一种模块化可重构机器人的制作方法

专利名称：一种模块化可重构机器人的制作方法
技术领域：
本发明属于关节型机器人技术领域，特别是涉及一种模块化可重构机器人。
背景技术：
模块化可重构机器人是由一系列具有不同尺寸和功能特征的关节、连杆等模块组 成的，能以搭积木的方式通过模块之间简单、快速的组装和拆卸来改变整体结构，重新组合 构型的机器人。相对于传统的固定构型机器人而言，模块化可重构机器人可实现“一套构 件、多种构型”，能根据任务要求选择最佳的机器人结构，因而对复杂环境的适应性和作业 能力更强。专利号为200710066827. 2的一种简易模块化机器人，其机构轻巧紧凑、组装方 便。但该机器人的模块数量较少、类型单一。专利号为200910047473. 6的基于CORBA接 口的模块化机器人实现了基于网络的集成与控制，但主要针对的是机器人模块的软接口技 术。德国khunk公司的PowerCube系列模块化可重构机器人和上海广茂达公司的 AsMrobotE系列模块化可重构机器人，其关节模块之间的连接总线均采用外部走线设计，机 器人运动时很容易导致电线缠绕。现有的模块化可重构机器人大多存在模块连接无法定位的问题，给机器人标定和 控制带来了很大的困难。另外，如何证机器人运动的安全、可靠，特别是意外掉电和运动干 涉，都是有待解决的技术难点。上述问题的存在，使得模块化可重构机器人在灵活性、可靠性和实用性等方面都 受到了很大制约，影响了进一步的开发与应用。

发明内容
针对现有技术中存在的上述不足之处，本发明的目的在于提供一种模块类型丰 富、构型灵活多变、组装拆卸简单、连接定位容易、内部走线、运动控制精度高、使用安全可 靠的模块化可重构机器人。本发明解决其技术问题所采用的技术方案如下一种模块化可重构机器人，包括上位机和机器人，所述机器人通过CAN总线与上 位机的CAN通信接口卡连接，所述机器人包括基座模块、夹爪模块及两者之间多个交替连 接的关节模块和连杆模块，组合成2 7个自由度的多种构型机器人，其中基座模块连接 关节模块，夹爪模块连接杆模块，各模块内均设有用于电气连接的电源/信号总线。所述连杆模块为直线连杆、直角连杆和平行连杆模块中的两种或三种模块结构； 所述直线连杆模块为在圆筒型的第一连杆体两端分别设有连接法兰盘结构，其内设有电 源/信号总线；所述直角连杆模块是在两连接端面相互垂直的第二连杆体同侧分别设有第 一、第二保护外罩，电源/信号总线置于第二连杆体和保护外罩内；所述平行连杆模块是 在两端为半圆型板的第三连杆体一侧设有第三保护外罩，另一侧靠近两端分设有连接法兰盘，其内设有电源/信号总线，在第三连杆体上开有两槽孔，用于引出电源/信号总线；所 述每个电源/信号总线的两端均设有D型连接器；与所述直线连杆模块两端连接的两个关 节模块的轴线是共线的；与所述直角连杆模块两端连接的两个关节模块的轴线是垂直相交 的；与所述平行连杆模块两端连接的两个关节模块的轴线是互相平行的。所述基座模块为固定基座模块，是由在一端带有法兰盘的外筒内置内筒构成，另 一端的外筒和内筒端形成与其连接的关节模块相配合的法兰盘结构，其内设有电源/信号 总线。或者所述基座模块为水平移动基座，包括箱体、两个对称的端盖板、连接法兰和置 于箱体内的线性模组、拖链、连接板、基座控制器、控制器安装架、第二联轴器、第三行星减 速器、第四直流无刷电机、第四增量式码盘和第三码盘安装座，所述端盖板开有U形口，对 称安装在箱体上后形成带有槽口的盖板，所述线性模组安装在箱体内的底部，线性模组的 滚珠丝杠通过第二联轴器与第三行星减速器的输出端连接，所述第三行星减速器的输入端 与第四直流无刷电机的前输出轴连接，第三行星减速器的外壳与第四直流无刷电机的外壳 固接，并安装在线性模组的法兰上；所述第四增量式码盘的光栅盘安装在第四直流无刷电 机的后输出轴上；所述第四增量式码盘的外壳通过码盘安装座安装在第四直流无刷电机的 外壳上；所述基座控制器通过控制器安装架安装在箱体内，基座控制器分别与第四直流无 刷电机、第四增量式码盘和线性模组电连接，所述连接法兰底座安装在线性模组的直线滑 块上，法兰端结构与关节模块的连接端相配合，并伸出端盖板的槽口，所述拖链的一端固定 在箱体底部，另一端通过连接板与连接法兰的底座固接，在箱体靠近第四直流无刷电机的 端板上设有CAN和电源总线接口，总线置于箱体内，通过拖链延伸致连接法兰。所述夹爪模块包括第一下端盖、夹爪控制器、第一 D型连接器、支座、两个导轨、安 装在导轨上的两个齿条、齿轮、两个对称的手指、与手指相连的连接件、第一限位挡块、第一 上端盖、霍尔传感器、磁块及置于支座内的第一直流无刷电机、第一行星减速器和第一增量 式码盘，所述第一直流无刷电机通过第一行星减速器与置于支座底板上的齿轮连接，第一 行星减速器的外壳与支座固接，所述第一直流无刷电机的外壳与第一行星减速器的外壳固 接，所述第一增量式码盘安装在第一直流无刷电机的后轴上；所述两个导轨相对于齿轮轴 心对称安装在支座上；所述两齿条分别安装在两导轨上，并与齿轮相啮合，第一限位挡块安 装在支座上，其限位阻挡面位于其中一个导轨的一端，齿条在导轨的凹槽内滑动；所述手指 一端通过连接件与齿条一端固接；所述上盖上开有两个槽孔，穿过手指安装在导轨上；所 述第一下端盖安装在支座筒口端，其一端安装有夹爪控制器，另一端为与其连接的连杆模 块相配合的法兰盘结构，所述夹爪控制器分别与第一直流无刷电机、第一增量式码盘和霍 尔传感器电连接，所述霍尔传感器贴装在支座表面上，其磁块贴转在连接件下表面，所述第 一 D型连接器安装在下端盖的法兰盘端，作为电源/信号总线接口，所述第一下端盖法兰盘 端与连杆模块的法兰盘端结构相配合。所述关节模块为转动关节模块和伸缩关节模块中的一种或两种模块结构。所述关 节模块、连杆模块、基座模块和夹爪模块的法兰盘式连接端面上设有定位止口和定位销孔， 所述关节模块、连杆模块、基座模块和夹爪模块的电源/信号接口均连接有插拔式D型连接器。本发明的有益效果为
