CN210616524U - 基于张拉整体结构的模块化机器人 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种基于张拉整体结构的模块化机器人，压杆为六根，分为三组，每组中的两根压杆相互平行，三组中两根压杆的轴向中心线所在平面相互垂直；压杆分为结构相同的两段，两段之间设有支架，支架内安装有分别控制两段伸缩的两个旋转电机；旋转电机的输出轴与滚珠丝杠相连，丝杠螺母与滚珠丝杠螺纹连接、形成螺旋副，延长杆的一端与丝杠螺母相连，另一端连接有橡胶端盖；每组的任意一根压杆中延长杆的另一端均通过四条弹性拉索与另外两组压杆中延长杆的另一端相连。本实用新型可提高机器人的寿命，每个压杆两段都能实现伸缩，在进行滚动时，可提高模块化机器人运动的稳定性；本实用新型可在地面复杂的环境中使用，尤其是野外救援以及星球探测等领域。

Description

基于张拉整体结构的模块化机器人

技术领域

本实用新型属于机器人领域，具体地说是一种基于张拉整体结构的模块化机器人。

背景技术

张拉整体结构由连续的弹性拉索和离散的刚性压杆组成，具有质量轻、可变形、能吸收冲击的特点。一般情况下，杆件只受到压力，弹性拉索只受到拉力。起初，该结构用于建筑、土木领域以及可展开机构，在机器人领域应用较少。张拉整体机器人进行滚动运动的原理是机器人的中心的投影不在底边三角形的区域内时，机器人发生滚动。

经过广泛调研发现，张拉整体机器人的结构主要包括：

1.杆件为气动人工肌肉,弹性拉索为弹簧和鱼线组成；机器人在运动时容易受到气管等的影响，运动效率较低。

2.压杆为刚性杆件，弹性拉索由弹簧等组成，通过电机的旋转改变弹性拉索的长度，机器人进行滚动运动依靠拉索的收缩。但是当拉索的收缩较慢时，机器人的运动效率较低；当收缩太快时，机器人的稳定性会降低，运动不容易预测。

3.压杆采用直线电机或者电动推杆，拉索采用弹簧等元件；机器人在运动时，压杆受到的冲击较大，容易受到损坏。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种基于张拉整体结构的模块化机器人。该模块化机器人通过滚动运动的方式进行运动，在运动时，压杆的长度变化可实现多个顶点与地面接触，运动的稳定性较高。

本实用新型的目的是通过以下技术方案来实现的：

本实用新型包括弹性拉索及可伸缩的压杆，其中压杆为六根，分为三组，每组中的两根压杆相互平行，三组中两根压杆的轴向中心线所在平面相互垂直；所述压杆分为结构相同的两段，两段之间设有支架，该支架内安装有分别控制两段伸缩的两个旋转电机；所述压杆的每段均包括旋转电机、丝杠螺母、延长杆、滚珠丝杠及橡胶端盖，该旋转电机的输出轴与滚珠丝杠相连，所述丝杠螺母与滚珠丝杠螺纹连接、形成螺旋副，延长杆的一端与丝杠螺母相连，另一端连接有橡胶端盖，通过所述旋转电机的正反转驱动滚珠丝杠旋转，滚珠丝杠的旋转运动通过螺旋副变为所述丝杠螺母带动延长杆的直线伸缩运动；每组的任意一根压杆中延长杆的另一端均通过四条所述弹性拉索与另外两组压杆中延长杆的另一端相连；

其中：所述四条弹性拉索中的两条与另外一组压杆中距离近的一根压杆的两段延长杆的另一端相连，另外两条弹性拉索与第三组压杆中距离近的一段延长杆的另一端连接；所述模块化机器人通过六根压杆及二十四条弹性拉索组成一个二十面体，该二十面体包含八个等边三角形、十二个等腰三角形；

所述三组中任意一组两根压杆的轴向中心线所在平面与另外一组两根压杆的轴向中心线平行，且另外一组的两根压杆分别位于所述平面的两侧，第三组两根压杆与所述平面垂直相交；

所述三组中任意一组两根压杆之间设有另外一组的两根压杆，并且任意一组的两根压杆位于第三组的两根压杆之间；

所述压杆的每段均设有保护外罩，压杆两段的保护外罩相连、罩在所述支架的外部；所述压杆每段的滚珠丝杠和延长杆外部套设有外筒，该外筒安装在保护外罩上，延长杆上设有金属环，所述外筒与该金属环键连接，限制延长杆随滚珠丝杠旋转；

