CN101462267B - 三臂对接模块平面晶格式自重构机器人 - Google Patents

Abstract

一种机械技术领域的三臂对接模块平面晶格式自重构机器人，包括中心框体和三条对接单臂，中心框体为正三角形棱柱，正三角形棱柱的每个侧面分别与一条对接单臂固定相连，每条对接单臂包括：第一内框、第一翻转电机、中间框、旋转电机、第二内框、第二翻转电机、外框、对接面装置，第一内框与中心框体的一个侧面固定相连，第一翻转电机固定在第一内框内部，旋转电机固定在中间框内部，旋转电机的输出盘与第二内框相连构成第二旋转运动关节，第二翻转电机固定在第二内框内部，第二翻转电机的传动轴和外框相连构成第三翻转关节，外框的一端面设有对接面装置。本发明的平面覆盖率大，可实现变形模式多。

Description

三臂对接模块平面晶格式自重构机器人

技术领域

本发明涉及一种机械技术领域的机器人，具体是一种三臂对接模块平面晶格式自重构机器人。

背景技术

平面晶格式自重构机器人由许多几何形状、功能和结构类似或相同的基本模块组成，因而能快速改变相互之间的连接从而改变整体布局。目前国内外已设计出多种类型的模块，各有其优缺点。

经对现有技术文献的检索发现，专利号为US 6,635,781的美国专利，专利名称为：Distributed Control and Collaboration of Autonomous Agents ina Dynamic Reconfigurable System(动态自重构***中自主控制主体的分布式控制和协作)，该专利中涉及一种Superbot自重构机器人模块，采用两个立方体并利用电机输出轴拼接，得到两个完全一样的对接面，对接面上设置呈对角线布置的四个滑块夹头，从而使模块间能够互相匹配地钳制并牢固地对接上。但是此自重构机器人模块体积大、质量也较大，无法满足在大平面内晶格式铺开的需求，并且仅有两个对接面并不能保证空间方位内多个模块的连接，只适用于串连的链式链接。

检索又发现，专利号为US 6,568,869B1的美国专利，专利名称为(ThreeDimensional Universal Unit for Movable Structure(可移动结构的三维通用单元)，该专利中涉及一种M-TRAN系列自重构机器人模块，同样采用两个立方体两个对接面的结构。但由于它只能实现空间内的翻转而无法完成平面内的旋转，因此变形的局限性同样很大。

检索还发现，在《IEEE/ASME TRANSACTIONS ON MECHATRONICS》作者Mark Yim等人(《IEEE/ASME机械电子学报》)(Vol.7，No.4，2002年12月)中发表文章“Connecting and Disconnecting for Chain Self-Reconfiguration withPolyBot”(“链式自重构机器人——PolyBot的连接和断开”)，其提出的自重构机器人模块通过单链连接围成平面晶格。对接时通过对接面上四个轴及与之相匹配的由SMA形状记忆合金控制大小的两个孔，牢固地对接上。但此设计造价成本过高且SMA形状记忆合金耗电多，同样不能保证空间多位置模块的连接，实现大面积的自重构任务的难度和代价较大。

目前，大平面的空间太阳电池阵等类似领域迫切需要具有智能装配与自修复功能的自重构机器人机构，但还没有相关的发明出现。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提出了一种三臂对接模块平面晶格式自重构机器人，使其通过单个电机控制单个关节运动，完成了整条对接单臂的变形，从而带动整个机器人模块的运动和变形。对于不同的变形需求，本发明可采用竖直平面内翻转和水平平面内旋转两种不同模式完成对接方向上的动作，并且通过滑块夹头连接与其他模块对接完成自重构任务，本发明的平面覆盖率大，可实现变形模式多，为大平面的空间太阳电池阵模块的智能装配与自修复等类似应用提供了技术支撑。

本发明是通过如下技术方案实现的，本发明包括：中心框体和若干条对接单臂，其中，中心框体为正三角形棱柱，正三角形棱柱的每个侧面分别与一条对接单臂固定相连，每条对接单臂均包括：第一内框、第一翻转电机、中间框、旋转电机、第二内框、第二翻转电机、外框、对接面装置，第一内框与中心框体的一个侧面固定相连，第一翻转电机固定在第一内框内部，第一翻转电机的转动轴与中间框相连构成第一翻转运动关节，旋转电机固定在中间框内部，旋转电机的输出盘与第二内框相连构成第二旋转运动关节，第二翻转电机固定在第二内框内部，第二翻转电机的转动轴和外框相连构成第三翻转关节，外框的一端面设有对接面装置。

