專利名稱：模塊化可重構(gòu)多功能教育機(jī)器人的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于機(jī)電控制和自動(dòng)化教學(xué)領(lǐng)域，涉及的是一種教育機(jī)器人，特別是一種模塊化 多功能的教育機(jī)器人。
背景技術(shù)：
當(dāng)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展的特點(diǎn)之一，就是機(jī)械技術(shù)和電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息技術(shù)相結(jié) 合，機(jī)器人就是這種綜合技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物之一。目前， 一些發(fā)達(dá)國(guó)家己經(jīng)看好機(jī)器人對(duì)未 來(lái)高科技社會(huì)的作用和影響，把教育機(jī)器人引入到大專院校以及中小學(xué)的教育中來(lái)。以教育 機(jī)器人為教學(xué)平臺(tái)，有利于機(jī)械設(shè)計(jì)、電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息技術(shù)等學(xué)科的教育發(fā)展， 有利于探索教育改革和人才培養(yǎng)的新途徑、新方法，有利于高素質(zhì)人才的綜合培養(yǎng)，同時(shí)將 推動(dòng)我國(guó)機(jī)器人知識(shí)和技術(shù)的普及，促進(jìn)我國(guó)機(jī)器人事業(yè)的發(fā)展和專業(yè)人才的培養(yǎng)，促進(jìn)新 興的智能機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的形成，從而建立一種全新的人才培養(yǎng)模式，為國(guó)家、為社會(huì)培養(yǎng)輸送 大批更加優(yōu)秀的人才。
隨著科技的發(fā)展，教育機(jī)器人在國(guó)內(nèi)外受到了越來(lái)越多的關(guān)注，在國(guó)外許多著名大學(xué)都 將機(jī)器人作為一個(gè)綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)供學(xué)生做實(shí)驗(yàn)和學(xué)習(xí)等。但是許多現(xiàn)有商業(yè)化的教育機(jī)器人 都存在硬件結(jié)構(gòu)封閉且功能單一等缺點(diǎn)。國(guó)外有些產(chǎn)品雖然功能較豐富，但是價(jià)格極其昂貴， 且無(wú)法滿足中國(guó)特色的自動(dòng)化相關(guān)學(xué)科教育需求。如瑞士洛桑工學(xué)院推出的E-PUCK微型可移 動(dòng)教育機(jī)器人，雖然帶有豐富的傳感器，但是只能完成移動(dòng)機(jī)器人領(lǐng)域的一些基本實(shí)驗(yàn)，而 無(wú)法完成中國(guó)自動(dòng)化學(xué)科相關(guān)的很多實(shí)驗(yàn)。加拿大Quanser公司推出了模塊化的倒立擺系統(tǒng)， 可以通過(guò)旋轉(zhuǎn)伺服模塊以及不同附件組合成多種不同的被控對(duì)象。但是Qnanser的產(chǎn)品沒(méi)有 很好的融入機(jī)器人的概念，而只是固定的機(jī)電控制系統(tǒng)，只能完成機(jī)電一體化教學(xué)中的基本 實(shí)驗(yàn)，而無(wú)法完成機(jī)器人領(lǐng)域的實(shí)驗(yàn)。丹麥LEGO的積木式機(jī)器人雖然可以創(chuàng)建很多不同形狀 的機(jī)器人，但是其機(jī)械結(jié)構(gòu)很粗糙，很難用于高水平的學(xué)術(shù)研究， 一般只適合于中小學(xué)以及 低年級(jí)本科生使用，而不適用于更高水平的學(xué)術(shù)研究。此外，目前大部分自動(dòng)化專業(yè)教學(xué)產(chǎn) 品的功能都比較單一，比如一套系統(tǒng)只能做電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，而無(wú)法進(jìn)行重組來(lái)完成其它實(shí)驗(yàn)。 很多高校為了能進(jìn)行30人一個(gè)班級(jí)的實(shí)驗(yàn)，都需要買(mǎi)10套左右的系統(tǒng)，每組2 — 3人做實(shí)驗(yàn)， 而這10套系統(tǒng)都是完全一樣的，只能做某一個(gè)實(shí)驗(yàn)。這樣，較嚴(yán)重的限制了學(xué)生創(chuàng)造性的發(fā) 揮。如果要增加新的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，則實(shí)驗(yàn)室又必須重新購(gòu)買(mǎi)其它一些教學(xué)產(chǎn)品，增加了學(xué)校資 金的負(fù)擔(dān)。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提出了一種模塊化可重構(gòu)多功能的教育機(jī)器人，通過(guò)不同 的模塊組合以及外部配件安裝，可組合成多種不同功能的實(shí)驗(yàn)被控對(duì)象，可以很好的完成自 動(dòng)化學(xué)科以及機(jī)器人學(xué)科的各種實(shí)驗(yàn)。本發(fā)明通過(guò)核心伺服模塊、連接機(jī)構(gòu)、擴(kuò)展部件等模 塊的相互連接為自動(dòng)化學(xué)科的實(shí)驗(yàn)提供了一系列高水平的被控對(duì)象。通常利用10個(gè)核心伺服
模塊，再加上相關(guān)的擴(kuò)展部件，可以完成多達(dá)幾十種自動(dòng)化專業(yè)相關(guān)教學(xué)實(shí)驗(yàn)。另外，本發(fā) 明利用了精確的齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)精密，所組成的不同被控對(duì)象都可以建立較精 確的數(shù)學(xué)模型，適合于控制理論方法的實(shí)驗(yàn)研究。
