專利名稱：一種用于實現(xiàn)可變形機器人的機器人單體的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于機器人的技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種用于實現(xiàn)可變形機器人的機器人單體。
背景技術(shù)：
機器人技術(shù)的發(fā)展使得機器人的能力不斷提高，機器人應用的領(lǐng)域和范圍正在不斷擴展，人們希望機器人能完成更加復雜的任務(wù)，通過對其進行重新編程，機器人能很容易地完成許多不同的任務(wù)。然而一臺機器人能完成任務(wù)的范圍受到其自身機械結(jié)構(gòu)的限制，對于給定任務(wù)，可以根據(jù)任務(wù)要求選擇機器人的最佳結(jié)構(gòu)。由于柔性機器人時由多個單體機器人構(gòu)成的，能實現(xiàn)多個機器人協(xié)同動作，因此比普通機器人有更高的自由度，能更好的 適應現(xiàn)場環(huán)境然而對于一些不可預知的或者不斷變化的作業(yè)，就無法選擇機器人的最佳結(jié)構(gòu)了，傳統(tǒng)機器人因其自身結(jié)構(gòu)限制難以適應工作環(huán)境和工作任務(wù)的變化，若因工作環(huán)境和工作任務(wù)的不同而重新對機器人進行開發(fā)，應用許多具有不同運動學和動力學特性的機器人來完成作業(yè)任務(wù)，這種做法耗資巨大，開發(fā)周期長。在參考文獻I :《模塊化自重構(gòu)機器人研究——現(xiàn)狀、機遇與挑戰(zhàn)》中提供的機器人設(shè)計中，其每個機器人單體僅提供4個可靠連接面，在參考文獻2 《基于容錯性能的可重構(gòu)機器人構(gòu)形綜合研究》中僅提供2個可靠連接面，在參考文獻3 《可重構(gòu)機器人單元結(jié)構(gòu)設(shè)計及組合特性分析》中僅提供2個可靠連接面，在上述的現(xiàn)有技術(shù)中，其可靠連接面非常有限，且運動干涉較大，構(gòu)成的機器人組合體不易安裝，還需要其他的轉(zhuǎn)動部件相支持。

發(fā)明內(nèi)容
針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，本發(fā)明提出一種用于實現(xiàn)可變形機器人的機器人單體，具有模塊化，可重構(gòu)，擴展性強的特性，每個機器人單體共有六個面可供連接，可以用最少的機器人單體組合成復雜的構(gòu)型。且本發(fā)明采用電位計高精度反饋位置，其電位計直接設(shè)置在檢測目標處，最終角度包含機械空程，有效地提高了機器人運動精度。本發(fā)明提出的機器人單體包括上下同軸連接的兩部分殼體，上下殼體的幾何結(jié)構(gòu)相同，上下殼體均是通過如下方式得到的( I)選取正三棱錐，正三棱錐的三個側(cè)面兩兩互相垂直；(2)以正三棱錐的底面內(nèi)切圓為底面的圓柱體，向上截取正三棱錐三個側(cè)面，得到幾何體；所述的上下殼體均為薄壁殼體，上下殼體的三個側(cè)面上分別設(shè)置有通孔，用于實現(xiàn)與相鄰可變形機器人之間的電氣連接，上下殼體底面中心均具有通孔；上下殼體通過中心軸連接，中心軸為芯部中空的軸體，中心軸的一端底部與下殼體的底面固定連接,另一端穿過上殼體底面通孔,連接上殼體的中心軸一端通過軸承A19、軸承B實現(xiàn)與上殼體配合活動連接，軸承B的外部還連接有支撐板，支撐板的兩端連接有擋板，擋板的底部與上殼體的底面固定連接；中心軸的頂部連接有蝸輪，在蝸輪和軸承B的中間設(shè)置有套筒，通過套筒固定軸承B的軸向