专利名称：可自装配的多移动机器人系统及自装配结构的制作方法
技术领域：
本发明涉及分布式机器人以及无线传感网络领域，特别涉及一种可自装配的多移 动机器人系统以及可自装配的移动机器人设备，具体是对多机器人系统装配结构的改进。
背景技术：
近几年来，作为机器人技术发展的一个重要分支，移动机器人在军事、农业、环保、 灾难搜救等领域的应用也越来越广泛。同时，随着机器人技术的发展，移动机器人的能力不 断提高，移动机器人应用的领域和范围也在不断扩展，但是对于一些复杂的任务，单个机器 人却不再是最好的解决方案。通过多台机器人的合作，可以完成许多单个机器人所不能完 成的复杂任务，同时还能使整个系统具有更好的时间和空间分布性。因此，多移动机器人技 术成为移动机器人技术的一个重要扩展和补充。当多移动机器人系统进行工作的时候，具有很强的机动能力和灵活性，能够通过 个体间的协作共同完成指定的任务。而现有的多移动机器人系统大多是基于轮式或履带式 的机器人，虽然能适应实验室中平缓的理想路面，但在实际中当多移动机器人系统遇到了 一些特殊的或者临时的场合，比如说遇到了崎岖的路面或者有沟壑的场地上，多移动机器 人系统中的每个单体的机器人由于个体体积，个体重量等其它相关因素的限制，往往很难 跨跃沟壑，单个的移动机器人容易陷入大一点的坑道而无法前行，这就使得多移动机器人 系统的部署和相关任务的执行很难实现。在专利00103054. X中提到了一种可分解重构的多机器人移动系统的多种单元结 构，提出了一种可以多移动机器人装配的思路。但是该移动机器人设备结构复杂，而且不能 自装配，多移动机器人需要通过手动装配，失去了利用多移动机器人代替人来完成各项任 务的本来意义。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于，提供一种各移动机器人完全自主装配，装配结 构简便可行，可靠性高，适应性强的可自装配的多移动机器人系统及自装配结构。本发明可自装配的多移动机器人系统，包括客户端计算机，网关设备和若干可自 装配的移动机器人设备组成，可自装配的移动机器人设备将其采集到的相关信息通过网关 设备发送给客户端计算机，客户端计算机将通过计算得到的控制信息通过网关设备发送给 移动机器人设备，所述的移动机器人设备之间以及网关设备和移动机器人设备之间采用自 组网的单跳或多跳的Xmesh网络进行无线通信，所述的移动机器人设备包括电源模块、控 制模块、通信模块、驱动模块、定位模块以及装配模块，电源模块为整个移动机器人提供能 量供应；通信模块将移动机器人自身的信息参数与网关设备传过来的上位机控制信息进行 交换；控制模块判断通信模块接收到的上位机控制信息分析后控制移动机器人做出相应的 行为；驱动模块执行移动机器人的运动行为；定位模块执行移动机器人的导航定位行为， 为移动机器人的驱动模块和装配模块提供方向和位置坐标信息；装配模块执行移动机器人
3的装配行为，使多移动机器人设备装配成一个整体，完成自装配。所述的装配模块包括接头3-4-9、舱体3-4-2、销体3_4_1、两个连杆3_4_3以及 舵机3-4-6，所述的两个连杆分别设置在舱体3-4-2的两侧，且其固定端与舱体3-4-2转动 连接，在所述的舱体3-4-2上设置导向槽，所述的销体3-4-1的两端穿过所述的舱体3-4-2 上的导向槽与所述的两个连杆3-4-3的另一自由端连接，在所述的接头3-4-9上设置有 一连接槽，所述的舵机3-4-6的输出轴与其中一个连杆3-4-3的固定端连接，所述的销体 3-4-1在所述的舵机3-4-6的作用下延所述的导向槽置于所述的接头3-4-9的连接槽内或 槽外。所述的导向槽为圆弧形槽或厂形槽。所述的舵机为两个，分别与两个连杆连接。所述的驱动模块由大扭矩电机、万向轮和驱动轮组成差分的轮式结构，其中驱动 轮上沿着其外圈内嵌了一周滚轮，滚轮的滚动方向与驱动轮的滚动方向垂直。所述的定位模块包括红外测距传感器，红外对管和摄像头。本发明可自装配的多移动机器人系统，包括客户端计算机，网关设备和若干可自 装配的移动机器人设备组成。