[發(fā)明專利]一種模塊化自重構(gòu)機(jī)器人及其變形控制方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201210270345.X
• 申請(qǐng)日: 2012-07-31
• 公開（公告）號(hào): CN102765087A
• 公開（公告）日: 2012-11-07
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 宋光明;王雅利;喬貴方;李臻;王衛(wèi)國
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 東南大學(xué)
• 主分類號(hào): B25J9/16
• 分類號(hào): B25J9/16;B25J9/00
• 代理公司: 南京天翼專利代理有限責(zé)任公司 32112
• 代理人: 湯志武

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域，涉及機(jī)器人的重構(gòu)變形，為一種模塊化自重構(gòu)機(jī)器人及其變形控制方法。

背景技術(shù)

模塊化自重構(gòu)機(jī)器人由若干具有一定自治能力和感知能力的單元模塊組成。各模塊具備統(tǒng)一機(jī)械和電氣接口，可自主對(duì)接組裝為各種聯(lián)體構(gòu)型并可相互轉(zhuǎn)換，從而實(shí)現(xiàn)不同的運(yùn)動(dòng)和操作功能。模塊化自重構(gòu)機(jī)器人的主要特點(diǎn)是自重構(gòu)功能和自修復(fù)功能，要求模塊化自重構(gòu)求機(jī)器人能夠根據(jù)環(huán)境、任務(wù)的變化，在不同的構(gòu)型之間實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換，從而能有效的完成一些更加復(fù)雜的、高難度的任務(wù)。“一”構(gòu)型應(yīng)用于爬行狹長的通道或者是跨越溝壑，當(dāng)?shù)孛姝h(huán)境比較崎嶇的時(shí)候，我們需要將“一”構(gòu)型變換為“十”構(gòu)型，運(yùn)用仿生形的步態(tài)控制，跨越障礙物。為了適應(yīng)復(fù)雜的環(huán)境和滿足多變的任務(wù)，在不同構(gòu)型之間實(shí)現(xiàn)變換的控制方法成為模塊化自重構(gòu)機(jī)器人研究中重要問題之一。

日本AIST機(jī)械工程實(shí)驗(yàn)室研制的M-TRAN模塊化自重構(gòu)機(jī)器人，基本模塊由兩個(gè)半圓柱體和連接桿組成，機(jī)器人的變形是基于模塊的兩個(gè)半圓柱體在空間內(nèi)相對(duì)翻轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)的，對(duì)于控制方法的定位精度要求較高，因此變形的局限性很大。PaloAlto研究中心設(shè)計(jì)的PolyBot自重構(gòu)機(jī)器人，它屬于鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)的自重構(gòu)機(jī)器人，機(jī)器人變形過程中是利用SMA形狀記憶合金實(shí)現(xiàn)對(duì)接，SMA形狀記憶合金耗電多，機(jī)器人結(jié)構(gòu)的計(jì)算分析和控制較困難，實(shí)現(xiàn)大面積的自重構(gòu)任務(wù)的難度和代價(jià)較大。

發(fā)明內(nèi)容

針對(duì)現(xiàn)有方法的不足，本發(fā)明提供一種模塊化自重構(gòu)機(jī)器人“一”構(gòu)型和“十”構(gòu)型的變形控制方法。能簡單有效的實(shí)現(xiàn)單體之間的分離、自動(dòng)對(duì)接，完成由“一”構(gòu)型和“十”構(gòu)型的變形，最終能處理更加復(fù)雜的、高難度的任務(wù)。

本發(fā)明的技術(shù)方案為：一種模塊化自重構(gòu)機(jī)器人，由至少三個(gè)單體連接構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)“一”構(gòu)型和“十”構(gòu)型，所述單體由前、中、后三個(gè)關(guān)節(jié)依次連接組成，所述關(guān)節(jié)包括兩個(gè)U形框和舵機(jī)，所述U形框由一個(gè)底面和兩個(gè)連接臂組成，連接臂對(duì)稱設(shè)置在底面的兩側(cè)；兩個(gè)U形框的連接臂上設(shè)有鉸接孔，兩個(gè)U形框通過鉸接孔鉸接在一起，轉(zhuǎn)動(dòng)連接，舵機(jī)固定在其中一個(gè)U形框內(nèi)，驅(qū)動(dòng)另一個(gè)U形框轉(zhuǎn)動(dòng)；前、中、后三個(gè)關(guān)節(jié)之間通過U形框的底面相互固定連接，所述單體放置在水平面上時(shí)，前關(guān)節(jié)和后關(guān)節(jié)俯仰轉(zhuǎn)動(dòng)，中關(guān)節(jié)左右轉(zhuǎn)動(dòng)；