1．模块类型丰富，包括基座模块、夹爪模块及两者之间多个相互交替连接的关节模块和连杆模块，其中关节模块可采用转动关节模块或／和伸缩关节模块，连杆模块采用直线连杆、直角连杆和平行连杆模块中的两种或三种，基座模块采用固定基座模块或水平移动基座模块，用户根据任务和环境需要，可组装成2—7个自由度多种构型灵活多变的机器人。
2．所有模块的电气连接接口均采用插拔式D型连接器；所有模块的机械连接接口均采用法兰式结构，使用螺钉紧固，并设有定位止口和定位销孔，安装拆卸简单，易于定位。
3．组装后的机器入无电线暴露在外，所有线路均置于各模块内部，外观干淨利索，机器人运动时不会发生电线缠绕问题。
4．关节模块内部均设有机械和电气限位，并设有意外掉电制动装置，提高了机器人使用的安全性。
5．固定基座模块结构简单，适用于机器人在固定位置条件下工作；水平移动基座模块适用于机器人在可移动条件下工作。
6．以本发明的机械／电气接口为标准，在已有的各类型模块基础上，还可以任意设计其它类型连杆模块，以满足不同的任务需要，系统开放，具有可扩展性。


图l为本发明的系统组成结构示意 图2中(a)(b)均为转动关节模块的外观结构示意 图3中(a)(b)为转动关节模块拆除外罩后的结构示意 图4(a)为图3中传动链的结构示意 图4(b)为图3中笼形支座的结构示意 图4(C)为图3中上端盖的结构示意 图4(d)为图3中电位计安装座的结构示意 图4(e)为图3中限位挡块的结构示意 图4(f)为图3中下端盖的结构示意 图4(g)为图3中制动器安装座的结构示意 图4(h)为图3中外罩的结构示意 图4(j)为图3中码盘安装座的结构示意 图4(k)为图3中齿圈的结构示意 图4(1)为图3中小齿轮的结构示意图。
图5(a)为伸缩关节模块的外观示意 图5(b)为图5(a)拆除外罩的结构示意 图5(C)为图5(b)中传动链的结构示意 图5(d)为图5(b)中上端盖的结构示意 图5(f)为图5(b)中支架的结构示意 图5(g)为图5(b)中外压盖的结构示意 图5(h)为图5(b)中内压盖的结构示意图5(j)为图5(b)中上导向伸缩座的结构示意图5(k)为图5(b)中下导向伸缩座的结构示意图5(1)为图5(c)中丝杠支撑座的结构示意图5(m)为图5(b)中制动器安装座的结构示意图5(n)为图5(b)中支撑板的结构示意图5(0)为伸缩关节模块中半环压片的结构示意图5(p)为图5(c)中电机安装座的结构示意图5(q)为图5(b)中走线管的结构示意图5(r)为图5(a)中外罩的结构示意图6为直线连杆模块的结构示意图7(a) (b)为直角连杆模块的结构示意图8(a) (b)为平行连杆模块的结构示意图9为直线连杆模块与关节模块连接的示意图10为直角连杆模块与关节模块连接的示意图11为平行连杆模块与关节模块连接的示意图12为固定基座模块的结构示意图13(a)为水平移动基座模块的结构示意图13(b) (c)为图13(a)的剖视示意图14为图13中箱体的结构示意图15为图13中连接法兰的结构示意图16为图13中控制器安装架的结构示意图17为图13中连接板的结构示意图18为图13中码盘安装座的结构示意图19(a)为夹爪模块的结构示意图19(b)为夹爪模块去掉上盖后的结构示意图19(c)为图19(b)的俯视示意图19(d)为夹爪模块的传动链示意图20为图19(a)中齿轮的结构示意图21为图19(a)中齿条的结构示意图22为图19(a)中限位挡块的结构示意图23为图19(a)中下端盖的结构示意图M为图19(a)中支座的结构示意图25为图19(a)中导轨的结构示意图沈为图19(a)中手指的结构示意图27为图19(a)中连接件的结构示意图观为图19(a)中上盖的结构示意图四为本发明实施例2的结构示意图30为本发明实施例3的结构示意图31为本发明实施例4的结构示意7
图32为本发明实施例5的结构示意图；图33为本发明实施例6的结构示意图；图34为本发明实施例7的结构示意图；图35为本发明实施例8的结构示意图；图36为本发明实施例9的结构示意图；图37为本发明实施例10的结构示意图；图38为本发明实施例11的结构示意图；图39为本发明中夹爪腔制器或基座控制器的结构示意框图。图中1.机器人，10.夹爪模块，101.第一上端盖，1011.第一槽孔，102.手指，103.导轨，1031.安 装板，1032.第一凹槽，1033.凹槽顶板，1034.安装台，104.连接件，105.齿轮，106.第一 D型连接器，107.第一限位挡块，1071.第一侧板，1072.通孔，108.齿条，1081.安装结构， 109.支座，1091.支座底板，1092.齿装面，110.夹爪控制器，111.第一下端盖，112.第一行 星减速器，113.第一直流无刷电机，114.第一增量式码盘；20.直线连杆模块，201.第一连杆体；30.转动关节模块，301.第二上端盖，302.第二下端盖，303.笼形支座，304.第二 限位挡块，305.齿圈，306.电位计安装座，307.旋转电位计，308.第二 D型连接器，309.