整个系统同时也构成了一套移动传感器网络系统。可自装配 的移动机器人设备将其采集到的相关信息通过网关设备发送给客户端计算机，客户端计算 机将通过计算得到的控制信息通过网关设备发送给移动机器人设备。移动机器人设备之间 以及网关设备和移动机器人设备之间采用自组网的单跳或多跳的Xmesh网络进行无线通 信，网关设备经由Internet等骨干网络与客户端计算机通信，或者通过串口、usb接口、蓝 牙接口等其它接口直接与客户端计算机通信。本发明可自装配的移动机器人设备，由电源模块、控制模块、通信模块、驱动模块、 定位模块和装配模块组成。电源模块为整个移动机器人提供能量供应；通信模块将移动机 器人自身的信息参数与网关设备传过来的上位机控制信息进行交换；控制模块判断通信模 块接收到的上位机控制信息分析后控制移动机器人做出相应的行为；驱动模块执行移动机 器人的运动行为，包括前进，后退，转弯等；定位模块执行移动机器人的导航定位行为，为移 动机器人的驱动模块和装配模块提供方向和位置坐标信息；装配模块执行移动机器人的装 配行为，使多移动机器人设备装配成一个整体，完成自装配。本发明可自装配的移动机器人设备，所述的电源模块由电池和一系列稳压电路组 成；所述的控制模块由嵌入式处理器与相关控制电路组成；所述的通信模块由无线收发单 元、微控制器和存储器组成，其中微控制器用于控制无线收发单元接收或发送数据及存储 器的工作；所述的驱动模块由大扭矩电机、万向轮和驱动轮组成差分的轮式结构，其中驱动 轮上沿着其外圈内嵌了一周滚轮可以使装配以后的移动机器人整体的运动不受方向的限 制；所述的定位模块包括红外测距传感器，红外对管和摄像头。本发明可自装配的移动机器人设备，所述的装配模块由接头、舱体、销体、连杆、舵 机等一系列的机械零件组合而成。接头为尖状开槽的柱体，舱体为两侧开倒L型槽的U型 体，销体为带耳的八面体，连杆为开槽的长方体。在可2台移动机器人装配的时候，在机器 人定位模块的引导下，一台机器人的舱体与另一台机器人的接头相配合，此时舵机驱动连 杆转动90度，连杆带动销体沿着舱体的倒L型槽先水平移动后竖直移动，卡在接头的开槽 中，此时完成两台移动机器人的自装配。两台可自装配的移动机器人在完成自装配后，可以
4继续运动，或者寻找另外的移动机器人完成多移动机器人的自装配。自装配的过程与前面 所述相同。本发明可自装配的移动机器人在完成指定的装配任务后，使多移动机器人刚性连 接成一个整体，这样可以克服单个移动机器人在体积上的微小。自装配使多移动机器人变 成一个体积庞大的单机器人体，可以轻松的碾过沟壑，也可以以大摩擦力在崎岖路面运动， 从而完成分散着的多机器人所不能完成的任务。本发明可自装配的移动机器人设备，当完成当任务需要后，装配好的作为整体的 单机器人也可以完成逆装配过程，重新拆分成由多个移动机器人。你装配过程与前述装配 过程相反，舵机驱动连杆反转90度，连杆带动销体沿着舱体的倒L型槽先竖直移动后水平 移动，卡住接头的销体返回原来的位置，接头与舱体分离，完成移动机器人的逆装配。与现有技术相比，本发明具有如下优点1、本发明可自装配的多移动机器人系统，由客户端计算机，网关设备和若干可自 装配的移动机器人设备组成，移动机器人设备在传统电源模块、控制模块、通信模块、驱动 模块的基础上，增加了定位模块以及装配模块，通过控制模块发出装配信息，由定位模块 定位并通过装配模块完成装配或者逆装配，实现了多移动机器人自组装的功能，无需借助 人工完成，使自装配多移动机器人的应用领域更加广泛。2、本发明移动机器人设备的装配模块采用舵机、连杆、销体以及接头等零部件构 成，销体与连杆连接，通过舵机带动连杆摆动，从而带动销体摆动，使得销体可以卡在接头 的连接槽内实现两个机器人设备的连接，或者使销体离开接头的连接槽，实现两个机器人 的逆装配。整个装配模块结构简单，装配易于控制和实现，只要给舵机一个控制信号，即可 实现装配过程。3、本发明机器人设备的驱动轮轮面上嵌入滚动方向与驱动轮滚动方向相垂直的 滚轮，方便在各机器人设备装配好后的前后左右移动，移动更加灵活，易于控制。
