CN109702725A - 一种多边形模块化可变形链式机器人 - Google Patents

Abstract

一种多边形模块化可变形链式机器人，包括凸多边形基础单元、空间旋转单元和连接带；若干个凸多边形基础单元通过连接带并排连接形成链式单元；两个链式单元之间通过空间旋转单元连接，形成多边形模块化可变形链式机器人；本发明涉及一种以凸多边形为基础单元的模块化机器人，可以根据特定的场合和需求，使用不同形状、数量的基础模块组成想要的链式机器人，再使链式机器人相邻模块之间相对运动达到改变链式机器人形状的效果，从而完成对不同需求适应的效果。本发明结构简单，连接简便，模块种类少，运动灵活，运动范围大，变形多样，适应能力强，可替换性强，修复方便。

Description

一种多边形模块化可变形链式机器人

技术领域

本发明属于机器人领域，特别涉及一种多边形模块化可变形链式机器人。

背景技术

目前机器人结构复杂，制造成本高，维护成本高，针对特定的场合需要设计生产特定功能的机器人。而模块化机器人一些同构或异构的模块组合而成，模块化机器人连接方式简单，零件种类少，规格统一，更换零件方便，可以根据应用场景改变自身形态，运动方式灵活。模块化机器人可以很好的解决传统机器人的这些问题。对传统机器人而言,某个部件或软件出现故障,往往会导致整个机器人系统的崩溃,维护修理成本非常高.但模块化机器人由相同的模块组成,用冗余的模块替换发生故障的模块就能够快速地实现自我修复。在诸如深水作业或者外太空探险等应用场景中,目标任务多样,但每次行动所能携带的装备非常有限.模块化机器人可以利用相同的模块,通过变换形状获得相应的工作构型,从而能够完成不同任务。

发明内容

本发明的目的在于提供一种多边形模块化可变形链式机器人，以解决上述问题。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种多边形模块化可变形链式机器人，包括凸多边形基础单元、空间旋转单元和连接带；若干个凸多边形基础单元通过连接带并排连接形成链式单元；两个链式单元之间通过空间旋转单元连接，形成多边形模块化可变形链式机器人；

凸多边形基础单元包括中间层、外层、减速电机、主动轮、从动轮和轴；中间层和外层均为相同的凸多边形；两个外层分别平行设置于中间层的两侧形成单元主体，中间层与外层之间垂直固定设置有若干轴；减速电机设置在单元主体的中心处内部，减速电机的输出轴穿出单元主体的一端面固定连接主动轮，单元主体的另一端面固定连接有从动轮；

空间旋转单元包括空间旋转单元阳极和空间旋转单元阴极；空间旋转单元阳极和空间旋转单元阴极均为与单元主体形状相同的凸多边形，空间旋转单元阳极的一个面上设置有凸起的转轴，空间旋转单元阴极的一个面上设置有与转轴相匹配的转轴槽，转轴插在转轴槽内；凸多边形基础单元与空间旋转单元阳极和空间旋转单元阴极均固定连接；连接带为挠性带。

进一步的，若干凸多边形基础单元并排设置，且每相邻的两个凸多边形基础单元的主动轮不在同一端；任意相邻的两个凸多边形基础单元上的主动轮和从动轮之间通过连接带连接。

进一步的，若干连接轴呈多边形排布，且与中间层的多边形形状相匹配；每个连接轴上均套设有滑轮；每相邻的两个凸多边形基础单元上的滑轮之间通过连接带连接。

进一步的，外层的边缘每个拐点处均设置有凸起或凹槽，且凸起和凹槽呈交错设置；凸起弧形凸起，凹槽为弧形凹槽，凸起和凹槽相互匹配。

进一步的，转轴上设置有键，转轴槽内设置有键槽；转轴和转轴槽均设置在所在面的几何中心；空间旋转单元阳极上与转轴相对的面的端部拐点处设置有凸起或凹槽；空间旋转单元阴极上与转轴槽相对的面的端部拐点处设置有凸起或凹槽。

