专利名称：用于构建模块化机器人的关节模块的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种机器人部件，具体的说是涉及一种用于构建模块化机器人的运动
关节模块。属于机器人技术领域。
背景技术：
随着机器人技术的不断发展，机器人的技术越来越高，品种越来越多，所能够完成 的动作也越来越复杂。目前，大多数的模块化教育娱乐机器人产品均采用集中控制器和多 个舵机配合一系列连接结构件完成机器人的搭建与编程设计，这类机器人产品通常存在拆 装繁琐、控制复杂及扩展能力差的缺点，用户较难通过该类产品构建具备复杂构型及行为 逻辑的机器人，一定程度上限制了产品的教育及娱乐价值。而且，2自由度的关节模块体积 较大，操作不方便，结构复杂。
发明内容
为解决现有技术的问题，本发明的目的在于提供一种可用于快速搭建机器人构 型、控制灵活的关节模块。 本发明的又一 目的在于提供一种具有单自由度或二自由度的可快速拆装、控制灵 活的用于构建模块化机器人的关节模块。 本发明的又一 目的在于提供一种扩展能力强的用于构建模块化机器人的关节模 块。 为达到上述目的，本发明是通过以下的技术方案来实现的 —种用于构建模块化机器人的关节模块，包括用于实现关节模块运动的运动单 元，其特征在于还包括控制单元和连接接口 ，控制单元包括控制电路板、多组电极触点、电 缆，所述的控制电路板包括微处理器和外围电路，所述的电缆包括电源线和信号线，电缆连 接控制电路板和多组电极触点，控制电路板与运动单元的电机连接；所述的连接接口包括 连接端面A和连接端面B，分别设在运动单元的两端，在连接端面A上设有两个活动锁紧钩 和两个固定锁紧钩，控制电路板固定在连接端面A中；在连接端面B上分别设有多个与连接 端面A上的活动锁紧钩和固定锁紧钩相配合的锁紧台阶，多组电极触点固定在连接端面B 中；所述的控制电路板上也连接有用于电气连接的多组电极触点。 前述的用于构建模块化机器人的关节模块，其特征在于所述的用于实现关节模块 运动的运动单元包括电机、舱壳和减速传动装置，电机和减速传动装置安装在舱壳中，电机 的输出轴从舱壳侧边伸出，在输出轴另一端的舱壳上设有支承轴，连接端面A安装在舱壳 的下方，与电机机体固定；连接端面B的两侧分别设有耳部，整体成"U"形，两个耳部分别通 过法兰盘连接在舱壳两端的电机输出轴和支承轴上。 前述的用于构建模块化机器人的关节模块，其特征在于所述的用于实现关节模块 运动的运动单元包括运动单元1、运动单元II和中间连接件，所述的运动单元I包括支撑 架A、齿轮减速机构A和电机A，支撑架A为U形，固定在连接端面A上，电机A安装在支撑
3架A的底部的内侧，输出轴从支撑架A的侧边伸出，连接被齿轮箱封盖A封装在支撑架A侧 边的齿轮减速机构A，支撑架的另一侧用端面封盖A封装；锁紧钩封盖固定安装在连接端面 A上，将活动锁紧钩封装在内部；所述的运动单元II与运动单元I相同，支撑架B安装在连接端面B上； 所述的中间连接件为十字轴，在两个运动单元的支撑架的两个侧边上分别设有轴
孔，十字轴的轴头安装在轴孔中，分别与两个齿轮减速机构连接，两个支撑架成垂直交叉方向。 前述的用于构建模块化机器人的关节模块，其特征在于在所述的连接端面A和连 接端面B的侧边还设有多个用于与分支结构件或传感器模块进行电气连接和机械连接的 侧边扩展接口。 前述的用于构建模块化机器人的关节模块，其特征在于所述的扩展接口分别为4 个。 前述的用于构建模块化机器人的关节模块，其特征在于所述的固定在连接端面B 中的多组电极触点连接在一个电气连接电路板上，所述的电气连接电路板固定在连接端面 B中。 前述的用于构建模块化机器人的关节模块，其特征在于所述的电极触点为弹片电 极。 前述的用于构建模块化机器人的关节模块，其特征在于所述的运动单元的电机为 舵机、直流电机或步进电机。 请述的用于构建模块化机器人的关节模块，其特征在于所述的锁紧台阶为8个， 八个锁紧台阶分两组在相互垂直的方向上呈旋转对称性分布。 本发明的有益效果是本发明关节模块包含独立自治的控制单元及拼接简便的连 接接口，与现有技术及产品相比，具有拆装方便、控制灵活、易于扩展等优点，同时连接端面 具有正交的两个连接方向，相邻的关节模块可以根据需要选择其中的一个方向连接，另外， 本发明可有用于单自由度或二自由度的关节模块，用于构建模块化机器人，具有较高的教 育、娱乐等应用价值。
