一種三足機器人系統的製作方法

2023-09-21 20:50:00 1

專利名稱：一種三足機器人系統的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種機器人系統，尤其涉及的是一種分布控制式模塊 化三足機器人系統。
背景技術：
作為一種具有高度靈活性的柔性自動化機電設備，機器人在現代化工 農業生產和人類日常生活中得到了越來越廣泛的應用。通過編程和配置， 機器人能夠完成不同的任務、適應不同的需求。近年來，在機器人領域出 現了多種形式的模塊化機器人。通過模塊化，對機器人系統進行分解，形 成一 系列具有適當粒度規模的功能單元，從而提高了機器人的可重用性和 可移植性。但是，目前模塊化機器人技術仍存在一些問題，例如對控制系 統的組織關係和總體架構有較大的限制，用戶二次開發的難度較大，模塊 間通訊交互較為簡單原始等。
因此可見，現有技術存在一定缺陷，需要進行進一步地改進。

實用新型內容
為了克服現有機器人系統通用性差、擴展難度大等不足，本實用新型 提供了一種三足機器人系統，其組裝方便、通用性強、成本低、易於二次 開發和功能擴展。
本實用新型的技術方案如下
本實用新型提供了一種三足機器人系統，所述機器人系統包括多個 用於執行動作的運動功能模塊、用於協調各個功能模塊之間工作的協同功
5能模塊；
所述每一功能模塊的兩端均設置有用於與其它功能模塊相連的電氣接 口、通訊接口和機械接口；所述多個執行功能模塊和協同功能模塊通過所 述電氣接口、通訊接口和機械接口互相連接，並拼裝成一三足機器人結構；
在所述每一個功能模塊中還設置有一用於控制自身模塊工作的控制單 元，所述協同功能模塊利用自身的控制單元按預定的頻率持續產生同步控 制指令，並將該同步控制指令通過與所述通訊接口相連的通訊總線傳輸給 各個運動功能模塊，每一個運動功能模塊利用自身的控制單元根據接收到 的同步指令控制自身按相應的運動數據執行運動操作。
其中，所述三足機器人系統還包括用於供電的電源功能模塊，此功 能模塊通過其上設置的電氣接口 、通訊接口和機械接口與系統中其它各個 功能模塊相連，此功能模塊用於對電源的輸出進行穩壓濾波後，輸出給系 統中其它各個功能模塊，同時，此功能模塊還用於實時監測電源電壓和電 流，當電流過大或電壓不足時，通過通訊總線通知系統中其它各個功能模 塊。
其中，所述三足機器人系統還包括用於感知外部環境的認知功能模 塊，該功能模塊通過其上設置的電氣接口、通訊接口和機械接口與系統中 其他各個功能模塊相連，該功能模塊中設置有多組用於獲知所述三足機器 人系統相對於外部環境的各種狀態信息的傳感單元，此多組傳感單元的輸 出端通過自身功能模塊的通訊接口連接所述通訊總線。
其中，所述每一個功能模塊均包括消息語義解釋單元、總線通訊單 元、控制單元和局部知識庫；所述總線通訊單元的一側通過通訊接口與所 述機器人系統的通訊總線相連，所述總線通訊單元的另一側通過所述消息 語義解釋單元連接所述控制單元，所述控制單元還與所述局部知識庫相連，
所述局部知識庫用於存儲預先設置的控制指令或運動數據，所述袒制單元 用於通過所述消息語義解釋單元和總線通訊單元，從所述通訊總線上獲得控制指令或向所述通訊總線發出 一系列的控制指令。
其中，所述每一個運動功能模塊還包括PWM脈衝生成單元、電機伺 服單元；所述控制單元通過所述PWM脈衝生成單元連接所述電.機伺服單 元，所述PWM脈衝生成單元用於根據所述控制單元的控制指令生成脈衝調 制信號，並將該脈衝調製信號送入到所述電機伺服單元中，用以控制電機 運轉執行相應的運動操作。
其中，所述機器人系統還包括輔助連接件，該輔助連接件通過與系 統中各個功能模塊相連構成三足機器人結構。
其中，所述三足機器人系統中，多個運動功能模塊通過一截面為三角 形的輔助連接件構成一三足機器人結構，此機器人結構的每一足由多個所 述運動功能模塊通過各自的電氣接口 、通訊接口和機械接口首尾順次連接 構成；所述協同功能模塊設置在所述輔助連接件上，所述協同功能模塊通 過自身設置的電氣接口 、通訊接口和機械接口連接與輔助連接件相鄰的所 述運動功能模塊。