图1是本发明的可自装配的多移动机器人系统结构示意图。图2是本发明的可自装配的移动机器人设备结构示意图。图3是本发明的可自装配的移动机器人设备的立体图。图3-A为正面，图3-B为 侧面。图4是本发明的可自装配的移动机器人设备装配模块的机械结构图。图5是本发明舵机与两岸的机械连接图，其中图5-A为正面，图5-B为侧面。图6是本发明的可自装配的移动机器人设备装配模块自装配的步骤图。图7为一个四个移动机器人设备装配成一条直线通过沟壑的实施例。
具体实施例方式下面结合附图和实施例，对本发明做进一步详细说明。本发明可自装配的多移动机器人系统，由客户端计算机，网关设备和若干可自装 配的移动机器人设备组成。系统示意图如图1所示。可自装配的移动机器人设备为图1所 示的1-5，多台可自装配的移动机器人组成了一个多移动机器人群1-7。每个移动机器人设备将自身相关参数信息通过网关设备1-3发送给客户端计算机1-1，客户端计算机1-1将 通过计算得到的控制信息通过网关设备1-3发送给移动机器人设备1-6。各移动机器人设 备之间1-5以及网关设备和移动机器人设备之间1-6采用自组网的单跳或多跳的Xmesh网 络，采用Zigbee通信协议进行无线通信，网关设备与客户端计算机之间1-2经由Internet 等骨干网络通信，或者通过串口、usb接口、蓝牙接口等其它接口直接与客户端计算机通信。 该可自装配的多移动机器人系统由于将无线传感器网络的技术应用到了移动机器人技术 中，可以用较少的成本解决移动机器人的网络部署，网络通信等问题。图2为单个的可自装配的移动机器人设备模块组成图。图3为可自装配的移动机 器人设备的立体图。由图2可以看出，本发明的可自装配的移动机器人设备由电源模块、控 制模块、通信模块、驱动模块、定位模块和装配模块六个模块组成。控制模块作为整个移动机器人设备的控制中枢，负责控制和协调机器人其它各模 块间的运作，完成客户端计算机所要求完成的指令信息。在图3中可以看到3-2的部分为 一个嵌入式处理器单元以及其它一些控制电路构成了机器人的控制模块。电源模块为整个移动机器人设备提供电源，保证了机器人的能量供应。图3中的 3-10所示的锂电池电板以及其它一些稳压电路为机器人各模块的运作提供不同的所需电 压，包括5V，3. 3V和1. 8V电压。通信模块将移动机器人自身的信息参数与网关设备传过来的客户端计算机的控 制信息进行交换。控制模块中的一些移动机器人自身的姿态、传感信息经由通信模块按照 Zigbee协议的规范无线传输给网关设备，网关设备再传送给客户端计算机。客户端计算机 中的相关软件接收到此类信息后经过相关计算，将控制信息由网关发送出去，移动机器人 的通信模块接收到信息后再传给控制模块来执行所接收到的控制指令。图3中的3-1即为 一个通信模块，通信模块又由无线收发单元，单独的微控制器和存储器组成。其中微控制器 用于控制无线收发单元接收或发送数据及存储器的工作，存储器用来缓存数据。驱动模块执行移动机器人的运动行为，包括前进，后退，转弯等。如图3所示，本发 明可自装配的移动机器人设备采用后端主动轮3-8加前端万向轮3-6的差分轮式结构，特 别是后端驱动轮的外圈上内嵌上一周小轮，如图3中的3-8所示，这样就可以使移动机器人 可以沿着相垂直的两个方向滑动，特别是应用在本可装配的多移动机器人系统中，在A机 器人与B机器人从侧面对接后，可以继续运动。另外移动机器人的驱动模块还包含一个固 定在底板上的大扭矩的电机3-9和一些电机驱动电路。定位模块执行移动机器人的导航定位行为，为移动机器人的驱动模块和装配模块 提供方向和位置坐标信息。如图3所示，定位模块由红外测距传感器3-7，红外对管3-3，摄 像头3-5以及后驱动轮3-8上的光电编码盘组成。当移动机器人在移动过程中，由编码盘 进行航位推算进行导航，而红外对管用来进行壁障保证移动机器人的顺利移动；当移动机 器人进行自装配的时候，红外测距传感器可测量两装配机器人的距离，摄像头则可以通过 辨识形状和颜色而高精度的检测两移动机器人的方向信息。