CN106272385B - 一种内外抓式自重构机器人及其单元模块 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种内外抓式自重构机器人单元模块，包括主模块、从模块，所述主模块、从模块的外形均为正三棱柱，主模块、从模块分别有两个连接面；其中：所述主模块包括内抓结构、外抓结构和主从连接结构，所述从模块包括内抓结构和外抓结构，所述主模块的内抓结构、外抓结构分别设置于所述主模块的两个连接面上，所述从模块的内抓机构、外抓结构分别设置于所述从模块的两个连接面上；所述主模块与从模块通过主从连接结构连接，所述主模块通过驱动主从连接结构使得与主模块相连的从模块做360°旋转。本发明根据不同的工作环境和任务进行自我组织变形，从而可以更好的解决未知而复杂的问题，同时也便于维修和更换。

Description

一种内外抓式自重构机器人及其单元模块

技术领域

本发明属于机器人技术领域，涉及到一种机械电子技术领域的装置，具体地，涉及一种内外抓式自重构机器人单元模块。

背景技术

随着科学技术的迅猛发展，尤其是计算机、微电子、人工智能等技术的飞速发展，各种不同用途的机器人相继诞生，机器人的应用领域和范围也不断扩大，如空间机器人、水下机器人、微机器人等。机器人的发展和广泛应用不仅带来了生产效率的大幅提高，而且使得传统的生产发生变革，对人类社会的生产活动产生了深远的影响。然而随着人类探索范围的逐渐加大，人们对机器人的性能提出了更高的要求，希望机器人能够进入更多的领域，比如核电站检修、深海探测、火星探索等。这些领域的工作环境往往是复杂未知的，常常伴随着危险，若研制开发一种具有多功能且可靠性强的单一结构的机器人是非常困难的，而且成本高昂，因此需要开发一种具有高度灵活性和适应性、功能多样性的机器人。

自重构模块化机器人是由多个基本模块单元组成的复杂系统，这些基本模块单元能够重新排列构成不同的结构从而适应不同的工作任务。它可以灵活地改变自身的形状，具有系统结构多样性、可扩展性、对环境的自适应性、容错性和自修复等突出优点。特别适合于环境未知、执行任务变化的场合，在解决复杂问题上具有广阔的应用前景和重大的研究意义。

阅读相关文献可知，近年来关于自重构机器人单元模块的设计有很多，例如丹麦南丹麦大学研制的ATRON模块机器人、美国的康奈尔大学研制的Molecubes模块机器人以及瑞士的洛桑理工学院研制的Roombots模块机器人等，但这些结构或存在对对接位置精度要求高，或存在不能灵活变形等不足，不能更好的发挥自重构机器人的优势。

发明内容

针对现有技术中的不足，本发明的目的是提供一种内外抓式自重构机器人单元模块，采用内外抓式对接结构以及模块化的思想，使得自重构机器人能根据不同的工作环境和任务进行自我组织变形，从而可以更好的解决未知而复杂的问题，同时也便于维修和更换。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术路线：

根据本发明第一方面，提供一种内外抓式自重构机器人单元模块，包括主模块、从模块，所述主模块、从模块的外形均为正三棱柱，主模块、从模块分别有两个连接面；其中：

所述主模块包括内抓结构、外抓结构和主从连接结构，所述从模块包括内抓结构和外抓结构，所述主模块的内抓结构、外抓结构分别设置于所述主模块的两个连接面上，所述从模块的内抓机构、外抓结构分别设置于所述从模块的两个连接面上；所述主模块与从模块通过主从连接结构连接，所述主模块通过驱动主从连接结构使得与主模块相连的从模块做360°旋转。

优选地，所述主模块的内抓结构与从模块的内抓结构的结构完全相同，主模块的外抓结构与从模块的外抓结构的结构完全相同。

优选地，所述内抓结构包括：内抓转动结构和内抓退回结构，所述内抓转动结构用于将内抓结构的转动传递给与之连接的下一个单元模块；所述内抓退回结构用于在外抓结构出现故障时将内抓结构收回，从而达到内抓结构与外抓结构的脱开实现内抓结构与外抓结构脱离的目的。