其中，所述用於供電的電源功能模塊設置在所述輔助連接件上，所述 電源功能模通過自身設置的電氣接口 、通訊接口和機械接口連接與輔助連 接件相鄰的所述運動功能模塊。
其中，所述認知功能模塊配備三個光電反射式傳感器，所述三個光電 反射式傳感器分別4^安裝在所述輔助連接件的三個角上。
其中，所述協同^t塊中還包括 一全局知識庫和一串口通訊單元；所 述控制單元與所述全局知識庫相連；所述串口通訊單元通過所述消息予以 解釋單元與所述控制單元相連；
所述協同模塊通過其上設置的串口通訊單元與外部PC機相連，用於從、 所述PC機上獲得全局控制指令及同步信息，並將所獲得的數據信息存儲在 所述協同模塊內的全局知識庫中。
本實用新型將機器人系統按多智能分布控制方式進行模塊分解，每個模塊均包含獨立的智能控制單元，具有一定的自治能力，能夠通過適當的 通訊方式進行信息交互，實現模塊間的協同合作與竟爭。與現有技術相比， 本實用新型所提供的模塊化三足機器人採用分布式開放架構，各個功能模 塊間通過總線實現信息交互和同步協調，既保證了模塊的通用性、重用性 和可擴展性，又降低了機器人組裝和配置的難度，因而可廣泛應用於教育 娛樂、家庭服務、科研實驗、複雜環境檢測等機器人功能需求複雜多變的 場合。


圖1為本實用新型的機器人系統的組成框圖； 圖2為本實用新型的運動功能模塊的結構示意圖； 圖3為本實用新型的協同功能模塊的結構示意圖； 圖4為本實用新型實施例的機械結構示意圖。
具體實施方式
以下對本實用新型的較佳實施例加以詳細說明。
如圖1所示，本實用新型提供的分布控制式模塊化三足機器人系統， 其系統內包括多個具有獨立控制單元的可互相連接、並且能執行一定功能 的功能模塊，各個功能模塊通過相應的接口互相連接拼裝成一三足機器人 結構。上述多個功能模塊都設置有用於與其它功能模塊相連的連接接口 ， 此連接接口包括電氣接口、通訊接口和機械接口等等。所述機器人系統還 可以包括輔助連接件等輔助單元。
如圖1所示，本實用新型中的各個功能模塊根據所要執行的功能可以 分為以下四種
(1)用於執行動作指令的運動功能模塊201，此功能模塊可以用於完 成一個自由度的旋轉關節運動，其機械結構可以採用現有技術中的已知部件，根據所要執行功能的要求來安排其完成相應的動作。如圖1所示，運
動功能模塊201可以採用多個可執行旋轉運動的旋轉模塊(1, n)。
(2) 用於協調各個功能模塊之間工作的協同功能模塊204，此功能模 塊實現了機器人系統各個功能模塊之間的協同合作與竟爭仲裁等，同時， 此功能模塊可通過其上設置的串行接口與PC機等外部設備205通訊,實現 操作者及外部設備對機器人的控制操作和協同，協同功能模塊204可從PC 機等外部設備205上獲得全局控制指令及同步信息，並依據這些信息進行 同步控制指令的生成。
(3) 用於供電的電源功能模塊203，此功能模塊通過其上設置的電氣 .接口、通訊接口和機械接口與系統中其它各個功能模塊相連，此功能模塊
用於對電源的輸出進行穩壓濾波後，輸出給系統中其它各個功能模塊，同 時，此功能模塊實時監測電源電壓和電流，當電流過大或電壓不足時，通 過通訊總線通知系統中其它各個功能模塊，其它功能模塊可停止動作或做 其它必要反應。
(4) 用於感知外部環境的認知功能模塊202，此類模塊可實現機器人 系統對環境進行認知與感測，如視覺圖像識別等。此類功能模塊中設置有 多組傳感單元，用於獲知所述三足機器人系統相對於外部環境的各種狀態
.信息，此多組傳感單元的輸出端通過自身功能^^莫塊的通訊接口連接所述通 訊總線，並將相關信息傳送給其他功能模塊。這裡的傳感單元可以包括視 覺模塊(如攝像設備)、測障模塊(如紅外測障傳感設備)等等，這些傳感 單元或模塊均可以釆用現有技術中的已知模塊，認知功能模塊對各傳感信 息進行融合、識別。比如，通過在機器人系統的適當位置安裝紅外測障傳 感器，並由相應認知模塊實時讀取傳感器輸出.佶息並加以融合，則可以形 成在一定程度上描述機器人外部障礙分布的認知信息，這一信息可以被用 於指導機器人的行走和避障等。
