CN102642576A - 一种具有滚动和爬行步态的单链式模块化自重构机器人 - Google Patents

Abstract

一种具有滚动和爬行步态的单链式模块化自重构机器人，由至少一个单元模块构成，所述单元模块包括依次连接的前臂、伸缩臂和后臂；具有两个俯仰关节、两个旋转关节以及一个伸缩关节，通过控制前后臂的翻转舵机与伸缩臂的伸缩电机相互间地配合实现蠕虫式运动，前后臂与伸缩臂之间设有旋转电机构成的旋转关节，且前后臂及伸缩臂外形均为圆形，通过控制旋转电机可以实现轮式机器人的运动方式，两端旋转电机的差分驱动也可以实现原地旋转、拐弯，本发明的模块化自重构机器人具备崎岖地形所需的蠕动式运动，还可以在平地上完成高效的轮式运动。

Description

一种具有滚动和爬行步态的单链式模块化自重构机器人

技术领域

本发明属于机器人技术领域，涉及模块化自重构机器人，为一种具有滚动和爬行步态的单链式模块化自重构机器人。

背景技术

模块化自重构机器人系统是由若干具有一定自治能力和感知能力的同构型或异构型机器人组成，各机器人之间具备统一的连接机构，通过机器人间的相互连接扩展运动形式。此类机器人具有如下的特点：1)自重构功能；2)自修复功能；3)功能可扩展性；4)自适应性强；5)高可靠性；6)良好的经济性。

模块化自重构机器人的运动能力、自由度数量以及模块质量等，都直接影响整个机器人系统的协调运动和作业能力。模块化自重构机器人主要分为3类：链状、晶体形和混合型。

目前已知的单链式模块化自重构机器人的设计中存在如下问题：1)手动连接，不符合自重构机器人的设计思想；2)自由度少，运动能力较低；3)运动方式单一；4)模块化系统机构复杂、成本高、不便普及和推广。

发明内容

本发明要解决的问题是：现有技术中，模块化自重构机器人存在运动方式单一、运动效率低的缺点，且自动化程度不能满足要求，机器人机构复杂、成本高、不便普及和推广。

本发明的技术方案为：一种具有滚动和爬行步态的单链式模块化自重构机器人，由至少一个单元模块构成，所述单元模块包括依次连接的前臂、伸缩臂和后臂；

前臂包括前臂U形框、前臂圆柱形外框、前臂翻转舵机、前臂舵机架、对接电机、对接齿轮和对接锥头，所述前臂U形框由两块侧板和一块底板组成，底板设有平行的两条边，两条边之间为圆弧连接，所述圆弧的延长线构成一个完整的圆，两块侧板对称设置在两个圆弧边上，底板中心设有圆孔，对接齿轮和对接锥头穿过所述圆孔固定连接，底板卡在对接锥头和对接齿轮之间；对接电机固定在前臂U形框内侧，对接电机的输出轴带动对接齿轮转动；前臂翻转舵机通过前臂舵机架固定在前臂圆柱形外框内，前臂U形框的两块侧板与前臂圆柱形外框的侧壁铰支连接，前臂翻转舵机的输出轴套接一输出盘，所述输出盘与一块侧板固定连接，前臂翻转舵机的电机轴与所述铰支连接的铰支点在同一直线上，构成第一俯仰关节；前臂圆柱形外框相对前臂U形框的另一侧设有凸台，凸台上固定有前臂旋转齿轮；

后臂包括后臂U形框、后臂圆柱形外框、后臂翻转舵机和后臂舵机架，所述后臂U形框与前臂U形框除底板中心圆孔外，其余部分结构一致，后臂U形框底板中心为对应对接锥头的卡接孔，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，两个单元模块连接时，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；后臂翻转舵机通过后臂舵机架固定在后臂圆柱形外框内，后臂U形框的两块侧板与后臂圆柱形外框的侧壁铰支连接，后臂翻转舵机的输出轴套接一输出盘，所述输出盘与一块侧板固定连接，后臂翻转舵机的电机轴与所述铰支连接的铰支点在同一直线上，构成第二俯仰关节；后臂圆柱形外框相对后臂U形框的另一侧设有凸台，凸台上固定有后臂旋转齿轮；

