本發(fā)明涉及模塊化機(jī)器人模塊單元，具體涉及一種四自由度球形模塊單元。

背景技術(shù)：

模塊化機(jī)器人由結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的模塊單元組成，憑借其形態(tài)可塑，功能可變的優(yōu)勢(shì)，成為了近年研究的熱點(diǎn)。國(guó)外在該型機(jī)器人的研究上起步較早，已有了一定研究基礎(chǔ)，我國(guó)起步較晚，并且多集中于一個(gè)或二個(gè)自由度模塊單元的研發(fā)上，研制的結(jié)構(gòu)也大多采用傳統(tǒng)的六面體構(gòu)型。

連接機(jī)構(gòu)是自重構(gòu)模塊設(shè)計(jì)中最重要問題之一，必須保證機(jī)器人模塊間機(jī)械電氣連接可靠、分離容易，同時(shí)要求體積小、節(jié)能?，F(xiàn)有的機(jī)器人模塊的連接機(jī)構(gòu)大都采用了機(jī)械式、電磁式或永磁式的結(jié)構(gòu)。機(jī)械式連接可靠性高。但分離操作需要額外的分離空間，限制了自重構(gòu)的能力。電磁式的連接機(jī)構(gòu)可以降低機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，但存在體積大、重量大、發(fā)熱量大等問題。永磁式的連接機(jī)構(gòu)具有連接強(qiáng)度大，體積、重量小等優(yōu)點(diǎn)，其主要問題在于連接面抗剪切的能力較弱，連接不可靠。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明為解決現(xiàn)有機(jī)器人模塊單元自由度配置較少，靈活性較弱以及空間利用率較低的問題，進(jìn)而提供一種四自由度球形模塊單元。

本發(fā)明為解決上述問題采取的技術(shù)方案是：

一種四自由度球形模塊單元包括球殼、正四面體組件和四套連接組件；正四面體組件包括正四面體支架和四個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)；每套連接組件包括傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、外殼和兩個(gè)升降機(jī)構(gòu)；

球殼內(nèi)布置有正四面體支架和四套連接組件，正四面體支架上具有四個(gè)安裝座，四個(gè)安裝座構(gòu)成正四面體的頂點(diǎn)，每個(gè)安裝座內(nèi)安裝有一個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)，每個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的輸出軸上安裝有一個(gè)外殼，外殼布置在球殼上開設(shè)的對(duì)接孔上，四個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的輸出軸的軸線的交匯點(diǎn)與所述正四面體的中心重合；

外殼上加工有兩個(gè)主動(dòng)導(dǎo)軌孔和兩個(gè)被動(dòng)導(dǎo)軌孔；主動(dòng)導(dǎo)軌孔與被動(dòng)導(dǎo)軌孔沿外殼軸線旋轉(zhuǎn)均布；傳動(dòng)機(jī)構(gòu)安裝在外殼內(nèi)側(cè)面上，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)上連接有兩個(gè)升降機(jī)構(gòu)，主動(dòng)導(dǎo)軌孔用于伸出模塊單元自有升降機(jī)構(gòu)，被動(dòng)導(dǎo)軌孔用于接收被對(duì)接的模塊單元自有升降機(jī)構(gòu)，位于外殼的內(nèi)側(cè)面上的每個(gè)被動(dòng)導(dǎo)軌孔的外緣上布置有用于定位升降機(jī)構(gòu)的限位件。

進(jìn)一步地，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)包括傳動(dòng)電機(jī)、電機(jī)架、齒輪擋板、主齒輪、兩個(gè)齒輪一和兩個(gè)內(nèi)螺紋齒輪二；

傳動(dòng)電機(jī)安裝在電機(jī)架上，齒輪擋板安裝在電機(jī)架上，電機(jī)架安裝在外殼上，齒輪擋板下方布置有主齒輪、兩個(gè)齒輪一和兩個(gè)內(nèi)螺紋齒輪二；主齒輪安裝在傳動(dòng)電機(jī)的輸出軸上，主齒輪的兩側(cè)分別布置有一個(gè)齒輪一和一個(gè)內(nèi)螺紋齒輪二，齒輪一與內(nèi)螺紋齒輪二嚙合，兩個(gè)齒輪一分別與主齒輪嚙合，每個(gè)內(nèi)螺紋齒輪二的內(nèi)螺紋孔上布置有升降機(jī)構(gòu)。

進(jìn)一步地，每個(gè)升降機(jī)構(gòu)包括螺桿和固接在螺桿端部上的定位塊，螺桿旋擰在內(nèi)螺紋齒輪二的內(nèi)螺紋孔內(nèi)并穿過齒輪擋板，定位塊布置在主動(dòng)導(dǎo)軌孔內(nèi)。