谐 波减速器，310.驱动电路板，311.DSP控制电路板，312.电源转换电路板，313.第一制动器 安装座，314.第一码盘安装座，315.小齿轮，316.第一外罩，317.第二行星减速器，318.第 二直流无刷电机，319.第一电磁制动器，320.第二增量式码盘；40.直角连杆模块，401.第一保护外罩，402.第二连杆体，403.第二保护外罩；50.伸缩关节模块，501.第三上端盖，502.第三下端盖，503支架，504.上导向伸 缩座，505.下导向伸缩座，506.电机安装座，507.第二制动器安装座，508.第二码盘安装 座，509.第二外罩，510.支撑板，511.丝杠支撑座，512.内压盖，513.外压盖，514.走线管， 515.半环压片，516.第三D型连接器，517.丝母，518.滚珠丝杠，519.丝杠轴承座，520.直 线轴承，521.第一联轴器，522.光轴，523.第三直流无刷电机，524.第二电磁制动器，525. 第三增量式码盘，5 .驱动电路，527. DSP控制器，528.电源转换电路，529.连接套，530.第 一凸台，531.第二凸台；60.平行连杆模块，601.第三保护外罩，602.第三连杆体，603.第二槽孔，604连接
法兰盘；70.固定基座模块，701.内筒，702.外筒，703.第一法兰盘；80.水平移动基座模块，801.箱体，802.拖链，803.端盖板，804.第二联轴器，805. 控制器安装架，8051.底板，8052.第二侧板，806.第三行星减速器，807.第四直流无刷电 机，808.第三码盘安装座，8081.圆盘，8082.圆筒，809.电源接口，810.第四增量式码盘， 811.总线接口，812.基座控制器，813.连接板，814.连接法兰，8141.第二法兰盘，8142.底 座，8143.第二凹槽，815.线性模组；2.上位机，3. CAN总线，4.定位止口，5.定位销孔。
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具体实施例方式下面结合附图对本发明作进一步描述。实施例1 如图1所示，一种模块可重构机器人，其包括上位机2和机器人1，所述 机器人1通过CAN总线3与上位机2的CAN通信接口卡连接，所述机器人1包括基座模块、 夹爪模块及两者之间多个交替连接的关节模块和连杆模块，用户根据任务和环境需要，组 合成2 7个自由度的多种构型机器人1，其中基座模块连接关节模块，夹爪模块连接连 杆模块，各模块内均设有用于电气连接的电源/信号总线，通过上位控制机器人1动作。所述关节模模块分为转动关节模块30和伸缩关节模块50 ；连杆模块分为直线连 杆模块20、直角连杆模块40和平行连杆模块60。如图1所示，本例机器人是在固定基座模块70上连接第一个转动关节模块30，第 一个转动关节模块30通过第一个直角连杆模块40连接第二个转动关节模块30，第二个转 动关节模块30通过第二个直角连杆模块40连接伸缩关节模块50，伸缩关节模块50依次 通过第一个直线连杆模块20、第三个转动关节模块30、第三个直角连杆模块40、第四个转 动关节模块30、第四个直角连杆模块40、第五个转动关节模块30、第二个直线杆模块20连 接夹爪模块10，构成图1所示的机器入结构，具有6个自由度。其中与所述直线连杆模块 20两端连接的两个关节模块的轴线是共线的；与所述直角连杆模块40连接的前后两个关 节模块的轴线是垂直相交的。本例所述转动关节模块30，如图1 图4所示，包括机械结构单元、驱动传动单元 和运动控制单元三大部分。机械结构单元包括笼形支座303、第二上端盖301、第二下端盖 302、第一制动器安装座313、电位计安装座306、第一码盘安装座314、第二限位挡块304、齿 圈305、小齿轮315、第一外罩316 ；驱动传动单元包括第二直流无刷电机318、第二行星减速 器317、谐波减速器309、第一电磁制动器319、第二增量式码盘320、旋转电位计307 ；运动 控制单元包括DSP控制电路板311、驱动电路板310和电源转换电路板312、霍尔传感器、磁 块、第二 D型连接器308。所述第二上端盖301安装在谐波减速器309的输出端，所述谐波 减速器309安装在笼形支座303上，所述第和二行星减速器317的输出轴安装在谐波减速 器309的输入端，所述第二行星减速器317的外壳安装在笼形支座303上，所述第二直流无 刷电机318的前输出轴安装在第二行星减速器317的输入端，所述第二直流无刷电机318 的定子与所述第二行星减速器317的外壳固接，所述第一电磁制动器319的转子安装在所 述第二直流无刷电机318的后输出轴上，所述第一电磁制动器319的定子安装在所述第一 制动器安装座313上，所述第一制动器安装座313与笼形支座303固接，所述第二增量式码 盘320的光栅盘安装在所述第二直流无刷电机318的后输出轴上，所述第二增量式码盘320 的外壳安装在第一码盘安装座314上，所述第一码盘安装座314与所述第一制动器安装座 313固接，所述旋转电位计307的外壳安装在电位计安装座306上，所述电位计安装座306 安装在笼形支座303上，所述小齿轮315安装在旋转电位计307的转轴上，所述小齿轮315 与所述齿圈305啮合，所述齿圈305与第二上端盖301固接，所述第二限位挡块304分别与 齿圈305和笼形支座303固接，所述DSP控制电路板311、驱动电路板310和电源转换电路 板312通过螺柱连接，并安装在第一码盘安装座314上，所述霍尔传感器贴装在与笼形支座 303固接的第二限位挡块304上，所述磁块贴装在齿圈305上，所述第二 D型连接器308分 别安装在第二上端盖301和第二下端盖302上，所述第二下端盖302安装在笼形支座303上，所述第一外罩316与第二下端盖302连接。