CN102416626B - 一种模块化自重构机器人的单元模块 - Google Patents

Abstract

一种模块化自重构机器人的单元模块，设有前臂、后臂以及位于前、后臂之间的中框，前、后臂均包括外框、内框，内框置于外框内，内框两侧壁与对应的外框两侧壁铰支点连接，构成两个俯仰关节，内框设有电机，电机输出轴通过齿轮与中框的齿轮啮合传动，构成两个轴向旋转关节，中框内设有电机，电机输出轴通过齿轮与设置的中心轴上的齿轮啮合传动，中心轴两端伸出中框并设有固定盘，构成纵向旋转关节。单元模块可实现多种步态组合，保证机器人系统运动的灵活性。

Description

一种模块化自重构机器人的单元模块

技术领域

本发明涉及一种模块化自重构机器人的单元模块,属于机器人技术领域。

背景技术

模块化自重构机器人由若干具有一定自治能力和感知能力的单元模块组成，各模块具备统一的机械和电气接口，通过相互对接组装，改变整体构型，从而实现不同的运动和操作功能。具有如下特点：（1）自重构功能（2）自修复功能（3）功能可扩展性（4）自适应性（5）高可靠性：（6）良好经济性。单元模块是构建模块化自重构机器人系统的最基本元素，模块的运动能力、自由度数量以及模块重量，都直接影响整体机器人系统的协调运动和作业能力。自重构机器人的单元模块主要分为3类：（1）一字型（2）晶体型（3）混合型。目前已知的模块化自重构机器人的单元模块设计中存在如下问题：（1）连接方式单一，模块不能完成自重构，系统通用性不高，如GZ-I；（2）单体模块自由度数目少，运动能力较低，如MTRAN；（3）单元模块转角不能准确调整，如SuperBot；（4）模块化系统机构复杂、成本高、不便普及和推广。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种模块化自重构机器人的单元模块，其特征在于：设有前臂、后臂以及位于前、后臂之间的中框，中框与前、后臂之间分别为传动连接，其中：

前臂包括∪型外框、∪型内框，内框置于外框内，外框的∪型底面定义为主动对接平面，外框∪型的两侧壁平面定义为被动对接平面，内框的一个侧壁与其外侧相邻的外框侧壁之间为铰支轴承连接，内框的该侧壁内侧设有电机，电机通过电机架固定在内框底面内侧，电机的输出轴与内框侧壁平行，朝向内框底面，电机的输出轴末端安装有齿轮，内框的另一个侧壁内侧设有含有伺服电机的翻转舵机，翻转舵机通过舵机架固定在外框侧壁内侧，伺服电机的输出轴垂直外框侧壁并穿过内框该侧壁后与其外侧相邻的外框侧壁之间铰支传扭连接，两铰支点位于垂直于外框两侧壁的同一直线上，内框底面的中心设有通孔；

后臂的结构与前臂相同，安放位置为前、后臂的内框底面相对，且后臂的底面及两侧壁平面均定义为被动对接平面；

中框为矩形边框，在两个矩形长边框中心，各设置一个圆柱凸台，将该圆柱凸台分别至于前、后臂内框底面的中心孔轴承内，圆柱凸台的顶端各固接齿轮并与前、后臂中内框电机的输出轴末端齿轮啮合，在两个矩形短边框中心各设置通孔，通孔内设有轴承，设置一中心轴，中心轴上固接有齿轮，中心轴的两端分别穿过矩形短边框中心通孔轴承，中心轴顶端各固接一矩形盘，在一侧矩形长边框的内侧上，固定有电机支架，电机固定在支架上，电机输出轴与中心轴平行，电机输出轴顶端固接有齿轮，该齿轮与中心轴上的齿轮啮合。

前、后臂∪型外框的侧壁顶端为圆弧型，∪型内框的侧壁为等腰三角形；中框与前、后臂的齿轮啮合结构中，中框的齿轮大于前、后臂中的齿轮，中框内中心轴上的齿轮大于中框内电机的输出轴齿轮。

