專利名稱：模塊化可重構多功能教育機器人的制作方法
技術領域：
本發明屬于機電控制和自動化教學領域，涉及的是一種教育機器人，特別是一種模塊化 多功能的教育機器人。
背景技術：
當代科學技術發展的特點之一，就是機械技術和電子技術、計算機技術、信息技術相結 合，機器人就是這種綜合技術相結合的產物之一。目前， 一些發達國家己經看好機器人對未 來高科技社會的作用和影響，把教育機器人引入到大專院校以及中小學的教育中來。以教育 機器人為教學平臺，有利于機械設計、電子技術、計算機技術、信息技術等學科的教育發展， 有利于探索教育改革和人才培養的新途徑、新方法，有利于高素質人才的綜合培養，同時將 推動我國機器人知識和技術的普及，促進我國機器人事業的發展和專業人才的培養，促進新 興的智能機器人產業的形成，從而建立一種全新的人才培養模式，為國家、為社會培養輸送 大批更加優秀的人才。
隨著科技的發展，教育機器人在國內外受到了越來越多的關注，在國外許多著名大學都 將機器人作為一個綜合實驗平臺供學生做實驗和學習等。但是許多現有商業化的教育機器人 都存在硬件結構封閉且功能單一等缺點。國外有些產品雖然功能較豐富，但是價格極其昂貴， 且無法滿足中國特色的自動化相關學科教育需求。如瑞士洛桑工學院推出的E-PUCK微型可移 動教育機器人，雖然帶有豐富的傳感器，但是只能完成移動機器人領域的一些基本實驗，而 無法完成中國自動化學科相關的很多實驗。加拿大Quanser公司推出了模塊化的倒立擺系統， 可以通過旋轉伺服模塊以及不同附件組合成多種不同的被控對象。但是Qnanser的產品沒有 很好的融入機器人的概念，而只是固定的機電控制系統，只能完成機電一體化教學中的基本 實驗，而無法完成機器人領域的實驗。丹麥LEGO的積木式機器人雖然可以創建很多不同形狀 的機器人，但是其機械結構很粗糙，很難用于高水平的學術研究， 一般只適合于中小學以及 低年級本科生使用，而不適用于更高水平的學術研究。此外，目前大部分自動化專業教學產 品的功能都比較單一，比如一套系統只能做電機調速系統，而無法進行重組來完成其它實驗。 很多高校為了能進行30人一個班級的實驗，都需要買10套左右的系統，每組2 — 3人做實驗， 而這10套系統都是完全一樣的，只能做某一個實驗。這樣，較嚴重的限制了學生創造性的發 揮。如果要增加新的實驗內容，則實驗室又必須重新購買其它一些教學產品，增加了學校資 金的負擔。

發明內容
針對現有技術的不足，本發明提出了一種模塊化可重構多功能的教育機器人，通過不同 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驗被控對象，可以很好的完成自 動化學科以及機器人學科的各種實驗。本發明通過核心伺服模塊、連接機構、擴展部件等模 塊的相互連接為自動化學科的實驗提供了一系列高水平的被控對象。通常利用10個核心伺服
模塊，再加上相關的擴展部件，可以完成多達幾十種自動化專業相關教學實驗。另外，本發 明利用了精確的齒輪傳動機構，機械結構設計精密，所組成的不同被控對象都可以建立較精 確的數學模型，適合于控制理論方法的實驗研究。
本發明是通過以下技術方案實現的，包括至少一個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、連接面轉動桿、轉動面轉動桿、直流電機和加固板，其中主體主沿 中心線對稱，呈n型，加固板加固在主體主兩個側壁上，主體副是一個u型結構，主體主與 主體副通過連接面轉動桿和轉動面轉動桿進行連接，所述的直流電機安裝在主體主上，所述 的核心伺服模塊的四個連接面上安裝連接模塊，核心伺服模塊之間通過連接模塊組合成可重 構機器人，或者核心伺服模塊和附件組合成機器人。所述的核心伺服模塊之間通過連接模塊 組合成可重構機器人，利用多個核心伺服模塊組成蛇形機器人，可以選擇是前后順序連接或
者前后左右面交叉連接，可以設計出許多不同功能的蛇形機器人，每個模塊可以安裝上輪子； 利用6個核心伺服模塊組成六自由度機械手，16個核心伺服模塊組成四足機器人，利用18
個核心伺服模塊組成機器狗。
