CN103332231B - 可移动模块化自重构机器人 - Google Patents

Abstract

一种机器人技术领域的可移动模块化自重构机器人，包括：U型外架、U型内架、电机架、电机、内架连轴件、主被动连接机构、驱动腿机构，主动连接机构包括：连接板、大齿轮、连接销、固定套、小齿轮、电机，连接板固定在U型内架底部，大齿轮通过固定套固定在连接板上，连接销安装在大齿轮沟槽内，通过沟槽实现往复运动，U型外架的一侧外侧与第一被动连接机构连接内侧通过内架连轴件与U型内架连接，另一侧通过第二被动连接机构与U型内架连接，电机架安装固定在此被动连接机构上，U型外架两侧通过与直流电机的固定连接实现与驱动腿的连接，使单个机器人实现前后和转向运动，U型外架底部通过步进电机与第三被动连接机构连接，提供旋转自由度。

Description

可移动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，具体是机器人领域的可移动模块化自重构机器人。

背景技术

自重构机器人是由多个基本模块通过相同的连接装置连接组成，通过调整模块之间的连接方式来调整机器人的构型，从而满足不同环境、不同任务的需求，或者是剔除受损模块，使机器人从受损状态中恢复过来。根据不同几何构型，自重构模块化机器人分为三类：晶格型、链式型和移动型。其中前两种构型机器人因自身结构不可分割，连接简单，因此单元模块缺乏移动能力而不能单独完成任务。移动型自重构机器人单元模块不仅可以组合连接一起构成所需构型，还可以分开独立完成特定任务。

在模块结构设计方面，M-TRAN是2000年由日本AIST研究院设计的一种由两个半圆柱体构成的机器人，采用钩孔连接实现模块间的连接和断开。模块由两个 U 形块和一个连杆组成，仅能实现±90°转动；模块具有三个主动和三个被动连接面，本身不具备三维空间的对称性。Yim 于 2004 年在美国施乐帕克研究中心(PARC) 研制的Polybot G3系列以及2009年在宾夕法尼亚大学研制的CKBot。模块均为单自由度结构、具有两个连接面、采用的锥孔式连接机构，通过记忆合金丝驱动连接机构内侧的转板卡旋入锥销上的环槽内以实现连接。SuperBot是由南加利福尼亚大学沈为民等在 NASA 的支持下于 2004 年研制的一种新型混合式自重构机器人，将 M-TRAN 的连杆从中间分开增加了一个回转自由度，相当于在两个U 形半块间形成了一个球面运动副，大大提高了模块运动的灵活度。目前该模块采用手动连接，连接机构尚处于研制中。类似的自重构机器人还有瑞士洛桑理工学院(EPFL)的 Billard 等人于 2009年的Roombots，UC Davis大学程辉教授于2010年研制出的iMobot等。

国内目前进行构形设计并研制样机的仅有上海交通大学费燕琼等于 2005 年研制的 M-Cube ，哈尔滨工业大学研制的Ubot，北京航空航天大学魏宏星等人于2010年研制的Sambot三类自重构机器人。M-Cube整个结构由铝合金材料制成，其内部机械传动装置较为复杂。Ubot由两个 L 形构件与中间一个直角轴连接而成，其两个自由度的实时运动范围互相受限，这将影响重构过程中的功能实现，也会增加控制及重构规划的复杂程度。Sambot可以独立运动，但在实际运动中若地面不平将使得轮子腾空，其单一模块独立运动将受到限制。

综上所述，自重构机器人在技术上已取得了较大的进步，但在连接机构和自主移动机构方面仍是模块化自重构机器人结构设计的两个关键技术。

发明内容

本发明目的是克服现有技术中模块化机器人单个模块设计上存在的上述问题，提供一种可移动模块化自重构机器人。本发明提供的可移动模块化自重构机器人通过驱动腿机构来实现单个模块的前后运动和转向运动，而在模块构型变换时，驱动腿不伸出单元模块整体外侧，使模块保持类正方体而不影响模块之间的重构。