為了構建最基本的機器人系統，至少應該包括多個上述運動功能模塊和一個協同功能模塊，如圖2所示，在上述每一個功能模塊中還設置有 一用於控制自身模塊工作的控制單元301,協同功能模塊204利用.自身的控 制單元按設定的頻率持續產生同步控制指令，並將該控制指令通過與所述 通訊接口相連的通訊總線傳輸給各個運動功能模塊，每一個運動功能模塊 利用自身的控制單元301根據接收到的同步控制指令讀取預先存儲的運動 數據，並控制自身按相應的運動數據執行運動操作，其中各個功能模塊通 過通訊總線進行數據的交流。
在這一最基本的機器人系統結構的基礎上，還可以添加電源功能模 塊，該功能模塊通過其上設置的電氣接口、通訊接口和機械接口與其他各 個功能模塊相連，從而實現機器人系統對供電電池的有效管理和合理利用。 同時，在這一最基本的機器人系統結構的基礎上，還可以添加認知功能 模塊202，該功能模塊通過其上設置的電氣接口、通訊接口和機械接口與其 他各個功能模塊相連，用戶實現機器人系統對外部環境的獨立認知，使其 結構更靈活、功能更全面，擴展性更強。這裡的認知功能模塊202可以由 多組傳感單元構成，並通過自身模塊的通訊接口連接所述通訊總線。對於 搭建後的三足機器人系統，可通過函數生成、特徵點定義等多種方式生成 運動數據，然後以在線或離線方式下載並存儲到各個運動模塊的局部知識 庫中，並通過同步節拍信號協調動作，完成預定運動行為,機器人.也可以根 據認知才莫塊的輸出信息進行動作實時反應。
如圖2和圖3所示，上述機器人系統中，可以實現不同功能的每一個 功能模塊均可以包括控制單元301、局部知識庫302、消息語義解釋單元 303和總線通訊單元304;總線通訊單元304的一側通過通訊接口與機器人 系統的通訊總線相連，總線通訊單元304的另一側通過所述消息語義解釋 單元303連接控制單元301，控制單元301還與局部知識庫302相連，局部 知識庫302用於存儲預先設置的同步控制指令或運動數據，控制單元301 用於通過所述消息語義解釋單元和總線通訊單元>^人所述通訊總線上獲得同
10步控制指令或向所述通訊總線發出一系列的控制指令。局部知識庫單元302 實現本模塊相關信息知識的維護，包括消息語義庫、步態動作數據、運行 狀態信息、運行參數等。
圖2給出了本實用新型機器人系統的單個功能模塊的基本結枸，但對 於實現不同功能的功能模塊，其還需要添加一些單元。如圖2所示，用於 執行動作指令的運動功能模塊還包括PWM脈衝生成單元305和電機伺服 單元306;控制單元301通過PWM脈衝生成單元305連接電機伺服單元306， 所述控制單元301栘-據接收到的同步控制指令讀取局部知識庫302中預先 存儲的運動數據，並將該運動數據送入PWM脈衝生成單元305中，PWM 脈衝生成單元305才艮據控制單元301的控制指令生成脈衝調製信號，並將 該脈衝調製信號送入到所述電機伺服單元中，用以控制電機運轉執行相應 的運動操作。而對於用於協調各個功能模塊之間工作的協同功能模塊204, 如圖3所示其還包括 一全局知識庫307和串口通訊單元308,控制單元 301與全局知識庫307相連；串口通訊單元308通過消息予以解釋單元303 與控制單元301相連；協同功能模塊通過其上設置的串口通訊單元308與 外部PC才M目連，用於從PC機上獲得全局控制指令及同步信息，並將所獲 得的數據信息存儲在協同模塊內的全局知識庫307中。這裡的全局知識庫 307用於維護與三足機器人系統全局相關的控制策略和狀態信息，而串口通 訊單元308用於與PC及其它外部設備連接通訊。
通常電源功能模塊只提供一種電壓的電源，所以，如圖2和罔3所示， 在每一個功能模塊中還需要配有相應的電壓轉換單元，用於將電源線上的 電壓轉換為本功能模塊中各個元器件所需要的工作電壓值，這屬於公知常 識，在此不作詳細i兌明。