本發(fā)明是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的，包括至少一個(gè)核心伺服模塊和附件，所述的核心伺服 模塊包括主體主、主體副、連接面轉(zhuǎn)動(dòng)桿、轉(zhuǎn)動(dòng)面轉(zhuǎn)動(dòng)桿、直流電機(jī)和加固板，其中主體主沿 中心線對(duì)稱，呈n型，加固板加固在主體主兩個(gè)側(cè)壁上，主體副是一個(gè)u型結(jié)構(gòu)，主體主與 主體副通過(guò)連接面轉(zhuǎn)動(dòng)桿和轉(zhuǎn)動(dòng)面轉(zhuǎn)動(dòng)桿進(jìn)行連接，所述的直流電機(jī)安裝在主體主上，所述 的核心伺服模塊的四個(gè)連接面上安裝連接模塊，核心伺服模塊之間通過(guò)連接模塊組合成可重 構(gòu)機(jī)器人，或者核心伺服模塊和附件組合成機(jī)器人。所述的核心伺服模塊之間通過(guò)連接模塊 組合成可重構(gòu)機(jī)器人，利用多個(gè)核心伺服模塊組成蛇形機(jī)器人，可以選擇是前后順序連接或
者前后左右面交叉連接，可以設(shè)計(jì)出許多不同功能的蛇形機(jī)器人，每個(gè)模塊可以安裝上輪子； 利用6個(gè)核心伺服模塊組成六自由度機(jī)械手，16個(gè)核心伺服模塊組成四足機(jī)器人，利用18
個(gè)核心伺服模塊組成機(jī)器狗。
當(dāng)核心伺服模塊中直流電機(jī)為一個(gè)第三電機(jī)時(shí)，構(gòu)成單軸伺服傳動(dòng)系統(tǒng)，第三電機(jī)通過(guò)電 機(jī)固定安裝在主體主的背面，第三電機(jī)通過(guò)電機(jī)齒輪與背面大齒輪嚙合將動(dòng)力傳送到背面轉(zhuǎn) 動(dòng)桿上。
當(dāng)核心伺服模塊中直流電機(jī)為兩個(gè)直流電機(jī)，第二電機(jī)和第一電機(jī)分別固定在主體主的n 型壁上的左側(cè)和右側(cè)，第一電磁離合器和第二電磁離合器也分別固定在此n型壁上的兩側(cè)， 第二電機(jī)齒輪固定在第二電機(jī)的輸出軸上，第二電磁離合器外齒輪和第二電磁離合器內(nèi)齒輪 分別固定在第二電磁離合器的中心軸的兩端，第二電機(jī)齒輪與第二電磁離合器外齒輪嚙合以 傳動(dòng)動(dòng)力至第二電磁離合器內(nèi)齒輪，第一電機(jī)齒輪固定在第一電機(jī)的輸出軸上，第一電磁離合 器外齒輪和第一電磁離合器內(nèi)齒輪分別固定在第一電磁離合器的中心軸的兩端，第一電機(jī)齒 輪與第一電磁離合器外齒輪嚙合以將第一電機(jī)動(dòng)力傳輸至第一電磁離合器內(nèi)齒輪上，第二中 軸大齒輪與第一中軸大齒輪分別固定在連接面轉(zhuǎn)動(dòng)桿以及轉(zhuǎn)動(dòng)面轉(zhuǎn)動(dòng)桿，第二中軸大齒輪與
第一中軸大齒輪分別嚙合第二電磁離合器內(nèi)齒輪和第一電磁離合器內(nèi)齒輪，第二中軸大齒輪 與第一中軸大齒輪分別將電磁離合器上的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩傳送至連接面轉(zhuǎn)動(dòng)桿和轉(zhuǎn)動(dòng)面轉(zhuǎn)動(dòng)桿，連 接面轉(zhuǎn)動(dòng)桿固定在主體副的右側(cè)壁上，轉(zhuǎn)動(dòng)面轉(zhuǎn)動(dòng)桿固定在主體副的左側(cè)壁上，第一電磁離 合器外齒輪和第二電磁離合器外齒輪，分別嚙合兩個(gè)固定在主體主左右側(cè)壁上的輪齒輪。
當(dāng)核心伺服模塊中直流電機(jī)為三個(gè)直流電機(jī)，第二電機(jī)和第一電機(jī)分別固定在主體主的n
型壁上的左側(cè)和右側(cè)，第三電機(jī)通過(guò)電機(jī)固定安裝在主體主的背面，第二電機(jī)齒輪固定在第 二電機(jī)的輸出軸上，第二電磁離合器外齒輪和第二電磁離合器內(nèi)齒輪分別固定在第二電磁離 合器的中心軸的兩端，第二電機(jī)齒輪與第二電磁離合器外齒輪嚙合以傳動(dòng)動(dòng)力至第二電磁離 合器內(nèi)齒輪，第一電機(jī)齒輪周定在第一電機(jī)的輸出軸上,第一電磁離合器外齒輪和第一電磁離 合器內(nèi)齒輪分別固定在第一電磁離合器的中心軸的兩端，第一電機(jī)齒輪與第一電磁離合器外 齒輪嚙合以將第一電機(jī)動(dòng)力傳輸至第一電磁離合器內(nèi)齒輪上，第二中軸大齒輪與第一中軸大 齒輪分別固定在連接面轉(zhuǎn)動(dòng)桿以及轉(zhuǎn)動(dòng)面轉(zhuǎn)動(dòng)桿，第二中軸大齒輪與第一中軸大齒輪分別嚙 合第二電磁離合器內(nèi)齒輪和第一電磁離合器內(nèi)齒輪，第二中軸大齒輪與第一中軸大齒輪分別
將電磁離合器上的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩傳送至連接面轉(zhuǎn)動(dòng)桿和轉(zhuǎn)動(dòng)面轉(zhuǎn)動(dòng)桿，連接面轉(zhuǎn)動(dòng)桿固定在主體 副的右側(cè)壁上，轉(zhuǎn)動(dòng)面轉(zhuǎn)動(dòng)桿固定在主體副的左側(cè)壁上，第一電磁離合器外齒輪和第二電磁 離合器外齒輪，分別嚙合兩個(gè)固定在主體主左右側(cè)壁上的輪齒輪。
核心伺服模塊的四個(gè)連接面上安裝連接模塊，核心伺服模塊之間通過(guò)連接模塊可以在四 個(gè)連接面上進(jìn)行相互連接組合成機(jī)器人，或者核心伺服模塊和附件組合成機(jī)器人。
所述的核心伺服控制模塊上安裝一個(gè)運(yùn)動(dòng)控制卡，在PC機(jī)上進(jìn)行編程，然后通過(guò)串口、
網(wǎng)口方式下載到被控對(duì)象的運(yùn)動(dòng)控制卡上進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。
所述的運(yùn)動(dòng)控制卡，采用基于DSP的嵌入式控制結(jié)構(gòu)，外圍電路包括無(wú)線通信模塊、紅 外傳感器、加速度傳感器及電源管理，還包括擴(kuò)展接口，擴(kuò)展其他功能模塊，支持USB、串 口和JTAG通訊接口，最后連接驅(qū)動(dòng)電路對(duì)電機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。也可以使用市場(chǎng)上的運(yùn)動(dòng)卡， 比如深圳市雷泰控制技術(shù)有限公司運(yùn)動(dòng)控制卡DMC2410。
單個(gè)伺服模塊利用3個(gè)直流電機(jī)最大可實(shí)現(xiàn)5個(gè)自由度，其中通過(guò)電磁離合器切換可以 實(shí)現(xiàn)繞中心軸的俯仰為1個(gè)自由度，兩個(gè)差分驅(qū)動(dòng)齒輪為2個(gè)自由度，通過(guò)電磁離合器切換 可實(shí)現(xiàn)左側(cè)轉(zhuǎn)動(dòng)桿轉(zhuǎn)動(dòng)為l個(gè)自由度，背部通過(guò)一個(gè)電機(jī)可實(shí)現(xiàn)l個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度。由于單個(gè) 伺服模塊的四個(gè)面的構(gòu)造是對(duì)稱統(tǒng)一的，因此通過(guò)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)4個(gè)面的相互連接，可 以重構(gòu)成許多不同的被控對(duì)象。
