一種鉤爪式可重構(gòu)機(jī)器人單元模塊的制作方法
【專(zhuān)利摘要】一種鉤爪式可重構(gòu)機(jī)器人單元模塊，包括：一個(gè)外架，一個(gè)內(nèi)架，一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)底座組件，一個(gè)主動(dòng)連接機(jī)構(gòu)與三個(gè)被動(dòng)連接機(jī)構(gòu),以及內(nèi)外架連接組件。內(nèi)架通過(guò)連接組件與外架連接，通過(guò)步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)相對(duì)外架的轉(zhuǎn)動(dòng)。轉(zhuǎn)動(dòng)底座組件包括：轉(zhuǎn)動(dòng)底座基板、齒輪組、軸套、軸承和步進(jìn)電機(jī)，其安裝在外架上作為一個(gè)被動(dòng)連接面，其能夠繞中心軸自由旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)；主動(dòng)連接機(jī)構(gòu)包括：四個(gè)鉤爪、齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和直流電機(jī)及固定架，其安裝在內(nèi)架上，直流電機(jī)通過(guò)齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)鉤爪旋轉(zhuǎn)，其中一個(gè)鉤爪與其它的旋轉(zhuǎn)方向相反可實(shí)現(xiàn)主被動(dòng)面的對(duì)齊與連接。雌雄同體的連接面設(shè)計(jì)方法豐富了模塊組合變形的方式，提高了模塊化自重構(gòu)機(jī)器人的工作能力。
【專(zhuān)利說(shuō)明】一種鉤爪式可重構(gòu)機(jī)器人單元模塊

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于機(jī)器人【技術(shù)領(lǐng)域】，具體為機(jī)器人領(lǐng)域的可重構(gòu)機(jī)器人單元模塊結(jié)構(gòu)。

【背景技術(shù)】
[0002]可重構(gòu)模塊機(jī)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(yùn)動(dòng)、通信等，通過(guò)模塊的連接斷開(kāi)操作組裝成不同的構(gòu)型滿(mǎn)足不同任務(wù)的需要。與傳統(tǒng)機(jī)器人相比更具有柔性，適應(yīng)環(huán)境的能力更強(qiáng)，同時(shí)模塊化設(shè)計(jì)可簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)制造、縮短研發(fā)周期、降低研發(fā)成本、提高容錯(cuò)和自修復(fù)性，可應(yīng)用于多種場(chǎng)合完成多種復(fù)雜的任務(wù)。
[0003]模塊化機(jī)器人是機(jī)器人領(lǐng)域的一個(gè)重要分支，最早出現(xiàn)在上世紀(jì)70年代。根據(jù)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)方式可分為晶格式機(jī)器人、鏈?zhǔn)綑C(jī)器人、移動(dòng)式機(jī)器人、混合式機(jī)器人。近年來(lái)可重構(gòu)機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展使其在敏捷制造領(lǐng)域、極限環(huán)境中作業(yè)、災(zāi)難救援、軍事領(lǐng)域、星球探測(cè)等方面均有良好的應(yīng)用前景。目前國(guó)內(nèi)外典型的可重構(gòu)機(jī)器人單元模塊如日本八13丁研究院設(shè)計(jì)的模塊由兩個(gè)V形塊和一個(gè)連桿組成，兼顧晶格與鏈?zhǔn)降幕旌鲜綑C(jī)器人，具有很好的重構(gòu)能力，由于單體模塊自由度較少，運(yùn)動(dòng)能力低。南加利福尼亞大學(xué)沈?yàn)槊竦扔?004年研制的一種新型混合式自重構(gòu)機(jī)器人3即6池0。是在1-1狀X的基礎(chǔ)上將連桿從中間分開(kāi)增加了一個(gè)回轉(zhuǎn)自由度，大大提高了模塊運(yùn)動(dòng)的靈活度，但該模塊采用手動(dòng)連接，自動(dòng)對(duì)接難度較大。V。0狀18大學(xué)程輝教授于2010年研制出的謂必於，每個(gè)模塊具有四個(gè)自由度，單個(gè)模塊的運(yùn)動(dòng)功能比較強(qiáng)，但爬行運(yùn)動(dòng)時(shí)也有很多的局限性，如運(yùn)動(dòng)緩慢，對(duì)地面的要求比較高等。哈爾濱工業(yè)大學(xué)趙杰教授研制的證於鉤爪式機(jī)器人，連接時(shí)鉤爪伸出模塊與被動(dòng)模塊連接，斷開(kāi)時(shí)鉤爪縮進(jìn)模塊內(nèi)部，不影響模塊的運(yùn)動(dòng)，鉤爪式設(shè)計(jì)既保證了模塊連接的穩(wěn)定性又不影響機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)靈活性，但其結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，研制成本較高，不便于普及和推廣。