所述对接面装置，包括：控制电机、对接面板、四个滑块夹头、滚珠、螺旋线盘，控制电机固定在外框上，控制电机的输出轴与螺旋线盘相固定，外框的端面设有圆形孔，螺旋线盘为一环形结构，螺旋线盘侧壁上有一圆周凹槽，与外框的圆形孔相对应，螺旋线盘的凹槽与外框的圆形孔之间设有滚珠，螺旋线盘表面设有螺旋线槽，螺旋线盘的上方设有对接面板，四个滑块夹头分别与螺旋线盘和对接面板相连。

所述对接面板，其表面设有四组同心扇形环槽以及一个十字形的直线滑槽，四组同心扇形环槽分布在十字形的直线滑槽将对接面板所分成的四个区域内，扇形环槽作为电气接口，十字形的直线滑槽用来约束四个滑块夹头。

所述滑块夹头，包括：第一轴承、两个第二轴承、中间块、夹取部，夹取部的底部两侧均设有第二轴承，第二轴承设置在对接面板上的直线滑槽内，两个第二轴承的下方设有中间块，中间块的底部一侧设有第一轴承，第一轴承置于螺旋线盘的线槽内。

所述夹取部，由台阶形底座和一个倒置棱台结构组成，倒置棱台结构置于台阶形底座的上端，倒置棱台结构的底面为梯形结构，对接时，夹取部棱台结构一个侧面与另一机器人的滑块夹头中的夹取部棱台结构的一个侧面两两吻合，以保证夹持的松劲度，使被夹持的模块不至于松动。

所述对接面板，其四个顶点均设有红外二极管，对角线上的两个红外二级管为一组，分别为发射二极管和接收二极管，对接时，对接面板和被对接面板上的发射二极管发出红外光，在分别被各自接收二极管收到后，反馈位置已完成校正，对接面板与被对接面板靠拢并最终完成对接，通过红外二极管进行位置校正，可大幅提高对接的位置精度。

所述中心框体，其作为搭载平台，装载有太阳能电池板、控制电路板和载重轮，太阳能电池板和控制电路板均与第一翻转电机、旋转电机、第二翻转电机、对接面装置相连，太阳能电池板为上述装置供电，控制电路板控制上述装置的动作，载重轮置于中心框体的下端。

所述第一翻转电机、旋转电机、第二翻转电机均为伺服电机。

本发明工作时，每条对接单臂互不关联，每条对接单臂上三个运动关节的电机可各自独立转动，其中第一翻转电机可以控制对接单臂除第一内框外的部分翻转，旋转电机可以控制第二内框与外框整体旋转，第二翻转电机可以控制外框部分翻转，从而机器人模块可以在竖直平面内完成翻转180°对接或者可以在水平平面内完成旋转对接。对接时，四个滑块夹头原本均位于对接面板直线滑槽的最外端，对接面装置的控制电机输出盘逆时针旋转，由于四个滑块夹头的第二轴承被约束在对接面板上的直线滑槽内，第一轴承约束在螺旋线盘的螺旋线槽内，螺旋线盘旋转带动第一轴承沿着螺旋线槽运动，使四个滑块夹头沿对接面板上的直线滑槽向对接面板中心靠拢，直至夹紧另一机器人模块对接面装置上的滑块夹头，此时控制电机停止旋转，或者由控制电机旋转到位使得四个滑块夹头均收拢于对接面板中心并等待被另一机器人模块对接面板上的滑块夹头夹紧，从而完成两个机器人模块的对接；当控制电机沿顺时针旋转时，带动螺旋线盘反转，使四个滑块夹头张开，处于松开状态。

本发明的有益效果：本发明通过单个电机控制单个关节运动，完成了整条对接单臂的变形，从而带动整个机器人模块的运动和变形。对于不同的变形需求，本发明可采用竖直平面内翻转和水平平面内旋转两种不同模式完成对接方向上的动作，并且通过滑块夹头连接与其他模块对接完成自重构任务，本发明采用伺服控制，使得电机轴输出速度和旋转角度及位置得到精确控制。并且，本发明中框体各部分均采用紧固件连接，因而可以更换，使得机器人模块能进一步根据实际需求调整尺寸大小。所以，本发明整体结构具有内部结构紧凑，易于实现、安装，模块之间对接方便牢固的特点，本发明不仅可作为自重构机器人模块，还可作为单个机器人搭载平台应用推广到其他领域。特别是对与大平面的空间太阳电池阵模块的智能装配与自修复等类似应用提供了技术手段。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明中的对接面装置的结构示意图；

