專利名稱：虛擬環(huán)境中快速組裝模塊機器人產(chǎn)品的方法與技術的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及的是一種設備制造與設計技術領域的方法，具體的說，是一種虛擬環(huán) 境中快速組裝模塊機器人產(chǎn)品的方法。
背景技術：
機器人是一種自動化的機器，所不同的是這種機器具備一些與人或生物相似的智 能能力，如感知能力、規(guī)劃能力、動作能力和協(xié)同能力，是一種具有高度靈活性的自動化機 器。模塊機器人產(chǎn)品采用機器人作為產(chǎn)品的內部框架，外部覆蓋其它材料以表現(xiàn)產(chǎn)品的美 感，進一步操控機器人運動，則整個產(chǎn)品外形會發(fā)生變化，從而體現(xiàn)出它的動態(tài)之美。采用 基于塑料模塊(如LEGO模塊)組裝成機器人產(chǎn)品，不僅可以滿足產(chǎn)品制作過程中不斷拆卸 和組裝的要求，而且能夠減輕產(chǎn)品的質量，使其更加靈活。雖然本技術起源于動態(tài)雕塑藝術 品，但它可以用于任何產(chǎn)品原型的設計與制造，在以下文章中，“雕塑品”與“產(chǎn)品”兩者互換 或意思相同。此外，LEGO模塊機器人產(chǎn)品還可以是一種快速原型系統(tǒng)。LEGO模塊是一種由LEGO公司制造的積木玩具。模塊機器人雕塑品主要是 由LEGO關節(jié)模塊和LEGO連桿模塊組裝而成的動態(tài)雕塑品。如圖1所示具有“凸起 管”(stud-and-tube)結構的磚塊稱為連桿單元模塊。模塊之間的連接有兩種，第一種連 接稱為“剛性”連接，即連接在一起的兩個模塊之間沒有相對運動。這種連接是通過模塊 上的stud及stud inlet來裝配實現(xiàn)，如圖1(a)和圖1(b)所示的stud和stud inlet結 構。通過這種連接器連接而成的模塊稱為連桿模塊，在機器人學中，其特點是各個單元模塊 間不產(chǎn)生相對運動，如圖1(c)所示。第二種連接器稱為關節(jié)，有兩種主要的關節(jié)分別稱為 Pin和Axle，如圖2 (a)所示。它們分別與圖2(b)和圖2(c)中連桿單元模塊的Pinhole和 Axlehole連接。在機器人中，其特點是各個連桿間產(chǎn)生相對轉動或相對移動。如圖2(d)所
7J\ ο經(jīng)過對現(xiàn)有虛擬環(huán)境中實現(xiàn)由LEGO模塊組成的模型的組裝方法進行研究發(fā)現(xiàn)， 專門用于搭建這種模型的軟件已經(jīng)存在，這里稱為LEGO軟件。從這些軟件界面中的零件 庫窗口拖動零件至編輯區(qū)域中其他模塊附近，這兩個模塊會自動按照stud-stud inlet, pin-pinhole等連接在一起。但是大部分LEGO軟件中所搭建的模型的模塊間的裝配關系不 能被識別，因此當拖動一個模塊時，其他的模塊不會跟隨該模塊運動。在另外一些LEGO軟 件中，如SR 3DBUilder軟件中，雖然模型的模塊間的裝配關系可以被識別，但是當拖動由 不同的連桿和關節(jié)組成的模型中的任意一個模塊時，其余的模塊不能按照相應的裝配關系 產(chǎn)生相應的運動。也就是說，建立的模型不是一個機構。機構是一組(剛體)連桿的組合， 移動其中一個連桿，迫使另一個相關連桿，使其依照組合所形成的規(guī)律，產(chǎn)生一種運動。因 此，不能在LEGO軟件中搭建模塊機器人。目前對于在3D軟件中組裝基于LEGO模塊的模型已經(jīng)有一些研究。但是模型的裝 配都是采用標準的裝配方法，即通過插入零件——選擇配合實體——確定配合關系來實現(xiàn) 裝配的。