連接模塊提供兩種方案， 一種是手動(dòng)連接模塊，在核心伺服模塊的四個(gè)連接面上安裝此
連接模塊，需要將兩個(gè)模塊手動(dòng)放置在一起配合好，然后手動(dòng)利用螺絲釘連接。同樣，分離 也需要手動(dòng)將螺釘拆卸進(jìn)行分離。對(duì)于一般實(shí)驗(yàn)研究，手動(dòng)連接模塊即可，可以很方便的組 合成許多不同被控對(duì)象。另外一種是自動(dòng)連接模塊，兩個(gè)連接模塊之間采用卡扣方式進(jìn)行連 接。連接模塊內(nèi)有一個(gè)直流扁平電機(jī)，通過(guò)控制扁平電機(jī)旋轉(zhuǎn)推動(dòng)連接鉤的運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)兩個(gè) 對(duì)接面的自動(dòng)連接和分離。
下面介紹分別從單個(gè)模塊、多個(gè)模塊以及模塊和外部擴(kuò)展部件的不同擴(kuò)展方式來(lái)描述模 塊化機(jī)器人的可重構(gòu)特性和多功能特點(diǎn)
(1) 單個(gè)模塊核心伺服模塊機(jī)械結(jié)構(gòu)靈巧，可以根據(jù)需求選擇安裝不同部件完成不同 功能。單個(gè)核心伺服模塊最多可組成一個(gè)5自由度的伺服控制系統(tǒng)，可以完成直流電機(jī)調(diào)速 控制，柔性連接控制等。模塊的傳動(dòng)是這樣實(shí)現(xiàn)的位于核心伺服模塊主體主的下部有兩個(gè) 直流電機(jī)，通過(guò)齒輪將動(dòng)力傳送到電磁離合器的內(nèi)側(cè)傳動(dòng)齒輪，并帶動(dòng)輪齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)。電磁離 合器的外側(cè)齒輪通過(guò)嚙合分別帶動(dòng)連接面轉(zhuǎn)動(dòng)桿轉(zhuǎn)動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)面轉(zhuǎn)動(dòng)桿轉(zhuǎn)動(dòng)。因此，可以通過(guò) 電磁離合器的通斷電來(lái)控制連接面轉(zhuǎn)動(dòng)桿的旋轉(zhuǎn)以及轉(zhuǎn)動(dòng)面轉(zhuǎn)動(dòng)桿的旋轉(zhuǎn)。由于電磁離合器 的特殊性，因此該伺服控制系統(tǒng)具有柔性負(fù)載的特性，可以完成自動(dòng)化學(xué)科關(guān)于直流電機(jī)調(diào) 速實(shí)驗(yàn)以及經(jīng)典控制理論和現(xiàn)代控制理論的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)。學(xué)生可以通過(guò)比較直流電機(jī)加負(fù)載后 演示性能的不同，深入了解開(kāi)環(huán)和閉環(huán)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)，并通過(guò)本機(jī)器人的設(shè)計(jì)實(shí)例，牢固 掌握現(xiàn)代機(jī)電控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，為今后的研究和工程設(shè)計(jì)打下良好的基礎(chǔ)。
(2) 單個(gè)模塊+輪子單個(gè)核心伺服模塊如果只裝底部?jī)蓚€(gè)直流電機(jī)而不安裝其它部件， 則可組成一個(gè)差分驅(qū)動(dòng)小車。小車的輪子可以通過(guò)兩個(gè)側(cè)面的工藝孔方便地進(jìn)行拆卸和安裝。 在核心伺服模塊的中央部分分別預(yù)留了控制卡和鋰電池安裝位置，在前后分別預(yù)留了紅外傳 感器接口。由于主體副可以繞中心軸做俯仰運(yùn)動(dòng)，因此在主體副上安裝小的攝像頭還可以為 移動(dòng)機(jī)器人增加視覺(jué)系統(tǒng)。因此，通過(guò)安裝兩個(gè)輪子，則此系統(tǒng)可以成為一個(gè)移動(dòng)機(jī)器人系 統(tǒng)。由于小車有自己獨(dú)立的供電系統(tǒng)和處理單元以及感知系統(tǒng)，因此是一個(gè)自主移動(dòng)機(jī)器人 系統(tǒng)。利用該機(jī)器人，可以完成機(jī)器人學(xué)相關(guān)的許多實(shí)驗(yàn)，如路徑規(guī)劃、定位導(dǎo)航、避障等。 多個(gè)移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)還可以組成多智能體系統(tǒng)，可以用于多智能體協(xié)調(diào)研究以及競(jìng)賽類研究 等。
(3) 兩個(gè)模塊連接兩個(gè)核心伺服模塊相互連接可以組成扭矩系統(tǒng)和2自由度機(jī)器人系 統(tǒng)。如果再加上倒立擺附件，則可構(gòu)成2自由度并聯(lián)機(jī)器人和倒立擺系統(tǒng)。這就構(gòu)成了一個(gè) 復(fù)雜的具有耦合特性的欠驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，通過(guò)控制兩個(gè)核心伺服模塊電機(jī)的運(yùn)動(dòng)來(lái)控制倒立擺的
穩(wěn)定，這個(gè)系統(tǒng)適合于許多高級(jí)控制算法的研究，如自適應(yīng)控制、解偶控制、魯棒控制等高
級(jí)算法的研究。兩個(gè)模塊相互連接，也可以組成一個(gè)關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，通過(guò)控制直流電機(jī)，可 以控制模塊進(jìn)行匍匐前進(jìn)，完成一些蛇形蠕動(dòng)控制方面的實(shí)驗(yàn)研究。
(4) 多個(gè)模塊連接當(dāng)采用多個(gè)模塊相互連接的時(shí)候，則可以構(gòu)成蛇形機(jī)器人、環(huán)形機(jī) 器人、人形機(jī)器人以及多足機(jī)器人等。這類機(jī)器人適合于分布式控制、集中控制以及智能控 制領(lǐng)域的實(shí)驗(yàn)研究。同時(shí)如果采用自動(dòng)連接模塊進(jìn)行連接時(shí)，還可以用于研究可自重構(gòu)機(jī)器 人學(xué)的相關(guān)實(shí)驗(yàn)。在構(gòu)成蛇形機(jī)器人時(shí)，如果每個(gè)伺服模塊不加輪子，則可以研究蛇形機(jī)器 人的蠕動(dòng)行走控制。如果加上輪子還可以進(jìn)行差分驅(qū)動(dòng)和關(guān)節(jié)蠕動(dòng)配合的蛇形游走控制方法 研究。同時(shí)，在研究可自重構(gòu)機(jī)器人時(shí)，由于每個(gè)模塊都是一個(gè)自主的模塊，并且由于每個(gè) 模塊都可以安裝輪子，因此相比于目前存在的可重構(gòu)機(jī)器人，提供了一種更加快速的運(yùn)動(dòng)方