位置，在蝸輪的頂部設(shè)置有螺母，通過螺母將蝸輪軸向固定，且在擋板上還連接有蝸桿，與蝸輪配合使用；蝸輪上方設(shè)置有電位計，且電位計的主體與擋板固定連接，擋板上還固定有導電滑環(huán)，導電滑環(huán)與中心軸同軸，且位于電位計上方，擋板上還設(shè)置有直流減速電機，直流減速電機通過齒輪咬合帶動蝸桿轉(zhuǎn)動，通過蝸桿帶動蝸輪轉(zhuǎn)動，最終實現(xiàn)通過蝸輪帶動中心軸轉(zhuǎn)動，進而實現(xiàn)上下殼體相對旋轉(zhuǎn)連接。下殼體內(nèi)部底面上固定有控制電路板，上殼體中的電位計、電機的連線通過導電滑環(huán)與控制電路板連接，通過控制電路板與上位機通訊，控制電機轉(zhuǎn)動，采集電位計信號，實現(xiàn)上下殼體相對旋轉(zhuǎn)角度控制。本發(fā)明具有的優(yōu)點在于I、本發(fā)明提出一種用于實現(xiàn)可變形機器人的機器人單體，具有模塊化，可重構(gòu)，擴展性強的特性，每個機器人單體共有六個面可供連接，可以用最少的機器人單體組合成復雜的構(gòu)型；同時也能將一些擴展組件安裝于單個機器人上；
·
2、本發(fā)明提出一種用于實現(xiàn)可變形機器人的機器人單體，其旋轉(zhuǎn)面與每個連接面的夾角均為為35. 26°，而非通常的90°與180°。這樣的設(shè)計大大增加了機器人的運動范圍和變形模式；3、本發(fā)明提出一種用于實現(xiàn)可變形機器人的機器人單體，其采用直流減速電機附加蝸輪蝸桿減速的機構(gòu)，其扭力可達到5N · M，完全可以帶動機器人在空間中運動。7 8個機器人單體可組合成單直線的機械臂在空間中到達任意位置任意角度；4、本發(fā)明提出一種用于實現(xiàn)可變形機器人的機器人單體，其導電滑環(huán)和電位計的設(shè)計保證了其可以任意圈旋轉(zhuǎn)，而非通常此類機器人的9(Γ180度旋轉(zhuǎn)；5、本發(fā)明提出一種用于實現(xiàn)可變形機器人的機器人單體，采用電位計高精度反饋位置，其電位計直接設(shè)置在檢測目標處，最終角度包含機械空程，有效地提高了機器人運動精度，其測量精度高達O. 06°。6、本發(fā)明提出一種用于實現(xiàn)可變形機器人的機器人單體，通過電器連接，可以實現(xiàn)多個機器人協(xié)同控制，具有很高的自由度。


圖I :本發(fā)明提出一種用于實現(xiàn)可變形機器人的機器人單體的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2 :本發(fā)明提出一種用于實現(xiàn)可變形機器人的機器人單體的殼體主視圖；圖3 :本發(fā)明提出一種用于實現(xiàn)可變形機器人的機器人單體的殼體俯視圖；圖4 :本發(fā)明提出一種用于實現(xiàn)可變形機器人的機器人單體的殼體內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖；圖5 :本發(fā)明提出一種用于實現(xiàn)可變形機器人的機器人單體殼體內(nèi)部結(jié)構(gòu)爆炸圖；圖6 :本發(fā)明提出一種自動連接件的結(jié)構(gòu)示意圖；圖7 :本發(fā)明提出一種自動連接件無電機結(jié)構(gòu)時的結(jié)構(gòu)示意圖；圖8:本發(fā)明中上部套接卡環(huán)的空間結(jié)構(gòu)示意圖；圖9 :本發(fā)明中上部套接卡環(huán)的主視圖10 :本發(fā)明中上部套接卡環(huán)的截面圖；圖11 :本發(fā)明中下部彈銷基座的基座的結(jié)構(gòu)不意圖；圖12 :本發(fā)明中下部彈銷基座的電機部件結(jié)構(gòu)示意圖；圖13 :本發(fā)明中電機座結(jié)構(gòu)示意圖；圖14 :本發(fā)明中電機座結(jié)構(gòu)示意圖；圖15 :本發(fā)明中下部彈銷基座的中心彈銷結(jié)構(gòu)示意圖。