CN104942790B - 一种微型软体模块化可重构机器人单元模块 - Google Patents

Abstract

一种机器人技术领域的微型软体模块化可重构机器人单元模块，包括：一个转向机构，一个驱动机构，一个支撑机构，一个主动连接机构和一个被动连接机构。其中转向机构包括：一个转向前面板、一个转向后面板、四根形状记忆合金(SMA)丝；驱动机构包括：一个驱动前面板、一个驱动后面板、一个直流电机、一个齿轮传动减速机构、一根蜗杆、一个月牙板、两根导柱和一个后盖。采用形状记忆合金作为机器人单元模块的转向驱动器，通过协调控制四根形状记忆合金丝可以实现转向机构伸缩或任意方向弯曲，使得机构能够到达工作空间内的大部分位置。单个模块能够在地面上灵活并且稳定地直行和转动，多个模块可以有规则的组装成机械蛇或机械臂。

Description

一种微型软体模块化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，具体是机器人领域的微型软体模块化可重构机器人。

技术背景

软体机器人可以模仿自然界中的软体动物，如章鱼、象鼻、蚯蚓等。由可承受大应变的柔软材料制成，具有无限多的自由度和连续变形能力。它可以在大范围内任意改变自身形状和尺寸，在侦察、探测、救援及医疗等领域具有广阔的应用前景。

软体机器人具有无限多自由度，所以其末端执行器能够到达工作空间内的任意一点。软体机器人对环境具有较好的适应性，通过被动变形实现与障碍物的相容；通过主动变形使机器人处于不同的形态并能实现复杂运动；机器人也可通过主动变形与被动变形相结合，穿过比自身常态尺寸小的缝隙，从而到达传统机器人或人类无法进入的狭小空间里。软体机器人可以用作新型医疗检测机器人，例如内窥镜等。它能随口腔、排泄腔的入口大小来变化，从而减少侵入性痛苦。若采用生物分解材料，软体机器人在完成任务后可被人体分解吸收。

美国塔夫茨大学的Huai-Ti Lin等人研制的GoQBot软体机器人(Soft-cuticlebiomechanics:A constitutive model of anisotropy for caterpillar integument,Journal ofTheoretical Biology,Volume 256,Issue 3,7February 2009,Pages 447-457)，具有和毛毛虫一样的滚动弹射能力。麻省理工学院、哈佛大学和韩国汉城国立大学的研究人员联合研发的Meshworm机器人(Design of the Shape Memory Alloy Coil Spring Actuator for the SoftDeformable Wheel Robot,9th URAI,26November 2012)，通过在聚合管周围环绕网格状形状记忆合金(Shape MemoryAlloy，SMA)模拟蚯蚓蠕动并能抵抗强大的冲击。利用特殊化学反应驱动的化学软体机器人，近年来成为研究热点。哈佛大学Wyss生物工程院的George M.Whitesides等在DARPA(美国国防部先进研究项目局)支持下开展了多种化学软体机器人工作(Applications of Microfluidics in Chemical Biology,Current Opinion inChemical Biology,Volume 10,Issue 6,December 2006,Pages 584-591)。日本早稻田大学Shingo Maeda等采用凝胶材料研制的仿生尺蠖(Self-oscillating gel as novel biomimeticmaterials,Journal of Controlled Release,Volume 14,Issue 3,16December 2009,Pages186-193)，利用Belousov-Zhabotinskii(B-Z)化学反应实现了周期性伸缩运动。

国内对软体机器人的研究报道较少，但一些仿生机器人已经具备了软体机器人的某些特征。上海交通大学的马建旭等人提出了一种适用于微小软管移动的仿蚯蚓蠕动式微机器人(仿蚯蚓蠕动微型机器人及控制系统，上海交通大学学报，1999年07期)，可在直径20mm的管道中蠕动前进，但受SMA冷却时间的限制，最大运动速度仅为15mm/min。2011年中国科学技术大学杨杰等设计了基于形状记忆合金驱动的软体机器人(具有多运动模式的可变形软体机器人研究，中国科学技术大学博士论文，2013)，具有滚动、爬行、蠕动三种运动形式，并引入了运动形式切换的思想。浙江大学刘伟庭等研制了基于SMA驱动、硅胶表皮的仿生蚯蚓(软体蠕动机器人系统之研究，浙江大学博士论文，2006)。哈尔滨工业大学付宜利等设计了基于SMA的自主导管导向机器人(形状记忆合金驱动导管机器人的运动控制研究，哈尔滨工业大学硕士论文，2009)。