结合图3、图4和图5，装配模块包括接头3-4-9、舱体3_4_2、销体3_4_1、两个连杆 3-4-3、舵机3-4-6和3-4-8、舵机固定架3_4_7、舵机盘3_4_4等机械零件。其中接头3_4_9 为被动装配面，舱体3-4-2、销体3-4-1、连杆3-4-3、舵机3-4_6、3-4_8、舵机固定架3_4_7 等零件组成主动装配面。一台机器人A的主动装配面与另一台机器人B的被动装配面进行装配。装配时，A的舱体与B的接头相配合，接头所在的移动机器人B固定不动，舱体所在 的机器人A在其定位模块和驱动模块的协助下，将移动机器人B的接头包进其舱体，使接头 上的凹槽3-4-10与舱体上的厂形槽3-4-11的下半部分在一条直线上。舵机由两个固定 架固定在移动机器人上，驱动整个装配模块。舱体3-4-2的两侧部分是对称结构，分别由舵 机、连杆、舵机盘构成。舵机由控制模块传来的PWM信号控制，PWM信号控制舵机输出90度 的角度，舵机的输出轴与连杆相固定，此时就可以带动连杆3-4-3转动90度，转动的圆心在 厂形槽的几何中心处。销体为一个八面柱体，体积大小可以正好与舱体的厂形槽和接头的 凹槽相配合，销体的两端分别卡在连杆的槽(如3-4-12所示)中。连杆分别贴在舱体的 外侧面，可以由舵机驱动以与舵机轴同圆心进行转动，这样就带动并限制了销体沿着舱体 的厂形槽运动。销体的初始位置在Γ.形槽的上半部分，在舵机的驱动下，使销体先沿着厂 形槽先水平移动后竖直移动，最终到达Γ"形槽的下半部分，这样就使销体卡在接头的开槽 3-4-10中，此时使两移动机器人形成了牢固的刚性连接，即完成了两台移动机器人的自装 配。两台可自装配的移动机器人在完成自装配后，可以继续运动，或者寻找另外的移 动机器人完成多移动机器人的自装配。自装配的过程与前面所述相同。一个移动机器人只 有1个主动装配面，最多可以有3个被动装配面，可以完成任意方向上的装配。例如可以完 成一条直线上的若干移动机器人的自装配，或者4台移动机器人可以组成田字形的装配。由上述可以看出，移动机器人自装配的过程是由移动机器人设备的各个模块分工 合作，共同完成的装配行为。结合各个模块，如图6所示，本发明可自装配的多移动机器人 系统，自装配的过程为接收到客户端计算机的装配指令后，移动机器人A、B开始自装配获得A、B两移动机器人航位推算得到的方位信息。根据得到的方位信息，移动A使A的主动装配面移动到B的被动装配面后面。摄像头通过辨识接头形状和颜色来检测机器人A与B的方向，使A的主动装配面 正对着B的被动装配面。红外传感器检测A的舱体面至B的接头面的距离，如果未达到合适距离，继续向前 移动A移动机器人。当A的舱体与B的接头相配合，开始进行机械对接。舵机接收到控制模块传来的PWM信号，转动90度。舵机驱动连杆转动90度。连杆带动销体沿着舱体的厂形槽先水平移动后竖直移动。销体卡在接头的开槽中，此时完成两台移动机器人的自装配。当完成当任务需要后，装配好的作为整体的单机器人也可以完成逆装配过程，重 新拆分成由多个移动机器人。装配过程与前述装配过程相反，当舵机接收到控制模块的逆 装配指令后输出-90度的角度，这样驱动连杆反转90度，连杆带动销体沿着舱体的厂形槽 先竖直移动后水平移动，卡住接头的销体返回原来的位置，接头与舱体分离，完成移动机器 人的逆装配。这样多移动机器人此时可以完成装配前的各项任务。图7为一个四个移动机器人设备装配成一条直线通过沟壑的例子。如图所示，6-1 为单个机器人A，图中共有四个同样的移动机器人，分别为A、B、C、D。一开始它们各自独立的进行运动。当接收到客户端主机发送来的装配指令后，A移动机器人与B移动机器人装 配，C移动机器人与D移动机器人装配。两两装配成功后，A、B移动机器人组成的整体再与 C、D移动机器人组成的整体装配。这样装配后的作为整体的移动机器人就有了足够的横截 宽度和体积来通过沟壑6-2。
权利要求