图1为本发明实施例一的结构示意图； 图2为本发明实施例一的结构分解图； 图3为本发明实施例一中的锁紧台阶的分布示意图； 图4为图3中的D-D向局部剖视图； 图5为图3中的B-B向局部剖视图； 图6为利用本发明实施例一及其它模块搭建的一种机器毛虫的结构示意图； 图7是本发明实施例二的整体结构立体图； 图8是本发明实施例二的整体结构爆炸图； 图9是本发明实施例二的运动单元I整体结构立体图； 图10是本发明实施例二的运动单元I整体结构爆炸图； 图11是本发明实施例二的运动单元II整体结构立体 图12是本发明实施例二的运动单元II整体结构爆炸图。
具体实施例方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。 图l为本发明较佳实施例的结构示意图；图2为本发明较佳实施例的结构分解图。
实施例一 请参照图1、图2，本发明的用于构建模块化机器人的关节模块，主要包括运动单 元、控制单元及连接接口。运动单元用于实现关节模块运动，包括电机、舱壳210和减速传 动装置，电机可以采用舵机、有刷电机、步进电机或其它电机系统，可以完成旋转或伸縮运 动，本实施例采用的是舵机201，但并不限于此。舵机201的输出轴从舱壳210的两端伸出， 也可以采用舵机201的输出轴从一端伸出，舱壳210的另一端安装一个支承轴，或者采用其 它的结构。 上述的控制单元根据机器人的动作或行为规划，对所述运动单元进行实时的速度 控制或位置控制，主要包括控制电路板202、电气连接电路板211、电缆214，控制电路板202 包括微处理器(包含在控制电路板202中)和外围电路，用以对舵机201进行控制。电缆 214中包括电源线和信号线，电源线用于多个关节模块连接时的电源传递，信号线用于多个 关节模块中的控制单元间的通信，从而实现机器人各个模块的同步和协调。电缆214连接 控制电路板202和电气连接电路板211，控制电路板202又与舵机201连接，给予其控制信 号及驱动电源。控制电路板202和电气连接电路板211分别连接用于电气连接的多组电极 触点，本实施例采用的电极弹片213、212，但并不限定于此，其它的可以实现电气连接的电 极触点方式同样可以适用。另外，电气连接电路板211也可以采用直接设置多组电极触点 的形式，将多组电极触点与控制电路板202连接，多组电极触点固定在连接端面B中。
用于关节模块之间或关节模块与其它模块之间连接的连接接口包含有电气接口 和机械接口 ，位于关节模块的两端。其包括连接端面A205和连接端面B204，连接端面A205 安装在舱壳210的下方，与舵机201的机体固定，在连接端面A205上设有两个活动锁紧钩 217、218和两个固定锁紧钩219、220，分别位于连接端面A205的四个角落，用于与其它模块 连接。活动锁紧钩217、218的钩部通过连接端面A205上的四个孔伸到连接端面A205的下 方。控制电路板202固定在连接端面A的下方。 图3为本发明实施例一中的锁紧台阶的分布示意图；图4为图3中的D-D向局部 剖视图；图5为图3中的B-B向局部剖视图。 连接端面B204的两侧分别设有耳部206、207，整体成"U"形，两个耳部206、207分 别通过法兰盘208、209连接在舵机201的输出轴上，通过舵机201的输出轴驱动两个耳部 206、207带动连接端面B204旋转，从而实现连接端面B204相对于连接端面A205的转动。 在连接端面B204上分别对应于连接端面A205上的活动锁紧钩217、218和固定锁紧钩219、 220设有八个锁紧台阶221 、222、223、224、226、227、228和229，活动锁紧钩217、218和固定 锁紧钩219、220可与另一个关节模块上的八个锁紧台阶相互连接锁紧。为了实现两个关节 模块之间可以具备两个正交方向的连接方式，八个锁紧台阶分两组在相互垂直的方向上呈 旋转对称性分布。 