当单元模块之间互相连接时，一个单元模块的主动对接面与其他单元的被动对接面实施对接，对接结构可采取榫槽、钩爪等公知结构。而且，为了保证对接可靠，在对接面上还可设置感应器件，这些不在本发明叙述内容之内。

本发明具有以下优点及有益效果：单元模块整体具备空间对称性，对接面布局有利于空间的节省；具有两个俯仰关节，三个旋转关节，可实现多种步态组合，保证机器人系统运动的灵活性；旋转关节使得单元模块具备精确的角度原地调整功能；降低整体加工的成本，适合大批量制造。

附图说明

图1是单元模块整体结构图；

图2是中框旋转后单元模块整体结构图；

图3是单元模块前臂结构图；

图4是单元模块前臂上视图；

图5是中框结构图；

图6是中框上视图；

图7是单元模块后臂结构图；

图8是单元模块后臂上视图；

图9是中框内中心轴及其两端的矩形盘（中心轴上齿轮未画）；

图10是两个单元模块侧面对接图；

图11是两个单元模块正面对接图；

图12是两个单元模块正交对接图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

参见图1，本发明的单元模块包括前臂1、中框2及后臂3三个部分，中框2通过两侧的齿轮分别与前、后臂1、3中的齿轮啮合传动，构成两个轴向旋转关节，定义为单元模块的初始状态。中框2旋转90⁰后的单元模块形态如图2。

参看图3、4、7、8，前、后臂∪型外框由底面101（301，括号内表示后臂，下同）和两个圆弧侧面102（303）和110（310）组成，固定为一体。∪型内框由底面106（307）和两个三角侧面105（305）和115（312）组合固定为一体。内框置于外框内，内框侧壁105（305）与其外侧相邻的外框侧壁102（303）之间为铰支轴承114（314）连接，内框侧壁105（305）内侧设有电机104（304），电机104（304）通过电机架107（306）固定在内框底面106（307）内侧，电机的输出轴末端安装有齿轮108（308）。内框的另一侧壁115（312）内侧设有含有伺服电机的翻转舵机103（302），翻转舵机通过“L”型舵机架111（315）固定在外框侧壁110（310）内侧，翻转舵机输出盘112（311）与内框侧壁115（312）外侧固定连接，翻转舵机输出盘112（311）穿过内框的侧壁115（312）套接在翻转舵机103（302）的输出轴上，该输出轴顶端设有齿槽，与外框侧壁110（310）上设置的齿槽孔配合，形成以翻转舵机的输出轴为铰支点的铰支传扭连接。左右两铰支点位于垂直于外框两侧的同一直线上，构成外框和内框的俯仰关节。内框底面106（（307）的中心设有通孔113(313)，孔内设有轴承109(309)；

参看图5、6，中框为矩形边框，在两个矩形长边框202、210中心，各设置一个圆柱凸台，将该圆柱凸台分别至于前、后臂内框底面的中心孔轴承109、309内，圆柱凸台的顶端各固接大齿轮201、209，并分别与前、后臂内框电机的输出轴末端齿轮108、308啮合传动，构成两个轴向旋转关节。在两个矩形短边框204、212中心各设置通孔，通孔内设有轴承205、215，设置一中心轴206，中心轴上固接有齿轮214，中心轴的两端分别穿过矩形短边框中心通孔轴承205、215，中心轴206两端各固接一矩形盘203、213。在一侧矩形长边框210的内侧固定有L型电机支架，电机207固定在支架上，电机输出轴与中心轴平行，电机输出轴顶端固接有齿轮211，该齿轮与中心轴206上的齿轮214啮合传动，构成纵向旋转关节。

参见图9，中框中心轴206两端各固接一矩形盘203、213，两矩形盘203、213之间的距离要大于位于其两侧的前、后臂高度，形成“一担挑”，如图1。当一个矩形盘着地旋转时，前、后臂悬空，可随之原地旋转。此时模块化自重构机器人的一个单元模块单独作为机器人使用。