在软体模块化机器人方面，瑞士联邦理工大学的Germann J等人于2011年设计了一种软体模块化机器人的连接机构(Stretchable electroadhesion for soft robots,IROS 2014,September 2014,Pages 3933-3938)，其基于电胶合技术，运用静电力连接模块。美国麻省理工学院的Sehyuk Yim等人于2012年设计了一种可变形磁力软体胶囊机器人(Magnetically Actuated Soft Capsule With the Multimodal Drug Release Function,IEEE/ASME Transactions on Mechatronics,Volume 18,Issue 4,March 2013)，其依靠外部磁场改变自身形状。

上海交通大学的费燕琼于2013年设计了一种模块化软体机器人(专利公开号：CN104924305A，国别：中国)，它由多个可变形的球形单元模块组成。根据各球形单元模块依次膨胀和收缩，可以改变机器人的尺寸，产生推动力，进而驱使机器人前进。

综上所述，软体机器人在技术上已取得了较大的进步，但在单元模块设计及单个模块独立运动研究仍有很大的发展空间。

发明内容

本发明目的是为了提高软体模块化机器人的柔性，提出一种新型软体模块化可重构机器人，使软体机器人在非结构作业环境中迅速适应环境后执行任务，而且多个模块可以重构出机械蛇和机械臂等构型来适应不同的环境。

本发明通过以下技术方案实现：

微型软体模块化可重构机器人单元模块，主要包括：一个转向机构，一个驱动机构，一个支撑机构，一个主动连接机构和一个被动连接机构；

机身整体为类长方体结构，所述的转向机构包括：一个转向前面板、一个转向后面板和四根形状记忆合金(SMA)丝，所述的形状记忆合金丝位于转向机构的四角，两端分别固定安装在转向前面板和转向后面板的孔内；所述的支撑机构位于转向机构的中央，包括一个弹簧和一个万向柱，所述弹簧的两端通过锁扣分别与转向机构的转向前面板和转向后面板固定连接，万向柱的两端分别与转向机构的转向前面板和转向后面板的中心孔配合固定连接；当形状记忆合金丝通电时，收缩的形状记忆合金丝带动转向前面板朝着相应方向倾斜，由于万向柱可以弯曲，支撑机构也相应弯曲，实现模块的旋转运动；当四根形状记忆合金丝同时通电收缩或舒张时，转向机构能够实现辅助后退或前进的功能，增大了直线运动行程；由于弹簧和万向柱具有韧性，使得它们不仅能够支撑整个结构，抵御自重引起的变形，而且有助于形状记忆合金丝恢复变形；

所述的驱动机构包括：一个驱动前面板、一个驱动后面板、一个直流电机、一个齿轮传动减速机构、一根蜗杆、一个月牙板、两根导柱和一个后盖；所述直流电机通过电机安装孔固定安装在驱动机构的驱动前面板和驱动后面板的偏下位置，这样设计有利于降低整个机构的重心，提高运动的稳定性；所述蜗杆位于电机上方，蜗杆两端分别与驱动前面板和驱动后面板上对应的孔配合转动连接；月牙板通过其上的螺纹孔与蜗杆配合连接，月牙板的两端各固定安装有一个导柱，导柱的另一端穿过驱动机构的驱动前面板并与转向机构的转向后面板配合固定连接；所述齿轮传动减速机构位于驱动后面板和后盖之间，由四个齿轮组成，实现减速传动；直流电机的输出轴带动齿轮传动机构驱动蜗杆旋转，与蜗杆配合的月牙板向前运动，经过导柱使得转向机构和驱动机构分离，当电机反向转动时，月牙板对应向后运动，使得转向机构和驱动机构结合，这样驱动机构实现了动力的传递和转向机构相对驱动机构的直线运动；这样的驱动结构设计充分利用空间，使得结构紧凑，实现了机构的微型化；

所述的主动连接机构设置在转向机构的转向前面板上，由四个扇形突起锁扣和一个销钉孔组成，四个扇形突起锁扣均匀地分布在转向机构的转向前面板上，销钉孔位于转向前面板正上方；