模块间对接拆卸的具体操作为把一个关节模块上的连接端面A205中的固定锁紧钩219、220分别扣入另一关节模块上的连接端面B204中的锁紧台阶221、222，再将连接 端面A205中的活动锁紧钩214、215扣入上述另一关节模块上的连接端面B204中的锁紧台 阶223、224时，两个关节模块就实现了平行方向的对接。同理将上述锁紧台阶221、222、223 及224对应换成226、227、228及229即可实现相邻模块间的垂直连接。拆卸时，只需按住 活动锁紧钩217 、 218 ，然后依次将活动锁紧钩217 、 218和固定锁紧钩219 、 220从另 一个模块 上的锁紧台阶中卸下，即可实现模块的拆卸。 电气连接电路板211固定在连接端面B204的上方。当模块之间实现机械锁紧的 同时，控制电路板202上的电极弹片213和另一个模块上的电气连接电路板211上的电极 弹片212就被压紧在一起，对应接触，实现了电气互联。 在连接端面B与连接端面A的侧边还分别设有多个侧边连接接口 215和216，可用 于与其它分支结构件或传感器模块进行电气连接和机械连接。 本发明利用多组电极弹片212 、 213和连接电缆214，控制电路板202及舵机201从 外部获取工作电源输入，同时，控制电路板202还通过信号线与外部其它模块进行通信协 调。 图6所示是利用上述实施例及其它模块搭建的一种机器毛虫的结构示意图，其中 包括电源模块301、多个本发明的用于构建模块化机器人的关节模块302-306、接触传感模 块307-311和测障模块312，各模块按上述实施例所述连接方式拼接互连，并通过各模块的 协调配合完成所述机器毛虫的行走运动。在连接起来的关节模块的两端分别以同样的方式 连接电源模块301和测障模块312，在每个关节模块的侧边连接接口 215、216处连接旋转传 感模块。这样一个机器毛虫就连接好了，在控制电路板202控制下，舵机201产生旋转，并 带动连接端面B204与连接端面A205绕旋转轴线225进行相对旋转运动，实现关节模块的 旋转运动功能。
实施例二 图7是本发明实施例二的整体结构立体图；图8是本发明实施例二的整体结构爆 炸图；图9是本发明实施例二的运动单元I整体结构立体图；图10是本发明实施例二的运 动单元I整体结构爆炸图；图11是本发明实施例二的运动单元II整体结构立体图；图12 是本发明实施例二的运动单元II整体结构爆炸图。 如图所示，本实施例与实施例一的区别在于运动单元为2自由度的运动单元。
本实施例的运动单元包括运动单元1、运动单元II及中间连接件。运动单元I包 括齿轮减速机构A4和驱动电机A8等，在连接端面Al上设有U形的支撑架A，电机Al安装 在支撑架A的底部的内侧，为运动单元I提供动力。电机A1的输出轴从支撑架的侧边伸出， 连接被齿轮箱封盖Al 1封装在支撑架A侧边的齿轮减速机构A4，通过电机A8来驱动齿轮减 速机构A4转动。齿轮箱封盖All与齿轮减速机构A4组成运动单元I的传动减速机构，支 撑架A的另一侧用端面封盖A10封装。包含有控制单元的电路板A7安装在连接端面A1的 端面上，在电路板A7上设有电极触点A9。锁紧钩封盖3固定安装在连接端面A1上，将活动 锁紧钩2封装在内部。活动锁紧钩2为活动式，可以人为地按动，使其锁紧或释放。固定锁 紧钩没有示出。 运动单元II与运动单元I的区别在于没有固定锁紧钩和活动锁紧钩，在连接端面 B6的端面上设有用于与活动锁紧钩和固定锁紧钩配合的锁紧台阶，其余部分与运动单元I相同。 中间连接件为十字轴5，在两个运动单元的支撑架的两个侧边上分别设有轴孔，十 字轴5的轴头分别安装在轴孔中，分别与两个齿轮减速机构连接，两个支撑架成垂直交叉 方向。 运动单元II的电机B的转动带动齿轮减速机构B转动，从而带动十字轴向一个方 向转动，同时，运动单元I的电机A8的转动带动齿轮减速机构A4转动，从而带动十字轴5、 运动单元II向另一个方向转动，因此形成了二自由度旋转关节。 本实施例包含两个旋转自由度，在增加自由度的基础上，使机器人关节结构更加 紧凑、运动更灵活；机器人装配拆卸简便快捷，免工具，只要用手按动锁紧钩即可；在机器 人模块装配过程的同时实现电气连接，无需插拔电缆，简单方便。 上述实施例不以任何方式限制本发明，凡采用等同替换或等效变换的方式所获得 的技术方案，均落在本发明的保护范围内。