[0004]綜上所述，可重構(gòu)模塊化機(jī)器人在技術(shù)上已取得了較大的進(jìn)步，但在模塊間連接方式及成本控制方面仍是可重構(gòu)模塊化機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問(wèn)題。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]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(gè)模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上存在的上述問(wèn)題，提供一種鉤爪式可重構(gòu)機(jī)器人單元模塊。
[0006]本發(fā)明單元模塊結(jié)構(gòu)的樣式定型為長(zhǎng)方體形狀，具有空間對(duì)稱(chēng)性，能夠完成多種鏈?zhǔn)阶冃蔚男枰浣Y(jié)構(gòu)樣式實(shí)際簡(jiǎn)單使用。
[0007]本發(fā)明通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)一種鉤爪式可重構(gòu)機(jī)器人單元模塊，所述的單元模塊主要包括:一個(gè)外V型架，一個(gè)I型內(nèi)架，一個(gè)旋轉(zhuǎn)底座組件，一個(gè)主動(dòng)連接機(jī)構(gòu)，三個(gè)被動(dòng)連接機(jī)構(gòu)；一個(gè)主軸翻轉(zhuǎn)步進(jìn)減速電機(jī)，一個(gè)底座旋轉(zhuǎn)步進(jìn)減速電機(jī)，以及由轉(zhuǎn)動(dòng)軸、軸承等零件組成的內(nèi)外架連接組件；機(jī)身整體為類(lèi)長(zhǎng)方體結(jié)構(gòu)，內(nèi)外V型架通過(guò)主軸翻轉(zhuǎn)步進(jìn)電機(jī)和內(nèi)外架連接組件連接；旋轉(zhuǎn)底座組件安裝在外V型架底面外側(cè)，底坐旋轉(zhuǎn)步進(jìn)減速電機(jī)安裝在外V型架底面內(nèi)側(cè)用于驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)底座組件轉(zhuǎn)動(dòng)；主動(dòng)連接機(jī)構(gòu)安裝在內(nèi)V型架底面內(nèi)側(cè)，三個(gè)被動(dòng)連接機(jī)構(gòu)分別設(shè)在外V型架兩側(cè)及旋轉(zhuǎn)底座組件中的轉(zhuǎn)動(dòng)底座基板外表面；
其中，旋轉(zhuǎn)底座組件包括:轉(zhuǎn)動(dòng)底座基板、一個(gè)旋轉(zhuǎn)傳動(dòng)齒輪組、軸套、平面滾針軸承和底座旋轉(zhuǎn)步進(jìn)減速電機(jī)；轉(zhuǎn)動(dòng)底座基板與外V型架相對(duì)一側(cè)的中部固定設(shè)置有一個(gè)底座軸，首先在外V型架底面外側(cè)安裝軸套，再將平面滾針軸承套在轉(zhuǎn)動(dòng)底座的底座軸上，底座軸的末端穿入外[型架內(nèi)側(cè)并與轉(zhuǎn)動(dòng)的大齒輪通過(guò)螺絲進(jìn)行固定連接，使固定好的旋轉(zhuǎn)底座基板與外V型架能夠比較平滑的進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)；底座旋轉(zhuǎn)步進(jìn)減速電機(jī)用螺釘固定在外V型架內(nèi)側(cè)上，旋轉(zhuǎn)步進(jìn)減速電機(jī)軸上安裝與大齒輪嚙合的傳動(dòng)齒輪構(gòu)成旋轉(zhuǎn)傳動(dòng)齒輪組，通過(guò)旋轉(zhuǎn)傳動(dòng)齒輪組帶動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)底座基板旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)模塊的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；轉(zhuǎn)動(dòng)底座基板上設(shè)有被動(dòng)連接機(jī)構(gòu)，可與主動(dòng)連接機(jī)構(gòu)連接；
