一种模块化机器人控制系统的制作方法

1.本发明涉及模块化机器人控制系统技术领域，尤其涉及一种模块化机器人控制系统。


背景技术：

2.机器人通常设置为执行某一特定动作以完成指定的工作，通过设置可编程动作来执行各种任务，随着人们对机器人技术智能化本质认识的加深，机器人技术开始源源不断地向人类活动的各个领域渗透。结合这些领域的应用特点，人们发展了各式各样的具有感知、决策、行动和交互能力的特种机器人和各种智能机器人。但现有机器人的设计多为整体设计，即将机器人设计为单台设备或单个装置，当需要多个单一动作并组合实现复杂动作时，设计成本会成倍增加且不具有灵活性和扩展性。


技术实现要素：

3.本发明提供一种模块化机器人控制系统，旨在解决现有机器人的灵活性和扩展性差的问题。
4.为实现上述目的，本发明提供一种模块化机器人控制系统，所述模块化机器人控制系统包括至少一个模块化子机器人，每一模块化子机器人均包括中央处理单元、执行单元、至少一个通信单元和至少一个连接单元；所述执行单元、通信单元和连接单元分别与所述中央处理单元连接；所述中央处理单元用于处理数据、逻辑运算、编译指令、执行命令以及暂存数据；所述执行单元用于执行所述模块化子机器人设定的指令；所述通信单元用于实现不同的模块化子机器人之间、模块化子机器人与外部设备之间的数据通信；所述连接单元包括机电一体的连接接口，所述机电一体的连接接口用于一模块化子机器人与另一模块化子机器人实现机械连接、以及在实现机械连接的同时实现电连接。
5.优选地，所述中央处理单元设置有编码信息，所述编码信息用于标识所述模块化子机器人。
6.优选地，所述编码信息包括模块化子机器人类别和编号；所述类别用于所述模块化子机器人的分类标识，所述编号为所述模块化子机器人的唯一身份标识。
7.优选地，所述连接单元还包括连接标识接口，当相互连接的模块化子机器人均设有所述连接标识接口时，相互连接的模块化子机器人之间通过所述连接标识接口传送所述编码信息。
8.优选地，所述编码信息根据连接的模块化子机器人和连接单元合并形成数据链，所述数据链存储于模块化子机器人的中央处理单元中以用于识别机器人整体形状。
9.优选地，所述中央处理单元还设置有权重，所述权重用于区分不同模块化子机器人的级别。
10.优选地，所述权重用于控制所述模块化子机器人与另一模块化子机器人之间的数据传送。
11.优选地，所述数据传送包括实时并发传送和序列执行传送。
12.优选地，所述数据传送的数据包括程序数据、设置数据和控制指令数据中的一种或多种。
13.优选地，至少一个模块化子机器人设有供电单元；所述供电单元与所述中央处理单元连接并通过所述连接单元的机电一体的连接接口为其他模块化子机器人提供电源。
14.本发明提供一种模块化机器人控制系统，通过多个模块化子机器人组合组成机器人整体，各模块化子机器人间通过机电一体化的连接单元连接，在实现机械连接的同时采用统一的通信方式；同时通过权重和编码信息实现对多个模块化子机器人的整体控制。
附图说明
15.图1为本发明实施例一提供的一模块化子机器人的内部结构示意图；
16.图2为本发明实施例一提供的一模块化子机器人a1的结构示意图；
17.图3为本发明实施例一提供的一模块化子机器人a2的结构示意图；
18.图4为本发明实施例一提供的一模块化子机器人a3的结构示意图；
19.图5为本发明实施例一提供的由模块化子机器人a1、a2和a3组成的第一机器人的结构示意图；
20.图6为图5中第一机器人的实施步骤的流程示意图；
21.图7为本发明实施例二提供的由模块化子机器人a1、a4和a5组成的第二机器人的结构示意图；
22.图8为图7中第二机器人的实施步骤的流程示意图。
23.图中，10、中央处理单元；20、执行单元；30、通信单元；40、连接单元；41、机械连接接口；42、电路连接接口；43、连接标识接口；50、供电单元。