所述笼形支座303、第一制动器安装座313和第一码盘安装座314均设有与驱动传 动元器件安装配合的定位止口。所述第二上端盖301和第二下端盖302均设有便于模块相 互连接的定位止口 4和定位销孔5。另外，霍尔传感器和磁块配合使用，以实现转动关节模 块的电气限位；可根据转动的极限位置和零位置任意调整磁块在齿圈上的贴装位置。如图5所示，所述伸缩关节模块50包括第三上端盖501、第三下端盖502、支架 503、上导向伸缩座504、下导向伸缩座505、电机安装座506、第二制动器安装座507、第二码 盘安装座508、第二外罩509、支撑板510、丝杠支撑座511、内压盖512、外压盖513、走线管 514、丝母517、滚珠丝杠518、丝杠轴承座519、光轴522、第三直流无刷电机523、第二电磁制 动器5M及第三增量式码盘525，其中支架503为中空的笼形支架(整体为筒状)，支架壁 上沿轴向开有多个方形孔，以利于布线及支架内的部件散热；在支架503内设有第一凸台 530，该第一凸台530下方的支架503沿径向向内延伸、形成第二凸台531，如图5(f)所示。 丝杠支撑座511通过支撑板510固接在第一凸台530上，如图5 (η)所示，该支撑板510为 扇形，两端分别与丝杠支撑座511及第一凸台530固接；支架503的顶端设有压盖，该压盖 由均为环状的内压盖512及外压盖513组成，如图5 (g)、图5 (h)所示；支架503顶端通过 定位止口与外压盖513相连并固接，内压盖512位于外压盖513的内环，通过定位止口与外 压盖513相连并固接，上导向伸缩座504可由内压盖512的内环伸出；支架503的底部设有 第三下端盖502 ；如图5 (a)、图5 (r)所示，支架503的外表面设有安装在第三下端盖502上 的第二外罩509。在丝杠支撑座511的下方设有与其固接的电机安装座506，如图5(p)所 示，第三直流无刷电机523安装在电机安装座506的笼形罩内，笼形罩顶端为与丝杠支撑座 511固接的法兰盘。如图5(1)所示，丝杠支撑座511上设有定位止口，用于安装丝杠轴承座 519，滚珠丝杠518通过丝杠轴承座519安装在丝杠支撑座511上，并由丝杠轴承座519及 丝杠支撑座511穿出再通过第一联轴器521与第三直流无刷电机523的前输出轴相连接。 所述丝母517安装在上导向伸缩座504的内部、并与滚珠丝杠518螺纹连接，上导向伸缩座 504的顶端固接有第三上端盖501，底部通过定位止口与下导向伸缩座505相连，由螺钉固 接为一体。通过丝母517与滚珠丝杠518的螺旋副将第三直流无刷电机523输出轴的旋转 运动转换为丝母517沿滚珠丝杠518的轴向往复运动，进而使上、下导向伸缩座504、505上 下移动。在支架503内的第二凸台531的下面设有两个半环压片515，如图5(0)所示；所 述支架503内均布有多个光轴522 (本例为四个)，每个光轴522的一端穿过外压盖513上 的通孔与内压盖512固定，另一端穿过第二凸台531上的通孔与半环压片515固接；如图 5 (j)、图5 (k)所示，所述上、下导向伸缩座504,505均为筒状，上、下导向伸缩座504,505外 表面的底部分别均布有与光轴522数量相同(本例为四个)的连接套529，连接套529内设 有直线轴承520，上、下导向伸缩座504、505通过连接套5 及直线轴承520与光轴522相 连，沿光轴522往复运动。光轴522分别通过第二凸台531上的通孔及外压盖513上的通 孔实现径向定位，通过半环压片515和内压盖512实现轴向定位。在丝杠支撑座511上设有供内部走线的走线管514，如图5 (q)所示。所述第二电 磁制动器524的转子与第三直流无刷电机523的后输出轴固接，定子安装在第二制动器安 装座507上，所述第二制动器安装座507固接于支架503内的第二凸台531上。所述第三 增量式码盘525的光栅盘与第三直流无刷电机523的后输出轴固接，第三增量式码盘525的外壳安装在第二码盘安装座508上，所述第二码盘安装座508与第二制动器安装座507固接。 在第二码盘安装座508上通过螺柱分层设有DSP控制器527、驱动电路526及电源转换电路528。如图5(d)、图5(e)所示，第三上端盖501、第三下端盖502均为带有定位止口 4和 定位销孔5的法兰，定位止口 4和定位销孔5便于模块相互连接；第三上、下端盖501、502 上分别设有第三D型连接器516。上、下导向伸缩座504、505的外表面上分别设有磁块，所 述支架503的内表面设有与磁块相对应的霍尔传感器，磁块与霍尔传感器组成电气限位， 可根据伸缩的极限位置和零位置任意调整磁块和霍尔传感器的安装位置；上、下导向伸缩 座504、505上磁块之间的距离即为上、下导向伸缩座504、505的行程距离。本发明中的内 压盖512、外压盖513、上导向伸缩座504、下导向伸缩座505、丝杠支撑座511、电机安装座 506、第二制动器安装座507、第二码盘安装座508及支架503上均设置了定位止口，用于各 部件的同轴安装。