主動(dòng)連接機(jī)構(gòu)包括:四個(gè)鉤爪、齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和直流步進(jìn)電機(jī)及其固定架；其中齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)安裝在[型內(nèi)架底面上，直流步進(jìn)電機(jī)通過(guò)電機(jī)固定架也固定在[型內(nèi)架底面上，四個(gè)鉤爪分別通過(guò)I型內(nèi)架上設(shè)置的鉤爪固定導(dǎo)向架來(lái)限制鉤爪的轉(zhuǎn)動(dòng)跑偏的方向問(wèn)題，使鉤爪實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確對(duì)接的作用；直流步進(jìn)電機(jī)輸出軸帶動(dòng)齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)四個(gè)鉤爪向外轉(zhuǎn)動(dòng)并伸出模塊V型內(nèi)架的底面外側(cè)以便進(jìn)行連接動(dòng)作，其中有三個(gè)鉤爪的朝向及旋轉(zhuǎn)方向是同一方向，另一個(gè)鉤爪的朝向及旋轉(zhuǎn)方向相對(duì)其他三個(gè)是反向，這樣的鉤爪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在實(shí)現(xiàn)與其他模塊正常對(duì)接時(shí)，同時(shí)也完成了兩個(gè)連接面的位置姿態(tài)矯正的功能；主動(dòng)連接機(jī)構(gòu)在不工作時(shí)，通過(guò)直流電機(jī)的旋轉(zhuǎn)使鉤爪轉(zhuǎn)動(dòng)收回到V型內(nèi)架底面的內(nèi)側(cè)固定的擋板位置，此時(shí)鉤爪結(jié)構(gòu)不工作，主動(dòng)連接面變成被動(dòng)連接面可以被其他模塊進(jìn)行連接，這種雌雄同體的連接面設(shè)計(jì)方法相當(dāng)于增加了單元模塊的一個(gè)不同連接面；
所述的主動(dòng)連接機(jī)構(gòu)中的齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)包括:大錐齒輪、四個(gè)小錐齒輪、兩個(gè)短連接軸、一個(gè)長(zhǎng)連接軸、平面滾針軸承、軸套；其中大錐齒輪通過(guò)螺絲與[型內(nèi)架進(jìn)行鏈接，在大錐齒輪底面安裝有一個(gè)平面滾針軸承，降低大錐齒輪與[型內(nèi)架之間的摩擦；長(zhǎng)連接軸通過(guò)軸套安裝在[型內(nèi)架上，在長(zhǎng)連接軸上安裝有一個(gè)與大錐齒輪嚙合的小錐齒輪，長(zhǎng)連接軸兩端各安裝一個(gè)鉤爪，且鉤爪的方向相同；兩個(gè)短連接軸分別通過(guò)軸套固定在[型內(nèi)架上，兩個(gè)短連接軸同軸且與長(zhǎng)連接軸垂直，兩個(gè)短連接軸的一端分別安裝一個(gè)與大錐齒輪嚙合的小錐齒輪，兩個(gè)短連接軸的另一端各安裝一個(gè)鉤爪，且鉤爪的方向相反；直流步進(jìn)電機(jī)輸出軸通過(guò)其上安裝的小錐齒輪來(lái)帶動(dòng)底面大錐齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，再由大錐齒輪帶動(dòng)其他三個(gè)小錐齒輪同向旋轉(zhuǎn)，完成直流步進(jìn)電機(jī)對(duì)鉤爪的傳動(dòng)；各個(gè)軸上安裝軸套既可以起到裝配軸安裝時(shí)起到寬松的作用，等軸安裝好后也可以起到對(duì)軸的固定定位的作用；
三個(gè)被動(dòng)連接機(jī)構(gòu)分別設(shè)在外V型架兩側(cè)以及底部旋轉(zhuǎn)底座組件中的旋轉(zhuǎn)底座基板的外表面上，每個(gè)被動(dòng)連接機(jī)構(gòu)的外表面上設(shè)有八個(gè)與主動(dòng)連接機(jī)構(gòu)中的鉤爪配合的長(zhǎng)方形通孔，由于自動(dòng)連接機(jī)構(gòu)是鉤爪式的連接方式，并且四個(gè)鉤爪里有三個(gè)是同一方向運(yùn)動(dòng)，另一個(gè)鉤爪是反向運(yùn)動(dòng)，所以八個(gè)長(zhǎng)方形通孔呈兩兩對(duì)稱(chēng)式分為四組分布在被動(dòng)連接機(jī)構(gòu)連接面四周且與鉤爪位置對(duì)應(yīng)，使面與面之間能夠在360度方向自由對(duì)接，擴(kuò)充了模塊之間的組合方式；被動(dòng)連接機(jī)構(gòu)連接面四周還開(kāi)設(shè)有四個(gè)圓孔，圓孔內(nèi)各安裝一塊定位磁鐵，用于模塊連接時(shí)連接面的精確定位；
