为链式单元组合移动系统在各种地形下的运动过程，根据图10所示组合系统各部分的结构标号，建立该移动系统运动结构模型如图13(a)所示。设运动方向自左向右，则一般的运动过程为以车体前端和后腿足端支撑，抬起前腿向前摆动至前方落足点落下；以前、后腿足端支撑，向前移动车体；以车体后端和前腿足端支撑，抬起后腿，向前摆动至新落足点落下；再以车体前端和后腿足端支撑，抬起前腿继续向前摆动，反复循环此过程。在选择新支撑点时，可根据运动环境的变化进行调整，避开禁止落足区。图13(b)为平地运动过程，图13(c)为上斜坡运动过程，图13(d)为下斜坡运动过程，图13(e)为上台阶运动过程，图13(f)为下台阶运动过程，图13(g)为跨越障碍运动过程。
权利要求
1.一种可分解重构的多机器人移动系统的主动摆动单元结构，其特征在于，包括长方体的基本框架和辅助框架，所说的基本框架内安装有电机，套于电机输出轴的齿轮传动器，该齿轮传动器的一端连接带有主动轮的主动轮轴，另一端与设置在基本框架一侧面的关节摆动轴相连，固定在关节摆动轴两端的半轴面上的压板，以及固定在框架下部的滚动支撑轮；所说的辅助框架的一侧面套接在所说的关节摆动轴的两端，所说的基本框架和辅助框架的其它三个侧表面均可为固定有单元连接器的装配面。
2.一种可分解重构的多机器人移动系统的主动旋转单元结构，其特征在于，包括长方体的基本框架和辅助框架，所说的基本框架内安装有电机，套于电机输出轴的齿轮传动器，该齿轮传动器的一端连接带有主动轮的主动轮轴，所说的基本框架和辅助框架的一侧面通过连接板固定连接，所说的基本框架的其它三个侧表面可为固定有单元连接器的装配面，其中与辅助框架相对的另一侧装配面的内侧安装一滚动支撑轮，所说的辅助框架与基本框架相对的另一侧表面为固定有单元连接器的装配面，其它两侧面分别安装有转弯支撑轮，所说的辅助框架的装配面内侧还安装一滚动支撑轮。
3.一种可分解重构的多机器人移动系统的辅助连接单元结构，其特征在于由6个基板固定连接而成，其外侧表面均可为固定有单元连接器的装配面。其中，两个相对的侧面基板内分别安装有一对滚动支撑轮。
4.如权利要求1、2或3所述的单元结构，其特征在于，所说的单元连接器由连成一体的两个侧板和一底板构成，该连接器底板中间有一长形滑槽，该连接器两侧端板上各有一个通孔和一个螺纹孔。
全文摘要
本发明属于机器人技术领域,本发明由两种可独立移动的简单机器人主动单元(摆动单元和旋转单元)、一种辅助连接单元和单元连接器组成。其中,主动单元包括基本框架和辅助框架两部分,在基本框架上安装一个驱动电机。本发明在移动机器人的结构和运动功能上都具有更大的扩展空间,并可方便替换失效单元,重新组合成新的运动结构,具有更强的适应能力,可使组合移动系统的使用和制造成本大大降低。具有较为广泛的发展空间和应用前景。
文档编号B25J5/00GK1259421SQ0010305
公开日2000年7月12日 申请日期2000年2月25日 优先权日2000年2月25日
发明者汪劲松, 郑浩峻, 杨向东, 叶佩青, 段广洪, 赵广涛 申请人:清华大学