CN102672727B - 一种用于实现可变形机器人的机器人单体 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种用于实现可变形机器人的机器人单体，属于机器人的技术领域。本发明提出的机器人单体包括上下同轴连接的两部分壳体，上下壳体的几何结构相同，上下壳体的三个侧面上分别设置有通孔，上下壳体通过中心轴连接，连接上壳体的中心轴一端通过轴承A、轴承B实现与上壳体配合活动连接，下壳体内部底面上固定有控制电路板。本发明具有模块化，可重构，扩展性强的特性，每个机器人单体共有六个面可供连接，可以用最少的机器人单体组合成复杂的构型。且本发明采用电位计高精度反馈位置，其电位计直接设置在检测目标处，最终角度包含机械空程，有效地提高了机器人运动精度。

Description

一种用于实现可变形机器人的机器人单体

技术领域

本发明属于机器人的技术领域，具体涉及一种用于实现可变形机器人的机器人单体。

背景技术

机器人技术的发展使得机器人的能力不断提高，机器人应用的领域和范围正在不断扩展，人们希望机器人能完成更加复杂的任务，通过对其进行重新编程，机器人能很容易地完成许多不同的任务。然而一台机器人能完成任务的范围受到其自身机械结构的限制，对于给定任务，可以根据任务要求选择机器人的最佳结构。由于柔性机器人时由多个单体机器人构成的，能实现多个机器人协同动作，因此比普通机器人有更高的自由度，能更好的适应现场环境

然而对于一些不可预知的或者不断变化的作业，就无法选择机器人的最佳结构了，传统机器人因其自身结构限制难以适应工作环境和工作任务的变化，若因工作环境和工作任务的不同而重新对机器人进行开发，应用许多具有不同运动学和动力学特性的机器人来完成作业任务，这种做法耗资巨大，开发周期长。

在参考文献1：《模块化自重构机器人研究——现状、机遇与挑战》中提供的机器人设计中，其每个机器人单体仅提供4个可靠连接面，在参考文献2：《基于容错性能的可重构机器人构形综合研究》中仅提供2个可靠连接面，在参考文献3：《可重构机器人单元结构设计及组合特性分析》中仅提供2个可靠连接面，在上述的现有技术中，其可靠连接面非常有限，且运动干涉较大，构成的机器人组合体不易安装，还需要其他的转动部件相支持。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提出一种用于实现可变形机器人的机器人单体，具有模块化，可重构，扩展性强的特性，每个机器人单体共有六个面可供连接，可以用最少的机器人单体组合成复杂的构型。且本发明采用电位计高精度反馈位置，其电位计直接设置在检测目标处，最终角度包含机械空程，有效地提高了机器人运动精度。

本发明提出的机器人单体包括上下同轴连接的两部分壳体，上下壳体的几何结构相同，上下壳体均是通过如下方式得到的：

（1）选取正三棱锥，正三棱锥的三个侧面两两互相垂直；

（2）以正三棱锥的底面内切圆为底面的圆柱体，向上截取正三棱锥三个侧面，得到几何体；

所述的上下壳体均为薄壁壳体，上下壳体的三个侧面上分别设置有通孔，用于实现与相邻可变形机器人之间的电气连接，上下壳体底面中心均具有通孔；上下壳体通过中心轴连接，中心轴为芯部中空的轴体，中心轴的一端底部与下壳体的底面固定连接，另一端穿过上壳体底面通孔，连接上壳体的中心轴一端通过轴承A19、轴承B实现与上壳体配合活动连接，轴承B的外部还连接有支撑板，支撑板的两端连接有挡板，挡板的底部与上壳体的底面固定连接；中心轴的顶部连接有蜗轮，在蜗轮和轴承B的中间设置有套筒，通过套筒固定轴承B的轴向位置，在蜗轮的顶部设置有螺母，通过螺母将蜗轮轴向固定，且在挡板上还连接有蜗杆，与蜗轮配合使用；蜗轮上方设置有电位计，且电位计的主体与挡板固定连接，挡板上还固定有导电滑环，导电滑环与中心轴同轴，且位于电位计上方，挡板上还设置有直流减速电机，直流减速电机通过齿轮咬合带动蜗杆转动，通过蜗杆带动蜗轮转动，最终实现通过蜗轮带动中心轴转动，进而实现上下壳体相对旋转连接。