內(nèi)外架連接組件包括:在[型內(nèi)架一側(cè)的支架上帶有凸臺(tái)，轉(zhuǎn)動(dòng)軸安裝在凸臺(tái)的裝配孔內(nèi)，外I型架與之對(duì)應(yīng)的位置同樣設(shè)有一凸臺(tái)，在該凸臺(tái)的裝配孔內(nèi)安裝有沖壓軸承，該沖壓軸承套裝在V型內(nèi)架裝配的轉(zhuǎn)動(dòng)軸上，使V型內(nèi)架與外V型架兩結(jié)構(gòu)能夠配合轉(zhuǎn)動(dòng)，提供I型內(nèi)架相對(duì)外I型架的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度4型內(nèi)架另一側(cè)的支架上設(shè)有一大圓孔作為電機(jī)安裝孔，外[型架對(duì)應(yīng)位置有一方孔，外[型架內(nèi)側(cè)的方孔四周設(shè)置有凸墻圍成的框架，該框架與V型內(nèi)架上的大圓孔兩者配合形成主軸翻轉(zhuǎn)步進(jìn)減速電機(jī)的電機(jī)架，主軸翻轉(zhuǎn)步進(jìn)減速電機(jī)從外V型架的外側(cè)穿入外V型架內(nèi)并連接固定到I型內(nèi)架的電機(jī)安裝大圓孔中』型內(nèi)架另一側(cè)凸臺(tái)上的裝配孔套在翻轉(zhuǎn)步進(jìn)減速電機(jī)的軸頸上并固定，翻轉(zhuǎn)步進(jìn)減速電機(jī)底部與外V型架預(yù)留方孔固定，最終形成了與外V型架的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度；
所述的鉤爪式可重構(gòu)機(jī)器人單元模塊共有2個(gè)自由度，分別為內(nèi)外架之間軸向±90。旋轉(zhuǎn)自由度以及轉(zhuǎn)動(dòng)底座360°旋轉(zhuǎn)的平面自由度，以滿(mǎn)足不同構(gòu)型之間的變換。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和有益效果:
本發(fā)明最重要的就是單個(gè)模塊具有靈活的轉(zhuǎn)動(dòng)功能和新穎的對(duì)接機(jī)構(gòu)以及豐富的連接面。使得多個(gè)模塊可以靈活的組成多種構(gòu)型完成不同的任務(wù)以適應(yīng)不同的工作環(huán)境。
[0008]由于外I型架與內(nèi)架的±90。旋轉(zhuǎn)、旋轉(zhuǎn)底座垂直于軸線(xiàn)的360。旋轉(zhuǎn)及多種連接方式，使得多個(gè)模塊的組合種類(lèi)更多，用于多種不同的場(chǎng)合和完成各種復(fù)雜的任務(wù)，大大提高了機(jī)器人系統(tǒng)工作的靈活性。。
[0009]由于模塊對(duì)接機(jī)構(gòu)可自行矯正對(duì)接姿態(tài)且主動(dòng)連接面的雌雄同體設(shè)計(jì)，豐富了模塊組合變形的方式，提高了模塊化自重組機(jī)器人的工作能力。
[0010]由于模塊的旋轉(zhuǎn)底座可360。連續(xù)旋轉(zhuǎn)，大大提高了單個(gè)模塊的擴(kuò)展應(yīng)用范圍，比如可以作為360°連續(xù)旋轉(zhuǎn)的工作臺(tái)。
[0011]由于單元模塊的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔，降低了加工制造的成本，更加適合大規(guī)模生產(chǎn)應(yīng)用。
[0012]

【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0013]圖1是鉤爪式可重構(gòu)機(jī)器人單元模塊的軸測(cè)圖；
圖2是在圖1基礎(chǔ)上繞主軸旋轉(zhuǎn)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(nèi)架示意圖；
圖5是旋轉(zhuǎn)底座組件裝配示意圖；
圖6是旋轉(zhuǎn)底座組件中轉(zhuǎn)動(dòng)底板基板示意圖；
圖7是旋轉(zhuǎn)底座墊片軸承示意圖；
圖8是主動(dòng)連接機(jī)構(gòu)示意圖；
圖9是主動(dòng)連接機(jī)構(gòu)中電機(jī)固定架結(jié)構(gòu)示意圖；
圖10是主動(dòng)連接機(jī)構(gòu)中鉤爪結(jié)構(gòu)示意圖；
圖11、圖12、圖13是三個(gè)被動(dòng)連接面示意圖；
圖14是主動(dòng)連接面示意圖；
圖15是內(nèi)外架連接件組部分展開(kāi)示意圖；
圖16、圖17是三個(gè)自重構(gòu)單元模塊組合成的攝像機(jī)器人工作過(guò)程示意圖；
圖18、圖19、圖20是七個(gè)單元模塊采用蠕蟲(chóng)形式實(shí)現(xiàn)整體運(yùn)動(dòng)示意圖。
[0014]圖中，1是外I型架，2是I型內(nèi)架，3是轉(zhuǎn)動(dòng)底板基板，4是主軸翻轉(zhuǎn)步進(jìn)減速電機(jī)，5是底座旋轉(zhuǎn)步進(jìn)減速電機(jī)，6是大齒輪，7是電機(jī)傳動(dòng)小齒輪，8是平面滾針軸承，9是鉤爪，10是長(zhǎng)傳動(dòng)軸，11是短傳動(dòng)軸，12大錐齒輪，13是主動(dòng)小錐齒輪，14是被動(dòng)小錐齒輪，15是電機(jī)固定架，16是步進(jìn)電機(jī)，17是轉(zhuǎn)動(dòng)軸，18是沖壓軸承，19是由19 (1)和19 (2)配合形成的電機(jī)支架，19 (1)外I型架預(yù)留方孔，19 (2)1型內(nèi)架預(yù)留圓孔，20是固定螺釘，21是定位磁鐵。