這種方法操作繁瑣，效率較低，不適合模塊機器人雕塑品這種需要模塊數(shù)目較大的系統(tǒng)的裝配。在Solidworks軟件中，利用智能配合技術可以拖動一個模塊至裝配體中目標配 合實體，即裝配體中模塊參與配合的面或邊線，這樣兩個配合實體就自動裝配在一起。這在 一定程度上能夠提高整個模型的裝配效率。如圖3所示，在Solidworks軟件中，模塊機器 人雕塑品中連桿單元間的配合表現(xiàn)為兩個模塊(模塊Ml和模塊M2)中的三個配合模塊 Ml中兩個stud圓邊線A和B與模塊M2中對應的兩個stud圓邊線A’和B’間的同軸心配 合以及模塊Ml的底面C和模塊M2的頂面C’間的重合配合。采用Solidworks智能配合技 術，一次拖動模塊只能實現(xiàn)一個配合參考實體與裝配體中目標配合實體的配合。所以，采用 智能配合技術，無論先實現(xiàn)LEGO連桿單元三個配合中的哪個配合，都會使其余兩個配合關 系很難實現(xiàn)或者出現(xiàn)不理想的裝配效果。綜上所述，目前對于在虛擬環(huán)境中模塊機器人雕塑的裝配效率仍然不高，已經(jīng)給 出的研究主要存在兩個問題在專門用于搭建基于LEGO模塊的模型的軟件中，雖然可以快 速搭建模型，但是最終搭建的模型不是機器人；3D軟件中可以組裝模塊機器人雕塑品，但 是組裝效率很低。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于為虛擬環(huán)境中模塊機器人以及相關的以機器人為基礎的產(chǎn)品 的組裝提供了一種用戶友好，高效的快速裝配方法與技術。本發(fā)明采用的技術方案是在原來連桿單元模塊結構的stud inlet結構中增加 一個“凸起結構”特征，這一特征附加在原模塊上。這一特征可以取代兩個特征，即同時實 現(xiàn)兩個配合，如圖3所示的圓邊線A和A’的同軸心配合以及面C和C’的重合配合。將這 一特征稱為復合特征。在此復合特征的基礎上，模塊機器人產(chǎn)品的裝配效率得到了很大的提尚。兩個LEGO連桿單元模塊組裝成連桿的過程只需要兩個步驟首先，拖動一個模塊 至裝配體中目標配合實體，該復合特征使得模塊機器人產(chǎn)品的組裝過程更加方便，快捷。在此特征基礎上，LEGO連桿單元模塊的兩個通用的特征(同軸心和重合配合)就 可以同時實現(xiàn)。從而只需要一次操作就能在虛擬環(huán)境中裝配兩個模塊，同樣使用該特征能 裝配兩個連桿。


圖1為連桿單元模塊結構示意2為關節(jié)模塊結構示意3為兩個連桿單元間的裝配關系示意4為虛擬環(huán)境中連桿單元stud inlet中增加的“凸起結構”示意5為結構改變后的連桿單元間快速裝配過程示意6為轉動關節(jié)模塊與連桿單元快速裝配過程示意7為移動關節(jié)模塊與連桿單元快速裝配過程示意圖
具體實施例方式下面結合附圖和實例對本發(fā)明作詳細說明。本發(fā)明在原來連桿單元模塊結構的stud inlet結構中，增加一些“凸起結構”特 征，其橫截面剖視圖如圖4所示，其中圓弧的圓心0位于stud inlet相對應的頂面stud圓 柱的軸線上，半徑R與stud圓柱半徑相等。該特征附加在原模塊上。這一特征可以取代兩 個特征，即同時實現(xiàn)兩個配合，如圖3所示的圓邊線A和A’的同軸心配合以及面C和C’的 重合配合。將這一特征稱為復合特征。在此復合特征的基礎上，模塊機器人產(chǎn)品的裝配效率得到了很大的提高，其具體 裝配過程如下(1)將兩個連桿單元模塊裝配成為連桿模塊，其過程如下a)分別設置兩個“凸起結構”底面圓邊線為主要參考實體和第二參考實體，設置一 個stud底面圓邊線為第三參考實體，分別如圖5所示的1、2和3 ；b)將帶有配合參考的模塊拖放至裝配體中連桿單元的stud圓邊線附近，完成一 個同軸心和重合配合；c)最后按住Alt鍵，拖動插入的連桿單元的stud圓柱面至裝配體中連桿單元的 Stud圓柱面附近，完成另一個同軸心配合。