CN111923032A - 一种模块化可重构正交关节链式机器人 - Google Patents

Abstract

本发明属于模块化可重构机器人领域，具体地说是一种模块化可重构正交关节链式机器人，模块单元由两个正交的轮系构成，每个差动轮系包含两个输入自由度和两个输出欧拉角，两输入端同向等速转动，输出端仅进行俯仰运动，角位移为俯仰角；两输入端反向等速转动，输出端仅输出偏航运动，角位移为偏航角；模块单元间的连接/断开机构采用无差异主动接口，输出端对齐后，控制两相邻模块单元输出的偏航运动方向相反，实现机械旋合；控制两连接/断开机构向机械释放方向输出偏航运动，可实现相邻模块单元之间由连接状态向断开状态的转变；多个模块单元之间相互进行连接，可形成链式机器人。本发明结构紧凑，具有扩展性，可进行空间大范围的运动和操作。

Description

一种模块化可重构正交关节链式机器人

技术领域

本发明涉及模块化可重构机器人，具体地说是一种模块化可重构正交关节链式机器人。

背景技术

模块化可重构机器人由相同的模块单元组成。每个模块单元具有运动特性，模块单元具有连接接口，相互之间可进行连接/断开操作。机器人根据预先确定的使用环境和操作任务来设定一些针对性的构型，具有灵活的运动能力。根据组成机器人系统模块单元的结构特性，模块化可重构机器人可分为链式和晶格式两种。

目前，针对模块化可重构链式机器人已有大量研究，但大都偏向于概念设计，对运动特性的演示，不具备实际的应用能力或操作性，且现有的链式机器人运动灵活性较差。模块化可重构链式机器人具有良好的应用前景，如抗震救灾未知位置环境中的灵活运动、航空航天失效零部件的修复操作等，兼顾模块化可重构机器人的运动特性和操作特性值得深入研究。

发明内容

本发明的目的在于提供一种模块化可重构正交关节链式机器人。该正交关节链式机器人采用模块化可重构设计，模块单元由正交的差动轮系组成，可实现两个正交平面方向的180°角度范围的俯仰运动和每个位置处的360°角度范围的偏航运动，极大地提高了运动的灵活性。模块单元连接接口采用无差异主动连接方式，实现模块间的稳定连接，可外接拓展执行器，再次地丰富了任务的多样性。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

本发明包括多个结构相同的模块单元，该模块单元包括左外壳、右外壳、左轮系、右轮系及固定板，其中左外壳与右外壳分别安装于所述固定板的左右两侧，该左外壳上与右外壳上各开设一个凹口，这两个凹口是正交位置关系；所述左外壳内设有安装于固定板上的左轮系，所述右外壳内设有安装于固定板上的右轮系，该左轮系与右轮系结构相同，正交安装在机架上，所述机架安装于固定板上，所述左轮系与右轮系均包括右输入电机、左输入电机、锥齿轮传动机构及连接/断开机构，所述机架的两端分别安装左轮系和右轮系的右输入电机、左输入电机，该右输入电机的输出端与左输入电机的输出端通过所述锥齿轮传动机构与连接/断开机构相连，驱动连接/断开机构在所述凹口中运动；每个所述模块单元的左轮系及右轮系共包含两个连接/断开机构，分别与相邻两模块单元或对应的连接接口进行连接，从而形成链式机器人。

其中：所述锥齿轮传动机构包括右锥齿轮、左锥齿轮及输出锥齿轮，该右锥齿轮连接于所述右输入电机的输出端，所述左锥齿轮连接于左输入电机的输出端，所述输出锥齿轮安装在连接/断开机构的一端，并分别与所述右锥齿轮和左锥齿轮啮合传动，所述连接/断开机构的另一端用于与相邻模块单元或对应的连接接口进行连接。

