一種具有獨立運動的自重構(gòu)機(jī)器人單元模塊的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域，具體是機(jī)器人領(lǐng)域的可獨立運動的鉤爪式模塊化自重構(gòu)機(jī)器人。
技術(shù)背景
[0002]自重構(gòu)機(jī)器人是由多個基本模塊通過相同的連接裝置連接組成，通過調(diào)整模塊之間的連接方式來調(diào)整機(jī)器人的構(gòu)型，從而滿足不同環(huán)境、不同任務(wù)的需求，或者是剔除受損模塊，使機(jī)器人從受損狀態(tài)中恢復(fù)過來。按照機(jī)器人形態(tài)改變方式可分為鏈?zhǔn)綑C(jī)器人、晶格式機(jī)器人、移動機(jī)器人。
[0003]鏈?zhǔn)綑C(jī)器人通過多個模塊之間的連接組成鏈?zhǔn)交驑錉罱Y(jié)構(gòu)，具有代表性的鏈?zhǔn)綑C(jī)器人有PolyB0t、CKb0t、CONRO等。其中，PolyBot包含主動模塊和節(jié)點模塊兩種基本模塊，前者具有兩個接口 ；后者是剛性的立方體，六個面都具備可連接功能，但自身不具備運動能力。
[0004]晶格式模塊化機(jī)器人在三維空間內(nèi)具有規(guī)則分布，通過改變模塊在虛擬網(wǎng)格內(nèi)的位置來實現(xiàn)機(jī)器人的變形。此類機(jī)器人的代表有Miche、Catoms> I_Cube。
[0005]移動式模塊化機(jī)器人的每個模塊均是一個能夠獨立運動的機(jī)器人。日本名古屋大學(xué)研制的CEBOT機(jī)器人和瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院(EPFL)開發(fā)SWARM-bot機(jī)器人是移動式模塊化機(jī)器人的代表。
[0006]上海交通大學(xué)的曹其新等人于2009年提出了一種機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域的基于CORBA接口的模塊化機(jī)器人，包括:移動模塊、機(jī)械手臂模塊、視覺傳感器模塊、電源模塊、控制模塊、無線網(wǎng)絡(luò)模塊。
[0007]上海交通大學(xué)的費燕瓊等人于2010年提出了一種主從式模塊化機(jī)器人，包括若干機(jī)器人單元，每個機(jī)器人單元分別與相鄰的四個機(jī)器人單元相連，每個機(jī)器人單元包括:三棱柱主模塊、三棱柱從模塊和兩個連接模塊。
[0008]北京航空航天大學(xué)的魏洪興等人于2012年提出了一種具有分布式和自組裝特征的群體飛行機(jī)器人，由至少三個機(jī)器人單體組成，并且機(jī)器人單體中要同時包括正槳機(jī)器人單體和反槳機(jī)器人單體，所述的機(jī)器人單體是多邊形的中空柱體結(jié)構(gòu)，每個機(jī)器人單體由地面運動模塊、主動對接模塊、被動對接模塊、傳感定位模塊、飛行動力模塊和控制模塊組成。
[0009]天津理工大學(xué)的葛為民等人于2013年提出了一種機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域的可移動模塊化自重構(gòu)機(jī)器人，包括:U型外架、U型內(nèi)架、電機(jī)架、電機(jī)、內(nèi)架連軸件、主被動連接機(jī)構(gòu)、驅(qū)動腿機(jī)構(gòu)。
[0010]上海交通大學(xué)的費燕瓊等人于2014年提出了一種雙柱形自重構(gòu)模塊化機(jī)器人，包括若干個機(jī)器人單元，每個所述機(jī)器人單元包括三棱柱主模塊、三棱柱從模塊、第一鉤爪式連接模塊和第二鉤爪式連接模塊。
