專利名稱：一種模塊化自重構(gòu)機(jī)器人及其變形控制方法
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，為ー種模塊化自重構(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単元模塊組成。各模塊具備統(tǒng)ー機(jī)械和電氣接ロ，可自主對接組裝為各種聯(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，從而能有效的完成ー些更加復(fù)雜的、高難度的任務(wù)?！耙弧睒?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)相對翻轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)的，對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)単體連接構(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形框由ー個(gè)底面和兩個(gè)連接臂組成，連接臂對稱設(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)固定在其中ー個(gè)U形框內(nèi)，驅(qū)動(dòng)另ー個(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)，各単體前后關(guān)節(jié)相連成直鏈，単體之間相互連接的U形框底面上分別設(shè)有對接錐頭和卡接孔，底面中間設(shè)有對接錐頭的U形框稱為對接公頭，底面中間設(shè)有卡接孔的U形框稱為對接母頭，所述對接錐頭與卡接孔構(gòu)成卡接結(jié)構(gòu)，對接公頭的底面中間設(shè)有圓孔，對接錐頭穿過所述圓孔連接ー旋轉(zhuǎn)齒輪，對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)對接錐頭旋轉(zhuǎn)，對接錐頭側(cè)面設(shè)有卡齒，卡接孔直徑與對接錐頭一致，設(shè)有對應(yīng)所述卡齒的卡槽，對接公頭與對接母頭連接時(shí)，對接錐頭對應(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)型中的単體分為首模塊、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)有ー對紅外接收管，連接面上設(shè)有ー對紅外發(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)模塊包括至少ー個(gè)単體，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接母頭，首、尾模塊通過對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接公頭的直流電機(jī)旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)對接錐頭旋轉(zhuǎn)，對應(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)通過単體前關(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)；然后中間模塊通過単體的中關(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)首尾模塊對接公頭上的紅外接收管，以及中間模塊對接面上的紅外發(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)度值推算出對接公頭與對接面的距離，當(dāng)對接公頭距對接面距離達(dá)到設(shè)定的對接距離閾值，自動(dòng)對接過程開始I)首、尾模塊的對接公頭向左右15°范圍內(nèi)按5°遞增模式進(jìn)行角度搜索，尋找對接面紅外發(fā)射管發(fā)射紅外強(qiáng)度最大的方向，完成對接面初始相對角度調(diào)整；2)在所述紅外強(qiáng)度最大的方向上測量首、尾模塊的紅外接收管和中間模塊對接面的紅外發(fā)射管的距離值，上傳至上位機(jī)，上位機(jī)根據(jù)已知的紅外發(fā)射管與對接面卡接孔位置關(guān)系、紅外接收管與對接錐頭位置關(guān)系、以及所述距離值建立ー個(gè)局部坐標(biāo)系，計(jì)算對接公頭和對接面相對角度偏差和相對位移偏差，首、尾模塊根據(jù)得到的偏差值調(diào)整與中間模塊的相對位置；循環(huán)以上兩個(gè)步驟，直到對接公頭與對接面完全正對，且距離足以完成對接錐頭與卡接孔的卡接，首、尾模塊驅(qū)動(dòng)對接錐頭，同時(shí)進(jìn)行與對接面的對接，實(shí)現(xiàn)由“一”構(gòu)型到“十”構(gòu)型的變形。進(jìn)ー步的，上位機(jī)控制機(jī)器人由“十”構(gòu)型變?yōu)椤耙弧睒?gòu)型，首模塊、中間模塊和尾模塊三部分完全分離，中間模塊旋轉(zhuǎn)90°，和首、尾模塊成直鏈狀態(tài)，首、尾模塊的對接公頭通過紅外接收管管，以及中間模塊對接母頭的紅外發(fā)射管進(jìn)行自動(dòng)對接過程，至首、尾模塊的對接公頭與中間模塊的對接母頭連接完成，實(shí)現(xiàn)由“十”構(gòu)型到“一”構(gòu)型的變形。所述自動(dòng)對接開始的對接距離閾值設(shè)置為9 11cm。本發(fā)明具有以下有益效果一，可以有效的實(shí)現(xiàn)單體之間的對接和分離；ニ，首尾單模塊単體能夠和旋轉(zhuǎn)后的雙模塊單體實(shí)現(xiàn)自動(dòng)對接，完成從“一”型到“十”型的變形；三，控制方法簡單可靠。


