CN104401415A - 一种钩爪式可重构机器人单元模块 - Google Patents

Abstract

一种钩爪式可重构机器人单元模块，包括：一个外架，一个内架，一个转动底座组件，一个主动连接机构与三个被动连接机构,以及内外架连接组件。内架通过连接组件与外架连接，通过步进电机实现相对外架的转动。转动底座组件包括：转动底座基板、齿轮组、轴套、轴承和步进电机，其安装在外架上作为一个被动连接面，其能够绕中心轴自由旋转，实现机器人的转向运动；主动连接机构包括：四个钩爪、齿轮传动机构和直流电机及固定架，其安装在内架上，直流电机通过齿轮传动机构带动钩爪旋转，其中一个钩爪与其它的旋转方向相反可实现主被动面的对齐与连接。雌雄同体的连接面设计方法丰富了模块组合变形的方式，提高了模块化自重构机器人的工作能力。

Description

一种钩爪式可重构机器人单元模块

技术领域

 本发明属于机器人技术领域，具体为机器人领域的可重构机器人单元模块结构。

背景技术

可重构模块机器人是由一组具有相同接口的模块组成，模块间可传递力、运动、通信等，通过模块的连接断开操作组装成不同的构型满足不同任务的需要。与传统机器人相比更具有柔性，适应环境的能力更强，同时模块化设计可简化设计制造、缩短研发周期、降低研发成本、提高容错和自修复性，可应用于多种场合完成多种复杂的任务。

模块化机器人是机器人领域的一个重要分支，最早出现在上世纪70年代。根据机器人运动方式可分为晶格式机器人、链式机器人、移动式机器人、混合式机器人。近年来可重构机器人技术的发展使其在敏捷制造领域、极限环境中作业、灾难救援、军事领域、星球探测等方面均有良好的应用前景。目前国内外典型的可重构机器人单元模块如日本AIST研究院设计的M-TRAN，模块由两个 U 形块和一个连杆组成，兼顾晶格与链式的混合式机器人，具有很好的重构能力，由于单体模块自由度较少，运动能力低。南加利福尼亚大学沈为民等于 2004 年研制的一种新型混合式自重构机器人SuperBot，是在 M-TRAN 的基础上将连杆从中间分开增加了一个回转自由度，大大提高了模块运动的灵活度，但该模块采用手动连接，自动对接难度较大。UC Davis大学程辉教授于2010年研制出的iMobot，每个模块具有四个自由度，单个模块的运动功能比较强，但爬行运动时也有很多的局限性，如运动缓慢，对地面的要求比较高等。哈尔滨工业大学赵杰教授研制的Ubot钩爪式机器人，连接时钩爪伸出模块与被动模块连接，断开时钩爪缩进模块内部，不影响模块的运动，钩爪式设计既保证了模块连接的稳定性又不影响机器人的运动灵活性，但其结构比较复杂，研制成本较高，不便于普及和推广。 

综上所述，可重构模块化机器人在技术上已取得了较大的进步，但在模块间连接方式及成本控制方面仍是可重构模块化机器人结构设计的关键问题。      

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结构设计上存在的上述问题，提供一种钩爪式可重构机器人单元模块。

本发明单元模块结构的样式定型为长方体形状，具有空间对称性，能够完成多种链式变形的需要，其结构样式实际简单使用。

本发明通过以下技术方案实现

一种钩爪式可重构机器人单元模块，所述的单元模块主要包括：一个外U型架，一个U型内架，一个旋转底座组件，一个主动连接机构，三个被动连接机构；一个主轴翻转步进减速电机，一个底座旋转步进减速电机，以及由转动轴、轴承等零件组成的内外架连接组件；

机身整体为类长方体结构，内外U型架通过主轴翻转步进电机和内外架连接组件连接；旋转底座组件安装在外U型架底面外侧，底坐旋转步进减速电机安装在外U型架底面内侧用于驱动旋转底座组件转动；主动连接机构安装在内U型架底面内侧，三个被动连接机构分别设在外U型架两侧及旋转底座组件中的转动底座基板外表面；

其中，旋转底座组件包括：转动底座基板、一个旋转传动齿轮组、轴套、平面滚针轴承和底座旋转步进减速电机；转动底座基板与外U型架相对一侧的中部固定设置有一个底座轴，首先在外U型架底面外侧安装轴套，再将平面滚针轴承套在转动底座的底座轴上，底座轴的末端穿入外U型架内侧并与转动的大齿轮通过螺丝进行固定连接，使固定好的旋转底座基板与外U型架能够比较平滑的进行转动；底座旋转步进减速电机用螺钉固定在外U型架内侧上，旋转步进减速电机轴上安装与大齿轮啮合的传动齿轮构成旋转传动齿轮组，通过旋转传动齿轮组带动转动底座基板旋转，实现模块的旋转运动；转动底座基板上设有被动连接机构，可与主动连接机构连接；

