CN114714323B - 一种适用于重构模块化机器人的轮式模块组件 - Google Patents

一种适用于重构模块化机器人的轮式模块组件 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种适用于重构模块化机器人的轮式模块组件，包括外部嵌套有柔性外皮的壳体，壳体的两端分别设有辅助连接装置，基于模块化的思想，轮式模块的两端设计了两种不同的封闭方式，当作为中间模块时，以辅助连接装置作为封闭结构可以方便与相关模块进行连接配合；当作为端部模块式，以半球体足式端盖使轮式模块组件充当机器人足部便于与外部接触。本发明的结构紧凑，提高了模块化机器人运动效率和功能转换，减少模块化机器人运动中的能量损耗和运动控制复杂度。

Description

一种适用于重构模块化机器人的轮式模块组件
技术领域
本发明涉及适用于重构模块化机器人的轮式模块组件领域，具体涉及一种适用于重构模块化机器人的轮式模块组件。
背景技术
现有的模块化机器人限于其构型的固定和并需考虑装配的兼容性，大都由单一或几个结构组装而成，并需要依赖全部连接模块进行协同运动，运动控制较为复杂，且运动效率较低，能量损耗较大。
发明内容
针对上述存在的技术不足，本发明的目的是提供一种适用于重构模块化机器人的轮式模块组件，其加载的两个或两个以上轮式模块的运动能够代替机器人整体各个模块的协同运动，提供更高效的滚动运动，减少能量损耗。另外，多个轮式模块能够加装在足式模块化机器人足端，充当与地面接触的足点。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
本发明提供一种适用于重构模块化机器人的轮式模块组件，包括壳体，所述壳体呈筒状并且其两端分别连接有辅助连接装置；
所述壳体的外壁上嵌套固定有柔性外皮并能够带动柔性外皮转动；所述壳体靠近被动连接装置的一端设有能够转动的第一内板，所述第一内板上固定有驱动电机；
所述驱动电机通过齿轮传动系统带动壳体和柔性外皮转动；
所述壳体的另一端设有能够转动的第二内板，所述第二内板与第一内板通过螺栓固定连接；
所述齿轮传动系统上的各个传动齿轮分别转动连接在第一内板或第二内板上；
所述第一内板、第二内板上均设有螺纹孔凸台，所述螺纹孔凸台用于螺栓的连接；
所述辅助连接装置包括能够与壳体端部内缘螺纹连接的基板，所述基板的另一侧设有环形凹槽，所述环形凹槽与螺套的端部外缘卡钳适配；
所述螺套远离基板的一端螺纹固定有连接凸台，所述连接凸台远离基板的另一端外壁上设有与壳体端部内缘适配的外螺纹；
所述基板靠近螺套的一侧固定有压板，所述压板将螺套压紧固定在基板上。
优选地，所述柔性外皮的外表面设有波浪状胎纹，所述壳体外壁设有梯形凹槽，所述柔性外皮内壁设有与梯形凹槽契合的梯形凸台，所述壳体的两端开有若干外缘槽口，所述柔性外皮的两端设有与外缘槽口契合的凸点。
优选地，所述第一内板的外缘还设有环槽，所述环槽内设有若干均布的球槽，所述球槽内设有钢球，钢球与梯形凹槽底部的斜面接触，用于充当轴承作用减少摩擦。
优选地，所述第二内板的外缘还设有环槽，所述环槽内设有若干均布的球槽，所述球槽内设有钢球，钢球与梯形凹槽底部的斜面接触，用于充当轴承作用减少摩擦。
优选地，所述基板的内壁上设有若干内凸耳，所述压板的内壁上设有若干与内凸耳相贴合适配的外凸耳，相互贴合的两个内凸耳、外凸耳之间通过螺钉固定连接，所述基板的内凸耳还设有若干连接销，所述连接凸台上设有若干与连接销适配的销孔。
优选地，所述驱动电机选用扁平式无刷电机或小直径有刷电机。