伸缩臂包括前伸缩块、后伸缩块、导杆、丝杆、丝杆螺母、伸缩齿轮和伸缩电机，所述前、后伸缩块包括圆柱形外壳、圆形盖、旋转电机、PCB电路板和轴承安装面，圆形盖与轴承安装面分别作为圆柱形外壳的两个底面，轴承安装面的中心设置轴承，所述前臂的凸台和后臂的凸台穿过轴承，前臂旋转齿轮和后臂旋转齿轮直径大于轴承内径，卡在轴承上，PCB电路板设置在圆柱形外壳内，旋转电机安装在PCB电路板上，前、后伸缩块旋转电机的输出轴分别与前臂旋转齿轮和后臂旋转齿轮啮合联动，构成2个旋转关节；两个圆形盖分别对应设有至少两个导杆孔、一个丝杆孔，圆形盖的导杆孔中穿过导杆实现两个圆形盖的轴向活动连接，至少一个丝杆孔上设置丝杆螺母，丝杆穿过丝杆螺母，伸缩电机设置在前、后伸缩块任一个的圆形盖上，并设置在伸缩块内部，丝杆对应伸缩电机的一端套接伸缩齿轮，伸缩电机的输出轴通过伸缩齿轮带动丝杆旋转，带动两个伸缩块沿着导杆平移，构成伸缩关节。

所述丝杆孔设置在圆形盖中心，两个圆形盖的丝杆孔，一个丝杆孔上设置丝杆螺母，一个设置丝杆轴承，丝杆穿过丝杆螺母和丝杆轴承。

作为优选方式，设有两个导杆，一个导杆一端与前伸缩块的圆形盖固定，另一端设置挡圈，防止脱出后伸缩块的导杆孔；另一导杆一端与后伸缩块的圆形盖固定，另一端设置挡圈，防止脱出前伸缩块的导杆孔。

本发明具有以下有益效果：一、模块化自重构机器人具备空间对称性，对接机构简单实用；二、具有两个俯仰关节、两个旋转关节以及一个伸缩关节，较多的自由度保证了机器人运动的灵活性；三、旋转关节和整体的圆柱形框架使得机器人具备轮式机器人的滚动运动方式，俯仰关节和伸缩关节使得机器人具备蠕虫式爬行运动方式；四、机构简单，易加工，适合大批量制造。

附图说明

图1是本发明的单个模块化自重构机器人立体图。

图2是本发明的前臂机构图。

图3是本发明的前臂舵机安装示意图。

图4是本发明的后臂机构图。

图5是本发明的后臂舵机安装示意图。

图6是本发明的伸缩臂外形机构图。

图7是本发明的伸缩臂与前臂的连接和旋转机构图。

图8是本发明的伸缩臂伸长机构右视图。

图9是本发明的伸缩臂伸长机构左视图。

图10是本发明的伸缩臂与后臂的连接和旋转机构图。

图11是本发明的单个模块化自重构机器人初始状态上视图。

图12是本发明的单个模块化自重构机器人伸缩臂伸长后上视图。

图13是本发明的对接机构左视图。

图14是本发明的对接机构右视图。

图15是本发明的对接机构分离状态示意图。

图16是本发明的2个模块化自重构机器人连接示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明作进一步详细说明。

本发明单链式模块化自重构机器人由至少一个单元模块构成，如图1所示，所述单元模块由依次连接的前臂1，伸缩臂2和后臂3构成，具有两个俯仰关节、两个旋转关节以及一个伸缩关节。

