CN108527350B - 一种立方体形模块化可重构机器人单元和机器人 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种立方体形模块化可重构机器人单元，包括三个主动面模块、三个从动面模块，其中：主动面模块包括驱动机构、主动面旋转卡扣机构，从动面模块包括止动销控制机构、从动面旋转卡扣机构，所述单元具有三个自由度。本发明还涉及多个单元组装构成的模块化可重构机器人。多个所述单元通过不同的拓扑连接方式，可得到能够满足不同应用场合的不同自由度的模块化可重构机器人，同时单元之间拆装方便，可大幅降低模块化机器人系统的维护时间。本发明采用模块化结构，具有连接可靠、拆装方便、运动灵活等特点，可广泛应用于但不限于工业、航天、教育、救援等领域。

Description

一种立方体形模块化可重构机器人单元和机器人

技术领域

本发明涉及一种机器人领域的装置，具体涉及一种模块化可重构机器人单元和由两个以上单元连接构成的可重构模块化机器人。

背景技术

随着生产生活中自动化程度的不断提高，传统的机器人自由度单一，工作空间固定，难以满足不断变化的工作场景，一旦故障，也难以快速维修。

可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组合成不同的结构以适应不同的工作任务。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。但是目前的可重构模块单元的结构普遍存在结构复杂、自由度少、可重组性不高、连接不可靠等问题。

经检索，中国发明专利名称：一种可重构模块机器人系统，申请号：201310286598.0，该发明专利涉及一种可以自由组装的可重构模块机器人系统，其“包括单自由度模块、多自由度模块和连接模块，单自由度模块包括回转模块、摇摆模块、移动模块、执行模块；连接模块包括固连连接模块和调整距离连接模块。本发明设计模块结构紧凑，便于模块间快速连接。连接模块分为固定连接模块和距离连接模块：固定连接模块提供标准的电气和机械连接接口，用于运动模块间连接，能够保证安装快速性，固定连接模块具有多种角度连接方式，保证连接的多样性。”

上述专利中可重构模块机器人系统虽然能够自由组装，但结构设计还是相对复杂，连接可靠性需要进一步提高，以适应复杂环境。

发明内容

针对现有的问题，本发明提供了一种可重构模块化机器人单元和由两个以上单元连接构成的可重构模块化机器人，其结构设计简单、巧妙，并且单元间拆装方便、连接可靠，可重组性高，适用于各种复杂环境。

根据本发明第一方面，提供一种立方体形可重构模块化器人单元，所述单元包括三个主动面模块和三个从动面模块，总计三个旋转自由度；三个主动面模块相邻分布，三个从动面模块相邻分布，三个主动面模块和三个从动面模块相互连接锁定构成一立方体结构；

三个所述主动面模块结构相同，每个主动面模块由主动面底板、驱动机构和主动面旋转卡扣机构组成，其中：所述驱动机构安装在主动面底板内侧面上，所述旋转卡扣机构固定安装在主动面底板的外侧面上，所述旋转卡扣机构与驱动机构连接并由驱动机构驱动；

三个所述从动面模块结构相同，每个从动面模块由从动面安装板、止动销控制机构和从动面旋转卡扣机构组成，其中：所述从动面旋转卡扣机构与主动面模块的主动面旋转卡扣机构相契合并固定安装在从动面安装板的外侧面上，止动销控制机构安装在从动面安装板上。

优选地，所述驱动机构包括有蜗轮蜗杆电机、主动齿轮、从动齿轮、主动面驱动轴；其中：

所述蜗轮蜗杆电机通过支架安装在主动面底板的内侧面上；所述主动齿轮安装在蜗轮蜗杆电机的输出轴上；所述从动齿轮安装在主动面驱动轴上，并与主动齿轮相啮合；所述蜗轮蜗杆电机主动齿轮，通过与主动齿轮啮合的从动齿轮带动主动面驱动轴转动；

