一種鉤爪式可重構機器人單元模塊的制作方法
【專利摘要】一種鉤爪式可重構機器人單元模塊，包括：一個外架，一個內架，一個轉動底座組件，一個主動連接機構與三個被動連接機構,以及內外架連接組件。內架通過連接組件與外架連接，通過步進電機實現相對外架的轉動。轉動底座組件包括：轉動底座基板、齒輪組、軸套、軸承和步進電機，其安裝在外架上作為一個被動連接面，其能夠繞中心軸自由旋轉，實現機器人的轉向運動；主動連接機構包括：四個鉤爪、齒輪傳動機構和直流電機及固定架，其安裝在內架上，直流電機通過齒輪傳動機構帶動鉤爪旋轉，其中一個鉤爪與其它的旋轉方向相反可實現主被動面的對齊與連接。雌雄同體的連接面設計方法豐富了模塊組合變形的方式，提高了模塊化自重構機器人的工作能力。
【專利說明】一種鉤爪式可重構機器人單元模塊

【技術領域】
[0001]本發明屬于機器人【技術領域】，具體為機器人領域的可重構機器人單元模塊結構。

【背景技術】
[0002]可重構模塊機器人是由一組具有相同接口的模塊組成，模塊間可傳遞力、運動、通信等，通過模塊的連接斷開操作組裝成不同的構型滿足不同任務的需要。與傳統機器人相比更具有柔性，適應環境的能力更強，同時模塊化設計可簡化設計制造、縮短研發周期、降低研發成本、提高容錯和自修復性，可應用于多種場合完成多種復雜的任務。
[0003]模塊化機器人是機器人領域的一個重要分支，最早出現在上世紀70年代。根據機器人運動方式可分為晶格式機器人、鏈式機器人、移動式機器人、混合式機器人。近年來可重構機器人技術的發展使其在敏捷制造領域、極限環境中作業、災難救援、軍事領域、星球探測等方面均有良好的應用前景。目前國內外典型的可重構機器人單元模塊如日本八13丁研究院設計的模塊由兩個V形塊和一個連桿組成，兼顧晶格與鏈式的混合式機器人，具有很好的重構能力，由于單體模塊自由度較少，運動能力低。南加利福尼亞大學沈為民等于2004年研制的一種新型混合式自重構機器人3即6池0。是在1-1狀X的基礎上將連桿從中間分開增加了一個回轉自由度，大大提高了模塊運動的靈活度，但該模塊采用手動連接，自動對接難度較大。V。0狀18大學程輝教授于2010年研制出的謂必於，每個模塊具有四個自由度，單個模塊的運動功能比較強，但爬行運動時也有很多的局限性，如運動緩慢，對地面的要求比較高等。哈爾濱工業大學趙杰教授研制的證於鉤爪式機器人，連接時鉤爪伸出模塊與被動模塊連接，斷開時鉤爪縮進模塊內部，不影響模塊的運動，鉤爪式設計既保證了模塊連接的穩定性又不影響機器人的運動靈活性，但其結構比較復雜，研制成本較高，不便于普及和推廣。
[0004]綜上所述，可重構模塊化機器人在技術上已取得了較大的進步，但在模塊間連接方式及成本控制方面仍是可重構模塊化機器人結構設計的關鍵問題。


【發明內容】

[0005]本發明目的是克服現有技術中模塊化機器人單個模塊結構設計上存在的上述問題，提供一種鉤爪式可重構機器人單元模塊。
[0006]本發明單元模塊結構的樣式定型為長方體形狀，具有空間對稱性，能夠完成多種鏈式變形的需要，其結構樣式實際簡單使用。