從上述說明可以看出，本實用新型是在原有機器人控制系統的^S^出上， 進行模塊化的分解，獲得了多種功能模塊，並基於此，將實現每一種功能 的模塊都設計一獨立的控制單元，對本模塊的功能進行獨立的處理。而各個模塊通過其上設置多個連接接口進行互相,接，實現數據和能量的互通。
本實用新型機器人系統各個功能模塊之間採用總線進行通訊，如I2C總
線，用戶可以才艮據需要選配或指定不同的主控單元完成協調任務。 以下將針對一個具體的例子說明本實用新型的機器人系統結構組威。
如圖4所示，本實用新型的機器人系統為搭建一定的結構，還可以包 括輔助連接件211，圖4中，採用六個運動功能模塊201通過一截面為三 角形的輔助連接件211構成一三足機器人結構，此機器人結構的每一足由 多個運動功能模塊通過各自的電氣接口 、通訊接口和機械接口首尾順次連 接構成，而協同功能模塊和電源功能模塊設置在所述輔助連接件上，並通 過自身設置的電氣接口 、通訊接口和機械接口連接與輔助連接件相鄰的所 述運動功能模塊。如圖4所示，運動功能模塊201可以設置在多個機械連 接件210上，每個連接件210均包括樞軸212、可繞樞軸212旋轉的第一 結構件213、和可繞樞軸212 4t轉的第二結構件214,第一結構件213和第 二結構件214的一端通過樞軸212相連，第一結構件213和第二結構件214 的另一端設置有電氣接口、通訊接口和機械接口。這裡所達的連接件210 可以採用公知結構，如公開號為101009055A的中國專利"用於構建模塊化 機器人的新型簡易拼裝模塊"所公開的拼裝模塊。其中每一個運動功能模 塊201中都含有一個8位單片機，由單片機(MCU)實現才 :塊智能控制， 並通過接口 P-Servo控制外部的伺月良舵機驅動關節運動機構，實現關節運 動。此實施例中控制電路和驅動電路通過i茲珠進行隔離，用於防止電機及 驅動電路對控制電路的幹擾。從圖4中可以看出，各個功能模塊的機械連 接件之間可以通過螺栓連接接口相連，並且在各個功能模塊的端面還設置 有電氣接口和通訊接口 ，各個功能模塊通過各自的接口利用通訊總線進行 數據互通。由於該實施例所示的機器人功能較為簡單，協同功能模塊的工 作也可以集成到其中的 一個運動功能模塊中進行兼任。
如圖4所示的三足機器人結構，運動功能模塊分成三組，每組兩個連
12接完成上下方向的旋轉擺動，形成一隻機械足，三個機械足通過一個三角
形輔助連接件連接在一起，相鄰兩隻機械足之間的夾角為120度。每個機 械足的兩個運動功能模塊以不同的幅度和相位旋轉時，可產生向前的拉力 或向後的推力。通過協同功能模塊控制各機器足產生不同方向的驅動力， 可使三足機器人分別向平面內六個方向行走。如圖4所示，這裡的認知功 能模塊配備3個光電反射式傳感器220,分別被安裝在輔助連接件的三個角 上，當某一方向遇到障礙時，認知功能模塊通過傳感器檢測到障礙信息並 將該信息通過通訊總線通知協同功能模塊，，協同功能模塊再通知各關節運 動功能模塊變換狀態使機器人向其它方向行走，實現避障。
應當理解的是，對本領域普通技術人員來說，可以才艮據上述說明加以 改進或變換，而所有這些改進和變換都應屬於本實用新型所附權利要求的 保護範圍。
權利要求1、一種三足機器人系統，其特徵在於，所述機器人系統包括多個用於執行動作的運動功能模塊、用於協調各個功能模塊之間工作的協同功能模塊；所述每一功能模塊的兩端均設置有用於與其它功能模塊相連的電氣接口、通訊接口和機械接口；所述多個執行功能模塊和協同功能模塊通過所述電氣接口、通訊接口和機械接口互相連接，並拼裝成一三足機器人結構；在所述每一個功能模塊中還設置有一用於控制自身模塊工作的控制單元，所述協同功能模塊利用自身的控制單元按預定的頻率持續產生同步控制指令，並將該同步控制指令通過與所述通訊接口相連的通訊總線傳輸給各個運動功能模塊，每一個運動功能模塊利用自身的控制單元根據接收到的同步指令控制自身按相應的運動數據執行運動操作。
2、 根據權利要求1所述的三足機器人系統，其特徵在於，所述機器 人系統還包括用於供電的電源功能模塊，此功能模塊通過其上設置的電 氣接口、通訊接口和機械接口與系統中其它各個功能模塊相連，此功能模 塊用於對電源的輸出進行穩壓濾波後，輸出給系統中其它各個功能模塊， 同時，此功能模塊還用於實時監測電源電壓和電流，當電流過大或電壓不 足時，通過通訊總線通知系統中其它各個功能模塊。