所述驱动机构由蜗轮蜗杆电机实现驱动及自锁功能，主动齿轮和从动齿轮实现进一步减速。

更优选地，所述主动面驱动轴通过轴肩实现与支架和主动面底板的轴向定位。

更优选地，所述主动齿轮与蜗轮蜗杆电机的输出轴通过轴上台阶实现轴向定位、通过顶丝实现周向定位。

优选地，所述主动面模块中：所述主动面旋转卡扣机构固定安装在驱动机构中主动面驱动轴的末端并由主动面驱动轴带动旋转。

优选地，从靠近所述主动面底板的外侧面向外，所述主动面旋转卡扣机构由主动面卡槽底板、主动面卡板和主动面卡槽顶板组成，其中：

所述主动面卡槽底板上设置有用于安装主动面驱动轴的驱动轴安装孔；

所述主动面卡槽底板上旋转对称的位置处安装有两个主动面卡板，相应的主动面卡板上安装有主动面卡槽顶板，主动面卡板插入主动面卡槽底板与主动面卡槽顶板构成的卡槽中，并在主动面卡槽底板和主动面卡板的对应位置上分别设置主动面止动销孔。

优选地，所述从动面旋转卡扣机构从靠近从动面安装板的外侧面向外由从动面卡槽底板、从动面卡板和从动面卡槽顶板组成，其中：

所述从动面卡槽底板上安装有两组从动面卡板和从动面卡槽顶板；在从动面卡槽底板、从动面卡板上的对应位置分别设置有从动面止动销孔，相应的从动面安装板上设置有止动销孔。

优选地，所述止动销控制机构由拉环、拉绳、拉绳支架、弹簧、止动销、套筒组成；其中：

所述套筒设置于从动面安装板对应从动面止动销孔的位置，用于安装止动销；所述止动销插入在从动面止动销孔中；所述弹簧安装于止动销的底部；所述止动销通过拉绳与拉环相连；在拉环和套筒之间设置有拉绳支架，以降低拉绳的摩擦力，确保拉绳延伸过程中不出现锐角。

所述止动销控制机构由拉绳实现传递动力，拉动拉环带动拉绳，从而带动止动销完全进入从动面止动销孔；松开拉环，止动销在弹簧的作用下伸出从动面止动销孔。

根据本发明第二方面，提供一种由两个以上单元连接构成的可重构模块化机器人，各单元的主动面模块与相邻单元的从动面模块配合实现连接或拆分。

优选地，当两个以上单元对接时，一个单元的主动面旋转卡扣机构与相邻单元的从动面旋转卡扣机构配合，并通过止动销控制机构实现主动面旋转卡扣机构与从动面旋转卡扣机构的定位，从而实现单元间的周向及轴向连接定位；主动面旋转卡扣机构由驱动机构驱动沿驱动机构的轴线旋转，从而带动相连接的单元运动；不同数量的单元按照不同的拓扑构型进行组合连接，构成不同功能的模块化机器人，使机器人具有可变的自由度及工作空间。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

本发明所述的可重构模块化机器人单元，结构设计简单、巧妙，通过旋转卡扣机构和止动销控制机构实现单元之间的对接，连接可靠，通过多个单元之间的配合可以得到不同功能的可重构模块化机器人。

本发明所述的可重构模块化机器人单元具有三个旋转自由度、六个连接面，多个所述单元通过不同的拓扑连接方式，可得到能够满足不同应用场合的不同自由度的机器人，同时各个单元之间拆装方便，运动灵活，可大幅降低模块化机器人系统的维护时间。

进一步的，本发明部分实施例中利用蜗轮蜗杆电机实现驱动，可以保证机器人在任意位置实现锁定。

综上，本发明采用模块化结构，具有连接可靠、拆装方便、运动灵活等特点，可广泛应用于但不限于工业、航天、教育、救援等领域。

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单元整体结构示意图；

图2为本发明一优选实施例的主动面模块结构示意图；

图3为本发明一优选实施例的驱动机构示意图；

图4为本发明一优选实施例的驱动机构侧方向视图；

图5为本发明一优选实施例的从动面模块结构示意图；

图6为本发明一优选实施例的从动面模块沿止动销轴线剖切得到的剖视图；

图中：主动面模块100，从动面模块200，驱动机构300，主动面旋转卡扣机构400，止动销控制机构500，从动面旋转卡扣机构600；

主动面底板101，从动面安装板201，止动销套筒202，蜗轮蜗杆电机301，电机支架302，从动齿轮303，主动齿轮304，主动面驱动轴305，主动面卡槽底板401，卡板402，卡槽顶板403，止动销孔404，驱动轴安装孔405，拉环501，拉绳502，拉绳支架503，弹簧504，止动销505，从动面卡槽底板601。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施方式进一步说明本发明，但不以任何形式限制本发明。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1-6所示，为立方体形可重构模块化器人单元的一实施例结构示意图，所述单元包括三个主动面模块100和三个从动面模块200，其中：三个主动面模块100相邻分布，三个从动面模块200相邻分布。三个主动面模块和三个从动面模块相互连接锁定构成一立方体结构。