圖中i-上部套接卡環(huán)； 2-下部彈銷基座； 3-上中空圓柱A;4-下中空圓柱B ; 5-中心彈銷；6-基座； 7-電機部件；8-上中空圓錐C ; 9-下中空圓柱D ;10-頂尖；11-電機；12-圓錐 F ；13-圓柱G ;14-中空圓柱E ; 15-電機座；16-上殼體；17-下殼體；18-中心軸；19-軸承 A ；20-軸承 B ;21-套筒；22-擋板；23-蝸輪；24-螺母；25-蝸桿；26-電位計；27-導電滑環(huán)；28-直流減速電機；29-支撐板。
具體實施例方式下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明進行詳細說明。本發(fā)明提出一種用于實現(xiàn)可變形機器人的機器人單體，如圖I所示，該機器人單體包括上下同軸連接的兩部分殼體，上下殼體的幾何結(jié)構(gòu)相同，上下殼體均是通過如下方式得到的I、選取正三棱錐，正三棱錐的三個側(cè)面兩兩互相垂直，正三棱錐的底面內(nèi)切圓半徑為r ;2、以正三棱錐的底面內(nèi)切圓為底面的圓柱體，向上截取正三棱錐三個側(cè)面，得到不規(guī)則幾何體。所述的上下殼體均為薄壁殼體，如圖2和圖3所示，上下殼體的三個側(cè)面上均設(shè)置有通孔，用于實現(xiàn)與相鄰可變形機器人之間的電氣連接。上下殼體底面中心均具有通孔，中心軸18為芯部中空的軸體，芯部用于走線連接。中心軸18的一端底部與下殼體的底面固定連接，另一端穿過上殼體底面通孔，通過軸承A19、軸承B20實現(xiàn)與上殼體配合活動連接，如圖4和圖5所示，軸承B20的外部還連接有支撐板29，支撐板29的兩端連接有擋板22，擋板22的底部與上殼體的底面固定連接，中心軸18的頂部連接有蝸輪23，在蝸輪23和軸承B20的中間還連接有套筒21，通過套筒21固定軸承B20的軸向位置，在蝸輪23的頂部設(shè)置有螺母24，通過螺母24將蝸輪23軸向固定，且在擋板22上還連接有蝸桿25，與蝸輪23配合使用。蝸輪23上方設(shè)置有電位計26 (角度傳感器)，且電位計26的主體與擋板22固定連接，擋板22上還固定有導電滑環(huán)27，導電滑環(huán)27與中心軸18同軸，且位于電位計26上方。擋板22上還設(shè)置有直流減速電機28，直流減速電機28通過齒輪咬合帶動蝸桿25轉(zhuǎn)動，通過蝸桿25帶動蝸輪23轉(zhuǎn)動，最終實現(xiàn)通過蝸輪23帶動中心軸18轉(zhuǎn)動。最終通過中心軸18實現(xiàn)上下殼體相對旋轉(zhuǎn)連接。
下殼體內(nèi)部底面上固定有控制電路板，上殼體中的電位計26、電機的連線通過導電滑環(huán)27與控制電路板連接，避免由于轉(zhuǎn)動引起的導線纏繞。通過控制電路板與上位機通訊，控制電機轉(zhuǎn)動，采集電位計26信號，實現(xiàn)上下殼體相對旋轉(zhuǎn)角度控制。一個機器人單體上下殼體的側(cè)面通孔上設(shè)置有手動連接件，通過手動連接件實現(xiàn)與另一機器人單體的快速連接，最終實現(xiàn)多個機器人連接，由于每一個機器人單體的上下兩個殼體均可相對旋轉(zhuǎn)，因此最終形成的機器人組合體整體均可以旋轉(zhuǎn)，柔性較高，可以實現(xiàn)多種變形，可360度旋轉(zhuǎn)動作范圍大，通用性強，在工業(yè)現(xiàn)場無需針對每一種工作專門設(shè)計機器人，只需要對機器人單體進行不同組合、編程即可完成任務(wù)，降低了成本。
