專利名稱：一種可重組的模塊化教學(xué)機(jī)器人的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于機(jī)器人技術(shù)，特別涉及一種可重組的、模塊化的教學(xué)機(jī)器人。
技術(shù)背景機(jī)器人是從20世紀(jì)50年代開始進(jìn)行研究的。在研究初期，機(jī)器人主要是應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域。隨著機(jī)器人研究的深入和進(jìn)一步發(fā)展，機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域得到了迅速擴(kuò)展，這些應(yīng)用領(lǐng)域有服務(wù)業(yè)、安全保衛(wèi)工作、建筑行業(yè)等等行業(yè)。
在機(jī)器人發(fā)展的初期，成本是十分昂貴的，這主要是由于在20世紀(jì)80年代，1臺計算機(jī)一般在幾萬元以上，但是隨著計算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，計算機(jī)的應(yīng)用不斷擴(kuò)大，現(xiàn)在的1臺計算機(jī)在市場上也不過只有四千到五千元左右。這為機(jī)器人的廣泛應(yīng)用提供了客觀條件。
近年來我國的素質(zhì)教育提高到了國家戰(zhàn)略的高度，因此如何培養(yǎng)大學(xué)生和中學(xué)生的綜合素質(zhì)是擺在我國教育工作者面前的難題，大家都在思索如何進(jìn)一步深化教學(xué)改革，特別是我國的中學(xué)生素質(zhì)教育問題。從另外的角度來看，開發(fā)出一種能夠適應(yīng)我國教學(xué)改革的新產(chǎn)品機(jī)器人，將具有廣闊的市場前景。
現(xiàn)有的機(jī)器人都包括機(jī)械部分和控制系統(tǒng)，而機(jī)械部分采用不可分割的整體結(jié)構(gòu)，通過控制系統(tǒng)控制整體的運(yùn)作，這就使非專業(yè)人員很難對機(jī)器人的機(jī)械部分有清晰的認(rèn)識，對于教學(xué)上帶來很多不便。
在這樣的前提下，發(fā)明人研究并開發(fā)出了一種新型的教學(xué)機(jī)器人，這種教學(xué)機(jī)器人應(yīng)該能夠達(dá)到培養(yǎng)動手能力、增強(qiáng)學(xué)習(xí)興趣、同時使教學(xué)機(jī)器人能夠配合現(xiàn)在的教學(xué)改革。

發(fā)明內(nèi)容
本實用新型的目的在于克服現(xiàn)有機(jī)器人不可重組、成本昂貴的缺點，提供一種結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉的機(jī)器人。
為了實現(xiàn)上述目的，本實用新型采用的技術(shù)方案為由機(jī)械部分和控制系統(tǒng)組成，機(jī)械部分包括行走模塊、腰部模塊、手腕模塊和夾持裝置，所述的行走模塊、腰部模塊、手腕模塊和夾持裝置分別為獨立的模塊并可拆卸或組合，所述的控制系統(tǒng)包括主控模塊和執(zhí)行模塊。
上述技術(shù)方案中，行走模塊采用四輪結(jié)構(gòu)模式或三輪結(jié)構(gòu)模式，所述的四輪結(jié)構(gòu)由前后各兩個輪組成，并由電機(jī)驅(qū)動后輪，所述的三輪結(jié)構(gòu)由前輪和兩個后輪組成，前輪與操舵輪連接，后輪則由電機(jī)驅(qū)動；所述的腰部模塊包括手臂部分和腰關(guān)節(jié)，所述的腰關(guān)節(jié)可實現(xiàn)圓周轉(zhuǎn)動，所述的手臂部分通過腰關(guān)節(jié)與行走模塊連接，手臂部分包括手臂轉(zhuǎn)動模塊和手臂直線移動模塊，手臂轉(zhuǎn)動模塊通過腰關(guān)節(jié)實現(xiàn)360°轉(zhuǎn)動，手臂直線移動模塊則實現(xiàn)腰部以上部分的上升和下降，所述的手臂轉(zhuǎn)動模塊和手臂直線移動模塊可分別使用，也可結(jié)合在一起使用，通過不同的組合，使得腰部以上模塊(腰部本身只有1種結(jié)構(gòu)，但是以上是多樣的)更加多樣化；所述的手腕模塊與手臂部分連接，并包括一對由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動的圓錐齒輪，用于實現(xiàn)手腕的左右旋轉(zhuǎn)，手腕模塊還可增加一個蝸輪蝸桿傳動機(jī)構(gòu)，用于實現(xiàn)手腕的上下轉(zhuǎn)動功能；所述的夾持器與手臂模塊連接，夾持器采用常見的圓柱體夾持器或立方體夾持器。
