CN107234608A - 一种欠驱动弹复性机器人模块 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种欠驱动弹复性机器人模块，包括主壳体、分别设置在主壳体左、右两端的第一对接单元及第二对接单元、设置在主壳体中并分别与第一对接单元、第二对接单元传动连接的第一驱动单元、第二驱动单元，第一对接单元的安装面与第二对接单元的安装面互相垂直，第一对接单元包括设置在主壳体背面的第一阴极接头、设置在主壳体底面的第一阳极接头；第二对接单元包括设置在主壳体顶面的第二阴极接头、设置在主壳体正面的第二阳极接头。与现有技术相比，本发明模块具有关节与接头一体的锁扣形对接机构，在实现弹复性的前提下，极大地简化了机械结构，并可以欠驱动，实现模块全驱动与欠驱动之间的自由转换，适用范围广。

Description

一种欠驱动弹复性机器人模块

技术领域

本发明属于机器人技术领域，涉及一种欠驱动弹复性机器人模块。

背景技术

弹复性是指系统部分受损后仍能恢复其原功能的特性，具有弹复性的机器人则被称作弹复性机器人。弹复性与自重构、自愈、自修复等概念相似。所不同的是，自重构机器人侧重于改变机器人自身的拓扑结构以适应多样化的任务；自愈机器人侧重的是用化学方法修复自身；自修复机器人侧重的是修复受损部件，并在修复过程中借用系统外部的资源。而弹复性机器人能在系统部分受损后恢复其原功能，自重构只是其中的一种修复手段，修复过程中不使用外部资源。

现有的自重构机器人几乎都是全驱动机器人，全驱动有利于机器人的控制，但也增加了机器人结构的复杂性，使得机器人冗余度过大。在实际的机器人运动过程中，有些运动是可以使用被动关节的，比如说人形机器人在落腿的过程中，实际上不需要主动驱动，利用重力驱动即可，这时腿部的关节就可以使用被动关节。在机器人中使用被动关节有利于降低机器人的结构复杂性，降低能耗。

在各种自重构机器人的接头设计中，除Catoms等少数机器人将接头同时作为对接机构和驱动机构外，几乎所有机器人的接头都只起到对接的作用。将接头同时作为对接机构和驱动机构有利于减少机器人驱动器的数量，简化机器人的结构。

授权公告号为CN102416626B的专利公开了一种模块化自重构机器人的单元模块，设有前臂、后臂以及位于前、后臂之间的中框，中框与前、后臂之间分别为传动连接，前、后臂均包括外框、内框，内框置于外框内，内框两侧壁与对应的外框两侧壁铰支点连接，构成两个俯仰关节，内框设有电机，电机输出轴通过齿轮与中框的齿轮啮合传动，构成两个轴向旋转关节，中框内设有电机，电机输出轴通过齿轮与设置的中心轴上的齿轮啮合传动，中心轴两端伸出中框并设有固定盘，构成纵向旋转关节。与上述专利公开的技术方案相比，本发明具有以下不同与优势：1)本发明单元模块结构简单，极大减轻了整个模块重量；2)本发明单元模块可以实现欠驱动，可以实现主动模块和被动模块之间的切换，同时可以节省能量；3)本发明单元模块采用锁扣式对接接头，组装对接方便快捷。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种能显著简化机械结构，并可以实现模块全驱动与欠驱动自由转换的欠驱动弹复性机器人模块。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种欠驱动弹复性机器人模块，该机器人模块包括主壳体、分别设置在主壳体左、右两端的第一对接单元及第二对接单元、设置在主壳体中并分别与第一对接单元、第二对接单元传动连接的第一驱动单元、第二驱动单元，所述的第一对接单元的安装面与第二对接单元的安装面互相垂直。