下壳体内部底面上固定有控制电路板，上壳体中的电位计、电机的连线通过导电滑环与控制电路板连接，通过控制电路板与上位机通讯，控制电机转动，采集电位计信号，实现上下壳体相对旋转角度控制。

本发明具有的优点在于：

1、本发明提出一种用于实现可变形机器人的机器人单体，具有模块化，可重构，扩展性强的特性，每个机器人单体共有六个面可供连接，可以用最少的机器人单体组合成复杂的构型；同时也能将一些扩展组件安装于单个机器人上；

2、本发明提出一种用于实现可变形机器人的机器人单体，其旋转面与每个连接面的夹角均为为35.26°，而非通常的90°与180°。这样的设计大大增加了机器人的运动范围和变形模式；

3、本发明提出一种用于实现可变形机器人的机器人单体，其采用直流减速电机附加蜗轮蜗杆减速的机构，其扭力可达到5N·M，完全可以带动机器人在空间中运动。7~8个机器人单体可组合成单直线的机械臂在空间中到达任意位置任意角度；

4、本发明提出一种用于实现可变形机器人的机器人单体，其导电滑环和电位计的设计保证了其可以任意圈旋转，而非通常此类机器人的90~180度旋转；

5、本发明提出一种用于实现可变形机器人的机器人单体，采用电位计高精度反馈位置，其电位计直接设置在检测目标处，最终角度包含机械空程，有效地提高了机器人运动精度，其测量精度高达0.06°。