優(yōu)選的機器人單體的通孔上還可以設(shè)置有自動連接件，上中空圓柱A的上表面固定于上下殼體的通孔中，實現(xiàn)與被連接件的連接；如圖6和圖7所示，自動連接件包括上部套接卡環(huán)I和下部彈銷基座2 ;如圖8、圖9所示，所述的上部套接卡環(huán)I包括上下順次同軸連接兩個中空圓柱結(jié)構(gòu)，上中空圓柱A3的外徑小于下中空圓柱B4的外徑，下中空圓柱B4的邊緣通過螺釘與外部需連接的連接件連接。上中空圓柱A3的內(nèi)壁面為圓錐面，該圓錐面為向下中空圓柱B4方向收縮的圓錐面，如圖10所示，且圓錐面母線與中心軸線之間的夾角為α，α >45°，下中空圓柱Β4的內(nèi)壁面為圓錐面，如圖10所示，該圓錐面為向上中空圓柱A3方向收縮的圓錐面，該圓錐面母線與中心軸線之間的夾角為β。如圖11所示，所述的下部彈銷基座2包括中心彈銷5、基座6和電機部件7，基座6包括順次同軸連接的上中空圓錐C8和下中空圓柱D9，上中空圓錐C8的內(nèi)徑與下中空圓柱D9的內(nèi)徑相等，上中空圓錐C8的底面外徑小于下中空圓柱D9的底面外徑，且下中空圓柱D9的底面外徑大于上部套接卡環(huán)I的下中空圓柱Β4底面內(nèi)徑，且上中空圓錐C3的圓錐面母線與中心軸線的夾角為Y，優(yōu)選為Y = β，上中空圓錐CS的側(cè)壁上設(shè)置三個以上的通孔，用于安裝中心彈銷5。下中空圓柱D9的內(nèi)壁為螺紋結(jié)構(gòu)，且下中空圓柱D9的底部同軸連接有內(nèi)螺紋中空圓柱Ε14，下中空圓柱D9和內(nèi)螺紋中空圓柱Ε14的內(nèi)部連接有電機部件7，該電機部件7包括頂尖10和電機11兩部分，如圖12所示，頂尖10分為上下一體同軸的圓錐F12和圓柱G13兩部分，圓錐F12外表面為光滑表面，圓錐的圓錐面母線與其中心線的夾角為ζ，圓柱G13外表面為外螺紋表面，圓柱G13的下方同軸連接有電機11，且電機11出軸與頂尖10周向固定，電機部件通過圓柱G13的外螺紋連接于中空圓柱Ε14和下中空圓柱D9的內(nèi)螺紋結(jié)構(gòu)中。在電機11驅(qū)動下，使圓柱G13在下中空圓柱D9和中空圓柱Ε14的內(nèi)螺紋中行進，進而帶動頂尖10沿中心軸線軸向運動。電機11通過電機座15固定于下中空圓柱D9的底部，如圖13和圖14所示，使電機座15與基座固定連接。如圖15所示，中心彈銷5為兩端均為圓錐面的圓柱結(jié)構(gòu)，其一端圓錐面的角度與頂尖10的圓錐F12圓錐面相配合，該端圓錐面母線與中心線的夾角為δ，優(yōu)選的δ + ζ =90°，中心彈銷5另一端圓錐面的角度與上中空圓柱A的內(nèi)圓錐面角度相配合，該端圓錐面母線與中心線夾角為Θ，優(yōu)選的θ + α =90°，中心彈銷5位于上中空圓錐C8側(cè)壁的通孔中，中心彈銷5在電機11驅(qū)動的頂尖10作用下，在上中空圓錐CS的通孔中運動。電機11帶動螺紋頂尖10軸向運動，推動中心彈銷5彈出，中心彈銷5與上中空圓柱Β4的內(nèi)圓錐面配合，將上部套接卡環(huán)I和下部彈銷基座2卡緊。電機座的底部固定于上下殼體的通孔中，實現(xiàn)與主動連接件的連接。所述的上中空圓錐C表面設(shè)置有導電滑道，下中空圓柱Β4的表面設(shè)置有彈簧觸點，通過導電滑道與彈簧觸點的穩(wěn)定接觸，從而進行有效的電磁連接。當上部套接卡環(huán)I和下部彈銷基座2連接后，自動連接件的彈銷自動鎖緊連接，并使導電滑道和彈簧觸點連通，使分別與上部套接卡環(huán)I、下部彈銷基座2連接的主動連接件、被動連接件實現(xiàn)電氣連接，當主動連接件、被動連接件需要分離時，通過主動連接件和被動連接件的電信號控制部套 接卡環(huán)和下部彈銷基座分離。