本實用新型的機(jī)械部分的每個模塊都是獨立的模塊，模塊之間采用標(biāo)準(zhǔn)化接口實現(xiàn)連接，大大簡化了機(jī)器人的整體結(jié)構(gòu)，并且各個模塊采用多種結(jié)構(gòu)，可自由組合，也可以拆卸，不同以往機(jī)器人都是一體化結(jié)構(gòu)的特點，便于學(xué)習(xí)者在自由組裝的過程中更好地領(lǐng)略機(jī)器人的結(jié)構(gòu)。
上述技術(shù)方案中，所述的控制系統(tǒng)采用開放式的模塊結(jié)構(gòu)，每個控制模塊控制機(jī)械部分的一個模塊，控制系統(tǒng)包括主控模塊和執(zhí)行模塊，采用分級式控制方式，由計算機(jī)作為主控模塊，完成機(jī)器人的整個主控級控制，執(zhí)行模塊則由一組單片機(jī)組成，用來完成機(jī)器人的各個模塊的執(zhí)行級伺服控制。各個控制級之間采用標(biāo)準(zhǔn)RS-232通信協(xié)議進(jìn)行通信，控制系統(tǒng)還包括協(xié)調(diào)模塊和遙控模塊，主控模塊通過協(xié)調(diào)模塊去協(xié)調(diào)各個執(zhí)行模塊，而遙控模塊則可以實現(xiàn)機(jī)器人的遙控，故而機(jī)器人的主控制系統(tǒng)與本體之間不必通過電纜聯(lián)接。
本實用新型相對于現(xiàn)在技術(shù)具有如下的優(yōu)點及效果(1)本實用新型的控制系統(tǒng)主要采用普通計算機(jī)，不需要特殊的設(shè)備，所以成本低廉；(2)本實用新型可以拆卸和組合，可以培養(yǎng)操作者對機(jī)械和電子的興趣，增加有關(guān)知識，有利于教學(xué)；(3)本實用新型提供的機(jī)器人的動作可以通過畫圖實現(xiàn)，還可以通過計算機(jī)進(jìn)行實時遙控；(4)本實用新型提供的機(jī)器人不需要配置電纜，控制方便；(5)本實用新型采用模塊化結(jié)構(gòu)，所以結(jié)構(gòu)簡單；(6)本實用新型具有開放式結(jié)構(gòu)，操作者可以方便編程操作。


圖1a為本實用新型一個實施例的正視結(jié)構(gòu)示意圖；圖1b為本實用新型一個實施例的側(cè)視結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為行走模塊的四輪結(jié)構(gòu)模式后輪結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為腰關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4為手臂轉(zhuǎn)動模塊結(jié)構(gòu)示意圖；
圖5為手臂直線移動模塊結(jié)構(gòu)示意圖；圖6為手腕模塊正視結(jié)構(gòu)示意圖；圖7為手腕模塊俯視結(jié)構(gòu)示意圖；圖8為手腕模塊俯視結(jié)構(gòu)A-A剖視圖；圖9為本實用新型的控制系統(tǒng)框圖；圖10為本實用新型的運(yùn)作框圖；圖11為本實用新型的路徑規(guī)劃框圖；圖12為本實用新型的無線遙控框圖。
具體實施方式
以下結(jié)合附圖對本實用新型做進(jìn)一步的說明，本實用新型的結(jié)構(gòu)示意圖如附圖1所示，其中圖a作為所提供的一個實施例的正視圖，由四輪結(jié)構(gòu)行走模塊6、腰關(guān)節(jié)5、手臂直線移動模塊4、手臂旋轉(zhuǎn)模塊3、手腕模塊2和圓柱體夾持裝置1組成，圖b為實施例的側(cè)視圖。
四輪結(jié)構(gòu)行走模塊由前后各兩個輪組成，前兩輪是萬向輪，用螺釘直接連接到底板上，它們作為隨動輪，只起到支承車體的作用、無導(dǎo)向作用，后兩輪是驅(qū)動輪，用兩臺電機(jī)分別驅(qū)動，后輪的驅(qū)動結(jié)構(gòu)示意圖如附圖2所示，由后輪601、圓筒架602、電機(jī)603、編碼器604、減速箱605、軸承606、緊定螺釘607、軸608、底板609、軸承座610、后輪軸套611、緊定螺栓612組成，電機(jī)603通過減速箱605分別驅(qū)動后輪，通過調(diào)節(jié)兩后輪的轉(zhuǎn)速差來控制機(jī)器人的運(yùn)行速度和轉(zhuǎn)動角速度。后輪和前輪分別做成模塊，可以自由裝拆，后輪模塊通過圓筒架602固定到底板上。
