CN109732578A - 一种模块化空间变构型机器人结构 - Google Patents

Abstract

一种模块化空间变构型机器人结构，包括若干模块单元和钢丝绳；每个模块单元内部均设置有通孔，钢丝绳依次穿过模块单元，将若干个模块单元连接在一起形成模块化空间变构型机器人；本发明改变多棱台面与面的夹角、棱台顶面各边之间的夹角、斜棱柱的倾斜角、多棱台中的底面边数、以及增加多棱台的层数、增加模块数量，使模块化机器人构型数目增长快、末端所能达到角度和位置更趋向于空间全覆盖，适用性和实用性增强。

Description

一种模块化空间变构型机器人结构

技术领域

本发明属于机器人领域，特别涉及一种模块化空间变构型机器人结构。

背景技术

能够适应多变环境、完成多重任务、服务多类对象的可变构型机器人在太空探测、未来战场支援、水下作业、医疗康复等领域有着巨大的应用价值。

基于模块化的设计思想，通过组合多个功能模块、形成具有多种构型、适应不同的任务的机器人已相继问世。代表性成果有：日本名古屋大学Fukuda等研制的细胞机器人、德国Schunk公司生产的PowerCUBE模块化机械臂和上海交通大学研制的晶格式M-Cube自重构机器人。但是这类模块化机器人，模块间连接方式单一、连接刚度难以保证、单元模块内部结构复杂、变构型能力相对较少，是目前变构型机器人实现工程应用的瓶颈。

发明内容

本发明的目的在于提供一种实用性更强的空间变构型机器人模块化结构，简化模块间的重构、丰富模块间的连接形式。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种模块化空间变构型机器人结构，包括若干模块单元和绳索；每个模块单元内部均设置有通孔，绳索依次穿过模块单元，将若干个模块单元连接在一起形成模块化空间变构型机器人。

模块单元包括上棱台、棱柱和下棱台；上棱台和下棱台的底面分别固定设置在棱柱的上下两端，形成模块单元；上棱台和下棱台的底面形状及大小与棱柱端部的形状及大小相同。

进一步的，通孔包括绳索通孔和绳索导槽；棱柱上下两个端面的几何中心之间的通孔为绳索通孔；上棱台上自顶面到底面方向开设有相互交叉的槽，且槽能够延伸到上棱台的每个侧面上，形成绳索导槽；相互交叉的两条槽的交叉点与绳索通孔连通；下棱台上开设有与上棱台上相同的绳索导槽。

进一步的，上棱台(1)和下棱台(3)的顶面与其侧面的夹角为α可变，α变化范围从100°—170°。

进一步的，棱柱为N棱柱，其中N为3至12。

进一步的，上棱台和下棱台为M层棱台，上一层棱台的底面与下一层棱台的顶面相同，其中M为1至5。

与现有技术相比，本发明有以下技术效果：

本发明改变多棱台面与面的夹角、棱台顶面各边之间的夹角、斜棱柱的倾斜角、多棱台中的底面边数、以及增加多棱台的层数、增加模块数量，模块化机器人末端所能达到角度和位置更趋向于空间全覆盖，适用性、实用性增强。

本发明改变N棱台中的N，以及增加N棱台的层数，即可改变模块间的稳态数，进而可以使用较少的模块达到所需的构型；如果模块增多，模块化变构型机器人的构型数将以几何方式增加。