三个所述主动面模块100的结构完全相同，每个主动面模块100均由主动面底板101、驱动机构300和主动面旋转卡扣机构400组成，其中：所述驱动机构300安装在主动面底板101内侧面上，所述主动面旋转卡扣机构400固定安装在主动面底板101的外侧面上，所述主动面旋转卡扣机构400与驱动机构300连接并由驱动机构300驱动。

三个所述从动面模块200的结构完全相同，每个所述从动面模块200均由从动面安装板201、止动销控制机构500和从动面旋转卡扣机构600组成；其中：所述从动面旋转卡扣机构600与主动面模块的主动面旋转卡扣机构400相契合并固定安装在从动面安装板201的外侧面上，止动销控制机构500安装在从动面安装板201上。

进一步的，在本发明部分优选实施例中，所述驱动机构300可以采用如下结构：如图2、图3、图4所示，具体包括蜗轮蜗杆电机301、电机支架302、从动齿轮303、主动齿轮304、主动面驱动轴305，其中：所述电机安装支架302安装在主动面底板101上；所述蜗轮蜗杆电机301安装在电机安装支架302上；所述主动齿轮304安装在蜗轮蜗杆电机301的输出轴上，并由轴上台阶及卡簧实现轴向定位、由顶丝实现周向定位；所述从动齿轮303安装在主动面驱动轴305上并与主动齿轮303相啮合；所述主动面驱动轴305由轴肩实现与电机支架301和主动面底板101的轴向定位。

所述主动面旋转卡扣机构400固定安装在主动面驱动轴305的末端，并由主动面驱动轴305带动旋转。

上述优选结构中，利用蜗轮蜗杆电机实现驱动，可以保证机器人在任意位置实现锁定。

当然，以上仅是本发明驱动机构300的一优选结构，并不仅限于上述结构的驱动机构，在其他实施例中，驱动机构300也可以采用其他的驱动结构，只需能够实现上述对应的功能即可，这对本发明的实现并没有实质性的影响。

进一步的，在本发明部分优选实施例中，所述主动面旋转卡扣机构400可以采用如下结构：如图2、图5、图6所示，从靠近主动面底板101一侧向外，所述主动面旋转卡扣机构400由主动面卡槽底板401、卡板402、卡槽顶板403组成，其中：所述主动面卡槽底板401上设置有用于安装主动面驱动轴305的驱动轴安装孔405；所述主动面卡槽底板401上的旋转对称位置安装有至少两组卡板402和卡槽顶板403，所述卡板402和卡槽顶板403之间形成卡槽，以供从动面旋转卡扣机构中的卡板402插入，并在主动面卡槽底板401、卡板402上的对应位置分别设置止动销孔404。

当然，以上仅是本发明主动面旋转卡扣机构400的一优选结构，并不仅限于上述结构的卡扣机构，在其他实施例中，主动面旋转卡扣机构400也可以采用其他的结构形式，只需能够实现上述对应的功能即可，这对本发明的实现并没有实质性的影响。

进一步的，在本发明部分优选实施例中，所述从动面旋转卡扣机构600固定安装在从动面安装板201的外侧面上。

所述从动面旋转卡扣机构600可以采用如下结构：如图5、图6所示，从靠近从动面安装板201的一侧向外，所述从动面旋转卡扣机构600由从动面卡槽底板601、卡板402、卡槽顶板403组成，除从动面卡槽底板601较主动面卡槽底板401少了驱动轴安装孔405外，从动面旋转卡扣机构600与主动面旋转卡扣机构400的结构相同，即：所述从动面卡槽底板601上旋转对称的位置安装有与主动面卡槽底板401相对应的卡板402和卡槽顶板403，并在从动面卡槽底板601、卡板402上的对应位置分别设置止动销孔404。