所述右锥齿轮、左锥齿轮及输出锥齿轮之间设有十字连接轴，该十字连接轴十字一条边的两端分别与右锥齿轮、左锥齿轮转动连接，十字另一条边与所述输出锥齿轮转动连接。

所述十字连接轴包括输出端轴、十字架螺钉、传动轴及锁紧螺母，该输出端轴的一端通过十字架螺钉与传动轴正交连接，并由所述锁紧螺母紧固，所述输出端轴的另一端设有输出端轴肩；所述传动轴的两端分别设有传动轴肩，该传动轴两端的传动轴肩分别插入右锥齿轮、左锥齿轮的齿面端开设的轴承孔中，并分别通过输入端轴承实现与右锥齿轮、左锥齿轮的转动连接；所述输出端轴肩插入输出锥齿轮上开设的轴承孔中，并通过输出端轴承实现与所述输出锥齿轮的转动连接。

所述机架包括电机固定板、连接板、角码及角码螺钉，该机架的上下两端均为相对设置的两个电机固定板，分别用于所述左轮系中右输入电机、左输入电机的固定以及右轮中右输入电机、左输入电机的固定，上端的两个电机固定板与下端的两个电机固定板正交设置，即任意一端的两个电机固定板位于另外一端的两个电机固定板之间；两端的所述电机固定板之间设有连接板，每个所述电机固定板外侧均设有角码，各角码通过角码螺钉将所述连接板与所述固定板固接。

所述固定板包括限位板、左定位块及右定位块，该限位板的外缘沿圆周方向均匀设有多个用于对左外壳及右外壳进行限位的定位凸台，每个所述定位凸台的左右两侧分别设有左定位块及右定位块，所述左定位块及右定位块上均开设有壳板安装孔，所述左外壳及右外壳分别通过左定位块上的壳板安装孔及右定位块上的壳板安装孔与左定位块及右定位块固接；所述限位板上开设有限位凹槽，该限位凹槽的外围开设有用于与所述机架连接的机架安装孔。

所述限位凹槽的中间为方形槽，该方形槽四条边的中部均向外延伸开条形槽，在每个所述条形槽与方形槽的交汇处均开设有机架安装孔，所述机架与机架安装孔连接，并通过所述限位凹槽进行限位。

所述连接/断开机构包括压紧片、旋片、输出杆及连接限位台，该输出杆的一端通过所述锥齿轮传动机构分别与右输入电机及左输入电机连接，所述输出杆的另一端外缘均匀设有两个连接限位台，每个所述连接限位台的内壁均设有上下对应设置的压紧片和旋片，该压紧片与所述旋片之间形成旋片旋合空间，所述旋片与输出杆之间形成压紧片旋合空间；相邻两所述模块单元进行连接时，任意模块单元的压紧片旋入相邻模块单元的压紧片旋合空间，任意模块单元的旋片旋入相邻模块单元的旋片旋合空间。

所述压紧片上内嵌有压紧片辅助永磁，所述旋片上内嵌有旋片辅助永磁，所述压紧片与旋片之间设有支撑柱。

相邻两所述模块单元的连接/断开机构连接时，两连接/断开机构的输出杆先同轴对齐，再入坞旋合至两连接/断开机构的连接限位台抵接。

本发明的优点与积极效果为：

1．本发明的模块单元采用正交式差动轮系，可进行正交方向的大角度范围运动，实现180°的俯仰运动和每个位置处的360°的偏航运动，运动更加灵活。

2．本发明的连接/断开机构采用机械旋合原理，差动轮系输出偏航运动，通过机械部件之间的作用力，进行连接和断开操作；同时，嵌入辅助永磁增加连接强度。

3．本发明的外壳呈球体状，模块单元之间的运动不存在机械干涉，多个模块单元既可为链式构型，也可形成空间堆积折叠构型；具备比常规链式机器人更加灵活的运动能力。

4．本发明的连接/断开机构采用无差异主动连接方式，可进行局部失效模块单元的替换；连接/断开机构端口可外接拓展执行器，如夹持器、钻具等，完成所需的任务。

附图说明

图1为本发明多个模块单元的链式结构示意图；

图2为本发明模块单元的结构示意图；

图3为本发明模块单元的内部剖视图；

图4为本发明固定板的立体结构示意图；

图5为本发明机架的立体结构示意图；

图6为本发明十字连接轴的立体结构示意图

图7为本发明连接/断开机构的立体结构示意图；

图8为本发明两模块单元的连接/断开机构处于连接状态的结构示意图；

图9为本发明两个模块单元俯仰运动的结构示意图；

图10为本发明两个模块单元偏航运动的结构示意图；

图11为本发明八个模块单元空间堆积的结构示意图；

其中：1～n为第一个模块单元～第n个模块单元，101为左外壳，102为右外壳，103为左轮系，104为右轮系，105为固定板，106为凹口；

201为右输入电机，202为左输入电机，203为右锥齿轮，204为左锥齿轮，205为电机固定板，206为输出锥齿轮，207为连接/断开机构，208为输入端轴承，209为机架，210为十字连接轴，211为输出端轴承；

