CN100572000C - 基于双转动自由度的万向式模块化自重构机器人 - Google Patents

Abstract

基于双转动自由度的万向式模块化自重构机器人，本发明涉及一种机器人。本发明是为解决可重构机器人的构型组合和模块的选择需要人工参与，无法适应非结构化未知环境和多变任务要求的问题。本发明的主动模块与被动模块相连接，主动模块由两个主动封闭构件和主动直角轴组成，主动直角轴的上端轴与其中一个主动封闭构件连接，主动直角轴的左端轴与另一个主动封闭构件连接，被动模块由两个被动封闭构件和被动直角轴组成，被动直角轴的上端轴与其中一个被动封闭构件连接，被动直角轴的左端轴与另一个被动封闭构件连接。本发明能够根据环境和任务的变化通过人工组合的方式自主变换构型，对非结构化未知环境和多变任务要求适应能力强。

Description

基于双转动自由度的万向式模块化自重构机器人

技术领域

本发明涉及一种机器人。

背景技术

伴随科技的发展和进步，对机器人的功能和环境适应能力要求也不断提高，尤其是对于非结构化未知环境和多变任务的适应能力。传统机器人多为特定环境和任务开发的专用机器人，不具有通用性，在这种背景下开始了可重构机器人的研究，可重构机器人可以通过仿真计算得到完成特定任务所需的构型和模块数量，但构型的组合和模块的选择仍需要人工参与，一旦环境和任务变化超出设计要求，可重构机器人无法适应非结构化未知环境和多变任务的要求。

发明内容

本发明的目的是为解决可重构机器人的构型组合和模块的选择需要人工参与，无法适应非结构化未知环境和多变任务要求的问题，提供一种基于双转动自由度的万向式模块化自重构机器人。

本发明由主动模块和被动模块组成，主动模块上的任意一个面与被动模块上的任意一个面相连接，主动模块由第一主动封闭构件、第二主动封闭构件和主动直角轴组成，主动直角轴的上端轴与第一主动封闭构件连接，主动直角轴的左端轴与第二主动封闭构件连接，被动模块由第一被动封闭构件、第二被动封闭构件和被动直角轴组成，被动直角轴的上端轴与第一被动封闭构件连接，被动直角轴的左端轴与第二被动封闭构件连接。

本发明的优点是：由于本发明的主动模块上的任意一个面可以与被动模块上的任意一个面相连接，主动模块上的第一主动封闭构件和第二主动封闭构件可分别绕主动直角轴实现-90°到+90°转动，被动模块上的第一被动封闭构件和第二被动封闭构件可分别绕被动直角轴实现-90°到+90°转动，所以本发明能够根据环境和任务的变化通过人工组合的方式自主变换构型，对非结构化未知环境和多变任务要求适应能力强。

