CN107363819B - 利用磁力连接的模块化球形软体机器人 - Google Patents

Abstract

利用磁力连接的模块化球形软体机器人，它涉及一种利用磁力连接的模块化软体机器人，以解决现有软体机器人模块连接复杂，可靠性差，不能批量模块化生产的问题，它包括若干个软体球壳和若干个关节连接与驱动机构，相邻两个软体球壳通过一个关节连接与驱动机构连接在一起，若干个软体球壳相互连接形成机器人构型；关节连接与驱动机构包括主动驱动模块和被动驱动模块；主动驱动模块和被动驱动模块分别布置在一个软体球壳内；主动驱动模块包括主动轮轴、壳体、两个齿轮副、两个主动磁体轮和两个电机；被动驱动模块包括连接件和两个被动磁体轮；相邻两个软体球壳通过相互吸引的主动磁体轮和被动磁体轮连接在一起。本发明用于制作软体机器人。

Description

利用磁力连接的模块化球形软体机器人

技术领域

本发明涉及一种利用磁力连接的模块化软体机器人，具体涉及基于径向磁铁的主动与被动连接结构的软体模块化自重构机器人。

背景技术

目前，模块化自重构机器人以其灵活可变的整体构型和功能，在未知环境和任务各个方面都很有巨大应用前景，例如太空探索，军事行军，地震救援中等，但是目前已有的软体机器人模块设计大多以结构连接机构和多关节配置为主，这种模块结构复杂、整体可靠性差，成本高，很难大批量，模块化制作，限制了实际应用研究。

发明内容

本发明是为解决现有软体机器人模块连接复杂，可靠性差，不能批量模块化生产的问题，进而提供一种利用磁力连接的模块化球形软体机器人。

本发明为解决上述问题采取的技术方案是：

利用磁力连接的模块化球形软体机器人包括若干个软体球壳和若干个关节连接与驱动机构，相邻两个软体球壳通过一个关节连接与驱动机构连接在一起，若干个软体球壳相互连接形成机器人构型；

关节连接与驱动机构包括主动驱动模块和被动驱动模块；主动驱动模块和被动驱动模块分别布置在一个软体球壳内；主动驱动模块包括主动轮轴、壳体、两个齿轮副、两个主动磁体轮和两个电机；被动驱动模块包括连接件和两个被动磁体轮；

壳体上布置有并排设置的两个电机，每个电机的输出端连接有一个齿轮副，每个齿轮副的两个齿轮相啮合，主动轮轴固装在壳体上，每个齿轮副的其中一个齿轮与一个主动磁体轮连接在一起，连接在一起的齿轮及主动磁体轮转动安装在主动轮轴上，连接件上布置有同轴设置的能相对自转的两个被动磁体轮；相邻两个软体球壳通过相互吸引的主动磁体轮和被动磁体轮连接在一起。

进一步地，若干个软体球壳相互连接成模块化球形软体机器人蛇形构型。

进一步地，若干个软体球壳相互连接成模块化球形软体机器人四足构型。

进一步地，软体球壳为硅胶球壳。

进一步地，每个齿轮副的两个齿轮分别为小齿轮和大齿轮，电机输出端连接小齿轮，主动磁体轮连接大齿轮，小齿轮和大齿轮的传动比为1:2。

进一步地，主动磁体轮和被动磁体轮均为磁铁轮。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

1、采用了磁力吸引连接的方法，使得单个模块的复杂度和成本大大降低，提高了模块可靠性。

2、本发明利用轴向布置的磁体既作为驱动部分也作为被动连接机构，实现快速连接，提高了连接机构对相对方位的鲁棒性，降低了连接机构的复杂度，增加了整体的可靠性，同时提高关节连接与驱动机构抗破坏的能力。

3、模块兼具自重构特性和移动特性，通过软体球壳内部的关节连接与驱动模块间重构实现多种整体构型，不同构型皆有运动能力且能实现不同功能，利用主动驱动模块的运动控制可以实现多种形式的运动。

4、以往都是采用人造肌肉致动，化学致动、SMA致动、电磁制动和微流致动。本发明关节连接与驱动模块采用双轮驱动的方式，使得单个模块的复杂度和成本大大降低，成本降低了45％，提高了机器人模块可靠性。

附图说明

图1为本发明关节连接与驱动模块及相邻软体球壳的整体结构示意图；

图2为本发明主动驱动模块的结构示意图；

图3为图2的局部剖视图；

图4为本发明被动驱动模块的结构示意图；

图5为软体球壳及关节连接与驱动模块连接构成的蛇形机器人结构示意图；

图6为软体球壳及关节连接与驱动模块连接构成的四足构型机器人结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案作进一步地说明

参见图1-图6说明，利用磁力连接的模块化球形软体机器人包括若干个软体球壳1和若干个关节连接与驱动机构，相邻两个软体球壳1通过一个关节连接与驱动机构连接在一起，若干个软体球壳1相互连接形成机器人构型；