所述的第一对接单元包括设置在主壳体背面的第一阴极接头、设置在主壳体底面的第一阳极接头；

所述的第二对接单元包括设置在主壳体顶面的第二阴极接头、设置在主壳体正面的第二阳极接头；

所述的第一阴极接头的安装面与第二阴极接头的安装面互相垂直，所述的第一阳极接头的安装面与第二阳极接头的安装面互相垂直。

所述的第一阴极接头开设有第一锁孔，该第一锁孔中设有第一弹性垫片以及用于限制第一弹性垫片轴向移动的第一柔性弹性元件；

所述的第二阴极接头开设有第二锁孔，该第二锁孔中设有第二弹性垫片以及用于限制第二弹性垫片轴向移动的第二柔性弹性元件。

所述的第一锁孔中设有用于安装第一柔性弹性元件的第一卡槽，所述的第一柔性弹性元件缠绕固定在第一卡槽中，为第一弹性垫片提供轴向力；

所述的第二锁孔中设有用于安装第二柔性弹性元件的第二卡槽，所述的第二柔性弹性元件缠绕固定在第二卡槽中，为第二弹性垫片提供轴向力，可有效防止阳极接头松动脱落。

所述的第一柔性弹性元件与第二柔性弹性元件为橡皮筋。

所述的第一阴极接头由外向内依次分为第一自由转动层、第一锁紧层及第一过渡层；

所述的第二阴极接头由外向内依次分为第二自由转动层、第二锁紧层及第二过渡层。

所述的第一阳极接头、第二阳极接头均为圆柱形接头，并且第一阳极接头、第二阳极接头上均设有一对向外凸起的定位耳。

所述的主壳体上与第一阴极接头、第二阴极接头相连接的位置处开设有与圆柱形接头及定位耳相适配的镂空对接槽。

所述的第一驱动单元包括沿第一阳极接头的轴线设置并与第一阳极接头固定连接的第一传动轴、设置在第一传动轴上的第一直齿轮、与第一直齿轮相啮合的第一冠齿轮以及第一驱动电机，所述的第一冠齿轮固定在第一驱动电机的电机轴上，在工作状态下，所述的第一阳极接头在第一驱动电机的驱动下做360°旋转；

所述的第二驱动单元包括沿第二阳极接头的轴线设置并与第二阳极接头固定连接的第二传动轴、设置在第二传动轴上的第二直齿轮、与第二直齿轮相啮合的第二冠齿轮以及第二驱动电机，所述的第二冠齿轮固定在第二驱动电机的电机轴上，在工作状态下，所述的第二阳极接头在第二驱动电机的驱动下做360°旋转。

所述的第一传动轴通过第一连接器与主壳体固定连接，并且第一传动轴上还设有与第一连接器配合使用的第一电位器；

所述的第二传动轴通过第二连接器与主壳体固定连接，并且第二传动轴上还设有与第二连接器配合使用的第二电位器。

本发明欠驱动弹复性机器人模块中，第一阳极接头、第二阳极接头均为圆柱形接头，以便于在相应的阴极接头中旋转，并且圆柱形接头上还设有一对向外凸起的定位耳，便于锁紧。

本发明中，所述的第一驱动电机、第二驱动电机可以选自直流减速电机。

而在阴极接头的结构设计中，以第一阴极接头为例，第一阴极接头由外向内依次分为第一自由转动层、第一锁紧层及第一过渡层。在实际使用时，另一个机器人模块中的第一阳极接头或第二阳极接头上的定位耳可在第一阴极接头的第一自由转动层中自由转动，这就使得两接头之间没有旋转力矩传递，即形成了被动关节。而将另一个机器人模块中的第一阳极接头或第二阳极接头的定位耳插设入第一阴极接头的第一锁紧层后锁紧，两接头之间可传递旋转力矩，即为主动关节，自锁驱动系统后该关节就成为了固定关节。第一阴极接头的第一锁紧层中设有多个对接头定位槽，可实现固定关节的多角度固定。在实际对接时，将另一个机器人模块中的第一阳极接头或第二阳极接头先直接插设至第一阴极接头的第一过渡层中，阳极接头在第一过渡层中可以自由旋转，因此，头可通过旋转阳极接头，使阳极接头上的定位耳对准第一锁紧层中的对接头定位槽，随后反向拉回，使得阳极接头上的定位耳返回至第一锁紧层中完成对接。对于固定关节，切换固接角度时，需先将阳极接头的定位耳推离第一锁紧层，使其进入在第一过渡层中，在第一过渡层中旋转选择新的连接角度(即选择新的对接头定位槽)，然后再反向拉回至第一锁紧层中，即完成固接。阳极接头插入脱离通道给阳极接头提供对接通道。