进一步的，空间旋转单元阳极内设置有驱动电机，驱动电机的输出端连接转轴。

与现有技术相比，本发明有以下技术效果：

本发明涉及一种以凸多边形为基础单元的模块化机器人，可以根据特定的场合和需求，使用不同形状、数量的基础模块组成想要的链式机器人，再使链式机器人相邻模块之间相对运动达到改变链式机器人形状的效果，从而完成对不同需求适应的效果。本发明结构简单，模块种类少，连接简便，运动灵活，运动范围大，变形多样，适应能力强，可替换性强，修复方便。

附图说明

图1正六边形模块化可变形链式机器人连接结构图

图2正六边形基础单元主视图

图3正六边形基础单元侧视图

图4正六边形基础单元右视图

图5正六边形基础单元剖视图

图6两个正六边形基础单元连接图

图7多个正六边形基础单元连接图

图8a正六边形基础单元组成链式机器人形状1

图8b正六边形基础单元组成链式机器人形状2

图8c正六边形基础单元组成链式机器人形状3

图9空间旋转单元阳极结构图

图10空间旋转单元阴极结构图

图11a空间旋转单元阴阳极连接示意图1

图11b空间旋转单元阴阳极连接示意图2

图11c空间旋转单元阴阳极连接示意图3

图12正八边形基础单元组成链式机器人

图13不同多边形基础单元组成链式机器人

图14可用作基础单元的凸多边形示意；

其中：1、凸多边形基础单元；4、空间旋转单元阳极；5、空间旋转单元阴极；81、凸起；82、凹槽；83、中间层；84、外层；9、减速电机；91、电机输出轴；10、从动轮；11、滑轮；12、轴；13、主动轮；14、齿轮。

具体实施方式

以下结合附图对本发明进一步说明：

请参阅图1至图14，一种多边形模块化可变形链式机器人，包括凸多边形基础单元1、空间旋转单元和连接带；若干个凸多边形基础单元1通过连接带并排连接形成链式单元；两个链式单元之间通过空间旋转单元连接，形成多边形模块化可变形链式机器人；

凸多边形基础单元1包括中间层83、外层84、减速电机9、主动轮13、从动轮10和轴12；中间层83和外层84均为相同的凸多边形；两个外层84分别平行设置于中间层83的两侧形成单元主体，中间层83与外层84之间垂直固定设置有若干轴12；减速电机9设置在单元主体的中心处内部，减速电机9的输出轴穿出单元主体的一端面固定连接主动轮13，单元主体的另一端面固定连接有从动轮10；

空间旋转单元包括空间旋转单元阳极4和空间旋转单元阴极5；空间旋转单元阳极4和空间旋转单元阴极5均为与单元主体形状相同的凸多边形，空间旋转单元阳极4的一个面上设置有凸起的转轴41，空间旋转单元阴极5的一个面上设置有与转轴41相匹配的转轴槽51，转轴41插在转轴槽51内；凸多边形基础单元1与空间旋转单元阳极4和空间旋转单元阴极5均固定连接；连接带为挠性带。

若干凸多边形基础单元1并排设置，且每相邻的两个凸多边形基础单元1的主动轮13不在同一端；任意相邻的两个凸多边形基础单元1上的主动轮13和从动轮10之间通过连接带连接。

若干轴12呈多边形排布，且与中间层83的多边形形状相匹配；每个轴12上均套设有滑轮11；每相邻的两个凸多边形基础单元1上的滑轮11之间通过连接带连接。

外层84的边缘每个拐点处均设置有凸起81或凹槽82，且凸起81和凹槽82呈交错设置；凸起81弧形凸起，凹槽82为弧形凹槽，凸起81和凹槽82相互匹配。

转轴41上设置有键，转轴槽51内设置有键槽；转轴41和转轴槽51均设置在所在面的几何中心；空间旋转单元阳极4上与转轴41相对的面的端部拐点处设置有凸起81或凹槽82。空间旋转单元阴极5上与转轴槽51相对的面的端部拐点处设置有凸起81或凹槽82。