附图说明

图1是本发明的万向式模块化自重构机器人的整体外部结构立体图，图2是主动模块40的外部结构立体图，图3是主动模块40的内部结构立体图(去掉主动连接机构1)，图4是第一主动封闭构件40-1的外部结构立体图，图5是第一主动封闭构件40-1的内部结构立体图，图6是主动消隙弹簧11与主动第二电位器齿轮14的安装位置示意图，图7是主动连接机构1的结构示意图，图8是主动连接机构1上的钩子5绕主动固定轴18从主动钩孔6-3旋出主动连接板6时的工作过程图，图9是主动连接机构1上的钩子5旋进被动连接板6′上的被动钩孔6′-3中的工作过程图，图10是主动滑轨20、主动第一拉杆轴25、主动同步驱动带轮26、主动拉杆27、主动第二拉杆轴28和主动中心轴30之间连接结构示意图，图11是主动壳体2或被动壳体2′的立体图，图12是被动模块50的外部结构立体图，图13是被动模块50的内部结构立体图(去掉被动连接机构1′)，图14是第一被动封闭构件50-1的外部结构立体图，图15是第一被动封闭构件50-1的内部结构立体图，图16是被动消隙弹簧11′与被动第二电位器齿轮14′的安装位置示意图，图17是被动连接机构1′的结构示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1说明本实施方式，本实施方式由主动模块40和被动模块50组成，主动模块40上的任意一个面与被动模块50上的任意一个面相连接，主动模块40由第一主动封闭构件40-1、第二主动封闭构件40-2和主动直角轴45组成，主动直角轴45的上端轴与第一主动封闭构件40-1连接，主动直角轴45的左端轴与第二主动封闭构件40-2连接，第一主动封闭构件40-1和第二主动封闭构件40-2可分别绕主动直角轴45实现-90°到+90°转动，见图2，被动模块50由第一被动封闭构件50-1、第二被动封闭构件50-2和被动直角轴55组成，被动直角轴55的上端轴与第一被动封闭构件50-1连接，被动直角轴55的左端轴与第二被动封闭构件50-2连接，第一被动封闭构件50-1和第二被动封闭构件50-2可分别绕被动直角轴55实现-90°到+90°转动，见图12。模块是构成自重构机器人的最基本单元，模块的功能包括自身运动功能和多模块组合后的功能，模块自身的功能是指单个模块具有的运动方式；组合功能是指多模块组合后具有的运动能力。单个模块不具有独立改变自身位置的能力，通过主动模块40与被动模块50的配合改变自身位置，通过多模块的相互配合才能改变单个模块自身位置，在重构和运动过程中，机器人可根据任务选择不同数目的模块组成合适的构型执行任务。本发明的主动模块40和被动模块50具有规则的几何外形，便于形成稳定的静态填充空间；同时具有两个转动关节自由度，能够构成关节式机器人整体移动。模块自由度布局合理，结构紧凑，模块结构强度好，保证模块的均一性，除连接结构外，模块具有相同的运动功能，模块具有较强的负载能力；本机器人具有如下优点：(1)、自重构功能：机器人能够根据环境和任务的变化自主变换构型，对非结构化环境和未知环境具有很强的适应能力。(2)、自修复功能：主动模块40和被动模块50为标准模块，模块具有互换性，当其中某一模块发生故障时，可由上述标准模块替换掉继续完成任务，保证了任务的可靠进行。(3)、功能可扩展性；通过增减模块数目或种类扩展机器人的功能，例如可以通过改变转动模块的数量改变机器人的运动和操作空间。(4)、自适应性：自重构功能和自修复功能决定了机器人良好的自适应性，可以通过改变自身构型或模块数目来适应非结构化环境或未知环境。

具体实施方式二：结合图3～图6和图11说明本实施方式，本实施方式的第一主动封闭构件40-1和第二主动封闭构件40-2均由两个主动连接机构1、主动壳体2、主动电机8、主动电机齿轮10、主动消隙弹簧11、主动电位器12、主动第一电位器齿轮13、主动第二电位器齿轮14、主动关节电位器齿轮15、主动关节驱动齿轮16和主动驱动连接板17组成，主动驱动连接板17固定在主动壳体2的中心位置，主动驱动连接板17上设有主动电位器孔17-1，主动电位器12的一端设置在主动电位器孔17-1内，主动第一电位器齿轮13套装在主动电位器12上，主动第一电位器齿轮13上的中心孔周边设有主动凸缘13-1，主动第二电位器齿轮14设置在主动第一电位器齿轮13的上端且套装在主动第一电位器齿轮13的主动凸缘13-1上，主动第二电位器齿轮14上设有主动消隙弹簧孔14-1，主动消隙弹簧11设置在主动消隙弹簧孔14-1中，主动电机8固定在主动驱动连接板17的下面，主动电机齿轮10设置在主动电机8的输出轴上，主动关节电位器齿轮15和主动关节驱动齿轮16由下至上依次设置在主动直角轴45上，一个主动连接机构1设置在主动壳体2的上面，另一个主动连接机构1设置在主动壳体2的右侧面。这样设计使得第一主动封闭构件40-1具有三个自由度，其中主动直角轴45与第一主动封闭构件40-1构成一个关节自由度，主动封闭构件40-1上的两个主动连接机构1具有两个自由度；第二主动封闭构件40-2具有三个自由度，其中主动直角轴45与第二主动封闭构件40-2构成一个关节自由度，第二主动封闭构件40-2上的两个主动连接机构1具有两个自由度；因此主动模块40具有六个自由度，其中主动直角轴45与第一主动封闭构件40-1和第二主动封闭构件40-2构成两个关节自由度，主动模块40上的四个主动连接机构1具有四个自由度。