權(quán)利要求
1.一種用于實現(xiàn)可變形機器人的機器人單體，其特征在于所述的機器人單體包括上下同軸連接的兩部分殼體，上下殼體的幾何結(jié)構(gòu)相同，上下殼體均是通過如下方式得到的 (1)選取正三棱錐，正三棱錐的三個側(cè)面兩兩互相垂直； (2)以正三棱錐的底面內(nèi)切圓為底面的圓柱體，向上截取正三棱錐三個側(cè)面，得到幾何體； 所述的上下殼體均為薄壁殼體，上下殼體的三個側(cè)面上分別設(shè)置有通孔，用于實現(xiàn)與相鄰可變形機器人之間的電氣連接，上下殼體底面中心均具有通孔；上下殼體通過中心軸連接，中心軸為芯部中空的軸體，中心軸的一端底部與下殼體的底面固定連接，另一端穿過上殼體底面通孔，連接上殼體的中心軸一端通過軸承A、軸承B實現(xiàn)與上殼體配合活動連接，軸承B的外部還連接有支撐板，支撐板的兩端連接有擋板，擋板的底部與上殼體的底面固定連接；中心軸的頂部連接有蝸輪，在蝸輪和軸承B的中間設(shè)置有套筒，通過套筒固定軸承B的軸向位置，在蝸輪的頂部設(shè)置有螺母，通過螺母將蝸輪軸向固定，且在擋板上還連接有蝸桿，與蝸輪配合使用；蝸輪上方設(shè)置有電位計，且電位計的主體與擋板固定連接，擋板上還固定有導電滑環(huán)，導電滑環(huán)與中心軸同軸，且位于電位計上方，擋板上還設(shè)置有直流減速電機，直流減速電機通過齒輪咬合帶動蝸桿轉(zhuǎn)動，通過蝸桿帶動蝸輪轉(zhuǎn)動，最終實現(xiàn)通過蝸輪帶動中心軸轉(zhuǎn)動，進而實現(xiàn)上下殼體相對旋轉(zhuǎn)連接； 下殼體內(nèi)部底面上固定有控制電路板，上殼體中的電位計、電機的連線通過導電滑環(huán)與控制電路板連接，通過控制電路板與上位機通訊，控制電機轉(zhuǎn)動，采集電位計信號，實現(xiàn)上下殼體相對旋轉(zhuǎn)角度控制。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種用于實現(xiàn)可變形機器人的機器人單體，其特征在于所述的上下殼體的三個側(cè)面的通孔上分別設(shè)置有自動連接件，該自動連接件包括上部套接卡環(huán)和下部彈銷基座；上部套接卡環(huán)和下部彈銷基座分別設(shè)置在上下殼體的三個側(cè)面通孔中，用于實現(xiàn)兩個機器人單體間的相互對接； 所述的上部套接卡環(huán)包括上下順次同軸連接兩個中空圓柱結(jié)構(gòu)，上中空圓柱A的內(nèi)壁面為圓錐面，所述的上中空圓柱A的內(nèi)壁面圓錐面為向下中空圓柱B方向收縮的圓錐面，下中空圓柱B的內(nèi)壁面為圓錐面，該圓錐面為向上中空圓柱A方向收縮的圓錐面，該圓錐面母線與中心軸線之間的夾角為β ;上中空圓柱A的上表面固定于上下殼體的通孔中，實現(xiàn)與被連接件的連接； 