[0007]本發明通過以下技術方案實現一種鉤爪式可重構機器人單元模塊，所述的單元模塊主要包括:一個外V型架，一個I型內架，一個旋轉底座組件，一個主動連接機構，三個被動連接機構；一個主軸翻轉步進減速電機，一個底座旋轉步進減速電機，以及由轉動軸、軸承等零件組成的內外架連接組件；機身整體為類長方體結構，內外V型架通過主軸翻轉步進電機和內外架連接組件連接；旋轉底座組件安裝在外V型架底面外側，底坐旋轉步進減速電機安裝在外V型架底面內側用于驅動旋轉底座組件轉動；主動連接機構安裝在內V型架底面內側，三個被動連接機構分別設在外V型架兩側及旋轉底座組件中的轉動底座基板外表面；
其中，旋轉底座組件包括:轉動底座基板、一個旋轉傳動齒輪組、軸套、平面滾針軸承和底座旋轉步進減速電機；轉動底座基板與外V型架相對一側的中部固定設置有一個底座軸，首先在外V型架底面外側安裝軸套，再將平面滾針軸承套在轉動底座的底座軸上，底座軸的末端穿入外[型架內側并與轉動的大齒輪通過螺絲進行固定連接，使固定好的旋轉底座基板與外V型架能夠比較平滑的進行轉動；底座旋轉步進減速電機用螺釘固定在外V型架內側上，旋轉步進減速電機軸上安裝與大齒輪嚙合的傳動齒輪構成旋轉傳動齒輪組，通過旋轉傳動齒輪組帶動轉動底座基板旋轉，實現模塊的旋轉運動；轉動底座基板上設有被動連接機構，可與主動連接機構連接；
主動連接機構包括:四個鉤爪、齒輪傳動機構和直流步進電機及其固定架；其中齒輪傳動機構安裝在[型內架底面上，直流步進電機通過電機固定架也固定在[型內架底面上，四個鉤爪分別通過I型內架上設置的鉤爪固定導向架來限制鉤爪的轉動跑偏的方向問題，使鉤爪實現準確對接的作用；直流步進電機輸出軸帶動齒輪傳動機構驅動四個鉤爪向外轉動并伸出模塊V型內架的底面外側以便進行連接動作，其中有三個鉤爪的朝向及旋轉方向是同一方向，另一個鉤爪的朝向及旋轉方向相對其他三個是反向，這樣的鉤爪結構設計在實現與其他模塊正常對接時，同時也完成了兩個連接面的位置姿態矯正的功能；主動連接機構在不工作時，通過直流電機的旋轉使鉤爪轉動收回到V型內架底面的內側固定的擋板位置，此時鉤爪結構不工作，主動連接面變成被動連接面可以被其他模塊進行連接，這種雌雄同體的連接面設計方法相當于增加了單元模塊的一個不同連接面；
所述的主動連接機構中的齒輪傳動機構包括:大錐齒輪、四個小錐齒輪、兩個短連接軸、一個長連接軸、平面滾針軸承、軸套；其中大錐齒輪通過螺絲與[型內架進行鏈接，在大錐齒輪底面安裝有一個平面滾針軸承，降低大錐齒輪與[型內架之間的摩擦；長連接軸通過軸套安裝在[型內架上，在長連接軸上安裝有一個與大錐齒輪嚙合的小錐齒輪，長連接軸兩端各安裝一個鉤爪，且鉤爪的方向相同；兩個短連接軸分別通過軸套固定在[型內架上，兩個短連接軸同軸且與長連接軸垂直，兩個短連接軸的一端分別安裝一個與大錐齒輪嚙合的小錐齒輪，兩個短連接軸的另一端各安裝一個鉤爪，且鉤爪的方向相反；直流步進電機輸出軸通過其上安裝的小錐齒輪來帶動底面大錐齒輪轉動，再由大錐齒輪帶動其他三個小錐齒輪同向旋轉，完成直流步進電機對鉤爪的傳動；各個軸上安裝軸套既可以起到裝配軸安裝時起到寬松的作用，等軸安裝好后也可以起到對軸的固定定位的作用；
三個被動連接機構分別設在外V型架兩側以及底部旋轉底座組件中的旋轉底座基板的外表面上，每個被動連接機構的外表面上設有八個與主動連接機構中的鉤爪配合的長方形通孔，由于自動連接機構是鉤爪式的連接方式，并且四個鉤爪里有三個是同一方向運動，另一個鉤爪是反向運動，所以八個長方形通孔呈兩兩對稱式分為四組分布在被動連接機構連接面四周且與鉤爪位置對應，使面與面之間能夠在360度方向自由對接，擴充了模塊之間的組合方式；被動連接機構連接面四周還開設有四個圓孔，圓孔內各安裝一塊定位磁鐵，用于模塊連接時連接面的精確定位；