优选地，所述第一内板与第二内板上均设有用于减重和均布重量的若干有凹槽。
优选地，当轮式模块安装于足式或类足式模块化机器人足端，充当机器人足端的旋转关节和接触点时，壳体一端替换装配半球体足式端盖。
本发明的有益效果在于：
1、本发明的轮式模块，通过端部的辅助连接装置与重构模块化机器人兼容性连接结构连接后，能够利用轮式模块本身的主动运动能力代替以往模块化机器人多模块协同复杂运动，提供更高效的运动并降低运动过程中的能量损耗。
2、本发明的轮式模块主体，设计有但不限于两种应用场景，针对轮式模块安装于一定拓扑结构的机器人中部，轮式模块两端都将装有辅助连接装置，并与其他模块兼容性连接，此时轮式模块长度达到最小状态，更有利于机器人的运动控制。
3、针对轮式模块安装于足式或类足式模块化机器人足端，充当机器人足端的旋转关节和接触点时，其壳体一端装配半球体足式端盖，更适应与外界环境接触，且可根据机器人其他模块特性将轮式模块进行一定角度的调姿，可以依赖多轮式模块充当类似汽车的车轮，进行更高效运动。
4、本发明的轮式模块主体中，第一内板、第二内板与壳体之间设有钢球作为中间实际接触部分，钢球嵌入环槽的球槽中，避开了轴承较大的体积重量以及选型困难的问题，使钢球直接与壳体内周的梯形凸台斜面相切接触滚动，支撑保证两部分的相对转动而不影响各自位置和装配条件。
5、本发明的轮式模块主体中，柔性外皮嵌套并固定在壳体上，除了依赖摩擦力之外，利用梯形凸台与梯形凹槽的适配，使两者在运动过程中有限位效果，轴向运动困难且增大了两者摩擦，壳体两端安装的结构进一步对柔性外皮进行位置限定，能够在运动过程中不发生轴向运动；另一方面外缘槽口与凸点的适配，阻挡了运动过程中柔性外皮可能发生的轴向旋转滑动。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的轮式模块作为足端执行模块的外形结构图；
图2为本发明实施例提供的壳体的结构示意图；
图3为本发明实施例提供的柔性外皮的结构示意图；
图4为本发明实施例提供的齿轮传动系统与壳体的传动关系示意图；
图5为本发明实施例提供的轮式模块作为足端执行模块的外形结构图(内部结构图)；
图6为本发明实施例提供的壳体、基板、螺套的连接示意图；
图7为本发明实施例提供的钢球与梯形凹槽的位置关系示意图；
图8为本发明实施例提供的壳体、基板、螺套的内部结构连接示意图；
图9为本发明实施例提供的第一内板的结构示意图。
附图标记说明：
1、第一内板；2、第二内板；3、连接凸台；4、基板；5、压板；6、螺套；7、壳体；701、梯形凹槽；702、外缘槽口；703、内侧螺纹；704、啮合齿轮；8、柔性外皮；801、波浪状胎纹；802、梯形凸台；803、凸点；9、驱动电机；10、半球体足式端盖；15、连接销；16、钢球；17、压力传感器。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1，如图2-4，图6-9所示，一种适用于重构模块化机器人的轮式模块组件，包括壳体7，所述壳体7呈筒状并且其两端分别连接有辅助连接装置；
所述壳体7的外壁上嵌套固定有柔性外皮8并能够带动柔性外皮8转动；所述壳体7靠近被动连接装置的一端设有能够转动的第一内板1，所述第一内板1上固定有驱动电机9；
所述驱动电机9通过齿轮传动系统带动壳体7和柔性外皮8转动；
所述壳体7的另一端设有能够转动的第二内板2，所述第二内板2与第一内板1通过螺栓固定连接；
所述齿轮传动系统上的各个传动齿轮分别转动连接在第一内板1或第二内板2上；