更优选地，所述内抓转动结构，包括：第一蜗轮蜗杆电机、第一蜗轮蜗杆电机支架、第一减速齿轮组、外轴结构、内抓侧板、外轴结构支架、内抓、内抓扭簧和第一连接销，其中：所述第一蜗轮蜗杆电机连接固定于蜗轮蜗杆电机支架上；所述第一蜗轮蜗杆电机支架与内抓侧板相连；所述第一减速齿轮组包含有啮合配合的第一小齿轮和第一大齿轮，第一小齿轮套在第一蜗轮蜗杆电机的输出轴上，在第一蜗轮蜗杆电机的输出轴末端套有深沟球轴承，该深沟球轴承可以在一侧挡住第一小齿轮，再加上第一蜗轮蜗杆电机的输出轴上固有的轴肩可以在另一侧挡住第一小齿轮，这样实现第一小齿轮的轴向限位；所述内抓侧板和外轴结构支架连接一起，并在内抓侧板和外轴结构支架的对应位置分别设置有一圆孔；所述外轴结构通过角接触球轴承放置于内抓侧板和外轴结构支架上的圆孔中，并通过平键与第一大齿轮连接传动；所述内抓与外轴结构通过第一连接销进行连接，并在内抓与第一连接销之间放置有内抓扭簧。

更优选地，所述内抓退回结构，包括：第一直流电机、第一直流电机支架、内抓曲柄、内抓连杆、内抓连杆与内轴连接装置、内轴结构，其中：第一直流电机固连在第一直流电机支架上；第一直流电机支架与内抓侧板连接；内抓曲柄固定于第一直流电机的输出轴上；内抓连杆的两端分别设置有一圆孔，内抓曲柄的圆柱轴穿入内抓连杆一端的圆孔中并限位；内抓连杆与内轴连接装置的圆柱轴穿入内抓连杆另一端的圆孔中并限位；内抓连杆与内轴连接装置的另一端与内轴结构相连，内轴结构套在所述内抓转动结构的外轴结构的内孔中。

更优选地，所述内抓曲柄的圆柱轴设有台阶，内抓曲柄的圆柱轴穿入内抓连杆一端的圆孔中后，在内抓连杆的两侧通过内抓曲柄的圆柱轴台阶并配合螺钉限位。

更优选地，所述内抓连杆与内轴连接装置的圆柱轴设有台阶，内抓连杆与内轴连接装置的圆柱轴穿入内抓连杆另一端的圆孔后，在内抓连杆的两侧通过内抓连杆与内轴连接装置的圆柱轴的台阶并配合螺钉限位。

优选地，所述外抓结构通过闭合和打开外抓完成单元模块之间对接和分离；包括：第二直流电机、第二直流电机支架、外抓曲柄、外抓连杆、套筒、外抓、外抓扭簧、外抓侧板、第二连接销，其中：第二直流电机与第二直流电机支架连接；第二直流电机支架与外抓侧板相连；第二直流电机的输出轴与外抓曲柄紧固；所述外抓连杆的两端分别设置有一圆孔；外抓曲柄的圆柱轴穿入外抓连杆一端的圆孔中并限位；套筒的末端圆柱轴穿入外抓连杆另一端的圆孔中并限位；外抓侧板上设有方孔，套筒的方形凸台穿过外抓侧板的方孔，外抓侧板的方孔作为导轨两者可以相互滑动；外抓通过第二连接销与外抓侧板连接，并在外抓与第二连接销中间放置外抓扭簧；外抓闭合并扣合在内抓结构上。

更优选地，所述外抓曲柄的圆柱轴设有台阶，外抓曲柄的圆柱轴穿入外抓连杆一端的圆孔中后，在外抓连杆的两侧通过外抓曲柄的圆柱轴的台阶并配合螺钉限位。

更优选地，所述套筒的末端圆柱轴设有台阶，套筒的末端圆柱轴穿入外抓连杆另一端的圆孔中后，在外抓连杆的两侧通过套筒的末端圆柱轴的台阶并配合螺钉限位。

优选地，所述外抓结构中的外抓上有外抓凸台一、外抓凸台二、外抓凹槽一和外抓凹槽二，对接时所述内抓结构中的内抓穿过外抓凹槽一，且内抓凸台与外抓凹槽二扣合，使得内抓凸台两侧有外抓凸台一和外抓凸台二阻挡，从而限制对接结构沿外轴结构轴线的移动，同时外抓扣合在内抓以及内轴结构上，实现了内抓结构将力矩传递给外抓结构，从而将内抓结构自身的转动传递给外抓结构进而传递给与之连接的单元模块。