如图2所示，为前臂1的机构图。前臂1包括前臂U形框101、前臂圆柱形外框105、前臂翻转舵机103、前臂舵机架102、对接电机108、对接齿轮110和对接锥头111，所述前臂U形框101由两块侧板和一块底板组成，底板设有平行的两条边，两条边之间为圆弧连接，所述圆弧的延长线构成一个完整的圆，圆形用于滚动，爬行为蠕动式，所述平行的两条边用于接触地面保持机器人不会左右偏转，同时在滚动时保证机器人的平稳，控制滚动的距离。两块侧板对称设置在两个圆弧边上，底板中心设有圆孔，对接齿轮110和对接锥头111穿过所述圆孔固定连接，对接锥头111的直径大于所述圆孔直径，使得底板卡在对接锥头111和对接齿轮110之间；对接电机108固定在前臂U形框101内侧，对接电机108的输出轴带动对接齿轮110转动，从而驱动对接锥头111旋转；前臂翻转舵机103通过前臂舵机架102固定在前臂圆柱形外框105内，如图3，前臂U形框101的两块侧板与前臂圆柱形外框105的侧壁铰支连接，前臂翻转舵机103的输出轴套接一输出盘104，所述输出盘104与一块侧板固定连接，前臂翻转舵机103的电机轴与所述铰支连接的铰支点在同一直线上，构成第一俯仰关节；前臂圆柱形外框105相对前臂U形框101的另一侧设有凸台，凸台上固定有前臂旋转齿轮106；

如图4所示，为后臂3的机构图。后臂3包括后臂U形框303、后臂圆柱形外框301、后臂翻转舵机305和后臂舵机架304，所述后臂U形框303与前臂U形框101除底板中心圆孔外，其余部分结构一致，后臂U形框303底板中心为对应对接锥头111的卡接孔，作为模块化自重构机器人两个单元模块前后臂连接时的卡紧机构，对接锥头111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，两个单元模块连接时，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；后臂翻转舵机305通过后臂舵机架304固定在后臂圆柱形外框301内，如图5，后臂U形框303的两块侧板与后臂圆柱形外框301的侧壁铰支连接，后臂翻转舵机305的输出轴套接一输出盘，所述输出盘与一块侧板固定连接，后臂翻转舵机305的电机轴与所述铰支连接的铰支点在同一直线上，构成第二俯仰关节；后臂圆柱形外框301相对后臂U形框303的另一侧设有凸台，凸台上固定有后臂旋转齿轮307；

如图6所示，为伸缩臂2的机构图。伸缩臂2主要由前、后2个伸缩块组成，分别连接前臂1和后臂3。导杆202、205保证2个伸缩块只能够沿着它们的导向轴线移动，丝杆203作为伸缩臂2的伸缩驱动机构。所述前、后伸缩块包括圆柱形外壳、圆形盖、旋转电机、PCB电路板和轴承安装面，圆形盖与轴承安装面分别作为圆柱形外壳的两个底面，轴承安装面的中心设置轴承，所述前臂的凸台和后臂的凸台穿过轴承，前臂旋转齿轮和后臂旋转齿轮直径大于轴承内径，卡在轴承上，PCB电路板设置在圆柱形外壳内，旋转电机安装在PCB电路板上，前、后伸缩块旋转电机的输出轴分别与前臂旋转齿轮和后臂旋转齿轮啮合联动，构成2个旋转关节；两个圆形盖分别对应设有至少两个导杆孔、一个丝杆孔，圆形盖的导杆孔中穿过导杆实现两个圆形盖的轴向活动连接，丝杆孔上设置丝杆螺母，丝杆穿过丝杆螺母，伸缩电机设置在前、后伸缩块任一个的圆形盖上，并设置在伸缩块内部，丝杆对应伸缩电机的一端套接伸缩齿轮，伸缩电机的输出轴通过伸缩齿轮带动丝杆旋转，带动两个伸缩块沿着导杆平移，构成伸缩关节。

伸缩臂的具体机构如图7、图8、图9和图10所示。

如图7所示，为伸缩臂2与前臂1的连接和旋转机构图，PCB电路板206通过四个铜柱固定在伸缩臂2的圆柱形外壳201内，旋转电机207固定在PCB电路板206的安装孔上。圆柱形外壳201一侧的轴承安装面中心安装有轴承，前臂1的凸台穿过轴承，并如前文所述，前臂旋转齿轮106固定在前臂1的凸台上，前臂旋转齿轮106的直径大于轴承安装面上轴承的直径，以此将前臂1与伸缩臂2的前伸缩块连接在一起。旋转电机207输出轴的输出齿轮与前臂旋转齿轮106啮合传动，构成1个旋转关节。