与现有技术相比，本发明模块具有一种关节与接头一体的锁扣形对接机构，在实现弹复性的前提下，极大地简化了机械结构，并可以欠驱动，实现模块全驱动与欠驱动之间的自由转换，模块灵活性高，组装对接方便快捷，适用范围广，具有很好的应用前景。

附图说明

图1为本发明弹复性单元模块结构示意图；

图2为本发明弹复性单元模块端面示意图；

图3为本发明第一阴极接头结构示意图；

图4为主壳体与第一阴极接头的装配结构示意图；

图5为本发明单元模块对接过程完成前示意图；

图6为本发明单元模块对接过程完成后示意图；

图7为第一驱动电机的电机固定支座结构示意图；

图8为第一阳极接头结构示意图；

图9为第一锁孔结构示意图；

图10为第一弹性垫片结构示意图。

图中标记说明：

1—主壳体、2—第一连接器、3—第一电位器、4—第一阴极接头、401—第一锁孔、402—第一弹性垫片、403—第一柔性弹性元件、a—第一自由转动层、b—第一锁紧层、c—第一过渡层、5—第一传动轴、6—第一直齿轮、7—第一冠齿轮、8—第一阳极接头、81—定位耳、9—第一驱动电机、10—第二阳极接头、11—第二直齿轮、12—第二阴极接头、13—第二电位器、14—第二冠齿轮、15—第二驱动电机、16—电机固定支座、17—镂空对接槽。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例：

如图1-2所示，一种欠驱动弹复性机器人模块，该机器人模块包括主壳体1、分别设置在主壳体1左、右两端的第一对接单元及第二对接单元、设置在主壳体1中并分别与第一对接单元、第二对接单元传动连接的第一驱动单元、第二驱动单元，第一对接单元的安装面与第二对接单元的安装面互相垂直。

其中，第一对接单元包括设置在主壳体1背面的第一阴极接头4、设置在主壳体1底面的第一阳极接头8；第二对接单元包括设置在主壳体1顶面的第二阴极接头12、设置在主壳体1正面的第二阳极接头10；第一阴极接头4的安装面与第二阴极接头12的安装面互相垂直，第一阳极接头8的安装面与第二阳极接头10的安装面互相垂直。

如图3所示，第一阴极接头4开设有第一锁孔401(如图9所示)，该第一锁孔401中设有第一弹性垫片402(如图10所示)以及用于限制第一弹性垫片402轴向移动的第一柔性弹性元件403；第二阴极接头12开设有第二锁孔，该第二锁孔中设有第二弹性垫片以及用于限制第二弹性垫片轴向移动的第二柔性弹性元件。

第一锁孔401中设有用于安装第一柔性弹性元件403的第一卡槽，第一柔性弹性元件403缠绕固定在第一卡槽中，为第一弹性垫片402提供轴向力；第二锁孔中设有用于安装第二柔性弹性元件的第二卡槽，第二柔性弹性元件缠绕固定在第二卡槽中，为第二弹性垫片提供轴向力。第一柔性弹性元件403与第二柔性弹性元件为橡皮筋。第一阴极接头4由外向内依次分为第一自由转动层a、第一锁紧层b及第一过渡层c，如图4所示；第二阴极接头由外向内依次分为第二自由转动层、第二锁紧层及第二过渡层。