当然，以上仅是本发明从动面旋转卡扣机构600的一优选结构，并不仅限于上述结构，在其他实施例中，从动面旋转卡扣机构600也可以采用其他的结构形式，只需能够实现上述对应的功能即可，这对本发明的实现并没有实质性的影响。

进一步的，在本发明部分优选实施例中，所述止动销控制机构500采用如下结构：如图5、图6所示，所述止动销控制机构500由拉环501、拉绳502、拉绳支架503、弹簧504、止动销505组成，其中：所述止动销505安装在从动面旋转卡扣机构600的止动销孔404中，相应的，从动面安装板201的对应位置设置有用于止动销505安装的止动销套筒202；止动销505的底部安装有弹簧504，止动销505通过拉绳502与拉环501相连，拉动拉环501，通过拉绳502使止动销505完全进入止动销孔404，松开拉环501，止动销505在弹簧504的作用下伸出止动销孔404；为降低止动销拉绳502的摩擦力，在拉环501和止动销套筒202之间设置有拉绳支架503，以确保止动销拉绳502在延伸过程中不出现锐角。

当然，以上仅是本发明止动销控制机构500的一优选结构，所述止动销控制机构500使用但不限于止动销拉绳502及弹簧504等零件控制止动销505的收缩和伸出，比如杠杆、磁铁以及其他可实现该功能的组合。因此，在其他实施例中，止动销控制机构500也可以采用其他的结构形式，只需能够实现上述对应的功能即可，这对本发明的实现并没有实质性的影响。

上述各部分优选的结构可以单独使用，在互相不冲突的情况下也可以任意组合使用，组合使用的效果更好。

基于上述各个优选结构组合构成的优选实施例，以下说明两个单元的主动面模块100和从动面模块200对接的过程如下：

通过外力使其中一个单元的主动面旋转卡扣机构400的卡板402与另一个单元的从动面旋转卡扣机构600的卡板402相互接触，此时从动面模块200上的止动销505被压入止动销孔404中，旋转任意单元，主动面模块100和从动面模块200上的卡板402分别进入对方的卡槽中，两个单元的主动面模块100与从动面模块200实现轴向定位；

当旋转到目标位置后，主动面模块100和从动面模块200的止动销孔404同轴，从动面模块200的止动销505在弹簧504作用下进入主动面模块100的止动销孔404，两个单元实现周向定位；

主动面旋转卡扣机构400在蜗轮蜗杆电机301的驱动下，可以沿轴线进行360°旋转，并带动相连接的单元运动，从而实现机器人运动。

两个以上单元的对接过程与上述相同，在此不再赘述。

对应的，两个单元的主动面模块100和从动面模块200拆分的过程如下：

拉动从动面模块200上的拉环501，使止动销505退出主动面模块100的止动销孔404，并完全进入从动面模块200的止动销孔404，此时旋转待拆除的单元，使得两个单元上的卡板402全部退出对方的卡槽，完成两个单元的分离操作。

两个以上单元的拆分过程与上述相同，在此不再赘述。

本发明上述的可重构机器人单元，通过旋转卡扣机构和止动销控制机构实现单元之间的对接，连接结构简单，连接可靠性高。

本发明上述的可重构机器人单元，具有三个旋转自由度、六个连接面，可以根据需要重构成所需的各种机器人机构，灵活性强，能适应多种工作环境，包括各种复杂的环境。

本发明上述的可重构机器人单元之间的连接结构，非常方便拆卸，更加易于机器人系统的维护。

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

Claims (10)

1.一种立方体形模块化可重构机器人单元，其特征在于，所述单元包括三个主动面模块和三个从动面模块，总计三个旋转自由度；三个主动面模块相邻分布，三个从动面模块相邻分布，三个主动面模块和三个从动面模块相互连接锁定构成一立方体结构；

三个所述主动面模块结构相同，每个主动面模块由主动面底板、驱动机构和主动面旋转卡扣机构组成，其中：所述驱动机构安装在主动面底板内侧面上，所述主动面旋转卡扣机构固定安装在主动面底板的外侧面上，所述主动面旋转卡扣机构与驱动机构连接并由驱动机构驱动；