當核心伺服模塊中直流電機為一個第三電機時，構成單軸伺服傳動系統，第三電機通過電 機固定安裝在主體主的背面，第三電機通過電機齒輪與背面大齒輪嚙合將動力傳送到背面轉 動桿上。
當核心伺服模塊中直流電機為兩個直流電機，第二電機和第一電機分別固定在主體主的n 型壁上的左側和右側，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， 第二電機齒輪固定在第二電機的輸出軸上，第二電磁離合器外齒輪和第二電磁離合器內齒輪 分別固定在第二電磁離合器的中心軸的兩端，第二電機齒輪與第二電磁離合器外齒輪嚙合以 傳動動力至第二電磁離合器內齒輪，第一電機齒輪固定在第一電機的輸出軸上，第一電磁離合 器外齒輪和第一電磁離合器內齒輪分別固定在第一電磁離合器的中心軸的兩端，第一電機齒 輪與第一電磁離合器外齒輪嚙合以將第一電機動力傳輸至第一電磁離合器內齒輪上，第二中 軸大齒輪與第一中軸大齒輪分別固定在連接面轉動桿以及轉動面轉動桿，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齒輪和第一電磁離合器內齒輪，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動力矩傳送至連接面轉動桿和轉動面轉動桿，連 接面轉動桿固定在主體副的右側壁上，轉動面轉動桿固定在主體副的左側壁上，第一電磁離 合器外齒輪和第二電磁離合器外齒輪，分別嚙合兩個固定在主體主左右側壁上的輪齒輪。
當核心伺服模塊中直流電機為三個直流電機，第二電機和第一電機分別固定在主體主的n
型壁上的左側和右側，第三電機通過電機固定安裝在主體主的背面，第二電機齒輪固定在第 二電機的輸出軸上，第二電磁離合器外齒輪和第二電磁離合器內齒輪分別固定在第二電磁離 合器的中心軸的兩端，第二電機齒輪與第二電磁離合器外齒輪嚙合以傳動動力至第二電磁離 合器內齒輪，第一電機齒輪周定在第一電機的輸出軸上,第一電磁離合器外齒輪和第一電磁離 合器內齒輪分別固定在第一電磁離合器的中心軸的兩端，第一電機齒輪與第一電磁離合器外 齒輪嚙合以將第一電機動力傳輸至第一電磁離合器內齒輪上，第二中軸大齒輪與第一中軸大 齒輪分別固定在連接面轉動桿以及轉動面轉動桿，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齒輪和第一電磁離合器內齒輪，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動力矩傳送至連接面轉動桿和轉動面轉動桿，連接面轉動桿固定在主體 副的右側壁上，轉動面轉動桿固定在主體副的左側壁上，第一電磁離合器外齒輪和第二電磁 離合器外齒輪，分別嚙合兩個固定在主體主左右側壁上的輪齒輪。
核心伺服模塊的四個連接面上安裝連接模塊，核心伺服模塊之間通過連接模塊可以在四 個連接面上進行相互連接組合成機器人，或者核心伺服模塊和附件組合成機器人。
所述的核心伺服控制模塊上安裝一個運動控制卡，在PC機上進行編程，然后通過串口、
網口方式下載到被控對象的運動控制卡上進行實時控制。
所述的運動控制卡，采用基于DSP的嵌入式控制結構，外圍電路包括無線通信模塊、紅 外傳感器、加速度傳感器及電源管理，還包括擴展接口，擴展其他功能模塊，支持USB、串 口和JTAG通訊接口，最后連接驅動電路對電機進行實時控制。也可以使用市場上的運動卡， 比如深圳市雷泰控制技術有限公司運動控制卡DMC2410。
單個伺服模塊利用3個直流電機最大可實現5個自由度，其中通過電磁離合器切換可以 實現繞中心軸的俯仰為1個自由度，兩個差分驅動齒輪為2個自由度，通過電磁離合器切換 可實現左側轉動桿轉動為l個自由度，背部通過一個電機可實現l個旋轉自由度。由于單個 伺服模塊的四個面的構造是對稱統一的，因此通過傳動機構可以實現4個面的相互連接，可 以重構成許多不同的被控對象。
連接模塊提供兩種方案， 一種是手動連接模塊，在核心伺服模塊的四個連接面上安裝此