所述的下部彈銷基座包括中心彈銷、基座和電機部件，基座包括順次同軸連接的上中空圓錐C和下中空圓柱D，上中空圓錐C的內(nèi)徑與下中空圓柱D的內(nèi)徑相等，上中空圓錐C的側(cè)壁上設(shè)置三個以上的通孔，用于安裝中心彈銷，下中空圓柱D的內(nèi)壁為螺紋結(jié)構(gòu)，且下中空圓柱D的底部同軸連接有內(nèi)螺紋中空圓柱Ε，下中空圓柱D和內(nèi)螺紋中空圓柱E的內(nèi)部連接有電機部件，該電機部件包括頂尖和電機兩部分，頂尖分為上下一體同軸的圓錐F和圓柱G兩部分，圓錐F外表面為光滑表面，圓柱G外表面為外螺紋表面，圓柱G的下方同軸連接有電機，且電機出軸與頂尖周向固定，電機部件通過圓柱G的外螺紋連接于中空圓柱E和下中空圓柱D的內(nèi)螺紋結(jié)構(gòu)中，在電機驅(qū)動下，使圓柱G在下中空圓柱D和中空圓柱E的內(nèi)螺紋中行進，進而帶動頂尖沿中心軸線軸向運動，電機通過電機座固定于下中空圓柱D的底部，使電機座與基座固定連接；中心彈銷為兩端均為圓錐面的圓柱結(jié)構(gòu)，其一端圓錐面的角度與頂尖的圓錐F圓錐面相配合，另一端圓錐面的角度與上中空圓柱A的內(nèi)圓錐面角度相配合，使中心彈銷位于上中空圓錐C側(cè)壁的通孔中，中心彈銷在電機驅(qū)動的頂尖作用下，在上中空圓錐C的通孔中運動；電機座的底部固定于上下殼體的通孔中，實現(xiàn)與主動連接件的連接； 所述的上中空圓錐C表面設(shè)置有導電滑道，下中空圓柱B的表面設(shè)置有彈簧觸點，通過導電滑道與彈簧觸點的穩(wěn)定接觸，實現(xiàn)電磁連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種自動連接件，其特征在于所述的電機通過電機座固定于下中空圓柱D的底部，使電機座與基座固定連接。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種自動連接件，其特征在于所述的上中空圓柱A的外徑小于下中空圓柱B的外徑，下中空圓柱B的邊緣通過螺釘與外部件連接。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種自動連接件，其特征在于所述的上中空圓柱A的內(nèi)壁面圓錐面母線與中心軸線之間的夾角為α，α >45°。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種自動連接件，其特征在于所述的上中空圓錐C的底面外徑小于下中空圓柱D的底面外徑，且下中空圓柱D的底面外徑大于上部套接卡環(huán)的下中空圓柱B底面內(nèi)徑，且上中空圓錐C的圓錐面母線與中心軸線的夾角為γ，γ = β。
7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種自動連接件，其特征在于所述的中心彈銷與頂尖的圓錐F接觸一端的圓錐面母線與中心線夾角δ滿足δ + ζ =90°。
全文摘要
本發(fā)明提出一種用于實現(xiàn)可變形機器人的機器人單體，屬于機器人的技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明提出的機器人單體包括上下同軸連接的兩部分殼體，上下殼體的幾何結(jié)構(gòu)相同，上下殼體的三個側(cè)面上分別設(shè)置有通孔，上下殼體通過中心軸連接，連接上殼體的中心軸一端通過軸承A、軸承B實現(xiàn)與上殼體配合活動連接，下殼體內(nèi)部底面上固定有控制電路板。本發(fā)明具有模塊化，可重構(gòu)，擴展性強的特性，每個機器人單體共有六個面可供連接，可以用最少的機器人單體組合成復雜的構(gòu)型。且本發(fā)明采用電位計高精度反饋位置，其電位計直接設(shè)置在檢測目標處，最終角度包含機械空程，有效地提高了機器人運動精度。
文檔編號B25J17/00GK102672727SQ201210096328
公開日2012年9月19日 申請日期2012年4月1日 優(yōu)先權(quán)日2012年4月1日
發(fā)明者葉祥深, 楊健勃, 洪葳, 王子劍, 王少萍, 高杰 申請人:北京航空航天大學