內外架連接組件包括:在[型內架一側的支架上帶有凸臺，轉動軸安裝在凸臺的裝配孔內，外I型架與之對應的位置同樣設有一凸臺，在該凸臺的裝配孔內安裝有沖壓軸承，該沖壓軸承套裝在V型內架裝配的轉動軸上，使V型內架與外V型架兩結構能夠配合轉動，提供I型內架相對外I型架的轉動自由度4型內架另一側的支架上設有一大圓孔作為電機安裝孔，外[型架對應位置有一方孔，外[型架內側的方孔四周設置有凸墻圍成的框架，該框架與V型內架上的大圓孔兩者配合形成主軸翻轉步進減速電機的電機架，主軸翻轉步進減速電機從外V型架的外側穿入外V型架內并連接固定到I型內架的電機安裝大圓孔中』型內架另一側凸臺上的裝配孔套在翻轉步進減速電機的軸頸上并固定，翻轉步進減速電機底部與外V型架預留方孔固定，最終形成了與外V型架的轉動自由度；
所述的鉤爪式可重構機器人單元模塊共有2個自由度，分別為內外架之間軸向±90。旋轉自由度以及轉動底座360°旋轉的平面自由度，以滿足不同構型之間的變換。
本發明的優點和有益效果:
本發明最重要的就是單個模塊具有靈活的轉動功能和新穎的對接機構以及豐富的連接面。使得多個模塊可以靈活的組成多種構型完成不同的任務以適應不同的工作環境。
[0008]由于外I型架與內架的±90。旋轉、旋轉底座垂直于軸線的360。旋轉及多種連接方式，使得多個模塊的組合種類更多，用于多種不同的場合和完成各種復雜的任務，大大提高了機器人系統工作的靈活性。。
[0009]由于模塊對接機構可自行矯正對接姿態且主動連接面的雌雄同體設計，豐富了模塊組合變形的方式，提高了模塊化自重組機器人的工作能力。
[0010]由于模塊的旋轉底座可360。連續旋轉，大大提高了單個模塊的擴展應用范圍，比如可以作為360°連續旋轉的工作臺。
[0011]由于單元模塊的結構簡潔，降低了加工制造的成本，更加適合大規模生產應用。
[0012]

【專利附圖】

【附圖說明】
[0013]圖1是鉤爪式可重構機器人單元模塊的軸測圖；
圖2是在圖1基礎上繞主軸旋轉某一角度后的示意圖；
圖3是外I型架示意圖；
圖4是I型內架示意圖；
圖5是旋轉底座組件裝配示意圖；
圖6是旋轉底座組件中轉動底板基板示意圖；
圖7是旋轉底座墊片軸承示意圖；
圖8是主動連接機構示意圖；
圖9是主動連接機構中電機固定架結構示意圖；
圖10是主動連接機構中鉤爪結構示意圖；
圖11、圖12、圖13是三個被動連接面示意圖；
圖14是主動連接面示意圖；
圖15是內外架連接件組部分展開示意圖；
圖16、圖17是三個自重構單元模塊組合成的攝像機器人工作過程示意圖；
圖18、圖19、圖20是七個單元模塊采用蠕蟲形式實現整體運動示意圖。
[0014]圖中，1是外I型架，2是I型內架，3是轉動底板基板，4是主軸翻轉步進減速電機，5是底座旋轉步進減速電機，6是大齒輪，7是電機傳動小齒輪，8是平面滾針軸承，9是鉤爪，10是長傳動軸，11是短傳動軸，12大錐齒輪，13是主動小錐齒輪，14是被動小錐齒輪，15是電機固定架，16是步進電機，17是轉動軸，18是沖壓軸承，19是由19 (1)和19 (2)配合形成的電機支架，19 (1)外I型架預留方孔，19 (2)1型內架預留圓孔，20是固定螺釘，21是定位磁鐵。
[0015]

【具體實施方式】