式。利用6個(gè)模塊各交叉90度連接，還可以組成一個(gè)6自由度機(jī)械手系統(tǒng)，可以完成傳統(tǒng)機(jī) 器人學(xué)、自動(dòng)控制原理、現(xiàn)代控制理論、自適應(yīng)控制、系統(tǒng)辨識(shí)等許多相關(guān)學(xué)科的實(shí)驗(yàn)研究。
(5) 單個(gè)模塊+附件單個(gè)模塊加上適合的附件，則可構(gòu)成許多其它特性的被控對(duì)象。 本發(fā)明中主要設(shè)計(jì)了如下幾個(gè)附件可伸縮式(可變質(zhì)心)倒立擺附件、球桿平衡附件、直 線導(dǎo)軌附件等，分別可以組成旋轉(zhuǎn)倒立擺系統(tǒng)，球桿平衡系統(tǒng)和直線倒立擺系統(tǒng)等。本發(fā)明 相比于目前自動(dòng)化專業(yè)的商業(yè)教學(xué)產(chǎn)品來(lái)說(shuō)，具有擴(kuò)展性更強(qiáng)、功能更加豐富以及體積小等
特點(diǎn)。 一般只需6到10個(gè)模塊，可以完成機(jī)器人學(xué)、自動(dòng)化領(lǐng)域的多達(dá)近百個(gè)課程實(shí)驗(yàn)，相
比于目前的一個(gè)教學(xué)產(chǎn)品只能做1到幾個(gè)實(shí)驗(yàn)，而不能相互重組再利用具有明顯的實(shí)用價(jià)值。 同樣，學(xué)生通過(guò)各種被控對(duì)象的組合可以學(xué)習(xí)到機(jī)械、電子、控制等很多交叉學(xué)科技術(shù)知識(shí)。
本發(fā)明在工作時(shí)，在機(jī)械系統(tǒng)上需要安裝一個(gè)運(yùn)動(dòng)控制卡，在PC機(jī)上可以利用C、 C++、MATLAB 等語(yǔ)言進(jìn)行編程，然后通過(guò)串口、網(wǎng)口等方式下載到被控對(duì)象的運(yùn)動(dòng)控制卡上進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。 因此，本發(fā)明可針對(duì)機(jī)器人系統(tǒng)的機(jī)械設(shè)計(jì)、驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)等多方面的內(nèi)容 設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，是一個(gè)豐富集成了機(jī)械、電子、控制理論、軟件工程為一體的高水平教學(xué)實(shí)驗(yàn)平 臺(tái)，具有很強(qiáng)的實(shí)踐教學(xué)功能。


圖la是本發(fā)明模塊化可重構(gòu)多功能教育機(jī)器人的核心伺服模塊的俯視圖，
圖lb是本發(fā)明模塊化可重構(gòu)多功能教育機(jī)器人的核心伺服模塊的仰視圖，
圖2a是本發(fā)明的一種實(shí)施例核心伺服模塊加輪子構(gòu)成微型移動(dòng)機(jī)器人的俯視圖，
圖2b是本發(fā)明的第二種實(shí)施例核心伺服模塊加輪子構(gòu)成微型移動(dòng)機(jī)器人的側(cè)視圖，
圖2c是圖2b從下往上看的側(cè)視圖，
圖3a是本發(fā)明的第三種實(shí)施例兩個(gè)模塊連接構(gòu)成2自由度并聯(lián)機(jī)器人的俯視圖，
圖3b是本發(fā)明的第四種實(shí)施例兩個(gè)模塊連接構(gòu)成2自由度并聯(lián)機(jī)器人的側(cè)視圖， 圖4a是本發(fā)明的手動(dòng)連接模塊示意圖，
圖4b是本發(fā)明利用手同模塊連接兩個(gè)核心伺服模塊的示意圖， 圖5a是本發(fā)明的自動(dòng)連接模塊示意圖， 圖5b是本發(fā)明的自動(dòng)連接模塊側(cè)視圖，
圖6是本發(fā)明的第五種實(shí)施例核心伺服模塊加倒立擺附件構(gòu)成平面倒立擺示意圖，
圖7是本發(fā)明的第六種實(shí)施例核心伺服模塊加倒立擺附件構(gòu)成旋轉(zhuǎn)倒立擺示意圖，
圖8是本發(fā)明的第七種實(shí)施例多個(gè)核心伺服模塊連接構(gòu)成蛇形機(jī)器人的示意圖，
圖9是本發(fā)明的第八種實(shí)施例多個(gè)核心伺服模塊連接構(gòu)成復(fù)雜的人形機(jī)器入的示意圖，
圖IO是本發(fā)明的核心伺服模塊的主體副結(jié)構(gòu)示意圖11是本發(fā)明的核心伺服模塊的主體主結(jié)構(gòu)示意圖12是本發(fā)明運(yùn)動(dòng)控制卡的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖中l(wèi)主體主，2主體副，3前面連接桿，4第一電機(jī)齒輪，5轉(zhuǎn)動(dòng)面轉(zhuǎn)動(dòng)桿，6第一電磁離 合器外齒輪，7電機(jī)固定，8背面大齒輪，9背面轉(zhuǎn)動(dòng)桿，10第二電機(jī)齒輪，ii第一電磁離 合器，12連接面轉(zhuǎn)動(dòng)桿，13第二電磁離合器外齒輪，14第二電磁離合器軸頭，15第二中軸 大齒輪，16第一電機(jī)，17加固板，18第一中軸大齒輪，19第一電磁離合器軸頭，20第二電 磁離合器，21第三電機(jī)，22第二電機(jī)，23第一電磁離合器內(nèi)齒輪，24第二電磁離合器內(nèi)齒 輪,25左輪子，26電池，27第三紅外傳感器28電路板固定，29右輪子，30電路板，31 滑珠擋板，32滑珠，33第一輪齒輪，34第二輪齒輪，35第一紅外傳感器，36第二紅外傳感 器，37倒立擺傳動(dòng)軸，38控制連桿，39控制桿，40連接模塊內(nèi)套，41連接模塊外套，42連 接模塊底座，43連接模塊蓋，44連接鉤，45連接孔，46推桿，47扁平電機(jī)，48帶動(dòng)凸輪， 49固定板，50擺桿銜接，51擺桿軸，52銜接頭，53擺桿，54擺臂，55增量式光電編碼器。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步描述-