連接模塊，需要將兩個模塊手動放置在一起配合好，然后手動利用螺絲釘連接。同樣，分離 也需要手動將螺釘拆卸進行分離。對于一般實驗研究，手動連接模塊即可，可以很方便的組 合成許多不同被控對象。另外一種是自動連接模塊，兩個連接模塊之間采用卡扣方式進行連 接。連接模塊內有一個直流扁平電機，通過控制扁平電機旋轉推動連接鉤的運動來實現兩個 對接面的自動連接和分離。
下面介紹分別從單個模塊、多個模塊以及模塊和外部擴展部件的不同擴展方式來描述模 塊化機器人的可重構特性和多功能特點
(1) 單個模塊核心伺服模塊機械結構靈巧，可以根據需求選擇安裝不同部件完成不同 功能。單個核心伺服模塊最多可組成一個5自由度的伺服控制系統，可以完成直流電機調速 控制，柔性連接控制等。模塊的傳動是這樣實現的位于核心伺服模塊主體主的下部有兩個 直流電機，通過齒輪將動力傳送到電磁離合器的內側傳動齒輪，并帶動輪齒輪轉動。電磁離 合器的外側齒輪通過嚙合分別帶動連接面轉動桿轉動和轉動面轉動桿轉動。因此，可以通過 電磁離合器的通斷電來控制連接面轉動桿的旋轉以及轉動面轉動桿的旋轉。由于電磁離合器 的特殊性，因此該伺服控制系統具有柔性負載的特性，可以完成自動化學科關于直流電機調 速實驗以及經典控制理論和現代控制理論的基礎實驗。學生可以通過比較直流電機加負載后 演示性能的不同，深入了解開環和閉環控制系統的特點，并通過本機器人的設計實例，牢固 掌握現代機電控制系統的設計方法，為今后的研究和工程設計打下良好的基礎。
(2) 單個模塊+輪子單個核心伺服模塊如果只裝底部兩個直流電機而不安裝其它部件， 則可組成一個差分驅動小車。小車的輪子可以通過兩個側面的工藝孔方便地進行拆卸和安裝。 在核心伺服模塊的中央部分分別預留了控制卡和鋰電池安裝位置，在前后分別預留了紅外傳 感器接口。由于主體副可以繞中心軸做俯仰運動，因此在主體副上安裝小的攝像頭還可以為 移動機器人增加視覺系統。因此，通過安裝兩個輪子，則此系統可以成為一個移動機器人系 統。由于小車有自己獨立的供電系統和處理單元以及感知系統，因此是一個自主移動機器人 系統。利用該機器人，可以完成機器人學相關的許多實驗，如路徑規劃、定位導航、避障等。 多個移動機器人系統還可以組成多智能體系統，可以用于多智能體協調研究以及競賽類研究 等。
(3) 兩個模塊連接兩個核心伺服模塊相互連接可以組成扭矩系統和2自由度機器人系 統。如果再加上倒立擺附件，則可構成2自由度并聯機器人和倒立擺系統。這就構成了一個 復雜的具有耦合特性的欠驅動系統，通過控制兩個核心伺服模塊電機的運動來控制倒立擺的
穩定，這個系統適合于許多高級控制算法的研究，如自適應控制、解偶控制、魯棒控制等高
級算法的研究。兩個模塊相互連接，也可以組成一個關節驅動系統，通過控制直流電機，可 以控制模塊進行匍匐前進，完成一些蛇形蠕動控制方面的實驗研究。
(4) 多個模塊連接當采用多個模塊相互連接的時候，則可以構成蛇形機器人、環形機 器人、人形機器人以及多足機器人等。這類機器人適合于分布式控制、集中控制以及智能控 制領域的實驗研究。同時如果采用自動連接模塊進行連接時，還可以用于研究可自重構機器 人學的相關實驗。在構成蛇形機器人時，如果每個伺服模塊不加輪子，則可以研究蛇形機器 人的蠕動行走控制。如果加上輪子還可以進行差分驅動和關節蠕動配合的蛇形游走控制方法 研究。同時，在研究可自重構機器人時，由于每個模塊都是一個自主的模塊，并且由于每個 模塊都可以安裝輪子，因此相比于目前存在的可重構機器人，提供了一種更加快速的運動方
式。利用6個模塊各交叉90度連接，還可以組成一個6自由度機械手系統，可以完成傳統機 器人學、自動控制原理、現代控制理論、自適應控制、系統辨識等許多相關學科的實驗研究。
(5) 單個模塊+附件單個模塊加上適合的附件，則可構成許多其它特性的被控對象。 本發明中主要設計了如下幾個附件可伸縮式(可變質心)倒立擺附件、球桿平衡附件、直 線導軌附件等，分別可以組成旋轉倒立擺系統，球桿平衡系統和直線倒立擺系統等。本發明 相比于目前自動化專業的商業教學產品來說，具有擴展性更強、功能更加豐富以及體積小等
特點。 一般只需6到10個模塊，可以完成機器人學、自動化領域的多達近百個課程實驗，相