本发明通过以下技术方案实现

所述的可移动模块化自重构机器人包括：一个U型外架，一个U型内架，一个电机架，5个电机，一个内架连轴件，一个主动连接机构，3个被动连接机构，两个驱动腿机构；

其中：所述的主动连接机构包括：连接基板、大齿轮、连接销组件、固定套、小齿轮、第一步进电机；其中连接基板通过螺栓固定在U型内架底部，大齿轮套在连接基板中心处的空心圆柱凸台上，固定套通过螺栓固定在连接基板上，约束了大齿轮沿圆柱凸台轴向的运动，连接销组件一端安装在大齿轮的正弦加速度曲线沟槽内，另一端插入到连接基板的圆柱凸台圆柱面上的导向孔内，第一步进电机固定在连接基板上，第一步进电机输出轴带动与大齿轮啮合的小齿轮转动，实现连接销组件按正弦加速度曲线在连接基板的圆柱面的导向孔内往复运动，完成模块之间的连接与断开。

所述的连接销组件包括：连接销、连接架、固定销、套筒、定位螺栓，其中连接销一端通过固定销固定在连接架内，另一端插入到连接基板的空心圆柱凸台圆柱面上的导向孔内，连接架另一端通过定位螺栓与套筒配合，连接销组件通过套筒与大齿轮的沟槽配合，定位螺栓约束了连接销组件中套筒的位置，使套筒仅能在大齿轮的正弦加速度曲线沟槽内移动，进而使得连接销组件仅能在大齿轮端面上平动，即连接销组件仅能在大齿轮带动下沿连接基板的圆柱凸台圆柱面上的导向孔往复运动，套筒减小了连接销组件在正弦沟槽内运动时的摩擦，提高传动效率，延长使用寿命。

所述的内架连轴件的一侧设置有一个连接盘，连接盘端面设有四个连接通孔，用于和U型内架一侧设置的螺纹孔固定连接，第一被动连接机构是一个阶梯轴，轴环上设有四个通孔，用于和U型外架一侧设置的螺纹孔固定连接，伸出U型外架外侧的轴用于模块之间的对接，第一被动连接机构的另一侧依次穿过U型外架、U型内架插入到内架连轴件连接盘端面沉孔内，提供U型内架相对U型外架的转动自由度，内架连轴件的另一侧端面设有Ｄ型孔，用于与第二步进电机输出轴的Ｄ型轴配合，电机架一侧通过螺钉固定安装第二步进电机，电机架另一侧与第二被动连接机构通过螺栓固定连接，U型内架另一侧的圆孔套在第二被动连接机构的轴颈上，形成了与U型外架的转动自由度，第二被动连接机构轴颈端面设有四个螺纹孔与U型外架通过螺钉固定连接，伸出U型外架外侧的轴用于模块之间的对接。

    所述的第三被动连接机构固定在U型外架底部的第三步进电机的输出轴上，第三步进电机与U型外架的底部固定连接，第三步进电机带动第三被动连接机构转动为模块化机器人提供旋转自由度，以满足空间构型之间变换的需要。

所述的两个驱动腿机构分别由驱动腿和直流减速电机组成，两个直流减速电机分别固定在U型外架左右两侧底部，电机输出轴的Ｄ型轴由U型外架左右两侧分别伸出并分别与驱动腿上的Ｄ型孔固定配合，直流减速电机的输出轴带动驱动腿旋转运动，当两个直流减速电机同向转动时单个模块做前后直线运动，当两个直流减速电机反向转动时，单个模块做转向运动。

所述的三个被动连接机构的外侧结构都有一个用于对接的阶梯轴，阶梯轴的一端轴环端面在对接时与所要连接的主动连接机构的主动连接面即U型内架顶面贴合，用于连接时的轴向定位；轴环伸出U型外架的宽度与驱动腿的厚度一致，给予驱动腿沿U型外架旋转的空间，使对接后不影响驱动腿的运动；阶梯轴轴段圆周面上有四个锥度孔用于与主动连接机构的连接销配合，在对接过程中，被动连接机构插入到与之对接的主动连接机构即U型内架内，主动连接结构的第一步进电机转动，带动连接销组件插入到被动连接机构的锥度孔内，实现模块之间的连接，轴段一侧设有锥度，该设计是为了方便对接，可以允许对接过程有定位误差。

所述的U型外架三个面各有四个红外发射传感器，红外发射传感器以90°分布在端面上，定位磁铁分布在红外发射传感器内侧，U型内架底侧以90°分布着红外接收传感器，同样定位磁铁分布在红外接收传感器内侧，用于模块之间连接时辅助定位。

