一种自重构模块化可移动式机器人系统模块单元的制作方法
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及机器人技术领域，特别是自重构模块化机器人系统。
【背景技术】
[0002]模块化机器人系统是一种能根据任务的需要和环境的变化，自主重组成有用构形的机器人系统。它一般是由许多个一种或有限的几种通用模块通过连接组成，各模块间有统一的接口环境，可用于传递力、运动、能量和通信，通过模块之间的连接断开操作进行重组改变整体构形，扩展运动形式，完成多种运动及操作任务。与传统的特定构形机器人相比，自重构机器人具有环境适应能力强、可自行修复、自变形等优点，可以应用于多种不同的场合和完成不确定的任务。
[0003]自上世纪八十年代末以来，可重构及自重构机器人的研究得到了迅速的发展，成为近年来机器人技术研究普遍关注的热点之一。可重构机器人技术的发展得益于该机器人在未来的应用场景，包括未知及极限环境中侦察、灾难环境救援、军事领域、空间探测等方面均有良好的潜在应用价值。在国外，典型的与本实用新型相关的模块化机器人有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的单个模块是一种外形为约50mm的正方体，具有一个旋转自由度，最大旋转角度为180°，每个模块具有两个连接面用于模块之间的连接。通过多个模块的组合，该模块系统可以完成多种运动方式及构型。但是，该模块的最大缺点是单个模块不可运动，且只有在较多个模块的组合时，才能体现出模块化机器人整体的优点。SuperBot的单个模块在外形上类似两个PolyBot组合而成，但在两个PolyBot之间增加了一个旋转自由度，所以每个SuperBot具有3个自由度，两个可以旋转180°，另一个自由度可以连续旋转。SuperBot与PolyBot具有同样的缺点，但是也有所改进。同时，SuperBot的结构相对复杂。iMobot是外形为长方体集成度比较高的单个模块，每个模块具有四个自由度，单个模块的运动功能比较强，有蠕动式及依靠两侧的方轮旋转实现的两个主要运动方式。但由于iMobot的主体和侧轮同样大小，主体充当支架的时候便要求地面平整才可以轮式移动。做蠕动运动时也有很多的局限性，如运动缓慢，对地面的要求比较高等。
[0004]虽然经过几十年的发展，模块化重构机器人在技术上已经取得了很大的进步，但在硬件设计方面依然存在着许多难题。最急需解决的一个问题就是通用模块的设计，以提高模块的适用范围。
【发明内容】
[0005]本实用新型目的是克服现有技术中模块机器人单个模块设计上存在的上述问题，提供一种自重构模块化可移动式机器人系统模块单元。
[0006]该自重构模块化可移动式机器人系统模块单元包括，外被动架(1)、自转内立方体(2 )、转向面板(3 )及磁铁机械复合主动连接机构(4)。外被动架(1)为U型结构，自转内立方体(2)外形为长方体，外被动架与自转内立方体为相邻构件且具有相对转动关系，外被动架为自转内立方体的旋转提供所需空间，该自由度为连续旋转自由度。转向面板(3)为带倒圆角的正方形，转向面板位于自转内立方体的一个平面，转向面板与自转内立方体为相邻构件且具有相对转动关系，该自由度为连续旋转自由度，旋转轴贯穿转向面板中心以及自转内立方体的中心，并与自转内立方体的自转轴垂直，该三部分构成了本模块的运动载体。
[0007]模块单元具有两个相互垂直的连续旋转的自由度，分别驱动自转内立方体相对于外被动架旋转及驱动转向面板相对于自转内立方体旋转，两个自由度独立驱动，实现直行、转向等多种功能。
[0008]单个模块的外被动架携带摄像头，作为可移动全方位摄像头。
[0009]单个模块的移动功能可以服务于多模块之间的自重构，重构后，模块的自由度可以用于多模块组合中的旋转关节，重构成链式及网式构型。
[0010]单一转向面板的旋转可以实现转向运动，具有两种转向实现方式选择，分别为由转向面板边角驱动或转向面板平面驱动，两个自由度的配合运动可以实现两自由度全方位云台功能，当外被动架携带摄像头，模块的自由度可以同时服务于摄像头自身环境中的位置控制及摄像头摄像方位的控制，该模块的自由度可以直接用于多模块组合后构成旋转关节，可以重构成链式及网式构型。在于该模块两个自由度分别负责直线行走于转向运动，并且该自由度可以用于多模块构型，提供相互垂直的连续旋转的自由度。
[0011 ] 两电机均固定于自转内立方体内部，两电机的输出轴相交且垂直，一个电机的输出轴与外被动架相连，驱动自转内立方体相对于外被动架实现连续旋转。另一个电机的输出轴与转向面板相连，驱动转向面板相对于自转内立方体实现连续旋转，若此电机没有旋转输出，转向面板便作为自转内立方体的一个面，随着自转内立方体的运动而运动。每个模块具有两个连续旋转的自由度，对于单个模块可以实现五种运动方式，多个模块的组合可以实现更多种的运动功能。
[0012]本实用新型的控制系统包括四部分，主控单元及三套传感单元，在外被动架、自转内立方体、转向面板上各有一套传感单元，外被动架携带视频采集及红外测距传感系统，自转内立方体携带码盘、陀螺仪、加速计及在连接面上的红外测距传感系统，在转向面板上具有码盘，红外测距传感系统，主控芯片、主电池及电机均在自转内立方体内部，主控芯片对传感器传来的信息进行处理并作出决策，向电机发出控制命令，执行运动。
[0013]本实用新型设计可以实现如下功能
[0014]依据不同的机器人位姿及电机控制，单个模块可以实现五种不同的运动方式:
[0015]1、当模块的自转内立方体的四个面之中的任何一个面与地面接触时，通过控制与外被动架的电机顺时针旋转，另一个电机处于伺服状态，机器人可以实现前进直线运动。
[0016]2、当模块的自转内立方体的四个面之中的任何一个面与地面接触时，通过控制与外被动架的电机逆时针旋转，另一个电机处于伺服状态，机器人可以实现后退直线运动。
[0017]3、当模块的转向面板的一条边与地面接触时，通过控制与转向面板的电机执行顺时针或逆时针旋转，另一个电机处于伺服状态，机器人可以实现顺时针或逆时针转向，该旋转以外被动架与地面接触的中心为旋转中心。
[0018]4、当模块的转向面板的方形面整体与地面接触时，通过控制与转向面板的电机执行顺时针或逆时针旋转，另一个电机处于伺服状态，机器人可以实现顺时针或逆时针旋转，该旋转的旋转轴即为驱动外被动架的电机的输出轴。
[0019]5、当模块的转向面板的方形面整体与地面接触时，通过同时控制驱动自转内立方体的电机及驱动转向面板的电机执行指定命令，可以将外被动架的底面指向任何方位，实现一个全方位的云台。
[0020]6、在多模块的复杂构型中，单元模块可以作为任何一个单方向的旋转自由度关节，也可以作为具有垂直旋转轴的两自由度旋转关节。
[0021]本实用新型的优点和积极效果:
[0022]本实用新型最重要的就是模块单元通过仅仅的两个自由度，实现单个模块的多种运动方式，同时该自由度可以用于多个模块之间的运动传递，大大提高了自由度的价值。
[0023]由于两个电机、电池及主驱动器都位于自转内立方体内部，使得模块单元的中心在自转内立方体中心附近，结合自转内立方体连续旋转的运动使得单个模块具有较快的运动速度。同时由于自转内立方体的类似立方结构，运动过程中具有一定的足式运动特征，使得模块对于地面环境的适应能力较强，对地面的要求比较低，可以在草地、沙地