一种可自装配的多移动机器人系统，包括客户端计算机，网关设备和若干可自装配的移动机器人设备组成，可自装配的移动机器人设备将其采集到的相关信息通过网关设备发送给客户端计算机，客户端计算机将通过计算得到的控制信息通过网关设备发送给移动机器人设备，所述的移动机器人设备之间以及网关设备和移动机器人设备之间采用自组网的单跳或多跳的Xmesh网络进行无线通信，其特征在于所述的移动机器人设备包括电源模块、控制模块、通信模块、驱动模块、定位模块以及自装配模块，电源模块为整个移动机器人提供能量供应；通信模块将移动机器人自身的信息参数与网关设备传过来的上位机控制信息进行交换；控制模块判断通信模块接收到的上位机控制信息分析后控制移动机器人做出相应的行为；驱动模块执行移动机器人的运动行为；定位模块执行移动机器人的导航定位行为，为移动机器人的驱动模块和装配模块提供方向和位置坐标信息；自装配模块执行移动机器人的装配行为，使多移动机器人设备装配成一个整体，完成自装配。
2.根据权利要求1所述的一种可自装配的多移动机器人系统，其特征在于所述的 自装配模块包括接头(3-4-9)、舱体(3-4-2)、销体(3-4-1)、两个连杆(3_4_3)以及舵机 (3-4-6)，所述的两个连杆分别设置在舱体(3-4-2)的两侧，且其固定端与舱体(3-4-2)转 动连接，在所述的舱体(3-4-2)上设置导向槽，所述的销体(3-4-1)的两端穿过所述的舱体 (3-4-2)上的导向槽与所述的两个连杆(3-4-3)的另一自由端连接，在所述的接头(3-4-9) 上设置有一连接槽，所述的舵机(3-4-6)的输出轴与其中一个连杆(3-4-3)的固定端连 接，所述的销体(3-4-1)在所述的舵机(3-4-6)的作用下延所述的导向槽置于所述的接头 (3-4-9)的连接槽内或槽外。
3.根据权利要求2所述的一种可自装配的多移动机器人系统，其特征在于所述的导 向槽为圆弧形槽或厂形槽。
4.根据权利要求3所述的一种可自装配的多移动机器人系统，其特征在于所述的舵 机为两个，分别与两个连杆连接。
5.根据权利要求2所述的一种可自装配的多移动机器人系统，其特征在于所述的驱 动模块由大扭矩电机、万向轮和驱动轮组成差分的轮式结构，其中驱动轮上沿着其外圈内 嵌了一周滚轮，滚轮的滚动方向与驱动轮的滚动方向垂直。
6.根据权利要求2所述的一种可自装配的多移动机器人系统，其特征在于所述的定 位模块包括红外测距传感器，红外对管和摄像头。
7.一种用于权利要求1所述可自装配的多移动机器人系统的自装配结构，其特征在 于接头(3-4-9)、舱体(3-4-2)、销体(3-4-1)、两个连杆(3_4_3)以及舵机(3_4_6)，所述 的两个连杆分别设置在舱体(3-4-2)的两侧，且其固定端与舱体(3-4-2)转动连接，在所述 的舱体(3-4-2)上设置导向槽，所述的销体(3-4-1)的两端穿过所述的舱体(3-4-2)上的 导向槽与所述的两个连杆(3-4-3)的另一自由端连接，在所述的接头(3-4-9)上设置有一 连接槽，所述的舵机(3-4-6)的输出轴与其中一个连杆(3-4-3)的固定端连接，所述的销体 (3-4-1)在所述的舵机(3-4-6)的作用下延所述的导向槽置于所述的接头(3-4-9)的连接 槽内或槽外。
8.根据权利要求7所述的自装配结构，其特征在于所述的导向槽为圆弧形槽或厂形 槽；所述的舵机为两个，分别与两个连杆连接。
全文摘要
本发明提供一种各移动机器人完全自主装配，装配结构简便可行，可靠性高，适应性强的可自装配的多移动机器人系统及自装配结构。本发明可自装配的多移动机器人系统，包括客户端计算机，网关设备和若干可自装配的移动机器人设备组成，可自装配的移动机器人设备将其采集到的相关信息通过网关设备发送给客户端计算机，客户端计算机将通过计算得到的控制信息通过网关设备发送给移动机器人设备，所述的移动机器人设备之间以及网关设备和移动机器人设备之间采用自组网的单跳或多跳的Xmesh网络进行无线通信。提供一种各移动机器人完全自主装配，装配结构简便可行，可靠性高，适应性强的可自装配的多移动机器人系统及自装配结构。
文档编号B25J9/08GK101927488SQ20091023356
公开日2010年12月29日 申请日期2009年10月28日 优先权日2009年10月28日
发明者侯进, 宋光明, 宋爱国 申请人:东南大学