比于目前的一個教學產品只能做1到幾個實驗，而不能相互重組再利用具有明顯的實用價值。 同樣，學生通過各種被控對象的組合可以學習到機械、電子、控制等很多交叉學科技術知識。
本發明在工作時，在機械系統上需要安裝一個運動控制卡，在PC機上可以利用C、 C++、MATLAB 等語言進行編程，然后通過串口、網口等方式下載到被控對象的運動控制卡上進行實時控制。 因此，本發明可針對機器人系統的機械設計、驅動電路設計、控制系統設計等多方面的內容 設計實驗，是一個豐富集成了機械、電子、控制理論、軟件工程為一體的高水平教學實驗平 臺，具有很強的實踐教學功能。


圖la是本發明模塊化可重構多功能教育機器人的核心伺服模塊的俯視圖，
圖lb是本發明模塊化可重構多功能教育機器人的核心伺服模塊的仰視圖，
圖2a是本發明的一種實施例核心伺服模塊加輪子構成微型移動機器人的俯視圖，
圖2b是本發明的第二種實施例核心伺服模塊加輪子構成微型移動機器人的側視圖，
圖2c是圖2b從下往上看的側視圖，
圖3a是本發明的第三種實施例兩個模塊連接構成2自由度并聯機器人的俯視圖，
圖3b是本發明的第四種實施例兩個模塊連接構成2自由度并聯機器人的側視圖， 圖4a是本發明的手動連接模塊示意圖，
圖4b是本發明利用手同模塊連接兩個核心伺服模塊的示意圖， 圖5a是本發明的自動連接模塊示意圖， 圖5b是本發明的自動連接模塊側視圖，
圖6是本發明的第五種實施例核心伺服模塊加倒立擺附件構成平面倒立擺示意圖，
圖7是本發明的第六種實施例核心伺服模塊加倒立擺附件構成旋轉倒立擺示意圖，
圖8是本發明的第七種實施例多個核心伺服模塊連接構成蛇形機器人的示意圖，
圖9是本發明的第八種實施例多個核心伺服模塊連接構成復雜的人形機器入的示意圖，
圖IO是本發明的核心伺服模塊的主體副結構示意圖11是本發明的核心伺服模塊的主體主結構示意圖12是本發明運動控制卡的結構示意圖。
圖中l主體主，2主體副，3前面連接桿，4第一電機齒輪，5轉動面轉動桿，6第一電磁離 合器外齒輪，7電機固定，8背面大齒輪，9背面轉動桿，10第二電機齒輪，ii第一電磁離 合器，12連接面轉動桿，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，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，22第二電機，23第一電磁離合器內齒輪，24第二電磁離合器內齒 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倒立擺傳動軸，38控制連桿，39控制桿，40連接模塊內套，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，48帶動凸輪， 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。
具體實施例方式
下面結合附圖對本發明做進一步描述-
圖la所示是核心模塊的俯視圖，單個核心伺服模塊最多可以安裝3個直流電機，最多可 以達到5個自由度運動，可以根據實驗對象的要求來配置不同電機個數，從而完成各種不同 目的的實驗，并降低設備成本。核心伺服模塊的連接關系如下描述主體主l沿中心線對稱， 如圖11所示，類似于"n"型，這樣是為了保證模塊的平衡性，同時通過加固板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U型結構。主體主1與主體副2沿模塊中心線通過連接面轉動桿12和轉動面轉動桿5進行連接，第二電機22和第一電機 16分別通過螺釘固定在主體主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，第三電機21通過電機固定7連接到主體主1的側面壁上。 第二電機齒輪10通過螺釘固定在第二電機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。