301为限位板，302为左定位块，303为壳板安装孔，304为右定位块，305为定位块螺钉，306为定位凸台，307为机架安装孔，308为限位凹槽，309为方形槽，310为条形槽；

401为电机安装孔，402为连接板，403为角码，404为角码螺钉；

501为输出端轴肩，502为输出端轴，503为十字架螺钉，504为传动轴肩，505为传动轴，506为锁紧螺母；

601为左压紧片，602为右压紧片，603为压紧片辅助永磁，604为旋片，605为支撑柱，606为旋片辅助永磁，607为输出杆；

701为连接限位台，702为压紧片旋合空间，703为旋片旋合空间，704为上连接/断开机构旋片，705为上连接/断开机构压紧片，706为下连接/断开机构压紧片，707为下连接/断开机构旋片。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详述。

如图1所示，本发明包括多个结构相同的模块单元，即第一个模块单元1、第二个模块单元2、第三个模块单元3、……第n-1个模块单元及第n个模块单元，这n个模块单元依次相连，即第一个模块单元1和第二个模块单元2、第二个模块单元2和第三个模块单元3、……第n-1个模块单元和第n个模块单元进行连接，表示为C(1,2]、C[2,3] 、……C[n-1,n)。其中，开区间“(，)”表示存在未连接的连接/断开机构207，闭区间“[，]”表示模块单元的两个连接/断开机构207均占用。第一个模块单元1和第n个模块单元包含一个未连接的连接/断开机构，可外接拓展执行器，实现所需任务的操作。

如图2、图3及图6所示，本实施例的模块单元包括左外壳101、右外壳102、左轮系103、右轮系104及固定板105，其中左外壳101与右外壳102均呈半球体开口状，开口的一端分别安装于固定板105的左右两侧，该左外壳101与右外壳102上分别开设有凹口106，凹口沿球体开设，角度为180°，左外壳101和右外壳102上的凹口106开设方向与左轮系103和右轮系104的俯仰运动方向一致。左外壳101内设有安装于固定板105上的左轮系103，右外壳102内设有安装于固定板105上的右轮系104，该左轮系103与右轮系104结构相同，在空间位置上正交安装在机架209上，机架209安装于固定板105上。左轮系103与右轮系104均包括右输入电机201、左输入电机202、锥齿轮传动机构及连接/断开机构207，机架209的两端分别安装左轮系103和右轮系104的右输入电机201、左输入电机202，该右输入电机201的输出端与左输入电机202的输出端通过锥齿轮传动机构与连接/断开机构207相连，驱动连接/断开机构207在凹口106中运动；每个模块单元的左轮系103及右轮系104共包含两个连接/断开机构207，分别与相邻两模块单元或对应的连接接口进行连接，从而形成链式机器人。本实施例的锥齿轮传动机构包括右锥齿轮203、左锥齿轮204及输出锥齿轮206，该右锥齿轮203连接于右输入电机201的输出端，左锥齿轮204连接于左输入电机202的输出端，输出锥齿轮206安装在连接/断开机构207的一端、传递输出运动，并分别与右锥齿轮203和左锥齿轮204啮合传动，连接/断开机构207的另一端用于与相邻两模块单元或对应的连接接口进行连接。右锥齿轮203、左锥齿轮204及输出锥齿轮206之间设有十字连接轴210，该十字连接轴210十字一条边的两端分别与右锥齿轮203、左锥齿轮204转动连接，十字另一条边与输出锥齿轮206转动连接。本实施例的十字连接轴210包括输出端轴502、十字架螺钉503、传动轴505及锁紧螺母506，该输出端轴502的一端通过十字架螺钉503与传动轴505正交连接，并由锁紧螺母506紧固，输出端轴502的另一端设有输出端轴肩501；传动轴505的两端分别设有传动轴肩504，该传动轴505两端的传动轴肩504分别插入右锥齿轮203、左锥齿轮204的齿面端开设的轴承孔中，轴承孔中放置输入端轴承208，输入端轴承208的轴承内圈与传动轴505上的传动轴肩504抵接，传动轴505通过输入端轴承208分别实现与右锥齿轮203、左锥齿轮204的转动连接；输出端轴肩501插入输出锥齿轮206上开设的轴承孔中，轴承孔中放置输出端轴承211，该输出端轴承211的轴承内圈与输出端轴肩501抵接，输出端轴502通过输出端轴承211实现与输出锥齿轮206的转动连接。

