CN107363808A - 一种模块化欠驱动弹复性机器人单元模块 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种模块化欠驱动弹复性机器人单元模块，该单元模块包括U型内支架、与U型内支架可相对旋转设置的U型外支架单元、设置在U型内支架上的第一驱动电机、架设在第一驱动电机上方并与第一驱动电机传动连接的电磁离合器、设置在U型内支架底部的第一被动连接板、位于电磁离合器下方并与第一被动连接板传动连接的第二驱动电机，在工作状态下，所述的第二驱动电机带动第一被动连接板做360°旋转运动。与现有技术相比，本发明模块灵活性高，具有两个自由度，可以分别做180°旋转运动和360°旋转运动，对中性高，可以实现全驱动与欠驱动之间的转换，耗能小，使用更加灵活多变，适用范围广，具有很好的应用前景。

Description

一种模块化欠驱动弹复性机器人单元模块

技术领域

本发明属于机器人技术领域，涉及一种模块化欠驱动弹复性机器人单元模块。

背景技术

现如今工业机器人及一些非工业机器人的技术发展已相对成熟，但机器人由于自身寿命的限制，不能长期高效地工作。对于工业机器人来说，可以通过定期的维保来延长其寿命。而对于一些特种机器人，其工作环境有时复杂且未知，如在地震救灾、火星探险等环境下，机器人受损后，人为很难参与干涉，这就要求机器人本身具有很强的对复杂、恶劣环境的适应性。根据这一需求，研究人员提出了弹复性机器人的概念。

所谓弹复性，是指机器人在部分受损后，在不借助外界物质或因素协助的条件下，具有通过自动修复来维持其原有功能的能力。弹复性是一个在机器人领域乃至工程领域相对较新的概念。弹复性工程并不关注失效如何发生以及失效的程度，而是关注机器人系统如何在失效后恢复原有状态。具有弹复性的机器人即为弹复性机器人。

欠驱动机器人可提高机器人的弹复性。一般来说，机器人由关节和连杆组成，机器人受损后的表现一般为关节无法正常工作，若机器人受损后主动关节变成被动关节，欠驱动机器人在此条件下还能正常工作，所以欠驱动机器人具有更高的弹复性。另外，欠驱动机器人还具有低能耗、低成本、重量轻的特点。

现今弹复性在一些领域尤其是在工程领域鲜有学者研究，而与其相关的领域如自重构机器人、自愈合机器人、自修复机器人等则有较多学者涉足，只是他们的研究方向或实现方式有所不同。自愈合机器人依赖于化学反应来完成修复，并不考虑机器人零部件的重构；自修复机器人则仅限于在外界辅助的情况下机器人受损零部件的修复；弹复性机器人的概念是受到自然界生物的自修复能力的启发，其在机器人零部件受损后，在不借助外界辅助的情况下维持其原有功能，自重构是实现弹复性的一种手段。目前，现有的自重构机器人模块往往存在以下缺点：(1)模块对接时对中性差，连接困难(2)模块自由度少，模块运动能力受到限制(3)不具有欠驱动能力。弹复性机器人的设计同样也会存在上述问题。

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。不同于上述专利公开的技术方案，本发明为主动模块和被动模块一体，极大减小了整个模块体积，增加了模块的灵活性，同时，本发明模块在被动对接接头处，设有圆弧引导结构，可使模块在对接过程中，先初次粗略对接，再在圆弧引导结构的引导下，再精准对接，从而提高模块对中性；再者，本发明模块可以具有欠驱动能力，可实现全驱动与欠驱动之间的转换，在由模块组成的复杂系统中，可以明显降低耗能。

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模块灵活性高，对中性好，能耗低，稳定性好，使用寿命长的模块化欠驱动弹复性机器人单元模块。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种模块化欠驱动弹复性机器人单元模块，该单元模块包括U型内支架、与 U型内支架可相对旋转设置的U型外支架单元、设置在U型内支架上的第一驱动电机、架设在第一驱动电机上方并与第一驱动电机传动连接的电磁离合器、设置在 U型内支架底部的第一被动连接板、位于电磁离合器下方并与第一被动连接板传动连接的第二驱动电机，在工作状态下，所述的第二驱动电机带动第一被动连接板做 360°旋转运动。