空间旋转单元阳极4内设置有驱动电机，驱动电机的输出端连接转轴41。

主动轮13圆心处设置有内齿圈，内齿圈内设置有齿轮14，齿轮14设置在内齿圈内，且齿轮的周向完全啮合；减速电机的输出轴91与齿轮14固定连接。

以正六边形为例：

图1正六边形模块化可变形链式机器人连接结构图为该机器人的一种变形结构。正六边形基础单元1，空间旋转单元阳极4，空间旋转单元阴极5。正六边形基础单元均为相同的单元，两个正六边形基础单元之间通过连接带连接，如图5所示。空间旋转单元阳极4与正六边形基础单元固定连接，空间旋转单元阴极5与正六边形基础单元固定连接，空间旋转单元阳极4和空间旋转单元阴极5通过旋转轴41和转轴槽51配合连接，可以相对旋转。

所述正六边形基础单元1和其他正六边形基础单元完全一致，正六边形基础单元至少包括正六边形框架，减速电机9，从动轮10，小滑轮11，轴12，主动轮13，齿轮14。正六边形框架为3层结构，外边两层上各包含3个81凸起，82凹槽，正六边形框架三层结构之间的中间层83和外层84之间安装两层小滑轮11，小滑轮11沿正六边形面分布，每层若干个。正六边形框架中心可插入减速电机9。正六边形框架一侧表面安装从动轮10，减速电机9的转动轴从正六边形框架的另一侧伸出，轴上安装齿轮14，齿轮14与主动轮13啮合。这样形成一个正六边形基础模块。

正六边形框架上外层84的每一层上包含3个81凸起，82凹槽，在相邻正六边形基础模块连接时起定位啮合作用，也是相邻正六边形基础模块旋转运动的旋转轴。

正六边形框架三层结构之间的中间层83和外层84之间安装两层小滑轮11，每层数量可以3个，6个等。小滑轮11与正六边形框架通过轴12连接，小滑轮11和轴12之间有1个轴承，这样可以确保所有小滑轮11可以自由转动。

减速电机9，通过齿轮14与主动轮13连接，为两个正六边形基础模块之间的转动运动提供动力。

挠性带绕在一个正六边形基础单元的主动轮13和与之相邻的正六边形基础单元的从动轮10上，另一挠性带绕在两相邻正六边形基础单元的一组小滑轮11上，起来平衡前一挠性带的作用。如图6所示。

通过上述两个正六边形基础单元之间的连接方式，可以拓展到3个正六边形基础单元连接，如图7所示。以相同的连接方式，可以拓展到更多个六边形基础单元连接。

所有正六边形基础单元完全相同，两个正六边形直接通过面接触，当电机9驱动主动轮13转动时，主动轮13通过挠性带拉动从动轮10，由于从动轮10与正六边形基础单元固连，因此，两个正六边形基础模块则会绕凸起81和凹槽82接触面转动120度，达到下一个稳态位置，从而实现了相邻正六边形基础单元之间的相对运动。

多个正六边形基础单元串联，通过两两正六边形基础单元之间相对转动，可以实现正六边形模块化可变形链式机器人的变形，如图8展示了3种链式机器人的变形后形状示意图，该链式机器人中未添加空间旋转单元阳极4和空间旋转单元阴极5，所有变形均在同一平面上。

所述空间旋转单元阳极4和空间旋转单元阴极5为形状大小与正六边形基础单元相同的模块。空间旋转单元阳极4表面两侧分别有凸起，凹槽，这里的，凹槽和正六边形基础模块中凸起81，凹槽82，大小相同，用于配合连接。旋转轴41和空间旋转单元阳极4中电机相连，可以旋转。

空间旋转单元阴极5表面两侧分别有凸起，凹槽，这里的凹槽和正六边形基础模块中凸起81，凹槽82，大小相同，用于配合连接。旋转槽51与旋转轴41连接，电机驱动旋转轴41旋转，可以改变空间旋转单元阳极4和空间旋转单元阴极5的相对位置，实现360度旋转。如图11为空间旋转单元阳极4和空间旋转单元阴极5的3种相对位置情况。

当在链式机器人中增加空间旋转单元阳极4和空间旋转单元阴极5后，可以实现链式机器人平面运动到空间运动的变化。如图1所示，为可以实现空间运动的链式机器人。

图1是由7个模块组成的链式机器人，其中正六边形基础模块5个，用于旋转连接的空间旋转单元阴极和空间旋转单元阳极各一个。根据实际需要可以任意安装多个正六边形基础模块以满足实际需要，空间旋转单元阴极和空间旋转单元阳极的意义在于实现该机器人的空间活动，可以根据需求加在链式机器人的相应位子，可以加任意对该模块，如只需要实现链式机器人的某一平面运动，则可以舍弃该模块，只使用正六边形基础模块。