腰關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)示意圖如附圖3所示，腰關(guān)節(jié)包括直流電動機(jī)501、固定電機(jī)架502、緊定螺釘503、編碼器固定架504、同步帶輪505、連軸套筒506、聯(lián)軸器507、螺栓508、編碼器509、支架510、套筒511、軸512、上端蓋513、螺栓514、軸承515、下端蓋516、墊片517、螺母518、外框519等零部件。圖中機(jī)架502和編碼器固定架504分別固定直流電機(jī)501和編碼器509，直流電機(jī)501和同步帶輪505通過連軸套筒506和緊定螺釘503實現(xiàn)緊密連接，而連軸套筒506和編碼器509通過聯(lián)軸器507實現(xiàn)連接；通過同步帶輪505，直流電機(jī)501把動力傳遞到連接到手臂的軸512上。為了安全起見，軸承515由套筒511、上端蓋513和下端蓋516通過螺栓514固定在角鋁510上，而角鋁510就橫架在外框519上；墊片517和螺母518在軸512的下端固定同步帶輪，以實現(xiàn)平穩(wěn)傳動，腰關(guān)節(jié)的外架用螺絲通過螺絲孔508接合。
手臂轉(zhuǎn)動模塊的結(jié)構(gòu)示意如附圖4所示，轉(zhuǎn)動模塊包括內(nèi)寬接頭端401、U型連接頭402、端蓋403、中間軸404、尼龍軸套405、螺釘406、連接座407、外接頭端408和軸承409。
內(nèi)接頭401是寬接頭端，通過螺栓連接前端模塊；外接頭408是窄接頭端，連接后端模塊。U型連接頭402和連接座407分別與內(nèi)接頭401和外接頭408過盈配合，組成轉(zhuǎn)動模塊的兩端。為了減輕重量，提高機(jī)械效率，U型連接頭402和連接座407均采用鋁合金制作。轉(zhuǎn)動模塊由中間軸404鉸接。中間軸404通過安裝下側(cè)的步進(jìn)電機(jī)減速后帶動，從而實現(xiàn)模塊的轉(zhuǎn)動動作。其中，中間軸404與連接座407采用鍵連接。
手臂直線移動模塊負(fù)責(zé)機(jī)器人腰部以上部分的直線移動動作，因此需要較大的傳動比。為了使該模塊的結(jié)構(gòu)更簡潔，設(shè)計時是將減速部件直接設(shè)計在模塊的內(nèi)部，采用絲桿螺母移動的減速方案。此方案不但解決了直線移動模塊的減速傳動，而且簡化了模塊結(jié)構(gòu)，方便制作安裝。手臂直線移動模塊的結(jié)構(gòu)示意圖如附圖5所示。該模塊包括內(nèi)桶301、電機(jī)固定板302、同步帶輪303、同步帶304、同步帶輪箱蓋305、內(nèi)桶端蓋306、外桶307、螺釘308、推進(jìn)部件309、內(nèi)桶固定蓋310、軸承311和絲桿312等零部件。圖中，內(nèi)桶301為移動模塊的內(nèi)桶，采用鋁管制作，用于固定絲桿。內(nèi)桶與前端另一模塊通過螺栓連接。外筒307與絲桿支架309相對固定，絲桿支架309與絲桿配合。當(dāng)絲桿轉(zhuǎn)動時，推動外筒307作直線移動。外桶與內(nèi)桶間隙配合，以便相對滑動。
作為機(jī)器人的手腕，靈活轉(zhuǎn)動是其最大的特點和功能。為了實現(xiàn)夾持器的左右旋轉(zhuǎn)，本實施例采用了一對圓錐齒輪嚙合，并由帶減速器的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動的方案。如附圖6、附圖7、附圖8所示，圖中主要的零件為端蓋201、前殼202、前殼連板203、凸臺204、后殼連板205、連接螺釘206、后殼207、蝸輪軸208、軸承209、固定螺母210、齒輪軸211、套筒212、墊片213、卡簧214、大錐齒輪215、小錐齒輪216、蝸輪217、蝸桿218。
圖中的大錐齒輪215、小錐齒輪216由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動，帶動水平軸上的錐齒輪轉(zhuǎn)動，從而實現(xiàn)了夾持器的旋轉(zhuǎn)。由于考慮到材料和加工等方面的因素，所以外殼選用鋁管材料制作，因為鋁管不僅易于加工，而且外表和造型方面也比較美觀。
一個完整的手腕只有左右旋轉(zhuǎn)的功能是不夠的，除了左右旋轉(zhuǎn)功能外，還應(yīng)具備上下旋轉(zhuǎn)的功能。從聯(lián)系實際和利于操作系統(tǒng)等角度出發(fā)，本實施例給定了上下旋轉(zhuǎn)的運(yùn)動范圍轉(zhuǎn)動角度為120°。傳動機(jī)構(gòu)采用蝸輪217和蝸桿218傳動。利用了蝸輪蝸桿的轉(zhuǎn)遞平穩(wěn)和其獨有的自鎖功能。
