专利名称：一种通用机器人形体组件的制作方法
技术领域：
本发明提供一种机器人形体组件，属于机器人技术领域。
背景技术：
现代机器人行业越来越发达，各种各样的机器人层出不穷，都是各个研究所或机 器人公司独立研发的，其构造和运行方式都各不相同，这是由于目前机器人行业没有一种 通用的组件或制造标准。当机器人的设计和制作每次都从最底层开始的时候，就会有很多 重复劳动，耗费很多不必要的社会资源。专利CN100488732C提出了一种机器人组件的制作 标准，它将机器人的很多功能组件模块化、标准化，如电源模块、控制模块、传感器模块等， 这使得机器人的设计有所简化，设计人员可以通过这些模块的灵活组合实现多样化的功 能，这有很重要的意义。但是机器人作为现代工业或军事使用，光有多样化的功能还不够， 它的肢体还要足够的灵活，要有足够的鲁棒性，要尽量避免因某一外部形体组件损坏而瘫 痪的问题。目前，很多机器人常因某个机械运动组件的故障导致全部功能无法正常使用，而 且由于组件是由特定的公司所制造，组件的制造没有统一标准，在本地区往往买不到相应 的组件用来更换，这使机器人的维护、维修变得相当困难，有时甚至会造成严重的后果。
发明内容
本发明提供一种通用的机器人形体组件。它由旋转模块、伸縮模块和弯曲模块组 成，旋转模块、伸縮模块和弯曲模块之间可以任意顺序、数量相互连接，模块的两端分别是 一个航空标准的插头和插座，各模块之间易于连接。此组件与其他组件连接时采用串行连 接的方式，各个组件共用信号线和电源线，每个组件都有唯一的硬件编号作为与CPU通讯 的依据。 旋转模块由两个圆筒状、同轴连接的部件组成，两个部件可以沿共同的轴线转动， 部件之间有阻止部件转动的锁紧装置，部件内部有驱动部件转动的电磁装置和脉冲电路。 模块以脉冲的方式运动，脉冲的间隙由锁紧装置配合进行锁紧，便于控制和承受一定的载 荷。 伸縮模块由两个圆筒状、同轴连接、可以沿轴线做活塞式运动的部件组成，部件内
部有阻止部件运动的锁紧装置和驱动部件运动的电磁装置和脉冲电路。模块以脉冲的方式
运动，脉冲的间隙由锁紧装置配合进行锁紧，便于控制和承受一定的载荷。 弯曲模块由两个一端连在一起并可以绕端点旋转的空心部件组成，部件之间有阻
止部件转动的锁紧装置，部件内部有驱动部件旋转的电磁装置和脉冲电路。模块以脉冲的
方式运动，脉冲的间隙由锁紧装置配合进行锁紧，便于控制和承受一定的载荷。 各模块之间的机械连接采用统一标准、易于连接且强度可靠的接头，电连接采用
统一的、航空标准的接头。模块内部两个部件之间的电连接采用电刷结构或者直接用导线
连接，不同的是电刷结构可以使弯曲模块弯曲行程不受限制，旋转模块旋转行程不受限制，
直接用导线连接行程会受到导线长度的限制。
模块内部有脉冲发生电路、状态检测电路、信号接收/发送电路、动作控制电路、 锁紧控制电路。状态检测电路负责实时检测各模块的旋转角度、弯曲角度和伸縮位移等状 态信息。信号接收/发送电路负责从公用信号线上解码出目标信号，并将状态信号编码后 发送到公用信号线上。动作控制电路负责根据目标信号控制设备进行相应的操作。锁紧控 制电路负责在脉冲电路发生脉冲时解除模块的锁紧状态，在发生脉冲的间隙和动作前后无 脉冲时对模块实施锁紧。CPU通过状态检测电路发送的状态信息调控各模块的运动。
各模块与CPU之间的通信采用总线式结构。 本发明所述的机器人形体组件可以与专利CN100488732C所述的各种组件连接在 一起构成各种形态、具有行走能力的机器人，其姿态可采用程序进行控制，以适应不同的外 部环境。这种机器人可以摆脱轮式机器人的限制，跨越障碍物，在复杂的地形中作业。任一 形体组件发生损坏，可立即用另一形体组件进行更换或重新组合现有的形体组件，此操作 甚至可由机器人自行完成。机器人需要完成复杂的的动作或改变工作方式时可以即时连接 新的形体组件或改变现有形体组件的连接方式，整个操作过程非常简便，即连即用。本发明 所述的形体组件不局限于某种特殊领域或某种特定的机器人，本发明可应用于军事、工业、 安保、教育等多种领域。