如图2～4所示，本实施例的固定板105包括限位板301、左定位块302及右定位块304，该限位板301为圆形板，外缘沿圆周方向均匀设有多个用于对左外壳101及右外壳102进行限位的定位凸台306，各定位凸台306沿限位板301的径向向外延伸而成；每个定位凸台306的左右两侧分别使用定位块螺钉固接有左定位块302及右定位块304，左定位块302及右定位块304上均开设有壳板安装孔303。左外壳101及右外壳102开口的外缘沿圆周方向均开设有与定位凸台306数量相等、一一对应的凹槽，在与固定板105安装时，左外壳101及右外壳102上的凹槽分别卡在所对应的定位凸台306处，实现定位，左外壳101及右外壳102还分别通过左定位块302上的壳板安装孔303及右定位块304上的壳板安装孔303与左定位块302及右定位块304固接。限位板301上开设有限位凹槽308，该限位凹槽308的外围开设有用于与机架209连接的机架安装孔307；本实施例的限位凹槽308的中间为方形槽309，该方形槽309四条边的中部均向外延伸开条形槽310，在每个条形槽310与方形槽309的交汇处均开设有机架安装孔307，机架209与机架安装孔307连接，并通过限位凹槽308的方形槽309进行限位，四个条形槽310用于在机架209安装时，两个右输入电机201及两个左输入电机202穿过。

如图3～5所示，本实施例的机架209包括电机固定板205、连接板402、角码403及角码螺钉404，该机架209的上下两端均为相对设置的两个电机固定板205，分别用于左轮系103中右输入电机201、左输入电机202的固定以及右轮系104中右输入电机201、左输入电机202的固定，每个电机固定板205上均开设有电机安装孔401。上端的两个电机固定板205与下端的两个电机固定板205正交设置，即任意一端的两个电机固定板205位于另外一端的两个电机固定板205之间；两端的电机固定板205之间设有连接板402，每个电机固定板205外侧均设有角码403，各角码403通过角码螺钉404将连接板402与固定板105的限位板301上的机架安装孔307固接。

如图3、图7及图8所示，本实施例的连接/断开机构207为无差异主动连接方式，包括压紧片、旋片604、输出杆607及连接限位台701，该输出杆607的一端连接输出锥齿轮206，另一端外缘均匀设有两个连接限位台701，每个连接限位台701的内壁均设有上下对应设置的压紧片和旋片604，该压紧片与旋片604之间形成旋片旋合空间703，旋片604与输出杆607之间形成压紧片旋合空间702；压紧片上内嵌有压紧片辅助永磁603，旋片604上内嵌有旋片辅助永磁606，用以增加两相邻连接/断开机构的连接强度；压紧片与旋片604之间设有支撑柱605。如图7所示，连接限位台701为输出杆607另一端外缘沿轴向向外延伸而成，左侧的连接限位台701的内壁上分别设有左压紧片601及旋片604，右侧的连接限位台701的内壁上分别设有右压紧片602及旋片604。如图8所示，当相邻的上下两个连接/断开机构207进行连接时，两连接/断开机构207的输出杆607先同轴对齐，再入坞旋合，任意模块单元的压紧片旋入相邻模块单元的压紧片旋合空间702，任意模块单元的旋片604旋入相邻模块单元的旋片旋合空间703，直至两连接/断开机构207的连接限位台701抵接；即，上下两个连接/断开机构207先同轴对齐，这时各连接限位台701是错开的，然后对接转动，上连接/断开机构旋片704旋至下连接/断开机构压紧片706与下连接/断开机构旋片707之间形成的旋片旋合空间703中，上连接/断开机构压紧片705旋至下连接/断开机构旋片707与下连接/断开机构207中输出杆607之间形成的压紧片旋合空间702中，上下连接/断开机构207中的连接限位台701抵接。