所述被动连接机构设置在驱动机构的后盖上，被动连接机构由四个扇形突起沟槽和四个销钉孔组成，四个扇形突起沟槽和销钉孔都对称地分布在驱动机构的后盖上，并且扇形突起沟槽与主动连接机构中的锁扣位置对应，销钉孔与主动连接机构中的销钉孔选择对应(主动连接机构和被动连接机构的位置可以对调互换)。

所述的转向机构采用形状记忆合金作为转向驱动器，通过协调地控制四根形状记忆合金丝，可实现转向机构伸缩或向任意方向弯曲，使得机构能够到达空间中的大部分位置。

所述的驱动机构采用可重构的设计，通过手动连接，多个模块可以重构出机械蛇和机械臂等构型。

由于被动连接机构上的沟槽和销钉孔是对称分布的，实现了主动连接机构在四个方向上都可以与被动连接机构连接，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。

所述的驱动机构采用齿轮组和蜗杆结合的减速方式，在小空间内实现了大减速比，使得机器人结构紧凑。

所述的驱动机构采用锁扣和沟槽的设计，这使得连接机构具有结构简单，操作简便，连接可靠的优点。

本发明单元模块之间的对接采用手动方式，将后一模块的主动连接机构对准前一模块的被动连接机构，然后旋转45°，使得锁扣与沟槽对接，再插上销钉，完成模块的对接；由于被动连接机构上的沟槽和销钉孔是对称分布的，这使得主动连接机构在四个方向上都可以与被动连接机构连接，扩充了模块之间的组合方式；这种对接机构具有结构简单，操作简便，连接可靠的优点；

所述的微型软体模块化可重构机器人单元模块共有3个自由度，分别为转向机构与驱动机构之间的直线运动自由度以及转向机构的左右和上下旋转的平面自由度，以满足机械蛇或机械臂等构型之间的变换。

本发明的优点和有益效果：

本发明最重要的特点就是单个模块具有柔韧性，可以实现单个模块在地面上灵活并且稳定地直行和转动，而且执行任务前多个模块可以各自或两两组合成机械蛇或机械臂到达目标位置，然后执行任务。

由于采用形状记忆合金作为转向驱动器，通过协调地控制四根形状记忆合金丝实现转向机构伸缩或向任意方向弯曲，使得机构能够到达空间中的大部分位置；

由于采用可重构的设计，通过手动连接，多个模块可以重构出机械蛇和机械臂等构型；

由于被动连接机构上的沟槽和销钉孔是对称分布的，实现了主动连接机构在四个方向上都可以与被动连接机构连接，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。

由于采用齿轮组和蜗杆结合的减速方式，在小空间内实现了大减速比，使得模块结构紧凑；

由于连接机构采用锁扣和沟槽的设计，这使得连接机构具有结构简单，操作简便，连接可靠的优点；

附图说明

图1是微型软体模块化可重构机器人单元模块的正侧面示意图；

图2是微型软体模块化可重构机器人单元模块的侧面示意图；

图3是转向前面板示意图；

图4是转向后面板示意图；

图5是支撑机构中的弹簧示意图；

图6是驱动前面板示意图；

图7是驱动机构中的月牙板示意图；

图8是驱动机构中的蜗杆示意图；

图9是驱动后面板示意图；

图10是驱动机构中的小齿轮示意图；

图11是驱动机构中的双排大齿轮示意图；

图12是驱动机构中的后盖示意图；

图13是单元模块运动时舒张状态示意图；

图14由三个单元模块组成的机械蛇示意图。

图中，1是转向机构中的转向前面板，中间的孔用于安装万向柱，四个拐角的孔用于安装形状记忆合金丝，1-1是主动连接机构中的一个锁扣，1-2是销钉孔，用于固定已连接的主动机构和被动机构；2是形状记忆合金丝；3是支撑机构中的弹簧；4是支撑机构中的万向柱，由柔性材料构成，可以向任意方向弯曲；5是转向机构中的转向后面板，中间的孔用于安装万向柱，四个拐角的孔用于安装形状记忆合金丝，两边的孔用于安装导柱，用来传递动力；6是驱动机构中的驱动前面板，上面的孔用于安装蜗杆，下面的大孔用于安装电机，两边的孔用于使导柱穿过；7是直流电机；8是导柱；9是蜗杆；10是月牙板；11是驱动机构中的驱动后面板，上面的孔用于安装蜗杆，下面的孔用于安装电机；12是驱动机构中的大齿轮；13是驱动机构中的后盖，13-1是被动连接机构中的一个沟槽，13-2是销钉孔，用于固定已连接的主动机构和被动机构。