圖I是本發(fā)明單模塊單體的結(jié)構(gòu)圖。圖2是本發(fā)明對接公頭的上視圖。圖3是本發(fā)明雙模塊單體的結(jié)構(gòu)圖。圖4是本發(fā)明對接母頭的立體圖。圖5是本發(fā)明對接公頭對接母頭鎖緊狀態(tài)。圖6是本發(fā)明對接公頭對接母頭分離狀態(tài)。

圖7是本發(fā)明“一”構(gòu)型的結(jié)構(gòu)圖。圖8是單模塊單體行走一個(gè)步長過程9是本發(fā)明“一”構(gòu)型到“十”構(gòu)型的變形過程。圖10是本發(fā)明雙模塊單體旋轉(zhuǎn)90°的立體圖。圖11是對接過程中建立的局部坐標(biāo)系。圖12是本發(fā)明對接為“十”構(gòu)型的立體圖。圖13是本發(fā)明“一”構(gòu)型到“十”構(gòu)型的變形流程圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例，對本發(fā)明作進(jìn)ー步詳細(xì)說明。本發(fā)明為一種模塊化自重構(gòu)機(jī)器人，由至少四個(gè)単體連接構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)“一”構(gòu)型和“十”構(gòu)型，如圖I所示，本發(fā)明的単體由前關(guān)節(jié)I、后關(guān)節(jié)2、中關(guān)節(jié)3三個(gè)部分依次連接組成，所述關(guān)節(jié)包括兩個(gè)U形框和舵機(jī)，所述U形框由ー個(gè)底面和兩個(gè)連接臂組成，連接臂對稱設(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)固定在其中ー個(gè)U形框內(nèi)，驅(qū)動(dòng)另ー個(gè)U形框轉(zhuǎn)動(dòng)；所述單體連接構(gòu)型，“一”構(gòu)型時(shí)，各単體前后關(guān)節(jié)相連成直鏈，単體之間相互連接的U形框底面上分別設(shè)有對接錐頭和卡接孔，底面中間設(shè)有對接錐頭的U形框稱為對接公頭，如圖2所示，底面中間設(shè)有卡接孔的U形框稱為對接母頭，如圖4所示。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吋，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)；各単體之間通過對接錐頭與卡接孔連接。所述對接錐頭與卡接孔構(gòu)成卡接結(jié)構(gòu)，如圖2所示，對接公頭101的底面中間設(shè)有圓孔，對接錐頭102穿過所述圓孔連接ー旋轉(zhuǎn)齒輪107，對接公頭101的底面上還設(shè)有直流電機(jī)108，所述直流電機(jī)108的輸出軸齒輪與旋轉(zhuǎn)齒輪107嚙合，驅(qū)動(dòng)齒輪107旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而帶動(dòng)對接錐頭102旋轉(zhuǎn)，對接錐頭側(cè)面設(shè)有卡齒，卡接孔204直徑與對接錐頭102 —致，設(shè)有對應(yīng)所述卡齒的卡槽，如圖4 ;對接公頭與對接母頭的連接如圖5和圖6所示，對接錐頭對應(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，圖5為鎖緊狀態(tài)，圖6為分離狀態(tài)。對接公頭的底面上設(shè)有ー對紅外接收管104、106，分別通過紅外對管安裝孔103、105安裝在對接公頭上，對接母頭上也設(shè)有ー對紅外發(fā)射管202、206，分別通過紅外對管安裝孔203、205安裝在對接母頭上；對接公頭和對接母頭通過所述紅外接收管和紅外發(fā)射管定位?！笆睒?gòu)型時(shí)，將“一”構(gòu)型中的単體分為首模塊、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)有ー對紅外接收管，連接面上設(shè)有ー對紅外發(fā)射管。下面以四個(gè)單體構(gòu)成的模塊化自重構(gòu)機(jī)器人為例來說明本發(fā)明的實(shí)施。如圖3所示，中間模塊為兩個(gè)單體組成，J1、J3、J4、J6為雙模塊單體的四個(gè)俯仰關(guān)節(jié)，J2、J5為其兩個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，卡槽4用于和首、尾模塊的単體側(cè)面對接。由“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)模塊包括至少ー個(gè)単體，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接母頭，首、尾模塊通過對接公頭連接中間模塊，如圖7所示，為實(shí)施例的機(jī)器人的初始構(gòu)型“一”構(gòu)型，由4個(gè)單體構(gòu)成，首尾各一個(gè)單體作為“十”構(gòu)型的首、尾模塊，中間的兩個(gè)單體作為“十”構(gòu)型的中間模塊。