所述辅助连接装置包括能够与壳体7端部内缘螺纹连接的基板4，所述基板4的另一侧设有环形凹槽，所述环形凹槽与螺套6的端部外缘卡钳适配；
所述螺套6远离基板4的一端螺纹固定有连接凸台3，所述连接凸台3远离基板4的另一端外壁上设有与壳体7端部内缘适配的外螺纹；
所述基板4靠近螺套6的一侧固定有压板5，所述压板5将螺套6压紧固定在基板4上。
优选地，所述柔性外皮8的外表面设有波浪状胎纹801，所述壳体7外壁设有梯形凹槽701，所述柔性外皮8内壁设有与梯形凹槽701契合的梯形凸台802，所述壳体7的两端开有若干外缘槽口702，所述柔性外皮8的两端设有与外缘槽口702契合的凸点803。
优选地，所述第一内板1的外缘还设有环槽，所述环槽内设有若干均布的球槽，所述球槽内设有钢球16，钢球16与梯形凹槽701底部的斜面接触，用于充当轴承作用减少摩擦。
优选地，所述第二内板2的外缘还设有环槽，所述环槽内设有若干均布的球槽，所述球槽内设有钢球16，钢球16与梯形凹槽701底部的斜面接触，用于充当轴承作用减少摩擦。
优选地，所述基板4的内壁上设有若干内凸耳，所述压板5的内壁上设有若干与内凸耳相贴合适配的外凸耳，相互贴合的两个内凸耳、外凸耳之间通过螺钉固定连接，所述基板4的内凸耳还设有若干连接销15，所述连接凸台3上设有若干与连接销15适配的销孔。
优选地，所述第一内板1和第二内板2之间利用螺栓连接。
优选地，所述驱动电机9选用扁平式无刷电机或小直径有刷电机。
优选地，所述第一内板1与第二内板2上均设有用于减重和均布重量的若干有凹槽。
所述壳体7连接被动连接装置的内周外缘设有深浅不一的螺纹线703，壳体7上的外缘槽口702使螺纹线703间断。
所述壳体7内壁上设有啮合齿轮704，啮合齿轮704与齿轮传动系统中的末级齿轮啮合传动。
当轮式模块作为独立模块工作时，两端应装配封闭端盖以防轮式模块内部因水溅、灰尘、油污等影响正常使用，而封闭端盖一种装配方式便是与轮式模块两端螺纹装配。
与此同时需要指出，考虑到在轮式模块在一般情况使用时，要安装连接机构，而壳体7与辅助连接装置在使用过程中根据功能要求，需要与壳体7保持相对独立的运动关系，而不是以任何一种装配方式固定，因此壳体7的内螺纹的最小直径仍设计为大于辅助连接装置相关位置的最大直径。
使用时，两个及以上轮式模块利用两端的辅助连接装置分散均布安装在模块化机器人中部，具体安装位置视机器人结构和预计实现功能特性而定，在安装轮式模块时，轮式模块两端正是辅助连接装置的两个不同的部分，按照不同的操作步骤操作。
两个轮式模块连接时，设左侧是被动连接端，右侧是主动连接端，将主动连接端基板4上安装的连接销15插入另一个轮式模块上被动连接端上连接凸台3的销孔中，而后继续将轮式模块的基板4向前施加一定压力，便于同时将主动连接端的螺套6旋进另一个轮式模块被动连接端的连接凸台3外周的螺纹线，实现螺纹稳固连接；
被动连接端在与其他轮式模块连接时，将其他轮式模块的主动连接端基板4上安装的连接销15插入轮式模块被动连接端连接凸台3的销孔中，而后继续将连接模块的基板4向前尽可能推进，同时主动连接端的螺套6旋进轮式模块被动连接端上连接凸台3外周的螺纹线，实现螺纹稳固连接。
轮式模块的安装，改变整个模块化机器人构型，使得模块化机器人只有安装的几个轮式模块外皮着地，通过轮式模块内的驱动电机9驱动轮式模块的外壳7和柔性外皮8转动，带动整个机器人运动。
实施例2，参见图1-图6，一种适用于重构模块化机器人的轮式模块组件，壳体7的左端即被动连接端连接有半球体足式端盖10，其余结构同实施例1相同。