所述的单个可移动模块化自重构机器人共有5个自由度，以满足不同构型之间的变换。

本发明的优点和有益效果：

本发明最重要的就是单个模块具有灵活性和可靠性非常好的移动功能。实现单个模块在地面上可靠直行和转动。使得执行任务前多个模块可以各自或两两组合到达目标位置，然后重构出所需构型完成任务。

由于U型外架与U型内架的±90°旋转第三被动连接机构的连续旋转及多种连接方式，使得多个模块的组合种类更多，用于多种不同的场合和完成各种复杂的任务。

由于单个模块采用驱动腿驱动模块移动，在移动过程中重心上下浮动更低，移动过程更稳。

由于多个模块可以采用驱动腿驱动模块移动，也可以采用各个模块U型外架与U型内架相对转动实现蠕虫运动或圆形滚动，所以在平地上为了更稳定采用驱动腿来实现整体移动，在高地不平的地面采用蠕虫或圆形方式实现整体移动，提高模块的灵活性和适应性。

由于模块的第三被动连接机构的连续旋转，大大提高了模块的扩展应用范围，比如可以作为360°连续旋转的摄像头云台。

附图说明

图1是可移动模块化自重构机器人的轴测图；

图2是在图1基础上U型内架绕U型外架旋转90°的示意图

图3是U型外架示意图；

图4是U型内架示意图；

图5是内架连轴件示意图；

    图6是主动连接机构示意图；

图7是主动连接机构中连接基板结构示意图；

图8是主动连接机构中大齿轮结构示意图；

图9是主动连接机构中连接销组件结构示意图；

图10、图11、图12是三个被动连接机构示意图；

图13是驱动腿示意图；

    图14、图15、图16、图17是三个自重构模块组合成的摄像机器人工作过程示意图。

图中，1是U型外架，2是U型内架，3是连接基板，4是第一步进电机，5是小齿轮，6是大齿轮，7是固定套，8是连接螺纹孔，9是连接销组件，10是电机架，11是内架连轴件，12是第一被动连接机构，13是第二被动连接机构，14是第三被动连接机构,15是第三步进电机，16是驱动腿，17是直流减速电机，18是第二步进电机，19是内架连轴件D型孔，20是内架连轴件连接通孔，21是内架连轴件连接盘，22是连接销，23是连接架，24是固定销，25是定位螺栓，26是套筒,27是红外发射传感器，28是定位磁铁，29是红外接收传感器。

具体实施方式

如图1、图2所示，可移动模块化自重构机器人，该可移动模块化自重构机器人为一个100*100*122的长方体，包括一个U型外架1，一个U型内架2，一个电机架10，一个第一步进电机4，一个第二步进电机18，一个第三步进电机15，两个直流电机17，一个内架连轴件11，一个主动连接机构，三个被动连接机构，即第一被动连接机构12、第二被动连接机构13、第三被动连接机构14，两个驱动腿16，可移动模块化自重构机器人的两个驱动腿16在直流电机17同向连续转动下，依靠与地面的摩擦，带动模块前后运动，两个驱动腿16在直流电机17反向连续转动下，依靠与地面的摩擦，带动模块转向运动。

    本模块可以在第二步进电机18带动下实现U型外架1与U型内架2之间相对旋转±90°，如图2所示，为在图1基础上第二步进电机18带动U型内架2绕U行外架1逆时针旋转90°所得。

如图6、图7、图8所示，所述的主动连接机构包括：连接基板3、大齿轮6、四个连接销组件9、固定套7、小齿轮5、第一步进电机4；其中连接基板3通过螺栓固定在U型内架2底部，大齿轮6套在连接基板3中心处的空心圆柱凸台上，固定套7通过螺栓固定在连接基板3上，约束了大齿轮6沿圆柱凸台轴向的运动，连接销组件9一端安装在大齿轮6的正弦加速度曲线沟槽内，另一端插入到连接基板3的空心圆柱凸台圆柱面上的导向孔内，第一步进电机4固定在连接基板3上，第一步进电机4输出轴带动与大齿轮6啮合的小齿轮5转动，实现连接销组件9按正弦加速度曲线在连接基板3的圆柱面的导向孔内往复运动，完成模块之间的连接与断开。