進(jìn)一步地，所述限位件為限位塊，位于外殼的內(nèi)側(cè)面上的每個(gè)被動(dòng)導(dǎo)軌孔的外緣上布置有用于定位升降機(jī)構(gòu)的兩個(gè)限位塊，兩個(gè)限位塊對(duì)角布置。

進(jìn)一步地，主動(dòng)導(dǎo)軌孔和被動(dòng)導(dǎo)軌孔均為矩形孔，定位塊與矩形孔配合。

進(jìn)一步地，被動(dòng)導(dǎo)軌孔的深度小于主動(dòng)導(dǎo)軌孔的深度。

本發(fā)明的有益效果是：模塊單元結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)是該型機(jī)器人研究的硬件基礎(chǔ)。綜合上述分析，本結(jié)構(gòu)采用四自由度(正四面體)機(jī)械式連接，突破傳統(tǒng)六面體結(jié)構(gòu)形式，采用了最少面空間對(duì)稱幾何體自由度配置方式，提高了球形結(jié)構(gòu)的空間利用率，結(jié)構(gòu)緊湊。

本發(fā)明突破現(xiàn)有連接模式，集主動(dòng)連接與被動(dòng)連接于一身。傳統(tǒng)的主動(dòng)模塊與被動(dòng)模塊(即連接機(jī)構(gòu)的本體與受體模塊)分別設(shè)計(jì)大大降低了模塊的通用性，本發(fā)明每個(gè)外殼設(shè)計(jì)四個(gè)導(dǎo)軌孔，兩個(gè)主動(dòng)導(dǎo)軌孔用于伸出模塊單元內(nèi)自帶的升降機(jī)構(gòu)，兩個(gè)被動(dòng)導(dǎo)軌孔用于接受其它模塊單元伸入的升降機(jī)構(gòu)。

改善機(jī)械連接方式的不足，模塊單元的連接與分離，不需要額外分離空間，采用一套傳動(dòng)組件和升降機(jī)構(gòu)，配合導(dǎo)軌及限位塊的限制，實(shí)現(xiàn)伸縮與鎖死，提高了傳動(dòng)系統(tǒng)利用率，利用率提高了55％以上，連接結(jié)構(gòu)緊湊。

作為模塊化機(jī)器人的硬件平臺(tái)，四自由度的正四面體配置可以用于搜尋一些區(qū)別于用于傳統(tǒng)正交自由度構(gòu)型的新型運(yùn)動(dòng)步態(tài)模式(構(gòu)型不變，將其看作個(gè)體機(jī)器人，設(shè)計(jì)運(yùn)動(dòng)步態(tài)，實(shí)現(xiàn)自我移動(dòng)，比如傳統(tǒng)正交模塊機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)步態(tài)有腿足行走，鏈?zhǔn)缴咝稳鋭?dòng)等)。

大量模塊單元形成模塊化機(jī)器人，通過模塊間相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)和模塊連接、分離，可以實(shí)現(xiàn)模塊搬運(yùn)，從而實(shí)現(xiàn)形態(tài)重塑。面向不同的任務(wù)生成不同的構(gòu)型，既可以在狹窄管道中進(jìn)行工作，又可以在廣闊的太空中充當(dāng)無(wú)限長(zhǎng)可定型“繩索”，協(xié)助宇航員工作等。該裝置應(yīng)用廣泛，可以用于各種復(fù)雜環(huán)境，通過機(jī)器人的自我變形，適應(yīng)不同任務(wù)要求。同時(shí)在此發(fā)明基礎(chǔ)上，可以涌現(xiàn)新的模塊化機(jī)器人運(yùn)動(dòng)形式，開創(chuàng)新思路，促進(jìn)模塊化機(jī)器人的發(fā)展。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的整體結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為圖1的去掉球殼的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為外殼的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4為去掉齒輪擋板的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5為相鄰兩個(gè)模塊單元分離時(shí)受限位塊限位示意圖；

圖6為相鄰兩個(gè)模塊單元對(duì)接時(shí)受限位塊限位示意圖；

圖7為相鄰兩個(gè)模塊單元對(duì)接時(shí)升降機(jī)構(gòu)被限制在當(dāng)前外殼的主動(dòng)導(dǎo)軌孔內(nèi)的示意圖；

圖8為相鄰兩個(gè)模塊單元對(duì)接時(shí)升降機(jī)構(gòu)伸入被對(duì)接的模塊單元的被動(dòng)導(dǎo)軌孔內(nèi)的示意圖；

