一种模块化教学机械臂平台
阅读说明：本技术 一种模块化教学机械臂平台 (Modularization teaching arm platform ) 是由 周春琳 石金泽 方晨昊 曾宝成 李昊颖 熊蓉 于 2021-10-08 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种模块化教学机械臂平台,由电源模块、控制模块、连线模块、运动模块、框架模块、拓展模块组成,接口统一,且通过各个模块的相互拼装连接,可以得到各种构型的机器人。其中所述电源模块为整机提供所需电压,所述控制模块用于控制各运动模块,所述连线模块用于连接各模块线路,所述运动模块包括旋转模块、平动模块,所述框架模块包括操作机器人框架模块和移动机器人框架模块,所述拓展模块包括传感器模块、框架拓展模块、可编程模块、算法模块、显示模块。本发明通过模块化设计、统一接口的各个模块的互相连接、拼装,可以快速搭建出各种种类的机器人,满足学校教学的不同需求。(The invention discloses a modular teaching mechanical arm platform which is composed of a power supply module, a control module, a connecting line module, a motion module, a frame module and an expansion module, wherein the interfaces are unified, and robots with various configurations can be obtained by mutually splicing and connecting the modules. The power module provides required voltage for the whole machine, the control module is used for controlling each motion module, the connecting line module is used for connecting each module line, the motion module comprises a rotation module and a translation module, the frame module comprises an operation robot frame module and a mobile robot frame module, and the expansion module comprises a sensor module, a frame expansion module, a programmable module, an algorithm module and a display module. According to the invention, various types of robots can be quickly built by modular design and mutual connection and assembly of modules with unified interfaces, so that different requirements of school teaching are met.)
技术领域
本发明属于教学机器人技术领域，具体涉及一种模块化教学机械臂平台。
背景技术
教学机器人作为机器人应用于教育领域的代表，是人工智能、语音识别和仿生技术在教育中应用的典型，以培养学生的分析能力、创造能力和实践能力为目标。当前，机器人在教育领域的应用表现出了无可比拟的教育价值和发展前景，其多学科交叉融合的特性为培养宽口径、高素质、复合型的工程人才提供了一个良好的平台。教育机器人的发展应用与学生的思维能力发展和动手实践能力等的培养密不可分，对其深入研究是顺应时代发展的潮流之举。但目前的教学机械臂结构复杂，安装困难，缺少模块化思想。
因此，亟需设计一种新的模块化教学机械臂平台。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的缺陷，并提供一种模块化教学机械臂平台。
本发明所采用的具体技术方案如下：
本发明提供了一种模块化教学机械臂平台，包括能拼装连接成机器人的电源模块、控制模块、连线模块、运动模块、框架模块和拓展模块；所述电源模块用于提供电压；所述控制模块作为下位机，用于实现上位机与所述运动模块之间的信号传递；所述连线模块具有若干接口，用于与各模块或上位机连接，以实现信号或电压的传递；
所述运动模块包括旋转模块和能沿轴向伸缩的平动模块，旋转模块包括能与其他模块连接构成转动副的第一连接部和第二连接部；所述框架模块包括操作机器人框架模块和移动机器人框架模块；所述操作机器人框架模块包括具有内腔的底座模块、呈连杆结构的臂模块、用于转换连接方向的连接模块和能安装于机械臂末端的执行模块，所述执行模块包括执行器连接模块和执行器模块；所述移动机器人框架模块包括底盘模块、轮模块和轮支架模块；轮支架模块用于连接轮模块和底盘模块，能通过轮模块实现底盘模块的移动；所述拓展模块包括传感器模块、框架拓展模块、可编程模块、算法模块和显示模块。
