CN104786208A - 基于正四面体的自重构机器人的单元模块机构 - Google Patents
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Abstract
一种基于正四面体的自重构机器人的单元模块机构，该单元模块机构包括：四个互相固定连接的对接面机构，其中：四个对接面结构中至少一个为主动对接面机构，至少一个为被动对接面机构，其中：主动对接面机构上设有活动对接装置，被动对接面机构上设有与活动对接装置相接触的旋转装置。本发明还涉及一种自重构机器人，包括：两个以上上述单元模块机构，其中：单元模块机构之间通过活动对接装置实现连接，通过旋转装置实现相对转动。本发明每个单元可以提供一个或两个自由度，通过舵机精确控制角度，可以实现多种组合，提高了机器人系统的灵活性以及结构效率。
Description
技术领域
本发明涉及的是一种机器人领域的技术，具体是一种基于正四面体的自重构机器人的单元模块机构。
背景技术
自重构机器人是由多个相同的模块通过连接所组成的机器人系统，通过不同的连接方式组成不同的构型，从而满足对于不同环境和任务的需求，或是能够替换受损的模块，使得机器人能够继续正常工作。按照自重构机器人的拓扑结构可以将自重构机器人分为阵列式、串联式、混合式三类。阵列式机器人系统的特点是所有模块都处在规则的网格结构上，类似于晶体中原子的方位关系，比如上海交通大学费燕琼研制的网格自重构机器人；串联式自重构机器人，从拓扑结构上来看主要是树状结构，并不是为了填充平面或是空间，而是以某种构型实现特点的功能，比如Yim的PolyBot机器人系统。；混合式机器人则兼具有两者的特点，但其重构目标并不是填充空间或平面，而是形成一定构型去实现特定的任务，比如日本Satoshi Murata等人设计的M‐TRAN模块。
从自重构机器人的单元模块结构角度来看，阵列式和混合式自重构机器人的单元模块都是基于正六面体的。阵列或是复杂结构的形成都依靠正六面体的平面或空间累加。这使得自重构机器人在形成一些复杂结构时会受到限制，缺乏整体的运动能力。
经过对现有技术的检索发现，中国专利文献号CN104401415A公开(公告)日2015.03.11，公开了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。但该模块对接完成电机断电后，其钩爪结构并无自锁设计，有可能出现松动乃至脱落的情形。
发明内容
本发明针对现有自重构机器人在复杂构型构成、运动方面受到构型限制的问题，提出一种基于正四面体的自重构机器人的单元模块机构，其中每个单元可以提供一个或两个自由度，通过舵机精确控制角度，可以实现多种组合，提高了机器人系统的灵活性以及结构效率，可以实现许多现存自重构机器人所不能实现的的变形形式和运动方式。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明涉及一种基于正四面体的单元模块机构，包括：四个互相固定连接的对接面机构，其中：四个对接面结构中至少一个为主动对接面机构，至少一个为被动对接面机构，其中：主动对接面机构上设有活动对接装置，被动对接面机构上设有与活动对接装置相接触的旋转装置。
所述的活动对接装置包括：至少一组固定机构和与之相连的驱动机构，其中：驱动机构驱动固定机构与旋转装置连接或释放。
所述的固定机构优选为三组且径向均布，该固定机构通过驱动机构实现同时向圆心或圆周的运动，在对接完成后，固定机构处于运动的死点位置，利用死点实现了对接的自锁功能。
所述的旋转装置包括：连接基板和转动设置于其中的带有驱动机构的转盘，其中：驱动机构设置于转盘中心并驱动其在连接基板中旋转。
所述的驱动机构采用但不限于电机实现，该驱动机构的任意一端可采用但不限于与所述连接基板、其他旋转装置的驱动机构或主动对界面机构相连。
所述的对接面机构优选为六边形结构，使得互相连接后构成的正四面体的尖角为镂空，以避免干涉。
本发明涉及一种自重构机器人，包括两个以上上述单元模块机构，其中：单元模块机构之间通过活动对接装置实现连接，通过旋转装置实现相对转动。
技术效果
与现有技术相比，本发明的技术效果包括：
一、单元模块的对接和转动两个功能由不同的面实现，主动面负责对接，被动面负责旋转，降低了结构的复杂度；
二、模块可以提供一个或两个自由度，通过舵机精确控制角度，可以实现多种组合，提高了机器人系统的灵活性；
三、在对接完成后，连杆机构处于机构运动的死点位置，利用死点实现了对接的自锁功能；
四、机构整体结构简单，整体加工成本低，适合大批量制造。
附图说明
图1为本发明结构示意图；
图2为本发明中隐藏一个面后的部分示意图；