图1为机器人形体组件各模块的外观示意图，其中1为旋转模块，2为伸縮模块，3 为弯曲模块。 图2为旋转模块结构示意图。 图3为旋转模块锁紧片示意图。 图4为旋转模块透视图。 图5为伸縮模块结构示意图。 图6为伸縮模块透视图。 图7为伸縮模块锁紧片示意图(凸纹在凹面)。 图8为伸縮模块B部内壁的线圈分布示意图。 图9为伸縮模块A部的凸纹结构(凸纹在凸面)。 图10为伸縮模块A部的磁极与B部的线圈相互作用示意图。 图11为弯曲模块结构示意图。 图12为弯曲模块透视图。 图13为形体组件各模块与CPU的通讯方式示意图。 图14为人形机器人的形体组件构成示意图。 图15为蛇形机器人的形体组件构成示意图。
具体实施例方式
此机器人通用形体组件由旋转模块、伸縮模块、弯曲模块三种模块组成。附图1是 这三种模块的外观示意图，其中1为旋转模块，2为伸縮模块，3为弯曲模块。
旋转模块由两个可以绕同一个轴旋转的部件组成，附图2为旋转模块的结构示意 图，其中4为模块的外壳，5为锁紧装置的定位弹簧，6为锁紧片，7为模块的旋转轴。锁紧
4片的结构如附图3所示，盘片上有径向均匀分布的凸纹，两个锁紧片可以通过此凸纹互相咬合，其中8为旋转定位孔，9为旋转轴安装孔，10为凸纹。附图4为旋转模块的透视图，11为驱动旋转模块转动的电磁装置，其结构与普通的电动机类似。 非工作状态下，旋转模块的锁紧片在定位弹簧的作用下互相咬合在一起，确保旋转模块的两个部件不会发生相对转动。当旋转模块工作时，脉冲发生电路会发出一个适当宽度的脉冲电流，使两个部件之间产生转矩，同时使两个锁紧片沿轴向相反方向移动，互相松开，当两个部件旋转一个小角度后脉冲电流停止，这时两个锁紧片在定位弹簧的作用下重新咬合在一起，转动停止。每发生一个脉冲电流，旋转模块转动一个小角度。当旋转模块需要转动一个较大的角度时可以采取转动若干次的方式来完成目标。 伸縮模块由两个沿轴互相套在一起的部件(A部、B部)组成，附图5为伸縮模块的结构示意图，附图6为伸縮模块的透视图，其中12为A部，17为B部，13为锁紧装置定位弹簧，14为锁紧片，15为电磁装置的线圈，位于B部的内壁，与A部的磁极相对应；16为伸縮模块的旋转轴，固定于B部的空腔内；附图7为伸縮模块锁紧片的结构示意图，锁紧片为一个弧形的金属片，金属片的凹面上有沿母线方向分布的弧形凸纹结构；附图8为B部内壁上的线圈分布示意图；图9为伸縮模块A部上与锁紧片相对应部分表面上的凸纹结构示意图，与锁紧片的结构类似，凸纹与磁极交替排列，凸纹与锁紧片对应，磁极与线圈对应。图10为伸縮模块A部的磁极与B部的线圈相互作用示意图，其中19为线圈，20为电流方向，21为排列于A部上的磁极；线圈互相靠的很近，线圈的边缘与磁极的中心相对应，当电流沿图示的方向流动时，线圈会受到向左的作用力。 非工作状态下伸縮模块的锁紧片在弹簧的作用下与A部表面上的凸纹咬合在一起，使伸縮模块的两个部分无法相互移动。当伸縮模块工作时，脉冲发生电路会发出一个适当宽度的脉冲电流，使两个部件之间产生作用力，同时使锁紧片离开A部表面，当两个部件相对移动一个短距离后脉冲电流停止，这时锁紧片在定位弹簧的作用下重新与A部咬合在一起，伸縮运动停止。每发生一个脉冲电流，伸縮模块就会伸长或縮短一个较小的长度。当伸縮模块需要伸縮一个较大的长度时可以采取伸縮若干次的方式来完成目标。
弯曲模块由两个连接于一个短轴上、可沿短轴转动并使两者产生一定角度的部件组成。附图11是弯曲模块的结构示意图，附图13为弯曲模块的透视图，其中22为弯曲模块的A部，23为弯曲模块的B部，24为驱动弯曲模块产生动作的电磁装置，其结构与普通电机类似，25为锁紧装置的定位弹簧，26为锁紧片，其结构与旋转模块的锁紧片相同，如图3所示，27为B部表面上的凸纹结构，与锁紧片的位置相对应。 非工作状态下弯曲模块的锁紧片在弹簧的作用下与B部表面上的凸纹咬合在一起，使弯曲模块的两个部分无法相互转动。当弯曲模块工作时，脉冲发生电路会发出一个适当宽度的脉冲电流，使两个部件之间产生力矩，同时使锁紧片离开B部表面，当两个部件弯曲一个小角度后脉冲电流停止，这时锁紧片在定位弹簧的作用下重新与B部咬合在一起，弯曲运动停止。每发生一个脉冲电流，弯曲模块的两个部件之间就会增加或减少一个小角度。当弯曲模块需要变换一个较大的角度时可以采取变化若干次的方式来完成目标。
模块之间的机械连接采用统一标准、易于连接且强度可靠的接头，电连接采用统一的、航空标准的接头。模块内部两个部件之间的电连接采用电刷结构或者直接用导线连接，不同的是电刷结构可以使弯曲模块弯曲行程不受限制，旋转模块旋转行程不受限制，直