[0015]

【具體實(shí)施方式】
[0016]如圖1、圖2所示，鉤爪式可重構(gòu)機(jī)器人單元模塊，該鉤爪式可重構(gòu)機(jī)器人單元模塊為一個(gè)100111111*100111111*112111111的長(zhǎng)方體，包括一個(gè)外I型架1，一個(gè)I型內(nèi)架2，一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)底座基板3，一個(gè)主軸翻轉(zhuǎn)步進(jìn)減速電機(jī)4，底座旋轉(zhuǎn)步進(jìn)減速電機(jī)5，一個(gè)步進(jìn)減速電機(jī)14，一個(gè)主動(dòng)連接機(jī)構(gòu)，三個(gè)被動(dòng)連接面，一個(gè)內(nèi)外架連接件組，即電機(jī)支架19、轉(zhuǎn)動(dòng)軸17和沖壓軸承18。
[0017]本單元模塊可以在主軸翻轉(zhuǎn)步進(jìn)減速電機(jī)4帶動(dòng)下實(shí)現(xiàn)外I型架1與I型內(nèi)架2之間相對(duì)旋轉(zhuǎn)，最大角度為±90。，如圖2所示，為在圖1基礎(chǔ)上主軸翻轉(zhuǎn)步進(jìn)減速電機(jī)4帶動(dòng)內(nèi)架2繞外V型架1順時(shí)針旋轉(zhuǎn)所得。
[0018]如圖5、圖6、圖7所示，所述的旋轉(zhuǎn)底座組件機(jī)構(gòu)包括:轉(zhuǎn)動(dòng)底板基板3、底座旋轉(zhuǎn)步進(jìn)減速電機(jī)5、大齒輪6、小齒輪7、墊片軸承8、固定螺釘20 ；其中轉(zhuǎn)動(dòng)底座基板與外V型架相對(duì)一側(cè)的中部固定設(shè)置有一個(gè)底座軸，首先在外V型架底面外側(cè)安裝軸套，將外V型架1與轉(zhuǎn)動(dòng)底座基板3連接，在外V型架內(nèi)側(cè)先安裝軸套，再將平面滾針軸承8套在轉(zhuǎn)動(dòng)底座基板3的底座軸上，將底座軸穿過(guò)外V型架的連接孔，最后將底座軸與轉(zhuǎn)動(dòng)的大齒輪6通過(guò)螺絲進(jìn)行固定連接，再安裝步進(jìn)電機(jī)5與小齒輪7，然后將電機(jī)用螺釘20固定在外[型架內(nèi)側(cè)的指定位置上。
[0019]如圖8、圖9、圖10所示，所述的主動(dòng)連接機(jī)構(gòu)包括:四個(gè)鉤爪9、長(zhǎng)傳動(dòng)軸10、兩個(gè)短傳動(dòng)軸11、大錐齒輪12、一個(gè)主動(dòng)小錐齒輪13、三個(gè)被動(dòng)小錐齒輪14、電機(jī)固定架15、步進(jìn)電機(jī)16 ；其中大錐齒輪12安裝在I型內(nèi)架2的底面上(見(jiàn)圖2),三個(gè)被動(dòng)小錐齒輪14分別安裝在長(zhǎng)傳動(dòng)軸10和兩個(gè)短傳動(dòng)軸11上，兩個(gè)短傳動(dòng)軸11和長(zhǎng)傳動(dòng)軸10兩端各有一個(gè)鉤爪9 ；主動(dòng)小錐齒輪13與大錐齒輪12嚙合，通過(guò)固定在I型內(nèi)架底面內(nèi)側(cè)的電機(jī)固定架15將步進(jìn)電機(jī)16安裝在I型內(nèi)架2的底面上，電機(jī)16通過(guò)主動(dòng)小錐齒輪13帶動(dòng)大錐齒輪12轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)被動(dòng)小錐齒輪14驅(qū)動(dòng)鉤爪9運(yùn)動(dòng)，完成單元模塊之間的連接與斷開(kāi)。
[0020]在鉤爪的分布設(shè)置上，有三個(gè)鉤爪的朝向及旋轉(zhuǎn)方向是同一方向，最后一個(gè)鉤爪相對(duì)其他三個(gè)是反向旋轉(zhuǎn)，這樣的鉤爪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在實(shí)現(xiàn)與其他模塊正常對(duì)接時(shí)，同時(shí)也完成了兩個(gè)連接面的位置姿態(tài)矯正的功能。此外連接機(jī)構(gòu)在不工作時(shí)，通過(guò)直流電機(jī)的旋轉(zhuǎn)使鉤爪零件轉(zhuǎn)動(dòng)收回到固定的擋板位置，此時(shí)鉤爪結(jié)構(gòu)不工作，但是其主動(dòng)連接面可以被其他模塊進(jìn)行連接，這種雌雄同體的連接面設(shè)計(jì)方法相當(dāng)于增加了單元模塊的一個(gè)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(jī)器人的工作能力。