第二電機齒輪10與第 二電磁離合器外齒輪13嚙合以傳動動力至第二電磁離合器內齒輪24，對稱側的第一電機齒 輪4固定在第一電機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，第一電機齒輪4與第一電磁離合器外齒輪6 嚙合以將第一電機16動力傳輸至第一電磁離合器內齒輪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動桿12以及轉動面轉動桿5，并分別嚙合第二電磁離合器 內齒輪24和第一電磁離合器內齒輪23,分別將電磁離合器上的轉動力矩傳送至各自轉動桿。 連接面轉動桿12通過螺釘固定在主體主1的側壁上，轉動面轉動桿5通過軸承固定在主體主 1的側壁上。背面轉動桿9通過軸承固定在主體主1的背面上，并在轉動桿的軸端安裝齒輪 嚙合第三電機21輸出端上的背面大齒輪8以獲得轉動動力。前面連接桿3則通過螺釘固定在 主體副2的前部。加固板17分別通過螺釘固定在主體主1的兩個側壁上以防止側壁發生形變。
核心伺服模塊的傳動過程如下第一電機16通過第一電機齒輪4將動力同比傳送到第一
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上粘貼了一個第一電磁離合器內齒輪23，該齒
輪與第一中軸大齒輪18以傳動比5:1嚙合，第一中軸大齒輪18通過定位螺釘定位在轉動面
轉動桿5上，因此通過電磁離合器的通斷可以選擇是否將電機的轉動動力傳送到轉動面轉動
桿5的上而帶動其旋轉。同樣，第二電機22通過第二電機齒輪10將動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力傳送到第二電磁
離合器軸頭14上。第二電磁離合器內齒輪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，傳動比同樣為5:1可以帶動連接面轉動桿12轉動。連接面轉動桿12與主體副
2用螺釘固定，因此連接面轉動桿12的轉動可以帶動主體副圍繞中心軸進行旋轉。因此，通
過第二電磁離合器11的通斷電可以選擇是否讓主體副2相對于主體主1圍繞中心軸進行旋轉
運動，旋轉的范圍是一90度到+90度。第三電機21通過電機固定7固定在主體主1上，通
過電機上的齒輪嚙合背面大齒輪8來帶動背面轉動桿9旋轉，傳動比為2:1。這樣，可以保
證核心伺服模塊的四個連接面上，對稱面之一都有一個旋轉自由度，為多模塊之間連接和做
相對運動奠定基礎。單個核心伺服模塊是一個多軸伺服控制系統，適合于學生學習關于直流
電機控制、機械傳動等原理，可開展自動控制原理、直流電機調速、計算機控制、現代控制
理論等課程的實驗。
圖2a是本發明的第一個實施實例，將核心伺服模塊加上兩個輪子可以構成一個差分驅動 的微型移動機器人。圖2b是構成的微型移動機器人的側視圖，圖2c是從下往上看的側視圖。 在構成兩輪差分驅動移動機器人的時候，可以只安裝2個直流電機以及1個中軸大齒輪，然 后裝配上相應的第一紅外傳感器35和第二紅外傳感器36 (前后面各有兩個，共4個紅外傳 感器用于測距)，以及鋰電池等構成一個自主的微型移動機器人。工作原理如下第一電機 16通過第一電機齒輪4將動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，因此通過第一電磁離合器外齒輪6與第二輪齒輪34的嚙合(傳動比為1:2) 可以將動力傳送到右輪子29上。同樣對于左輪子25，第二電機22通過第二電機齒輪10將 動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通過齒輪嚙合可以將動力傳 送到第一輪齒輪33上，從而帶動左輪子25旋轉。這樣，通過兩個直流電機的獨立控制可以 實現機器人的差分驅動。為了保持機器人的平衡性，在前后分別安裝了三個滑珠32， 一方面 保證運動平穩，另一方面減少與地面的摩擦力。另外，通過第二電磁離合器ll可以將第二電 機22的動力傳送到第二中軸大齒輪15上，從而可以帶動主體副2進行旋轉。因此，該移動 機器人在運動中還可以通過主體副2的俯仰運動實現前面兩個紅外傳感器進行在垂直方向不 同角度的距離測量，而不是固定的水平方向，這為移動機器人的感知帶來了極大的便利。另 外也可以在主體副2的頂端固定一個小的USB攝像頭，這樣機器人可以實現在垂直方向上一 定角度內的視覺掃描。利用該被控對象，可以完成機器人學、智能機器人學、智能控制等課 程的實驗。
