CN103264389B - 一种可全向运动的模块化自重构机器人的单元模块结构 - Google Patents

Abstract

一种用于构建模块化自重构机器人的单元模块，包含机身、俯仰关节、对接装置和运动轮装置。其中：机身整体为六面体结构，包括上外壳部分和下外壳部分，主电路板和三个驱动电机安装固定在机身外壳内壁；俯仰关节是将舵机固定在左、右舵机固定框上构成U形舵机关节，并通过舵盘和轴承实现与机身连接；对接装置包括主动对接机构和被动对接机构，主动对接机构通过步进电机驱动齿轮旋转钩旋转，被动对接机构为带槽板，与机身被动对接面安装固定；运动轮装置包括三个独立同构的全向轮运动机构，三者与机身固定且呈正三角形分布，并通过直流电机驱动。本发明的单元模块运动能力强，可实现单体的全向运动，单元模块对接面多，方便模块间对接。

Description

一种可全向运动的模块化自重构机器人的单元模块结构

技术领域

本发明涉及可全向运动的模块化自重构机器人的单元模块结构，属于机械机器人技术领域。

背景技术

模块化自重构机器人是一种高柔性的机器人。它由若干个独立的单元模块组合而成,各单元模块具有一定的运动能力。这些模块可以通过对接和拆分的方式改变整体的构形、实现不同的运动步态、完成相应的操作任务。模块化自重构机器人具有如下特点：1)自重构功能；(2)易修复性；(3)功能可扩展性；(4)自适应性；(5)高可靠性；(6)良好经济性。

单元模块是构建自重构机器人***的最基本元素，模块单体的运动能力直接影响整体机器人***的协调运动和作业能力。自重构单元模块主要分为3类：(1)链式(2)晶体式(3)混合式。

目前已知的模块化自重构机器人的单元模块设计中存在如下问题：(1)单体模块自由度数目少，运动能力较低，如MTRAN；(2)连接方式单一，***拓展形式较少，通用性不高，如GZ-I；(3)单元模块转角不能准确调整，对接实现难度大，如SuperBot；(4)单元模块机构复杂、成本高、不便普及和推广。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种用于构建模块化自重构机器人的单元模块，为克服背景技术中存在的模块化自重构机器人单体运动能力不足、运动效率不高，对接面少、对接调整难度大，结构复杂的缺点。本发明的目的是通过以下技术方案实现：

一种可全向运动的模块化自重构机器人的单元模块，其主要包括机身、俯仰关节、对接装置和运动轮装置，其中：机身整体为六面体形状，分为上下两半部分，上半部分包含上外壳和主电路板，下半部分包含下外壳、三个驱动电机和六个L形安装固定架，所述上、下外壳通过安装孔固定连接构成单元模块机身；俯仰关节包括左舵机固定框、右舵机固定框、舵机、舵盘、轴承和副电路板，所述舵机通过左、右舵机固定框固定，构成U形舵机关节，电路板固定在U形舵机关节上，所述U形舵机关节通过舵盘和轴承与机身外壳实现固定连接；对接装置包含主动对接机构和被动对接机构，主动对接机构包括齿轮旋转钩、安装板和步进电机，四个齿轮旋转钩和步进电机固定在安装板上，齿轮旋转钩相互啮合且利用步进电机驱动，构成主动对接机构，被动对接机构为带槽板，固定在机身外壳其他五个对接面上，模块间对接时，主动对接机构与不同被动对接机构连接可组合成不同的联体形状；运动轮装置包括三个独立同构的全向运动轮机构，每个全向轮运动机构包含全向轮、旋转齿轮和旋转轴，全向轮和旋转齿轮固定连接，旋转轴穿过全向轮和旋转齿轮的中心安装孔并与之固定，旋转轴两端与机身外壳固定连接，旋转齿轮和机身电机齿轮啮合，所述三个全向运动轮机构呈正三角形分布。