伸缩关节模块50的工作原理为第三直流无刷电机523、第二电磁制动器524、第 三增量式码盘525及霍尔传感器的控制端分别与DSP控制器527相连，驱动电路5 接收 到DSP控制器527发出的指令，对第三直流无刷电机523进行驱动控制，第三直流无刷电机 523的前输出轴通过第一联轴器521驱动滚珠丝杠518转动，将第三直流无刷电机523前输 出轴的旋转运动转换为丝母517沿滚珠丝杠518轴向的往复直线运动，并由与丝母517连 接的上导向伸缩座504及与上导向伸缩座504连接的下导向伸缩座505将运动输出，上导 向伸缩座504由内压盖512伸出；霍尔传感器的输出端与DSP控制器527的信号输入端相 连，霍尔传感器接收到磁场的磁力信号，输出电信号至DSP控制器527的输入端，DSP控制 器527接收到该电信号后，对第三直流无刷电机523发出指令，上、下导向伸缩座504、505 已运行到极限位置，第三直流无刷电机523停止工作。与第三直流无刷电机523后输出轴 固接的第二电磁制动器5M在DSP控制器527的控制下实现主动制动或意外掉电制动，安 装在第三直流无刷电机523后输出轴的第三增量式码盘525将电机转动的位置信息实时地 反馈给DSP控制器527，电源转换电路5 负责整个伸缩关节模块各种元器件的供电。本例所述的连杆模块采用直线连杆和直角连杆两种模块结构。如图6所示，直线 连杆模块20为在圆筒型的第一连杆体201两端分别设有连接法兰盘，其内设有电源/信号 总线，其两端的法兰盘结构和与其连接的关节模块端相配合。如图7(a) (b)所示，所述直角连杆模块40是在两连接端面相互垂直的第二连杆体 402同侧分别设有第一保护外罩401、第二保护外罩403，电源/信号总线置于第二连杆体 402和第一、第二保护外罩401、403内，其连接端面为法兰盘结构，和与其连接的关节模块 或夹爪模块10连接端相配合。如图12所示，所述基座模块为固定基座模块70，是由一端带有第一法兰盘703的 外筒702内置内筒701构成，另一端的外筒702和内筒701端形成与其连接的关节模块相 配合的法兰盘结构，其内设有电源/信号总线。如图19所示，所述夹爪模块10包括第一下端盖111、夹爪控制器110、第一 D型连 接器106、支座109、两个导轨103、安装在两导轨103上的两个齿条108、齿轮105、两个对 称的手指102、与手指相连的连接件104、第一限位挡块107、第一上端盖101、霍尔传感器、 磁块及置于支座109内的第一直流无刷电机113、第一行星减速器112和第一增量式码盘 114，所述第一直流无刷电机113的输出轴与第一行星减速器112的输入端连接，第一行星
11减速器112的输出轴与置于支座底板上齿轮安装面1092上的齿轮105连接，第一行星减速 器112的外壳与支座109固接，所述第一直流无刷电机113的外壳与第一行星减速器112 的外壳固接，所述第一增量式码盘114安装在第一直流无刷电机113的后轴上；所述两个导 轨103相对于齿轮105轴心对称安装在支座109上；所述两齿条108分别安装在两导轨103 上，并与齿轮105相啮合；所述第一限位挡块107安装在支座109上，其限位阻挡面位于其 中一个导轨103的一端，用于齿条108限位，使齿条108在导轨103的第一凹槽1032内滑 动；所述手指102 —端通过连接件104与齿条108 —端固接；如图28所示，第一上端盖101 上开有两个用于伸出手指102的第一槽孔1011，所述第一上端盖101的第一槽孔1011穿 过手指102安装在导轨103上；所述第一下端盖111安装在支座109筒口端，其一端安装有 夹爪控制器110，另一端为与其连接的连杆模块相配合的法兰盘结构，所述霍尔传感器贴装 在支座109表面上，其对应的磁块贴转在连接件104下表面，用于电气限位；所述第一 D型 连接器106安装在第一下端盖111的法兰盘端，作为电源/信号总线接口，所述的第一下端 盖111法兰盘端与连杆模块的法兰盘端结构相配合，所述夹爪腔制器110分别与第一直流 无刷电机113、第一增量式码盘114、霍尔传感器和第一 D型连接器106电连接。如图20所示，为夹爪模块10的齿轮105 ；如图21所示，为与齿轮105相配合的齿 条108，其上设有与导轨103相配合的安装结构1081 ；如图22所示，为第一限位挡块107， 其为楔形结构，第一侧板1071上设有通孔1072。如图23所示，为第一下端盖111，其定位 止口 4与支座109的内筒壁相配合，其一端设有夹爪控制器110安装柱，并开有走线口，用 于D型连接器的安装，另一端为与连杆模块相配合的法兰盘结构。如图M所示，支座109 为带底板的筒状结构，筒口端为与连杆模块相配合的法兰盘结构，支座底板1091开有导轨 安转孔，其外端设有一齿轮安装面1092，其上开有齿轮安装孔。如图25所示，导轨103—侧 带有与齿条108安装结构相配合的第一凹槽1032，另侧设有安装板1031，在凹槽顶板1033 上设有上盖安装台1034。如图沈所示，手指102—端带有与连接件104相配合的结构，另 一端为带有凹槽的夹爪。如图27所示，连接件104 —端为与手指102相配合的结构，另一 端为与齿条108 —端相配合连接的结构。