主动连接机构包括：四个钩爪、齿轮传动机构和直流步进电机及其固定架；其中齿轮传动机构安装在U型內架底面上，直流步进电机通过电机固定架也固定在U型內架底面上，四个钩爪分别通过U型內架上设置的钩爪固定导向架来限制钩爪的转动跑偏的方向问题，使钩爪实现准确对接的作用；直流步进电机输出轴带动齿轮传动机构驱动四个钩爪向外转动并伸出模块U型内架的底面外侧以便进行连接动作，其中有三个钩爪的朝向及旋转方向是同一方向，另一个钩爪的朝向及旋转方向相对其他三个是反向，这样的钩爪结构设计在实现与其他模块正常对接时，同时也完成了两个连接面的位置姿态矫正的功能；主动连接机构在不工作时，通过直流电机的旋转使钩爪转动收回到U型內架底面的内侧固定的挡板位置，此时钩爪结构不工作，主动连接面变成被动连接面可以被其他模块进行连接，这种雌雄同体的连接面设计方法相当于增加了单元模块的一个不同连接面；

所述的主动连接机构中的齿轮传动机构包括：大锥齿轮、四个小锥齿轮、两个短连接轴、一个长连接轴、平面滚针轴承、轴套；其中大锥齿轮通过螺丝与U型内架进行链接，在大锥齿轮底面安装有一个平面滚针轴承，降低大锥齿轮与U型内架之间的摩擦；长连接轴通过轴套安装在U型内架上，在长连接轴上安装有一个与大锥齿轮啮合的小锥齿轮，长连接轴两端各安装一个钩爪，且钩爪的方向相同；两个短连接轴分别通过轴套固定在U型内架上，两个短连接轴同轴且与长连接轴垂直，两个短连接轴的一端分别安装一个与大锥齿轮啮合的小锥齿轮，两个短连接轴的另一端各安装一个钩爪，且钩爪的方向相反；直流步进电机输出轴通过其上安装的小锥齿轮来带动底面大锥齿轮转动，再由大锥齿轮带动其他三个小锥齿轮同向旋转，完成直流步进电机对钩爪的传动；各个轴上安装轴套既可以起到装配轴安装时起到宽松的作用，等轴安装好后也可以起到对轴的固定定位的作用；

三个被动连接机构分别设在外U型架两侧以及底部旋转底座组件中的旋转底座基板的外表面上，每个被动连接机构的外表面上设有八个与主动连接机构中的钩爪配合的长方形通孔，由于自动连接机构是钩爪式的连接方式，并且四个钩爪里有三个是同一方向运动，另一个钩爪是反向运动，所以八个长方形通孔呈两两对称式分为四组分布在被动连接机构连接面四周且与钩爪位置对应，使面与面之间能够在360度方向自由对接，扩充了模块之间的组合方式；被动连接机构连接面四周还开设有四个圆孔，圆孔内各安装一块定位磁铁，用于模块连接时连接面的精确定位；

内外架连接组件包括：在U型內架一侧的支架上带有凸台，转动轴安装在凸台的装配孔内，外U型架与之对应的位置同样设有一凸台，在该凸台的装配孔内安装有冲压轴承， 该冲压轴承套装在U型內架装配的转动轴上，使U型內架与外U型架两结构能够配合转动，提供U型内架相对外U型架的转动自由度，U型内架另一侧的支架上设有一大圆孔作为电机安装孔，外U型架对应位置有一方孔，外U型架内侧的方孔四周设置有凸墙围成的框架，该框架与U型内架上的大圆孔两者配合形成主轴翻转步进减速电机的电机架，主轴翻转步进减速电机从外U型架的外侧穿入外U型架内并连接固定到U型內架的电机安装大圆孔中，U型内架另一侧凸台上的装配孔套在翻转步进减速电机的轴颈上并固定，翻转步进减速电机底部与外U型架预留方孔固定，最终形成了与外U型架的转动自由度；

所述的钩爪式可重构机器人单元模块共有2个自由度，分别为内外架之间轴向±90°旋转自由度以及转动底座360°旋转的平面自由度，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的转动功能和新颖的对接机构以及丰富的连接面。使得多个模块可以灵活的组成多种构型完成不同的任务以适应不同的工作环境。