关节连接与驱动机构包括主动驱动模块2和被动驱动模块3；主动驱动模块2和被动驱动模块3分别布置在一个软体球壳1内；主动驱动模块2包括主动轮轴2-8、壳体2-9、两个齿轮副2-11、两个主动磁体轮2-12和两个电机2-10；被动驱动模块3包括连接件3-2和两个被动磁体轮3-1；

壳体2-9上布置有并排设置的两个电机2-10，每个电机2-10的输出端连接有一个齿轮副2-11，每个齿轮副2-11的两个齿轮相啮合，主动轮轴2-8固装在壳体2-9上，每个齿轮副2-11的其中一个齿轮与一个主动磁体轮2-12连接在一起，连接在一起的齿轮及主动磁体轮2-12转动安装在主动轮轴2-8上，连接件3-2上布置有同轴设置的能相对自转的两个被动磁体轮3-1；相邻两个软体球壳1通过相互吸引的主动磁体轮2-12和被动磁体轮3-1连接在一起。

本发明通过主动驱动模块和被动驱动模块利用磁力将软体球壳连接起来，可以实现软体机器人直线运动、蛇形运动、翻转、越障等多种形式的运动，同时多个模块间可以任意组合，形成各种构型机器人。

如图5所示，作为一个实施例，若干个软体球壳1相互连接成模块化球形软体机器人蛇形构型。作为一个可实施方式，蛇形机器人由腿关节和尾关节组成，主被动模块间通过磁力互相吸引连接。腿关节可由两个软体球壳1内分别布置一个主动驱动模块2和一个被动驱动模块3构成和\或一个软体球壳1内布置一个主动驱动模块2和一个被动驱动模块3构成，相邻两个软体球壳1可通过主动磁体轮2-12和被动磁体轮3-1磁力互相吸引连接；尾关节可主要由软体球壳1和置于软体球壳1内的主动驱动模块2或被动驱动模块3构成。如此这样，蛇形机器人通过多个腿关节和尾关节相互连接而成。

如图6所示，作为一个实施例，若干个软体球壳1相互连接成模块化球形软体机器人四足构型。作为一个可实施方式，四足构型机器人主要由脊椎关节、腿关节和尾关节组成，主、被动驱动模块由磁力连接，且同一关节内主、被动驱动模块之间无法互相吸引连接，被动驱动模块间也无法互相吸引连接。脊椎关节包括软体球壳1和置于软体球壳1内的四个主动驱动模块2或四个被动驱动模块3，脊椎关节内的四个主动驱动模块2和被动驱动模块3沿软体球壳1的周向均布设置，脊椎关节上的每个主动驱动模块2或被动驱动模块3分别对应安装一个蛇形机器人，蛇形机器人如上图5所示。

为了保证软体机器人运动，软体球壳采用柔性材质，实现多种构型，优选地，软体球壳1为热塑性塑料。优选地，软体球壳1为硅胶球壳。

参见图2说明，每个齿轮副2-11的两个齿轮分别为小齿轮和大齿轮，电机2-10输出端连接小齿轮，主动磁体轮2-12连接大齿轮，小齿轮和大齿轮的传动比为1:2。

优选地，主动磁体轮2-12和被动磁体轮3-1均为磁铁轮。如此设置，取材方便，廉价易得。优选地，主动磁体轮2-12和被动磁体轮3-1均为电磁轮，电源2-3通过导线及滑环与该电磁轮电连接。主动磁体轮2-12和被动磁体轮3-1替换为线圈通电产生磁性的电磁轮，电源2-3(或不间断电源)通过导线及安装在电磁轮的轮轴上的滑环与电磁轮电连接。

参见图2-图4说明，壳体2-9上布置有通讯及控制模块2-1、电机驱动器2-2和电源2-3；电机驱动器2-2接收通讯及控制模块2-1的信号控制驱动电机2-10动作，电源2-3给通讯及控制模块2-1、电机驱动器2-2和电机2-10供电。由于磁体轮是轴向充磁的，它既能为其提供连接力，也能保证对中性，此外它还能保证受到外界冲击的时候模块之间相互分离，且保持可恢复的能力。主动驱动模块2由无线与通讯及控制模块2-1接受指令，然后通过电机驱动器2-2控制电机2-10的转动，从而实现主动驱动模块2的运动。