所述保护外罩的一端与同一根压杆另一段的保护外罩相连，该保护外罩的另一端为弧面；

所述滚珠丝杠上位于丝杠螺母的两侧分别设有防止丝杠螺母移动到滚珠丝杠螺纹外面的最低限位螺母和最高限位螺母；

所述橡胶端盖为椭圆体；

所述支架内安装有电池及控制***，该控制***包括单片机及无线模块，所述旋转电机通过单片机控制，该单片机通过无线模块与上位机通信；所述旋转电机、单片机及无线模块分别与电池相连。

本实用新型的优点与积极效果为：

1.本实用新型通过滚动运动的方式进行运动，在运动时，压杆的长度变化可实现多个顶点与地面接触，运动的稳定性较高。

2.本实用新型的结构设计可以提高机器人的寿命，并且模块化机器人由于每个压杆两段都能实现伸缩，因此，在进行滚动时，可提高模块化机器人运动的稳定性，所以本实用新型可在地面复杂的环境中使用，尤其是野外救援以及星球探测等领域。

3.本实用新型压杆的末端设有橡胶端盖，可以增加模块化机器人与地面的接触面积，增大摩擦力，还可以吸收滚动时模块化机器人与地面的冲击。

4.本实用新型将旋转电机、电池及控制***放在每根压杆的中心，减少了由于运动过程中的冲击，避免受到损坏。

附图说明

图1为本实用新型的立体结构示意图；

图2为本实用新型的结构主视图；

图3为本实用新型一组压杆的结构示意图；

图4为本实用新型压杆的结构主视图；

图5为本实用新型为一半压杆的结构示意图；

图6为图5中拿掉保护外罩及外筒后的结构示意图；

图7为本实用新型延长杆与外筒及滚珠丝杠连接的局部放大图；

图8为本实用新型各压杆之间的弹性拉索连接示意图；

其中：1为弹性拉索，2为压杆，3为支架，4为联轴器，5为最低限位螺母，6为丝杠螺母，7为延长杆，8为金属环A，9为连接环，10为旋转电机，11为金属环B，12为滚珠丝杠，13为橡胶端盖，14为最高限位螺母，15为保护外罩，16为外筒。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步详述。

如图1、图2所示，本实用新型包括弹性拉索1及可伸缩的压杆2，其中压杆2为六根，分为三组，每组中的两根压杆2相互平行，三组中两根压杆2的轴向中心线所在平面相互垂直；即，三组中任意一组两根压杆2的轴向中心线所在平面与另外一组两根压杆2的轴向中心线平行，且另外一组的两根压杆2分别位于平面的两侧，第三组两根压杆2与平面垂直相交；三组中任意一组两根压杆2之间设有另外一组的两根压杆2，并且任意一组的两根压杆2位于第三组的两根压杆2之间。