由于外U型架与内架的±90°旋转、旋转底座垂直于轴线的360°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，大大提高了机器人系统工作的灵活性。。

由于模块对接机构可自行矫正对接姿态且主动连接面的雌雄同体设计，丰富了模块组合变形的方式，提高了模块化自重组机器人的工作能力。

由于模块的旋转底座可360°连续旋转，大大提高了单个模块的扩展应用范围，比如可以作为360°连续旋转的工作台。

由于单元模块的结构简洁，降低了加工制造的成本，更加适合大规模生产应用。

 

附图说明

图1是钩爪式可重构机器人单元模块的轴测图；

图2是在图1基础上绕主轴旋转某一角度后的示意图；

图3是外U型架示意图；

图4是U型内架示意图；

图5是旋转底座组件装配示意图；

    图6是旋转底座组件中转动底板基板示意图；

图7是旋转底座垫片轴承示意图；

图8是主动连接机构示意图；

图9是主动连接机构中电机固定架结构示意图；

图10是主动连接机构中钩爪结构示意图；

图11、图12、图13是三个被动连接面示意图；

图14是主动连接面示意图；

图15是内外架连接件组部分展开示意图；

图16、图17是三个自重构单元模块组合成的摄像机器人工作过程示意图；

图18、图19、图20是七个单元模块采用蠕虫形式实现整体运动示意图。

图中，1是外U型架，2是U型内架，3是转动底板基板，4是主轴翻转步进减速电机，5是底座旋转步进减速电机，6是大齿轮，7是电机传动小齿轮，8是平面滚针轴承，9是钩爪，10是长传动轴，11是短传动轴，12大锥齿轮，13是主动小锥齿轮，14是被动小锥齿轮，15是电机固定架，16是步进电机，17是转动轴，18是冲压轴承，19是由19（1）和19（2）配合形成的电机支架，19（1）外U型架预留方孔，19（2）U型内架预留圆孔，20是固定螺钉，21是定位磁铁。

 

具体实施方式

如图1、图2所示，钩爪式可重构机器人单元模块，该钩爪式可重构机器人单元模块为一个100mm*100mm*112mm的长方体，包括一个外U型架1，一个U型内架2，一个转动底座基板3，一个主轴翻转步进减速电机4，底座旋转步进减速电机5，一个步进减速电机14，一个主动连接机构，三个被动连接面，一个内外架连接件组，即电机支架19、转动轴17和冲压轴承18。

    本单元模块可以在主轴翻转步进减速电机4带动下实现外U型架1与U型内架2之间相对旋转，最大角度为±90°，如图2所示，为在图1基础上主轴翻转步进减速电机4带动内架2绕外U型架1顺时针旋转所得。

如图5、图6、图7所示，所述的旋转底座组件机构包括：转动底板基板3、底座旋转步进减速电机5、大齿轮6、小齿轮7、垫片轴承8、固定螺钉20；其中转动底座基板与外U型架相对一侧的中部固定设置有一个底座轴，首先在外U型架底面外侧安装轴套，将外U型架1与转动底座基板3连接，在外U型架内侧先安装轴套，再将平面滚针轴承8套在转动底座基板3的底座轴上，将底座轴穿过外U型架的连接孔，最后将底座轴与转动的大齿轮6通过螺丝进行固定连接，再安装步进电机5与小齿轮7，然后将电机用螺钉20固定在外U型架内侧的指定位置上。

如图8、图9、图10所示，所述的主动连接机构包括：四个钩爪9、长传动轴10、两个短传动轴11、大锥齿轮12、一个主动小锥齿轮13、三个被动小锥齿轮14、电机固定架15、步进电机16；其中大锥齿轮12安装在U型内架2的底面上（见图2），三个被动小锥齿轮14分别安装在长传动轴10和两个短传动轴11上，两个短传动轴11和长传动轴10两端各有一个钩爪9；主动小锥齿轮13与大锥齿轮12啮合，通过固定在U型内架底面内侧的电机固定架15将步进电机16安装在U型内架2的底面上，电机16通过主动小锥齿轮13带动大锥齿轮12转动，从而带动被动小锥齿轮14驱动钩爪9运动，完成单元模块之间的连接与断开。