圖la所示是核心模塊的俯視圖，單個(gè)核心伺服模塊最多可以安裝3個(gè)直流電機(jī)，最多可 以達(dá)到5個(gè)自由度運(yùn)動(dòng)，可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)對(duì)象的要求來(lái)配置不同電機(jī)個(gè)數(shù)，從而完成各種不同 目的的實(shí)驗(yàn)，并降低設(shè)備成本。核心伺服模塊的連接關(guān)系如下描述主體主l沿中心線對(duì)稱， 如圖11所示，類似于"n"型，這樣是為了保證模塊的平衡性，同時(shí)通過(guò)加固板17可以加 固主體主1保持其不容易變形。主體副2如圖10所示，是一個(gè)U型結(jié)構(gòu)。主體主1與主體副2沿模塊中心線通過(guò)連接面轉(zhuǎn)動(dòng)桿12和轉(zhuǎn)動(dòng)面轉(zhuǎn)動(dòng)桿5進(jìn)行連接，第二電機(jī)22和第一電機(jī) 16分別通過(guò)螺釘固定在主體主1的n型壁上，第一電磁離合器11和第二電磁離合器20也同 樣分別固定在此n型壁上的兩側(cè)，第三電機(jī)21通過(guò)電機(jī)固定7連接到主體主1的側(cè)面壁上。 第二電機(jī)齒輪10通過(guò)螺釘固定在第二電機(jī)22的輸出軸上，第二電磁離合器外齒輪13和第二 電磁離合器內(nèi)齒輪24分別固定在第一電磁離合器11的中心軸的兩端。第二電機(jī)齒輪10與第 二電磁離合器外齒輪13嚙合以傳動(dòng)動(dòng)力至第二電磁離合器內(nèi)齒輪24，對(duì)稱側(cè)的第一電機(jī)齒 輪4固定在第一電機(jī)16的輸出軸上，第一電磁離合器外齒輪6和第一電磁離合器內(nèi)齒輪23 分別固定在第二電磁離合器20的中心軸的兩端，第一電機(jī)齒輪4與第一電磁離合器外齒輪6 嚙合以將第一電機(jī)16動(dòng)力傳輸至第一電磁離合器內(nèi)齒輪23上。第二中軸大齒輪15與第一中 軸大齒輪18分別固定在連接面轉(zhuǎn)動(dòng)桿12以及轉(zhuǎn)動(dòng)面轉(zhuǎn)動(dòng)桿5，并分別嚙合第二電磁離合器 內(nèi)齒輪24和第一電磁離合器內(nèi)齒輪23,分別將電磁離合器上的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩傳送至各自轉(zhuǎn)動(dòng)桿。 連接面轉(zhuǎn)動(dòng)桿12通過(guò)螺釘固定在主體主1的側(cè)壁上，轉(zhuǎn)動(dòng)面轉(zhuǎn)動(dòng)桿5通過(guò)軸承固定在主體主 1的側(cè)壁上。背面轉(zhuǎn)動(dòng)桿9通過(guò)軸承固定在主體主1的背面上，并在轉(zhuǎn)動(dòng)桿的軸端安裝齒輪 嚙合第三電機(jī)21輸出端上的背面大齒輪8以獲得轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)力。前面連接桿3則通過(guò)螺釘固定在 主體副2的前部。加固板17分別通過(guò)螺釘固定在主體主1的兩個(gè)側(cè)壁上以防止側(cè)壁發(fā)生形變。
核心伺服模塊的傳動(dòng)過(guò)程如下第一電機(jī)16通過(guò)第一電機(jī)齒輪4將動(dòng)力同比傳送到第一
電磁離合器外齒輪6上，第一電磁離合器20利用通斷電可以選擇是否將動(dòng)力傳送到第一電磁
離合器軸頭19上。在第一電磁離合器軸頭19上粘貼了一個(gè)第一電磁離合器內(nèi)齒輪23，該齒
輪與第一中軸大齒輪18以傳動(dòng)比5:1嚙合，第一中軸大齒輪18通過(guò)定位螺釘定位在轉(zhuǎn)動(dòng)面
轉(zhuǎn)動(dòng)桿5上，因此通過(guò)電磁離合器的通斷可以選擇是否將電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)力傳送到轉(zhuǎn)動(dòng)面轉(zhuǎn)動(dòng)
桿5的上而帶動(dòng)其旋轉(zhuǎn)。同樣，第二電機(jī)22通過(guò)第二電機(jī)齒輪10將動(dòng)力同比傳送到第二電
磁離合器外齒輪13上，第二電磁離合器11可以利用通斷電選擇是否將動(dòng)力傳送到第二電磁
離合器軸頭14上。第二電磁離合器內(nèi)齒輪24固定在第二電磁離合器軸頭14上與第二中軸大
齒輪15嚙合，傳動(dòng)比同樣為5:1可以帶動(dòng)連接面轉(zhuǎn)動(dòng)桿12轉(zhuǎn)動(dòng)。連接面轉(zhuǎn)動(dòng)桿12與主體副
2用螺釘固定，因此連接面轉(zhuǎn)動(dòng)桿12的轉(zhuǎn)動(dòng)可以帶動(dòng)主體副圍繞中心軸進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。因此，通
過(guò)第二電磁離合器11的通斷電可以選擇是否讓主體副2相對(duì)于主體主1圍繞中心軸進(jìn)行旋轉(zhuǎn)
運(yùn)動(dòng)，旋轉(zhuǎn)的范圍是一90度到+90度。第三電機(jī)21通過(guò)電機(jī)固定7固定在主體主1上，通
過(guò)電機(jī)上的齒輪嚙合背面大齒輪8來(lái)帶動(dòng)背面轉(zhuǎn)動(dòng)桿9旋轉(zhuǎn)，傳動(dòng)比為2:1。這樣，可以保
證核心伺服模塊的四個(gè)連接面上，對(duì)稱面之一都有一個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度，為多模塊之間連接和做
相對(duì)運(yùn)動(dòng)奠定基礎(chǔ)。單個(gè)核心伺服模塊是一個(gè)多軸伺服控制系統(tǒng)，適合于學(xué)生學(xué)習(xí)關(guān)于直流
電機(jī)控制、機(jī)械傳動(dòng)等原理，可開(kāi)展自動(dòng)控制原理、直流電機(jī)調(diào)速、計(jì)算機(jī)控制、現(xiàn)代控制
理論等課程的實(shí)驗(yàn)。
圖2a是本發(fā)明的第一個(gè)實(shí)施實(shí)例，將核心伺服模塊加上兩個(gè)輪子可以構(gòu)成一個(gè)差分驅(qū)動(dòng) 的微型移動(dòng)機(jī)器人。圖2b是構(gòu)成的微型移動(dòng)機(jī)器人的側(cè)視圖，圖2c是從下往上看的側(cè)視圖。 在構(gòu)成兩輪差分驅(qū)動(dòng)移動(dòng)機(jī)器人的時(shí)候，可以只安裝2個(gè)直流電機(jī)以及1個(gè)中軸大齒輪，然 后裝配上相應(yīng)的第一紅外傳感器35和第二紅外傳感器36 (前后面各有兩個(gè)，共4個(gè)紅外傳 感器用于測(cè)距)，以及鋰電池等構(gòu)成一個(gè)自主的微型移動(dòng)機(jī)器人。工作原理如下第一電機(jī) 16通過(guò)第一電機(jī)齒輪4將動(dòng)力傳送到第一電磁離合器外齒輪6上，而第二輪齒輪34固定在 右輪子29上，因此通過(guò)第一電磁離合器外齒輪6與第二輪齒輪34的嚙合(傳動(dòng)比為1:2) 可以將動(dòng)力傳送到右輪子29上。