具体实施方式三：结合图7～图10说明本实施方式，本实施方式的主动连接机构1由四个钩子5、主动连接板6、四个主动固定轴18、四个主动滑动轴19、四个主动滑轨20、主动带轮22、主动减速电机23、主动同步带24、四个主动第一拉杆轴25、主动同步驱动带轮26、四个主动拉杆27、四个主动第二拉杆轴28和主动中心轴30组成，主动连接板6上均布设有四个主动滑槽6-1，四个主动滑轨20分别设置在四个主动滑槽6-1中，主动滑轨20上设有主动滑动轴孔20-1，主动滑动轴19设置在主动滑动轴孔20-1内，每个主动滑槽6-1的两侧主动连接板6上设有主动固定轴座6-2，主动固定轴座6-2上设有主动固定轴孔6-2-1，主动固定轴18设置在主动固定轴孔6-2-1中，钩子5设置在主动固定轴18和主动滑动轴19上，主动中心轴30设置在主动连接板6的中心上，主动同步驱动带轮26设置在主动中心轴30上，主动减速电机23固定在主动连接板6的上面，主动带轮22设置在主动减速电机23的输出轴上，主动同步带24的一端设置在主动带轮22上，主动同步带24的另一端设置在主动同步驱动带轮26上，主动同步驱动带轮26上设有四个主动第一拉杆轴孔26-1，四个主动第一拉杆轴25分别设置在四个主动第一拉杆轴孔26-1内，主动滑轨20上靠近主动连接板6中心的一端设有主动第二拉杆轴孔20-2，主动第二拉杆轴28设置在主动第二拉杆轴孔20-2内，主动拉杆27的一端设置在主动第一拉杆轴25上，主动拉杆27的另一端设置在主动第二拉杆轴28上，主动连接板6上每个主动滑槽6-1的外侧设有主动钩孔6-3。主动连接机构1在重构过程中负责与相邻模块的连接与断开，在运动过程中负责传递力，为机器人提供可靠的支撑，保证了构型的顺利改变，主动连接机构1作为机器人的关键组成直接串联在系统里，机构强度的好坏直接影响机器人的强度。(现有主动连接机构主要有销孔式、电磁式、永磁式和记忆合金式，销孔式虽然连接可靠，但分离时需要额外的空间，影响重构能力；电磁式和永磁式虽然结构简单，但抗剪能力差，且电磁式体积大，耗能；记忆合金式机构简单，体积小，但能耗大)；本发明的主动连接机构1结构紧凑，负载能力强，结构强度好，工作可靠、迅速，连接后能够自锁，所以节省能源。

具体实施方式四：结合图13～图16说明本实施方式，本实施方式的第一被动封闭构件50-1和第二被动封闭构件50-2均由两个被动连接机构1′、被动壳体2′、被动电机8′、被动电机齿轮10′、被动消隙弹簧11′、被动电位器12′、被动第一电位器齿轮13′、被动第二电位器齿轮14′、被动关节电位器齿轮15′、被动关节驱动齿轮16′和被动驱动连接板17′组成，被动驱动连接板17′固定在被动壳体2′的中心位置，被动驱动连接板17′上设有被动电位器孔17′-1，被动电位器12′的一端设置在被动电位器孔17′-1内，被动第一电位器齿轮13′套装在被动电位器12′上，被动第一电位器齿轮13′上的中心孔周边设有被动凸缘13′-1，被动第二电位器齿轮14′设置在被动第一电位器齿轮13′的上端且套装在被动第一电位器齿轮13′的被动凸缘13′-1上，被动第二电位器齿轮14′上设有被动消隙弹簧孔14′-1，被动消隙弹簧11′设置在被动消隙弹簧孔14′-1中，被动电机8′固定在被动驱动连接板17′的下面，被动电机齿轮10′设置在被动电机8′的输出轴上，被动关节电位器齿轮15′和被动关节驱动齿轮16′由下至上依次设置在被动直角轴45′上，一个被动连接机构1′设置在被动壳体2′的上面，另一个被动连接机构1′设置在被动壳体2′的右侧面。这样设计使得第一被动封闭构件50-1具有一个自由度，是由被动直角轴55与第一被动封闭构件50-1构成的关节自由度；第二被动封闭构件50-2具有一个自由度，是由被动直角轴55与第二被动封闭构件50-2构成的关节自由度；因此被动模块50具有两个自由度。