前、后連板、蝸輪蝸桿和后殼。由于鋁板強(qiáng)度不夠也不好加工，兩連板采用不銹鋼板制作，后殼為鋁管。
本實施例的夾持器可采用現(xiàn)有常見的夾持器。
本實用新型的控制系統(tǒng)擬采用分級式控制方式，由計算機(jī)作為主控模塊，完成機(jī)器人的整個主控級控制，執(zhí)行模塊則由一組單片機(jī)組成，用來完成機(jī)器人的執(zhí)行級伺服控制。各個控制級之間采用標(biāo)準(zhǔn)RS-232通信協(xié)議進(jìn)行通信。
控制系統(tǒng)框圖如附圖9所示，由四個級別組成，分別是主控級、協(xié)調(diào)級、執(zhí)行級和遙控級。主控級是整個系統(tǒng)的控制核心，通過協(xié)調(diào)級去協(xié)調(diào)各個執(zhí)行級；而遙控級則可以實現(xiàn)機(jī)器人的遙控。
主控級采用普通計算機(jī)，通過無線通信模塊實現(xiàn)和機(jī)器人的相互通信；協(xié)調(diào)級就是主控級與執(zhí)行級之間的接口；執(zhí)行級是機(jī)器人動作的具體實現(xiàn)部分，包括底盤行走機(jī)構(gòu)，機(jī)身各種移動副、轉(zhuǎn)動副，夾持機(jī)構(gòu)等的控制級。
本實用新型所提供的教學(xué)機(jī)器人，其運(yùn)作途徑采用多種形式，例如路徑規(guī)劃、無線遙控等等。在運(yùn)行的過程中可以隨時改變設(shè)置，重新組裝機(jī)器人，重新設(shè)置串口有關(guān)協(xié)議等，進(jìn)行不同組合的機(jī)器人操作，其操作框圖如附圖10所示。
附圖11為路徑規(guī)劃模式的框圖，在規(guī)劃區(qū)域，可以用鼠標(biāo)點擊來設(shè)置路徑，也可以在動態(tài)坐標(biāo)區(qū)域直接輸入路徑的坐標(biāo)點來設(shè)置。在規(guī)劃的同時，會在位置記錄區(qū)域記下整條路徑的坐標(biāo)點數(shù)據(jù)。也就是先以示教的方式來確定機(jī)器人的行走路線，設(shè)置完路徑后，就可以運(yùn)行它，上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后通過串口通訊把路徑數(shù)據(jù)傳給下位機(jī)執(zhí)行相關(guān)操作，讓機(jī)器人按照既定的示教路線行走。也可以暫時保存起來，待以后調(diào)出來運(yùn)行。
附圖12為無線遙控框圖，無線遙控可以是路線不定操作，也可以是路線確定的遙控操作。操作者可以用遙控器來規(guī)劃機(jī)器人的行走路徑，下位機(jī)把記錄下來的路徑參數(shù)傳給上位機(jī)，上位機(jī)處理后，就會在路徑規(guī)劃區(qū)域完整地把整條路徑畫出來，畫路徑的方式是實時的、動態(tài)的方式，即使機(jī)器人遙控通過的位移很小，都可以立刻在路徑規(guī)劃區(qū)域顯示，遙控示教完成后，可以以路徑重現(xiàn)的方式，讓機(jī)器人在自動的方式下按照先前遙控規(guī)劃的路徑重新行走演示。也可以把遙控示教路徑保存起來，在需要時再調(diào)出來演示。
在程序運(yùn)行期間，上位機(jī)和下位機(jī)之間要進(jìn)行大量的數(shù)據(jù)通訊，如何確保通訊的及時、準(zhǔn)確、高效率是一個很重要的問題，特別是上位機(jī)。一般地，串口通訊有查詢和中斷兩種方式，中斷適合單片機(jī)，對計算機(jī)反而不適合。為了數(shù)據(jù)能夠及時有效得到處理，上位機(jī)的串口服務(wù)程序采用輪詢和線程結(jié)合的自動方式，另外創(chuàng)建一個線程來專門做串口數(shù)據(jù)的收發(fā)，將串行通信功能封裝在一個線程中，利用線程的不斷執(zhí)行從而達(dá)到自動化的目的。這樣就形成了應(yīng)用程序的多線程模式，程序執(zhí)行效率高，數(shù)據(jù)處理及時快速。