参见图10所示，两个单元模块侧面对接，一个单元模块的前臂左侧面（被动对接面）与另一单元模块的前臂底面（主动对接面）对接。

图11为两单元模块初始状态下的链状对接，一个单元模块的前臂底面与另一个单元模块的后臂底面对接。图12为一单元模块的后臂旋转90°与另一单元模块的前臂对接。

如图1或图2中所示，为单元模块的安装状态。前臂和后臂的俯仰关节均是通过翻转舵机（伺服电机）的输出控制上下翻转角度，分别控制前臂和后臂翻转舵机的输出轴旋转角度以及旋转的方向，来控制模块化自重构机器人的单元模块的上下翻转角度，常用的舵机控制方法为PWM脉冲控制。前臂和后臂构成的两个俯仰关节之间相互配合可以使得单元模块完成向前和向后移动。

前臂和后臂的电机均为直流电机，有各自独立的电路和程序控制。保持中框和后臂不动，控制前臂的旋转电机使得单元模块前臂单独旋转，后臂的旋转电机与前臂的控制方法相同。将前臂和后臂向下翻转，使得中框旋转盘脱离地面，然后控制前后臂的旋转电机配合动作，可以使得模块化自重构机器人的单元模块由图1中的构型转变为如图2所示。当单元模块处于自然状态时（如图1所示），中框旋转盘将单元模块整体支离地面，控制中框内旋转电机的转动，单元模块可以实现360°原地转动。

通过调整模块化自重构机器人的单元模块数量，可以组成不同大小的机器人系统。当以单元模块为基本单位时，能够分布式并行工作，机器人既能通过无线网络遥控有能通过其自身的MCU控制其独立运动，但由于其自身机构的限制，针对崎岖地形运动能力较差。因而单元模块可以组合成其他的构型，如蛇形、四足形等等，通过单元模块间的协调控制，使得整个机器人系统具备较强的运动能力。

Claims (3)

1.一种模块化自重构机器人的单元模块，其特征在于：设有前臂、后臂以及位于前、后臂之间的中框，中框与前、后臂之间分别为传动连接，其中：

前臂包括∪型外框、∪型内框，内框置于外框内，外框的∪型底面定义为主动对接平面，外框∪型的两侧壁平面定义为被动对接平面，内框的一个侧壁与其外侧相邻的外框侧壁之间为铰支轴承连接，内框的该侧壁内侧设有电机，电机通过电机架固定在内框底面内侧，电机的输出轴与内框侧壁平行，朝向内框底面，电机的输出轴末端安装有齿轮，内框的另一个侧壁内侧设有含有伺服电机的翻转舵机，翻转舵机通过舵机架固定在外框侧壁内侧，伺服电机的输出轴垂直外框侧壁并穿过内框该侧壁后与其外侧相邻的外框侧壁之间铰支传扭连接，两铰支点位于垂直于外框两侧壁的同一直线上，内框底面的中心设有通孔；

后臂的结构与前臂相同，安放位置为前、后臂的内框底面相对，后臂外框的底面及两侧壁平面均定义为被动对接平面；

中框为矩形边框，在两个矩形长边框中心，各设置一个圆柱凸台，将该圆柱凸台分别至于前、后臂内框底面的中心孔轴承内，圆柱凸台的顶端各固接齿轮并与前、后臂中内框电机的输出轴末端齿轮啮合传动，在两个矩形短边框中心各设置通孔，通孔内设有轴承，设置一中心轴，中心轴上固接有齿轮，中心轴的两端分别穿过矩形短边框中心通孔轴承，中心轴顶端各固接一矩形盘，在一侧矩形长边框的内侧上，固定有电机支架，电机固定在支架上，电机输出轴与中心轴平行，电机输出轴顶端固接有齿轮，该齿轮与中心轴上的齿轮啮合传动。

2.根据权利要求1所述的模块化自重构机器人的单元模块，其特征在于：前、后臂∪型外框的侧壁顶端为圆弧型，∪型内框的侧壁为等腰三角形。

3.根据权利要求1或2所述的模块化自重构机器人的单元模块，其特征在于：中框与前、后臂的齿轮啮合结构中，中框的两个圆柱凸台的顶端各固接的齿轮大于分别与之啮合的内框电机的输出轴末端齿轮，中框内中心轴上的齿轮大于与之啮合的中框内电机的输出轴齿轮。