具体实施方式五：结合图17说明本实施方式，本实施方式的被动连接机构1′由被动连接板6′组成，被动连接板6′上设有被动钩孔6′-3。这样设计使得主动模块40与被动模块50连接的效果更好。

本实用新型的工作原理：见图7，主动减速电机23顺时针转动，主动带轮22转动，通过主动同步带24带动主动同步驱动带轮26转动，主动同步带轮26通过主动第一拉杆轴25推动主动拉杆27摆动，从而带动主动滑轨20沿主动滑槽6-1向外运动，主动滑轨20向外运动驱动主动滑动轴19沿主动滑轨20上的主动滑动轴孔20-1上下运动，主动滑动轴19驱动钩子5绕主动固定轴18从主动钩孔6-3旋出主动连接板6的表面，旋进被动连接板6′的被动钩孔6′-3中，见图8，最后四个钩子5将主动连接板6和被动连接板6′紧密的连接在一起，实现了主动模块40和被动模块50的连接，见图9；当模块分离时，恰好和上面的动作顺序相反。当主动模块40和被动模块50完全连接时，主动同步驱动带轮26中心点和主动第一拉杆轴25中心点的连线与主动同步驱动带轮26中心点和主动第二拉杆轴28中心点的连线超过机构死点(主动同步驱动带轮26轴线、主动第一拉杆轴25轴线和主动第二拉杆轴28轴线在同一平面位置)2°时，主动滑槽6-1的侧面6-1-1限制主动拉杆27继续摆动；在死点位置，只有主动同步驱动带轮26做为主动才能驱动钩子5转动，钩子5上的力矩无法使机构脱开，从而实现了连接后机构自锁，无需电机力矩保持，节省能量。

Claims (5)

1、一种基于双转动自由度的万向式模块化自重构机器人，它由主动模块(40)和被动模块(50)组成，其特征在于主动模块(40)上的任意一个面与被动模块(50)上的任意一个面相连接，主动模块(40)由第一主动封闭构件(40-1)、第二主动封闭构件(40-2)和主动直角轴(45)组成，主动直角轴(45)的上端轴与第一主动封闭构件(40-1)连接，主动直角轴(45)的左端轴与第二主动封闭构件(40-2)连接，被动模块(50)由第一被动封闭构件(50-1)、第二被动封闭构件(50-2)和被动直角轴(55)组成，被动直角轴(55)的上端轴与第一被动封闭构件(50-1)连接，被动直角轴(55)的左端轴与第二被动封闭构件(50-2)连接。

2、根据权利要求1所述的基于双转动自由度的万向式模块化自重构机器人，其特征在于第一主动封闭构件(40-1)和第二主动封闭构件(40-2)均由两个主动连接机构(1)、主动壳体(2)、主动电机(8)、主动电机齿轮(10)、主动消隙弹簧(11)、主动电位器(12)、主动第一电位器齿轮(13)、主动第二电位器齿轮(14)、主动关节电位器齿轮(15)、主动关节驱动齿轮(16)和主动驱动连接板(17)组成，主动驱动连接板(17)固定在主动壳体(2)的中心位置，主动驱动连接板(17)上设有主动电位器孔(17-1)，主动电位器(12)的一端设置在主动电位器孔(17-1)内，主动第一电位器齿轮(13)套装在主动电位器(12)上，主动第一电位器齿轮(13)上的中心孔周边设有主动凸缘(13-1)，主动第二电位器齿轮(14)设置在主动第一电位器齿轮(13)的上端且套装在主动第一电位器齿轮(13)的主动凸缘(13-1)上，主动第二电位器齿轮(14)上设有主动消隙弹簧孔(14-1)，主动消隙弹簧(11)设置在主动消隙弹簧孔(14-1)中，主动电机(8)固定在主动驱动连接板(17)的下面，主动电机齿轮(10)设置在主动电机(8)的输出轴上，主动关节电位器齿轮(15)和主动关节驱动齿轮(16)由下至上依次设置在主动直角轴(45)上，一个主动连接机构(1)设置在主动壳体(2)的上面，另一个主动连接机构(1)设置在主动壳体(2)的右侧面。