所述的U型外支架单元包括一对相互平行设置的第二被动连接板、设置在两第二被动连接板顶部并将两第二被动连接板固定在一起的主动连接板、设置在主动连接板上的曲柄驱动机构以及与曲柄驱动机构传动连接的主动对接接头。

所述的主动连接板为中央开设有圆孔的矩形主动连接板，该矩形主动连接板上沿对角线开设有与主动对接接头相适配的X型滑槽，所述的主动对接接头设置在 X型滑槽中。

所述的曲柄驱动机构包括固定在主动连接板底部的下壳体、与下壳体相对设置的上壳体、设置在下壳体与上壳体之间的第三驱动电机、与第三驱动电机的电机轴固定连接的第三蜗杆、与第三蜗杆相啮合的第三斜齿轮、用于检测第三斜齿轮转动角度的微型角度传感器、与第三斜齿轮的传动轴固定连接的十字型曲柄。

所述的主动对接接头通过连杆与十字型曲柄传动连接，在第三驱动电机的驱动下，所述的十字型曲柄通过连杆带动主动对接接头沿X型滑槽往复移动。

所述的十字型曲柄包括与第三斜齿轮的传动轴固定连接的曲柄轴、套设在曲柄轴上的十字型连接板以及设置在曲柄轴顶端并位于主动连接板中央圆孔处的轴承固定座，所述的连杆一端与相应一侧的主动对接接头转动连接，另一端与十字型连接板转动连接。

所述的主动对接接头上沿纵向由下而上依次设有第一凹槽及第二凹槽，所述的主动对接接头通过第一凹槽与主动连接板滑动连接，并通过第二凹槽与另一个单元模块的第一被动连接板或第二被动连接板相连接。

所述的电磁离合器通过离合器固定支座固定在U型内支架的一个侧面上，所述的第一驱动电机的电机轴上设有第一圆柱齿轮，该第一圆柱齿轮与电磁离合器上的齿轮相啮合，并将电磁离合器与第一驱动电机传动连接。

位于U型内支架左、右两侧外部的第二被动连接板通过内外连接轴与电磁离合器的支撑轴相连，在工作状态下，所述的电磁离合器通过内外连接轴带动第二被动连接板做180°旋转运动。

所述的第一被动连接板为矩形被动连接板，该矩形被动连接板依次通过第二圆柱齿轮、第二斜齿轮、第二蜗杆与第二驱动电机传动连接；

所述的第二被动连接板由半圆部连接板与矩形部连接板组合而成；

所述的第一被动连接板与第二被动连接板上均开设有与主动对接接头相适配的十字型镂空连接槽，该十字型镂空连接槽呈中间宽四头窄的形状，并且十字型镂空连接槽的尖角处采用圆弧过渡，可有效提高对接时的对中性。

所述的第一驱动电机、第二驱动电机及第三驱动电机可以采用直流减速电机。

本发明中，第一被动连接板、第二被动连接板及U型内支架等零部件表面均采用网状结构，使模块在质量减小的前提下保证结构强度。同时，可在对接面上设置安装孔，用于安装感应装置。

在实际设计时，两个第二被动连接板分别连接在主动连接板的两侧，形成U 型外支架。第二被动连接板由半圆部连接板与矩形部连接板组合而成，从而使其可以做180°相对旋转运动。而第一被动连接板与第二被动连接板上开设十字型镂空连接槽，其中尖角处采用圆弧形引导，可有效提高对接时的对中性。此外，两个内外连接轴的端面分别与相应一侧的第二被动连接板连接，轴端与U型内支架连接。

