CN107116545A - 一种四自由度球形模块单元 - Google Patents

Abstract

一种四自由度球形模块单元，它涉及模块化机器人模块单元，以解决现有机器人模块单元自由度配置较少，灵活性较弱以及空间利用率较低的问题，它包括球壳、正四面体组件和四套连接组件；正四面体组件包括正四面体支架和四个驱动电机；每套连接组件包括传动机构、外壳和两个升降机构；球壳内布置有正四面体支架和四套连接组件，正四面体支架每个安装座内安装有一个驱动电机，每个驱动电机的输出轴上安装有一个外壳；外壳上加工有两个主动导轨孔和两个被动导轨孔；传动机构安装在外壳内侧面上，传动机构上连接有两个升降机构，主动导轨孔用于伸出模块单元自有升降机构，被动导轨孔用于接收被对接的模块单元自有升降机构。本发明用于模块化机器人。

Description

一种四自由度球形模块单元

技术领域

本发明涉及模块化机器人模块单元，具体涉及一种四自由度球形模块单元。

背景技术

模块化机器人由结构简单的模块单元组成，凭借其形态可塑，功能可变的优势，成为了近年研究的热点。国外在该型机器人的研究上起步较早，已有了一定研究基础，我国起步较晚，并且多集中于一个或二个自由度模块单元的研发上，研制的结构也大多采用传统的六面体构型。

连接机构是自重构模块设计中最重要问题之一，必须保证机器人模块间机械电气连接可靠、分离容易，同时要求体积小、节能。现有的机器人模块的连接机构大都采用了机械式、电磁式或永磁式的结构。机械式连接可靠性高。但分离操作需要额外的分离空间，限制了自重构的能力。电磁式的连接机构可以降低机构设计的复杂性，但存在体积大、重量大、发热量大等问题。永磁式的连接机构具有连接强度大，体积、重量小等优点，其主要问题在于连接面抗剪切的能力较弱，连接不可靠。

发明内容

本发明为解决现有机器人模块单元自由度配置较少，灵活性较弱以及空间利用率较低的问题，进而提供一种四自由度球形模块单元。

本发明为解决上述问题采取的技术方案是：

一种四自由度球形模块单元包括球壳、正四面体组件和四套连接组件；正四面体组件包括正四面体支架和四个驱动电机；每套连接组件包括传动机构、外壳和两个升降机构；

球壳内布置有正四面体支架和四套连接组件，正四面体支架上具有四个安装座，四个安装座构成正四面体的顶点，每个安装座内安装有一个驱动电机，每个驱动电机的输出轴上安装有一个外壳，外壳布置在球壳上开设的对接孔上，四个驱动电机的输出轴的轴线的交汇点与所述正四面体的中心重合；

外壳上加工有两个主动导轨孔和两个被动导轨孔；主动导轨孔与被动导轨孔沿外壳轴线旋转均布；传动机构安装在外壳内侧面上，传动机构上连接有两个升降机构，主动导轨孔用于伸出模块单元自有升降机构，被动导轨孔用于接收被对接的模块单元自有升降机构，位于外壳的内侧面上的每个被动导轨孔的外缘上布置有用于定位升降机构的限位件。

进一步地，传动机构包括传动电机、电机架、齿轮挡板、主齿轮、两个齿轮一和两个内螺纹齿轮二；

传动电机安装在电机架上，齿轮挡板安装在电机架上，电机架安装在外壳上，齿轮挡板下方布置有主齿轮、两个齿轮一和两个内螺纹齿轮二；主齿轮安装在传动电机的输出轴上，主齿轮的两侧分别布置有一个齿轮一和一个内螺纹齿轮二，齿轮一与内螺纹齿轮二啮合，两个齿轮一分别与主齿轮啮合，每个内螺纹齿轮二的内螺纹孔上布置有升降机构。