如图3～7所示，本实用新型的压杆2分为结构相同的两段，两段均可以实现伸缩，两段之间设有支架3，该支架3内安装有分别控制两段伸缩的两个旋转电机10；压杆2的每段均包括旋转电机10、联轴器4、丝杠螺母6、延长杆7、滚珠丝杠12及橡胶端盖13，该旋转电机10的输出轴与滚珠丝杠12相连，丝杠螺母6与滚珠丝杠12螺纹连接、形成螺旋副，延长杆7的一端与丝杠螺母6相连，另一端连接有橡胶端盖13，用来吸收冲击和增加与接触面的摩擦力；本实施例的橡胶端盖13为椭圆体，通过胶粘剂与延长杆7的另一端胶接即可，椭圆体的橡胶端盖13可增加与地面的接触面积，增加摩擦力，防止机器人出现打滑等情况。此外，橡胶具有弹性，在机器人运动时，橡胶与地面接触可吸收大部分的冲击，提高了机器人运动的稳定性。本实用新型通过旋转电机10的正反转驱动滚珠丝杠12旋转，滚珠丝杠12的旋转运动通过螺旋副变为丝杠螺母6带动延长杆7的直线伸缩运动，进而实现压杆2的伸缩；每组的任意一根压杆2中延长杆7的另一端均通过四条弹性拉索1与另外两组压杆2中延长杆7的另一端相连，这四条弹性拉索1中的两条与另外一组压杆2中距离近的一根压杆2的两段延长杆7的另一端相连，另外两条弹性拉索1与第三组压杆2中距离近的一段延长杆7的另一端连接。本实用新型的模块化机器人共有六根压杆2及二十四条弹性拉索1，模块化机器人通过六根压杆2及二十四条弹性拉索1组成一个二十面体，该二十面体包含八个等边三角形、十二个等腰三角形。二十面体的构型具有变形能力以及抗冲击能力；此外，模块化机器人还可以在内部携带负载。本实施例在延长杆7的另一端、靠近橡胶端盖13的位置设有连接环9，用于连接弹性拉索1。本实施例的弹性拉索1由弹簧与鱼线组成，长度要比形成二十面体的边要短，以保持弹性拉索1的张紧状态，使模块化机器人可以保持二十面体的构型。

本实施例的支架3内安装有一块电池及一个控制***(控制***为现有技术)，模块机器人的能源由电池提供，电池放在两个旋转电机10中间，同时为两个旋转电机10提供能源，两个旋转电机10的输出旋转方向相反，可实现压杆2两段的伸缩。控制***包括一个单片机及两个无线模块，旋转电机10通过单片机控制，该单片机通过两个无线模块与上位机远程通信。旋转电机10与电池连接，由电池直接供电；单片机及无线模块通过降压模块分别与电池相连。电池、旋转电机10及控制***放在压杆2的中心位置，以减少由于运动过程中的冲击，使电池、旋转电机10及控制***受到损坏。本实用新型的单片机为市购产品，购置于富士通公司MB90385系列，型号为MB90F387S；本实用新型的无线模块为市购产品，采用富士通公司E30-TTL-100。

本实施例的压杆2的每段均设有保护外罩15，压杆2两段的保护外罩15相连、罩在支架3的外部，形成完整的压杆2；保护外罩15的一端与同一根压杆2另一段的保护外罩15相连，保护外罩15的另一端为弧面。本实施例的压杆2每段的滚珠丝杠12和延长杆7外部套设有外筒16，该外筒16安装在保护外罩15上。为保证延长杆7与滚珠丝杠12的轴向中心线具有同心度，延长杆7上设有金属环(可为轴承)，外筒16与该金属环键连接，限制延长杆7随滚珠丝杠12旋转。本实施例的金属环有两个，分别为金属环A8和金属环B11，金属环A8安装在延长杆7上，位于丝杠螺母6与连接环9之间；金属环B11位于滚珠丝杠12上，位于联轴器4与丝杠螺母6之间，确保延长杆7、滚珠丝杠12不是悬臂梁；本实施例金属环的材质可为不锈钢。外筒16与金属环A8和金属环B11采用过度配合，外筒16内壁开有键槽，与金属环A8、金属环B11通过键连接，以限制延长杆7随滚珠丝杠12的旋转。为保证丝杠螺母6不会旋转到滚珠丝杠12螺纹的外面而造成损坏，本实施例添加了两个限位螺母，分别为最低限位螺母5和最高限位螺母14，最低限位螺母5和最高限位螺母14位于丝杠螺母6的两侧。

本实用新型的三组、六根压杆2中，第一组中的一根压杆2的两端分别为橡胶端盖A与橡胶端盖D，另一根压杆2的两端分别为橡胶端盖B与橡胶端盖C；第二组中的一根压杆2的两端分别为橡胶端盖E与橡胶端盖H，另一根压杆2的两端分别为橡胶端盖F与橡胶端盖G；第三组中的一根压杆2的两端分别为橡胶端盖I与橡胶端盖K，另一根压杆2的两端分别为橡胶端盖J与橡胶端盖L。