其中：图(a)为对接面装置斜上方视角的立体图，图(b)为对接面装置斜下方视角的立体图。

图3为本发明中的螺旋线盘的结构示意图。

图4为本发明中的滑块夹头的结构示意图；

图中：中心框体1、第一内框2、第一翻转电机3、中间框4、旋转电机5、第二内框6、第二翻转电机7、外框8、控制电机9、对接面板10、四个滑块夹头11、滚珠12、螺旋线盘13、第一轴承14、同心扇形环槽15、两个第二轴承16、中间块17、十字形的直线滑槽18、夹取部19。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1、2所示，本实施例包括：中心框体1和若干条对接单臂，其中，中心框体1为正三角形棱柱，正三角形棱柱的每个侧面分别与一条对接单臂固定相连，每条对接单臂均包括：第一内框2、第一翻转电机3、中间框4、旋转电机5、第二内框6、第二翻转电机7、外框8、对接面装置，第一内框2与中心框体1的一个侧面固定相连，第一翻转电机3固定在第一内框1内部，第一翻转电机3的转动轴与中间框4相连构成第一翻转运动关节，旋转电机5固定在中间框4内部，旋转电机5的输出盘与第二内框6相连构成第二旋转运动关节，第二翻转电机7固定在第二内框6内部，第二翻转电机7的传动轴和外框8相连构成第三翻转关节，外框8的一端面设有对接面装置。

所述对接面装置，包括：控制电机9、对接面板10、四个滑块夹头11、滚珠12、螺旋线盘13，控制电机9固定在外框8上，控制电机9的输出轴与螺旋线盘13相固定，外框8的端面设有圆形孔，螺旋线盘13为一环形结构，螺旋线盘13侧壁上有一圆周凹槽，与外框8的圆形孔相对应，螺旋线盘13的凹槽与外框8的圆形孔之间设有滚珠12，螺旋线盘13其表面设有螺旋线槽，如图3所示，螺旋线盘13的上方设有对接面板10，四个滑块夹头11分别与螺旋线盘13和对接面板10相连。

所述对接面板10，其表面设有四组同心扇形环槽15以及一个十字形的直线滑槽18，四组同心扇形环槽15分布在十字形的直线滑槽18将对接面板10所分成的四个区域内，扇形环槽15作为电气接口，十字形的直线滑槽18用来约束四个滑块夹头11。

如图4所示，所述滑块夹头11，包括：第一轴承14、两个第二轴承16、中间块17、夹取部19，夹取部19的底部两侧均设有第二轴承16，第二轴承16设置在对接面板10上的直线滑槽内，两个第二轴承16的下方设有中间块17，中间块17的底部一侧设有第一轴承14，第一轴承14置于螺旋线盘13的线槽内。

所述夹取部19，由台阶形底座和一个倒置棱台结构组成，倒置棱台结构置于台阶形底座的上端，倒置棱台结构的底面为梯形结构，对接时，夹取部棱台结构一个侧面与另一机器人的滑块夹头中的夹取部棱台结构的一个侧面两两吻合，以保证夹持的松劲度，使被夹持的模块不至于松动。

所述对接面板10，其四个顶点均设有红外二极管，对角线上的两个红外二级管为一组，分别为发射二极管和接收二极管，对接时，对接面板和被对接面板上的发射二极管发出红外光，在分别被各自接收二极管收到后，反馈位置已完成校正，对接面板与被对接面板靠拢并最终完成对接，通过红外二极管进行位置校正，可大幅提高对接的位置精度。

所述中心框体1，其作为搭载平台，装载有太阳能电池板、控制电路板和载重轮，太阳能电池板和控制电路板均与第一翻转电机3、旋转电机5、第二翻转电机7、对接面装置相连，太阳能电池板为上述装置供电，控制电路板控制上述装置的动作，载重轮置于中心框体1的下端。