进一步地，每个升降机构包括螺杆和固接在螺杆端部上的定位块，螺杆旋拧在内螺纹齿轮二的内螺纹孔内并穿过齿轮挡板，定位块布置在主动导轨孔内。

进一步地，所述限位件为限位块，位于外壳的内侧面上的每个被动导轨孔的外缘上布置有用于定位升降机构的两个限位块，两个限位块对角布置。

进一步地，主动导轨孔和被动导轨孔均为矩形孔，定位块与矩形孔配合。

进一步地，被动导轨孔的深度小于主动导轨孔的深度。

本发明的有益效果是：模块单元结构的设计是该型机器人研究的硬件基础。综合上述分析，本结构采用四自由度(正四面体)机械式连接，突破传统六面体结构形式，采用了最少面空间对称几何体自由度配置方式，提高了球形结构的空间利用率，结构紧凑。

本发明突破现有连接模式，集主动连接与被动连接于一身。传统的主动模块与被动模块(即连接机构的本体与受体模块)分别设计大大降低了模块的通用性，本发明每个外壳设计四个导轨孔，两个主动导轨孔用于伸出模块单元内自带的升降机构，两个被动导轨孔用于接受其它模块单元伸入的升降机构。

改善机械连接方式的不足，模块单元的连接与分离，不需要额外分离空间，采用一套传动组件和升降机构，配合导轨及限位块的限制，实现伸缩与锁死，提高了传动***利用率，利用率提高了55％以上，连接结构紧凑。

作为模块化机器人的硬件平台，四自由度的正四面体配置可以用于搜寻一些区别于用于传统正交自由度构型的新型运动步态模式(构型不变，将其看作个体机器人，设计运动步态，实现自我移动，比如传统正交模块机器人的运动步态有腿足行走，链式蛇形蠕动等)。

大量模块单元形成模块化机器人，通过模块间相对转动和模块连接、分离，可以实现模块搬运，从而实现形态重塑。面向不同的任务生成不同的构型，既可以在狭窄管道中进行工作，又可以在广阔的太空中充当无限长可定型“绳索”，协助宇航员工作等。该装置应用广泛，可以用于各种复杂环境，通过机器人的自我变形，适应不同任务要求。同时在此发明基础上，可以涌现新的模块化机器人运动形式，开创新思路，促进模块化机器人的发展。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为图1的去掉球壳的结构示意图；

图3为外壳的结构示意图；

图4为去掉齿轮挡板的传动机构的结构示意图；

图5为相邻两个模块单元分离时受限位块限位示意图；

图6为相邻两个模块单元对接时受限位块限位示意图；

图7为相邻两个模块单元对接时升降机构被限制在当前外壳的主动导轨孔内的示意图；

图8为相邻两个模块单元对接时升降机构伸入被对接的模块单元的被动导轨孔内的示意图；

图9为相邻两个模块单元对接时升降机构伸出被对接的模块单元的被动导轨的示意图；

图10为相邻两个模块单元对接时升降机构受被对接的模块单元上的限位块限位的示意图；

图11为本发明应用于三足行走的示意图；

图12为本发明应用于空间柔性绳索的示意图。

具体实施方式

下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。

参见图1-图4说明，本实施方式的一种四自由度球形模块单元，它包括球壳1、正四面体组件和四套连接组件3；正四面体组件包括正四面体支架2和四个驱动电机4；每套连接组件3包括传动机构3-1、外壳3-2和两个升降机构3-3；

球壳1内布置有正四面体支架2和四套连接组件3，正四面体支架2上具有四个安装座，四个安装座构成正四面体的顶点，每个安装座内安装有一个驱动电机4，每个驱动电机4的输出轴上安装有一个外壳3-2，外壳3-2布置在球壳1上开设的对接孔上，四个驱动电机4的输出轴的轴线的交汇点与所述正四面体的中心重合；

外壳3-2上加工有两个主动导轨孔3-4和两个被动导轨孔3-5；主动导轨孔3-4与被动导轨孔3-5沿外壳轴线旋转均布；传动机构3-1安装在外壳3-2内侧面上，传动机构3-1上连接有两个升降机构3-3，主动导轨孔3-4用于伸出模块单元自有升降机构3-3，被动导轨孔3-5用于接收被对接的模块单元自有升降机构3-3，位于外壳3-2的内侧面上的每个被动导轨孔3-5的外缘上布置有用于定位升降机构3-3的限位件3-6。将外壳扣在电机架3-11上，用螺钉连接；整个机构均由螺钉连接，拆装方便，易于使用。