优选地，所述主从连接结构包括：第二蜗轮蜗杆电机、第二蜗轮蜗杆电机支架、第二减速齿轮组、主轴支架、主轴、主从连接盘、主从侧板主部件、主从侧板从部件；其中：第二蜗轮蜗杆电机连接固定于第二蜗轮蜗杆电机支架上；第二蜗轮蜗杆电机支架与主从侧板主部件相连；第二减速齿轮组包括啮合配合的第二小齿轮和第二大齿轮，第二小齿轮套在第二蜗轮蜗杆电机的输出轴上，在第二蜗轮蜗杆电机的输出轴末端套有深沟球轴承，该深沟球轴承可以在一侧挡住第二小齿轮，再加上第二蜗轮蜗杆电机的输出轴上固有的轴肩可以在另一侧挡住第二小齿轮，这样实现第二小齿轮的轴向限位；主从侧板主部件和主轴支架连接一起，并在主从侧板主部件和主轴支架的对应位置分别设置有一圆孔；主轴通过角接触球轴承放置于主从侧板主部件和主轴支架的圆孔中，并通过平键与第二大齿轮连接传动；主轴的输出端与主从连接盘连接；主从连接盘与主从侧板从部件连接，并通过主轴上的螺母轴向限位；主、从模块的连接其实就是将主模块中主从连接结构中的主轴通过主从连接盘与从模块的主从侧板从部件连接。

更优选地，所述主轴的输出端为方形轴，主从连接盘上设有对应方形孔，主轴与主从连接盘之间方轴方孔连接。

根据本发明第二方面，提供一种由两个以上单元模块连接构成的内外抓式自重构机器人，两个以上单元模块之间对接时，各单元模块中的内抓结构与相邻单元模块的外抓结构配合连接，各单元模块中的外抓结构与相邻单元模块的内抓结构配合连接，外抓结构扣合在内抓结构上；所述内抓结构均能够绕其自身轴线360°旋转，从而带动与内抓结构连接的单元模块翻转，从而实现自重构机器人空间的变形。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

本发明采用内外抓式对接结构以及模块化的思想，使得自重构机器人能根据不同的工作环境和任务进行自我组织变形，从而可以更好的解决未知而复杂的问题，同时也便于维修和更换。

进一步的，本发明在设计过程中考虑到对接结构对对接位置的准确度的要求问题，外抓凹槽(包括外抓凹槽一和外抓凹槽二)宽度比内抓凸台的宽度大，所以对接结构具有一定的容错性；同时外抓是张开并扣合在内抓结构上的，所以对接更容易完成；同时传动结构使用蜗轮蜗杆电机使得单元模块在翻转过程中能够保持任意姿态，增加了变形的可靠性。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明一优选实施例的总体结构示意图，

图2-图4为本发明一优选实施例的内抓结构示意图，

图5、图6为本发明一优选实施例的外抓结构示意图，

图7为本发明一优选实施例的主从连接结构示意图，

图8为本发明一优选实施例的内抓的结构示意图，

图9为本发明一优选实施例的外抓的结构示意图，

图10发明一优选实施例的内外抓对接时的示意图，

图中：

主模块100，从模块200，内抓结构300，外抓结构400，主从连接结构500；

第一蜗轮蜗杆电机1，第一小齿轮2，第一大齿轮3，外轴结构4，内抓侧板5，蜗轮蜗杆电机支架6，外轴结构支架7，内抓8，内抓扭簧9，第一连接销10；第一直流电机11，内抓曲柄12，内抓连杆13，内抓连杆与内轴连接装置14，内轴结构15，第一直流电机支架16；

第二直流电机17，外抓曲柄18，外抓连杆19，套筒20，外抓21，外抓扭簧22，第二直流电机支架23，外抓侧板24，第二连接销25；

第二蜗轮蜗杆电机26，第二小齿轮27和第二大齿轮28，主轴支架29，第二蜗轮蜗杆电机支架30，主轴31，主从连接盘32，主从侧板主部件33，主从侧板从部件34；内抓凸台35，外抓凸台一36，外抓凸台二37，外抓凹槽一38，外抓凹槽二39。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

如图1所示，一种内外抓式自重构机器人单元模块，所述单元模块包括主模块100、从模块200，所述主模块100、从模块200的外形为正三棱柱；其中：

所述主模块100包括内抓结构300、外抓结构400和主从连接结构500，从模块200包括内抓结构300和外抓结构400。在一实施例中，所述主模块的内抓结构300与从模块的内抓结构300的结构完全相同，主模块的外抓结构400与从模块的外抓结构400的结构完全相同。