本发明单元模块采用简单的多边形设计，结构明显地简单，成本明显地降低。

附图说明

图1是单元模块的结构示意图；

图2a-2d是不同底面边数的模块示意图；

图3a-3d是不同底面边数模块直链构型示意图；

图4a-4d是不同底面边数模块曲链构型示意图；

图5a-5c是不同棱台侧面与顶面夹角α的模块示意图；

图6a-6c是不同棱台侧面与顶面夹角α模块直链构型示意图；

图7a-7c是不同棱台侧面与顶面夹角α模块曲链构型示意图；

图8a-8d是不同顶面边之间夹角β的模块示意图；

图9a-9d是不同顶面边之间夹角β模块直链构型示意图；

图10a-10d是不同顶面边之间夹角β模块曲链构型示意图；

图11a-11c是不同棱台层数的模块示意图；

图12a-12c是不同棱台层数模块直链构型示意图；

图13a-13c是不同棱柱斜角的模块示意图；

图14a-14c是不同棱柱斜角模块直链构型示意图；

图15a-15c是不同棱柱斜角模块曲链构型示意图；

其中：1、上棱台；2、棱柱；3、下棱台；10、绳索导槽；11、绳索通孔。

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15，一种模块化空间变构型机器人结构，包括若干模块单元和绳索；每个模块单元内部均设置有通孔，绳索依次穿过模块单元，将若干个模块单元连接在一起形成模块化空间变构型机器人。

模块单元包括上棱台1、棱柱2和下棱台3；上棱台1和下棱台3的底面分别固定设置在棱柱2的上下两端，形成模块单元；上棱台1和下棱台3的底面形状及大小与棱柱2端部的形状及大小相同。

通孔包括绳索通孔11和绳索导槽10；棱柱2上下两个端面的几何中心之间的通孔为绳索通孔11；上棱台1上自顶面到底面方向开设有相互交叉的槽，且槽能够延伸到上棱台1的每个侧面上，形成绳索导槽10；相互交叉的两条槽的交叉点与绳索通孔11连通；下棱台3上开设有与上棱台1上相同的绳索导槽10。

棱柱2为直棱柱或斜棱柱，且棱柱2的上下两个端面的每个边长均相等。

上棱台1和下棱台3的梯形侧面的斜高为其顶面各边到顶面中心距离的两倍。

上棱台1和下棱台3的顶面与其侧面的夹角为α，α变化范围从100°—170°。

棱柱2为N棱柱，其中N为3至12。

上棱台1和下棱台3为M层棱台，上一层棱台的底面与下一层棱台的顶面相同，其中M为1至5。

绳索的一端与模块化空间变构型机器人一端部的模块单元固定。

实施例1

如图2、3、4所示，不同底面边数的模块及链状构型。图中，模块a底边边数为3，模块b底边边数为4，模块c底边边数为6，模块d底边边数为8。四种模块的上棱台、下棱台均为直棱台；棱柱为直棱柱；棱台的顶面为各边相等的正多边形；棱台的梯形侧面的斜高是顶面各边到中心距离的两倍相等；棱台的梯形侧面与顶面的夹角α为135度。

改变模块底边边数一方面可改变在模块间水平面转动的夹角基数，即底边边数为N，水平面夹角基数为360/N，即可实现每次以360/N的角度水平偏转。另一方面可以改变模块间的稳态构型数，稳态构型数为N。考虑到稳态的效果，N推荐取值3—12。

实施例2

如图5、6、7所示，不同夹角α的模块及链状构型，即棱台的梯形侧面与顶面的夹角。图中，模块a面面夹角α为120度，模块b面面夹角α为135度，模块c面面夹角α为150度，三种模块的上棱台、下棱台均为直棱台；棱柱为直棱柱；棱台的底面边数均为4；棱台的顶面为各边相等的正方形；棱台的梯形侧面的斜高是顶面各边到中心距离的两倍相等。

改变棱台的梯形侧面与顶面的夹角，可改变垂直面转动的夹角基数，即当棱台顶面与侧面的夹角α时，垂直面偏转夹角基数为360-2α，即可实现每次以360-2α的角度垂直偏转。当夹角α为120度，垂直面偏转夹角基数为120度；当夹角α为135度，垂直面偏转夹角基数为90度；当夹角α为150度，垂直面偏转夹角基数为60度。α推荐取值100—170度。

实施例3

如图8、9、10所示，不同夹角β的模块及链状构型，即棱台顶面各线线夹角。图中，模块a棱台的底面边数为4，各线线夹角β分别为70、110、70、110度，模块b棱台的底面边数为6，各线线夹角β分别为105、150、105、105、150、105度，两种模块的上棱台、下棱台均为直棱台；棱柱为直棱柱；棱台的顶面为各边相等的多边形；棱台的梯形侧面的斜高是顶面各边到中心距离的两倍相等。