[0016]如圖1、圖2所示，鉤爪式可重構機器人單元模塊，該鉤爪式可重構機器人單元模塊為一個100111111*100111111*112111111的長方體，包括一個外I型架1，一個I型內架2，一個轉動底座基板3，一個主軸翻轉步進減速電機4，底座旋轉步進減速電機5，一個步進減速電機14，一個主動連接機構，三個被動連接面，一個內外架連接件組，即電機支架19、轉動軸17和沖壓軸承18。
[0017]本單元模塊可以在主軸翻轉步進減速電機4帶動下實現外I型架1與I型內架2之間相對旋轉，最大角度為±90。，如圖2所示，為在圖1基礎上主軸翻轉步進減速電機4帶動內架2繞外V型架1順時針旋轉所得。
[0018]如圖5、圖6、圖7所示，所述的旋轉底座組件機構包括:轉動底板基板3、底座旋轉步進減速電機5、大齒輪6、小齒輪7、墊片軸承8、固定螺釘20 ；其中轉動底座基板與外V型架相對一側的中部固定設置有一個底座軸，首先在外V型架底面外側安裝軸套，將外V型架1與轉動底座基板3連接，在外V型架內側先安裝軸套，再將平面滾針軸承8套在轉動底座基板3的底座軸上，將底座軸穿過外V型架的連接孔，最后將底座軸與轉動的大齒輪6通過螺絲進行固定連接，再安裝步進電機5與小齒輪7，然后將電機用螺釘20固定在外[型架內側的指定位置上。
[0019]如圖8、圖9、圖10所示，所述的主動連接機構包括:四個鉤爪9、長傳動軸10、兩個短傳動軸11、大錐齒輪12、一個主動小錐齒輪13、三個被動小錐齒輪14、電機固定架15、步進電機16 ；其中大錐齒輪12安裝在I型內架2的底面上(見圖2),三個被動小錐齒輪14分別安裝在長傳動軸10和兩個短傳動軸11上，兩個短傳動軸11和長傳動軸10兩端各有一個鉤爪9 ；主動小錐齒輪13與大錐齒輪12嚙合，通過固定在I型內架底面內側的電機固定架15將步進電機16安裝在I型內架2的底面上，電機16通過主動小錐齒輪13帶動大錐齒輪12轉動，從而帶動被動小錐齒輪14驅動鉤爪9運動，完成單元模塊之間的連接與斷開。
[0020]在鉤爪的分布設置上，有三個鉤爪的朝向及旋轉方向是同一方向，最后一個鉤爪相對其他三個是反向旋轉，這樣的鉤爪結構設計在實現與其他模塊正常對接時，同時也完成了兩個連接面的位置姿態矯正的功能。此外連接機構在不工作時，通過直流電機的旋轉使鉤爪零件轉動收回到固定的擋板位置，此時鉤爪結構不工作，但是其主動連接面可以被其他模塊進行連接，這種雌雄同體的連接面設計方法相當于增加了單元模塊的一個連接面，豐富了模塊組合變形的方式，提高了模塊化自重組機器人的工作能力。
[0021]如圖11、圖12、圖13所示，所述的三個被動連接面包括外I型架1的兩個側面和旋轉底座組件中的轉動底座基板3外表面，各個面上八個孔呈兩兩對稱式分為四組分布在連接面四周且與鉤爪位置對應，使面與面之間能夠在360度方向自由對接，擴充了其模塊之間的組合方式。連接面四周四個打好的圓孔是留給連接機構近距離連接時用以調整單元模塊位姿的定位磁鐵21，來實現連接面的精確定位需要。圖14所示為主動連接面，當鉤爪9在電機16驅動下收縮時，該面亦成為被動連接面，這種雌雄同體的連接面設計方法相當于增加了單元模塊的一個連接面，豐富了模塊組合變形的方式，提高了模塊化自重組機器人的工作能力。