如图8所示，为伸缩臂2的伸缩机构图。伸缩电机405通过电机架404固定在一个伸缩块的圆形盖402的内侧面，伸缩齿轮407固定在丝杆203的一端，伸缩齿轮407与伸缩电机405输出轴的齿轮403啮合传动，驱动丝杆旋转。丝杆从圆形盖402和另一伸缩块的圆形盖401内侧中心孔穿过，其中在圆形盖402中心孔安装有轴承，用于固定丝杆203位置，丝杆绕轴承轴线旋转。导杆205的一端通过四个固定孔固定在圆形盖401内侧，另外一端通过挡圈406，防止由于丝杆203伸缩过度而导致左右伸缩块脱节。而导杆202与205结构相同，区别在于固定的一端在圆形盖402的内侧面。

如图9所示，为对应图8的伸缩机构另一侧内部机构图，丝杆螺母409通过四个固定孔固定在圆形盖401的内侧面，丝杆203穿过丝杆螺母409。通过导杆203、205以及丝杆螺母409的共同作用使得前后伸缩块201、204沿轴向自由的伸缩。

如图10所示，为伸缩臂2与后臂3的连接和旋转机构图，结构与伸缩臂2与前臂1的连接和旋转机构完全相同。PCB电路板208通过四个铜柱固定在圆柱形外壳204的内侧面上，旋转电机209固定在PCB电路板208的安装孔上。圆柱形外壳204的轴承安装面中心安装有轴承，后臂3的凸台穿过所述轴承，并如前文所述，后臂旋转齿轮307固定在后臂3的凸台上，后臂旋转齿轮307的直径大于所述轴承直径，以此将后臂3与伸缩臂2连接在一起。旋转电机209输出轴的输出齿轮与后臂旋转齿轮307啮合传动，构成1个旋转关节。

如图11所示，为模块化自重构机器人初始状态下的上视图。

如图12所示，为模块化自重构机器人伸缩臂伸长之后的上视图。

如图13和图14所示，为2个模块化自重构机器人单元模块对接机构示意图，一个单元模块的前臂U形框502与另外一个单元模块的后臂U形框501对接，本发明两个单元模块对接时使用的是常见的卡齿插入卡槽，旋转后卡住的结构方式，例如图13所示，其中前臂U形框502的对接锥头带有三个扇形卡齿，每个扇形卡齿的一端具有挡壁，同时另一模块化自重构机器人的后臂U形框501其中心亦为带有三个扇形环缺口的卡孔，这样在两个模块化自重构机器人对接过程中，卡齿穿过对应的扇型环缺口，对接电机驱动对接锥头旋转，直至挡壁卡到扇型环缺口的边缘，旋转停止；或者对接锥头的卡齿不设挡壁，而在卡孔上设置挡片，卡齿完全穿过对应的扇型环缺口，对接电机驱动对接锥头旋转，直至卡齿遇到挡片，旋转停止；这两种方式都是为了防止对接锥头由于过度旋转而导致与卡孔脱离，如图13中所示，为对接机构的卡紧状态，这样对接锥头和卡孔扇形环缺口上的挡壁或挡片具有限位作用，通过控制对接电机的正反转来实现连接机构的卡紧和分离。

如图15所示，为2个模块化自重构机器人单元模块对接机构分离状态，对接锥头的扇形卡齿与卡孔的扇形环缺口位置对应，没有旋转卡紧，对接机构处于随时可分离状态。

如图16所示，为2个模块化自重构机器人的单链式组合后的立体图。

本发明的模块化自重构机器人可以通过控制前后臂的翻转舵机与伸缩臂的伸缩电机相互间地配合实现蠕虫式运动。同时由于前后臂与中间伸缩臂都有旋转电机构成的旋转关节，且前后臂外形均为圆形，通过控制旋转电机可以实现轮式机器人的运动方式，两端旋转电机的差分驱动也可以实现原地旋转、拐弯。，这样本发明的模块化自重构机器人在具备崎岖地形所需的蠕动式运动，还可以在平地上完成高效的轮式运动。

Claims (3)