所述主模块100的内抓结构300、外抓结构400分别设置于所述主模块100的两个连接面上，所述从模块200的内抓机构300、外抓结构400分别设置于所述从模块200的两个连接面上；每个自重构机器人单元模块共有四个连接面，即主模块100的设置内抓结构300、外抓结构400的两个连接面，从模块200设置内抓结构300、外抓结构400的两个连接面，这四个连接面通过内抓结构300、外抓结构400可与相邻的自重构机器人单元模块相连。

所述主模块100与从模块200通过主从连接结构500连接，该连接位于所述主模块100、从模块200的另一面上。所述主模块100通过驱动主从连接结构500使得与主模块100相连的从模块200可做360°旋转。

一个单元模块中的主模块100、从模块200通过主从连接结构500连接，主模块100可以通过驱动主从连接结构500使得与其相连的从模块200做360°旋转；相邻单元模块之间通过各自的内抓结构300与其他模块的外抓结构400连接，由于内抓结构300也能绕自身轴线旋转360°，从而带动与内抓结构300连接的其他单元模块的翻转完成自重构机器人空间的变形。

如图2、3、4所示，作为一优选，所述内抓结构300包括：内抓转动结构和内抓退回结构；其中内抓转动结构主要负责通过相邻单元模块之间的内抓结构300、外抓结构400的对接将内抓转动结构的转动传递给下一个单元模块，内抓退回结构主要负责在外抓结构400出现故障无法打开时将内抓结构300收回从而达到内抓结构300、外抓结构400对接脱离的目的。

具体的，所述内抓转动结构，包括：第一蜗轮蜗杆电机1，第一减速齿轮组，外轴结构4，内抓侧板5，蜗轮蜗杆电机支架6，外轴结构支架7，内抓8，内抓扭簧9，第一连接销10，其中：第一蜗轮蜗杆电机1通过螺栓连接固定在蜗轮蜗杆电机支架6上；蜗轮蜗杆电机支架6通过螺栓与内抓侧板5相连固定；第一减速齿轮组包含有啮合配合的第一小齿轮2和第一大齿轮3，第一小齿轮2套在蜗轮蜗杆电机1的输出轴上，在第一蜗轮蜗杆电机1的输出轴末端套有深沟球轴承，该深沟球轴承可以在一侧挡住第一小齿轮2，再加上第一蜗轮蜗杆电机1的输出轴上固有的轴肩可以在另一侧挡住第一小齿轮2，这样实现第一小齿轮2的轴向限位；内抓侧板5和外轴结构支架7通过螺栓连接固定一起，并在内抓侧板5和外轴结构支架7的对应位置分别设置有一圆孔；外轴结构4通过角接触球轴承放置在内抓侧板5和外轴结构支架7的圆孔中，并通过平键与第一大齿轮3连接传动；内抓8与外轴结构4通过第一连接销10进行连接，其中内抓8和外轴结构4有对应的圆孔，第一连接销10穿入内抓8和外轴结构4的圆孔中，通过这样的方式可以让内抓8和外轴结构4连接到一起，并在内抓8、第一连接销10之间放置内抓扭簧9，内抓的结构示意图如图8所示，它在结构上有内抓凸台35，该内抓凸台35在对接完成状态时刚好放在外抓凹槽二39中。

内抓转动结构的工作的过程如下：第一蜗轮蜗杆电机1通过第一小齿轮2、第一大齿轮3所构成的齿轮组带动外轴结构4的转动，而内抓退回结构的内轴结构15套在外轴结构4内孔中，这样也带动内轴结构的同时转动。

所述内抓退回结构，包括：第一直流电机11，内抓曲柄12，内抓连杆13，内抓连杆与内轴连接装置14，内轴结构15，第一直流电机支架16，其中：第一直流电机11通过螺栓固连在第一直流电机支架16上，第一直流电机支架16通过螺栓与内抓转动结构中的内抓侧板5连接；内抓曲柄12通过螺钉固定在第一直流电机11的输出轴上；内抓连杆13的两端分别设置有一圆孔；内抓曲柄12的圆柱轴穿入内抓连杆13一端的圆孔中，且内抓连杆13的该端两侧通过内抓曲柄12轴的台阶和螺钉限位；内轴连接装置14的圆柱轴穿入内抓连杆13另一端的圆孔中，且内抓连杆13的该端两侧通过内抓连杆与内轴连接装置14轴的台阶和螺钉限位；内轴结构15上有外螺纹，内抓连杆与内轴连接装置14的另一端通过螺母以及螺母两侧的推力球轴承与内轴结构15相连，这样内轴结构15的转动与与其连接的曲柄滑块机构是脱离开的，这里的曲柄滑块机构指的是内抓曲柄12、内抓连杆13以及内抓连杆与内轴连接装置14，内轴结构的运动原理是曲柄滑块机构，内轴结构15可以在外轴结构4中滑行。

