CN110802581B - 一种可重构模块化机器人侧面连接机构及机器人 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种可重构模块化机器人侧面连接机构及机器人，包括：主连接机构：包括多个沿圆周分布的卡爪，卡爪底端与底座转动连接，卡爪底端设有连接部，连接部与第一连杆一端铰接，第一连杆的另一端与铰接座铰接，铰接座转动连接在第二连杆的一端端部，第二连杆另一端与转盘铰接，转盘与底座转动连接，转盘与卡爪所在圆周同轴设置，转盘与用于固定设置在机器人模块外壳内部的驱动机构连接；副连接机构：包括第一驱动件，第一驱动件与连接臂的一端连接，连接臂的另一端固定有第二驱动件，第二驱动件与公头杆连接，使用本发明的连接机构能够使机器人适合更复杂的工作场景。

Description

一种可重构模块化机器人侧面连接机构及机器人

技术领域

本发明涉及机器人技术领域，具体涉及一种可重构模块化机器人侧面连接机构及机器人。

背景技术

随着移动机器人担负的任务越来越复杂多样，传统机器人将不再满足多重环境的任务要求，可重构移动机器人有多个独立单元组成，因其适应性强、效率高、整机开发时间短、成本低、功耗小、高可靠性、高稳定性的特点受到广泛重视。

目前在可重构机器人系统上做了很多研究，例如宾夕法尼亚大学的CKBot，Hirose设计的蛇形可重构机器人，Pamecha和Chirikjian设计的Metamorphic机器人系统。发明人发现，对于外形不规则的个体，其侧面对接机构操作过程复杂，对接时，两个机器人模块的位置精度要求较高，造成了一定的不便。目前可重构机器人侧面对接方式主要有：机械式、电磁式、形状记忆合金与机械结合、机械与电磁结合，发明人发现，上述侧面对接方式使两部分机器人模块之间没有足够的运动自由度，造成了对接时需要较高的对接精度，而且无法适应复杂的应用场景。

发明内容

本发明的目的是为克服现有技术的不足，提供一种可重构模块化机器人侧面连接机构，使两个机器人模块之间具有自由度，适应复杂的应用场景，对接方便快捷，对两个机器人对接时的位置精度要求低。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种可重构模块化机器人侧面连接机构，包括：

主连接机构：包括多个沿圆周分布的卡爪，卡爪底端与底座转动连接，底座能够与机器人模块外壳固定连接，卡爪底端设有连接部，连接部与第一连杆一端铰接，第一连杆的另一端与铰接座铰接，铰接座转动连接在第二连杆的一端端部，第二连杆另一端与转盘铰接，转盘与底座转动连接，转盘与卡爪所在圆周同轴设置，转盘与用于固定设置在机器人模块外壳内部的驱动机构连接，驱动机构能够驱动转盘转动。

转盘的转动能够驱动第一连杆与第二连杆的连接端沿转盘所在圆周的径向运动，第一连杆的另一端通过连接部带动卡爪转动，实现多个卡爪的张开和闭合。

副连接机构：包括第一驱动件，第一驱动件与连接臂的一端连接，能够驱动连接臂在第一平面内摆动，连接臂的另一端固定有第二驱动件，第二驱动件与公头杆连接，能够驱动公头杆在与第一平面垂直的第二平面内摆动。

进一步的，所述公头杆端部固定有卡盘，多个卡爪相对的端面设置有弧面槽，多个卡爪的弧面槽构成容纳卡盘的空间，卡盘伸入弧面槽构成的空间内，能够防止公头杆与卡爪的分离。

进一步的，所述卡爪顶端设有与公头杆相匹配的弧形面，卡爪能够通过弧形面与公头杆接触。

进一步的，所述驱动机构包括与转盘中心位置固定连接的驱动轴，所述驱动轴与摇杆的一端固定连接，摇杆的另一端与第三连杆的一端铰接，第三连杆的另一端与曲柄的一端铰接，曲柄的另一端与第一电机的输出轴固定连接。

进一步的，所述铰接座为U型结构，铰接座穿过有双头螺柱，第一连杆与双头螺柱转动连接，双头螺柱两端螺纹连接有固定螺母，固定螺母用于防止双头螺柱从铰接座及第一连杆上脱离，所述铰接座与螺纹固定在第二连杆端部的转动螺栓转动连接。

进一步的，所述底座开设有多个开槽，所述开槽内部穿过有转轴，所述转轴通过固定件与底座固定连接，卡爪底部与转轴转动连接。

进一步的，所述固定件包括垂直设置且与底座螺纹连接的的第一固定螺钉和第二固定螺钉，所述第一固定螺钉和第二固定螺钉的轴线垂直设置，第一固定螺钉和第二固定螺钉能够伸入底座设置的转轴安装通道内部，并将转轴压紧在转轴安装通道内部。