参见图2-图4说明，主动驱动模块2还包括两个主动轮套2-6和两个主动弹簧挡圈2-7；连接在一起的齿轮及主动磁体轮2-12套装在转动安装于轮轴2-8上的主动轮套2-6上，主动轮套2-6通过安装在轮轴2-8端部的主动弹簧挡圈2-7定位。连接件3-2为杆状结构，被动驱动模块3还包括被动轮轴3-5、两个被动轮套3-3和被动弹簧挡圈3-4；被动轮轴3-5固装在连接件3-2上，被动磁体轮3-1套装在转动安装于被动轮轴3-5上的被动轮套3-3上，被动轮套3-3通过安装在被动轮轴3-5上的被动弹簧挡圈3-4定位。主动磁体轮2-5通过主动轮套2-6转动连接在轮轴2-8上，被动磁体轮3-1通过被动轮套3-3转动连接在轮轴2-8上，由主动弹簧挡圈2-7和被动弹簧挡圈3-4分别定位。结构简单，拆装方便。

以上实施例用于说明本发明，而并非对本发明的限制，在不脱离本发明的精神和原则的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴。

Claims (10)

1.利用磁力连接的模块化球形软体机器人，其特征在于：它包括若干个软体球壳(1)和若干个关节连接与驱动机构，相邻两个软体球壳(1)通过一个关节连接与驱动机构连接在一起，若干个软体球壳(1)相互连接形成机器人构型；

关节连接与驱动机构包括主动驱动模块(2)和被动驱动模块(3)；主动驱动模块(2)和被动驱动模块(3)分别布置在一个软体球壳(1)内；主动驱动模块(2)包括主动轮轴(2-8)、壳体(2-9)、两个齿轮副(2-11)、两个主动磁体轮(2-12)和两个电机(2-10)；被动驱动模块(3)包括连接件(3-2)和两个被动磁体轮(3-1)；

壳体(2-9)上布置有并排设置的两个电机(2-10)，每个电机(2-10)的输出端连接有一个齿轮副(2-11)，每个齿轮副(2-11)的两个齿轮相啮合，主动轮轴(2-8)固装在壳体(2-9)上，每个齿轮副(2-11)的其中一个齿轮与一个主动磁体轮(2-12)连接在一起，连接在一起的齿轮及主动磁体轮(2-12)转动安装在主动轮轴(2-8)上，连接件(3-2)上布置有同轴设置的能相对自转的两个被动磁体轮(3-1)；相邻两个软体球壳(1)通过相互吸引的主动磁体轮(2-12)和被动磁体轮(3-1)连接在一起。

2.根据权利要求1所述利用磁力连接的模块化球形软体机器人，其特征在于：若干个软体球壳(1)相互连接成模块化球形软体机器人蛇形构型。

3.根据权利要求1所述利用磁力连接的模块化球形软体机器人，其特征在于：若干个软体球壳(1)相互连接成模块化球形软体机器人四足构型。

4.根据权利要求1、2或3所述利用磁力连接的模块化球形软体机器人，其特征在于：软体球壳(1)为硅胶球壳。

5.根据权利要求4所述利用磁力连接的模块化球形软体机器人，其特征在于：每个齿轮副(2-11)的两个齿轮分别为小齿轮和大齿轮，电机(2-10)输出端连接小齿轮，主动磁体轮(2-12)连接大齿轮，小齿轮和大齿轮的传动比为1:2。

6.根据权利要求5所述利用磁力连接的模块化球形软体机器人，其特征在于：主动磁体轮(2-12)和被动磁体轮(3-1)均为磁铁轮。

7.根据权利要求1、2、3、5或6所述利用磁力连接的模块化球形软体机器人，其特征在于：壳体(2-9)上布置有通讯及控制模块(2-1)、电机驱动器(2-2)和电源(2-3)；电机驱动器(2-2)接收通讯及控制模块(2-1)的信号控制驱动电机(2-10)动作，电源(2-3)给通讯及控制模块(2-1)、电机驱动器(2-2)和电机(2-10)供电。

8.根据权利要求7所述利用磁力连接的模块化球形软体机器人，其特征在于：主动磁体轮(2-12)和被动磁体轮(3-1)均为电磁轮，电源(2-3)通过导线及滑环与该电磁轮电连接。

9.根据权利要求1、2、3、5、6或8所述利用磁力连接的模块化球形软体机器人，其特征在于：主动驱动模块(2)还包括两个主动轮套(2-6)和两个主动弹簧挡圈(2-7)；连接在一起的齿轮及主动磁体轮(2-12)套装在转动安装于主动轮轴(2-8)上的主动轮套(2-6)上，主动轮套(2-6)通过安装在主动轮轴(2-8)端部的主动弹簧挡圈(2-7)定位。

10.根据权利要求9所述利用磁力连接的模块化球形软体机器人，其特征在于：连接件(3-2)为杆状结构，被动驱动模块(3)还包括被动轮轴(3-5)、两个被动轮套(3-3)和被动弹簧挡圈(3-4)；被动轮轴(3-5)固装在连接件(3-2)上，被动磁体轮(3-1)套装在转动安装于被动轮轴(3-5)上的被动轮套(3-3)上，被动轮套(3-3)通过安装在被动轮轴(3-5)上的被动弹簧挡圈(3-4)定位。

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