從而完成了連桿模塊的快速裝配。(2)裝配帶有轉動關節(jié)模塊pin的模塊a)設置轉動關節(jié)模塊pin圓邊線A為主要參考實體；b)將帶有配合參考的pin拖放至裝配體中具有pinhole結構的連桿的圓邊線A’ 附近，完成圓邊線A與A’的同軸心和重合配合，使轉動關節(jié)與連桿相對轉動。如圖6所示。(3)裝配帶有移動關節(jié)模塊axle的模塊a)設置移動關節(jié)模塊axle面B為主要配合參考實體；b)將帶有配合參考的axle拖放至裝配體中具有axlehole結構的連桿面B’附近， 完成面B和面B’的同軸心配合；c)然后按住Alt鍵，拖動C面至C’面附近，實現(xiàn)C面與C’面的重合配合。使移動 關節(jié)與連桿相對移動。如圖7所示。這樣就可以快速方便的組裝模塊機器人產(chǎn)品。在標準的裝配過程中，完成兩個連 桿單元的三個配合需要七個步驟——插入零件以及分別選擇兩個零件各自的三個配合實 體。采用本發(fā)明所提供的方法，只需要兩個步驟——拖動零件至目標配合實體，拖動該零件 另外的配合實體至其對應的目標配合實體。如果采用該方法需要3秒鐘，那么采用標準的 裝配方法則需要10秒鐘，當裝配體中模塊數(shù)量增多時，甚至需要更多的時間。按這樣計算， 如果裝配體需要1000個LEGO連桿單元模塊，采用新技術需要50分鐘，而采用標準的裝配 方法則至少需要2小時47分鐘。而且隨著模塊數(shù)量增多，新技術會遠比傳統(tǒng)的方法耗費的 時間少。在組裝模塊機器人產(chǎn)品的過程中，以上所述的對連桿模塊單元模塊結構的改變是 開發(fā)者即發(fā)明者的任務，用戶不需要做這部分工作。本發(fā)明通過改變連桿單元模塊結構來 實現(xiàn)模塊機器人雕塑品的快速裝配，對虛擬環(huán)境中模塊機器人產(chǎn)品的快速裝配具有重要的
眉、ο
權利要求
一種虛擬環(huán)境中快速組裝模塊機器人產(chǎn)品的技術及系統(tǒng)，其特征在于建立在Solidworks軟件及LEGO模塊基礎上的一種用戶友好，高效的快速裝配方法與技術。
2.根據(jù)權利要求1所述的一種虛擬環(huán)境中快速組裝模塊機器人產(chǎn)品的技術及系統(tǒng)，其 主要特征是在原來連桿單元模塊結構的stud inlet中增加一個“凸起結構”特征，在此特 征基礎上，兩個通用的特征(同軸心和重合配合)就可以同時實現(xiàn)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種虛擬環(huán)境中快速組裝模塊機器人雕塑產(chǎn)品的方法與技術，其特征在于，建立在Solidworks軟件及LEGO模塊系統(tǒng)的基礎上的一種快速方便的裝配。本發(fā)明的本質是在原來連桿單元模塊結構的stud inlet結構中增加一個“凸起結構”特征，這一特征附加在原模塊上。在此特征基礎上，LEGO連桿單元模塊的兩個通用的特征(同軸心和重合配合)就可以同時實現(xiàn)。從而只需要一次操作就能在虛擬環(huán)境中裝配兩個模塊，同樣使用該特征能裝配兩個連桿。本發(fā)明為虛擬環(huán)境中模塊機器人以及相關的以機器人為基礎的產(chǎn)品的組裝提供了一種用戶友好，高效的快速裝配方法與技術。
文檔編號B23P19/04GK101934471SQ200910054109
公開日2011年1月5日 申請日期2009年6月30日 優(yōu)先權日2009年6月30日
發(fā)明者張壇, 章文俊 申請人:張壇