如图39所示，为本发明夹爪模块10中采用的夹爪控制器110，其以DSP芯片为 核心，市购产品型号为TMS320F2812，所述DSP芯片单元中其一信号输入端通过CAN通信 模块与电源转换模块连接；其另一信号输入端通过模拟信号模块与驱动场效应管模块输出 端连接；其另一信号输入端与电位计接口模块连接；其另一信号输入端通过光电编码器接 口模块与直流无刷电机接口模块连接；其另一信号输入端通过霍尔传感器接口模块与直流 无刷电机接口模块连接；其另三个信号输入端分别通过连接顺序辨识接口模块、零极位开 关模块及光电编码器接口模块与静电保护芯片模块输出端连接；所述DSP芯片单元其一信 号输出端与制动器控制模块信号输入端连接；其另一信号输出端依次通过光耦隔离芯片模 块和驱动逻辑芯片模块与驱动场效应管模块信号输入端连接；所述电源转换模块输入端和 制动器控制模块输入端与直流电源接口模块输出端连接；所述电源转换模块输入端分别与 CAN通信模块、光耦隔离芯片模块、驱动逻辑芯片模块、制动器控制模块和零极位开关模块 连接；所述直流电源接口模块输出端通过采样电阻模块与驱动场效应管模块连接；所述驱 动场效应管模块分别与模拟信号模块和直流无刷电机接口模块输入端连接。上位机控制机器人运动的基本过程如下上位机将位置、速度等运动指令通过CAN总线发送到组成机器人的转动关节模块30、伸缩关节模块50和夹爪模块10中；上述模 块内置的DSP控制电路根据接收到的指令利用驱动电路驱动各模块直流无刷电机通过传 动链将运动输出；同时，各模块安装在直流无刷电机后输出轴上的增量式码盘将模块的运 动信息实时反馈给DSP控制电路，由此实现闭环控制；此外，DSP控制电路还对霍尔传感器 等输入信息进行实时处理，实时监测模块的运行状态，并通过CAN总线反馈给上位机；上述 模块内置的电源转换电路负责为模块内部的各种元器件供电。实施例2 如图四所示，本例机器人采用固定基座模块70依次连接第一个转动关 节模块30、第一个直角连杆模块40、第二个转动关节模块30、平行连杆模块60、第三个转动 关节模块30、第二个直角连杆模块40、第四个转动关节模块30、第三个直角连杆模块40、第 五个转动关节模块30、第四个直角连杆模块40、第六个转动关节模块30、直线连杆模块20 及夹爪模块10，构成6自由度的机器人结构。本例所述的转动关节模块30、直线连杆模块20、直角连杆模块40、固定基座模块 70及夹爪模块10均与实施例1中结构相同。如图8(a) (b)所示，所述的平行连杆模块60 是在两端为半圆型板的第三连杆体602 —侧设有第三保护外罩601，另一侧靠近两端分设 有连接法兰盘604，其内设有电源/信号总线，在第三连杆体602上开有两第二槽孔603，用 于引出电源/信号总线，其法兰盘结构和与其连接的关节模块连接端相配合。与所述平行 连杆模块60两端连接的两个关节模块的轴线是互相平行的。实施例3 如图30所示，本例机器人采用固定基座模块70依次连接第一个转动关 节模块30、第一个直角连杆模块40、第二个转动关节模块30、平行连杆模块60、第三个转动 关节模块30、第二个直角连杆模块40及夹爪模块10，构成3自由度的机器人结构。本例所述的固定基座模块70、转动关节模块30、直角连杆模块40、平行连杆模块 60及夹爪模块10均与实施例2中结构相同。实施例4 如图31所示，本例机器人采用固定基座模块70依次连接第一个转动关 节模块30、第一个直角连杆模块40、第二个转动关节模块30、第二个直角连杆模块40及夹 爪模块10，构成2自由度的机器人结构。本例所述的固定基座模块70、转动关节模块30、直角连杆模块40及夹爪模块10 均与实施例1中结构相同。实施例5 如图32所示，本例机器人采用固定基座模块70依次连接第一个转动关 节模块30、第一个直角连杆模块40、第二个转动关节模块30、第二个直角连杆模块40、第三 个转动关节模块30、直线连杆模块20及夹爪模块10，构成3自由度的机器人结构。本例所述的固定基座块70、转动关节模块30、直角连杆模块40、直线连杆模块20 及夹爪模块10均与实施例1中结构相同。实施例6 如图33所示，本例机器人采用固定基座模块70依次连接第一个转动关 节模块30、第一个直角连杆模块40、第二个转动关节模块30、平行连杆模块60、第三个转动 关节模块30、第二个直角连杆模块40、第四个转动关节模块30、直线连杆模块20及夹爪模 块10，构成4自由度的机器人结构。本例所述的固定基座模块70、转动关节模块30、直角连杆模块40、直线连杆模块 20及夹爪模块10均与实施例1中结构相同。平行连杆模块60与实施例3中结构相同。实施例7 如图34所示，本例机器人采用固定基座模块70依次连接第一个转动关
13节模块30、第一个直角连杆模块40、第二个转动关节模块30、第一个平行连杆模块60、第三 个转动关节模块30、第二个平行连杆模块60、第四个转动关节模块30、第二个直角连杆模 块40及夹爪模块10，构成4自由度的机器人结构。本例所述的固定基座模块70、转动关节模块30、直角连杆模块40、平行连杆模块 60及夹爪模块10均与实施例6中结构相同。实施例8 如图35所示，本例机器人采用水平移动基座模块80依次连接第一个转 动关节模块30、第一个直角连杆模块40、第二个转动关节模块30、第二个直角连杆模块40、 第三个转动关节模块30、第三个直角连杆模块40、第四个转动关节模块30、第四个直角连 杆模块40、第五个转动关节模块30、直线连杆模块20及夹爪模块10，构成6自由度的机器 人结构。本例所述的转动关节模块30、直线连杆模块20、直角连杆模块40及夹爪模块10 均与实施例1中结构相同。