U型内支架为一个U型板。U型内支架中间表面设有凸型槽，用于防止与U 型外支架单元的干涉。电磁离合器由离合器固定支座固定在U型内支架的一个侧面上。U型内支架和U型外支架单元中的第二被动连接板由两段关节中心轴(圆柱轴和D型轴)连接到一起，两段中心轴分别连接在电磁离合器的两侧。U型内支架板中间开有轴承孔，用于安放中心轴轴承，轴承支承与第一被动连接板连接的斜齿轮中心轴，使第一被动连接板可以做360°的旋转运动。第一被动连接板的功能与第二被动连接板的功能相同，均作为被动连接机构使用。

本发明采用一个主动连接板与四个主动对接接头构成一个主动对接机构，主动连接板上设有X型滑槽，该X型滑槽的截面呈T字型，与主动对接接头配合使用，主动对接接头可沿X型滑槽滑动，主动连接板的中央开设有圆孔，连接轴承固定座，用于固定中心轴。

本发明中主动连接机构是基于曲柄滑块机构钩爪式机械对接机构。主动连接机构包括四个主动对接接头、四个连杆和一个一体式十字型曲柄。每个连杆的两端均设有通孔，分别与一体式十字型曲柄以及主动对接接头通过螺钉连接。

本发明弹复性机器人单元模块共有两个自由度，分别为U型内支架和U型外支架单元之间的180°旋转自由度，以及第一被动连接板的360°旋转的平面自由度，以满足不同构型之间的变换。

在实际工作过程中，当两个单元模块之间进行对接时，其中一个单元模块的四个主动对接接头在曲柄驱动机构的带动下先收缩至中心，借助对接面上的感应装置，与另一个单元模块的被动对接面进行对接，当两个对接面接触后，四个主动对接接头向四周散开，利用被动连接面上的圆弧引导，使两个对接面可以精准对接。在多个单元模块组成系统后，关闭其中一些单元模块的电磁离合器，可使这些单元模块由全驱动变为欠驱动。

与现有技术相比，本发明具有以下特点：

1)模块灵活性高：模块具有两个自由度，可以分别做180°旋转运动和360°旋转运动；

2)对中性高：单元模块的被动连接面上有弧形引导机构，可以在对接过程中进行二次对接，从而提高模块对中性；

3)降低耗能：模块可以实现全驱动与欠驱动之间的转换，在由模块组成的复杂系统中，可以明显降低耗能；

4)可组成多种构型：模块有一个主动对接面和三个被动对接面，可以组成蛇形、四足形、人形等多种构型，使用更加灵活多变，适用范围广，具有很好的应用前景。

附图说明

图1是弹复性机器人单元模块的轴测图；

图2是在图1基础上U型外支架单元绕U型内支架相对旋转90°的轴测图；

图3是弹复性机器人单元模块的主视图；

图4是U型外支架单元轴测图；

图5是U型内支架轴测图；

图6是主动连接板与曲柄驱动机构的装配结构示意图；

图7是曲柄驱动机构的结构示意图；

图8是U型内支架及与其连接的各零部件的装配示意图；

图9是十字型曲柄的结构示意图；

图10是轴承固定座的结构示意图；

图11是主动对接接头的结构示意图；

图12是左侧内外连接轴的结构示意图；

图13是右侧内外连接轴的结构示意图；

图14是第一被动连接板的结构示意图；

图15是连杆示意图；

图16是第二斜齿轮的结构示意图；

图17是离合器固定支座的结构示意图；

图18是两个单元模块对接图；

图19是两个单元模块正交对接图；

图20是两个单元模块对接后，其中一个单元模块旋转90°后状态示意图；

图21是两个单元模块对接后，其中一个单元模块在关节处旋转90°后状态示意图；

图中标记说明：

1—第一驱动电机、2—电机支架、3—支撑轴、4—左侧内外连接轴、5—U型内支架、6—十字型曲柄、61—曲柄轴、62—十字型连接板、7—轴承固定座、8—连杆、9—主动对接接头、10—曲柄驱动机构、101—上壳体、102—第三斜齿轮、 103—第三蜗杆、104—下壳体、105—第三斜齿轮的传动轴、11—离合器固定支座、 12—U型外支架单元、121—主动连接板、122—第二被动连接板、13—右侧内外连接轴、14—电磁离合器、15—第一圆柱齿轮、16—第二圆柱齿轮、17—第一被动连接板、18—第二斜齿轮、19—第二蜗杆、20—第二驱动电机。