可以通过改变正六边形框架8，减速电机9，从动轮10，小滑轮11，轴12，主动轮13，齿轮14，挠性带的尺寸或规格，设计出不同大小的正六边形基础模块，以满足在不同工作环境中对模块化变构型链式机器人各方面的需求。

除使用正六边形基础模块外，还可以通过上述相同结构，改变多边形形状，实现不同多边形基础单元组成链式机器人，要求所有正多边形均为凸多边形，这样才可以两个单元之间的连接配合和相对旋转。图12为用正八边形基础单元组成链式机器人；图13为不同多边形基础单元组成链式机器人；图14为可用作基础单元的凸多边形的一些示意图。

Claims (6)

1.一种多边形模块化可变形链式机器人，其特征在于，包括凸多边形基础单元(1)、空间旋转单元和连接带；若干个凸多边形基础单元(1)通过连接带并排连接形成链式单元；两个链式单元之间通过空间旋转单元连接，形成多边形模块化可变形链式机器人；

凸多边形基础单元(1)包括中间层(83)、外层(84)、减速电机(9)、主动轮(13)、从动轮(10)和轴(12)；中间层(83)和外层(84)均为相同的凸多边形；两个外层(84)分别平行设置于中间层(83)的两侧形成单元主体，中间层(83)与外层(84)之间垂直固定设置有若干轴(12)；减速电机(9)设置在单元主体的中心处内部，减速电机(9)的输出轴穿出单元主体的一端面固定连接主动轮(13)，单元主体的另一端面的固定连接有从动轮(10)；

空间旋转单元包括空间旋转单元阳极(4)和空间旋转单元阴极(5)；空间旋转单元阳极(4)和空间旋转单元阴极(5)均为与单元主体形状相同的凸多边形，空间旋转单元阳极(4)的一个面上设置有凸起的转轴(41)，空间旋转单元阴极(5)的一个面上设置有与转轴(41)相匹配的转轴槽(51)，转轴(41)插在转轴槽(51)内；凸多边形基础单元(1)与空间旋转单元阳极(4)和空间旋转单元阴极(5)均固定连接；连接带为挠性带。

2.根据权利要求1所述的一种多边形模块化可变形链式机器人，其特征在于，若干凸多边形基础单元(1)并排设置，且每相邻的两个凸多边形基础单元(1)的主动轮(13)不在同一端；任意相邻的两个凸多边形基础单元(1)上的主动轮(13)和从动轮(10)之间通过连接带连接。

3.根据权利要求1所述的一种多边形模块化可变形链式机器人，其特征在于，若干连接轴(12)呈多边形排布，且与中间层(83)的多边形形状相匹配；每个连接轴(12)上均套设有滑轮(11)；每相邻的两个凸多边形基础单元(1)上的滑轮(11)之间通过连接带连接。

4.根据权利要求1所述的一种多边形模块化可变形链式机器人，其特征在于，外层(84)的边缘每个拐点处均设置有凸起(81)或凹槽(82)，且凸起(81)和凹槽(82)呈交错设置；凸起(81)为弧形凸起，凹槽(82)为弧形凹槽，凸起(81)和凹槽(82)相互匹配。

5.根据权利要求1所述的一种多边形模块化可变形链式机器人，其特征在于，转轴(41)上设置有键，转轴槽(51)内设置有键槽；转轴(41)和转轴槽(51)均设置在所在面的几何中心；空间旋转单元阳极(4)上与转轴(41)相对的面的端部拐点处设置有凸起(81)或凹槽(82)；空间旋转单元阴极(5)上与转轴槽(51)相对的面的端部拐点处设置有凸起(81)或凹槽(82)。

6.根据权利要求1所述的一种多边形模块化可变形链式机器人，其特征在于，空间旋转单元阳极(4)内设置有驱动电机，驱动电机的输出端连接转轴(41)。