如图13所示，本例所述的水节移动基座模块80包括箱体801、两个对称的端盖板 803、连接法兰814和置于箱体内的线性模组815、拖链802、连接板813、基座控制器812、控 制器安装架805、第二联轴器804、第三行星减速器806、第四直流无刷电机807、第四增量式 码盘810、第三码盘安装座808，所述端盖板803开有U型口，对称安装在箱体801上后形成 带有槽口的盖板，所述线性模组815安装在箱体801内的底部，线性模组815的滚珠丝杠通 过第二联轴器804与第三行星减速器806的输出端连接，所述第三行星减速器806的输入 端与第四直流无刷电机807的前输出轴连接，第三行星减速器806的外壳与第四直流无刷 电机807的外壳固接，并安装在线性模组815的法兰上；所述第四增量式码盘810的光栅盘 安装在第四直流无刷电机807的后输出轴上；所述第四增量式码盘810的外壳通过第三码 盘安装座808安装在第四直流无刷电机807的外壳上；所述基座控制器812通过控制器安 装架805安装在箱体801底部，基座控制器812分别与第四直流无刷电机807、第四增量式 码盘810和线性模组815电连接，用于控制其动作；所述连接法兰814底座安装在线性模 组815的直线滑块上，法兰端结构与关节模块的连接端相配合，并伸出端盖板803的槽口， 用于与转动关节模块30的连接端配合连接；所述拖链802的一端固定在箱体801底部，另 一端通过连接板813与连接法兰814的底座8142固接，在箱体801靠近第四直流无刷电机 807电机的端板上开有CAN总线接口 811和电源接口 809，总线置于箱体801内，通过拖链 延伸至连接法兰814。如图15所示，所述的连接法兰814包括与关节模块相配合的法兰盘8141和与其 连接的底座8142，在法兰盘8141内侧开有第二凹槽8143，且在底座8142和法兰盘8141间 开有与第二凹槽8143连接的通孔，用于穿过总线。如图14所示的箱体801，其一端板上开 有CAN总线接口 811和电源接口 809。如图16所示的基座控制器安装架805，是由相互垂直 的底板8051和侧板8052构成，其上设有基座控制器812安装孔和与箱体底板连接的安装 孔。如图17所示的连接板813为折线型，在连接板813上设有与连接法兰814的底座8142 和与拖链802相连接的安装孔。如图18所示的第三码盘安装座808，是在圆盘8081上设有 带对称切面的圆筒8082构成，其上开有用于安装第四增量式码盘810和用于连接第四直流 无刷电机807外壳的安装孔。基座控制器812与夹爪模块10中的夹爪控制器110结构相 同。
水平移动基座的工作过程如下上位机将位置、速度等运动指令通过CAN总线发 送到水平移动基座模块的控制器上；水平移动基座模块控制器的DSP控制电路根据接收到 的指令利用驱动电路驱动第四直流无刷电机807通过线性模组815将旋转运动转换为水平 直线移动输出；同时，安装在第四直流无刷电机807后输出轴上的第四增量式码盘810将模 块的运动信息实时反馈给基座控制器812的DSP控制电路，由此实现闭环控制；此外，DSP 控制电路还实时监测水平移动基座模块的运行状态，并通过CAN总线反馈给上位机；基座 控制器812的电源转换电路负责为模块内部的各种元器件供电。实施例9 如图36所示，本例机器人采用水平移动基座模块80依次连接第一个转 动关节模块30、第一个直角连杆模块40、第二个转动关节模块30、第一个平行连杆模块60、 第三个转动关节模块30、第二个平行连杆模块60、第四个转动关节模块30、第二个直角连 杆模块40及夹爪模块10，构成5自由度的机器人结构。本例所述的水平移动基座模块80、转动关节模块30、平行连杆模块60、直角连杆 模块40及夹爪模块10均与实施例8中结构相同。实施例10 如图37所示，本例机器人采用水平移动基座模块80依次连接第一个 转动关节模块30、第一个直角连杆模块40、第二个转动关节模块30、第一个平行连杆模块 60、第三个转动关节模块30、第二个直角连杆模块40、第四个转动关节模块30、第三个直角 连杆模块40、第五个转动关节模块30、第四个直角连杆模块40、第六个转动关节模块30、直 线连杆模块20及夹爪模块10，构成7自由度的机器人结构。本例所述的水平移动基座模块80、转动关节模块30、直角连杆模块40、直线连杆 模块20及夹爪模块10均与实施例8中结构相同，平行连杆模块60与实施例9中结构相同。实施例11 如图38所示，本例机器人采用水平移动基座模块80依次连接第一个 转动关节模块30、第一个直角连杆模块40、第二个转动关节模块30、第二个直角连杆模块 40、伸缩关节模块50、第一个直线连杆模块20、第三个转动关节模块30、第三个直角连杆模 块40、第四个转动关节模块30、第四个直角连杆模块40、第五个转动关节模块30、第二个直 线连杆模块20及夹爪模块10，构成7自由度的机器人结构。本例所述的水平移动基座模块80、转动关节模块30、直角连杆模块40、直线连杆 模块20及夹爪模块10均与实施例8中结构相同，所述伸缩关节模块50与实施例1中的结 构相同。本发明中所述关节模块、连杆模块、基座模块和夹爪模块10的输入/输出机械接 口(即连接端)均采用法兰式设计，并使用螺钉紧固，在各机械接口(即法兰盘)的连接端 面上均设有定位止口 4和定位销孔5，便于模块相互连接，如图4(f) (c)所示。所述关节模 块、连杆模块、基座模块和夹爪模块10的输入、输出电气接口(即总线端口)均采用插拔式 D型连接器。本发明中所采用的线性模组、增量式码盘、行星减速器、直流无刷电机、谐波减速 器均为市购产品。
权利要求