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1-17所示，一种模块化欠驱动弹复性机器人单元模块，该单元模块包括 U型内支架5、与U型内支架5可相对旋转设置的U型外支架单元12、设置在U 型内支架5上的第一驱动电机1、架设在第一驱动电机1上方并与第一驱动电机1 传动连接的电磁离合器14、设置在U型内支架5底部的第一被动连接板17、位于电磁离合器14下方并与第一被动连接板17传动连接的第二驱动电机20，在工作状态下，第二驱动电机20带动第一被动连接板17做360°旋转运动。

U型外支架单元12包括一对相互平行设置的第二被动连接板122、设置在两第二被动连接板122顶部并将两第二被动连接板122固定在一起的主动连接板 121、设置在主动连接板121上的曲柄驱动机构10以及与曲柄驱动机构10传动连接的主动对接接头9。

主动连接板121为中央开设有圆孔的矩形主动连接板，该矩形主动连接板上沿对角线开设有与主动对接接头9相适配的X型滑槽，主动对接接头9设置在X型滑槽中。

曲柄驱动机构10包括固定在主动连接板121底部的下壳体104、与下壳体104 相对设置的上壳体101、设置在下壳体104与上壳体101之间的第三驱动电机、与第三驱动电机的电机轴固定连接的第三蜗杆103、与第三蜗杆103相啮合的第三斜齿轮102、用于检测第三斜齿轮102转动角度的微型角度传感器、与第三斜齿轮的传动轴105固定连接的十字型曲柄6。

主动对接接头9通过连杆8与十字型曲柄6传动连接，在第三驱动电机的驱动下，十字型曲柄6通过连杆8带动主动对接接头9沿X型滑槽往复移动。

十字型曲柄6包括与第三斜齿轮的传动轴105固定连接的曲柄轴61、套设在曲柄轴61上的十字型连接板62以及设置在曲柄轴61顶端并位于主动连接板121 中央圆孔处的轴承固定座7，连杆8一端与相应一侧的主动对接接头9转动连接，另一端与十字型连接板62转动连接。

主动对接接头9上沿纵向由下而上依次设有第一凹槽及第二凹槽，主动对接接头9通过第一凹槽与主动连接板121滑动连接，并通过第二凹槽与另一个单元模块的第一被动连接板17或第二被动连接板122相连接。

电磁离合器14通过离合器固定支座11固定在U型内支架5的一个侧面上，第一驱动电机1的电机轴上设有第一圆柱齿轮15，该第一圆柱齿轮15与电磁离合器14上的齿轮相啮合，并将电磁离合器14与第一驱动电机1传动连接。

位于U型内支架5左、右两侧外部的第二被动连接板122分别通过左侧内外连接轴4、右侧内外连接轴13与电磁离合器14的支撑轴3相连，在工作状态下，电磁离合器14通过内外连接轴带动第二被动连接板122做180°旋转运动。

第一被动连接板17为矩形被动连接板，该矩形被动连接板依次通过第二圆柱齿轮16、第二斜齿轮18、第二蜗杆19与第二驱动电机20传动连接；第二被动连接板122由半圆部连接板与矩形部连接板组合而成；第一被动连接板17与第二被动连接板122上均开设有与主动对接接头9相适配的十字型镂空连接槽，该十字型镂空连接槽呈中间宽四头窄的形状，并且十字型镂空连接槽的尖角处采用圆弧过渡。