本实用新型的二十四条弹性拉索中，第一条弹性拉索的两端分别与靠近橡胶端盖A的连接环与靠近橡胶端盖K的连接环相连，第二条弹性拉索的两端分别与靠近橡胶端盖F的连接环与靠近橡胶端盖K的连接环相连，第三条弹性拉索的两端分别与靠近橡胶端盖G的连接环与靠近橡胶端盖K的连接环相连，第四条弹性拉索的两端分别与靠近橡胶端盖B的连接环与靠近橡胶端盖G的连接环相连，第五条弹性拉索的两端分别与靠近橡胶端盖G的连接环与靠近橡胶端盖L的连接环相连，第六条弹性拉索的两端分别与靠近橡胶端盖C的连接环与靠近橡胶端盖G的连接环相连，第七条弹性拉索的两端分别与靠近橡胶端盖C的连接环与靠近橡胶端盖J的连接环相连，第八条弹性拉索的两端分别与靠近橡胶端盖C的连接环与靠近橡胶端盖H的连接环相连，第九条弹性拉索的两端分别与靠近橡胶端盖H的连接环与靠近橡胶端盖J的连接环相连，第十条弹性拉索的两端分别与靠近橡胶端盖B的连接环与靠近橡胶端盖H的连接环相连，第十一条弹性拉索的两端分别与靠近橡胶端盖B的连接环与靠近橡胶端盖I的连接环相连，第十二条弹性拉索的两端分别与靠近橡胶端盖A的连接环与靠近橡胶端盖E的连接环相连，第十三条弹性拉索的两端分别与靠近橡胶端盖A的连接环与靠近橡胶端盖F的连接环相连，第十四条弹性拉索的两端分别与靠近橡胶端盖A的连接环与靠近橡胶端盖I的连接环相连，第十五条弹性拉索的两端分别与靠近橡胶端盖D的连接环与靠近橡胶端盖F的连接环相连，第十六条弹性拉索的两端分别与靠近橡胶端盖E的连接环与靠近橡胶端盖I的连接环相连，第十七条弹性拉索的两端分别与靠近橡胶端盖D的连接环与靠近橡胶端盖E的连接环相连，第十八条弹性拉索的两端分别与靠近橡胶端盖E的连接环与靠近橡胶端盖J的连接环相连，第十九条弹性拉索的两端分别与靠近橡胶端盖D的连接环与靠近橡胶端盖L的连接环相连，第二十条弹性拉索的两端分别与靠近橡胶端盖H的连接环与靠近橡胶端盖I的连接环相连，第二十一条弹性拉索的两端分别与靠近橡胶端盖F的连接环与靠近橡胶端盖L的连接环相连，第二十二条弹性拉索的两端分别与靠近橡胶端盖B的连接环与靠近橡胶端盖K的连接环相连，第二十三条弹性拉索的两端分别与靠近橡胶端盖C的连接环与靠近橡胶端盖L的连接环相连，第二十四条弹性拉索的两端分别与靠近橡胶端盖D的连接环与靠近橡胶端盖J的连接环相连。

本实用新型的工作原理为：

本实用新型在安装时，模块化机器人的弹性拉索1处于伸长状态，模块化机器人的压杆2受到压力，使模块化机器人形成一个二十面体。

压杆2的伸缩动作实现如下所述：

上位机通过无线模块对单片机下达控制命令，控制某一旋转电机10的正反转，实现伸缩动作。旋转电机10的旋转通过联轴器4带动滚珠丝杠12旋转，使得丝杠螺母6沿螺纹进行移动；由于外筒16与金属环A8和金属环B11通过键连接，限制了延长杆7的旋转运动，使得延长杆7只有直线运动，从而带动压杆2的伸缩，实现模块化机器人的滚动运动。此外，由于旋转电机10、电池和控制***的中心布置以及橡胶端盖13的设计，大大减少了模块化机器人受冲击的影响，提高了模块化机器人的寿命。

模块化机器人的初始状态有两种，一种为模块化机器人与地面接触的是等边三角形，记为RT状态；另一种为模块化机器人与地面接触的三角形为等腰三角形，记为IT状态。取模块化机器人处于RT状态时，利用无线模块，实现上位机与单片机的通讯，向对应的旋转电机10下达指令，改变与地面接触的压杆2中的一个，缩短压杆2与地面接触一端的长度，使得模块化机器人的重心投影越过底边三角形的投影区域，使模块化机器人翻滚。之后，恢复压杆2的长度。同理，不断地缩短与伸长压杆2，使模块化机器人不断向前翻滚。