3、 根據權利要求l所述的三足機器人系統，其特徵在於，所述三足 機器人系統還包括用於感知外部環境的認知功能模塊，該功能模塊通過. 其上設置的電氣接口 、通訊接口和機械接口與系統中其他各個功能模塊相 連，該功能模塊中設置有多組用於獲知所述三足機器人系統相對於外部環 境的各種狀態信息的傳感單元，此多組傳感單元的輸出端通過自身功能模塊的通訊^"口連接所述通訊總線。
4、 根據權利要求1、 2或3所述的三足機器人系統，其特徵在於， 所述每一個功能模塊均包括消息語義解釋單元、總線通訊單元、控制單 元和局部知識庫；所述總線通訊單元的一側通過通訊接口與所述機器人系 統的通訊總線相連，所述總線通訊單元的另一側通過所述消息語義解釋單 元連接所述控制單元，所述控制單元還與所述局部知識庫相連，所述局部 知識庫用於存儲預先設置的控制指令或運動數據，所述控制單元用於通過 所述消息語義解釋單元和總線通訊單元，從所述通訊總線上獲得控制指令 或向所述通訊總線發出一系列的控制指令。
5、 根據權利要求4所述的三足機器人系統，其特徵在於，所述每一 個運動功能模塊還包括PWM脈衝生成單元、電機伺服單元；所述控制單 元通過所述PWM脈衝生成單元連接所述電機伺服單元，所述PWM脈衝生 成單元用於根據所述控制單元的控制指令生成脈衝調製信號，並將該脈衝 調製信號送入到所述電機伺服單元中，用以控制電機運轉執行相應的運動 操作。
6、 根據權利要求1所述的三足機器人系統，其特徵在於，所述機器 人系統還包括輔助連接件，該輔助連接件通過與系統中各個功能模塊相 連構成機器人結構。
7、 根據權利要求6所述的三足機器人，其特徵在於，所述三足機器 人系統中，多個運動功能模塊通過一截面為三角形的輔助連接件構成一三 足機器人結構，此機器人結構的每一足由多個所述運動功能模塊通過各自 的電氣接口、通訊接口和機械接口首尾順次連接構成；所述協同功能模塊 設置在所述輔助連接件上，所述協同功能模塊通過自身設置的電氣接口 、 通訊接口和機械接口連接與輔助連接件相鄰的所述運動功能模塊。
8、 根據權利要求7所述的三足機器人，其特徵在於，所述用於供電 的電源功能模塊設置在所述輔助連接件上，所述電源功能模通過自身設置 的電氣接口 、通訊接口和機械接口連接與輔助連接件相鄰的所述運動功能 模塊。
9、 根據權利要求7所述的三足機器人，其特徵在於，所述認知功能 模塊配備三個光電反射式傳感器，所述三個光電反射式傳感器分別被安裝 在所述輔助連接件的三個角上。
10、 根據權利要求4所述的三足機器人系統，其特徵在於，所述協同 模塊中還包括 一全局知識庫和一串口通訊單元；所述控制單元與所述全 局知識庫相連；所述串口通訊單元通過所述消息予以解釋單元與所述控制 單元相連；所述協同模塊通過其上設置的串口通訊單元與外部PC機相連，用於從 所述PC機上獲得全局控制指令及同步信息，並將所獲得的數據信息存儲在 .所述協同模塊內的全局知識庫中。
專利摘要本實用新型提供了一種分布控制式模塊化三足機器人，其包括多個用於執行動作的運動功能模塊、用於協調各個功能模塊工作的協同功能模塊和用於供電管理的電源功能模塊；多個運動功能模塊、協同功能模塊和電源功能模塊相互連接拼裝成一三足機器人結構；協同功能模塊按預定的頻率持續產生同步指令，並將該同步指令傳輸給各個運動功能模塊，每一個運動功能模塊根據接收到的同步指令控制自身執行相應的運動操作。本實用新型將機器人系統按多智能分布控制方式進行模塊分解，每個模塊均包含獨立的智能控制單元，具有一定的自治能力，能夠通過適當的通訊方式進行信息交互，實現模塊間的協同合作與競爭。
文檔編號B25J9/00GK201253850SQ20082009435
公開日2009年6月10日 申請日期2008年5月29日 優先權日2008年5月29日
發明者張建偉, 勝 程, 謝之柱 申請人:深圳先進技術研究院