作为优选，所述电源模块能与连线模块连接用于供电，控制模块、运动模块和上位机均能与连线模块连接；上位机能通过连线模块与控制模块完成通信，控制模块能通过连线模块实现对运动模块的控制；拓展模块能通过连线模块与上位机或可编程模块实现信号传输。
作为优选，所述旋转模块为柱状结构，侧壁设有凹槽状的第一连接部，顶端设有凸起状的第二连接部；旋转模块通过与智能柔性执行器连接带动其转动，所述智能柔性执行器优选为集成伺服电机、控制器、编码器和减速器中的一种。
作为优选，所述臂模块包括长度不同的第一连接臂和第二连接臂；第一连接臂和第二连接臂均为圆柱状结构，包括呈凹槽状的第一连接端和呈凸起状的第二连接端；所述轮模块包括橡胶轮和麦克纳姆轮。
作为优选，所述传感模块包括视觉模块和测距模块，所述框架拓展模块包括用于移动的足式模块和履带模块，所述可编程模块用于编程功能，所述算法模块用于处理高算力操作，所述显示模块用于显示内容。
作为上述任一优选，所述电源模块、控制模块、连线模块、运动模块、操作机器人框架模块和拓展模块能拼装连接成操作型机器人。
进一步的，所述操作型机器人为六自由度协作机器人，包括电源模块、控制模块、连线模块、底座模块、六个旋转模块、五个第一连接臂、两个连接模块、两个第二连接臂、执行模块和视觉模块；
所述底座模块的内腔中设有电源模块、控制模块、连线模块和第一个旋转模块，第一个旋转模块与位于底座模块外部的第一个第一连接臂连接；第一个第一连接臂、第二个旋转模块、第二个第一连接臂、第一个连接模块、第一个第二连接臂、第三个旋转模块、第三个第一连接臂、第二个连接模块、第二个第二连接臂、第四个旋转模块、第四个第一连接臂、第五个旋转模块、第五个第一连接臂和第六个旋转模块顺次连接，第六个旋转模块的外端部连接有执行模块和视觉模块。
进一步的，所述操作型机器人为SCARA机器人，包括电源模块、控制模块、连线模块、底座模块、三个旋转模块、平动模块、第一连接臂、两个连接模块和两个第二连接臂；
所述底座模块的内腔中设有电源模块、控制模块、连线模块和第一个旋转模块，第一个旋转模块与位于底座模块外部的平动模块连接；平动模块、第一个连接模块、第一个第二连接臂、第二个旋转模块、第一连接臂、第二个连接模块、第二个第二连接臂和第三个旋转模块顺次连接。
作为上述任一优选，所述电源模块、控制模块、连线模块、运动模块、移动机器人框架模块和拓展模块能拼装连接成移动型机器人。
作为上述任一优选，所述电源模块、控制模块、连线模块、运动模块、操作机器人框架模块、移动机器人框架模块和拓展模块能拼装连接成移动操作型机器人。
本发明相对于现有技术而言，具有以下有益效果：
本发明提供了一种模块化教学机械臂平台的设计方案，通过模块化设计、统一接口的各个模块的互相连接、拼装，可以快速搭建出各种种类的机器人，满足学校教学的不同需求。
附图说明
图1为部分模块的结构示意图；
图2为搭建的六自由度协作机器人结构示意图；
图3为搭建的SCARA机器人结构示意图；
图4为能利用本发明平台搭建的三大类机器人的示意图；
图中附图标记为：电源模块1、控制模块2、连线模块3、运动模块4、旋转模块41、平动模块42、框架模块5、底座模块51、臂模块52、第一连接臂521、第二连接臂522、连接模块53、执行模块54、执行器连接模块541、执行器模块542、拓展模块6、视觉模块61、可编程模块62、算法模块63。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步阐述和说明。本发明中各个实施方式的技术特征在没有相互冲突的前提下，均可进行相应组合。
如图1所示，为本发明提供的一种模块化教学机械臂平台，该模块化教学机械臂平台主要包括电源模块1、控制模块2、连线模块3、运动模块4、框架模块5和拓展模块6，各模块的接口统一，通过各个模块之间相互的拼装连接，可以得到各种各样的机器人，各模块的结构和组成具体如下：
电源模块1用于为整机提供所需电压，比如可以采用12V/24V开关电源或者12V/24V锂电池。控制模块2作为下位机，可以采用树莓派或STM32，用以实现上位机与运动模块4之间的信号传递，从而可以控制各运动模块的位置、速度、输出力矩，并采集其位置、速度、输出力、温度等。连线模块3具有多个接口，通过接口可以与控制模块、运动模块、拓展模块、上位机(如电脑)等部件相连接。连线模块3可以采用NI CAN Breakout Box转接器、塔石TAS-LAN-463，支持主流工业通讯协议如CAN总线、RS485、以太网等，实现各模块之间信号或电压的传递。
在实际应用时，电源模块1可以与连线模块3连接用于供电，控制模块2、运动模块4和上位机均能与连线模块3连接。上位机能通过连线模块3与控制模块2完成通信，控制模块2能通过连线模块3实现对运动模块4的控制。拓展模块6能通过连线模块3与上位机或可编程模块62实现信号传输。
运动模块4包括旋转模块41和平动模块42。其中，旋转模块41可以实现圆周运动，包括能与其他模块连接构成转动副的第一连接部和第二连接部；平动模块42可以沿轴向进行伸缩，例如可以采用套筒式的伸缩结构。在实际应用时，旋转模块41可以采用柱状结构，侧壁设有凹槽状的第一连接部，顶端设有凸起状的第二连接部；旋转模块41通过与智能柔性执行器连接带动其转动，智能柔性执行器优选为集成伺服电机、控制器、编码器和减速器中的一种。平动模块可以与旋转模块结合构成皮带-滑块结构或者是蜗杆-滑块结构。