3、根据权利要求2所述的基于双转动自由度的万向式模块化自重构机器人，其特征在于主动连接机构(1)由四个钩子(5)、主动连接板(6)、四个主动固定轴(18)、四个主动滑动轴(19)、四个主动滑轨(20)、主动带轮(22)、主动减速电机(23)、主动同步带(24)、四个主动第一拉杆轴(25)、主动同步驱动带轮(26)、四个主动拉杆(27)、四个主动第二拉杆轴(28)和主动中心轴(30)组成，主动连接板(6)上均布设有四个主动滑槽(6-1)，四个主动滑轨(20)分别设置在四个主动滑槽(6-1)中，主动滑轨(20)上设有主动滑动轴孔(20-1)，主动滑动轴(19)设置在主动滑动轴孔(20-1)内，每个主动滑槽(6-1)的两侧主动连接板(6)上设有主动固定轴座(6-2)，主动固定轴座(6-2)上设有主动固定轴孔(6-2-1)，主动固定轴(18)设置在主动固定轴孔(6-2-1)中，钩子(5)设置在主动固定轴(18)和主动滑动轴(19)上，主动中心轴(30)设置在主动连接板(6)的中心上，主动同步驱动带轮(26)设置在主动中心轴(30)上，主动减速电机(23)固定在主动连接板(6)的上面，主动带轮(22)设置在主动减速电机(23)的输出轴上，主动同步带(24)的一端设置在主动带轮(22)上，主动同步带(24)的另一端设置在主动同步驱动带轮(26)上，主动同步驱动带轮(26)上设有四个主动第一拉杆轴孔(26-1)，四个主动第一拉杆轴(25)分别设置在四个主动第一拉杆轴孔(26-1)内，主动滑轨(20)上靠近主动连接板(6)中心的一端设有主动第二拉杆轴孔(20-2)，主动第二拉杆轴(28)设置在主动第二拉杆轴孔(20-2)内，主动拉杆(27)的一端设置在主动第一拉杆轴(25)上，主动拉杆(27)的另一端设置在主动第二拉杆轴(28)上，主动连接板(6)上每个主动滑槽(6-1)的外侧设有主动钩孔(6-3)。

4、根据权利要求1所述的基于双转动自由度的万向式模块化自重构机器人，其特征在于第一被动封闭构件(50-1)和第二被动封闭构件(50-2)均由两个被动连接机构(1′)、被动壳体(2′)、被动电机(8′)、被动电机齿轮(10′)、被动消隙弹簧(11′)、被动电位器(12′)、被动第一电位器齿轮(13′)、被动第二电位器齿轮(14′)、被动关节电位器齿轮(15′)、被动关节驱动齿轮(16′)和被动驱动连接板(17′)组成，被动驱动连接板(17′)固定在被动壳体(2′)的中心位置，被动驱动连接板(17′)上设有被动电位器孔(17′-1)，被动电位器(12′)的一端设置在被动电位器孔(17′-1)内，被动第一电位器齿轮(13′)套装在被动电位器(12′)上，被动第一电位器齿轮(13′)上的中心孔周边设有被动凸缘(13′-1)，被动第二电位器齿轮(14′)设置在被动第一电位器齿轮(13′)的上端且套装在被动第一电位器齿轮(13′)的被动凸缘(13′-1)上，被动第二电位器齿轮(14′)上设有被动消隙弹簧孔(14′-1)，被动消隙弹簧(1 1′)设置在被动消隙弹簧孔(14′-1)中，被动电机(8′)固定在被动驱动连接板(17′)的下面，被动电机齿轮(10′)设置在被动电机(8′)的输出轴上，被动关节电位器齿轮(15′)和被动关节驱动齿轮(16′)由下至上依次设置在被动直角轴(45′)上，一个被动连接机构(1′)设置在被动壳体(2′)的上面，另一个被动连接机构(1′)设置在被动壳体(2′)的右侧面。

5、根据权利要求4所述的基于双转动自由度的万向式模块化自重构机器人，其特征在于被动连接机构(1′)由被动连接板(6′)组成，被动连接板(6′)上设有被动钩孔(6′-3)。

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