同樣對(duì)于左輪子25，第二電機(jī)22通過(guò)第二電機(jī)齒輪10將 動(dòng)力傳送到第二電磁離合器外齒輪13上，電磁離合器外齒輪13通過(guò)齒輪嚙合可以將動(dòng)力傳 送到第一輪齒輪33上，從而帶動(dòng)左輪子25旋轉(zhuǎn)。這樣，通過(guò)兩個(gè)直流電機(jī)的獨(dú)立控制可以 實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的差分驅(qū)動(dòng)。為了保持機(jī)器人的平衡性，在前后分別安裝了三個(gè)滑珠32， 一方面 保證運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，另一方面減少與地面的摩擦力。另外，通過(guò)第二電磁離合器ll可以將第二電 機(jī)22的動(dòng)力傳送到第二中軸大齒輪15上，從而可以帶動(dòng)主體副2進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。因此，該移動(dòng) 機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)中還可以通過(guò)主體副2的俯仰運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)前面兩個(gè)紅外傳感器進(jìn)行在垂直方向不 同角度的距離測(cè)量，而不是固定的水平方向，這為移動(dòng)機(jī)器人的感知帶來(lái)了極大的便利。另 外也可以在主體副2的頂端固定一個(gè)小的USB攝像頭，這樣機(jī)器人可以實(shí)現(xiàn)在垂直方向上一 定角度內(nèi)的視覺(jué)掃描。利用該被控對(duì)象，可以完成機(jī)器人學(xué)、智能機(jī)器人學(xué)、智能控制等課 程的實(shí)驗(yàn)。
圖3a和圖3b分別是本發(fā)明的第二種實(shí)施實(shí)例一兩自由度并聯(lián)機(jī)器人的俯視圖和側(cè)視圖。 組合方法如下每個(gè)核心伺服模塊只安裝第三電機(jī)21以及背面大齒輪8，將電機(jī)動(dòng)力傳送到 軸37上帶動(dòng)其旋轉(zhuǎn)，從而可以控制連桿38的運(yùn)動(dòng)，這樣通過(guò)兩個(gè)模塊的共同作用就可以來(lái) 控制桿39在水平面一定范圍內(nèi)做運(yùn)動(dòng)。控制目標(biāo)就是來(lái)控制并聯(lián)桿的末端位置，這樣的系統(tǒng) 具有欠驅(qū)動(dòng)、耦合等特性，適合于高級(jí)控制算法的研究。同樣，可以在并聯(lián)機(jī)器人的末端可 以加上一個(gè)倒立擺組件，從而構(gòu)成一個(gè)更加復(fù)雜的系統(tǒng)，可以給控制理論帶來(lái)更大的挑戰(zhàn)。 這樣的系統(tǒng)適合于解偶控制、自適應(yīng)控制、魯棒控制以及智能控制等高級(jí)控制算法的研究。 利用該被控對(duì)象，可以完成智能控制、自適應(yīng)控制、最優(yōu)控制等課程的相關(guān)實(shí)驗(yàn)。
圖4a、圖4b和圖5a以及圖5b給出了本發(fā)明將多個(gè)模塊連接到一起時(shí)所用的手動(dòng)連接和 自動(dòng)連接模塊的示意圖。圖4a給出了手動(dòng)連接模塊的兩個(gè)內(nèi)外連接套示意圖，圖4b給出了 連接方式示意圖。在圖4b中，當(dāng)兩個(gè)模塊需要連接的時(shí)候，先將連接模塊內(nèi)套40與前面連接桿3連接，連接模塊外套41與背面轉(zhuǎn)動(dòng)桿9連接，然后手動(dòng)對(duì)接連接模塊的內(nèi)套40和連 接模塊外套41，并用螺釘固定，即可將兩個(gè)模塊牢固連接在一起。每個(gè)核心伺服模塊的前、 后、左、右四個(gè)面，分別都可以和另外一個(gè)核心伺服模塊的前、后、左、右四個(gè)面對(duì)接，可 以構(gòu)成多種不同運(yùn)動(dòng)方式的組合。手動(dòng)連接模塊的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、連接強(qiáng)度大，缺點(diǎn)是模 塊必須手動(dòng)進(jìn)行連接和分離。如果想做自重構(gòu)機(jī)器人領(lǐng)域的研究，則需要各模塊能夠?qū)崿F(xiàn)自 動(dòng)連接。因此，本發(fā)明同樣設(shè)計(jì)了自動(dòng)連接模塊，如圖5a和5b所示。各個(gè)模塊在兩個(gè)需要 連接的面上，分別都安裝一個(gè)自動(dòng)連接模塊，將連接模塊底座42固定在各自的連接面上，當(dāng) 兩個(gè)待連接模塊運(yùn)動(dòng)到相互距離較近，且連接鉤44與另外一個(gè)連接模塊的連接孔45對(duì)齊的 時(shí)候，連接鉤44插入另一連接模塊的連接孔45，這時(shí)扁平電機(jī)47帶動(dòng)凸輪48旋轉(zhuǎn)，從而 利用推桿46將連接鉤44從連接面內(nèi)推出插入連接孔45。這樣，兩個(gè)連接模塊的鉤與孔相互 對(duì)接，并且連接鉤具有向外張的力，因此可以牢固的將兩個(gè)連接模塊連接在一起，從而可以 通過(guò)程序自動(dòng)的將兩個(gè)核心模塊相互進(jìn)行連接和分離。
圖6是本發(fā)明加上擴(kuò)展附件組成的第三個(gè)實(shí)施實(shí)例一直線倒立擺系統(tǒng)。組成方式如下 在核心伺服模塊中只安裝兩個(gè)供差分驅(qū)動(dòng)用的第一電機(jī)16和第二電機(jī)22以及各自的傳動(dòng)齒 輪，不安裝其它的直流電機(jī)和部件，先組成一個(gè)兩輪差分驅(qū)動(dòng)小車。然后，在小車的上面安 裝一個(gè)固定板49，在其上固定一個(gè)倒立擺組件，從而構(gòu)成一個(gè)直線倒立擺系統(tǒng)。倒立擺組件 由如下幾個(gè)部分組成擺桿銜接50、擺桿軸51、銜接頭52、擺桿53、擺臂54以及增量式光 電編碼器55。這個(gè)直線倒立擺系統(tǒng)可以運(yùn)行在平面上，也可以運(yùn)行在固定平行的軌道上形成 傳統(tǒng)的直線倒立擺系統(tǒng)。此外，通過(guò)在倒立擺組件上增加一級(jí)或者多級(jí)擺桿，可以將此系統(tǒng) 擴(kuò)展為多級(jí)直線倒立擺系統(tǒng)。利用此被控對(duì)象，可以完成現(xiàn)代控制理論、智能控制、自適應(yīng) 控制、系統(tǒng)辨識(shí)等課程的實(shí)驗(yàn)。