框架模块5包括操作机器人框架模块和移动机器人框架模块。操作机器人框架模块包括底座模块51、臂模块52、连接模块53和执行模块54。其中，底座模块51具有中空内腔，可根据需求放置电源模块、控制模块和接线模块等。臂模块52包括不同长度的连杆，例如可以包括长度不同的第一连接臂(短臂)521和第二连接臂(长臂)522。在实际应用时，可以将第一连接臂521和第二连接臂522均设置为圆柱状结构，第一连接臂521和第二连接臂522均包括呈凹槽状的第一连接端和呈凸起状的第二连接端。连接模块53用于转换与其相连模块的连接方向。执行模块54包括执行器连接模块541和执行器模块542，一般安装于机械臂的末端。执行器模块包括不同种类的执行器，例如气泵、机械爪、喷头等，通过执行器连接模块541与机械臂末端连接。移动机器人框架模块包括底盘模块、轮模块和轮支架模块。其中，底盘模块具有足够的且对应的孔位自由安装各部件；轮支架模块用于连接轮模块和底盘模块，能通过轮模块实现底盘模块的移动；轮模块可以采用常见的橡胶轮和麦克纳姆轮。
拓展模块6包括传感器模块、框架拓展模块、可编程模块62、算法模块63和显示模块。其中，传感模块包括视觉模块61和测距模块，例如视觉模块61包括统一接口的一系列深度相机。框架拓展模块包括用于移动的特制框架模块、足式模块和履带模块，特制框架模块指的是移动机器人的底盘轻质安装架，留有电机、通讯设备、移动电源的安装孔位。可编程模块62用于拓展传感器或者执行模块的辅助编程功能，完成数据采集预处理，控制信号输出等，例如可以采用arduino单片机、STM32单片机。算法模块63用于处理人工智能、图像处理等需高算力操作，例如可以采用NVIDIA JETSON系列人工智能运算板。显示模块用于显示内容，例如可以采用MF219串口屏、MAKEBIT-7寸高清显示屏等。
在实际应用时，可以根据需要选择不同的模块进行组合，以便于得到不同的机器人。如图4所示，选用电源模块1、控制模块2、连线模块3、运动模块4、操作机器人框架模块和拓展模块6能拼装连接成操作型机器人；电源模块1、控制模块2、连线模块3、运动模块4、移动机器人框架模块和拓展模块6能拼装连接成移动型机器人；电源模块1、控制模块2、连线模块3、运动模块4、操作机器人框架模块、移动机器人框架模块和拓展模块6能拼装连接成移动操作型机器人。也就是说，通过上述平台中各个模块的相互拼装连接，可以组成市面上大部分的机器人。
如图2所示，提供了一种操作型机器人，即六自由度协作机器人。该六自由度协作机器人包括电源模块1、控制模块2、连线模块3、底座模块51、六个旋转模块41(分别记为第一个旋转模块41、第二个旋转模块41、第三个旋转模块41、第四个旋转模块41、第五个旋转模块41和第六个旋转模块41)、五个第一连接臂521(分别记为第一个第一连接臂521、第二个第一连接臂521、第三个第一连接臂521、第四个第一连接臂521和第五个第一连接臂521)、两个连接模块53(分别记为第一个连接模块53和第二个连接模块53)、两个第二连接臂522(分别记为第一个第二连接臂522和第二个第二连接臂522)、执行模块54和视觉模块61，各模块之间的连接方式具体如下：
底座模块51的内腔中设有电源模块1、控制模块2、连线模块3(图中未画出)，电源模块1与连线模块3连接用于供电，控制模块2、运动模块4和上位机均与连线模块3连接。上位机通过连线模块3与控制模块2完成通信，控制模块2通过连线模块3实现对运动模块4的控制。拓展模块6通过连线模块3与上位机或可编程模块62实现信号传输。底座模块51的内腔中还设有第一个旋转模块41，第一个旋转模块41与位于底座模块51外部的第一个第一连接臂521连接。第一个第一连接臂521、第二个旋转模块41、第二个第一连接臂521、第一个连接模块53、第一个第二连接臂522、第三个旋转模块41、第三个第一连接臂521、第二个连接模块53、第二个第二连接臂522、第四个旋转模块41、第四个第一连接臂521、第五个旋转模块41、第五个第一连接臂521和第六个旋转模块41顺次连接，第六个旋转模块41的外端部连接有执行模块54和视觉模块61。
如图3所示，提供了一种操作型机器人，即SCARA机器人。该SCARA机器人包括电源模块1、控制模块2、连线模块3、底座模块51、三个旋转模块41(分别记为第一个旋转模块41、第二个旋转模块41和第三个旋转模块41)、平动模块42、第一连接臂521、两个连接模块53(分别记为第一个连接模块53和第二个连接模块53)和两个第二连接臂522(分别记为第一个第二连接臂522和第二个第二连接臂522)，各模块之间的连接方式具体如下：
底座模块51的内腔中设有电源模块1、控制模块2、连线模块3(图中未画出)，电源模块1与连线模块3连接用于供电，控制模块2、运动模块4和上位机均与连线模块3连接。上位机通过连线模块3与控制模块2完成通信，控制模块2通过连线模块3实现对运动模块4的控制。底座模块51的内腔中还设有第一个旋转模块41，第一个旋转模块41与位于底座模块51外部的平动模块42连接。平动模块42、第一个连接模块53、第一个第二连接臂522、第二个旋转模块41、第一连接臂521、第二个连接模块53、第二个第二连接臂522和第三个旋转模块41顺次连接。
以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，然其并非用以限制本发明。有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型。因此凡采取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。
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