第一阳极接头8、第二阳极接头10均为圆柱形接头，并且第一阳极接头8、第二阳极接头10上均设有一对向外凸起的定位耳81，如图8所示。

主壳体1上与第一阴极接头4、第二阴极接头12相连接的位置处开设有与圆柱形接头及定位耳81相适配的镂空对接槽17。

第一驱动单元包括沿第一阳极接头8的轴线设置并与第一阳极接头8固定连接的第一传动轴5、设置在第一传动轴5上的第一直齿轮6、与第一直齿轮6相啮合的第一冠齿轮7以及第一驱动电机9，第一冠齿轮7固定在第一驱动电机9的电机轴上，在工作状态下，第一阳极接头8在第一驱动电机9的驱动下做360°旋转；第二驱动单元包括沿第二阳极接头10的轴线设置并与第二阳极接头10固定连接的第二传动轴、设置在第二传动轴上的第二直齿轮11、与第二直齿轮11相啮合的第二冠齿轮14以及第二驱动电机15，第二冠齿轮14固定在第二驱动电机15的电机轴上，在工作状态下，第二阳极接头10在第二驱动电机15的驱动下做360°旋转。

第一传动轴5通过第一连接器2与主壳体1固定连接，并且第一传动轴5上还设有与第一连接器2配合使用的第一电位器3；第二传动轴通过第二连接器与主壳体1固定连接，并且第二传动轴上还设有与第二连接器配合使用的第二电位器。

在实际设计时，第一驱动电机9通过电机固定支座16(如图7所示)固定在主壳体1中。第一驱动电机9、第二驱动电机15可以选自直流减速电机。

而在阴极接头的结构设计中，以第一阴极接头4为例，第一阴极接头4由外向内依次分为第一自由转动层a、第一锁紧层b及第一过渡层c。在实际使用时，另一个机器人模块中的第一阳极接头8或第二阳极接头10上的定位耳81可在第一阴极接头4的第一自由转动层a中自由转动，这就使得两接头之间没有旋转力矩传递，即形成了被动关节，如图5所示。而将另一个机器人模块中的第一阳极接头8或第二阳极接头10的定位耳81插设入第一阴极接头4的第一锁紧层b后锁紧，两接头之间可传递旋转力矩，即为主动关节，自锁驱动系统后该关节就成为了固定关节，如图6所示。第一阴极接头4的第一锁紧层b中设有多个对接头定位槽，可实现固定关节的多角度固定。在实际对接时，将另一个机器人模块中的第一阳极接头8或第二阳极接头10先直接插设至第一阴极接头4的第一过渡层c中，阳极接头在第一过渡层c中可以自由旋转，因此，可通过旋转阳极接头，使阳极接头上的定位耳81对准第一锁紧层b中的对接头定位槽，随后反向拉回，使得阳极接头上的定位耳81返回至第一锁紧层b中完成对接。对于固定关节，切换固接角度时，需先将阳极接头的定位耳81推离第一锁紧层b，使其进入在第一过渡层c中，在第一过渡层c中旋转选择新的连接角度(即选择新的对接头定位槽)，然后再反向拉回至第一锁紧层b中，即完成固接。阳极接头插入脱离通道给阳极接头提供对接通道。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种欠驱动弹复性机器人模块，其特征在于，该机器人模块包括主壳体(1)、分别设置在主壳体(1)左、右两端的第一对接单元及第二对接单元、设置在主壳体(1)中并分别与第一对接单元、第二对接单元传动连接的第一驱动单元、第二驱动单元，所述的第一对接单元的安装面与第二对接单元的安装面互相垂直。

2.根据权利要求1所述的一种欠驱动弹复性机器人模块，其特征在于，所述的第一对接单元包括设置在主壳体(1)背面的第一阴极接头(4)、设置在主壳体(1)底面的第一阳极接头(8)；