如图9及图10所示，第一个模块单元1和第二个模块单元2连接后，可进行俯仰运动和偏航运动。

如图11所示，由八个模块单元组成的链式结构，控制运动角，形成空间堆积折叠构型，连接表示为C(7,6]、C[6,5] 、C[5,8]、C[8,4]、C[4,1]、C[1,2] 、C[2,3)，其中模块单元7和模块单元3存在一个未连接的连接机构。

本发明的工作原理为：

模块单元包含两个差动轮系，每个差动轮系有两个输入自由度、两个输出欧拉角。控制输入电机的输入角度，可实现工作范围内任意欧拉角的运动。尤其，当右输入电机201与左输入电机202同向等速转动，仅输出俯仰角；反向等速转动，仅输出偏航角。相邻两模块单元在连接/断开机构207对齐后，分别向旋合方向进行偏航运动，可实现模块连接，反之，则实现模块断开。由于连接/断开机构207接口采用无差异主动连接方式，可将多个模块单元连接形成链式机器人，通过在末端安装执行器，完成机械臂类似的操作任务。模块单元运动灵活性高，可实现空间堆积折叠操作。

Claims (10)

1.一种模块化可重构正交关节链式机器人，其特征在于：包括多个结构相同的模块单元，所述模块单元包括左外壳（101）、右外壳（102）、左轮系（103）、右轮系（104）及固定板（105），其中左外壳（101）与右外壳（102）分别安装于所述固定板（105）的左右两侧，所述左外壳（101）上与右外壳（102）上各开设有一个凹口（106），这两个凹口（106）为正交位置关系；所述左外壳（101）内设有安装于固定板（105）上的左轮系（103），所述右外壳（102）内设有安装于固定板（105）上的右轮系（104），所述左轮系（103）与右轮系（104）结构相同，正交安装在机架（209）上，所述机架（209）安装于固定板（105）上，所述左轮系（103）与右轮系（104）均包括右输入电机（201）、左输入电机（202）、锥齿轮传动机构及连接/断开机构（207），所述机架（209）的两端分别安装左轮系（103）和右轮系（104）的右输入电机（201）、左输入电机（202），所述右输入电机（201）的输出端与左输入电机（202）的输出端通过所述锥齿轮传动机构与连接/断开机构（207）相连，驱动连接/断开机构（207）在所述凹口（106）中运动；每个所述模块单元的左轮系（103）及右轮系（104）共包含两个连接/断开机构（207），分别与相邻两模块单元或对应的连接接口进行连接，从而形成链式机器人。

2.根据权利要求1所述的模块化可重构正交关节链式机器人，其特征在于：所述锥齿轮传动机构包括右锥齿轮（203）、左锥齿轮（204）及输出锥齿轮（206），所述右锥齿轮（203）连接于所述右输入电机（201）的输出端，所述左锥齿轮（204）连接于左输入电机（202）的输出端，所述输出锥齿轮（206）安装在连接/断开机构（207）的一端，并分别与所述右锥齿轮（203）和左锥齿轮（204）啮合传动，所述连接/断开机构（207）的另一端用于与相邻模块单元或对应的连接接口进行连接。

3.根据权利要求2所述的模块化可重构正交关节链式机器人，其特征在于：所述右锥齿轮（203）、左锥齿轮（204）及输出锥齿轮（206）之间设有十字连接轴（210），所述十字连接轴（210）十字一条边的两端分别与右锥齿轮（203）、左锥齿轮（204）转动连接，十字另一条边与所述输出锥齿轮（206）转动连接。