其中，所述主动对接机构的安装板的一个侧面有三个突起圆柱形的安装轴和一个通孔，四者分布于边长为6mm正方形的四角，步进电机与安装板固定且输出轴穿过通孔，齿轮旋转钩分别与安装板上的三个安装轴以及步进电机输出轴固定连接，且齿轮旋转钩根部的齿轮相互啮合。通过步进电机可以实现驱动齿轮旋转钩绕安装轴转动，步进电机的反正转可以控制齿轮旋转钩之间的张合，实现与被动对接面的连接或分离。

其中，所述被动对接机构为带有导槽夹层的带槽板，导槽的形状与主动对接面的四个齿轮旋转钩旋转的路径相匹配，主动被动对接机构接触后，齿轮旋转钩沿着被动对接面的导槽闭合。

根据建立的模块化自重构机器人模块轮式运动学模型，设计模块运动控制方法，实现单元模块全方向轮式运动控制。在此基础之上，实现多模块连接后的轮式运动控制。

采用红外和视觉相结合的技术实现模块对接。模块对接时，建立远距离视觉数学模型和近距离红外强度数据模型。通过两个模块同时进行误差调整来提高对接效率，实现模块之间的对接。

本发明具有以下有益效果：

一、模块有三个全向轮，且全向轮呈正三角形分布，可现实模块全方向的运动，有利于增强单体的移动能力；

二、单元模块整体为六面体，具备空间对称性；

三、单元模块具有一个主动对接面，五个被动对接面，对接面布局有利于节省空间，方便重构，可组合成不同的联体形状；

四、主动对接机构安装在旋转关节上，被动对接机构采用冗余设计，有利于模块间对接。

附图说明

图1是根据本发明的单元模块整体结构图；

图2是机身整体结构图；

图3是机身下半部分结构图；

图4是机身下半部分上视图；

图5是机身上半部分结构图；

图6是俯仰关节整体结构图；

图7是俯仰关节内部结构图；

图8是主动对接机构结构图；

图9是被动对接机构结构图；

图10是被动对接机构分布和装配图；

图11是全向轮运动机构结构图；

图12是全向轮运动机构分布和装配图；

图13是"一"字形***结构图；

图14是"Y"字形***结构图；

图15是圆盘形***结构图；

附图标记：1-单元模块机身，2-单元模块俯仰关节，3-单元模块对接装置，4-单元模块运动轮装置；101-L形全向轮固定架，102-全向轮安装轴承，103-电机齿轮，104-L形电机固定架，105，106-直流电机，107-电机齿轮，108-L形全向轮固定架，109-全向轮安装轴承，110-机身下外壳，111-直流电机，112-L形电机固定架，113-电机齿轮，114-全向轮安装轴承，115-L形全向轮固定架，116-全向轮安装轴承，117-L形电机固定架，118-全向轮安装轴承，119-全向轮安装轴承，120-轴承圆盘，121-主动轴圆盘，122-机身上外壳，123-主电路板；

201-右舵机固定框，202-左舵机固定框，203-副电路板，204-安装轴承，205-舵机，206-舵盘；

301-齿轮旋转钩，302-齿轮旋转钩，303-齿轮旋转钩，304-齿轮旋转钩，305-安装板，306-步进电机，307-带槽板，308-带槽板，309-带槽板，310-带槽板，311-带槽板；

401-旋转齿轮，402-旋转轴，403-全向轮，404-全向轮运动机构，405-全向轮运动机构，406-全向轮运动机构。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

图1是根据本发明的单元模块整体结构图。如图所示，本发明的单元模块由单元模块机身1，单元模块俯仰关节2，单元模块对接装置3，单元模块运动轮装置4组成。俯仰关节、对接装置、运动轮装置安装固定在单元模块机身上，其中单元模块的俯仰关节可以绕轴心上下旋转90°。