圖7是本發(fā)明的第四個(gè)實(shí)施實(shí)例的示意圖，即利用核心伺服模塊和倒立擺組件構(gòu)成旋轉(zhuǎn) 倒立擺系統(tǒng)。組成過(guò)程如下只保留核心伺服模塊的第三電機(jī)21和其傳動(dòng)齒輪，而不安裝其 它部件，并將模塊直立起來(lái)擺放，將背面轉(zhuǎn)動(dòng)桿9替換為倒立擺傳動(dòng)軸37，并在其上安裝倒 立擺組件，可以構(gòu)成一個(gè)一級(jí)旋轉(zhuǎn)倒立擺系統(tǒng)。通過(guò)在倒立擺組件上增加一級(jí)擺桿，還可以 將本系統(tǒng)擴(kuò)展為二級(jí)或者多級(jí)旋轉(zhuǎn)倒立擺系統(tǒng)。同樣，利用本發(fā)明的核心伺服模塊再加上其 它擴(kuò)展模塊如柔性尺模塊、球桿模塊，還可以組成旋轉(zhuǎn)柔性尺系統(tǒng)和球桿平衡系統(tǒng)等。利用 此被控對(duì)象，可以完成最優(yōu)控制、智能控制、現(xiàn)代控制理論等相關(guān)課程的實(shí)驗(yàn)。
圖8給出了本發(fā)明的第五個(gè)實(shí)施實(shí)例的示意圖，即將13個(gè)模塊相互連接構(gòu)成了蛇形機(jī)器 人。通過(guò)手動(dòng)連接模塊或者自動(dòng)連接模塊，可以利用多個(gè)核心伺服模塊組成蛇形機(jī)器人。連
接過(guò)程中，可以根據(jù)運(yùn)動(dòng)需求選擇是前后順序連接，還是前后左右面交叉連接，可以設(shè)計(jì)出 許多不同功能的蛇形機(jī)器人。如果給每個(gè)模塊安裝上輪子，則整個(gè)蛇形機(jī)器人還可以利用輪 子具有快速滑行的能力，而不像目前蛇形機(jī)器人只有蠕動(dòng)前進(jìn)的能力。如果采用的是自動(dòng)連 接模塊，則在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中還可以做重構(gòu)算法方面的研究。利用此被控對(duì)象，可以完成分布式 控制理論、智能控制、智能機(jī)器人學(xué)等相關(guān)課程的實(shí)驗(yàn)。
圖9給出了本發(fā)明的第六個(gè)實(shí)施實(shí)例的示意圖，即利用14個(gè)核心伺服模塊相互連接構(gòu)成 了復(fù)雜的人形機(jī)器人。通過(guò)手動(dòng)連接模塊或者自動(dòng)連接模塊，可以利用多個(gè)核心伺服模塊組 成復(fù)雜的機(jī)器人結(jié)構(gòu)。比如還可以利用6個(gè)核心伺服模塊組成六自由度機(jī)械手，16個(gè)核心伺 服模塊組成四足機(jī)器人，利用18個(gè)核心伺服模塊組成機(jī)器狗等結(jié)構(gòu)。這些實(shí)驗(yàn)都可以充分調(diào) 動(dòng)學(xué)生的創(chuàng)新思維，非常適合于自動(dòng)化學(xué)科的教學(xué)實(shí)驗(yàn)。利用此被控對(duì)象，可以完成機(jī)器人 學(xué)、智能機(jī)器人學(xué)、智能控制、分布式控制、可重構(gòu)機(jī)器人學(xué)等相關(guān)課程的實(shí)驗(yàn)。
圖12是本發(fā)明控制卡實(shí)施實(shí)例的示意圖，本發(fā)明的控制卡采用基于DSP的嵌入式控制結(jié) 構(gòu)，外圍電路包括無(wú)線通信模塊、紅外傳感器、加速度傳感器及電源管理等功能模塊，還可 以通過(guò)擴(kuò)展接口擴(kuò)展其他功能模塊，支持USB、串口和JTAG等通訊接口，最后連接驅(qū)動(dòng)電路 對(duì)電機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。也可以使用市場(chǎng)上的運(yùn)動(dòng)卡，比如深圳市雷泰控制技術(shù)有限公司運(yùn)動(dòng) 控制卡DMC2410。
除了上述實(shí)施實(shí)例以外，本發(fā)明的模塊化可重構(gòu)多功能教育機(jī)器人還可以組合成其它許 多被控對(duì)象，而不脫離本發(fā)明的范圍。
權(quán)利要求
1.一種模塊化可重構(gòu)多功能的教育機(jī)器人，其特征在于包括至少一個(gè)核心伺服模塊和附件，所述的核心伺服模塊包括主體主、主體副、連接面轉(zhuǎn)動(dòng)桿、轉(zhuǎn)動(dòng)面轉(zhuǎn)動(dòng)桿、直流電機(jī)和加固板，其中主體主沿中心線對(duì)稱，呈∏型，加固板加固在主體主兩個(gè)側(cè)壁上，主體副是一個(gè)U型結(jié)構(gòu)，主體主與主體副通過(guò)連接面轉(zhuǎn)動(dòng)桿和轉(zhuǎn)動(dòng)面轉(zhuǎn)動(dòng)桿進(jìn)行連接，所述的直流電機(jī)安裝在主體主上，所述的核心伺服模塊的四個(gè)連接面上安裝連接模塊，核心伺服模塊之間通過(guò)連接模塊組合成可重構(gòu)機(jī)器人，或者核心伺服模塊和附件組合成機(jī)器人。
2、 按照權(quán)利要求1所述的一種模塊化可重構(gòu)多功能的教育機(jī)器人，其特征在于所述的直流電機(jī)為一個(gè)第三電機(jī)時(shí)，構(gòu)成單軸伺服傳動(dòng)系統(tǒng)，第三電機(jī)通過(guò)電機(jī)固定安裝在主體主的背 面，第三電機(jī)通過(guò)電機(jī)齒輪與背面大齒輪嚙合將動(dòng)力傳送到背面轉(zhuǎn)動(dòng)桿上。
3、 按照權(quán)利要求1所述的一種模塊化可重構(gòu)多功能的教育機(jī)器人，其特征在于所述的直流電機(jī)為兩個(gè)直流電機(jī)，第—電機(jī)和第一電機(jī)分別固定在主體主的n型壁上的左側(cè)和右側(cè)，第 一電磁離合器和第二電磁離合器也分別固定在此n型壁上的兩側(cè)，第二電機(jī)齒輪固定在第 二電機(jī)的輸出軸上，第二電磁離合器外齒輪和第二電磁離合器內(nèi)齒輪分別固定在第二電磁 離合器的中心軸的兩端，第二電機(jī)齒輪與第二電磁離合器外齒輪嚙合以傳動(dòng)動(dòng)力至第二電 磁離合器內(nèi)齒輪，第一電機(jī)齒輪固定在第一電機(jī)的輸出軸上,第一電磁離合器外齒輪和第 一電磁離合器內(nèi)齒輪分別固定在第一電磁離合器的中心軸的兩端，第一電機(jī)齒輪與第一電 磁離合器外齒輪嚙合以將第一電機(jī)動(dòng)力傳輸至第一電磁離合器內(nèi)齒輪上，第二中軸大齒輪 與第一中軸大齒輪分別固定在連接面轉(zhuǎn)動(dòng)桿以及轉(zhuǎn)動(dòng)面轉(zhuǎn)動(dòng)桿，第二中軸大齒輪與第一中 軸大齒輪分別嚙合第二電磁離合器內(nèi)齒輪和第一電磁離合器內(nèi)齒輪，第二中軸大齒輪與 第一中軸大齒輪分別將電磁離合器上的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩傳送至連接面轉(zhuǎn)動(dòng)桿和轉(zhuǎn)動(dòng)面轉(zhuǎn)動(dòng)桿，連 接面轉(zhuǎn)動(dòng)桿固定在主體副的右側(cè)壁上，轉(zhuǎn)動(dòng)面轉(zhuǎn)動(dòng)桿固定在主體副的左側(cè)壁上，第一電磁 離合器外齒輪和第二電磁離合器外齒輪，分別嚙合兩個(gè)固定在主體主左右側(cè)壁上的輪齒 輪。