圖3a和圖3b分別是本發明的第二種實施實例一兩自由度并聯機器人的俯視圖和側視圖。 組合方法如下每個核心伺服模塊只安裝第三電機21以及背面大齒輪8，將電機動力傳送到 軸37上帶動其旋轉，從而可以控制連桿38的運動，這樣通過兩個模塊的共同作用就可以來 控制桿39在水平面一定范圍內做運動。控制目標就是來控制并聯桿的末端位置，這樣的系統 具有欠驅動、耦合等特性，適合于高級控制算法的研究。同樣，可以在并聯機器人的末端可 以加上一個倒立擺組件，從而構成一個更加復雜的系統，可以給控制理論帶來更大的挑戰。 這樣的系統適合于解偶控制、自適應控制、魯棒控制以及智能控制等高級控制算法的研究。 利用該被控對象，可以完成智能控制、自適應控制、最優控制等課程的相關實驗。
圖4a、圖4b和圖5a以及圖5b給出了本發明將多個模塊連接到一起時所用的手動連接和 自動連接模塊的示意圖。圖4a給出了手動連接模塊的兩個內外連接套示意圖，圖4b給出了 連接方式示意圖。在圖4b中，當兩個模塊需要連接的時候，先將連接模塊內套40與前面連接桿3連接，連接模塊外套41與背面轉動桿9連接，然后手動對接連接模塊的內套40和連 接模塊外套41，并用螺釘固定，即可將兩個模塊牢固連接在一起。每個核心伺服模塊的前、 后、左、右四個面，分別都可以和另外一個核心伺服模塊的前、后、左、右四個面對接，可 以構成多種不同運動方式的組合。手動連接模塊的優點是結構簡單、連接強度大，缺點是模 塊必須手動進行連接和分離。如果想做自重構機器人領域的研究，則需要各模塊能夠實現自 動連接。因此，本發明同樣設計了自動連接模塊，如圖5a和5b所示。各個模塊在兩個需要 連接的面上，分別都安裝一個自動連接模塊，將連接模塊底座42固定在各自的連接面上，當 兩個待連接模塊運動到相互距離較近，且連接鉤44與另外一個連接模塊的連接孔45對齊的 時候，連接鉤44插入另一連接模塊的連接孔45，這時扁平電機47帶動凸輪48旋轉，從而 利用推桿46將連接鉤44從連接面內推出插入連接孔45。這樣，兩個連接模塊的鉤與孔相互 對接，并且連接鉤具有向外張的力，因此可以牢固的將兩個連接模塊連接在一起，從而可以 通過程序自動的將兩個核心模塊相互進行連接和分離。
圖6是本發明加上擴展附件組成的第三個實施實例一直線倒立擺系統。組成方式如下 在核心伺服模塊中只安裝兩個供差分驅動用的第一電機16和第二電機22以及各自的傳動齒 輪，不安裝其它的直流電機和部件，先組成一個兩輪差分驅動小車。然后，在小車的上面安 裝一個固定板49，在其上固定一個倒立擺組件，從而構成一個直線倒立擺系統。倒立擺組件 由如下幾個部分組成擺桿銜接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。這個直線倒立擺系統可以運行在平面上，也可以運行在固定平行的軌道上形成 傳統的直線倒立擺系統。此外，通過在倒立擺組件上增加一級或者多級擺桿，可以將此系統 擴展為多級直線倒立擺系統。利用此被控對象，可以完成現代控制理論、智能控制、自適應 控制、系統辨識等課程的實驗。
圖7是本發明的第四個實施實例的示意圖，即利用核心伺服模塊和倒立擺組件構成旋轉 倒立擺系統。組成過程如下只保留核心伺服模塊的第三電機21和其傳動齒輪，而不安裝其 它部件，并將模塊直立起來擺放，將背面轉動桿9替換為倒立擺傳動軸37，并在其上安裝倒 立擺組件，可以構成一個一級旋轉倒立擺系統。通過在倒立擺組件上增加一級擺桿，還可以 將本系統擴展為二級或者多級旋轉倒立擺系統。同樣，利用本發明的核心伺服模塊再加上其 它擴展模塊如柔性尺模塊、球桿模塊，還可以組成旋轉柔性尺系統和球桿平衡系統等。利用 此被控對象，可以完成最優控制、智能控制、現代控制理論等相關課程的實驗。
圖8給出了本發明的第五個實施實例的示意圖，即將13個模塊相互連接構成了蛇形機器 人。通過手動連接模塊或者自動連接模塊，可以利用多個核心伺服模塊組成蛇形機器人。連