图3为本发明中主动对接机构示意图；
图4为本发明中被动对接机构示意图；
图5为两个单元模块对接示意图；
图6为六个模块串联连接示意图；
图7为六个模块闭环连接示意图；
图中：1连接基板、2角铁、3对接爪、4滑块、5电机固定板、6电机、7连杆、8大带轮、9传动带、10外侧连接基板、11内侧连接基板、12固定片、13舵机、14舵机舵盘、15铜柱、16合页、17舵机连接架、18小带轮、19转盘。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例1
如图1和图2所示，为本实施例的单元模块机构，包括：四个互相固定连接的对接面机构，其中：四个对接面结构中至少一个为主动对接面机构，至少一个为被动对接面机构，其中：主动对接面机构上设有活动对接装置，被动对接面机构上设有与活动对接装置相接触的旋转装置。
如图2所示，对接面机构之间通过合页16进行连接。
如图3所示，所述的活动对接装置包括：至少一组固定机构和与之相连的驱动机构，其中：驱动机构驱动固定机构与旋转装置连接或释放。
本实施例中的固定机构包括：角铁2、对接爪3和滑块4，驱动机构包括：电机固定板5、电机6、连杆7、大带轮8和传动带9，其中：主动对接面机构的大带轮8通过轴承固定在连接基板1上，电机固定板5通过铜柱15固定在连接基板1上，电机6固定在电机固定板5上，小带轮18与电机6输出轴相连，处于连接基板1和电机固定板5之间，小带轮18通过传动带9与大带轮8相连，角铁16与连接基板1连接，滑块4通过移动副可以在两个角铁16中间平移，滑块4的另外一端通过连杆7和大带轮8下突出的固定点相连，从而大带轮8的转动可转换为滑块4的平移，而对接爪3具有两个连接点，第一个与角铁16相连，第二个与滑块4相连，滑块4移动带动对接爪3绕第一个连接点旋转，从而实现对接爪的伸出和缩回，实现模块之间的连接与断开，在对接完成后，由于连杆7位于运动死点位置，从外部对对接爪3施力无法使其运动，只有当电机6驱动时可以进行运动，因此可以实现自锁功能。
如图2和图4所示，本实施例中的连接基板包括：外侧连接基板10、内侧连接基板和固定片12，驱动机构包括：舵机13和舵机舵盘14，其中：两个舵机13通过舵机连接架17相连，从而实现舵机13位置的固定，外侧连接基板10与内侧连接基板11相连，外侧连接基板10中间镂空的圆形大小较小，转盘19厚度与内侧连接基板11相同，一侧通过外侧连接基板10限制位置，另外一侧通过固定片12限制位置，转盘19通过舵机舵盘14与舵机13相连，舵机13转动即可带动转盘19转动，转盘19上有供对接爪3对接的卡槽。
如图5～图7所示，为本实施例涉及的自重构机器人，该机器人可以是两个上述单元模块机构对接，也可以是若干个单元模块机构串联，或是根据其主动对接面机构和被动对接面机构的设置对应连接，相同之处在于：单元模块机构之间通过活动对接装置实现连接，通过旋转装置实现相对转动。
工作时，电机6的旋转可以控制对接爪3的伸出和回收，对接后，舵机13的旋转可以带动转盘19旋转，由于对接爪3对接的是转盘19，因此舵机13转动可以实现两个单元模块之间的相对转动。
Claims (8)
1.一种基于正四面体的单元模块机构，其特征在于，包括：四个互相固定连接的对接面机构，其中：四个对接面结构中至少一个为主动对接面机构，至少一个为被动对接面机构，其中：主动对接面机构上设有活动对接装置，被动对接面机构上设有与活动对接装置相接触的旋转装置。
2.根据权利要求1所述的单元模块机构，其特征是，所述的活动对接装置包括：至少一组固定机构和与之相连的驱动机构，其中：驱动机构驱动固定机构与旋转装置连接或释放。
3.根据权利要求2所述的单元模块机构，其特征是，所述的固定机构为三组且径向均布，该固定机构通过驱动机构实现同时向圆心或圆周的运动。
4.根据权利要求2所述的单元模块机构，其特征是，在对接完成后，固定机构处于运动的死点位置，利用死点实现了对接的自锁功能。
5.根据权利要求1所述的单元模块机构，其特征是，所述的旋转装置包括：连接基板和转动设置于其中的带有驱动机构的转盘，其中：驱动机构设置于转盘中心并驱动其在连接基板中旋转。
6.根据权利要求1所述的单元模块机构，其特征是，所述的驱动机构采用电机实现。
7.根据上述任一权利要求所述的单元模块机构，其特征是，所述的对接面机构为六边形结构，使得互相连接后构成的正四面体的尖角为镂空，以避免干涉。
8.一种自重构机器人，其特征在于，包括两个以上如上述任一权利要求所述的单元模块机构，其中：单元模块机构之间通过活动对接装置实现连接，通过旋转装置实现相对转动。
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