[0022]如圖15所示，所述的內外架連接件組包括:由外I型架預留方孔19 (1)和I型內架預留圓孔19 (2)配合形成的電機支架19、轉動軸17和沖壓軸承18 ；其中I型內架2 —側的支架上帶有凸臺，將轉動軸17裝在凸臺的裝配孔內，外I型架1與之對應的位置同樣有一凸臺，將沖壓軸承18安裝在該凸臺的裝配孔內，將I型內架2裝配到外I型架1的轉動軸線上，使兩結構能夠配合轉動，提供I型內架2相對外I型架1的轉動自由度，I型內架2另一側支架上有一大圓孔19 (2),外V型架1對應位置有一方孔19 (1),兩者配合形成主軸翻轉步進減速電機的電機支架19，最后將翻轉大電機4從左側穿過外V型架最終連接到內架的電機軸安裝孔內，與電機支架19中外I型架預留方孔19 (1)固定4型內架另一側的圓孔套在電動機的軸頸上并固定，形成了與外I型架的轉動自由度。
[0023]如圖16、圖17所示，為三個自重構單元模塊八、8、0組合成的攝像機器人的工作過程，重構單元模塊八的主動連接機構與重構單元模塊的底座被動連接面固定連接，重構單元模塊8的主動連接機構與重構單元模塊的側面被連接面相連接，在重構單元模塊8的轉動底座基板3頂面裝魚眼鏡頭(圖中未畫出X在圖16狀態下，轉動底座基板3帶動魚眼鏡頭繞重構模塊8進行360°連續旋轉，在圖17狀態下，重構模塊8的I型內架2可繞外I型架1進行±90。旋轉，使得魚眼鏡頭可采集到空間任意位置的圖像，以呈現未知環境的全面信息。
[0024]如圖18、圖19、圖20所示，為七個自重構單元模塊八、6組合成蠕蟲形式進行整體移動過程，如圖18所示狀態下，重構模塊位置不動，模塊八、8、0, 0、2、？的I型內架2繞外[型架1依次轉動一定角度，最終形成一個半梯形，如圖19所示，當重構模塊八落地后，八，位置不動，重構模塊6與其余模塊繼續之前的轉動，由模塊8、0, 0、2、？、6形成半梯形后，所有重構模塊繼續轉動回復成直線型組合，如圖20所示過程，此時整個組合沿八一6方向整體向前移動一格，即采用蠕蟲形式實現整體運動。
【權利要求】
1.一種鉤爪式可重構機器人單元模塊，其特征在于所述的單元模塊主要包括:一個外U型架，一個U型內架，一個旋轉底座組件，一個主動連接機構，三個被動連接機構；一個主軸翻轉步進減速電機，一個底座旋轉步進減速電機，以及由轉動軸、軸承組成的內外架連接組件； 機身整體為類長方體結構，內外U型架通過主軸翻轉步進電機和內外架連接組件連接；旋轉底座組件安裝在外U型架底面外側，底坐旋轉步進減速電機安裝在外U型架底面內側用于驅動旋轉底座組件轉動；主動連接機構安裝在內U型架底面內側，三個被動連接機構分別設在外U型架兩側及旋轉底座組件中的轉動底座基板外表面； 其中，旋轉底座組件包括:轉動底座基板、一個旋轉傳動齒輪組、軸套、平面滾針軸承和底座旋轉步進減速電機；轉動底座基板與外U型架相對一側的中部固定設置有一個底座軸，首先在外U型架底面外側安裝軸套，再將平面滾針軸承套在轉動底座的底座軸上，底座軸的末端穿入外U型架內側并與轉動的大齒輪通過螺絲進行固定連接，使固定好的轉動底座基板與外U型架能夠比較平滑的進行轉動；底座旋轉步進減速電機用螺釘固定在外U型架內側上，旋轉步進減速電機軸上安裝與大齒輪嚙合的傳動齒輪構成旋轉傳動齒輪組，通過旋轉傳動齒輪組帶動轉動底座基板旋轉，實現模塊的旋轉運動；轉動底座基板上設有被動連接機構，可與主動連接機構連接； 