如图9所示，所述的连接销组件包括：连接销22、连接架23、固定销24、套筒26、定位螺栓25，其中连接销22一端通过固定销24固定在连接架23内，另一端插入到连接基板3的空心圆柱凸台圆柱面上的导向孔内，连接架23的另一端通过定位螺栓25与套筒26配合，连接销组件9通过套筒26与大齿轮6的沟槽配合，定位螺栓25约束了连接销组件9中套筒26的位置，使其仅能在大齿轮6的正弦加速度曲线沟槽内移动，进而使得连接销组件9仅能在大齿轮6端面上平动，连接销组件另一端受到连接基板3的圆柱凸台圆柱面上的导向孔约束，使得连接销组件9仅能在大齿轮6带动下沿连接基板3的导向孔往复运动，套筒减小了连接销组件在正弦沟槽内运动时的摩擦，提高传动效率，延长使用寿命。

如图5所示，所述的内架连轴件11的一侧设置有一个连接盘21，连接盘21端面设有四个连接通孔20，用与U型内架2一侧设置的螺纹孔固定连接，第一被动连接机构12是一个阶梯轴，轴环上设有四个通孔，用与U型外架1一侧设置的螺纹孔固定连接，伸出U型外架1外侧的轴用于模块之间的对接，第一被动连接机构另一侧依次穿过U型外架1、U型内架2插入到内架连轴件11连接盘21端面沉孔内，提供U型内架2相对U型外架1的转动自由度，内架连轴件11的另一侧端面设有Ｄ型孔19，用于与第二步进电机18输出轴的Ｄ型轴配合，电机架10一侧通过螺钉固定安装第二步进电机18，电机架另一侧与第二被动连接机构13通过螺栓固定连接，U型内架2另一侧的圆孔套在第二被动连接机构13的轴颈上，形成了与U型外架1的转动自由度，第二被动连接机构13轴颈端面设有四个螺纹孔与U型外架1通过螺钉固定连接，伸出U型外架1外侧的轴用于模块之间的对接。

    如图13所示，所述的两个驱动腿机构分别由驱动腿16和直流减速电机17组成，两个直流减速电机17分别固定在U型外架1左右两侧底部，直流减速电机17的输出轴带动驱动腿16运动，当两个直流减速电机17同向转动时单个模块做前后直线运动，当两个直流减速电机17反向转动时，单个模块做转向运动。。

    如图12所示，所述的第三被动连接机构14固定在U型外架1的底部第三步进电机15的输出轴上，第三步进电机15与U型外架1的底部固定连接，该电机带动第三被动连接机构14转动，为模块化机器人提供旋转自由度，以满足空间构型之间变换的需要。

如图10、图11、图12所示，所述的三个被动连接机构都有一个用于对接的阶梯轴，阶梯轴的一端台阶端面在对接时与所要连接的主动连接面即U型内架2顶面贴合，用于连接时的轴向定位；台阶的宽度与驱动腿16的厚度一致，给予驱动腿16沿U型外架1旋转的空间，使对接后不影响驱动腿16的运动；阶梯轴圆柱面上有四个与轴向垂直的锥度孔用于与主动连接机构的连接销组件9配合，在对接过程中，被动连接机构插入到与之对接的主动连接机构即U型内架2内，主动连接结构的第一步进电机4转动，带动连接销组件9插入到被动连接机构的锥度孔内，实现模块之间的连接，凸台外是锥度圆台，该设计是为了方便对接，可以允许对接过程有定位误差。

    如图3、图4所示，所述的U型外架1三个面各有四个红外发射传感器27，红外发射传感器27以90°分布在端面上，定位磁铁28分布在红外发射传感器27内侧，U型内架2底侧以90°分布着红外接收传感器29，同样定位磁铁28分布在红外接收传感器29的内侧，定位磁铁28用于模块之间连接时辅助定位。

如图14至图17所示，为三个自重构模块Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ组合成的摄像机器人的工作过程，重构模块Ⅰ的主动连接机构与重构模块Ⅱ的第一被动连接机构12固定连接，重构模块Ⅱ的主动连接机构与重构模块Ⅲ的第三被动连接机构14相连接，在重构模块Ⅲ的U型内架2顶面装鱼眼镜头（图中未画出）。在图14状态下，机器人处于寻找目标阶段，重构模块Ⅰ与重构模块Ⅲ的驱动腿16转动，可使机器人整体转向运动，重构模块Ⅱ与重构模块Ⅲ驱动腿16转动，可使机器人整体前进或后退运动，以达到目标位置附近，图15为准备摄像阶段，重构模块Ⅱ的U型内架2在第二步进电机带动下旋转90°，带动带有鱼眼镜头的重构模块Ⅲ立起，图16、图17为摄像阶段，重构模块Ⅲ的第三被动连接机构14可绕重构模块Ⅱ360°连续旋转，重构模块Ⅲ的U型内架2可绕U型外架1±90°旋转，使得鱼眼镜头可采集到空间任意位置的图像，以呈现未知环境的全面信息。