参见图1和图4说明，为了进一步提高传动***的利用率和可靠性，传动机构3-1包括传动电机3-10、电机架3-11、齿轮挡板3-12、主齿轮3-13、两个齿轮一3-14和两个内螺纹齿轮二3-15；

传动电机3-10安装在电机架3-11上，齿轮挡板3-12安装在电机架3-11上，电机架3-11安装在外壳3-2上，齿轮挡板3-12下方布置有主齿轮3-13、两个齿轮一3-14和两个内螺纹齿轮二3-15；主齿轮3-13安装在传动电机3-10的输出轴上，主齿轮3-13的两侧分别布置有一个齿轮一3-14和一个内螺纹齿轮二3-15，齿轮一3-14与内螺纹齿轮二3-15啮合，两个齿轮一3-14分别与主齿轮3-13啮合，每个内螺纹齿轮二3-15的内螺纹孔上布置有升降机构3-3。

将传动机构3-1的齿轮组通过轴固定在齿轮挡板上，电机架3-11安装在外壳3-2上；通过螺钉将齿轮挡板3-12固定在电机架3-11上，实现齿轮组的两端固定；控制四个自由度的驱动电机4过盈***在正四面体电机支架2上；利用四组驱动电机的轴与外壳伸出孔的过盈配合将整个结构连接为一体。内螺纹齿轮二3-15的内螺纹孔开设在内螺纹齿轮的中部。

参见图1和图4说明，每个升降机构3-3包括螺杆3-30和固接在螺杆3-30端部上的定位块3-31，螺杆3-30旋拧在内螺纹齿轮二3-15的螺纹孔内并穿过齿轮挡板3-12，定位块3-31布置在主动导轨孔3-4内。如此设置，螺杆式升降机构结构简单，设计合理紧凑，满足实际需要。

参见图1和图4说明，限位件3-6为限位块，位于外壳3-2的内侧面上的每个被动导轨孔3-5的外缘上布置有用于定位升降机构3-3的两个限位块，两个限位块对角布置。参见图7-图10为相邻两个模块单元对接时螺母运行状态图。相邻两个模块单元对接时螺杆伸出被对接的模块单元的被动导轨后随内螺纹齿轮同步转动3-15，受限位块限位后，无法实现与齿轮组的同步运行，传动电机即可停止运转。

参见图5和图6说明，主动导轨孔3-4和被动导轨孔3-5均为矩形孔，定位块3-31与矩形孔配合。如此设置，结构简单，加工使用方便，满足设计要求和实际需要。

参见图6说明，被动导轨孔3-5的深度小于主动导轨孔3-4的深度。如此设置，起初，定位块3-31在主动导轨孔3-4内，随着传动机构的齿轮组的运转，螺杆3-30连同定位块3-31直线移动伸入被对接的模块单元的外壳3-2的被动导轨孔3-5内，一旦伸出被动导轨孔3-5后，一直旋转不停，无法控制定位块3-31的运动，增设限位块限制定位块3-31的运动，实现相邻模块单元的对接，组合成应用于三足行走的机器人或空间柔性绳索，如图10和图11。

工作原理：自由度：球壳和四个外壳构成一个封闭的球形壳体，二者之间通过内置正四面体支架2上的驱动电机4带动外壳3-2相对转动，实现4个自由度。

参见图7-图10说明，连接组件：在电机架3-11上的传动电机3-10通过主齿轮、齿轮一和两个内螺纹齿轮二构成的齿轮组传动，带动内螺纹齿轮二3-15转动，在主动导轨孔3-4的束缚下，与之配合的螺杆3-30及定位块3-31只能上下移动，实现连接机构的伸缩。与下一模块单元连接时，连接组件3伸入下一模块单元连接槽内直至被动导轨孔3-5束缚解除，此时螺杆3-30被内螺纹齿轮3-15带动一起旋转，旋转90度后，接触外壳3-2上放置的限位块3-6，模块单元之间返回一个连接成功信号，电机停转，实现两个球形壳体的连接。与下一模块单元分离时，外壳3-2上的传动电机3-10反转，螺杆3-30和内螺纹齿轮二3-15一起旋转，直至恢复原位并接触到下一个限位块3-6，此时螺杆3-30被束缚，只能够进行直线伸缩，传动电机3-10继续反转，直至螺杆3-30退出，两个模块单元分离。