三部分模塊的分解為待分解處的對接公頭的直流電機(jī)旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)對接錐頭旋轉(zhuǎn)，對應(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、尾單模塊 和中間模塊實(shí)現(xiàn)完全分離，所述直線移動(dòng)為通過單體前關(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)，檢測到距中間模塊單體為IOcm左右，自動(dòng)對接過程開始。如圖8所示，圖中Stepf Step5為單體一個(gè)運(yùn)動(dòng)周期，Stepl為初始狀態(tài)，節(jié)點(diǎn)處于伸展?fàn)顟B(tài)，為運(yùn)動(dòng)作準(zhǔn)備。St印2中，前關(guān)節(jié)向上偏轉(zhuǎn)0 I角度，為的是減少模塊運(yùn)動(dòng)過程中與地面的摩擦力。Step3中，后關(guān)節(jié)向下偏轉(zhuǎn)0 2角度，由于摩擦力的作用，整個(gè)單體并沒有向前移動(dòng)而是將向前的驅(qū)動(dòng)カ轉(zhuǎn)化成中關(guān)節(jié)的上拱。St印4中，前關(guān)節(jié)由原來的向上偏轉(zhuǎn)0 I轉(zhuǎn)變?yōu)橄蛳缕D(zhuǎn)一定的角度，后關(guān)節(jié)的水平高度高于前關(guān)節(jié)，這樣為單體向前移動(dòng)提供更加充足的カ矩。在Step5中，后關(guān)節(jié)向上偏轉(zhuǎn)0 2使關(guān)節(jié)處于伸展?fàn)顟B(tài)，由此產(chǎn)生向前驅(qū)動(dòng)力，驅(qū)動(dòng)整個(gè)單體向前移動(dòng)，前關(guān)節(jié)向上擺動(dòng)一定的角度，使關(guān)節(jié)處于伸展?fàn)顟B(tài)，恢復(fù)Stepl狀態(tài)，開始下ー輪的循環(huán)。其中S為單體一個(gè)運(yùn)動(dòng)周期所走的距離即一個(gè)步長，在本實(shí)施例中為2cnT"2. 8cm。如圖9所示，為“一”構(gòu)型到“十”構(gòu)型變形過程中雙模塊單體實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)的具體步態(tài)。圖中stepl到step6為ー個(gè)運(yùn)動(dòng)周期,在step I中，初始構(gòu)型“一”構(gòu)型收到上位機(jī)變形控制的命令之后，待分解處的對接公頭分別控制各自的直流電機(jī)108旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)對接錐頭102旋轉(zhuǎn)60°，使得待分解處的對接公頭101和對接母頭201處于分離狀態(tài)。首、尾模塊分別向遠(yuǎn)離中間模塊的方向移動(dòng)ー個(gè)步長，首、尾模塊和中間模塊實(shí)現(xiàn)完全分離；在step2中，中間模塊的關(guān)節(jié)Jl、J6向下偏轉(zhuǎn)，這樣有利于增加整個(gè)模塊端部與地面的摩擦力；在step3中，中間模塊的關(guān)節(jié)J2、J5分別向右、向左擺動(dòng)一定的角度，帶動(dòng)中間模塊旋轉(zhuǎn)一定的角度，然后關(guān)節(jié)Jl、J6向上偏轉(zhuǎn)一定的角度，關(guān)節(jié)Jl、J6恢復(fù)初始的狀態(tài)；在st印4中，關(guān)節(jié)J3向上旋轉(zhuǎn)一定的角度，關(guān)節(jié)J2向左擺動(dòng)一定的角度，J2恢復(fù)初始狀態(tài)，關(guān)節(jié)J3向下擺動(dòng)一定角度，關(guān)節(jié)Jl、J2、J3恢復(fù)初始狀態(tài)；St印5的過程正好和st印4相對應(yīng)，關(guān)節(jié)J4、J5、J6恢復(fù)初始狀態(tài)；在Step6中，整個(gè)中間模塊整體旋轉(zhuǎn)過約15°并恢復(fù)初始狀態(tài)，為下一次循環(huán)作準(zhǔn)備。上述步驟中提到的一定角度均上位機(jī)通過關(guān)節(jié)的舵機(jī)控制，如表I所示，為中間模塊實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)的具體步態(tài)表。其中A代表關(guān)節(jié)的俯仰旋轉(zhuǎn)角度，+A代表向上的旋轉(zhuǎn)的角度，-A代表向下旋轉(zhuǎn)的角度，B代表關(guān)節(jié)的水平方向旋轉(zhuǎn)的角度，+B代表從紙面旋出的角度，-B代表向紙內(nèi)旋進(jìn)去的角度。轉(zhuǎn)動(dòng)角度可以預(yù)先對舵機(jī)進(jìn)行設(shè)置，例如設(shè)置每次旋轉(zhuǎn) 15。。表I

權(quán)利要求