图2是单元模块机身整体结构图。如图2所示，机身整体为六面体形状，主要由机身上半部分和机身下半部分连接固定而成。机身上、下半部分的结构参见图3、图4和图5。

图3和图4分别为机身下半部分的结构图和上视图。机身下半部分包括机身下外壳110，全向轮安装轴承102、109、114、116、118、119，L形全向轮固定架101、108、115，L形电机固定架104、112、117，直流电机105、106、111，电机齿轮103、107、113,轴承圆盘120、主动轴圆盘121。L形全向轮固定架101、108、115与L形电机固定架104、112、117分别通过安装孔与机身下外壳110安装固定，全向轮安装轴承102、109、114安装在机身安装孔内，全向轮安装轴承116、118、119分别安装在L形全向轮固定架101、108、115的轴承安装孔内，直流电机105、106、111分别与L形电机固定架104、117、112固定连接，电机齿轮103、107、113分别与直流电机105、106、111固定连接，轴承圆盘120和主动轴圆盘121分别通过安装孔与机身下外壳110固定连接。以上安装轴承外部与机身或固定架上的安装孔安装固定，轴承内孔与全向轮的旋转轴连接，通过电机驱动带动全向轮旋转。

图5是机身上半部分结构图。如图所示，机身上半部分包括机身上外壳122和主电路板123。主电路板123的形状如图所示，可以安放在机身上外壳顶部，通过安装孔与机身上外壳122固定连接。机身上半部分和机身下半部分通过安装孔固定连接，构成形状为六面体的机身整体机构。

图6和图7分别为俯仰关节整体结构图和内部结构图。如图所示，俯仰关节主要包括右舵机固定框201、左舵机固定框202，舵机205、舵盘206、安装轴承204和副电路板203。舵机205通过安装孔分别与右舵机固定框201、左舵机固定框202固定安装，构成U形机构，副电路板203与U形机构的右舵机固定框201、左舵机固定框202固定连接，舵盘206与舵机205的驱动输出轴安装固定，安装轴承204与舵机205的从动输出轴固定连接，从而构成俯仰关节结构。俯仰关节与机身安装固定时，俯仰关节的舵盘206、安装轴承204分别与机身机构的主动轴圆盘121、轴承圆盘120通过安装孔固定。通过舵机的驱动，俯仰关节实现绕轴心上下90°的旋转。

单元对接装置3包含主动对接机构和被动对接机构两个部分。图8是主动对接机构结构图。如图所示，主动对接机构包括齿轮旋转钩301、302、303、304，安装板305、和步进电机306。安装板305的一个侧面有三个突起圆柱形的安装轴和一个通孔，四者分布于边长为6mm正方形的四角，步进电机306与安装板305固定且输出轴穿过通孔，齿轮旋转钩301、302、303、304分别与安装板305上的三个安装轴以及步进电机306输出轴固定连接，且齿轮旋转钩301、302、303、304根部的齿轮相互啮合。通过步进电机306可以实现驱动齿轮旋转钩301、302、303、304绕安装轴转动，步进电机的反正转可以控制齿轮旋转钩301、302和303、304之间的张合，实现与被动对接面的连接或分离。

图9是被动对接机构结构图。如图所示，被动对接机构为带有导槽夹层的带槽板，导槽的形状与主动对接面的四个齿轮旋转钩旋转的路径相匹配。主动被动对接机构接触后，齿轮旋转钩沿着被动对接面的导槽闭合即实现二者的连接固定，张开可以实现二者的分离。

图10是被动对接机构分布和装配图。如图所示，被动对接机构包括带槽板307、308、309、310、311，它们内部的导槽结构相同。带槽板307、311的外部结构的一侧不同于带槽板308、309、310两侧都为直线形的结构，它们的机构外侧与机身外壳圆弧面相切重合。带槽板307、308、309、310、311分别通过安装孔与机身外壳五个被动对接面固定。