具体实施方式

如图1、图2所示，该微型软体可重构机器人单元模块为一个20mm*20mm*55mm的长方体，所述的单元模块主要包括：一个转向机构，一个驱动机构，一个支撑机构，一个主动连接机构和一个被动连接机构。

本单元模块可以在直流电机7带动下实现转向机构与驱动机构之间的相对直线运动，如图13所示，为在图1基础上由直流电机7带动减速机构使转向机构相对驱动机构向前运动15mm所得。本模块可以在形状记忆合金丝2带动下实现整个机构的转向。

如图1、图3、图4所示的转向机构，包括：一个转向前面板1、一个转向后面板5、四根形状记忆合金(SMA)丝2；所述的形状记忆合金丝2位于转向机构的四个角落，两端分别固定安装在转向前面板1和转向后面板5的孔内，当形状记忆合金丝2通电时，收缩的形状记忆合金丝带动转向前面板1朝着相应方向倾斜，由于万向柱可以弯曲，支撑结构也相应弯曲，实现模块的旋转运动；当四根形状记忆合金丝2同时通电收缩或舒张时，转向机构可以实现辅助前进的功能，增大了直线运动行程；转向前面板1上设计有主动连接机构，可与另一模块的被动连接机构连接(主动连接机构和被动连接机构的位置可以对调互换)。

如图1和图6至图12所示的驱动机构，包括：一个驱动前面板6、一个驱动后面板11、一个直流电机7、一个齿轮传动减速机构、一根蜗杆9、一个月牙板10、两根导柱8和一个后盖13；其中齿轮传动减速机构位于驱动后面板11和后盖13之间，由四个齿轮组成，实现减速传动；通过驱动前、后面板的电机安装孔将直流电机7固定在驱动机构的驱动前面板6和驱动后面板11偏下位置，这样设计有利于降低整个机构的重心，提高运动的稳定性；蜗杆9位于电机上方的位置，两端分别与驱动前、后面板对应的孔配合转动连接；月牙板10位于电机上方，其中间的螺纹孔与蜗杆9配合连接，月牙板10的两端各固定安装有一个导柱8，导柱的另一端穿过驱动机构的驱动前面板6并与转向机构的转向后面板5配合固定连接；直流电机7的输出轴带动齿轮传动机构驱动蜗杆9旋转，与蜗杆9配合的月牙板10向前运动，经过导柱8使得转向机构和驱动机构分离，当直流电机反向转动时，月牙板10对应向后运动，使得转向机构和驱动机构结合，这样驱动机构实现了动力的传递和转向机构相对驱动机构的直线运动；这样的驱动结构设计充分利用空间，使得结构紧凑，实现了机构的微型化。

如图1所示的支撑机构，包括：一个弹簧3、一个万向柱4；弹簧3和万向柱4位于转向机构的中央，并且同轴；弹簧的两端通过锁扣分别与转向机构的前、后面板固定连接，万向柱4的两端分别与转向机构的前、后面板的中心孔配合固定连接，当形状记忆合金丝2收缩时，弹簧3和万向柱4朝着相应的方向弯曲，当四根形状记忆合金丝2同时收缩或舒张时，弹簧3和万向柱4也相应地收缩或舒张；由于弹簧3和万向柱4具有韧性，使得它们不仅能够支撑整个结构，抵御自重引起的变形，而且有助于形状记忆合金丝2恢复变形。

如图1所示，所述的主动连接机构设置在转向机构的转向前面板1上，主动连接机构由四个扇形突起锁扣1-1和一个销钉孔1-2组成，四个扇形突起锁扣1-1均匀地分布在转向机构的转向前面板1上，销钉孔1-2位于转向前面板1正上方。

如图2所示，所述的被动连接机构设置在驱动机构的后盖13上，被动连接机构由四个扇形突起沟槽13-1和四个销钉孔13-2组成，四个扇形突起沟槽13-1和销钉孔13-2都对称地分布在驱动机构的后盖13上，并且扇形突起沟槽13-1与主动连接机构中的锁扣1-1位置对应，销钉孔13-2与主动连接机构中的销钉孔1-2选择对应。

单元模块之间的对接采用手动方式，将后一模块的主动连接机构对准前一模块的被动机构，然后旋转45°，使得锁扣1-1与沟槽13-1对接，再插上销钉，完成模块的对接；由于被动连接机构上的沟槽13-1和销钉孔13-2是对称分布的，这使得主动连接机构在四个方向上都可以与被动连接机构连接，扩充了模块之间的组合方式；这种对接机构具有结构简单，操作简便，连接可靠的优点.