内抓退回结构工作过程如下：第一直流电机11通过内抓曲柄12和内抓连杆13带动内轴结构15沿外轴结构4内壁的直线往复运动，该过程应用了曲柄滑块机构原理，其中内轴曲柄12、内抓连杆13以及内抓连杆与内轴连接装置14共同构成了曲柄滑块机构。结合内抓转动结构，内抓退回结构主要是在相邻单元模块内、外抓结构对接外抓结构400出现故障时，内抓结构300通过内抓退回结构将内抓收回从而实现内抓与外抓连接的断开，实现过程是这样的：当外抓结构400无法打开时，第一直流电机11通过曲柄滑块机构带动内轴结构15收回，此时内抓一侧没了阻挡将会在扭簧的作用下向外轴结构4内部翻转，这样内抓从与其扣合的外抓中分开，内、外抓所形成的对接结构分离。其中内抓完成转动和退回所需要的部件都是以内抓侧板5为载体，部件都是直接或间接的与内抓侧板5相连，内抓转动和退回它们完成不同的运动，且内轴结构15是套在外轴结构4内孔中的。

如图5、6所示，所述外抓结构400通过闭合和打开外抓21完成单元模块之间对接和分离；包括：第二直流电机17，外抓曲柄18，外抓连杆19，套筒20，外抓21，外抓扭簧22，第二直流电机支架23，外抓侧板24，第二连接销25；其中：

第二直流电机17通过螺栓与第二直流电机支架23连接固定，第二直流电机支架23通过螺栓与外抓侧板24相连；第二直流电机17的输出轴通过螺钉与外抓曲柄18固连；外抓连杆19的两端分别设置有一圆孔；外抓曲柄18的圆柱轴穿入外抓连杆19一端的圆孔中，且外抓连杆19的该端两侧通过外抓曲柄18的圆柱轴的台阶和螺钉限位；套筒20的末端圆柱轴穿入外抓连杆19另一端的圆孔中，且外抓连杆19的该端两侧通过套筒20的末端圆柱轴的台阶和螺钉限位；套筒20的方形凸台穿过外抓侧板24的方孔，外抓侧板24的方孔作为导轨两者可以相互滑动；外抓21通过第二连接销25与外抓侧板24凸台上的圆孔连接，连接方式和内抓8与外轴结构4的连接是一样的，并在外抓21与第二连接销25中间放置外抓扭簧22，外抓的结构示意图如图9所示，它在结构上存在外抓凸台一36、外抓凸台二37、外抓凹槽一38和外抓凹槽二39，对接完成时内抓穿过外抓凹槽一38且内抓凸台35与外抓凹槽二39扣合，如图10所示，这样设计可达到以下目的：外抓凹槽二39与内抓凸台35的扣合使得内抓凸台35两侧有外抓凸台一36和外抓凸台二37阻挡，从而限制了对接结构沿外轴结构4轴线的移动，同时一个对接结构中4个外抓21扣合在内抓8以及内轴结构15上，也实现了内抓结构300可以将力矩传递给外抓结构400从而将内抓结构300自身的转动传递给外抓结构400进而传递给与之连接的模块；这样，当套筒20伸出时外抓21在套筒20的束缚下闭合，当套筒20收回时外抓21在外抓扭簧22的作用下张开。

外抓结构的工作过程如下：第二直流电机驱动17与其相连的外抓曲柄18从而带动外抓连杆19，而外抓连杆19与套筒20相连，所以通过第二直流电机17的正反转可以实现套筒20沿外抓侧板24方孔中直线往复运动，此过程应用了曲柄滑块机构原理，外抓曲柄18和外抓连杆19构成了曲柄滑块机构。当套筒20伸出时外抓21在套筒20的束缚下开始闭合，如果此时有相邻单元模块且已调整好对接位置，套筒20伸出推动外抓21闭合并扣合在相邻单元模块的内抓结构300上，当套筒20收回时，外抓21一侧缺少束缚，此时外抓21在外抓扭簧22的作用下向外侧翻转，这样外抓21打开，实现单元模块之间的分离。