在钩爪的分布设置上，有三个钩爪的朝向及旋转方向是同一方向，最后一个钩爪相对其他三个是反向旋转，这样的钩爪结构设计在实现与其他模块正常对接时，同时也完成了两个连接面的位置姿态矫正的功能。此外连接机构在不工作时，通过直流电机的旋转使钩爪零件转动收回到固定的挡板位置，此时钩爪结构不工作，但是其主动连接面可以被其他模块进行连接，这种雌雄同体的连接面设计方法相当于增加了单元模块的一个连接面，丰富了模块组合变形的方式，提高了模块化自重组机器人的工作能力。

 

如图11、图12、图13所示，所述的三个被动连接面包括外U型架1的两个侧面和旋转底座组件中的转动底座基板3外表面，各个面上八个孔呈两两对称式分为四组分布在连接面四周且与钩爪位置对应，使面与面之间能够在360度方向自由对接，扩充了其模块之间的组合方式。连接面四周四个打好的圆孔是留给连接机构近距离连接时用以调整单元模块位姿的定位磁铁21，来实现连接面的精确定位需要。图14所示为主动连接面，当钩爪9在电机16驱动下收缩时，该面亦成为被动连接面，这种雌雄同体的连接面设计方法相当于增加了单元模块的一个连接面，丰富了模块组合变形的方式，提高了模块化自重组机器人的工作能力。

如图15所示，所述的内外架连接件组包括：由外U型架预留方孔19（1）和U型内架预留圆孔19（2）配合形成的电机支架19、转动轴17和冲压轴承18；其中U型內架2一侧的支架上带有凸台，将转动轴17装在凸台的装配孔内，外U型架1与之对应的位置同样有一凸台，将冲压轴承18安装在该凸台的装配孔内，将U型內架2装配到外U型架1的转动轴线上，使两结构能够配合转动，提供U型内架2相对外U型架1的转动自由度，U型内架2另一侧支架上有一大圆孔19（2），外U型架1对应位置有一方孔19（1），两者配合形成主轴翻转步进减速电机的电机支架19，最后将翻转大电机4从左侧穿过外U型架最终连接到內架的电机轴安装孔内，与电机支架19中外U型架预留方孔19（1）固定，U型内架另一侧的圆孔套在电动机的轴颈上并固定，形成了与外U型架的转动自由度。

   如图16、图17所示，为三个自重构单元模块A、B、C组合成的摄像机器人的工作过程，重构单元模块A的主动连接机构与重构单元模块C的底座被动连接面固定连接，重构单元模块B的主动连接机构与重构单元模块C的侧面被连接面相连接，在重构单元模块B的转动底座基板3顶面装鱼眼镜头（图中未画出）。在图16状态下，转动底座基板3带动鱼眼镜头绕重构模块B进行360°连续旋转，在图17状态下，重构模块B的U型内架2可绕外U型架1进行±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。

如图18、图19、图20所示，为七个自重构单元模块A、B、C、D、E、F、G组合成蠕虫形式进行整体移动过程，如图18所示状态下，重构模块G位置不动，模块A、B、C、D、E、F的U型内架2绕外U型架1依次转动一定角度，最终形成一个半梯形，如图19所示，当重构模块A落地后，A,位置不动，重构模块G与其余模块继续之前的转动，由模块B、C、D、E、F、G形成半梯形后，所有重构模块继续转动回复成直线型组合，如图20所示过程，此时整个组合沿A→G方向整体向前移动一格，即采用蠕虫形式实现整体运动。

Claims (1)

1.一种钩爪式可重构机器人单元模块，其特征在于所述的单元模块主要包括：一个外U型架，一个U型内架，一个旋转底座组件，一个主动连接机构，三个被动连接机构；一个主轴翻转步进减速电机，一个底座旋转步进减速电机，以及由转动轴、轴承组成的内外架连接组件；

机身整体为类长方体结构，内外U型架通过主轴翻转步进电机和内外架连接组件连接；旋转底座组件安装在外U型架底面外侧，底坐旋转步进减速电机安装在外U型架底面内侧用于驱动旋转底座组件转动；主动连接机构安装在内U型架底面内侧，三个被动连接机构分别设在外U型架两侧及旋转底座组件中的转动底座基板外表面；

其中，旋转底座组件包括：转动底座基板、一个旋转传动齿轮组、轴套、平面滚针轴承和底座旋转步进减速电机；转动底座基板与外U型架相对一侧的中部固定设置有一个底座轴，首先在外U型架底面外侧安装轴套，再将平面滚针轴承套在转动底座的底座轴上，底座轴的末端穿入外U型架内侧并与转动的大齿轮通过螺丝进行固定连接，使固定好的转动底座基板与外U型架能够比较平滑的进行转动；底座旋转步进减速电机用螺钉固定在外U型架内侧上，旋转步进减速电机轴上安装与大齿轮啮合的传动齿轮构成旋转传动齿轮组，通过旋转传动齿轮组带动转动底座基板旋转，实现模块的旋转运动；转动底座基板上设有被动连接机构，可与主动连接机构连接；

