CN109807873B - 一种模块化的多稳态机器人单元结构 - Google Patents

Abstract

一种模块化的多稳态机器人单元结构，包括单元主体、限位转轴、限位转轴槽、限位块和限位槽；单元主体为凸多边形形状；单元主体上每两个相邻的侧面之间的棱边上设置有限位转轴或限位转轴槽，同一棱边上同为限位转轴或同为限位转轴槽，且限位转轴和限位转轴槽交错间隔设置；限位转轴和限位转轴槽大小相互匹配；本发明结构简单，大多都是块状结构，没有复杂的机构，与其他种类的多稳态机器人单元相比，无论是加工还是控制，都更容易实现，整体的造价较低；具有的稳态多且稳定，能适应多种复杂多变的环境和工况。

Description

一种模块化的多稳态机器人单元结构

技术领域

本发明属于机器人领域，特别涉及一种模块化的多稳态机器人单元结构。

背景技术

在太空探测、水下作业、机械加工、农业生产、医疗康复等领域，通常要求机器人具有多稳态、可重构的能力，以适应复杂多变的环境、任务和操作对象。传统的模块化机器人，因其结构复杂和控制困难，导致制造及使用成本较高，无法大力推广和应用；又因其较少的稳态、较差的抗干扰能力和较低的可靠性，无法适应复杂多变的环境和工况。

发明内容

本发明的目的在于提供一种模块化的多稳态机器人单元结构，以解决上述问题。

为实现上述问题，本发明采用以下技术方案：

一种模块化的多稳态机器人单元结构，包括单元主体、限位转轴、限位转轴槽、限位块和限位槽；单元主体为凸多边形形状；单元主体上每两个相邻的侧面之间的棱边上设置有限位转轴或限位转轴槽，同一棱边上均为限位转轴或均为限位转轴槽，且限位转轴和限位转轴槽交错间隔设置；限位转轴和限位转轴槽形状大小相互匹配；

单元主体每个侧面上均设置有限位块或限位槽；限位块和限位槽在单元主体上交错间隔设置；限位块和限位槽大小形状相互匹配。

进一步的，限位块或限位槽均位于所在侧面上；限位转轴或限位转轴槽沿棱边长度方向设置。

进一步的，限位块为多面体形或弧形，限位槽为多面体形凹槽或弧形凹槽，限位块与限位槽相互匹配。

进一步的，限位转轴为圆柱状或棱柱状，限位转轴槽为圆柱状槽，限位转轴与限位转轴槽相互匹配。

进一步的，单元主体上每两个相邻的侧面之间的棱边上设置有若干个限位转轴或限位转轴槽，在棱边长度方向等间距分布，限位转轴槽的个数及位置与限位转轴相匹配。

进一步的，侧面上设置有若干个限位块和限位槽，限位槽的个数及位置与限位块相匹配。

进一步的，任意两个相邻的单元结构能够互相配合相对转动，且对应侧面能相互贴合。

进一步的，单元主体为凸多边形形状。

与现有技术相比，本发明有以下技术效果：

本发明模块化的多稳态机器人单元调整各单元的空间位置，根据所需稳态，各相邻的单元相对转动，其中限位转轴与限位转轴槽能避免两单元转动时轴线错位与棱边滑脱。当变形为所需稳态时，限位块与限位槽能避免两单元侧面发生滑脱，使各单元模块维持在所需稳态。若工况再次改变，重复上述过程，使得模块化的多稳态机器人单元再次改变稳态来满足工作要求。

本发明结构简单，大多都是块状结构，没有复杂的机构，与其他种类的多稳态机器人单元相比，无论是加工还是控制，都更容易实现，整体的造价较低；

本发明稳态多，通过改变单个单元主体的形状及多种形状的单元的组合方式，理论上能有无穷多种构型，而每添加一个n变形单元，稳态数量再乘上n；添加了限位结构，确保稳态的稳定性。