本实施例中，第一驱动电机1、第二驱动电机20及第三驱动电机可以采用直流减速电机。第一被动连接板17、第二被动连接板122及U型内支架5等零部件表面均采用网状结构，使模块在质量减小的前提下保证结构强度。同时，可在对接面上设置安装孔，用于安装感应装置。

在实际设计时，两个第二被动连接板122分别连接在主动连接板121的两侧，形成U型外支架。第二被动连接板122由半圆部连接板与矩形部连接板组合而成，从而使其可以做180°相对旋转运动。而第一被动连接板17与第二被动连接板122 上开设十字型镂空连接槽，其中尖角处采用圆弧形引导，可有效提高对接时的对中性。此外，两个内外连接轴的端面分别与相应一侧的第二被动连接板122连接，轴端与U型内支架5连接。

U型内支架5为一个U型板。U型内支架中间表面设有凸型槽，用于防止与U 型外支架单元12的干涉。电磁离合器14由离合器固定支座11固定在U型内支架 5的一个侧面上。U型内支架5和U型外支架单元12中的第二被动连接板122由两段关节中心轴(圆柱轴和D型轴)连接到一起，两段中心轴分别连接在电磁离合器14的两侧。U型内支架5中间开有轴承孔，用于安放中心轴轴承，轴承支承与第一被动连接板17连接的第二斜齿轮18中心轴，使第一被动连接板17可以做 360°的旋转运动。第一被动连接板17的功能与第二被动连接板122的功能相同，均作为被动连接机构使用。

本实施例采用一个主动连接板121与四个主动对接接头9构成一个主动对接机构，主动连接板121上设有X型滑槽，该X型滑槽的截面呈T字型，与主动对接接头9配合使用，主动对接接头9可沿X型滑槽滑动，主动连接板121的中央开设有圆孔，连接轴承固定座7，用于固定中心轴。

本实施例中主动连接机构是基于曲柄滑块机构钩爪式机械对接机构。主动连接机构包括四个主动对接接头9、四个连杆8和一个一体式十字型曲柄6。每个连杆 8的两端均设有通孔，分别与一体式十字型曲柄6以及主动对接接头9通过螺钉连接。

在实际工作过程中，当两个单元模块之间进行对接时，其中一个单元模块的四个主动对接接头9在曲柄驱动机构10的带动下先收缩至中心，借助对接面上的感应装置，与另一个单元模块的被动对接面进行对接，当两个对接面接触后，四个主动对接接头9向四周散开，利用被动连接面上的圆弧引导，使两个对接面可以精准对接。在多个单元模块组成系统后，打开其中一些单元模块的电磁离合器14，可使这些单元模块由全驱动变为欠驱动。

本实施例弹复性机器人单元模块共有两个自由度，分别为U型内支架5和U 型外支架单元12之间的180°旋转自由度，以及第一被动连接板17的360°旋转的平面自由度，以满足不同构型之间的变换。多个单元模块之间可以有不同的连接方式。每个模块的主动对接机构可以与其他模块的三个被动对接机构连接，可以有如图18、19、20、21所示的多种连接方式，且每个模块有两个自由度，可以形成蛇形、四足形、人字形等多种构型，以满足在不同环境中的工作要求。

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)

1.一种模块化欠驱动弹复性机器人单元模块，其特征在于，该单元模块包括U型内支架(5)、与U型内支架(5)可相对旋转设置的U型外支架单元(12)、设置在U型内支架(5)上的第一驱动电机(1)、架设在第一驱动电机(1)上方并与第一驱动电机(1)传动连接的电磁离合器(14)、设置在U型内支架(5)底部的第一被动连接板(17)、位于电磁离合器(14)下方并与第一被动连接板(17)传动连接的第二驱动电机(20)，在工作状态下，所述的第二驱动电机(20)带动第一被动连接板(17)做360°旋转运动。

2.根据权利要求1所述的一种模块化欠驱动弹复性机器人单元模块，其特征在于，所述的U型外支架单元(12)包括一对相互平行设置的第二被动连接板(122)、设置在两第二被动连接板(122)顶部并将两第二被动连接板(122)固定在一起的主动连接板(121)、设置在主动连接板(121)上的曲柄驱动机构(10)以及与曲柄驱动机构(10)传动连接的主动对接接头(9)。