重构变形：参见图11-图12说明，两个球形壳体相连时，在一个模块单元的带动下，通过外壳伸出孔连接的驱动电机4，可以推动相邻两个外壳3-2对接带动另一个模块单元一起旋转。若干模块单元相互协调运动，配合模块单元的连接与分离，可以实现模块单元搬运，从而实现形态重构。

本发明已以较佳实施案例揭示如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可以利用上述揭示的结构及技术内容做出些许的更动或修饰为等同变化的等效实施案例，但是凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施案例所做的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属本发明技术方案范围。

Claims (6)

1.一种四自由度球形模块单元，其特征在于：它包括球壳(1)、正四面体组件和四套连接组件(3)；正四面体组件包括正四面体支架(2)和四个驱动电机(4)；每套连接组件(3)包括传动机构(3-1)、外壳(3-2)和两个升降机构(3-3)；

球壳(1)内布置有正四面体支架(2)和四套连接组件(3)，正四面体支架(2)上具有四个安装座，四个安装座构成正四面体的顶点，每个安装座内安装有一个驱动电机(4)，每个驱动电机(4)的输出轴上安装有一个外壳(3-2)，外壳(3-2)布置在球壳(1)上开设的对接孔上，四个驱动电机(4)的输出轴的轴线的交汇点与所述正四面体的中心重合；

外壳(3-2)上加工有两个主动导轨孔(3-4)和两个被动导轨孔(3-5)；主动导轨孔(3-4)与被动导轨孔(3-5)沿外壳轴线旋转均布；传动机构(3-1)安装在外壳(3-2)内侧面上，传动机构(3-1)上连接有两个升降机构(3-3)，主动导轨孔(3-4)用于伸出模块单元自有升降机构(3-3)，被动导轨孔(3-5)用于接收被对接的模块单元自有升降机构(3-3)，位于外壳(3-2)的内侧面上的每个被动导轨孔(3-5)的外缘上布置有用于定位升降机构(3-3)的限位件(3-6)。

2.根据权利要求1所述一种四自由度球形模块单元，其特征在于：所述传动机构(3-1)包括传动电机(3-10)、电机架(3-11)、齿轮挡板(3-12)、主齿轮(3-13)、两个齿轮一(3-14)和两个内螺纹齿轮二(3-15)；

传动电机(3-10)安装在电机架(3-11)上，齿轮挡板(3-12)安装在电机架(3-11)上，电机架(3-11)安装在外壳(3-2)上，齿轮挡板(3-12)下方布置有主齿轮(3-13)、两个齿轮一(3-14)和两个内螺纹齿轮二(3-15)；主齿轮(3-13)安装在传动电机(3-10)的输出轴上，主齿轮(3-13)的两侧分别布置有一个齿轮一(3-14)和一个内螺纹齿轮二(3-15)，齿轮一(3-14)与内螺纹齿轮二(3-15)啮合，两个齿轮一(3-14)分别与主齿轮(3-13)啮合，每个内螺纹齿轮二(3-15)的内螺纹孔上布置有升降机构(3-3)。

3.根据权利要求2所述一种四自由度球形模块单元，其特征在于：每个升降机构(3-3)包括螺杆(3-30)和固接在螺杆(3-30)端部上的定位块(3-31)，螺杆(3-30)旋拧在内螺纹齿轮二(3-15)的内螺纹孔内并穿过齿轮挡板(3-12)，定位块(3-31)布置在主动导轨孔(3-4)内。

4.根据权利要求3所述一种四自由度球形模块单元，其特征在于：所述限位件(3-6)为限位块，位于外壳(3-2)的内侧面上的每个被动导轨孔(3-5)的外缘上布置有用于定位升降机构(3-3)的两个限位块，两个限位块对角布置。

5.根据权利要求3或4所述一种四自由度球形模块单元，其特征在于：主动导轨孔(3-4)和被动导轨孔(3-5)均为矩形孔，定位块(3-31)与矩形孔配合。

6.根据权利要求5所述一种四自由度球形模块单元，其特征在于：被动导轨孔(3-5)的深度小于主动导轨孔(3-4)的深度。