如图7所示，所述主从连接结构500用于主模块100、从模块200之间的连接以及单元模块自身的变形；包括：第二蜗轮蜗杆电机26，主轴支架29，第二减速齿轮组，第二蜗轮蜗杆电机支架30，主轴31，主从连接盘32，主从侧板主部件33，主从侧板从部件34，其中：

第二蜗轮蜗杆电机26通过螺栓连接固定在第二蜗轮蜗杆电机支架30上；第二蜗轮蜗杆电机支架30通过螺栓与主从侧板主部件33相连；第二减速齿轮组包括啮合配合的第二小齿轮27和第二大齿轮28，第二小齿轮27套在第二蜗轮蜗杆电机26的输出轴上，在第二蜗轮蜗杆电机26的输出轴末端套有深沟球轴承，该深沟球轴承可以在一侧挡住第二小齿轮27，再加上第二蜗轮蜗杆电机26的输出轴上固有的轴肩在另一侧挡住第二小齿轮27，这样可以实现第二小齿轮27的轴向限位；主从侧板主部件33和主轴支架29通过螺栓连接固定一起，且主从侧板主部件33和主轴支架29的对应位置设置有一圆孔；主轴31的一端通过角接触球轴承放置在主从侧板主部件33和主轴支架29的圆孔中，并通过平键与第二大齿轮28连接传动；主轴31的输出端为方形轴，主从连接盘32上设有对应的方形孔，主轴31的输出端、主从连接盘32之间是方轴方孔连接；主从连接盘32与主从侧板从部件34通过螺栓连接固定，同时通过主轴31上的螺母来轴向限位。

主从连接结构500的工作过程如下：第二蜗轮蜗杆电机26通过第二小齿轮27、第二大齿轮28构成的齿轮组驱动主轴31转动，而主轴31通过主从连接盘32将自身的转动传递给主从侧板从部件34，主从侧板从部件34从属于从模块200的一部分，所以主从侧板从部件34的翻转也即是从模块200的翻转，这样主模块100通过主从连接结构驱动从模块200的翻转，实现单元模块自身的变形。

基于上述优选实施方式，上述内外抓式自重构机器人的单元模块，工作过程如下：

当主模块100中的第二蜗轮蜗杆电机26通过减速齿轮27、28驱动主轴31转动时，此时主模块100驱动从模块200进行翻转，从而实现了单个单元模块自身的变形；

内抓结构300的运动分为内抓转动结构的转动和内抓8的退回：当蜗轮蜗杆电机1通过减速齿轮2、3驱动外轴结构4时，实现了外轴结构4的整体转动；当第一直流电机11通过曲柄滑块机构带动内轴结构15沿外轴结构4中内壁滑行退回时，内抓8在内抓扭簧9的作用下向外轴结构4的内部翻转收回；

当外抓结构400中的第二直流电机17通过曲柄滑块机构驱动套筒20向外伸出时，外抓21在套筒20的束缚下闭合；当第二直流电机17通过曲柄滑块机构驱动套筒20向外抓结构400内部收回时，外抓21在外抓扭簧22的作用下向外侧翻转，外抓21打开；

通过内抓结构300和外抓结构400运动的描述可知对接过程如下：

正常情况下，当两个单元模块对接位置调整好之后，外抓结构400中第二直流电机17通过曲柄滑块机构驱动套筒20向外伸出时，外抓21在套筒20的束缚下闭合并扣合在内抓结构300的内抓8和内轴结构15上，此时单元模块间的对接完成；当外抓结构400中的第二直流电机17通过曲柄滑块机构驱动套筒20向外抓结构400内部收回时，外抓扭簧22的一个扭臂放在在外抓21内侧上另一个扭臂放在外抓侧板24上，此时外抓21一侧没了束缚，外抓21在外抓扭簧22的扭转弹力作用下向外侧翻转，外抓21打开，此时单元模块间的分离完成；当单元模块间处在连接状态下外抓结构400出现故障无法打开时，内抓结构300中的第一直流电机11通过曲柄滑块机构带动内轴结构15沿外轴结构4内壁滑行退回，由于内轴结构退回，内抓8的一侧没有挡住它的物体存在，内抓8在内抓扭簧9的作用下向外轴结构4内部翻转收回，对接分离；当然内抓结构300中的第一直流电机11通过曲柄滑块机构带动内轴结构15沿外轴结构4内壁向外滑行，内轴结构15在伸出过程中可以推出内抓8使内抓8张开，这样可使其保持对接前的状态。