1.一种模块化可重构机器人，包括上位机和机器人，所述机器人通过CAN总线与上位 机的CAN通信接口卡连接，其特征在于所述机器人包括基座模块、夹爪模块及两者之间多 个交替连接的关节模块和连杆模块，组合成2 7个自由度的多种构型机器人，其中基座 模块连接关节模块，夹爪模块连接连杆模块，各模块内均设有用于电气连接的电源/信号 总线。
2.如权利要求1所述的模块化可重构机器人，其特征在于所述连杆模块为直线连杆、 直角连杆和平行连杆模块中的两种或三种模块结构；所述直线连杆模块为在圆筒型的第一 连杆体两端分别设有连接法兰盘结构，其内设有电源/信号总线；所述直角连杆模块是在 两连接端面相互垂直的第二连杆体同侧分别设有第一、第二保护外罩，电源/信号总线置 于第二连杆体和保护外罩内；所述平行连杆模块是在两端为半圆型板的第三连杆体一侧设 有第三保护外罩，另一侧靠近两端分设有连接法兰盘，其内设有电源/信号总线，在第三连 杆体上开有两槽孔，用于引出电源/信号总线；所述每个电源/信号总线的两端均设有D型 连接器；与所述直线连杆模块两端连接的两个关节模块的轴线是共线的；与所述直角连杆 模块两端连接的两个关节模块的轴线是垂直相交的；与所述平行连杆模块两端连接的两个 关节模块的轴线是互相平行的。
3.如权利要求1所述的模块化可重构机器人，其特征在于所述基座模块为固定基座 模块，是由在一端带有法兰盘的外筒内置内筒构成，另一端的外筒和内筒端形成与其连接 的关节模块相配合的法兰盘结构，其内设有电源/信号总线。
4.如权利要求1所述的模块化可重构机器人，其特征在于所述基座模块为水平移动 基座，包括箱体、两个对称的端盖板、连接法兰和置于箱体内的线性模组、拖链、连接板、基 座控制器、控制器安装架、第二联轴器、第三行星减速器、第四直流无刷电机、第四增量式码 盘和第三码盘安装座，所述端盖板开有U形口，对称安装在箱体上后形成带有槽口的盖板， 所述线性模组安装在箱体内的底部，线性模组的滚珠丝杠通过第二联轴器与第三行星减速 器的输出端连接，所述第三行星减速器的输入端与第四直流无刷电机的前输出轴连接，第 三行星减速器的外壳与第四直流无刷电机的外壳固接，并安装在线性模组的法兰上；所述 第四增量式码盘的光栅盘安装在第四直流无刷电机的后输出轴上；所述第四增量式码盘的 外壳通过码盘安装座安装在第四直流无刷电机的外壳上；所述基座控制器通过控制器安装 架安装在箱体内，基座控制器分别与第四直流无刷电机、第四增量式码盘和线性模组电连 接，所述连接法兰底座安装在线性模组的直线滑块上，法兰端结构与关节模块的连接端相 配合，并伸出端盖板的槽口，所述拖链的一端固定在箱体底部，另一端通过连接板与连接法 兰的底座固接，在箱体靠近第四直流无刷电机的端板上设有CAN和电源总线接口，总线置 于箱体内，通过拖链延伸致连接法兰。
5.如权利要求1所述的模块化可重构机器人，其特征在于所述夹爪模块包括第一下 端盖、夹爪控制器、第一 D型连接器、支座、两个导轨、安装在导轨上的两个齿条、齿轮、两个 对称的手指、与手指相连的连接件、第一限位挡块、第一上端盖、霍尔传感器、磁块及置于支 座内的第一直流无刷电机、第一行星减速器和第一增量式码盘，所述第一直流无刷电机通 过第一行星减速器与置于支座底板上的齿轮连接，第一行星减速器的外壳与支座固接，所 述第一直流无刷电机的外壳与第一行星减速器的外壳固接，所述第一增量式码盘安装在第 一直流无刷电机的后轴上；所述两个导轨相对于齿轮轴心对称安装在支座上；所述两齿条分别安装在两导轨上，并与齿轮相啮合，第一限位挡块安装在支座上，其限位阻挡面位于其 中一个导轨的一端，齿条在导轨的凹槽内滑动；所述手指一端通过连接件与齿条一端固接； 所述上盖上开有两个槽孔，穿过手指安装在导轨上；所述第一下端盖安装在支座筒口端，其 一端安装有夹爪控制器，另一端为与其连接的连杆模块相配合的法兰盘结构，所述夹爪控 制器分别与第一直流无刷电机、第一增量式码盘和霍尔传感器电连接，所述霍尔传感器贴 装在支座表面上，其磁块贴装在连接件下表面，所述第一 D型连接器安装在下端盖的法兰 盘端，作为电源/信号总线接口，所述第一下端盖法兰盘端与连杆模块的法兰盘端结构相 配合。
6.如权利要求1所述的模块化可重构机器人，其特征在于所述关节模块为转动关节 模块和伸缩关节模块中的一种或两种模块结构。
7.如权利要求1所述的模块化可重构机器人，其特征在于所述关节模块、连杆模块、 基座模块和夹爪模块的法兰盘式连接端面上设有定位止口和定位销孔，所述关节模块、连 杆模块、基座模块和夹爪模块的电源/信号接口均连接有插拔式D型连接器。
全文摘要
一种模块化可重构机器人，属于关节型机器人技术领域。包括上位机和机器人，所述机器人通过CAN总线与上位机的CAN通信接口卡连接，其特征在于所述机器人包括基座模块、夹爪模块及两者之间多个交替连接的关节模块和连杆模块，组合成2～7个自由度的多种构型机器人，其中基座模块连接关节模块，夹爪模块连接连杆模块，各模块内均设有用于电气连接的电源/信号总线。本发明所有模块的电气连接接口均采用插拔式D型连接器；所有模块的机械接口均采用法兰式结构，安装拆卸简单，易于定位。组装后的机器人无电线暴露在外，机器人运动时不会发生电线缠绕问题。关节模块内部均设有机械和电气限位，提高了机器人使用的安全性。
文档编号B25J11/00GK102101290SQ200910248530
公开日2011年6月22日 申请日期2009年12月18日 优先权日2009年12月18日
发明者何能, 余岑, 姜勇, 潘新安, 王洪光 申请人:中国科学院沈阳自动化研究所