Claims (2)

1.一种可移动模块化自重构机器人，其特征在于所述的可移动模块化自重构机器人包括：一个U型外架，一个U型内架，5个电机，一个电机架，一个内架连轴件，一个主动连接机构，三个被动连接机构，两个驱动腿机构；

所述的主动连接机构包括：连接基板、大齿轮、连接销组件、固定套、小齿轮、第一步进电机；其中连接基板通过螺栓固定在U型内架底部，大齿轮套在连接基板中心处的空心圆柱凸台上，固定套通过螺栓固定在连接基板上，约束了大齿轮沿圆柱凸台轴向的运动，连接销组件一端安装在大齿轮的正弦加速度曲线沟槽内，另一端插入到连接基板的空心圆柱凸台圆柱面上的导向孔内，第一步进电机固定在连接基板上，第一步进电机输出轴带动与大齿轮啮合的小齿轮转动，实现连接销组件按正弦加速度曲线在连接基板的空心圆柱凸台圆柱面上的导向孔内往复运动，完成模块之间的连接与断开；

所述的连接销组件包括：连接销、连接架、固定销、套筒、定位螺栓，其中连接销一端通过固定销固定在连接架内，另一端插入到连接基板的空心圆柱凸台圆柱面上的导向孔内，连接架另一端通过定位螺栓与套筒配合，连接销组件通过套筒与大齿轮的沟槽配合，定位螺栓约束了连接销组件中套筒的位置，使套筒仅能在大齿轮的正弦加速度曲线沟槽内移动，进而使得连接销组件仅能在大齿轮端面上平动，进而使得连接销组件仅能在大齿轮带动下沿连接基板的空心圆柱凸台圆柱面上的导向孔往复运动，套筒减小了连接销组件在正弦沟槽内运动时的摩擦，提高传动效率，延长使用寿命；

所述的内架连轴件的一侧设置有一个连接盘，连接盘端面设有四个连接通孔，用于和U型内架一侧设置的螺纹孔固定连接，第一被动连接机构是一个阶梯轴，轴环上设有四个通孔，用于和U型外架一侧设置的螺纹孔固定连接，伸出U型外架外侧的结构用于模块之间的对接，第一被动连接机构的另一侧依次穿过U型外架、U型内架插入到内架连轴件连接盘端面沉孔内，提供U型内架相对U型外架的转动自由度，内架连轴件的另一侧端面设有D型孔，用于与第二步进电机输出轴的D型轴配合，电机架一侧通过螺钉固定安装第二步进电机，电机架另一侧与第二被动连接机构通过螺栓固定连接，U型内架另一侧的圆孔套在第二被动连接机构的轴颈上，形成了与U型外架的转动自由度，第二被动连接机构轴颈端面设有四个螺纹孔与U型外架通过螺钉固定连接，伸出U型外架外侧的结构用于模块之间的对接；

第三被动连接机构固定在U型外架底部的第三步进电机的输出轴上，第三步进电机与U型外架的底部固定连接，第三步进电机带动第三被动连接机构转动为模块化机器人提供旋转自由度，以满足空间构型之间变换的需要；

所述的两个驱动腿机构分别由驱动腿和直流减速电机组成，两个直流减速电机分别固定在U型外架左右两侧底部，电机输出轴的D型轴由U型外架左右两侧分别伸出并分别与驱动腿上的D型孔固定配合，直流减速电机的输出轴带动驱动腿旋转运动，当两个直流减速电机同向转动时单个模块做前后直线运动，当两个直流减速电机反向转动时，单个模块做转向运动。

2.根据权利要求1所述的可移动模块化自重构机器人，其特征在于所述的U型外架三个面各有四个红外发射传感器，红外发射传感器以90°分布在端面上，定位磁铁分布在红外发射传感器内侧，U型内架底侧以90°分布着红外接收传感器，同样定位磁铁分布在红外接收传感器内侧，用于模块之间连接时辅助定位。