6、本发明提出一种用于实现可变形机器人的机器人单体，通过电器连接，可以实现多个机器人协同控制，具有很高的自由度。

附图说明

图1：本发明提出一种用于实现可变形机器人的机器人单体的结构示意图；

图2：本发明提出一种用于实现可变形机器人的机器人单体的壳体主视图；

图3：本发明提出一种用于实现可变形机器人的机器人单体的壳体俯视图；

图4：本发明提出一种用于实现可变形机器人的机器人单体的壳体内部结构示意图；

图5：本发明提出一种用于实现可变形机器人的机器人单体壳体内部结构***图；

图6：本发明提出一种自动连接件的结构示意图；

图7：本发明提出一种自动连接件无电机结构时的结构示意图；

图8:本发明中上部套接卡环的空间结构示意图；

图9：本发明中上部套接卡环的主视图；

图10：本发明中上部套接卡环的截面图；

图11：本发明中下部弹销基座的基座的结构示意图；

图12：本发明中下部弹销基座的电机部件结构示意图；

图13：本发明中电机座结构示意图；

图:14：本发明中电机座结构示意图；

图15：本发明中下部弹销基座的中心弹销结构示意图。

图中：1-上部套接卡环；    2-下部弹销基座；    3-上中空圆柱A；

      4-下中空圆柱B；     5-中心弹销；         6-基座；

7-电机部件；       8-上中空圆锥C；    9-下中空圆柱D；

10-顶尖；          11-电机；          12-圆锥F；

13-圆柱G；         14-中空圆柱E；     15-电机座；

16-上壳体；        17-下壳体；        18-中心轴；

19-轴承A；         20-轴承B；         21-套筒；

22-挡板；          23-蜗轮；          24-螺母；

25-蜗杆；          26-电位计；        27-导电滑环；

28-直流减速电机；  29-支撑板。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明进行详细说明。

本发明提出一种用于实现可变形机器人的机器人单体，如图1所示，该机器人单体包括上下同轴连接的两部分壳体，上下壳体的几何结构相同，上下壳体均是通过如下方式得到的：

1、选取正三棱锥，正三棱锥的三个侧面两两互相垂直，正三棱锥的底面内切圆半径为r；

2、以正三棱锥的底面内切圆为底面的圆柱体，向上截取正三棱锥三个侧面，得到不规则几何体。

所述的上下壳体均为薄壁壳体，如图2和图3所示，上下壳体的三个侧面上均设置有通孔，用于实现与相邻可变形机器人之间的电气连接。上下壳体底面中心均具有通孔，中心轴18为芯部中空的轴体，芯部用于走线连接。中心轴18的一端底部与下壳体的底面固定连接，另一端穿过上壳体底面通孔，通过轴承A19、轴承B20实现与上壳体配合活动连接，如图4和图5所示，轴承B20的外部还连接有支撑板29，支撑板29的两端连接有挡板22，挡板22的底部与上壳体的底面固定连接，中心轴18的顶部连接有蜗轮23，在蜗轮23和轴承B20的中间还连接有套筒21，通过套筒21固定轴承B20的轴向位置，在蜗轮23的顶部设置有螺母24，通过螺母24将蜗轮23轴向固定，且在挡板22上还连接有蜗杆25，与蜗轮23配合使用。蜗轮23上方设置有电位计26（角度传感器），且电位计26的主体与挡板22固定连接，挡板22上还固定有导电滑环27，导电滑环27与中心轴18同轴，且位于电位计26上方。挡板22上还设置有直流减速电机28，直流减速电机28通过齿轮咬合带动蜗杆25转动，通过蜗杆25带动蜗轮23转动，最终实现通过蜗轮23带动中心轴18转动。最终通过中心轴18实现上下壳体相对旋转连接。

下壳体内部底面上固定有控制电路板，上壳体中的电位计26、电机的连线通过导电滑环27与控制电路板连接，避免由于转动引起的导线缠绕。通过控制电路板与上位机通讯，控制电机转动，采集电位计26信号，实现上下壳体相对旋转角度控制。

一个机器人单体上下壳体的侧面通孔上设置有手动连接件，通过手动连接件实现与另一机器人单体的快速连接，最终实现多个机器人连接，由于每一个机器人单体的上下两个壳体均可相对旋转，因此最终形成的机器人组合体整体均可以旋转，柔性较高，可以实现多种变形，可360度旋转动作范围大，通用性强，在工业现场无需针对每一种工作专门设计机器人，只需要对机器人单体进行不同组合、编程即可完成任务，降低了成本。

优选的机器人单体的通孔上还可以设置有自动连接件，上中空圆柱A的上表面固定于上下壳体的通孔中，实现与被连接件的连接；如图6和图7所示，自动连接件包括上部套接卡环1和下部弹销基座2；如图8、图9所示，所述的上部套接卡环1包括上下顺次同轴连接两个中空圆柱结构，上中空圆柱A3的外径小于下中空圆柱B4的外径，下中空圆柱B4的边缘通过螺钉与外部需连接的连接件连接。上中空圆柱A3的内壁面为圆锥面，该圆锥面为向下中空圆柱B4方向收缩的圆锥面，如图10所示，且圆锥面母线与中心轴线之间的夹角为α，α＞45°，下中空圆柱B4的内壁面为圆锥面，如图10所示，该圆锥面为向上中空圆柱A3方向收缩的圆锥面，该圆锥面母线与中心轴线之间的夹角为β。