本實施例提供的機(jī)器人具備如下參數(shù)外形尺寸范圍0.7m(L)×0.5m(W)×0.7m(H)～1.2m×1.2m×1.4m；行走部分最大速度1m/s；行走部分最小轉(zhuǎn)彎半徑0m；腰關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動角度0～360°；腰關(guān)節(jié)最大轉(zhuǎn)動速度10rpm；手臂轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)最大轉(zhuǎn)動角度±90°；手臂轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動最大速度5rpm；手臂移動關(guān)節(jié)移動距離200mm；手臂移動關(guān)節(jié)移動最大速度0.3m/s；手腕關(guān)節(jié)數(shù)2；手腕轉(zhuǎn)動角度120°；手腕轉(zhuǎn)動最大速度3rpm；夾持器的最大持重2kg。
權(quán)利要求1.一種可重組的模塊化教學(xué)機(jī)器人，由機(jī)械部分和控制系統(tǒng)組成，其特征在于機(jī)械部分包括行走模塊、腰部模塊、手腕模塊和夾持裝置，所述的行走模塊、腰部模塊、手腕模塊和夾持裝置分別為獨立的模塊并可拆卸或組合。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種可重組的模塊化教學(xué)機(jī)器人，其特征在于所述的機(jī)器人本體控制不帶電纜，電源由24V電池供電。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種可重組的模塊化教學(xué)機(jī)器人，其特征在于所述的行走模塊采用四輪結(jié)構(gòu)模式或三輪結(jié)構(gòu)模式；所述的四輪結(jié)構(gòu)由前后各兩個輪組成，并由電機(jī)驅(qū)動后輪，所述的三輪結(jié)構(gòu)由前輪和兩個后輪組成，前輪與操舵輪連接，后輪由電機(jī)驅(qū)動。
4.根據(jù)權(quán)利3所述的一種可重組的模塊化教學(xué)機(jī)器人，其特征在于所述的腰部模塊包括手臂部分和腰關(guān)節(jié)，所述的手臂部分通過腰關(guān)節(jié)與行走模塊連接。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種可重組的模塊化教學(xué)機(jī)器人，其特征在于所述的手臂部分包括手臂轉(zhuǎn)動模塊和手臂直線移動模塊。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種可重組的模塊化教學(xué)機(jī)器人，其特征在于所述的手腕模塊與手臂部分連接，并包括一對由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動的圓錐齒輪，或包括蝸輪蝸桿傳動機(jī)構(gòu)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種可重組的模塊化教學(xué)機(jī)器人，其特征在于所述的夾持器與手腕模塊連接。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種可重組的模塊化教學(xué)機(jī)器人，其特征在于所述的控制系統(tǒng)采用開放式的模塊結(jié)構(gòu)，每個模塊控制機(jī)械部分的一個模塊。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的一種可重組的模塊化教學(xué)機(jī)器人，其特征在于所述的控制系統(tǒng)包括主控模塊和執(zhí)行模塊，所述的主控模塊由計算機(jī)實現(xiàn)，所述的執(zhí)行模塊由單片機(jī)實現(xiàn)。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的一種可重組的模塊化教學(xué)機(jī)器人，其特征在于所述的控制系統(tǒng)還包括協(xié)調(diào)模塊和遙控模塊，所述協(xié)調(diào)模塊與主控模塊和執(zhí)行模塊交互。
專利摘要本實用新型提供了一種可重組的模塊化教學(xué)機(jī)器人，由機(jī)械部分和控制系統(tǒng)組成，機(jī)械部分包括行走模塊、腰部模塊、手腕模塊和夾持裝置，行走模塊、腰部模塊、手腕模塊和夾持裝置分別為獨立的模塊并可拆卸或組合。本實用新型通過模塊之間的自由組合，使得機(jī)器人的結(jié)構(gòu)更加容易理解，適合教學(xué)上使用。
文檔編號G09B25/00GK2777679SQ200420082899
公開日2006年5月3日 申請日期2004年8月16日 優(yōu)先權(quán)日2004年8月16日
發(fā)明者張鐵, 李杞儀, 李琳, 謝存禧, 鄧建明 申請人:華南理工大學(xué)