4、 按照權(quán)利要求1所述的一種模塊化可重構(gòu)多功能的教育機(jī)器人，其特征在于所述的直流電機(jī)為三個(gè)直流電機(jī)，第二電機(jī)和第一電機(jī)分別固定在主體主的n型壁上的左側(cè)和右側(cè)，第 三電機(jī)通過(guò)電機(jī)固定安裝在主體主的背面，第二電機(jī)齒輪固定在第二電機(jī)的輸出軸上，第 二電磁離合器外齒輪和第二電磁離合器內(nèi)齒輪分別固定在第二電磁離合器的中心軸的兩 端，第二電機(jī)齒輪與第二電磁離合器外齒輪嚙合以傳動(dòng)動(dòng)力至第二電磁離合器內(nèi)齒輪，第 一電機(jī)齒輪固定在第一電機(jī)的輸出軸上,第一電磁離合器外齒輪和第一電磁離合器內(nèi)齒輪 分別固定在第一電磁離合器的中心軸的兩端，第一電機(jī)齒輪與第一電磁離合器外齒輪嚙合 以將第一電機(jī)動(dòng)力傳輸至第一電磁離合器內(nèi)齒輪上，第二中軸大齒輪與第一中軸大齒輪分 別固定在連接面轉(zhuǎn)動(dòng)桿以及轉(zhuǎn)動(dòng)面轉(zhuǎn)動(dòng)桿，第二中軸大齒輪與第一中軸大齒輪分別嚙合第 二電磁離合器內(nèi)齒輪和第一電磁離合器內(nèi)齒輪，第二中軸大齒輪與第一中軸大齒輪分別 將電磁離合器上的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩傳送至連接面轉(zhuǎn)動(dòng)桿和轉(zhuǎn)動(dòng)面轉(zhuǎn)動(dòng)桿，連接面轉(zhuǎn)動(dòng)桿固定在主 體副的右側(cè)壁上，轉(zhuǎn)動(dòng)面轉(zhuǎn)動(dòng)桿固定在主體副的左側(cè)壁上，第一電磁離合器外齒輪和第二 電磁離合器外齒輪，分別嚙合兩個(gè)固定在主體主左右側(cè)壁上的輪齒輪。
5、 按照權(quán)利要求1所述的一種模塊化可重構(gòu)多功能的教育機(jī)器人，其特征在于所述的連接 模塊提供兩種方案， 一種是手動(dòng)連接模塊，在核心伺服模塊的四個(gè)連接面上安裝此連接模 塊，將兩個(gè)模塊手動(dòng)放置在一起配合好，然后手動(dòng)利用螺絲釘連接；同樣，分離也需要手 動(dòng)將螺釘拆卸進(jìn)行分離；另外一種是自動(dòng)連接模塊，兩個(gè)連接模塊之間采用卡扣方式進(jìn)行 連接，連接模塊內(nèi)有一個(gè)直流扁平電機(jī)，通過(guò)控制扁平電機(jī)旋轉(zhuǎn)推動(dòng)連接鉤的運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn) 兩個(gè)對(duì)接面的自動(dòng)連接和分離。
6、 按照權(quán)利要求1所述的一種模塊化可重構(gòu)多功能的教育機(jī)器人，其特征在于所述的附 件是輪子，單個(gè)核心伺服模塊與輪子組成差分驅(qū)動(dòng)小車，核心伺服模塊底部裝兩個(gè)直流電 機(jī)，核心伺服模塊的中央部分設(shè)有運(yùn)動(dòng)控制卡和鋰電池，核心伺服模塊的前后設(shè)有紅外傳 感器接口，主體副上安裝攝像頭。
7、 按照權(quán)利要求1所述的一種模塊化可重構(gòu)多功能的教育機(jī)器人，其特征在于所述的附件 是可伸縮式倒立擺附件或者球桿平衡附件或者直線導(dǎo)軌附件，其中可伸縮式倒立擺附件是 擺桿銜接、擺桿軸、銜接頭和擺桿以及增量式光電編碼器。
8、 根據(jù)權(quán)力要求1所述的模塊化多功能教育機(jī)器人，其特征在于所述的核心伺服模塊之間通 過(guò)連接模塊組合成可重構(gòu)機(jī)器人，利用多個(gè)核心伺服模塊組成蛇形機(jī)器人，可以選擇是前 后順序連接或者前后左右面交叉連接，可以設(shè)計(jì)出許多不同功能的蛇形機(jī)器人，每個(gè)模塊 上可以安裝上輪子；利用6個(gè)核心伺服模塊組成六自由度機(jī)械手，16個(gè)核心伺服模塊組 成四足機(jī)器人，利用18個(gè)核心伺服模塊組成機(jī)器狗。
9、 按照權(quán)利要求1所述的一種模塊化可重構(gòu)多功能的教育機(jī)器人，其特征在于所述的核心伺 服控制模塊上安裝一個(gè)運(yùn)動(dòng)控制卡，在PC機(jī)上進(jìn)行編程，然后通過(guò)串口、網(wǎng)口方式下載 到被控對(duì)象的運(yùn)動(dòng)控制卡上進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。
10、 按照權(quán)利要求9所述的一種模塊化可重構(gòu)多功能的教育機(jī)器人，其特征在于所述的運(yùn)動(dòng) 控制卡，采用基于DSP的嵌入式控制結(jié)構(gòu)，外圍電路包括無(wú)線通訊模塊、紅外傳感器、加速 度傳感器及電源管理功能模塊，還包括擴(kuò)展借口擴(kuò)展其他功能模塊，支持USB、串口和JTAG 通訊接口，最后連接驅(qū)動(dòng)電路對(duì)電機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。
全文摘要
一種模塊化可重構(gòu)多功能的教育機(jī)器人，屬于機(jī)電控制和自動(dòng)化教學(xué)領(lǐng)域，包括至少一個(gè)核心伺服模塊和附件，所述的核心伺服模塊包括主體主、主體副、連接面轉(zhuǎn)動(dòng)桿、轉(zhuǎn)動(dòng)面轉(zhuǎn)動(dòng)桿、直流電機(jī)和加固板，其中主體主沿中心線對(duì)稱，呈∏型，加固板加固在主體主兩個(gè)側(cè)壁上，主體副是一個(gè)U型結(jié)構(gòu)，主體主與主體副通過(guò)連接面轉(zhuǎn)動(dòng)桿和轉(zhuǎn)動(dòng)面轉(zhuǎn)動(dòng)桿進(jìn)行連接，所述的直流電機(jī)安裝在主體主上，所述的核心伺服模塊的四個(gè)連接面上安裝連接模塊，核心伺服模塊之間通過(guò)連接模塊組合成可重構(gòu)機(jī)器人，或者核心伺服模塊和附件組合成機(jī)器人。本發(fā)明是一個(gè)豐富集成了機(jī)械、電子、控制理論、軟件工程為一體的高水平教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，具有很強(qiáng)的實(shí)踐教學(xué)功能。
文檔編號(hào)G09B25/02GK101369385SQ20081001293
公開(kāi)日2009年2月18日 申請(qǐng)日期2008年8月26日 優(yōu)先權(quán)日2008年8月26日
發(fā)明者正 方, 柴天佑, 王良勇 申請(qǐng)人:東北大學(xué)