主动连接机构包括：四个钩爪、齿轮传动机构和直流步进电机及其固定架；其中齿轮传动机构安装在U型內架底面上，直流步进电机通过电机固定架也固定在U型內架底面上，四个钩爪分别通过U型內架上设置的钩爪固定导向架来限制钩爪的转动跑偏的方向问题，使钩爪实现准确对接的作用；直流步进电机输出轴带动齿轮传动机构驱动四个钩爪向外转动并伸出模块U型内架的底面外侧以便进行连接动作，其中有三个钩爪的朝向及旋转方向是同一方向，另一个钩爪的朝向及旋转方向相对其他三个是反向，这样的钩爪结构设计在实现与其他模块正常对接时，同时也完成了两个连接面的位置姿态矫正的功能；主动连接机构在不工作时，通过直流电机的旋转使钩爪转动收回到U型內架底面的内侧固定的挡板位置，此时钩爪结构不工作，主动连接面变成被动连接面能够被其他模块进行连接，这种雌雄同体的连接面设计方法相当于增加了单元模块的一个连接面；

所述的主动连接机构中的齿轮传动机构包括：大锥齿轮、四个小锥齿轮、两个短连接轴、一个长连接轴、平面滚针轴承、轴套；其中大锥齿轮通过螺丝与U型内架进行链接，在大锥齿轮底面安装有一个平面滚针轴承，降低大锥齿轮与U型内架之间的摩擦；长连接轴通过轴套安装在U型内架上，在长连接轴上安装有一个与大锥齿轮啮合的小锥齿轮，长连接轴两端各安装一个钩爪，且钩爪的方向相同；两个短连接轴分别通过轴套固定在U型内架上，两个短连接轴同轴且与长连接轴垂直，两个短连接轴的一端分别安装一个与大锥齿轮啮合的小锥齿轮，两个短连接轴的另一端各安装一个钩爪，且钩爪的方向相反；直流步进电机输出轴通过其上安装的小锥齿轮来带动底面大锥齿轮转动，再由大锥齿轮带动其他三个小锥齿轮同向旋转，完成直流步进电机对钩爪的传动；各个轴上安装轴套既可以起到装配轴安装时起到宽松的作用，且轴安装好后也能够起到对轴的固定定位的作用；

三个被动连接机构分别设在外U型架两侧以及底部旋转底座组件中的旋转底座基板的外表面上，每个被动连接机构的外表面上设有八个与主动连接机构中的钩爪配合的长方形通孔，由于自动连接机构是钩爪式的连接方式，并且四个钩爪里有三个是同一方向运动，另一个钩爪是反向运动，所以八个长方形通孔呈两两对称式分为四组分布在被动连接机构连接面四周且与钩爪位置对应，使面与面之间能够在360度方向自由对接，扩充了模块之间的组合方式；被动连接机构连接面四周还开设有四个圆孔，圆孔内各安装一块定位磁铁，用于模块连接时连接面的精确定位；

内外架连接组件包括：在U型內架一侧的支架上带有凸台，转动轴安装在凸台的装配孔内，外U型架与之对应的位置同样设有一凸台，在该凸台的装配孔内安装有冲压轴承， 该冲压轴承套装在U型內架装配的转动轴上，使U型內架与外U型架两结构能够配合转动，提供U型内架相对外U型架的转动自由度，U型内架另一侧的支架上设有一大圆孔作为电机安装孔，外U型架对应位置有一方孔，外U型架内侧的方孔四周设置有凸墙围成的框架，该框架与U型内架上的大圆孔两者配合形成主轴翻转步进减速电机的电机架，主轴翻转步进减速电机从外U型架的外侧穿入到外U型架预留方孔和U型內架的电机安装大圆孔中，U型内架另一侧凸台上的装配孔套在翻转步进减速电机的轴颈上并固定，翻转步进减速电机底部与外U型架预留方孔固定，最终形成了内外U型架的转动自由度；

    所述的钩爪式可重构机器人单元模块共有2个自由度，分别为内外架之间轴向±90°旋转自由度以及转动底座360°旋转的平面自由度，以满足不同构型之间的变换。