[0011]綜上所述，自重構(gòu)機(jī)器人在技術(shù)上已取得了較大的進(jìn)步，但在連接機(jī)構(gòu)的可靠性方面和單個模塊獨立運動方面仍是模塊化自重構(gòu)機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計的兩個關(guān)鍵技術(shù)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0012]本發(fā)明目的是克服現(xiàn)有技術(shù)中模塊化機(jī)器人單個模塊設(shè)計上存在的連接機(jī)構(gòu)不夠可靠穩(wěn)定和單個模塊不具有運動能力的問題，提供一種具有獨立運動的自重構(gòu)機(jī)器人單元模塊。模塊結(jié)構(gòu)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?zhǔn)阶冃蔚男枰?，其結(jié)構(gòu)樣式實際簡單實用。
[0013]本發(fā)明通過以下技術(shù)方案實現(xiàn):
[0014]所述的具有獨立運動的自重構(gòu)機(jī)器人單元模塊主要包括:一個U型外架，一個U型內(nèi)架，一個主動連接機(jī)構(gòu)，五個被動連接機(jī)構(gòu)，一個驅(qū)動機(jī)構(gòu)；一個底座旋轉(zhuǎn)步進(jìn)減速電機(jī)，及內(nèi)架與外架連接組件和旋轉(zhuǎn)底座組件；
[0015]其中，U型外架包括:外主動側(cè)板、外被動側(cè)板、中間板，兩塊側(cè)板分別連接在中間板的兩側(cè)，形成U型外架；
[0016]U型內(nèi)架包括:一個內(nèi)L型板(由內(nèi)L型板的側(cè)板和中間板構(gòu)成)和一個內(nèi)I型板，將內(nèi)L型板與內(nèi)I型板連接形成U型內(nèi)架；
[0017]內(nèi)架與外架連接組件包括:內(nèi)主動側(cè)板、內(nèi)被動側(cè)板，兩塊側(cè)板分別安裝在U型內(nèi)架兩側(cè)，形成一個無蓋的內(nèi)架立方體，所述內(nèi)架立方體開口處呈圓形；所述的內(nèi)被動側(cè)板外側(cè)板上設(shè)有圓形凸臺，圓形凸臺中間開有一個用于安裝第一連接板的方孔，所述圓形凸臺與U型外架的外被動側(cè)板上的圓孔配合；所述的內(nèi)主動側(cè)板的外側(cè)開有齒輪安裝槽，齒輪安裝槽內(nèi)安裝驅(qū)動齒輪副，驅(qū)動齒輪副中的驅(qū)動小齒輪安裝在內(nèi)主動側(cè)板的內(nèi)側(cè)板上固定的主軸翻轉(zhuǎn)步進(jìn)減速電機(jī)軸上，驅(qū)動齒輪副中的驅(qū)動大齒輪與U型外架的外主動側(cè)板內(nèi)側(cè)板固定連接，構(gòu)成驅(qū)動機(jī)構(gòu)，這樣使U型內(nèi)架裝配到U型外架上，且U型內(nèi)架與U型外架配合能夠進(jìn)行360°旋轉(zhuǎn)，提供U型內(nèi)架相對U型外架的轉(zhuǎn)動自由度；
[0018]旋轉(zhuǎn)底座組件包括一個旋轉(zhuǎn)底座基板、一個第二連接板、一個電機(jī)安裝架；所述旋轉(zhuǎn)底座基板的內(nèi)側(cè)板上設(shè)有圓形凸臺，圓形凸臺與所述內(nèi)架立方體的圓形開口配合，所述圓形凸臺中間開有用于安裝第二連接板的方孔，所述第二連接板嵌裝在旋轉(zhuǎn)底座基板上的方孔內(nèi)；所述底座旋轉(zhuǎn)步進(jìn)減速電機(jī)通過電機(jī)安裝架安裝在內(nèi)主動側(cè)板的內(nèi)側(cè)板上，所述底座旋轉(zhuǎn)步進(jìn)減速電機(jī)軸與所述第二連接板上的中央孔固定配合，通過第二連接板帶動旋轉(zhuǎn)底座基板在U型內(nèi)架構(gòu)成的內(nèi)架立方體上進(jìn)行轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)單元模塊的旋轉(zhuǎn)運動；所述旋轉(zhuǎn)底座基板上設(shè)置有一個被動連接機(jī)構(gòu)，可與主動連接機(jī)構(gòu)連接；