具体实施方式
24.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
25.实施例一
26.请参阅图1，本发明实施例一提供一种模块化机器人控制系统，所述模块化机器人控制系统包括至少一个模块化子机器人，所述模块化子机器人包括中央处理单元10、执行单元20、至少一个通信单元30和至少一个连接单元40；所述执行单元20、通信单元30和连接单元40分别与所述中央处理单元10连接；所述中央处理单元10用于处理数据、逻辑运算、编译指令、执行命令以及暂存数据；所述中央处理单元10设置有编码信息和权重，所述编码信息用于标识所述模块化子机器人；所述编码信息包括模块化子机器人类别和编号；所述类别用于所述模块化子机器人的分类标识，所述编号为所述模块化子机器人的唯一身份标识。所述编码信息根据连接的模块化子机器人和连接单元40合并形成数据链，所述数据链存储于模块化子机器人的中央处理单元10中以用于识别机器人整体形状。所述权重用于区分不同模块化子机器人的级别；所述权重用于控制所述模块化子机器人与另一模块化子机
器人之间的数据传送；所述数据传送的数据包括程序数据、设置数据和控制指令数据中的一种或多种；所述数据传送包括实时并发传送和序列执行传送。
27.所述执行单元20用于执行所述模块化子机器人设定的指令；所述通信单元30用于实现不同的模块化子机器人之间、模块化子机器人与外部设备之间的数据通信；所述连接单元40包括机电一体的连接接口，所述机电一体的连接接口用于一模块化子机器人与另一模块化子机器人实现机械连接、以及在实现机械连接的同时实现电连接；具体地，该机电一体的连接接口包括机械连接接口41和电路连接接口42，所述机械连接接口41用于一模块化子机器人与另一模块化子机器人实现机械连接；所述电路连接接口42用于一模块化子机器人与另一模块化子机器人在实现机械连接的同时实现电连接；所述电连接包括供电连接和通信连接。作为较佳的实施方式，在本实施例一中，所述连接单元40还包括连接标识接口43，当相互连接的模块化子机器人均设有所述连接标识接口43时，相互连接的模块化子机器人之间通过所述连接标识接口43传送所述编码信息。
28.通过模块化子机器人进行模块化组合形成的机器人包括一个或多个模块化子机器人，多个模块化子机器人通过连接单元40连接，其中，至少一个模块化子机器人设有供电单元50；所述供电单元50与所述中央处理单元10连接，供电单元50可独立工作为该模块化子机器人提供电源；供电单元50也可以通过所述连接单元40的电路连接接口42为直接连接或间接连接的其他模块化子机器人提供电源。
29.请结合参阅图1和图2，为本发明实施例一提供的一模块化子机器人a1的结构示意图，在该模块化子机器人a1的外壳上设有至少一个连接单元40，该连接单元40实现将该模块化子机器人a1与其他模块化子机器人实现机电一体连接，具体地，连接单元40包括机械连接接口41和电路连接接口42，通过机械连接接口41实现将该模块化子机器人a1与其他模块化子机器人物理连接，通过电路连接接口42实现将该模块化子机器人a1与其他模块化子机器人电连接，具体该电连接包括电源供电连接和数据传输连接。
30.请一并参阅图1、图2、图3和图4，图3为具有多个连接单元40的模块化子机器人a2，具体地，模块化子机器人a2为近立方体，具有六个外表面，在六个外表面均设置有连接单元40，通过六个外表面的连接单元40均可实现与其他模块化子机器人的连接。图4为一模块化子机器人a3，模块化子机器人a3具有四个外表面并分别在四个外表面设置有连接单元40，同时模块化子机器人a3还设置有执行单元20，具体地，该执行单元20为两侧设置的轮子。