进一步的，所述第一驱动件采用第二电机，所述第二电机输出轴的外周面与连接臂的一端固定连接，第二电机固定在电机座上，所述电机座能够与机器人模块的壳体固定连接，所述第二驱动件采用第三电机，所述第三电机固定在连接臂的另一端，公头杆固定在第三电机输出轴的外周面上。

进一步的，所述底座的底面固定有多个固定部，所述固定部穿过相邻两个第二连杆之间的空间，底座能够通过固定部与机器人模块的外壳固定连接。

本发明还公开了一种机器人，包括多个机器人模块，机器人模块的外壳的两个侧部分别安装有主连接机构和副连接机构，相邻两个机器人模块通过主连接机构和副连接机构连接。

本发明的有益效果：

1.本发明的可重构模块化机器人侧面连接机构，公头杆能够在第一驱动件和第二驱动件的作用下朝向任意方向摆动，使相邻两个机器人模块之间具有一定的运动自由度，实现了相邻两个机器人模块的柔性连接，能够适应复杂的地形环境，且两个机器人模块对接时，对两个机器人模块的位置精度要求不高，降低了对接工作的难度，缩短了对接工作时间，提高了对接工作效率。

2.本发明的可重构模块化机器人侧面连接机构，公头杆端部具有卡盘，能够卡在卡爪的弧面槽形成的空间内，防止公头杆与卡爪分离，连接牢固，可靠性好。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的限定。

图1为本发明实施例1主连接机构整体结构示意图；

图2为本发明实施例1卡爪与底座装配示意图；

图3为本发明实施例1转盘、第一连杆、第二连杆与铰接座装配示意图；

图4为本发明实施例1驱动机构结构示意图；

图5为本发明实施例1副连接机构结构示意图；

图6为本发明实施例2机器人整体结构示意图；

其中，1.底座，2.固定部，3.转轴，4.第一固定螺钉，5.第二固定螺钉，6.卡爪，6-1.弧面槽，6-2.弧形面，7.连接部，7-1.连接耳板，8.第一连杆，9.第一转动螺栓，10.第一固定螺母，11.铰接座，12.双头螺柱，13.第二固定螺母，14.第二连杆，15.第二转动螺栓，16.转盘，17.第三转动螺栓，18.第三固定螺母，19.转盘支座，20.驱动轴，21.摇杆，22.第三连杆，23.曲柄，24.第一电机，25.第二电机，26.电机座，27.连接臂，28.第三电机，29.公头杆，30.卡盘，31.机器人模块。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

为了方便叙述，本发明中如果出现“上”、“下”、“左”“右”字样，仅表示与附图本身的上、下、左、右方向一致，并不对结构起限定作用,仅仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

正如背景技术所介绍的，目前的可重构模块化机器人连接机构使得各个机器人模块之间无法具有足够的自由度，不适应复杂场景的使用要求，针对上述问题，本申请提出了一种可重构模块化机器人侧面连接机构。

本申请的一种典型实施方式实施例1中，如图1-5所示，一种可重构模块化机器人侧面连接机构，包括用于分别固定在机器人模块壳体两个侧部壳壁中心部位的主连接机构和副连接机构，相邻两个机器人模块能够通过主连接机构和副连接机构实现柔性连接。

所述主连接机构包括底座1，所述底座的底面固定有三个固定部2，三个固定部能够与机器人模块的外壳固定连接，所述底座的侧面设置有三个开槽，三个开槽沿圆周均匀分布，且三个开槽的位置错开固定部的位置，所述开槽内设置有转轴3，所述转轴伸入底座开设的转轴安装通道内，并通过固定件固定，所述固定件包括第一固定螺钉4及第二固定螺钉5，所述第一固定螺钉和第二固定螺钉均与底座螺纹连接，且能够伸入转轴安装通道内部，所述第一固定螺钉和第二固定螺钉的轴线垂直设置，旋转第一固定螺钉和第二固定螺钉，第一固定螺钉和第二固定螺钉将转轴压紧在转轴安装通道内。