Claims (9)

1.一种基于张拉整体结构的模块化机器人，其特征在于：包括弹性拉索(1)及可伸缩的压杆(2)，其中压杆(2)为六根，分为三组，每组中的两根压杆(2)相互平行，三组中两根压杆(2)的轴向中心线所在平面相互垂直；所述压杆(2)分为结构相同的两段，两段之间设有支架(3)，该支架(3)内安装有分别控制两段伸缩的两个旋转电机(10)；所述压杆(2)的每段均包括旋转电机(10)、丝杠螺母(6)、延长杆(7)、滚珠丝杠(12)及橡胶端盖(13)，该旋转电机(10)的输出轴与滚珠丝杠(12)相连，所述丝杠螺母(6)与滚珠丝杠(12)螺纹连接、形成螺旋副，延长杆(7)的一端与丝杠螺母(6)相连，另一端连接有橡胶端盖(13)，通过所述旋转电机(10)的正反转驱动滚珠丝杠(12)旋转，滚珠丝杠(12)的旋转运动通过螺旋副变为所述丝杠螺母(6)带动延长杆(7)的直线伸缩运动；每组的任意一根压杆(2)中延长杆(7)的另一端均通过四条所述弹性拉索(1)与另外两组压杆(2)中延长杆(7)的另一端相连。

2.根据权利要求1所述基于张拉整体结构的模块化机器人，其特征在于：所述四条弹性拉索(1)中的两条与另外一组压杆(2)中距离近的一根压杆(2)的两段延长杆(7)的另一端相连，另外两条弹性拉索(1)与第三组压杆(2)中距离近的一段延长杆(7)的另一端连接；所述模块化机器人通过六根压杆(2)及二十四条弹性拉索(1)组成一个二十面体，该二十面体包含八个等边三角形、十二个等腰三角形。

3.根据权利要求1所述基于张拉整体结构的模块化机器人，其特征在于：所述三组中任意一组两根压杆(2)的轴向中心线所在平面与另外一组两根压杆(2)的轴向中心线平行，且另外一组的两根压杆(2)分别位于所述平面的两侧，第三组两根压杆(2)与所述平面垂直相交。

4.根据权利要求1所述基于张拉整体结构的模块化机器人，其特征在于：所述三组中任意一组两根压杆(2)之间设有另外一组的两根压杆(2)，并且任意一组的两根压杆(2)位于第三组的两根压杆(2)之间。

5.根据权利要求1所述基于张拉整体结构的模块化机器人，其特征在于：所述压杆(2)的每段均设有保护外罩(15)，压杆(2)两段的保护外罩(15)相连、罩在所述支架(3)的外部；所述压杆(2)每段的滚珠丝杠(12)和延长杆(7)外部套设有外筒(16)，该外筒(16)安装在保护外罩(15)上，延长杆(7)上设有金属环，所述外筒(16)与该金属环键连接，限制延长杆(7)随滚珠丝杠(12)旋转。

6.根据权利要求5所述基于张拉整体结构的模块化机器人，其特征在于：所述保护外罩(15)的一端与同一根压杆(2)另一段的保护外罩(15)相连，该保护外罩(15)的另一端为弧面。

7.根据权利要求1所述基于张拉整体结构的模块化机器人，其特征在于：所述滚珠丝杠(12)上位于丝杠螺母(6)的两侧分别设有防止丝杠螺母(6)移动到滚珠丝杠(12)螺纹外面的最低限位螺母(5)和最高限位螺母(14)。

8.根据权利要求1所述基于张拉整体结构的模块化机器人，其特征在于：所述橡胶端盖(13)为椭圆体。

9.根据权利要求1所述基于张拉整体结构的模块化机器人，其特征在于：所述支架(3)内安装有电池及控制***，该控制***包括单片机及无线模块，所述旋转电机(10)通过单片机控制，该单片机通过无线模块与上位机通信；所述旋转电机(10)、单片机及无线模块分别与电池相连。

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