[0019]主動連接機(jī)構(gòu)包括:四個鉤爪、齒輪傳動機(jī)構(gòu)和直流電機(jī)及其固定架；其中齒輪傳動機(jī)構(gòu)安裝在第三連接板上，第三連接板嵌裝在U型內(nèi)架的內(nèi)I型板中間的方孔內(nèi)，直流電機(jī)通過兩個電機(jī)固定架固定安裝在第三連接板上，直流電機(jī)的輸出軸帶動齒輪傳動機(jī)構(gòu)驅(qū)動四個鉤爪轉(zhuǎn)動向外伸出第三連接板表面進(jìn)行連接動作；四個鉤爪的分布設(shè)置上，有三個鉤爪的旋轉(zhuǎn)方向是同一方向，最后一個鉤爪相對其他三個是反向安裝及旋轉(zhuǎn)，這樣的鉤爪結(jié)構(gòu)設(shè)計在實現(xiàn)與其他模塊正常對接時，同時也完成了兩個連接板的位置姿態(tài)矯正的功會K ;
[0020]所述主動連接機(jī)構(gòu)中的齒輪傳動機(jī)構(gòu)包括:一個大錐齒輪、三個小錐齒輪、一個連接大直齒輪、一個連接小直齒輪、兩個短連接軸和一個長連接軸；所述的大錐齒輪與連接大直齒輪固結(jié)在一起，連接大直齒輪在下方，連接大直齒輪和連接小直齒輪相互嚙合并安裝于第三連接板內(nèi)側(cè)板上的對應(yīng)凹槽內(nèi)，長連接軸通過鉤爪固定軸架安裝在第三連接板上，長連接軸中部與一個小錐齒輪固定連接，該小錐齒輪與大錐齒輪嚙合，長連接軸的兩端各安裝一個鉤爪，且鉤爪的方向相同；兩個短連接軸同樣通過鉤爪固定軸架安裝在第三連接板上，兩個短連接軸同軸且與長連接軸垂直，兩個短連接軸上分別與一個小錐齒輪固定連接，并各安裝一個鉤爪，且鉤爪的方向相反，兩個短連接軸上的小錐齒輪與大錐齒輪嚙合；直流電機(jī)輸出軸通過與之固定的連接小直齒輪來帶動第三連接板上的連接大直齒輪和大錐齒輪轉(zhuǎn)動，再由大錐齒輪帶動其他三個小錐齒輪旋轉(zhuǎn)，完成直流電機(jī)對鉤爪的傳動；
[0021]五個被動連接機(jī)構(gòu)分別設(shè)在U型外架的中間板的外表面、裸露在U型外架的外被動側(cè)板上的圓孔外的內(nèi)被動側(cè)板上的第一連接板的外表面、U型內(nèi)架的內(nèi)L型板的側(cè)板和中間板的兩個外表面以及旋轉(zhuǎn)底座組件中的轉(zhuǎn)動底座基板中的第二連接板的外表面，每個連接板上設(shè)有八個長方形通孔，由于自動連接機(jī)構(gòu)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分為四組呈兩兩對稱式分布在各連接板四周，并與主動連接機(jī)構(gòu)中的四個鉤爪的位置分別對應(yīng)，使單元模塊的連接板與連接板之間能夠在360°方向自由對接；
[0022]所述的自重構(gòu)機(jī)器人單元模塊共有2個自由度，分別為U型內(nèi)架與U型外架之間360°旋轉(zhuǎn)自由度，以及整個單元模塊相對旋轉(zhuǎn)底座基板的360°旋轉(zhuǎn)的平面自由度，以滿足不同構(gòu)型之間的變換。
[0023]本發(fā)明的優(yōu)點和有益效果:
[0024]本發(fā)明最重要的就是單個模塊具有靈活性和可靠性非常高的運動功能。實現(xiàn)單個模塊在地面上可靠直行和轉(zhuǎn)動。使得執(zhí)行任務(wù)前多個模塊可以各自或兩兩組合到達(dá)目標(biāo)位置，然后重構(gòu)出所需構(gòu)型完成任務(wù)。
[0025]由于U型外架與內(nèi)架的360°旋轉(zhuǎn)和第三被動連接機(jī)構(gòu)的連續(xù)旋轉(zhuǎn)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(fù)雜的任務(wù)。
[0026]由于U型內(nèi)架在地面上如同特殊輪式運動，運動過程對地面的要求比較低，只要沒有非常大的障礙，一些小