权利要求
一种用于构建模块化机器人的关节模块，包括用于实现关节模块运动的运动单元，其特征在于还包括控制单元和连接接口，控制单元包括控制电路板、多组电极触点、电缆，所述的控制电路板包括微处理器和外围电路，所述的电缆包括电源线和信号线，电缆连接控制电路板和多组电极触点，控制电路板与运动单元的电机连接；所述的连接接口包括连接端面A和连接端面B，分别设在运动单元的两端，在连接端面A上设有两个活动锁紧钩和两个固定锁紧钩，控制电路板固定在连接端面A中；在连接端面B上分别设有多个与连接端面A上的活动锁紧钩和固定锁紧钩相配合的锁紧台阶，多组电极触点固定在连接端面B中；所述的控制电路板上也连接有用于电气连接的多组电极触点。
2. 根据权利要求1所述的用于构建模块化机器人的关节模块，其特征在于所述的用于 实现关节模块运动的运动单元包括电机、舱壳和减速传动装置，电机和减速传动装置安装 在舱壳中，电机的输出轴从舱壳侧边伸出，在输出轴另一端的舱壳上设有支承轴，连接端面 A安装在舱壳的下方，与电机机体固定；连接端面B的两侧分别设有耳部，整体成"U"形，两 个耳部分别通过法兰盘连接在舱壳两端的电机输出轴和支承轴上。
3. 根据权利要求1所述的用于构建模块化机器人的关节模块，其特征在于所述的用于 实现关节模块运动的运动单元包括运动单元1、运动单元II和中间连接件，所述的运动单 元I包括支撑架A、齿轮减速机构A和电机A，支撑架A为U形，固定在连接端面A上，电机 A安装在支撑架A的底部的内侧，输出轴从支撑架A的侧边伸出，连接被齿轮箱封盖A封装 在支撑架A侧边的齿轮减速机构A，支撑架的另一侧用端面封盖A封装；锁紧钩封盖固定安 装在连接端面A上，将活动锁紧钩封装在内部；所述的运动单元II与运动单元I相同，支撑架B安装在连接端面B上； 所述的中间连接件为十字轴，在两个运动单元的支撑架的两个侧边上分别设有轴孔， 十字轴的轴头安装在轴孔中，分别与两个齿轮减速机构连接，两个支撑架成垂直交叉方向。
4 根据权利要求1或2或3所述的用于构建模块化机器人的关节模块，其特征在于在 所述的连接端面A和连接端面B的侧边还设有多个用于与分支结构件或传感器模块进行电 气连接和机械连接的侧边扩展接口 。
5. 根据权利要求4所述的用于构建模块化机器人的关节模块，其特征在于所述的扩展 接口分别为4个。
6. 根据权利要求1所述的用于构建模块化机器人的关节模块，其特征在于所述的固定 在连接端面B中的多组电极触点连接在一个电气连接电路板上，所述的电气连接电路板固 定在连接端面B中。
7. 根据权利要求1或6所述的用于构建模块化机器人的关节模块，其特征在于所述的 电极触点为弹片电极。
8 根据权利要求1所述的用于构建模块化机器人的关节模块，其特征在于所述的运动 单元的电机为舵机、直流电机或步进电机。
9. 根据权利要求1所述的用于构建模块化机器人的关节模块，其特征在于所述的锁紧 台阶为8个，八个锁紧台阶分两组在相互垂直的方向上呈旋转对称性分布。
全文摘要
本发明涉及一种用于构建模块化机器人的关节模块，运动单元的电机及减速传动装置安装在舱壳中；控制单元的控制电路板固定在连接端面A中，与电机连接；连接端面A安装在舱壳的下方，其上设有锁紧钩，连接端面B连接在电机输出轴上，在连接端面B上设有与锁紧钩配合的锁紧台阶，多组电极触点固定在连接端面B中；在控制电路板上也连接有多组电极触点。构建机器人时，一个模块的连接端面A与另一个模块的连接端面B连接锁紧并实现电气互联。连接端面的侧边还设有连接接口，用于连接分支机构。本发明包含独立自治的控制单元及拼接简便的连接接口，拆装方便、控制灵活、易于扩展，具有较高的教育、娱乐等应用价值。
文档编号B25J9/18GK101716765SQ20091023427
公开日2010年6月2日 申请日期2009年11月18日 优先权日2009年11月18日
发明者张建伟, 程胜, 肖飞雨, 谢之柱 申请人:昆山市工业技术研究院有限责任公司