附图说明

图1是模块化的多稳态机器人单元的外观示意图；

图2a是两单元啮合示意图；

图2b是限位转轴与限位转轴槽镜像分布的示意图。

图2c是限位转轴与限位转轴槽交叉分布的示意图。

图2d是三角形限位转轴的示意图。

图2e是三组限位转轴与限位转轴槽的示意图。

图3a是方形限位块示意图示意图。

图3b是圆弧形限位块示意图示意图。

图3c是多组限位块示意图示意图。

图4a是凸多边形单元示意图。

图4b是正六边形单元组合示意图。

图4c是正六边形单元与正八边形单元组合示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明进一步说明：

一种模块化的多稳态机器人单元结构，包括单元主体1、限位转轴2、限位转轴槽3、限位块4和限位槽5；单元主体1为凸多边形形状；单元主体1上每两个相邻的侧面之间的棱边上设置有限位转轴2或限位转轴槽3，同一棱边上均为限位转轴2或均为限位转轴槽3，且限位转轴2和限位转轴槽3交错间隔设置；限位转轴2和限位转轴槽3形状大小相互匹配；

单元主体1每个侧面上均设置有限位块4或限位槽5；限位块4和限位槽5在单元主体1上交错间隔设置；限位块4和限位槽5大小形状相互匹配。

限位块4或限位槽5均位于所在侧面上；限位转轴2或限位转轴槽3沿棱边长度方向设置。

限位块4为多面体形或弧形，限位槽5为多面体形凹槽或弧形凹槽，限位块4与限位槽5相互匹配。

限位转轴2为圆柱状或棱柱状，限位转轴槽3为圆柱状槽，限位转轴2与限位转轴槽3相互匹配。

单元主体1上每两个相邻的侧面之间的棱边上设置有若干个限位转轴2或限位转轴槽3，在棱边长度方向等间距分布，限位转轴槽3的个数及位置与限位转轴2相匹配。

侧面上设置有若干个限位块4和限位槽5，限位槽5的个数及位置与限位块4相匹配。

任意两个相邻的单元结构能够互相配合相对转动，且对应侧面能相互贴合。

单元主体1为凸多边形形状。任意两种单元主体1，只要边长相等，都能组合在一起。

实施例一

如图1和图2a所示，一种模块化的多稳态机器人单元，至少包括单元主体1、限位转轴2、限位转轴槽3、限位块4、限位槽5。单元主体1为六边形块状结构，六个侧面间隔分布着限位块4与限位槽5，限位转轴2与限位转轴槽3间隔分布在平行于单元主体1轴线方向的六条棱边上；两单元之间，侧面与侧面贴合，限位转轴2与限位转轴槽3配合，且一单元侧面上的限位块4刚好能嵌入另一单元侧面的限位槽5，避免两侧面滑脱。

所述的限位转轴2、限位转轴槽3、限位块4、限位槽5，其中限位转轴2是圆柱形结构，限位转轴槽3是圆柱形槽状结构，限位块4是长方体结构，限位槽5是长方体槽状结构，它们能在两单元转动过程及处于稳态时，起到限位作用。

所述的模块化的多稳态机器人单元，任意两个单元之间，都可以相对转动，且转动后能维持在相应的稳态，从而实现多稳态。

通过改变单元主体1的形状及限位转轴2、限位转轴槽3、限位块4、限位槽5的尺寸、数量和分布方式，可以满足在不同工作环境中对模块化的多稳态机器人单元各方面的需求。

实施例二

如图2b、图2c、图2d和图2e所示，一种模块化的多稳态机器人单元，至少包括单元主体1、限位转轴2、限位转轴槽3、限位块4、限位槽5。单元主体1为六边形块状结构，六个侧面间隔分布着限位块4与限位槽5，限位转轴2与限位转轴槽3间隔分布在平行于单元主体1轴线方向的六条棱边上；两单元之间，侧面与侧面贴合，限位转轴2与限位转轴槽3配合，且一单元侧面上的限位块4刚好能嵌入另一单元侧面的限位槽5，避免两侧面滑脱。

所述的限位转轴2与限位转轴槽3的分布方式，形状，数量均可根据工况要求来设计。如图2a所示，限位转轴2与限位转轴槽3的分布方式不固定，可以是镜像分布；如图2b所示，限位转轴2与限位转轴槽3的分布方式不固定，在单元侧面可以是交叉分布；如图2c所示，限位转轴2与限位转轴槽3的形状，不限于是圆柱形，也可以是三棱柱形；如图2d所示，限位转轴2与限位转轴槽3的数量根据工况要求，可以是两组，也可以是三组。