1.一種模塊化自重構(gòu)機(jī)器人，其特征是由至少三個(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)有對接錐頭和卡接孔，底面中間設(shè)有對接錐頭的U形框稱為對接公頭，底面中間設(shè)有卡接孔的U形框稱為對接母頭，所述對接錐頭與卡接孔構(gòu)成卡接結(jié)構(gòu)，對接公頭的底面中間設(shè)有圓孔，對接錐頭穿過所述圓孔連接一旋轉(zhuǎn)齒輪，對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)對接錐頭旋轉(zhuǎn)，對接錐頭側(cè)面設(shè)有卡齒，卡接孔直徑與對接錐頭一致，設(shè)有對應(yīng)所述卡齒的卡槽，對接公頭與對接母頭連接時(shí)，對接錐頭對應(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)有一對紅外接收管，對接母頭及連接面上設(shè)有一對紅外發(fā)射管。
2.權(quán)利要求I所述的模塊化自重構(gòu)機(jī)器人的變形控制方法，其特征是由上位機(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接母頭，首、尾模塊通過對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接公頭的直流電機(jī)旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)對接錐頭旋轉(zhuǎn)，對應(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)首尾模塊對接公頭上的紅外接收管，以及中間模塊對接面上的紅外發(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)度值推算出對接公頭與對接面的距離，當(dāng)對接公頭距對接面距離達(dá)到設(shè)定的對接距離閾值，自動(dòng)對接過程開始 1)首、尾模塊的對接公頭向左右15°范圍內(nèi)按5°遞增模式進(jìn)行角度搜索，尋找對接面紅外發(fā)射管發(fā)射紅外強(qiáng)度最大的方向，完成對接面初始相對角度調(diào)整； 2)在所述紅外強(qiáng)度最大的方向上測量首、尾模塊的紅外接收管和中間模塊對接面的紅外發(fā)射管的距離值，上傳至上位機(jī)，上位機(jī)根據(jù)已知的紅外發(fā)射管與對接面卡接孔位置關(guān)系、紅外接收管與對接錐頭位置關(guān)系、以及所述距離值建立一個(gè)局部坐標(biāo)系，計(jì)算對接公頭和對接面相對角度偏差和相對位移偏差，首、尾模塊根據(jù)得到的偏差值調(diào)整與中間模塊的相對位置； 循環(huán)以上兩個(gè)步驟，直到對接公頭與對接面完全正對，且距離足以完成對接錐頭與卡接孔的卡接，首、尾模塊驅(qū)動(dòng)對接錐頭，同時(shí)進(jìn)行與對接面的對接，實(shí)現(xiàn)由“一”構(gòu)型到“十”構(gòu)型的變形。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的模塊化自重構(gòu)機(jī)器人的變形控制方法，其特征是上位機(jī)控制機(jī)器人由“十”構(gòu)型變?yōu)椤耙弧睒?gòu)型，首模塊、中間模塊和尾模塊三部分完全分離，中間模塊旋轉(zhuǎn)90°，和首、尾模塊成直鏈狀態(tài)，首、尾模塊的對接公頭通過紅外接收管管，以及中間模塊對接母頭的紅外發(fā)射管進(jìn)行自動(dòng)對接過程，至首、尾模塊的對接公頭與中間模塊的對接母頭連接完成，實(shí)現(xiàn)由“十”構(gòu)型到“一”構(gòu)型的變形。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的模塊化自重構(gòu)機(jī)器人的變形控制方法，其特征是所述自動(dòng)對接開始的對接距離閾值設(shè)置為9 11cm。
全文摘要
一種模塊化自重構(gòu)機(jī)器人及其變形控制方法，機(jī)器人由單體連接構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)“一”構(gòu)型和“十”構(gòu)型，機(jī)器人的初始構(gòu)型是“一”構(gòu)型，將自身分為首模塊、中間模塊和尾模塊三部分，接到變形控制命令時(shí)，首、尾模塊和中間模塊的對接機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)分離，分離后，中間模塊進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，直至和首、尾模塊成垂直狀態(tài)；自動(dòng)對接過程包括對接面初始相對角度調(diào)整、對接面相對角度偏差和相對位移偏差調(diào)整以及對接機(jī)構(gòu)的鎖緊，最終實(shí)現(xiàn)首、尾模塊和中間模塊的對接，完成由“一”構(gòu)型到“十”構(gòu)型的變形，其逆過程也可實(shí)現(xiàn)由“十”構(gòu)型到“一”構(gòu)型的變形。本發(fā)明的機(jī)器人及其控制方法可簡單有效地實(shí)現(xiàn)單體之間的分離、對接，完成“一”構(gòu)型和“十”構(gòu)型之間的變形。
文檔編號B25J9/00GK102765087SQ20121027034
公開日2012年11月7日 申請日期2012年7月31日 優(yōu)先權(quán)日2012年7月31日
發(fā)明者喬貴方, 宋光明, 李臻, 王衛(wèi)國, 王雅利 申請人:東南大學(xué)