三个所述从动面模块结构相同，每个从动面模块由从动面安装板、止动销控制机构和从动面旋转卡扣机构组成，其中：所述从动面旋转卡扣机构与主动面模块的主动面旋转卡扣机构相契合并固定安装在从动面安装板的外侧面上，止动销控制机构安装在从动面安装板上。

2.根据权利要求1所述的立方体形模块化可重构机器人单元，其特征在于，所述驱动机构包括蜗轮蜗杆电机、主动齿轮、从动齿轮、主动面驱动轴，其中：

所述蜗轮蜗杆电机通过支架安装在主动面底板的内侧面上；所述主动齿轮安装在蜗轮蜗杆电机的输出轴上；所述从动齿轮安装在主动面驱动轴上，并与主动齿轮相啮合；所述蜗轮蜗杆电机带动主动齿轮运动，与主动齿轮啮合的从动齿轮带动主动面驱动轴转动；

所述驱动机构由蜗轮蜗杆电机实现驱动及自锁功能，主动齿轮和从动齿轮实现进一步减速。

3.根据权利要求2所述的立方体形模块化可重构机器人单元，其特征在于，

所述主动齿轮与所述蜗轮蜗杆电机的输出轴通过轴上台阶实现轴向定位，通过顶丝实现周向定位；和/或，

所述主动面驱动轴通过轴肩实现与支架和主动面底板的轴向定位。

4.根据权利要求2所述的立方体形模块化可重构机器人单元，其特征在于，所述主动面旋转卡扣机构固定安装在驱动机构中主动面驱动轴的末端并由主动面驱动轴带动旋转。

5.根据权利要求2所述的立方体形模块化可重构机器人单元，其特征在于，从靠近所述主动面底板的外侧面向外，所述主动面旋转卡扣机构由主动面卡槽底板、主动面卡板和主动面卡槽顶板组成，其中：

所述主动面卡槽底板上设置有用于安装主动面驱动轴的驱动轴安装孔；

所述主动面卡槽底板上旋转对称的位置处安装有两个主动面卡板，相应的主动面卡板上安装有主动面卡槽顶板，主动面卡板插入主动面卡槽底板与主动面卡槽顶板构成的卡槽中，并在主动面卡槽底板和主动面卡板的对应位置上分别设置主动面止动销孔。

6.根据权利要求5所述的立方体形模块化可重构机器人单元，其特征在于，从靠近从动面安装板的外侧面向外，所述从动面旋转卡扣机构由从动面卡槽底板、从动面卡板和从动面卡槽顶板组成，其中：

所述从动面卡槽底板上安装有两组从动面卡板和从动面卡槽顶板；在从动面卡槽底板、从动面卡板上的对应位置分别设置有从动面止动销孔，相应的从动面安装板上设置有止动销孔。

7.根据权利要求6所述的立方体形模块化可重构机器人单元，其特征在于，所述止动销控制机构由拉环、拉绳、拉绳支架、弹簧、止动销、套筒组成，其中：

所述套筒设置于从动面止动销孔的位置，用于安装止动销；所述止动销插入在从动面止动销孔中；所述弹簧安装于止动销的底部；所述止动销通过拉绳与拉环相连；在拉环和套筒之间设置有拉绳支架；

所述止动销控制机构由拉绳实现传递动力，拉动拉环带动拉绳，从而带动止动销完全进入从动面止动销孔；松开拉环，止动销在弹簧的作用下伸出从动面止动销孔。

8.一种可重构模块化机器人，其特征在于，由至少两个上述权利要求1-7任一项所述的立方体形模块化可重构机器人单元构成，各单元的主动面模块与相邻单元的从动面模块配合实现连接或拆分。

9.根据权利要求8所述的可重构模块化机器人，其特征在于，当两个以上单元对接时，一个单元的主动面旋转卡扣机构与相邻单元的从动面旋转卡扣机构配合，并通过止动销控制机构实现主动面旋转卡扣机构与从动面旋转卡扣机构的定位，从而实现单元间的轴向连接定位。

10.根据权利要求8所述的可重构模块化机器人，其特征在于，所述主动面旋转卡扣机构由驱动机构驱动沿驱动机构的轴线旋转，从而带动相连接的单元运动；不同数量的单元按照不同的拓扑构型进行组合连接，构成不同功能的模块化机器人，使机器人具有可变的自由度及工作空间。

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