[0021]如圖11、圖12、圖13所示，所述的三個(gè)被動(dòng)連接面包括外I型架1的兩個(gè)側(cè)面和旋轉(zhuǎn)底座組件中的轉(zhuǎn)動(dòng)底座基板3外表面，各個(gè)面上八個(gè)孔呈兩兩對(duì)稱(chēng)式分為四組分布在連接面四周且與鉤爪位置對(duì)應(yīng)，使面與面之間能夠在360度方向自由對(duì)接，擴(kuò)充了其模塊之間的組合方式。連接面四周四個(gè)打好的圓孔是留給連接機(jī)構(gòu)近距離連接時(shí)用以調(diào)整單元模塊位姿的定位磁鐵21，來(lái)實(shí)現(xiàn)連接面的精確定位需要。圖14所示為主動(dòng)連接面，當(dāng)鉤爪9在電機(jī)16驅(qū)動(dòng)下收縮時(shí)，該面亦成為被動(dòng)連接面，這種雌雄同體的連接面設(shè)計(jì)方法相當(dāng)于增加了單元模塊的一個(gè)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(jī)器人的工作能力。
[0022]如圖15所示，所述的內(nèi)外架連接件組包括:由外I型架預(yù)留方孔19 (1)和I型內(nèi)架預(yù)留圓孔19 (2)配合形成的電機(jī)支架19、轉(zhuǎn)動(dòng)軸17和沖壓軸承18 ；其中I型內(nèi)架2 —側(cè)的支架上帶有凸臺(tái)，將轉(zhuǎn)動(dòng)軸17裝在凸臺(tái)的裝配孔內(nèi)，外I型架1與之對(duì)應(yīng)的位置同樣有一凸臺(tái)，將沖壓軸承18安裝在該凸臺(tái)的裝配孔內(nèi)，將I型內(nèi)架2裝配到外I型架1的轉(zhuǎn)動(dòng)軸線(xiàn)上，使兩結(jié)構(gòu)能夠配合轉(zhuǎn)動(dòng)，提供I型內(nèi)架2相對(duì)外I型架1的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，I型內(nèi)架2另一側(cè)支架上有一大圓孔19 (2),外V型架1對(duì)應(yīng)位置有一方孔19 (1),兩者配合形成主軸翻轉(zhuǎn)步進(jìn)減速電機(jī)的電機(jī)支架19，最后將翻轉(zhuǎn)大電機(jī)4從左側(cè)穿過(guò)外V型架最終連接到內(nèi)架的電機(jī)軸安裝孔內(nèi)，與電機(jī)支架19中外I型架預(yù)留方孔19 (1)固定4型內(nèi)架另一側(cè)的圓孔套在電動(dòng)機(jī)的軸頸上并固定，形成了與外I型架的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度。
[0023]如圖16、圖17所示，為三個(gè)自重構(gòu)單元模塊八、8、0組合成的攝像機(jī)器人的工作過(guò)程，重構(gòu)單元模塊八的主動(dòng)連接機(jī)構(gòu)與重構(gòu)單元模塊的底座被動(dòng)連接面固定連接，重構(gòu)單元模塊8的主動(dòng)連接機(jī)構(gòu)與重構(gòu)單元模塊的側(cè)面被連接面相連接，在重構(gòu)單元模塊8的轉(zhuǎn)動(dòng)底座基板3頂面裝魚(yú)眼鏡頭(圖中未畫(huà)出X在圖16狀態(tài)下，轉(zhuǎn)動(dòng)底座基板3帶動(dòng)魚(yú)眼鏡頭繞重構(gòu)模塊8進(jìn)行360°連續(xù)旋轉(zhuǎn)，在圖17狀態(tài)下，重構(gòu)模塊8的I型內(nèi)架2可繞外I型架1進(jìn)行±90。旋轉(zhuǎn)，使得魚(yú)眼鏡頭可采集到空間任意位置的圖像，以呈現(xiàn)未知環(huán)境的全面信息。
[0024]如圖18、圖19、圖20所示，為七個(gè)自重構(gòu)單元模塊八、6組合成蠕蟲(chóng)形式進(jìn)行整體移動(dòng)過(guò)程，如圖18所示狀態(tài)下，重構(gòu)模塊位置不動(dòng)，模塊八、8、0, 0、2、？的I型內(nèi)架2繞外[型架1依次轉(zhuǎn)動(dòng)一定角度，最終形成一個(gè)半梯形，如圖19所示，當(dāng)重構(gòu)模塊八落地后，八，位置不動(dòng)，重構(gòu)模塊6與其余模塊繼續(xù)之前的轉(zhuǎn)動(dòng)，由模塊8、0, 0、2、？、6形成半梯形后，所有重構(gòu)模塊繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)回復(fù)成直線(xiàn)型組合，如圖20所示過(guò)程，此時(shí)整個(gè)組合沿八一6方向整體向前移動(dòng)一格，即采用蠕蟲(chóng)形式實(shí)現(xiàn)整體運(yùn)動(dòng)。
【權(quán)利要求】