4.根据权利要求3所述的模块化可重构正交关节链式机器人，其特征在于：所述十字连接轴（210）包括输出端轴（502）、十字架螺钉（503）、传动轴（505）及锁紧螺母（506），所述输出端轴（502）的一端通过十字架螺钉（503）与传动轴（505）正交连接，并由所述锁紧螺母（506）紧固，所述输出端轴（502）的另一端设有输出端轴肩（501）；所述传动轴（505）的两端分别设有传动轴肩（504），所述传动轴（505）两端的传动轴肩（504）分别插入右锥齿轮（203）、左锥齿轮（204）的齿面端开设的轴承孔中，并分别通过输入端轴承（208）实现与右锥齿轮（203）、左锥齿轮（204）的转动连接；所述输出端轴肩（501）插入输出锥齿轮（206）上开设的轴承孔中，并通过输出端轴承（211）实现与所述输出锥齿轮（206）的转动连接。

5.根据权利要求1所述的模块化可重构正交关节链式机器人，其特征在于：所述机架（209）包括电机固定板（205）、连接板（402）、角码（403）及角码螺钉（404），所述机架（209）的上下两端均为相对设置的两个电机固定板（205），分别用于所述左轮系（103）中右输入电机（201）、左输入电机（202）的固定以及右轮系（104）中右输入电机（201）、左输入电机（202）的固定，上端的两个电机固定板（205）与下端的两个电机固定板（205）正交设置，即任意一端的两个电机固定板（205）位于另外一端的两个电机固定板（205）之间；两端的所述电机固定板（205）之间设有连接板（402），每个所述电机固定板（205）外侧均设有角码（403），各角码（403）通过角码螺钉（404）将所述连接板（402）与所述固定板（105）固接。

6.根据权利要求1所述的模块化可重构正交关节链式机器人，其特征在于：所述固定板（105）包括限位板（301）、左定位块（302）及右定位块（304），所述限位板（301）的外缘沿圆周方向均匀设有多个用于对左外壳（101）及右外壳（102）进行限位的定位凸台（306），每个所述定位凸台（306）的左右两侧分别设有左定位块（302）及右定位块（304），所述左定位块（302）及右定位块（304）上均开设有壳板安装孔（303），所述左外壳（101）及右外壳（102）分别通过左定位块（302）上的壳板安装孔（303）及右定位块（304）上的壳板安装孔（303）与左定位块（302）及右定位块（304）固接；所述限位板（301）上开设有限位凹槽（308），所述限位凹槽（308）的外围开设有用于与所述机架（209）连接的机架安装孔（307）。

7.根据权利要求6所述的模块化可重构正交关节链式机器人，其特征在于：所述限位凹槽（308）的中间为方形槽（309），所述方形槽（309）四条边的中部均向外延伸开条形槽（310），在每个所述条形槽（310）与方形槽（309）的交汇处均开设有机架安装孔（307），所述机架（209）与机架安装孔（307）连接，并通过所述限位凹槽（308）进行限位。

8.根据权利要求1所述的模块化可重构正交关节链式机器人，其特征在于：所述连接/断开机构（207）包括压紧片、旋片（604）、输出杆（607）及连接限位台（701），所述输出杆（607）的一端通过所述锥齿轮传动机构分别与右输入电机（201）及左输入电机（202）连接，所述输出杆（607）的另一端外缘均匀设有两个连接限位台（701），每个所述连接限位台（701）的内壁均设有上下对应设置的压紧片和旋片（604），所述压紧片与所述旋片（604）之间形成旋片旋合空间（703），所述旋片（604）与输出杆（607）之间形成压紧片旋合空间（702）；相邻两所述模块单元进行连接时，任意模块单元的压紧片旋入相邻模块单元的压紧片旋合空间（702），任意模块单元的旋片（604）旋入相邻模块单元的旋片旋合空间（703）。

9.根据权利要求8所述的模块化可重构正交关节链式机器人，其特征在于：所述压紧片上内嵌有压紧片辅助永磁（603），所述旋片（604）上内嵌有旋片辅助永磁（606），所述压紧片与旋片（604）之间设有支撑柱（605）。

10.根据权利要求8所述的模块化可重构正交关节链式机器人，其特征在于：相邻两所述模块单元的连接/断开机构（207）连接时，两连接/断开机构（207）的输出杆（607）先同轴对齐，再入坞旋合至两连接/断开机构（207）的连接限位台（701）抵接。

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