本发明一种模块化的多稳态机器人单元的限位转轴2与限位转轴槽3具有的机理是：两单元相对转动时，若没有限位转轴2与限位转轴槽3，则是两条棱边相互接触，必然会发生滑脱；而配有限位转轴2与限位转轴槽3后，一单元的限位转轴2嵌入另一单元的限位转轴槽3，使得两条棱边在两单元相对转动过程中，时刻保持重合。且多组限位转轴2与限位转轴槽3的分布形式，还能避免两单元沿棱边方向发生侧滑。

实施例三

如图3a、图3b和图3c所示，一种模块化的多稳态机器人单元，至少包括单元主体1、限位转轴2、限位转轴槽3、限位块4、限位槽5。单元主体1为六边形块状结构，六个侧面间隔分布着限位块4与限位槽5，限位转轴2与限位转轴槽3间隔分布在平行于单元主体1轴线方向的六条棱边上；两单元之间，侧面与侧面贴合，限位转轴2与限位转轴槽3配合，且一单元侧面上的限位块4刚好能嵌入另一单元侧面的限位槽5，避免两侧面滑脱。

所述的限位块4与限位槽5的分布方式，形状，数量均可根据工况要求来设计。如图3a和图3b所示，限位块4与限位槽5的形状，可以是方形，也可以是圆弧形；如图3c所示，限位块4与限位槽5的数量，可以是一组，也可以是多组。

本发明一种模块化的多稳态机器人单元的限位块4与限位槽5具有的机理是：两单元侧面贴合时，若没有限位块4与限位槽5，则会导致两侧面发生滑脱，而配有限位块4与限位槽5后，一单元的限位块4嵌入另一单元的限位槽5，能彻底限制两侧面发生相对滑动。

实施例四

如图4a、图4b和图4c所示，单元主体1的形状可以是任意凸多边形，如图4a所示，单元主体1的形状可以是正六边形、正七边形、正八边形、非正七边形等凸多边形；根据工况要求，各单元可以有多种组合方式，如图4b、图4c所示，可以是单一的正多边形组合，可以是两种正多边形组合，甚至可以是正多边形与非正多边形组合。

Claims (5)

1.一种模块化的多稳态机器人单元结构，其特征在于，包括单元主体(1)、限位转轴(2)、限位转轴槽(3)、限位块(4)和限位槽(5)；单元主体(1)的外轮廓为凸多边形形状；单元主体(1)上每两个相邻的侧面之间的棱边上设置有限位转轴(2)或限位转轴槽(3)，同一棱边上均为限位转轴(2)或均为限位转轴槽(3)，且限位转轴(2)和限位转轴槽(3)交错间隔设置；限位转轴(2)和限位转轴槽(3)形状大小相互匹配；

单元主体(1)每个侧面上均设置有限位块(4)或限位槽(5)；限位块(4)和限位槽(5)在单元主体(1)上交错间隔设置；限位块(4)和限位槽(5)大小形状相互匹配；

限位块(4)为多面体形或弧形，限位槽(5)为多面体形凹槽或弧形凹槽，限位块(4)与限位槽(5)相互匹配；

限位转轴(2)为圆柱状或棱柱状，限位转轴槽(3)为圆柱状槽，限位转轴(2)与限位转轴槽(3)相互匹配；

任意两个相邻的单元结构能够互相配合相对转动，且对应侧面能相互贴合。

2.根据权利要求1所述的一种模块化的多稳态机器人单元结构，其特征在于，限位块(4)或限位槽(5)均位于所在侧面上；限位转轴(2)或限位转轴槽(3)沿棱边长度方向设置。

3.根据权利要求1所述的一种模块化的多稳态机器人单元结构，其特征在于，单元主体(1)上每两个相邻的侧面之间的棱边上设置有若干个限位转轴(2)或限位转轴槽(3)，在棱边长度方向等间距分布，限位转轴槽(3)的个数及位置与限位转轴(2)相匹配。

4.根据权利要求1所述的一种模块化的多稳态机器人单元结构，其特征在于，侧面上设置有若干个限位块(4)和限位槽(5)，限位槽(5)的个数及位置与限位块(4)相匹配。

5.根据权利要求1所述的一种模块化的多稳态机器人单元结构，其特征在于，单元主体(1)为凸多边形形状。

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