5接用导线连接行程会受到导线长度的限制。 模块内部有脉冲发生电路、状态检测电路、信号接收/发送电路、动作控制电路、锁紧控制电路。状态检测电路负责实时检测各模块的旋转角度、弯曲角度和伸縮位移等状态信息。信号接收/发送电路负责从公用信号线上解码出目标信号，并将状态信号编码后发送到公用信号线上。动作控制电路负责根据目标信号控制设备进行相应的操作。锁紧控制电路负责在脉冲电路发生脉冲时解除模块的锁紧状态，在发生脉冲的间隙和动作前后无脉冲时对模块实施锁紧。CPU通过状态检测电路发送的状态信息调控各模块的运动。
各模块与CPU的通信采用总线式结构，如图13所示。各模块与CPU之间使用同一条通信线缆，每个模块内部都有唯一且固定的硬件编号，CPU所发出的指令以及硬件发送到CPU的状态信息均包含硬件的编号，因此不会与其它硬件发生冲突。 附图14是一个人形机器人的形体组件构成示意图。其中28为人形机器人的CPU，
29为弯曲模块，30为旋转模块，31为弯曲模块，32为伸縮模块，33为弯曲模块，34为旋转模
块，35为弯曲模块，36为伸縮模块。每个机器臂由一个弯曲模块、一个旋转模块、一个弯曲
模块和一个伸縮模块按顺序连接而成，可以实现多自由度、复杂的动作。 附图15是一个蛇形机器人的形体组件构成示意图。其中37为蛇形机器人的CPU，
38为一个形体组件，它由一个旋转模块、一个弯曲模块和一个伸縮模块连接而成。39、40、41
和42与38的构成相同，都作为蛇形机器人的一个肢节使用，可以互相调换位置。蛇形机器
人工作时如果其中一个肢节发生故障则可用其它肢节替换，这使机器人的稳定性和可靠性
都大大增强。 本发明所述的机器人形体组件可以与专利CN100488732C所述的各种组件连接在一起构成各种形态、具有行走能力的机器人，其姿态可采用程序进行控制，以适应不同的外部环境，例如机器人可以使用伸縮模块的伸縮功能随时改变自己的身高或手臂长度，使用弯曲模块的弯曲功能完成弯腰的动作，使用旋转模块的功能完成转身的动作等。这种机器人可以摆脱轮式机器人的限制，跨越障碍物，在复杂的地形中作业。任一形体组件发生损坏，可立即用另一形体组件进行更换或重新组合现有的形体组件，此操作甚至可由机器人自行完成。机器人要完成复杂的的动作或改变工作方式时可以即时连接新的形体组件或改变现有形体组件的连接方式，整个操作过程非常简便，即连即用。本发明所述的形体组件可以降低机器人的研发、维护、升级等费用，节约社会资源。本发明所述的形体组件不局限于某种特殊领域或某种特定的机器人，本发明可应用于军事、工业、安保、教育等多种领域。
权利要求
一种通用机器人形体组件，包括旋转模块、弯曲模块和伸缩模块，三种模块可以任意顺序、数量相互连接。
2. 权利要求1所述的旋转模块、弯曲模块和伸縮模块具有统一的机械接口和电接口。
3. 权利要求1所述的旋转模块、弯曲模块和伸縮模块共用电源线和信号线。
4. 权利要求1所述的旋转模块、弯曲模块和伸縮模块都具有唯一且固定的硬件编号作 为与CPU通讯的依据。
5. 权利要求1所述的旋转模块、弯曲模块和伸縮模块采用脉冲电流驱动、锁紧装置保 持的方式运行。
6. 权利要求5所述的锁紧装置采用具有凸纹结构的锁紧片实现锁紧。
7. 附图仅为说明性的图形，不作为机械加工的标准，任何在不改变本发明基本思想的 基础上进行附加、修饰或简化的行为均视为对本发明专利的侵权。
全文摘要
本发明提供一种机器人形体组件，属于机器人技术领域。它由旋转模块、伸缩模块和弯曲模块组成，旋转模块、伸缩模块和弯曲模块之间可以任意顺序、数量相互连接，模块的两端分别是一个航空标准的插头和插座，各模块之间易于连接。此组件与其他组件连接时采用串行连接的方式，各个组件共用信号线和电源线，每个组件都有唯一的硬件编号作为与CPU通讯的依据。使用此通用形体组件可以降低机器人的研发、维护、升级等费用，节约社会资源，并使机器人肢体灵活，具有较好的自我修复能力。
文档编号B25J9/08GK101758498SQ20091002434
公开日2010年6月30日 申请日期2009年10月16日 优先权日2009年10月16日
发明者郭超 申请人:郭超