运动轮装置包含三个独立同构的全向运动轮机构。图11是单个全向轮运动机构结构图。如图所示，全向轮运动机构包括旋转齿轮401、旋转轴402和全向轮403。旋转齿轮401通过安装孔实现与全向轮403的固定连接，旋转轴402穿过全向轮403和旋转齿轮401的中心孔，并通过全向轮凸台上的螺纹孔实现固定连接。全向轮运动机构的旋转轴两端通过与机身机构的全向轮安装轴承固定，可以实现全向轮运动机构与机身的固定连接。

图12是全向轮运动机构分布和装配图。如图所示，全向轮运动机构404、405、406结构相同，分别安装在机身下外壳的三个安装槽内，404的旋转轴402两端分别与机身外壳上的安装轴承102、116固定连接，旋转齿轮401与电机齿轮103互相啮合。全向轮机构405、406的装配方式相同，且三个全向轮运动机构呈正三角形分布。

由于单元模块机身整体为六面体，一个主动对接面和五个被动对接面分布于机身六面体的六个侧面，故多个模块对接时可以根据需要选择不同的被动对接面，因而多模块***可以组合成不同的联体形状。

如图13所示，六个模块对接组成“一”字形***。如图14所示，七个模块对接组成“Y”字形***。如图15所示，七个模块对接组成圆盘形***。

Claims (4)

1.一种可全向运动的模块化自重构机器人的单元模块，其主要包括机身、俯仰关节、对接装置和运动轮装置，其中：

机身整体为六面体形状，一个主动对接面和五个被动对接面分布于机身六面体的六个侧面，机身整体分为上下两半部分，上半部分包含上外壳和主电路板，下半部分包含下外壳、三个驱动电机和六个L形安装固定架，所述上、下外壳通过安装孔固定连接构成单元模块机身；

俯仰关节包括左舵机固定框、右舵机固定框、舵机、舵盘、轴承和副电路板，所述舵机通过左、右舵机固定框固定，构成U形舵机关节，副电路板固定在U形舵机关节上，所述U形舵机关节通过舵盘和轴承与机身外壳实现固定连接；

对接装置包含主动对接机构和被动对接机构，主动对接机构包括齿轮旋转钩、安装板和步进电机，四个齿轮旋转钩和步进电机固定在安装板上，齿轮旋转钩相互啮合且利用步进电机驱动，构成主动对接机构，被动对接机构为带槽板，固定在机身外壳五个被动对接面上，模块间对接时，主动对接机构与不同被动对接机构连接可组合成不同的联体形状；

运动轮装置包括三个独立同构的全向轮运动机构，每个全向轮运动机构包含全向轮、旋转齿轮和旋转轴，全向轮和旋转齿轮固定连接，旋转轴穿过全向轮和旋转齿轮的中心安装孔并与之固定，旋转轴两端与机身外壳固定连接，旋转齿轮和驱动电机齿轮啮合，所述三个全向运动轮机构呈正三角形分布。

2.如权利要求1所述的可全向运动的模块化自重构机器人的单元模块，其中，所述主动对接机构的安装板的一个侧面有三个突起圆柱形的安装轴和一个通孔，四者分布于边长为6mm正方形的四角，步进电机与安装板固定且输出轴穿过通孔，齿轮旋转钩分别与安装板上的三个安装轴以及步进电机输出轴固定连接，且齿轮旋转钩根部的齿轮相互啮合。

3.如权利要求1所述的可全向运动的模块化自重构机器人的单元模块，其特征在于，通过步进电机实现驱动齿轮旋转钩绕安装轴转动，步进电机的反正转控制齿轮旋转钩之间的张合，实现与被动对接面的连接或分离。

4.如权利要求1或2所述的可全向运动的模块化自重构机器人的单元模块，其中，所述被动对接机构为带有导槽夹层的带槽板，导槽的形状与主动对接机构的四个齿轮旋转钩旋转的路径相匹配，主动、被动对接机构接触后，齿轮旋转钩沿着被动对接机构的导槽闭合。