三个开槽内的转轴均转动连接有卡爪6，所述卡爪的底端与转轴转动连接，三个卡爪沿圆周均匀分布。

所述卡爪的底部一体式连接有连接部7，所述连接部与第一连杆的一端铰接，具体的，所述连接部的端部设置有两个连接耳板7-1，第一连杆8的端部设置在两个连接耳板之间，两个连接耳板和第一连杆端部之间穿过有第一转动螺栓9，所述第一转动螺栓上螺纹连接有第一固定螺母10，第一固定螺母用于防止第一转动螺栓从连接耳板及第一连杆端部脱离，第一连杆能够绕第一转动螺栓的螺栓杆转动，连接部也能够绕第一转动螺栓的螺栓杆转动，本实施例中，第一转动螺栓的螺栓杆与连接耳板和第一连杆接触的部分为光滑杆。

所述第一连杆的另一端与U型结构的铰接座11铰接，具体的，所述铰接座中穿过有双头螺柱12，第一连杆端部与双头螺柱的中部位置转动连接，所述双头螺柱的两端螺纹连接有第二固定螺母13，第二固定螺母用于防止双头螺柱从铰接座及第一连杆上脱离，第一连杆能够绕双头螺柱转动。

所述铰接座与第二连杆14转动连接，具体的，所述第二连杆一端端部螺纹连接有第二转动螺栓15，所述第二转动螺栓穿过第二连杆后与铰接座转动连接，第二转动螺栓与铰接座接触的部分为光滑杆。

所述第二连杆的另一端与转盘16铰接，具体的，第二连杆与转盘穿过有第三转动螺栓17，第三转动螺栓上螺纹连接有第三固定螺母18，第三转动螺栓的螺栓杆与转盘及第二连杆接触部分为光滑杆，转盘及第二连杆能够绕第三转动螺栓转动。

所述转盘设置在底座的三个固定部之间的空间内，所述转盘与三个卡爪所在的圆周同轴设置，且转盘与转盘支座19转动连接，所述转盘支座与底座固定连接。

所述转盘与驱动机构连接，驱动机构用于设置在机器人模块外壳的内部，驱动机构能够驱动转盘的转动。

所述驱动机构包括驱动轴20，所述驱动轴的一端伸出至机器人模块外壳外部并与转盘固定连接，驱动轴的另一端通过键连接的方式与摇杆21的一端固定连接，摇杆的另一端与第三连杆22的一端铰接，铰接方式与转盘同第二连杆的铰接方式相同，在此不进行详细叙述，第三连杆的另一端与曲柄23的一端铰接，铰接方式与摇杆、第三连杆的铰接方式相同，在此不进行详细叙述，所述曲柄的另一端与第一电机24的输出轴固定连接，本实施例中，所述驱动轴能够通过轴承与机器人模块的外壳转动连接，第一电机能够固定在机器人模块外壳内部。

所述第一电机能够通过曲柄、第三连杆和摇杆带动转盘转动，由于底座和卡爪的限位作用，铰接座只能做绕第三转动螺栓的转动和沿转盘所在圆周的径向运动，因此，转盘的转动通过第二连杆带动铰接座沿转盘所在圆周的径向方向的运动，铰接座的运动通过第一连杆带动卡爪绕转轴的转动，进而实现多个卡爪的张开和闭合。

所述副连接机构包括第一驱动件、第二驱动件、连接臂及公头杆，所述第一驱动件采用第二电机25，所述第二电机固定在电机座26上，所述电机座能够固定在机器人模块的外壳上，所述第二电机的输出轴的外周面与连接臂27的一端固定连接，第二电机能够带动连接臂在第一平面内摆动，所述连接臂的另一端固定有第二驱动件，所述第二驱动件采用第三电机28，所述第三电机输出轴的外周面与公头杆29的一端固定连接，第三电机能够带动公头杆在于第一平面垂直的第二平面内摆动，在第二电机和第三电机的作用下，公头杆能够朝向任意方向摆动。

所述公头杆的另一端固定有卡盘30，与之相匹配的，三个卡爪相对的侧面开设有弧面槽6-1，三个卡爪的弧面槽构成容纳卡盘的空间，卡盘能够伸入三个卡爪的弧面槽构成的空间内，防止卡爪夹住公头杆时，公头杆与卡爪分离，所述卡爪的顶端设置有与所述公头杆相匹配的弧形面6-2，卡爪能够通过弧形面与公头杆的外周面接触。

主连接机构的三个卡爪张开后，公头杆伸入三个卡爪之间，三个卡爪闭合，卡盘位于三个卡爪的弧面槽之间的空间，实现了主连接机构和副连接机构的连接固定，连接稳定可靠，且自动化程度高，提高了对接工作的效率。

当三个卡爪闭合时，第二连杆14两端的两个孔中心与转盘16中心三点共线，形成死点，曲柄23与第三连杆22的轴线共线，形成死点，防止对接公头脱出。

本实施例中，所述第一电机、第二电机及第三电机均采用TBSM系列正弦无刷力矩电机，使得连接机构体积小巧，结构紧凑，重量轻、惯量低，精度与刚度高，具有很好的运动性能。