所述的第二对接单元包括设置在主壳体(1)顶面的第二阴极接头(12)、设置在主壳体(1)正面的第二阳极接头(10)；

所述的第一阴极接头(4)的安装面与第二阴极接头(12)的安装面互相垂直，所述的第一阳极接头(8)的安装面与第二阳极接头(10)的安装面互相垂直。

3.根据权利要求2所述的一种欠驱动弹复性机器人模块，其特征在于，所述的第一阴极接头(4)开设有第一锁孔(401)，该第一锁孔(401)中设有第一弹性垫片(402)以及用于限制第一弹性垫片(402)轴向移动的第一柔性弹性元件(403)；

所述的第二阴极接头(12)开设有第二锁孔，该第二锁孔中设有第二弹性垫片以及用于限制第二弹性垫片轴向移动的第二柔性弹性元件。

4.根据权利要求3所述的一种欠驱动弹复性机器人模块，其特征在于，所述的第一锁孔(401)中设有用于安装第一柔性弹性元件(403)的第一卡槽，所述的第一柔性弹性元件(403)缠绕固定在第一卡槽中，为第一弹性垫片(402)提供轴向力；

所述的第二锁孔中设有用于安装第二柔性弹性元件的第二卡槽，所述的第二柔性弹性元件缠绕固定在第二卡槽中，为第二弹性垫片提供轴向力。

5.根据权利要求4所述的一种欠驱动弹复性机器人模块，其特征在于，所述的第一柔性弹性元件(403)与第二柔性弹性元件为橡皮筋。

6.根据权利要求3至5任一项所述的一种欠驱动弹复性机器人模块，其特征在于，所述的第一阴极接头(4)由外向内依次分为第一自由转动层(a)、第一锁紧层(b)及第一过渡层(c)；

所述的第二阴极接头由外向内依次分为第二自由转动层、第二锁紧层及第二过渡层。

7.根据权利要求2所述的一种欠驱动弹复性机器人模块，其特征在于，所述的第一阳极接头(8)、第二阳极接头(10)均为圆柱形接头，并且第一阳极接头(8)、第二阳极接头(10)上均设有一对向外凸起的定位耳(81)。

8.根据权利要求7所述的一种欠驱动弹复性机器人模块，其特征在于，所述的主壳体(1)上与第一阴极接头(4)、第二阴极接头(12)相连接的位置处开设有与圆柱形接头及定位耳(81)相适配的镂空对接槽(17)。

9.根据权利要求2所述的一种欠驱动弹复性机器人模块，其特征在于，所述的第一驱动单元包括沿第一阳极接头(8)的轴线设置并与第一阳极接头(8)固定连接的第一传动轴(5)、设置在第一传动轴(5)上的第一直齿轮(6)、与第一直齿轮(6)相啮合的第一冠齿轮(7)以及第一驱动电机(9)，所述的第一冠齿轮(7)固定在第一驱动电机(9)的电机轴上，在工作状态下，所述的第一阳极接头(8)在第一驱动电机(9)的驱动下做360°旋转；

所述的第二驱动单元包括沿第二阳极接头(10)的轴线设置并与第二阳极接头(10)固定连接的第二传动轴、设置在第二传动轴上的第二直齿轮(11)、与第二直齿轮(11)相啮合的第二冠齿轮(14)以及第二驱动电机(15)，所述的第二冠齿轮(14)固定在第二驱动电机(15)的电机轴上，在工作状态下，所述的第二阳极接头(10)在第二驱动电机(15)的驱动下做360°旋转。

10.根据权利要求9所述的一种欠驱动弹复性机器人模块，其特征在于，所述的第一传动轴(5)通过第一连接器(2)与主壳体(1)固定连接，并且第一传动轴(5)上还设有与第一连接器(2)配合使用的第一电位器(3)；

所述的第二传动轴通过第二连接器与主壳体(1)固定连接，并且第二传动轴上还设有与第二连接器配合使用的第二电位器。