3.根据权利要求2所述的一种模块化欠驱动弹复性机器人单元模块，其特征在于，所述的主动连接板(121)为中央开设有圆孔的矩形主动连接板，该矩形主动连接板上沿对角线开设有与主动对接接头(9)相适配的X型滑槽，所述的主动对接接头(9)设置在X型滑槽中。

4.根据权利要求3所述的一种模块化欠驱动弹复性机器人单元模块，其特征在于，所述的曲柄驱动机构(10)包括固定在主动连接板(121)底部的下壳体(104)、与下壳体(104)相对设置的上壳体(101)、设置在下壳体(104)与上壳体(101)之间的第三驱动电机、与第三驱动电机的电机轴固定连接的第三蜗杆(103)、与第三蜗杆(103)相啮合的第三斜齿轮(102)、用于检测第三斜齿轮(102)转动角度的微型角度传感器、与第三斜齿轮的传动轴(105)固定连接的十字型曲柄(6)。

5.根据权利要求4所述的一种模块化欠驱动弹复性机器人单元模块，其特征在于，所述的主动对接接头(9)通过连杆(8)与十字型曲柄(6)传动连接，在第三驱动电机的驱动下，所述的十字型曲柄(6)通过连杆(8)带动主动对接接头(9)沿X型滑槽往复移动。

6.根据权利要求5所述的一种模块化欠驱动弹复性机器人单元模块，其特征在于，所述的十字型曲柄(6)包括与第三斜齿轮的传动轴(105)固定连接的曲柄轴(61)、套设在曲柄轴(61)上的十字型连接板(62)以及设置在曲柄轴(61)顶端并位于主动连接板(121)中央圆孔处的轴承固定座(7)，所述的连杆(8)一端与相应一侧的主动对接接头(9)转动连接，另一端与十字型连接板(62)转动连接。

7.根据权利要求2所述的一种模块化欠驱动弹复性机器人单元模块，其特征在于，所述的主动对接接头(9)上沿纵向由下而上依次设有第一凹槽及第二凹槽，所述的主动对接接头(9)通过第一凹槽与主动连接板(121)滑动连接，并通过第二凹槽与另一个单元模块的第一被动连接板(17)或第二被动连接板(122)相连接。

8.根据权利要求2所述的一种模块化欠驱动弹复性机器人单元模块，其特征在于，所述的电磁离合器(14)通过离合器固定支座(11)固定在U型内支架(5)的一个侧面上，所述的第一驱动电机(1)的电机轴上设有第一圆柱齿轮(15)，该第一圆柱齿轮(15)与电磁离合器(14)上的齿轮相啮合，并将电磁离合器(14)与第一驱动电机(1)传动连接。

9.根据权利要求8所述的一种模块化欠驱动弹复性机器人单元模块，其特征在于，位于U型内支架(5)左、右两侧外部的第二被动连接板(122)通过内外连接轴与电磁离合器(14)的支撑轴(3)相连，在工作状态下，所述的电磁离合器(14)通过内外连接轴带动第二被动连接板(122)做180°旋转运动。

10.根据权利要求2至9任一项所述的一种模块化欠驱动弹复性机器人单元模块，其特征在于，所述的第一被动连接板(17)为矩形被动连接板，该矩形被动连接板依次通过第二圆柱齿轮(16)、第二斜齿轮(18)、第二蜗杆(19)与第二驱动电机(20)传动连接；

所述的第二被动连接板(122)由半圆部连接板与矩形部连接板组合而成；

所述的第一被动连接板(17)与第二被动连接板(122)上均开设有与主动对接接头(9)相适配的十字型镂空连接槽，该十字型镂空连接槽呈中间宽四头窄的形状，并且十字型镂空连接槽的尖角处采用圆弧过渡。