1.一種鉤爪式可重構(gòu)機(jī)器人單元模塊，其特征在于所述的單元模塊主要包括:一個(gè)外U型架，一個(gè)U型內(nèi)架，一個(gè)旋轉(zhuǎn)底座組件，一個(gè)主動(dòng)連接機(jī)構(gòu)，三個(gè)被動(dòng)連接機(jī)構(gòu)；一個(gè)主軸翻轉(zhuǎn)步進(jìn)減速電機(jī)，一個(gè)底座旋轉(zhuǎn)步進(jìn)減速電機(jī)，以及由轉(zhuǎn)動(dòng)軸、軸承組成的內(nèi)外架連接組件； 機(jī)身整體為類(lèi)長(zhǎng)方體結(jié)構(gòu)，內(nèi)外U型架通過(guò)主軸翻轉(zhuǎn)步進(jìn)電機(jī)和內(nèi)外架連接組件連接；旋轉(zhuǎn)底座組件安裝在外U型架底面外側(cè)，底坐旋轉(zhuǎn)步進(jìn)減速電機(jī)安裝在外U型架底面內(nèi)側(cè)用于驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)底座組件轉(zhuǎn)動(dòng)；主動(dòng)連接機(jī)構(gòu)安裝在內(nèi)U型架底面內(nèi)側(cè)，三個(gè)被動(dòng)連接機(jī)構(gòu)分別設(shè)在外U型架兩側(cè)及旋轉(zhuǎn)底座組件中的轉(zhuǎn)動(dòng)底座基板外表面； 其中，旋轉(zhuǎn)底座組件包括:轉(zhuǎn)動(dòng)底座基板、一個(gè)旋轉(zhuǎn)傳動(dòng)齒輪組、軸套、平面滾針軸承和底座旋轉(zhuǎn)步進(jìn)減速電機(jī)；轉(zhuǎn)動(dòng)底座基板與外U型架相對(duì)一側(cè)的中部固定設(shè)置有一個(gè)底座軸，首先在外U型架底面外側(cè)安裝軸套，再將平面滾針軸承套在轉(zhuǎn)動(dòng)底座的底座軸上，底座軸的末端穿入外U型架內(nèi)側(cè)并與轉(zhuǎn)動(dòng)的大齒輪通過(guò)螺絲進(jìn)行固定連接，使固定好的轉(zhuǎn)動(dòng)底座基板與外U型架能夠比較平滑的進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)；底座旋轉(zhuǎn)步進(jìn)減速電機(jī)用螺釘固定在外U型架內(nèi)側(cè)上，旋轉(zhuǎn)步進(jìn)減速電機(jī)軸上安裝與大齒輪嚙合的傳動(dòng)齒輪構(gòu)成旋轉(zhuǎn)傳動(dòng)齒輪組，通過(guò)旋轉(zhuǎn)傳動(dòng)齒輪組帶動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)底座基板旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)模塊的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；轉(zhuǎn)動(dòng)底座基板上設(shè)有被動(dòng)連接機(jī)構(gòu)，可與主動(dòng)連接機(jī)構(gòu)連接； 主動(dòng)連接機(jī)構(gòu)包括:四個(gè)鉤爪、齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和直流步進(jìn)電機(jī)及其固定架；其中齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)安裝在U型內(nèi)架底面上，直流步進(jìn)電機(jī)通過(guò)電機(jī)固定架也固定在U型內(nèi)架底面上，四個(gè)鉤爪分別通過(guò)U型內(nèi)架上設(shè)置的鉤爪固定導(dǎo)向架來(lái)限制鉤爪的轉(zhuǎn)動(dòng)跑偏的方向問(wèn)題，使鉤爪實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確對(duì)接的作用；直流步進(jìn)電機(jī)輸出軸帶動(dòng)齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)四個(gè)鉤爪向外轉(zhuǎn)動(dòng)并伸出模塊U型內(nèi)架的底面外側(cè)以便進(jìn)行連接動(dòng)作，其中有三個(gè)鉤爪的朝向及旋轉(zhuǎn)方向是同一方向，另一個(gè)鉤爪的朝向及旋轉(zhuǎn)方向相對(duì)其他三個(gè)是反向，這樣的鉤爪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在實(shí)現(xiàn)與其他模塊正常對(duì)接時(shí)，同時(shí)也完成了兩個(gè)連接面的位置姿態(tài)矯正的功能；主動(dòng)連接機(jī)構(gòu)在不工作時(shí)，通過(guò)直流電機(jī)的旋轉(zhuǎn)使鉤爪轉(zhuǎn)動(dòng)收回到U型內(nèi)架底面的內(nèi)側(cè)固定的擋板位置，此時(shí)鉤爪結(jié)構(gòu)不工作，主動(dòng)連接面變成被動(dòng)連接面能夠被其他模塊進(jìn)行連接，這種雌雄同體的連接面設(shè)計(jì)方法相當(dāng)于增加了單元模塊的一個(gè)連接面； 