改变棱台顶面各线线夹角，可增加水平面转动的夹角基数数量，即当有2种线线夹角时，水平面偏转夹角基数为两种角度的线性组合，当有多种线线夹角时，水平面偏转夹角基数为多种角度的线性组合。例如夹角β分别为70、110、70、110度时，水平面偏转夹角基数可为70度，也可以为110，同时也可以是40度。

实施例4

如图11、12所示，不同棱台层数的模块及链状构型。图中，模块a有1层棱台，棱台的梯形侧面与顶面的夹角为135度。模块b有2层棱台，棱台的第一层梯形侧面与顶面的夹角为150度，棱台的第二层梯形侧面与第一层梯形侧面的夹角也为150度。模块c有3层棱台，棱台的第一层梯形侧面与顶面的夹角、第二层梯形侧面与第一层梯形侧面的夹角、第三层梯形侧面与第二层梯形侧面的夹角均为157.5度。三种模块的上棱台、下棱台均为直棱台；棱柱为直棱柱；棱台的底面边数均为4；棱台的顶面为各边相等的正方形；棱台的梯形侧面的斜高是顶面各边到中心距离的两倍相等。

改变棱台的层数M，一方面可增加垂直面转动的夹角基数数量，即当有2层棱台时，垂直面偏转夹角基数为两种角度的线性组合，当有3层棱台时，垂直面偏转夹角基数为三种角度的线性组合。另一方面可以显著增加模块间的稳态构型数，例如M个N棱台组合，模块间的稳态数为N×M+1。M推荐取值1-5。

实施例5

如图13、14、15所示，不同棱柱斜角的模块及链状构型。图中，两种模块的上棱台、下棱台均为直棱台；棱柱为斜棱柱，模块a中棱柱在水平面X轴的偏转30度、Y方向偏转60度，模块b中棱柱在水平面X轴的偏转40度、Y方向偏转25度；棱台的底面边数均为4；棱台的顶面为各边相等的正方形；棱台的梯形侧面的斜高是顶面各边到中心距离的两倍相等。

改变棱柱倾斜角，可改变构型末端所能到达的位置和方向。

Claims (5)

1.一种模块化空间变构型机器人结构，其特征在于，包括若干模块单元和绳索；每个模块单元内部均设置有通孔，绳索依次穿过模块单元，将若干个模块单元连接在一起形成模块化空间变构型机器人；

模块单元包括上棱台(1)、棱柱(2)和下棱台(3)；上棱台(1)和下棱台(3)的底面分别固定设置在棱柱(2)的上下两端，形成模块单元；上棱台(1)和下棱台(3)的底面形状及大小与棱柱(2)端部的形状及大小相同。

2.根据权利要求1所述的一种模块化空间变构型机器人结构，其特征在于，通孔包括绳索通孔(11)和绳索导槽(10)；棱柱(2)上下两个端面的几何中心之间的通孔为绳索通孔(11)；上棱台(1)上自顶面到底面方向开设有相互交叉的槽，且槽能够延伸到上棱台(1)的每个侧面上，形成绳索导槽(10)；相互交叉的两条槽的交叉点与绳索通孔(11)连通；下棱台(3)上开设有与上棱台(1)上相同的绳索导槽(10)。

3.根据权利要求1所述的一种模块化空间变构型机器人结构，其特征在于，上棱台(1)和下棱台(3)的顶面与其侧面的夹角为α可变，α变化范围从100°—170°。

4.根据权利要求1所述的一种模块化空间变构型机器人结构，其特征在于，棱柱(2)为N棱柱，其中N为3至12。

5.根据权利要求1所述的一种模块化空间变构型机器人结构，其特征在于，上棱台(1)和下棱台(3)为M层棱台，上一层棱台的底面与下一层棱台的顶面相同，其中M为1至5。