如图14所示，为三个可重构单元模块Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ组合成的机械蛇的工作过程，重构单元模块Ⅰ的被动连接机构与重构单元模块Ⅱ的主动连接机构相互连接，重构单元模块Ⅱ的被动连接机构与重构单元模块Ⅲ的主动连接机构相连接，在重构单元模块Ⅰ的转向机构前表面上可以安装视觉摄像头或钩爪(图中未画出)。在图14状态下，机器人处于寻找目标阶段，各个单元模块有独立的控制系统，通过各个单元模块的协调运动使机器人整体既可以做转向运动也可以做直线运动，以达到目标位置，当各个模块的转向机构水平弯曲时，机器人可从物体两侧进行拍摄或抓取，当各个模块的转向机构竖直向上弯曲时，机器人可从物体上方进行拍摄或抓取。通过协调运动，使得视觉摄像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 (1)

1.一种微型软体模块化可重构机器人单元模块，其特征在于该单元模块主要包括：一个转向机构，一个驱动机构，一个支撑机构，一个主动连接机构和一个被动连接机构；

机身整体为类长方体结构，所述的转向机构包括：一个转向前面板、一个转向后面板和四根形状记忆合金丝，所述的形状记忆合金丝位于转向机构的四角，两端分别固定安装在转向前面板和转向后面板的孔内；所述的支撑机构位于转向机构的中央，包括一个弹簧和一个万向柱，所述弹簧的两端通过锁扣分别与转向机构的转向前面板和转向后面板固定连接，万向柱的两端分别与转向机构的转向前面板和转向后面板的中心孔配合固定连接；当形状记忆合金丝通电时，收缩的形状记忆合金丝带动转向前面板朝着相应方向倾斜，由于万向柱可以弯曲，支撑机构也相应弯曲，实现模块的旋转运动；当四根形状记忆合金丝同时通电收缩或舒张时，转向机构能够实现辅助后退或前进的功能，增大了直线运动行程；由于弹簧和万向柱具有韧性，使得它们不仅能够支撑整个结构，抵御自重引起的变形，而且有助于形状记忆合金丝恢复变形；

所述的驱动机构包括：一个驱动前面板、一个驱动后面板、一个直流电机、一个齿轮传动减速机构、一根蜗杆、一个月牙板、两根导柱和一个后盖；所述直流电机通过电机安装孔固定安装在驱动机构的驱动前面板和驱动后面板的偏下位置，这样设计有利于降低整个机构的重心，提高运动的稳定性；所述蜗杆位于电机上方，蜗杆两端分别与驱动前面板和驱动后面板上对应的孔配合转动连接；月牙板通过其上的螺纹孔与蜗杆配合连接，月牙板的两端各固定安装有一个导柱，导柱的另一端穿过驱动机构的驱动前面板并与转向机构的转向后面板配合固定连接；所述齿轮传动减速机构位于驱动后面板和后盖之间，由四个齿轮组成，实现减速传动；直流电机的输出轴带动齿轮传动机构驱动蜗杆旋转，与蜗杆配合的月牙板向前运动，经过导柱使得转向机构和驱动机构分离，当电机反向转动时，月牙板对应向后运动，使得转向机构和驱动机构结合，这样驱动机构实现了动力的传递和转向机构相对驱动机构的直线运动；这样的驱动结构设计充分利用空间，使得结构紧凑，实现了机构的微型化；

所述的主动连接机构设置在转向机构的转向前面板上，由四个扇形突起锁扣和一个销钉孔组成，四个扇形突起锁扣均匀地分布在转向机构的转向前面板上，销钉孔位于转向前面板正上方；

所述被动连接机构设置在驱动机构的后盖上，被动连接机构由四个扇形突起沟槽和四个销钉孔组成，四个扇形突起沟槽和销钉孔都对称分布在驱动机构的后盖上，并且扇形突起沟槽与主动连接机构中的锁扣位置对应，销钉孔与主动连接机构中的销钉孔选择对应。