31.通过在模块化子机器人中的中央处理单元10进行控制数据设置，具体地，控制数据包括程序数据、设置数据和控制指令数据中的一种或多种；模块化子机器人通过控制数据的设置以实现该模块化子机器人具备一定的功能，例如供电、数据处理、运动执行、信息采集、显示等，每一模块化子机器人具备其中一个或多个功能，并根据模块化机器人控制系统的功能将多个模块化子机器人进行组合。同时，通过对模块化子机器人的中央处理单元10的编码信息设置，实现对该模块化子机器人的标识，所述编码信息包括模块化子机器人类别和编号；所述类别和编号用于所述模块化子机器人的分类标识和唯一身份标识；通过模块化子机器人的中央处理单元10的权重设置，实现模块化子机器人根据权重级别在模块化子机器人之间进行控制数据的数据传送；具体在实施例一中，权重使用自然数表示，数值越大表示权重越高。
32.请参阅图5，本发明实施例一提供由模块化子机器人a1、a2和a3组成的第一机器
人，其中，根据模块化子机器人的类别设置，模块化子机器人分为三类，即a1类、a2类和a3类，第一机器人包括1个a1类模块化子机器人(即模块化子机器人a1)、1个a2类模块化子机器人(即模块化子机器人a2)、2个a3类模块化子机器人(即模块化子机器人a30和a31)，其中a30与a1连接、a1与a2连接，a2与a31连接，形成第一机器人，需要指出的是，此组合形态仅用以解释代表特征及优势，并不是唯一构成实例。作为较佳的实施方式，模块化子机器人中，a30、a31和a1中均不设置供电单元，a2中设置供电单元，通过a2的供电单元为第一机器人的各模块化子机器人供电，具体地，通过模块化子机器人之间的连接实现供电。同时，各模块化子机器人中均设置有通信单元，例如，通信单元实现如zigbee/xbee/wifi等无线通信模块以及通过连接单元的有线通信，各模块化子机器人之间通过通信单元实现有线及无线的双向通信。
33.较佳地，在本实施例一中，在两个相互连接的模块化子机器人的连接单元还设置有连接标识接口，通过连接标识接口两个模块化子机器人进行编码信息的交互，具体地，两个相互连接的模块化子机器人不直接传送其编码信息，而是通过先对编码信息进行处理，例如将对方的编码信息与自身的编码信息结合后进行间接传输。当然这是其中一实施例的实施方式，通过连接标识接口的编码信息传送并不限于上述传输方式，也可能存在其他传输方式以通过编码信息的交互控制两个连接的模块化子机器人之间的信息交互。具体在实施例一的第一机器人中，a30的连接单元设为x0，a1的连接单元设为y0，a30通过x0与a1的y0直接相连，则经处理后带有编码信息的数据存储于a30中为a30x0a1y0；同理若a1连接单元y1与a2连接单元z0直接连接时，a1带有编码信息的数据为a1y1a2z0，此时a1包含最长数据链a30x0a1y0a1y1a2z0，基于此简要判断，以此类推，第一机器人比较数据链长度，最长值则代表第一机器人整体形态，此值最后共享至所有模块化子机器人进行识别。实现第一机器人的控制去中心化、可并发、可序列操控、可实时加工；在本实施例一中，第一机器人整体通过所述系统进行自我优化，从而实现单位时间内移动距离最大化的机器人系统。
34.请参阅图6，所述第一机器人的具体实施步骤为：
35.步骤s11：开启a2，由a2向a1、a30、a31通过连接单元进行供电，此时所有模块化子机器人内部的中央处理单元随机分配自身编码信息。
36.步骤s12：初始化各个模块化子机器人内部的中央处理单元权重进行分级或通过编码信息识别模块化子机器人，实现模块化机器人控制系统整体形态自行优化，可以通过随机分配、程序定义或手动设置其权重，此实施例以权重随机分配后，模块化机器人控制系统整体自行优化方案为例以体现系统的去中心化、可并发、可序列操控以及可实时加工性。此实施例下，a2由于其自身仅含有主要功能供电，因此其初始化权重默认为1，a30初始化权重为m，a31初始化权重为q，a1初始化权重为h；这里m、q、h均为大于1的自然数。