如图11所示，所述的下部弹销基座2包括中心弹销5、基座6和电机部件7，基座6包括顺次同轴连接的上中空圆锥C8和下中空圆柱D9，上中空圆锥C8的内径与下中空圆柱D9的内径相等，上中空圆锥C8的底面外径小于下中空圆柱D9的底面外径，且下中空圆柱D9的底面外径大于上部套接卡环1的下中空圆柱B4底面内径，且上中空圆锥C3的圆锥面母线与中心轴线的夹角为γ，优选为γ=β，上中空圆锥C8的侧壁上设置三个以上的通孔，用于安装中心弹销5。下中空圆柱D9的内壁为螺纹结构，且下中空圆柱D9的底部同轴连接有内螺纹中空圆柱E14，下中空圆柱D9和内螺纹中空圆柱E14的内部连接有电机部件7，该电机部件7包括顶尖10和电机11两部分，如图12所示，顶尖10分为上下一体同轴的圆锥F12和圆柱G13两部分，圆锥F12外表面为光滑表面，圆锥的圆锥面母线与其中心线的夹角为ζ，圆柱G13外表面为外螺纹表面，圆柱G13的下方同轴连接有电机11，且电机11出轴与顶尖10周向固定，电机部件通过圆柱G13的外螺纹连接于中空圆柱E14和下中空圆柱D9的内螺纹结构中。在电机11驱动下，使圆柱G13在下中空圆柱D9和中空圆柱E14的内螺纹中行进，进而带动顶尖10沿中心轴线轴向运动。电机11通过电机座15固定于下中空圆柱D9的底部，如图13和图14所示，使电机座15与基座固定连接。如图15所示，中心弹销5为两端均为圆锥面的圆柱结构，其一端圆锥面的角度与顶尖10的圆锥F12圆锥面相配合，该端圆锥面母线与中心线的夹角为δ，优选的δ+ζ=90°，中心弹销5另一端圆锥面的角度与上中空圆柱A的内圆锥面角度相配合，该端圆锥面母线与中心线夹角为θ，优选的θ+α=90°，中心弹销5位于上中空圆锥C8侧壁的通孔中，中心弹销5在电机11驱动的顶尖10作用下，在上中空圆锥C8的通孔中运动。电机11带动螺纹顶尖10轴向运动，推动中心弹销5弹出，中心弹销5与上中空圆柱B4的内圆锥面配合，将上部套接卡环1和下部弹销基座2卡紧。电机座的底部固定于上下壳体的通孔中，实现与主动连接件的连接。

所述的上中空圆锥C表面设置有导电滑道，下中空圆柱B4的表面设置有弹簧触点，通过导电滑道与弹簧触点的稳定接触，从而进行有效的电磁连接。当上部套接卡环1和下部弹销基座2连接后，自动连接件的弹销自动锁紧连接，并使导电滑道和弹簧触点连通，使分别与上部套接卡环1、下部弹销基座2连接的主动连接件、被动连接件实现电气连接，当主动连接件、被动连接件需要分离时，通过主动连接件和被动连接件的电信号控制部套接卡环和下部弹销基座分离。

Claims (6)

1.一种用于实现可变形机器人的机器人单体，其特征在于：所述的机器人单体包括上下同轴连接的两部分壳体，上下壳体的几何结构相同，上下壳体均是通过如下方式得到的：

（1）选取正三棱锥，正三棱锥的三个侧面两两互相垂直；

（2）以正三棱锥的底面内切圆为底面的圆柱体，向上截取正三棱锥三个侧面，得到几何体；

所述的上下壳体均为薄壁壳体，上下壳体的三个侧面上分别设置有通孔，用于实现与相邻可变形机器人之间的电气连接，上下壳体底面中心均具有通孔；上下壳体通过中心轴连接，中心轴为芯部中空的轴体，中心轴的一端底部与下壳体的底面固定连接，另一端穿过上壳体底面通孔，连接上壳体的中心轴一端通过轴承A、轴承B实现与上壳体配合活动连接，轴承B的外部还连接有支撑板，支撑板的两端连接有挡板，挡板的底部与上壳体的底面固定连接；中心轴的顶部连接有蜗轮，在蜗轮和轴承B的中间设置有套筒，通过套筒固定轴承B的轴向位置，在蜗轮的顶部设置有螺母，通过螺母将蜗轮轴向固定，且在挡板上还连接有蜗杆，与蜗轮配合使用；蜗轮上方设置有电位计，且电位计的主体与挡板固定连接，挡板上还固定有导电滑环，导电滑环与中心轴同轴，且位于电位计上方，挡板上还设置有直流减速电机，直流减速电机通过齿轮咬合带动蜗杆转动，通过蜗杆带动蜗轮转动，最终实现通过蜗轮带动中心轴转动，进而实现上下壳体相对旋转连接；