使用时，足式模块化机器人的几个足端通过辅助连接装置将轮式模块和机器人连接起来，具体安装数量根据机器人具体是“几足”或需要安装多少轮式模块决定。
具体的，在安装过程中，轮式模块仅有一端装配有辅助连接装置，在轮式模块的另一端安装半球体足式端盖10，半球体足式端盖10的外圆周作为与外界环境接触点，布置相关压力传感器17，能够提供足端压力感知。与此同时，如果机器人其他模块具有一定模块转动能力，轮式模块能够支持被调整姿态为柔性外皮8紧贴地面，此时半球体足式端盖10类似汽车的轮毂凸缘，不再与地面发生接触，几个轮式模块可以作为轮子带动机器人运动。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (4)

1.一种适用于重构模块化机器人的轮式模块组件，其特征在于，包括壳体(7)，所述壳体(7)呈筒状并且其两端分别连接有辅助连接装置；
所述壳体(7)的外壁上嵌套固定有柔性外皮(8)并能够带动柔性外皮(8)转动；所述壳体(7)靠近被动连接装置的一端设有能够转动的第一内板(1)，所述第一内板(1)上固定有驱动电机(9)；
所述驱动电机(9)通过齿轮传动系统带动壳体(7)和柔性外皮(8)转动；
所述壳体(7)的另一端设有能够转动的第二内板(2)，所述第二内板(2)与第一内板(1)通过螺栓固定连接；
所述齿轮传动系统上的各个传动齿轮分别转动连接在第一内板(1)或第二内板(2)上；
所述辅助连接装置包括能够与壳体(7)端部内缘螺纹连接的基板(4)，所述基板(4)的另一侧设有环形凹槽，所述环形凹槽与螺套(6)的端部外缘卡钳适配；
所述螺套(6)远离基板(4)的一端螺纹固定有连接凸台(3)，所述连接凸台(3)远离基板(4)的另一端外壁上设有与壳体(7)端部内缘适配的外螺纹；
所述基板(4)靠近螺套(6)的一侧固定有压板(5)，所述压板(5)将螺套(6)压紧固定在基板(4)上；
所述柔性外皮(8)的外表面设有波浪状胎纹(801)，所述壳体(7)外壁设有梯形凹槽(701)，所述柔性外皮(8)内壁设有与梯形凹槽(701)契合的梯形凸台(802)，所述壳体(7)的两端开有若干外缘槽口(702)，所述柔性外皮(8)的两端设有与外缘槽口(702)契合的凸点(803)；
所述第一内板(1)的外缘还设有环槽，所述环槽内设有若干均布的球槽，所述球槽内设有钢球(16)，钢球(16)与梯形凹槽(701)底部的斜面接触，用于充当轴承作用减少摩擦；
所述第二内板(2)的外缘还设有环槽，所述环槽内设有若干均布的球槽，所述球槽内设有钢球(16)，钢球(16)与梯形凹槽(701)底部的斜面接触，用于充当轴承作用减少摩擦；
所述基板(4)的内壁上设有若干内凸耳，所述压板(5)的内壁上设有若干与内凸耳相贴合适配的外凸耳，相互贴合的两个内凸耳、外凸耳之间通过螺钉固定连接，所述基板(4)的内凸耳还设有若干连接销(15)，所述连接凸台(3)上设有若干与连接销(15)适配的销孔。
2.如权利要求1所述的一种适用于重构模块化机器人的轮式模块组件，其特征在于，所述驱动电机(9)选用扁平式无刷电机或小直径有刷电机。
3.如权利要求2所述的一种适用于重构模块化机器人的轮式模块组件，其特征在于，所述第一内板(1)与第二内板(2)上均设有用于减重和均布重量的若干有凹槽。
4.如权利要求3所述的一种适用于重构模块化机器人的轮式模块组件，其特征在于，当轮式模块安装于足式或类足式模块化机器人足端，充当机器人足端的旋转关节和接触点时，壳体(7)一端替换装配半球体足式端盖(10)。
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