1.一种具有滚动和爬行步态的单链式模块化自重构机器人，其特征是由至少一个单元模块构成，所述单元模块包括依次连接的前臂、伸缩臂和后臂；

前臂包括前臂U形框、前臂圆柱形外框、前臂翻转舵机、前臂舵机架、对接电机、对接齿轮和对接锥头，所述前臂U形框由两块侧板和一块底板组成，底板设有平行的两条边，两条边之间为圆弧连接，所述圆弧的延长线构成一个完整的圆，两块侧板对称设置在两个圆弧边上，底板中心设有圆孔，对接齿轮和对接锥头穿过所述圆孔固定连接，底板卡在对接锥头和对接齿轮之间；对接电机固定在前臂U形框内侧，对接电机的输出轴带动对接齿轮转动；前臂翻转舵机通过前臂舵机架固定在前臂圆柱形外框内，前臂U形框的两块侧板与前臂圆柱形外框的侧壁铰支连接，前臂翻转舵机的输出轴套接一输出盘，所述输出盘与一块侧板固定连接，前臂翻转舵机的电机轴与所述铰支连接的铰支点在同一直线上，构成第一俯仰关节；前臂圆柱形外框相对前臂U形框的另一侧设有凸台，凸台上固定有前臂旋转齿轮；

后臂包括后臂U形框、后臂圆柱形外框、后臂翻转舵机和后臂舵机架，所述后臂U形框与前臂U形框除底板中心圆孔外，其余部分结构一致，后臂U形框底板中心为对应对接锥头的卡接孔，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，两个单元模块连接时，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；后臂翻转舵机通过后臂舵机架固定在后臂圆柱形外框内，后臂U形框的两块侧板与后臂圆柱形外框的侧壁铰支连接，后臂翻转舵机的输出轴套接一输出盘，所述输出盘与一块侧板固定连接，后臂翻转舵机的电机轴与所述铰支连接的铰支点在同一直线上，构成第二俯仰关节；后臂圆柱形外框相对后臂U形框的另一侧设有凸台，凸台上固定有后臂旋转齿轮；

伸缩臂包括前伸缩块、后伸缩块、导杆、丝杆、丝杆螺母、伸缩齿轮和伸缩电机，所述前、后伸缩块包括圆柱形外壳、圆形盖、旋转电机、PCB电路板和轴承安装面，圆形盖与轴承安装面分别作为圆柱形外壳的两个底面，轴承安装面的中心设置轴承，所述前臂的凸台和后臂的凸台穿过轴承，前臂旋转齿轮和后臂旋转齿轮直径大于轴承内径，卡在轴承上，PCB电路板设置在圆柱形外壳内，旋转电机安装在PCB电路板上，前、后伸缩块旋转电机的输出轴分别与前臂旋转齿轮和后臂旋转齿轮啮合联动，构成2个旋转关节；两个圆形盖分别对应设有至少两个导杆孔、一个丝杆孔，圆形盖的导杆孔中穿过导杆实现两个圆形盖的轴向活动连接，至少一个丝杆孔上设置丝杆螺母，丝杆穿过丝杆螺母，伸缩电机设置在前、后伸缩块任一个的圆形盖上，并设置在伸缩块内部，丝杆对应伸缩电机的一端套接伸缩齿轮，伸缩电机的输出轴通过伸缩齿轮带动丝杆旋转，带动两个伸缩块沿着导杆平移，构成伸缩关节。

2.根据权利要求1所述的一种具有滚动和爬行步态的单链式模块化自重构机器人，其特征是所述丝杆孔设置在圆形盖中心，两个圆形盖的丝杆孔，一个丝杆孔上设置丝杆螺母，一个设置丝杆轴承，丝杆穿过丝杆螺母和丝杆轴承。

3.根据权利要求1所述的一种具有滚动和爬行步态的单链式模块化自重构机器人，其特征是设有两个导杆，一个导杆一端与前伸缩块的圆形盖固定，另一端设置挡圈，防止脱出后伸缩块的导杆孔；另一导杆一端与后伸缩块的圆形盖固定，另一端设置挡圈，防止脱出前伸缩块的导杆孔。

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