[发明专利]一种模块化自重构机器人及其变形控制方法

权利要求书

1.一种模块化自重构机器人，其特征是由至少三个单体连接构成，实现“一”构型和“十”构型，所述单体由前、中、后三个关节依次连接组成，所述关节包括两个U形框和舵机，所述U形框由一个底面和两个连接臂组成，连接臂对称设置在底面的两侧；两个U形框的连接臂上设有铰接孔，两个U形框通过铰接孔铰接在一起，转动连接，舵机固定在其中一个U形框内，驱动另一个U形框转动；前、中、后三个关节之间通过U形框的底面相互固定连接，所述单体放置在水平面上时，前关节和后关节俯仰转动，中关节左右转动；

所述单体连接构型，“一”构型时，各单体前后关节相连成直链，单体之间相互连接的U形框底面上分别设有对接锥头和卡接孔，底面中间设有对接锥头的U形框称为对接公头，底面中间设有卡接孔的U形框称为对接母头，所述对接锥头与卡接孔构成卡接结构，对接公头的底面中间设有圆孔，对接锥头穿过所述圆孔连接一旋转齿轮，对接公头的底面上还设有直流电机，所述直流电机的输出轴驱动旋转齿轮，带动对接锥头旋转，对接锥头侧面设有卡齿，卡接孔直径与对接锥头一致，设有对应所述卡齿的卡槽，对接公头与对接母头连接时，对接锥头对应卡槽位置穿过卡接孔，旋转后，卡齿卡在卡接孔未设卡槽的边缘，实现卡接；

“十”构型时，将“一”构型中的单体分为首模块、中间模块和尾模块三个部分，十字交叉点位于中间模块，中间模块在所述十字交叉点位置的两侧设有连接面，连接面上设有卡接孔，首模块和尾模块通过连接锥头连接至所述连接面的卡接孔，得到“十”构型；其中，首模块和尾模块与连接面连接的U形框底面上设有一对红外接收管，对接母头及连接面上设有一对红外发射管。

2.权利要求1所述的模块化自重构机器人的变形控制方法，其特征是由上位机控制将“一”构型变形为“十”构型，将“一”构型分为首模块、中间模块和尾模块三部分，每个模块包括至少一个单体，十字交叉点位于中间模块，“一”构型时，中间模块的两端为对接母头，首、尾模块通过对接公头连接中间模块，“一”构型变形为“十”构型时，所述三部分模块分解：待分解处的对接公头的直流电机旋转带动对接锥头旋转，对应卡接孔的卡槽位置，首、尾模块分别向远离中间模块的方向直线移动，使首、尾模块和中间模块实现完全分离，所述直线移动通过单体前关节与后关节的俯仰转动动作，利用关节与地面的摩擦力，波浪式直线移动；然后中间模块通过单体的中关节左右转动，利用前、后关节与地面的摩擦力，调整角度旋转90°，和首、尾模块成垂直状态，首、尾模块再向着中间模块的方向直线移动，根据首尾模块对接公头上的红外接收管，以及中间模块对接面上的红外发射管，通过红外强度与距离的关系建立数学模型，通过红外接收管接收的红外强度值推算出对接公头与对接面的距离，当对接公头距对接面距离达到设定的对接距离阈值，自动对接过程开始：

1）首、尾模块的对接公头向左右15°范围内按5°递增模式进行角度搜索，寻找对接面红外发射管发射红外强度最大的方向，完成对接面初始相对角度调整；

2）在所述红外强度最大的方向上测量首、尾模块的红外接收管和中间模块对接面的红外发射管的距离值，上传至上位机，上位机根据已知的红外发射管与对接面卡接孔位置关系、红外接收管与对接锥头位置关系、以及所述距离值建立一个局部坐标系，计算对接公头和对接面相对角度偏差和相对位移偏差，首、尾模块根据得到的偏差值调整与中间模块的相对位置；

循环以上两个步骤，直到对接公头与对接面完全正对，且距离足以完成对接锥头与卡接孔的卡接，首、尾模块驱动对接锥头，同时进行与对接面的对接，实现由“一”构型到“十”构型的变形。

3.根据权利要求2所述的模块化自重构机器人的变形控制方法，其特征是上位机控制机器人由“十”构型变为“一”构型，首模块、中间模块和尾模块三部分完全分离，中间模块旋转90°，和首、尾模块成直链状态，首、尾模块的对接公头通过红外接收管管，以及中间模块对接母头的红外发射管进行自动对接过程，至首、尾模块的对接公头与中间模块的对接母头连接完成，实现由“十”构型到“一”构型的变形。

4.根据权利要求2所述的模块化自重构机器人的变形控制方法，其特征是所述自动对接开始的对接距离阈值设置为9～11cm。