主動連接機構包括:四個鉤爪、齒輪傳動機構和直流步進電機及其固定架；其中齒輪傳動機構安裝在U型內架底面上，直流步進電機通過電機固定架也固定在U型內架底面上，四個鉤爪分別通過U型內架上設置的鉤爪固定導向架來限制鉤爪的轉動跑偏的方向問題，使鉤爪實現準確對接的作用；直流步進電機輸出軸帶動齒輪傳動機構驅動四個鉤爪向外轉動并伸出模塊U型內架的底面外側以便進行連接動作，其中有三個鉤爪的朝向及旋轉方向是同一方向，另一個鉤爪的朝向及旋轉方向相對其他三個是反向，這樣的鉤爪結構設計在實現與其他模塊正常對接時，同時也完成了兩個連接面的位置姿態矯正的功能；主動連接機構在不工作時，通過直流電機的旋轉使鉤爪轉動收回到U型內架底面的內側固定的擋板位置，此時鉤爪結構不工作，主動連接面變成被動連接面能夠被其他模塊進行連接，這種雌雄同體的連接面設計方法相當于增加了單元模塊的一個連接面； 所述的主動連接機構中的齒輪傳動機構包括:大錐齒輪、四個小錐齒輪、兩個短連接軸、一個長連接軸、平面滾針軸承、軸套；其中大錐齒輪通過螺絲與U型內架進行鏈接，在大錐齒輪底面安裝有一個平面滾針軸承，降低大錐齒輪與U型內架之間的摩擦；長連接軸通過軸套安裝在U型內架上，在長連接軸上安裝有一個與大錐齒輪嚙合的小錐齒輪，長連接軸兩端各安裝一個鉤爪，且鉤爪的方向相同；兩個短連接軸分別通過軸套固定在U型內架上，兩個短連接軸同軸且與長連接軸垂直，兩個短連接軸的一端分別安裝一個與大錐齒輪嚙合的小錐齒輪，兩個短連接軸的另一端各安裝一個鉤爪，且鉤爪的方向相反；直流步進電機輸出軸通過其上安裝的小錐齒輪來帶動底面大錐齒輪轉動，再由大錐齒輪帶動其他三個小錐齒輪同向旋轉，完成直流步進電機對鉤爪的傳動；各個軸上安裝軸套既可以起到裝配軸安裝時起到寬松的作用，且軸安裝好后也能夠起到對軸的固定定位的作用； 三個被動連接機構分別設在外U型架兩側以及底部旋轉底座組件中的旋轉底座基板的外表面上，每個被動連接機構的外表面上設有八個與主動連接機構中的鉤爪配合的長方形通孔，由于自動連接機構是鉤爪式的連接方式，并且四個鉤爪里有三個是同一方向運動，另一個鉤爪是反向運動，所以八個長方形通孔呈兩兩對稱式分為四組分布在被動連接機構連接面四周且與鉤爪位置對應，使面與面之間能夠在360度方向自由對接，擴充了模塊之間的組合方式；被動連接機構連接面四周還開設有四個圓孔，圓孔內各安裝一塊定位磁鐵，用于模塊連接時連接面的精確定位； 內外架連接組件包括:在U型內架一側的支架上帶有凸臺，轉動軸安裝在凸臺的裝配孔內，外U型架與之對應的位置同樣設有一凸臺，在該凸臺的裝配孔內安裝有沖壓軸承，該沖壓軸承套裝在U型內架裝配的轉動軸上，使U型內架與外U型架兩結構能夠配合轉動，提供U型內架相對外U型架的轉動自由度，U型內架另一側的支架上設有一大圓孔作為電機安裝孔，外U型架對應位置有一方孔，外U型架內側的方孔四周設置有凸墻圍成的框架，該框架與U型內架上的大圓孔兩者配合形成主軸翻轉步進減速電機的電機架，主軸翻轉步進減速電機從外U型架的外側穿入到外U型架預留方孔和U型內架的電機安裝大圓孔中，U型內架另一側凸臺上的裝配孔套在翻轉步進減速電機的軸頸上并固定，翻轉步進減速電機底部與外U型架預留方孔固定，最終形成了內外U型架的轉動自由度； 所述的鉤爪式可重構機器人單元模塊共有2個自由度，分別為內外架之間軸向±90°旋轉自由度以及轉動底座360°旋轉的平面自由度，以滿足不同構型之間的變換。
【文檔編號】B62D57/02GK104401415SQ201410569439
【公開日】2015年3月11日 申請日期:2014年10月23日 優先權日:2014年10月23日
【發明者】王肖鋒, 葛為民, 劉振民, 勾月凱, 李強 申請人:天津理工大學