在所述自重构机器人单元模块中：

(1)内抓扭簧9、外抓扭簧22的使用，减少了驱动动力的数量，同时也减轻了模块的重量；

(2)采用蜗轮蜗杆电机作为动力源，保证了模块在翻转过程中传动的自锁，从而使得模块能够在任何位置保持姿态；

(3)利用曲柄滑块机构的死点原理，保证了连接的可靠性；

(4)通过外抓的张合来实现模块之间的分离对接，同时外抓凹槽(外轴凹槽一和外抓凹槽二)宽度大于内抓凸台的宽度，使得对接具有一定容错性，在外抓结构出现故障了之后又可以通过内抓内翻使得对接脱开，保证了自重构机器人便于维修；该对接结构不仅对接方便快捷，而且连接可靠，使得自重构机器人单元模块能更好的完成拼接、替换和变形。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (8)

1.一种内外抓式自重构机器人单元模块，其特征在于，包括主模块、从模块，所述主模块、从模块的外形均为正三棱柱，主模块、从模块分别有两个连接面；其中：

所述主模块包括内抓结构、外抓结构和主从连接结构，所述从模块包括内抓结构和外抓结构，所述主模块的内抓结构、外抓结构分别设置于所述主模块的两个连接面上，所述从模块的内抓机构、外抓结构分别设置于所述从模块的两个连接面上；所述主模块与从模块通过主从连接结构连接，所述主模块通过驱动主从连接结构使得与主模块相连的从模块做360°旋转；

所述内抓结构包括：内抓转动结构和内抓退回结构，所述内抓转动结构用于将内抓结构的转动传递给与之连接的下一个单元模块；所述内抓退回结构用于在外抓结构出现故障时将内抓结构收回，从而达到内抓结构与外抓结构的脱开实现内抓结构与外抓结构脱离的目的；

所述内抓转动结构，包括：第一蜗轮蜗杆电机、第一蜗轮蜗杆电机支架、第一减速齿轮组、外轴结构、内抓侧板、外轴结构支架、内抓、内抓扭簧和第一连接销，其中：所述第一蜗轮蜗杆电机连接固定于第一 蜗轮蜗杆电机支架上；所述第一蜗轮蜗杆电机支架与内抓侧板相连；所述第一减速齿轮组包含有啮合配合的第一小齿轮和第一大齿轮，第一小齿轮套在第一蜗轮蜗杆电机的输出轴上，在第一蜗轮蜗杆电机的输出轴末端套有深沟球轴承，该深沟球轴承可以在一侧挡住第一小齿轮，再加上第一蜗轮蜗杆电机的输出轴上固有的轴肩可以在另一侧挡住第一小齿轮，这样实现第一小齿轮的轴向限位；所述内抓侧板和外轴结构支架连接一起，并在内抓侧板和外轴结构支架的对应位置分别设置有一圆孔；所述外轴结构通过角接触球轴承放置于内抓侧板和外轴结构支架上的圆孔中，并通过平键与第一大齿轮连接传动；所述内抓与外轴结构通过第一连接销进行连接，并在内抓与第一连接销之间放置有内抓扭簧。

2.根据权利要求1所述的内外抓式自重构机器人单元模块，其特征在于，所述主模块的内抓结构与从模块的内抓结构的结构完全相同，主模块的外抓结构与从模块的外抓结构的结构完全相同。

3.根据权利要求1所述的内外抓式自重构机器人单元模块，其特征在于，所述内抓退回结构，包括：第一直流电机、第一直流电机支架、内抓曲柄、内抓连杆、内抓连杆与内轴连接装置、内轴结构，其中：第一直流电机固连在第一直流电机支架上；第一直流电机支架与内抓侧板连接；内抓曲柄固定于第一直流电机的输出轴上；内抓连杆的两端分别设置有一圆孔，内抓曲柄的圆柱轴穿入内抓连杆一端的圆孔中并限位；内抓连杆与内轴连接装置的圆柱轴穿入内抓连杆另一端的圆孔中并限位；内抓连杆与内轴连接装置的另一端与内轴结构相连，内轴结构套在所述内抓转动结构的外轴结构的内孔中。

4.根据权利要求3所述的内外抓式自重构机器人单元模块，其特征在于，所述内抓曲柄的圆柱轴设有台阶，内抓曲柄的圆柱轴穿入内抓连杆一端的圆孔中后，在内抓连杆的两侧通过内抓曲柄的圆柱轴台阶并配合螺钉限位；