所述第一翻转电机3、旋转电机5、第二翻转电机7均为伺服电机。

本实施例工作时，每条对接臂互不关联，每条对接单臂上三个运动关节的电机可各自独立转动，其中第一翻转电机3可以控制对接单臂除第一内框2外的部分作±165°翻转，旋转电机5可以控制第二内框6与外框整体作±165°旋转，第二翻转电机7可以控制外框部分作±165°翻转，于是机器人模块可以在竖直平面内完成翻转180°对接或者可以在水平平面内完成旋转对接。对接时，四个滑块夹头11原本均位于对接面板11直线滑槽的最外端，对接面装置中的控制电机9输出盘逆时针旋转，由于四个滑块夹头11的第二轴承16被约束在对接面板10上的直线滑槽内，第一轴承14约束在螺旋线盘13的螺旋线槽内，螺旋线盘13旋转带动第一轴承14沿着螺旋线槽运动，使四个滑块夹头11沿对接面板10上的直线滑槽向对接面板10中心靠拢，直至夹紧另一机器人模块对接面上的滑块夹头，此时控制电机9停止旋转，或者由控制电机旋转到位使得四个滑块夹头11均收拢于对接面板10中心并等待被另一机器人模块对接面板上的滑块夹头夹紧，从而完成两个机器人模块的对接；当控制电机9沿顺时针旋转时，带动螺旋线盘13反转，使四个滑块夹头11张开，处于松开状态。

本实施例整体结构具有内部结构紧凑，易于实现、安装，模块之间对接方便牢固的特点，不仅可作为自重构机器人模块，还可作为单个机器人搭载平台应用推广到其他领域。特别是对与大平面的空间太阳电池阵模块的智能装配与自修复等类似应用提供了技术手段。

Claims (3)

1.一种三臂对接模块平面晶格式自重构机器人，其特征在于，包括：中心框体和三条对接单臂，所述中心框体为正三角形棱柱，正三角形棱柱的每个侧面分别与一条对接单臂固定相连，每条对接单臂均包括：第一内框、第一翻转电机、中间框、旋转电机、第二内框、第二翻转电机、外框、对接面装置，其中：第一内框与中心框体的一个侧面固定相连，第一翻转电机固定在第一内框内部，第一翻转电机的转动轴与中间框相连构成第一翻转运动关节，旋转电机固定在中间框内部，旋转电机的输出盘与第二内框相连构成第二旋转运动关节，第二翻转电机固定在第二内框内部，第二翻转电机的传动轴和外框相连构成第三翻转关节，外框的一端面设有对接面装置；

所述对接面装置，包括：控制电机、对接面板、四个滑块夹头、滚珠、螺旋线盘，控制电机固定在外框上，控制电机的输出轴与螺旋线盘相固定，外框的端面设有圆形孔，螺旋线盘为一环形结构，螺旋线盘侧壁上有一圆周凹槽，与外框的圆形孔相对应，螺旋线盘的凹槽与外框的圆形孔之间设有滚珠，螺旋线盘表面设有螺旋线槽，螺旋线盘的上方设有对接面板，四个滑块夹头分别与螺旋线盘和对接面板相连；

所述对接面板，其表面设有四组同心扇形环槽以及一个十字形的直线滑槽，四组同心扇形环槽分布在十字形的直线滑槽将对接面板所分成的四个区域内；

所述对接面板，其四个顶点均设有红外二极管，对角线上的两个红外二级管为一组，分别为发射二极管和接收二极管；

所述滑块夹头，包括：第一轴承、两个第二轴承、中间块、夹取部，夹取部的底部两侧均设有第二轴承，第二轴承设置在对接面板上的直线滑槽内，两个第二轴承的下方设有中间块，中间块的底部一侧设有第一轴承，第一轴承置于螺旋线盘的线槽内；

所述夹取部，由台阶形底座和一个倒置棱台结构组成，倒置棱台结构置于台阶形底座的上端，倒置棱台结构的底面为梯形结构。

2.根据权利要求1所述的三臂对接模块平面晶格式自重构机器人，其特征是，所述中心框体，其作为搭载平台，装载有太阳能电池板、控制电路板和载重轮，太阳能电池板和控制电路板均与第一翻转电机、旋转电机、第二翻转电机、对接面装置相连，载重轮置于中心框体的下端。

3.根据权利要求1所述的三臂对接模块平面晶格式自重构机器人，其特征是，所述第一翻转电机、旋转电机、第二翻转电机均为伺服电机。

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