下壳体内部底面上固定有控制电路板，上壳体中的电位计、电机的连线通过导电滑环与控制电路板连接，通过控制电路板与上位机通讯，控制电机转动，采集电位计信号，实现上下壳体相对旋转角度控制。

2.根据权利要求1所述的一种用于实现可变形机器人的机器人单体，其特征在于：所述的上下壳体的三个侧面的通孔上分别设置有自动连接件，该自动连接件包括上部套接卡环和下部弹销基座；上部套接卡环和下部弹销基座分别设置在上下壳体的三个侧面通孔中，用于实现两个机器人单体间的相互对接；

所述的上部套接卡环包括上下顺次同轴连接两个中空圆柱结构，上中空圆柱A的内壁面为圆锥面，所述的上中空圆柱A的内壁面圆锥面为向下中空圆柱B方向收缩的圆锥面，下中空圆柱B的内壁面为圆锥面，该圆锥面为向上中空圆柱A方向收缩的圆锥面，该圆锥面母线与中心轴线之间的夹角为β；上中空圆柱A的上表面固定于上下壳体的通孔中，实现与被连接件的连接；

所述的下部弹销基座包括中心弹销、基座和电机部件，基座包括顺次同轴连接的上中空圆锥C和下中空圆柱D，上中空圆锥C的内径与下中空圆柱D的内径相等，上中空圆锥C的侧壁上设置三个以上的通孔，用于安装中心弹销，下中空圆柱D的内壁为螺纹结构，且下中空圆柱D的底部同轴连接有内螺纹中空圆柱E，下中空圆柱D和内螺纹中空圆柱E的内部连接有电机部件，该电机部件包括顶尖和电机两部分，顶尖分为上下一体同轴的圆锥F和圆柱G两部分，圆锥F外表面为光滑表面，圆柱G外表面为外螺纹表面，圆柱G的下方同轴连接有电机，且电机输出轴与顶尖周向固定，电机部件通过圆柱G的外螺纹连接于中空圆柱E和下中空圆柱D的内螺纹结构中，在电机驱动下，使圆柱G在下中空圆柱D和中空圆柱E的内螺纹中行进，进而带动顶尖沿中心轴线轴向运动，电机通过电机座固定于下中空圆柱D的底部，使电机座与基座固定连接；中心弹销为两端均为圆锥面的圆柱结构，其一端圆锥面的角度与顶尖的圆锥F圆锥面相配合，另一端圆锥面的角度与上中空圆柱A的内圆锥面角度相配合，使中心弹销位于上中空圆锥C侧壁的通孔中，中心弹销在电机驱动的顶尖作用下，在上中空圆锥C的通孔中运动；电机座的底部固定于上下壳体的通孔中，实现与主动连接件的连接；

所述的上中空圆锥C表面设置有导电滑道，下中空圆柱B的表面设置有弹簧触点，通过导电滑道与弹簧触点的稳定接触，实现电磁连接。

3.根据权利要求2所述的一种用于实现可变形机器人的机器人单体，其特征在于：所述的上中空圆柱A的外径小于下中空圆柱B的外径，下中空圆柱B的边缘通过螺钉与外部件连接。

4.根据权利要求2所述的一种用于实现可变形机器人的机器人单体，其特征在于：所述的上中空圆柱A的内壁面圆锥面母线与中心轴线之间的夹角为α，α＞45°。

5.根据权利要求2所述的一种用于实现可变形机器人的机器人单体，其特征在于：所述的上中空圆锥C的底面外径小于下中空圆柱D的底面外径，且下中空圆柱D的底面外径大于上部套接卡环的下中空圆柱B底面内径，且上中空圆锥C的圆锥面母线与中心轴线的夹角为γ，γ=β。

6.根据权利要求2所述的一种用于实现可变形机器人的机器人单体，其特征在于：所述的中心弹销与顶尖的圆锥F接触一端的圆锥面母线与中心线夹角δ满足δ+ζ=90°,所述ζ为圆锥面母线与其中心线的夹角。