所述的主動(dòng)連接機(jī)構(gòu)中的齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)包括:大錐齒輪、四個(gè)小錐齒輪、兩個(gè)短連接軸、一個(gè)長(zhǎng)連接軸、平面滾針軸承、軸套；其中大錐齒輪通過(guò)螺絲與U型內(nèi)架進(jìn)行鏈接，在大錐齒輪底面安裝有一個(gè)平面滾針軸承，降低大錐齒輪與U型內(nèi)架之間的摩擦；長(zhǎng)連接軸通過(guò)軸套安裝在U型內(nèi)架上，在長(zhǎng)連接軸上安裝有一個(gè)與大錐齒輪嚙合的小錐齒輪，長(zhǎng)連接軸兩端各安裝一個(gè)鉤爪，且鉤爪的方向相同；兩個(gè)短連接軸分別通過(guò)軸套固定在U型內(nèi)架上，兩個(gè)短連接軸同軸且與長(zhǎng)連接軸垂直，兩個(gè)短連接軸的一端分別安裝一個(gè)與大錐齒輪嚙合的小錐齒輪，兩個(gè)短連接軸的另一端各安裝一個(gè)鉤爪，且鉤爪的方向相反；直流步進(jìn)電機(jī)輸出軸通過(guò)其上安裝的小錐齒輪來(lái)帶動(dòng)底面大錐齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，再由大錐齒輪帶動(dòng)其他三個(gè)小錐齒輪同向旋轉(zhuǎn)，完成直流步進(jìn)電機(jī)對(duì)鉤爪的傳動(dòng)；各個(gè)軸上安裝軸套既可以起到裝配軸安裝時(shí)起到寬松的作用，且軸安裝好后也能夠起到對(duì)軸的固定定位的作用； 三個(gè)被動(dòng)連接機(jī)構(gòu)分別設(shè)在外U型架兩側(cè)以及底部旋轉(zhuǎn)底座組件中的旋轉(zhuǎn)底座基板的外表面上，每個(gè)被動(dòng)連接機(jī)構(gòu)的外表面上設(shè)有八個(gè)與主動(dòng)連接機(jī)構(gòu)中的鉤爪配合的長(zhǎng)方形通孔，由于自動(dòng)連接機(jī)構(gòu)是鉤爪式的連接方式，并且四個(gè)鉤爪里有三個(gè)是同一方向運(yùn)動(dòng)，另一個(gè)鉤爪是反向運(yùn)動(dòng)，所以八個(gè)長(zhǎng)方形通孔呈兩兩對(duì)稱(chēng)式分為四組分布在被動(dòng)連接機(jī)構(gòu)連接面四周且與鉤爪位置對(duì)應(yīng)，使面與面之間能夠在360度方向自由對(duì)接，擴(kuò)充了模塊之間的組合方式；被動(dòng)連接機(jī)構(gòu)連接面四周還開(kāi)設(shè)有四個(gè)圓孔，圓孔內(nèi)各安裝一塊定位磁鐵，用于模塊連接時(shí)連接面的精確定位； 內(nèi)外架連接組件包括:在U型內(nèi)架一側(cè)的支架上帶有凸臺(tái)，轉(zhuǎn)動(dòng)軸安裝在凸臺(tái)的裝配孔內(nèi)，外U型架與之對(duì)應(yīng)的位置同樣設(shè)有一凸臺(tái)，在該凸臺(tái)的裝配孔內(nèi)安裝有沖壓軸承，該沖壓軸承套裝在U型內(nèi)架裝配的轉(zhuǎn)動(dòng)軸上，使U型內(nèi)架與外U型架兩結(jié)構(gòu)能夠配合轉(zhuǎn)動(dòng)，提供U型內(nèi)架相對(duì)外U型架的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，U型內(nèi)架另一側(cè)的支架上設(shè)有一大圓孔作為電機(jī)安裝孔，外U型架對(duì)應(yīng)位置有一方孔，外U型架內(nèi)側(cè)的方孔四周設(shè)置有凸墻圍成的框架，該框架與U型內(nèi)架上的大圓孔兩者配合形成主軸翻轉(zhuǎn)步進(jìn)減速電機(jī)的電機(jī)架，主軸翻轉(zhuǎn)步進(jìn)減速電機(jī)從外U型架的外側(cè)穿入到外U型架預(yù)留方孔和U型內(nèi)架的電機(jī)安裝大圓孔中，U型內(nèi)架另一側(cè)凸臺(tái)上的裝配孔套在翻轉(zhuǎn)步進(jìn)減速電機(jī)的軸頸上并固定，翻轉(zhuǎn)步進(jìn)減速電機(jī)底部與外U型架預(yù)留方孔固定，最終形成了內(nèi)外U型架的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度； 所述的鉤爪式可重構(gòu)機(jī)器人單元模塊共有2個(gè)自由度，分別為內(nèi)外架之間軸向±90°旋轉(zhuǎn)自由度以及轉(zhuǎn)動(dòng)底座360°旋轉(zhuǎn)的平面自由度，以滿(mǎn)足不同構(gòu)型之間的變換。
【文檔編號(hào)】B62D57/02GK104401415SQ201410569439
【公開(kāi)日】2015年3月11日 申請(qǐng)日期:2014年10月23日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月23日
【發(fā)明者】王肖鋒, 葛為民, 劉振民, 勾月凱, 李強(qiáng) 申請(qǐng)人:天津理工大學(xué)