37.步骤s13：在权重随机分配后，由权重最高的模块化子机器人通过连接单元访问第一机器人中包括自身的功能类型数据，并基于此数据分配初始化操作，统计执行效率。所述初始化操作在此实施例中指执行各个模块化子机器人的至少一个主要功能，其中a30、a31具有转动功能，a1具有摆动功能，a2具有供电功能，因此a30、a31在转动的同时，a1在不停摆动，显然这样行驶无法使第一机器人前进速度最大化，因此反应到第一机器人中体现为个体单元(模块化子机器人)的执行效率随时间变化出现的拨动，即∑整体＝(ca30*m+ca31*q+ca1*h)/(ca2*1.0)，其中∑为执行效率合，即a30、a31轮子的转动速度，以及a1的摆动速度
分别乘以自身权重比a2的供电效率，即可反应为电流的变化。经过一段时间的初始化统计，显然在行驶在有一定摩擦力的场地上时，a1的摆动角度直接决定了a30以及a31的转动速度。此时第一机器人整体中由权重最高的模块化子机器人将自身执行效率信息下达至第n级，同时信息传递时，由1
‑
n级的机器人添加自身执行效率，因此n级获得此时效率统计。
38.步骤s14：根据统计结果，第n级从新分配各个模块化子机器人权重并通过编码信息进行分配，实现第一机器人在单位时间内移动距离最大化。此实施例中，由于a1的摆动角度对整体∑的影响最高，因此分配权重最高为a1。此时由a1以帧为单位下达指令通知第一机器人中的各模块化子机器人执行运动，并收集a30、a31的运动效率信息，同时a1以帧为单位调整自身摆动角度，以获得a30、a31的最高反馈值，从而实现第一机器人在单位时间内移动距离最大化。
39.实施例二
40.请参阅图7，本发明实施例二提供的由模块化子机器人a1、a4和a5组成的第二机器人，具体地，第二机器人包括3个a1类模块化子机器人(a10、a11、a12)，3个a4类模块化子机器人(a40、a41、a42)和3个a5类模块化子机器人(a50、a51、a52)，具体地，a50与a10连接，a10与a41连接，a41分别与a51和a12连接，a52与a12连接，a51与a40连接，a40与a11连接，a11与a42连接。
41.请参阅图8，具体地，第二机器人的实施步骤包括：
42.步骤s21：通过程序分配各个模块化子机器人的编码信息以及权重；具体在本实施例中，对应的编码信息分别为：
43.0xa10\0xa11\0xa12\0xa40\0xa41\0xa42\0xa50\0xa51\0xa52，
44.其中a4类模块化子机器人包含由供电单元可为机器人整体供电，其中a1类模块化子机器人包含有驱动单元可实现精确搬动，其中a5类模块化子机器人包含有显示单元可通过声音告知操作人员行为状态；权重可预先定义，例如权重定义为：a40权重等级为2，其余单元权重等级均设定为1。
45.步骤s22：通过编写程序，将包含有编码信息、权重信息、机器人整体运动方式的程序通过有线或无线通信覆盖a40的原有程序。需要指出的是，第二机器人整体中的各个模块化子机器人执行命令均由程序进行调控，因此在实际情况中需要多次测试来达到预期效果。
46.步骤s23：a40将程序指令编译后通过连接单元发送至权重为1的各个单元中，从而实现对第二机器人整体的控制。
47.与现有技术相比，本发明提供一种模块化机器人控制系统，通过多个模块化子机器人组合组成机器人整体，各模块化子机器人间通过机电一体化的连接单元连接，在实现机械连接的同时采用统一的通信方式；同时通过权重和编码信息实现对多个模块化子机器人的整体控制。
48.以上所述的仅是本发明的实施方式，在此应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出改进，但这些均属于本发明的保护范围。