实施例2：

本实施例公开了一种机器人，如图6所示，包括多个机器人模块31，所述机器人模块采用现有的可重构模块化机器人的机器人模块，其具体结构在此不进行详细叙述，机器人模块的外壳的两个侧部壳壁的中心位置分别安装有主连接机构和副连接机构，主连接机构中，驱动机构设置在机器人模块外壳的内部，驱动轴伸出至机器人模块外壳的外部，且与机器人模块的外壳转动连接，副连接机构中，电机座固定在机器人模块外壳上。

本实施例的机器人，副连接机构的公头杆在第二电机和第三电机的作用下，能够朝向任意方向摆动，因此相邻两个机器人模块之间具有足够的自由度，满足了复杂场景的工作需求，同时降低了相邻两个机器人模块对接时的位置精度，降低了机器人模块对接的难度，提高了对接工作效率。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (8)

1.一种可重构模块化机器人侧面连接机构，包括：

主连接机构：包括多个沿圆周分布的卡爪，卡爪底端与底座转动连接，底座能够与机器人模块外壳固定连接，卡爪底端设有连接部，连接部与第一连杆一端铰接，第一连杆的另一端与铰接座铰接，铰接座转动连接在第二连杆的一端端部，第二连杆另一端与转盘铰接，转盘与底座转动连接，转盘与卡爪所在圆周同轴设置，转盘与用于固定设置在机器人模块外壳内部的驱动机构连接，驱动机构能够驱动转盘转动；

副连接机构：包括第一驱动件，第一驱动件与连接臂的一端连接，能够驱动连接臂在第一平面内摆动，连接臂的另一端固定有第二驱动件，第二驱动件与公头杆连接，能够驱动公头杆在与第一平面垂直的第二平面内摆动；

所述公头杆端部固定有卡盘，多个卡爪相对的端面设置有弧面槽，多个卡爪的弧面槽构成容纳卡盘的空间，卡盘伸入弧面槽构成的空间内，卡爪顶端设有与公头杆相匹配的弧形面，卡爪通过弧形面与公头杆接触，能够防止公头杆与卡爪的分离。

2.如权利要求1所述的一种可重构模块化机器人侧面连接机构，其特征在于，所述驱动机构包括与转盘中心位置固定连接的驱动轴，所述驱动轴与摇杆的一端固定连接，摇杆的另一端与第三连杆的一端铰接，第三连杆的另一端与曲柄的一端铰接，曲柄的另一端与第一电机的输出轴固定连接。

3.如权利要求1所述的一种可重构模块化机器人侧面连接机构，其特征在于，所述铰接座为U型结构，铰接座穿过有双头螺柱，第一连杆与双头螺柱转动连接，双头螺柱两端螺纹连接有固定螺母，固定螺母用于防止双头螺柱从铰接座及第一连杆上脱离，所述铰接座与螺纹固定在第二连杆端部的转动螺栓转动连接。

4.如权利要求1所述的一种可重构模块化机器人侧面连接机构，其特征在于，所述底座开设有多个开槽，所述开槽内部穿过有转轴，所述转轴通过固定件与底座固定连接，卡爪底部与转轴转动连接。

5.如权利要求4所述的一种可重构模块化机器人侧面连接机构，其特征在于，所述固定件包括垂直设置且与底座螺纹连接的第一固定螺钉和第二固定螺钉，所述第一固定螺钉和第二固定螺钉的轴线垂直设置，第一固定螺钉和第二固定螺钉能够伸入底座设置的转轴安装通道内部，并将转轴压紧在转轴安装通道内部。

6.如权利要求1所述的一种可重构模块化机器人侧面连接机构，其特征在于，所述第一驱动件采用第二电机，所述第二电机输出轴的外周面与连接臂的一端固定连接，第二电机固定在电机座上，所述电机座能够与机器人模块的壳体固定连接，所述第二驱动件采用第三电机，所述第三电机固定在连接臂的另一端，公头杆固定在第三电机输出轴的外周面上。

7.如权利要求1所述的一种可重构模块化机器人侧面连接机构，其特征在于，所述底座的底面固定有多个固定部，所述固定部穿过相邻两个第二连杆之间的空间，底座能够通过固定部与机器人模块的外壳固定连接。

8.一种机器人，其特征在于，包括多个机器人模块，机器人模块的外壳的两个侧部分别安装有权利要求1-7任一项所述的主连接机构和副连接机构，相邻两个机器人模块通过主连接机构和副连接机构连接。

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