接過程中，可以根據運動需求選擇是前后順序連接，還是前后左右面交叉連接，可以設計出 許多不同功能的蛇形機器人。如果給每個模塊安裝上輪子，則整個蛇形機器人還可以利用輪 子具有快速滑行的能力，而不像目前蛇形機器人只有蠕動前進的能力。如果采用的是自動連 接模塊，則在運動過程中還可以做重構算法方面的研究。利用此被控對象，可以完成分布式 控制理論、智能控制、智能機器人學等相關課程的實驗。
圖9給出了本發明的第六個實施實例的示意圖，即利用14個核心伺服模塊相互連接構成 了復雜的人形機器人。通過手動連接模塊或者自動連接模塊，可以利用多個核心伺服模塊組 成復雜的機器人結構。比如還可以利用6個核心伺服模塊組成六自由度機械手，16個核心伺 服模塊組成四足機器人，利用18個核心伺服模塊組成機器狗等結構。這些實驗都可以充分調 動學生的創新思維，非常適合于自動化學科的教學實驗。利用此被控對象，可以完成機器人 學、智能機器人學、智能控制、分布式控制、可重構機器人學等相關課程的實驗。
圖12是本發明控制卡實施實例的示意圖，本發明的控制卡采用基于DSP的嵌入式控制結 構，外圍電路包括無線通信模塊、紅外傳感器、加速度傳感器及電源管理等功能模塊，還可 以通過擴展接口擴展其他功能模塊，支持USB、串口和JTAG等通訊接口，最后連接驅動電路 對電機進行實時控制。也可以使用市場上的運動卡，比如深圳市雷泰控制技術有限公司運動 控制卡DMC2410。
除了上述實施實例以外，本發明的模塊化可重構多功能教育機器人還可以組合成其它許 多被控對象，而不脫離本發明的范圍。
權利要求
1.一種模塊化可重構多功能的教育機器人，其特征在于包括至少一個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、連接面轉動桿、轉動面轉動桿、直流電機和加固板，其中主體主沿中心線對稱，呈∏型，加固板加固在主體主兩個側壁上，主體副是一個U型結構，主體主與主體副通過連接面轉動桿和轉動面轉動桿進行連接，所述的直流電機安裝在主體主上，所述的核心伺服模塊的四個連接面上安裝連接模塊，核心伺服模塊之間通過連接模塊組合成可重構機器人，或者核心伺服模塊和附件組合成機器人。
2、 按照權利要求1所述的一種模塊化可重構多功能的教育機器人，其特征在于所述的直流電機為一個第三電機時，構成單軸伺服傳動系統，第三電機通過電機固定安裝在主體主的背 面，第三電機通過電機齒輪與背面大齒輪嚙合將動力傳送到背面轉動桿上。
3、 按照權利要求1所述的一種模塊化可重構多功能的教育機器人，其特征在于所述的直流電機為兩個直流電機，第—電機和第一電機分別固定在主體主的n型壁上的左側和右側，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，第二電機齒輪固定在第 二電機的輸出軸上，第二電磁離合器外齒輪和第二電磁離合器內齒輪分別固定在第二電磁 離合器的中心軸的兩端，第二電機齒輪與第二電磁離合器外齒輪嚙合以傳動動力至第二電 磁離合器內齒輪，第一電機齒輪固定在第一電機的輸出軸上,第一電磁離合器外齒輪和第 一電磁離合器內齒輪分別固定在第一電磁離合器的中心軸的兩端，第一電機齒輪與第一電 磁離合器外齒輪嚙合以將第一電機動力傳輸至第一電磁離合器內齒輪上，第二中軸大齒輪 與第一中軸大齒輪分別固定在連接面轉動桿以及轉動面轉動桿，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齒輪和第一電磁離合器內齒輪，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動力矩傳送至連接面轉動桿和轉動面轉動桿，連 接面轉動桿固定在主體副的右側壁上，轉動面轉動桿固定在主體副的左側壁上，第一電磁 離合器外齒輪和第二電磁離合器外齒輪，分別嚙合兩個固定在主體主左右側壁上的輪齒 輪。