所述單體連接構(gòu)型，“一”構(gòu)型時(shí)，各單體前后關(guān)節(jié)相連成直鏈，單體之間相互連接的U形框底面上分別設(shè)有對(duì)接錐頭和卡接孔，底面中間設(shè)有對(duì)接錐頭的U形框稱為對(duì)接公頭，底面中間設(shè)有卡接孔的U形框稱為對(duì)接母頭，所述對(duì)接錐頭與卡接孔構(gòu)成卡接結(jié)構(gòu)，對(duì)接公頭的底面中間設(shè)有圓孔，對(duì)接錐頭穿過所述圓孔連接一旋轉(zhuǎn)齒輪，對(duì)接公頭的底面上還設(shè)有直流電機(jī)，所述直流電機(jī)的輸出軸驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)齒輪，帶動(dòng)對(duì)接錐頭旋轉(zhuǎn)，對(duì)接錐頭側(cè)面設(shè)有卡齒，卡接孔直徑與對(duì)接錐頭一致，設(shè)有對(duì)應(yīng)所述卡齒的卡槽，對(duì)接公頭與對(duì)接母頭連接時(shí)，對(duì)接錐頭對(duì)應(yīng)卡槽位置穿過卡接孔，旋轉(zhuǎn)后，卡齒卡在卡接孔未設(shè)卡槽的邊緣，實(shí)現(xiàn)卡接；

“十”構(gòu)型時(shí)，將“一”構(gòu)型中的單體分為首模塊、中間模塊和尾模塊三個(gè)部分，十字交叉點(diǎn)位于中間模塊，中間模塊在所述十字交叉點(diǎn)位置的兩側(cè)設(shè)有連接面，連接面上設(shè)有卡接孔，首模塊和尾模塊通過連接錐頭連接至所述連接面的卡接孔，得到“十”構(gòu)型；其中，首模塊和尾模塊與連接面連接的U形框底面上設(shè)有一對(duì)紅外接收管，連接面上設(shè)有一對(duì)紅外發(fā)射管。

上述模塊化自重構(gòu)機(jī)器人的變形控制方法，由上位機(jī)控制將“一”構(gòu)型變形為“十”構(gòu)型，將“一”構(gòu)型分為首模塊、中間模塊和尾模塊三部分，每個(gè)模塊包括至少一個(gè)單體，十字交叉點(diǎn)位于中間模塊，“一”構(gòu)型時(shí)，中間模塊的兩端為對(duì)接母頭，首、尾模塊通過對(duì)接公頭連接中間模塊，“一”構(gòu)型變形為“十”構(gòu)型時(shí)，所述三部分模塊分解：待分解處的對(duì)接公頭的直流電機(jī)旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)對(duì)接錐頭旋轉(zhuǎn)，對(duì)應(yīng)卡接孔的卡槽位置，首、尾模塊分別向遠(yuǎn)離中間模塊的方向直線移動(dòng)，使首、尾模塊和中間模塊實(shí)現(xiàn)完全分離，所述直線移動(dòng)通過單體前關(guān)節(jié)與后關(guān)節(jié)的俯仰轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)作，利用關(guān)節(jié)與地面的摩擦力，波浪式直線移動(dòng)；然后中間模塊通過單體的中關(guān)節(jié)左右轉(zhuǎn)動(dòng)，利用前、后關(guān)節(jié)與地面的摩擦力，調(diào)整角度旋轉(zhuǎn)90°，和首、尾模塊成垂直狀態(tài)，首、尾模塊再向著中間模塊的方向直線移動(dòng)，根據(jù)首尾模塊對(duì)接公頭上的紅外接收管，以及中間模塊對(duì)接面上的紅外發(fā)射管，通過紅外強(qiáng)度與距離的關(guān)系建立數(shù)學(xué)模型，通過紅外接收管接收的紅外強(qiáng)度值推算出對(duì)接公頭與對(duì)接面的距離，當(dāng)對(duì)接公頭距對(duì)接面距離達(dá)到設(shè)定的對(duì)接距離閾值，自動(dòng)對(duì)接過程開始：