所述内抓连杆与内轴连接装置的圆柱轴设有台阶，内抓连杆与内轴连接装置的圆柱轴穿入内抓连杆另一端的圆孔后，在内抓连杆的两侧通过内抓连杆与内轴连接装置的圆柱轴的台阶并配合螺钉限位。

5.根据权利要求1-4任一项所述的内外抓式自重构机器人单元模块，其特征在于，所述外抓结构包括：第二直流电机、第二直流电机支架、外抓曲柄、外抓连杆、套筒、外抓、外抓扭簧、外抓侧板、第二连接销，其中：第二直流电机与第二直流电机支架连接；第二直流电机支架与外抓侧板相连；第二直流电机的输出轴与外抓曲柄紧固；所述外抓连杆的两端分别设置有一圆孔；外抓曲柄的圆柱轴穿入外抓连杆一端的圆孔中并限位；套筒的末端圆柱轴穿入外抓连杆另一端的圆孔中并限位；外抓侧板上设有方孔，套筒的方形凸台穿过外抓侧板的方孔，外抓侧板的方孔作为导轨两者可以相互滑动；外抓通过第二连接销与外抓侧板连接，并在外抓与第二连接销中间放置外抓扭簧，外抓闭合并扣合在内抓结构上。

6.根据权利要求5所述的内外抓式自重构机器人单元模块，其特征在于，所述外抓曲柄的圆柱轴设有台阶，外抓曲柄的圆柱轴穿入外抓连杆一端的圆孔中后，在外抓连杆的两侧通过外抓曲柄的圆柱轴的台阶并配合螺钉限位；

所述套筒的末端圆柱轴设有台阶，套筒的末端圆柱轴穿入外抓连杆另一端的圆孔中后，在外抓连杆的两侧通过套筒的末端圆柱轴的台阶并配合螺钉限位；

所述外抓结构中的外抓上有外抓凸台一、外抓凸台二、外抓凹槽一和外抓凹槽二，对接时所述内抓结构中的内抓穿过外抓凹槽一，且内抓凸台与外抓凹槽二扣合，使得内抓凸台两侧有外抓凸台一和外抓凸台二阻挡，从而限制对接结构沿外轴结构轴线的移动，同时外抓扣合在内抓以及内轴结构上，实现了内抓结构将力矩传递给外抓结构，从而将内抓结构自身的转动传递给外抓结构进而传递给与之连接的单元模块。

7.根据权利要求1-4任一项所述的内外抓式自重构机器人单元模块，其特征在于，所述主从连接结构用于主模块、从模块之间的连接以及单元模块自身的变形；包括：第二蜗轮蜗杆电机、第二蜗轮蜗杆电机支架、第二减速齿轮组、主轴支架、主轴、主从连接盘、主从侧板主部件、主从侧板从部件；其中：第二蜗轮蜗杆电机连接固定于第二蜗轮蜗杆电机支架上；第二蜗轮蜗杆电机支架与主从侧板主部件相连；第二减速齿轮组包括啮合配合的第二小齿轮和第二大齿轮，第二小齿轮套在第二蜗轮蜗杆电机的输出轴上，在第二蜗轮蜗杆电机的输出轴末端套有深沟球轴承，该深沟球轴承在一侧挡住第二小齿轮，第二蜗轮蜗杆电机的输出轴上固有的轴肩在另一侧挡住第二小齿轮，实现第二小齿轮的轴向限位；主从侧板主部件和主轴支架连接一起，并在主从侧板主部件和主轴支架的对应位置分别设置有一圆孔；主轴通过角接触球轴承放置于主从侧板主部件和主轴支架的圆孔中，并通过平键与第二大齿轮连接传动；主轴的输出端与主从连接盘连接；主从连接盘与主从侧板从部件连接，并通过主轴上的螺母轴向限位。

8.一种内外抓式自重构机器人，其特征在于：由两个以上权利要求1-7任一项所述单元模块连接构成，两个以上单元模块之间对接时，各单元模块中的内抓结构与相邻单元模块的外抓结构配合连接，各单元模块中的外抓结构与相邻单元模块的内抓结构配合连接，外抓结构扣合在内抓结构上；所述内抓结构均能够绕其自身轴线360°旋转，从而带动与内抓结构连接的单元模块翻转，实现自重构机器人空间的变形。

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