4、 按照權利要求1所述的一種模塊化可重構多功能的教育機器人，其特征在于所述的直流電機為三個直流電機，第二電機和第一電機分別固定在主體主的n型壁上的左側和右側，第 三電機通過電機固定安裝在主體主的背面，第二電機齒輪固定在第二電機的輸出軸上，第 二電磁離合器外齒輪和第二電磁離合器內齒輪分別固定在第二電磁離合器的中心軸的兩 端，第二電機齒輪與第二電磁離合器外齒輪嚙合以傳動動力至第二電磁離合器內齒輪，第 一電機齒輪固定在第一電機的輸出軸上,第一電磁離合器外齒輪和第一電磁離合器內齒輪 分別固定在第一電磁離合器的中心軸的兩端，第一電機齒輪與第一電磁離合器外齒輪嚙合 以將第一電機動力傳輸至第一電磁離合器內齒輪上，第二中軸大齒輪與第一中軸大齒輪分 別固定在連接面轉動桿以及轉動面轉動桿，第二中軸大齒輪與第一中軸大齒輪分別嚙合第 二電磁離合器內齒輪和第一電磁離合器內齒輪，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動力矩傳送至連接面轉動桿和轉動面轉動桿，連接面轉動桿固定在主 體副的右側壁上，轉動面轉動桿固定在主體副的左側壁上，第一電磁離合器外齒輪和第二 電磁離合器外齒輪，分別嚙合兩個固定在主體主左右側壁上的輪齒輪。
5、 按照權利要求1所述的一種模塊化可重構多功能的教育機器人，其特征在于所述的連接 模塊提供兩種方案， 一種是手動連接模塊，在核心伺服模塊的四個連接面上安裝此連接模 塊，將兩個模塊手動放置在一起配合好，然后手動利用螺絲釘連接；同樣，分離也需要手 動將螺釘拆卸進行分離；另外一種是自動連接模塊，兩個連接模塊之間采用卡扣方式進行 連接，連接模塊內有一個直流扁平電機，通過控制扁平電機旋轉推動連接鉤的運動來實現 兩個對接面的自動連接和分離。
6、 按照權利要求1所述的一種模塊化可重構多功能的教育機器人，其特征在于所述的附 件是輪子，單個核心伺服模塊與輪子組成差分驅動小車，核心伺服模塊底部裝兩個直流電 機，核心伺服模塊的中央部分設有運動控制卡和鋰電池，核心伺服模塊的前后設有紅外傳 感器接口，主體副上安裝攝像頭。
7、 按照權利要求1所述的一種模塊化可重構多功能的教育機器人，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、 根據權力要求1所述的模塊化多功能教育機器人，其特征在于所述的核心伺服模塊之間通 過連接模塊組合成可重構機器人，利用多個核心伺服模塊組成蛇形機器人，可以選擇是前 后順序連接或者前后左右面交叉連接，可以設計出許多不同功能的蛇形機器人，每個模塊 上可以安裝上輪子；利用6個核心伺服模塊組成六自由度機械手，16個核心伺服模塊組 成四足機器人，利用18個核心伺服模塊組成機器狗。
9、 按照權利要求1所述的一種模塊化可重構多功能的教育機器人，其特征在于所述的核心伺 服控制模塊上安裝一個運動控制卡，在PC機上進行編程，然后通過串口、網口方式下載 到被控對象的運動控制卡上進行實時控制。
10、 按照權利要求9所述的一種模塊化可重構多功能的教育機器人，其特征在于所述的運動 控制卡，采用基于DSP的嵌入式控制結構，外圍電路包括無線通訊模塊、紅外傳感器、加速 度傳感器及電源管理功能模塊，還包括擴展借口擴展其他功能模塊，支持USB、串口和JTAG 通訊接口，最后連接驅動電路對電機進行實時控制。
全文摘要
一種模塊化可重構多功能的教育機器人，屬于機電控制和自動化教學領域，包括至少一個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、連接面轉動桿、轉動面轉動桿、直流電機和加固板，其中主體主沿中心線對稱，呈∏型，加固板加固在主體主兩個側壁上，主體副是一個U型結構，主體主與主體副通過連接面轉動桿和轉動面轉動桿進行連接，所述的直流電機安裝在主體主上，所述的核心伺服模塊的四個連接面上安裝連接模塊，核心伺服模塊之間通過連接模塊組合成可重構機器人，或者核心伺服模塊和附件組合成機器人。本發明是一個豐富集成了機械、電子、控制理論、軟件工程為一體的高水平教學實驗平臺，具有很強的實踐教學功能。
文檔編號G09B25/02GK101369385SQ20081001293
公開日2009年2月18日 申請日期2008年8月26日 優先權日2008年8月26日
發明者正 方, 柴天佑, 王良勇 申請人:東北大學