圖9為相鄰兩個(gè)模塊單元對(duì)接時(shí)升降機(jī)構(gòu)伸出被對(duì)接的模塊單元的被動(dòng)導(dǎo)軌的示意圖；

圖10為相鄰兩個(gè)模塊單元對(duì)接時(shí)升降機(jī)構(gòu)受被對(duì)接的模塊單元上的限位塊限位的示意圖；

圖11為本發(fā)明應(yīng)用于三足行走的示意圖；

圖12為本發(fā)明應(yīng)用于空間柔性繩索的示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖并通過具體實(shí)施方式來(lái)進(jìn)一步說明本發(fā)明的技術(shù)方案。

參見圖1-圖4說明，本實(shí)施方式的一種四自由度球形模塊單元，它包括球殼1、正四面體組件和四套連接組件3；正四面體組件包括正四面體支架2和四個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)4；每套連接組件3包括傳動(dòng)機(jī)構(gòu)3-1、外殼3-2和兩個(gè)升降機(jī)構(gòu)3-3；

球殼1內(nèi)布置有正四面體支架2和四套連接組件3，正四面體支架2上具有四個(gè)安裝座，四個(gè)安裝座構(gòu)成正四面體的頂點(diǎn)，每個(gè)安裝座內(nèi)安裝有一個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)4，每個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)4的輸出軸上安裝有一個(gè)外殼3-2，外殼3-2布置在球殼1上開設(shè)的對(duì)接孔上，四個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)4的輸出軸的軸線的交匯點(diǎn)與所述正四面體的中心重合；

外殼3-2上加工有兩個(gè)主動(dòng)導(dǎo)軌孔3-4和兩個(gè)被動(dòng)導(dǎo)軌孔3-5；主動(dòng)導(dǎo)軌孔3-4與被動(dòng)導(dǎo)軌孔3-5沿外殼軸線旋轉(zhuǎn)均布；傳動(dòng)機(jī)構(gòu)3-1安裝在外殼3-2內(nèi)側(cè)面上，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)3-1上連接有兩個(gè)升降機(jī)構(gòu)3-3，主動(dòng)導(dǎo)軌孔3-4用于伸出模塊單元自有升降機(jī)構(gòu)3-3，被動(dòng)導(dǎo)軌孔3-5用于接收被對(duì)接的模塊單元自有升降機(jī)構(gòu)3-3，位于外殼3-2的內(nèi)側(cè)面上的每個(gè)被動(dòng)導(dǎo)軌孔3-5的外緣上布置有用于定位升降機(jī)構(gòu)3-3的限位件3-6。將外殼扣在電機(jī)架3-11上，用螺釘連接；整個(gè)機(jī)構(gòu)均由螺釘連接，拆裝方便，易于使用。

參見圖1和圖4說明，為了進(jìn)一步提高傳動(dòng)系統(tǒng)的利用率和可靠性，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)3-1包括傳動(dòng)電機(jī)3-10、電機(jī)架3-11、齒輪擋板3-12、主齒輪3-13、兩個(gè)齒輪一3-14和兩個(gè)內(nèi)螺紋齒輪二3-15；

傳動(dòng)電機(jī)3-10安裝在電機(jī)架3-11上，齒輪擋板3-12安裝在電機(jī)架3-11上，電機(jī)架3-11安裝在外殼3-2上，齒輪擋板3-12下方布置有主齒輪3-13、兩個(gè)齒輪一3-14和兩個(gè)內(nèi)螺紋齒輪二3-15；主齒輪3-13安裝在傳動(dòng)電機(jī)3-10的輸出軸上，主齒輪3-13的兩側(cè)分別布置有一個(gè)齒輪一3-14和一個(gè)內(nèi)螺紋齒輪二3-15，齒輪一3-14與內(nèi)螺紋齒輪二3-15嚙合，兩個(gè)齒輪一3-14分別與主齒輪3-13嚙合，每個(gè)內(nèi)螺紋齒輪二3-15的內(nèi)螺紋孔上布置有升降機(jī)構(gòu)3-3。

將傳動(dòng)機(jī)構(gòu)3-1的齒輪組通過軸固定在齒輪擋板上，電機(jī)架3-11安裝在外殼3-2上；通過螺釘將齒輪擋板3-12固定在電機(jī)架3-11上，實(shí)現(xiàn)齒輪組的兩端固定；控制四個(gè)自由度的驅(qū)動(dòng)電機(jī)4過盈插入在正四面體電機(jī)支架2上；利用四組驅(qū)動(dòng)電機(jī)的軸與外殼伸出孔的過盈配合將整個(gè)結(jié)構(gòu)連接為一體。內(nèi)螺紋齒輪二3-15的內(nèi)螺紋孔開設(shè)在內(nèi)螺紋齒輪的中部。

參見圖1和圖4說明，每個(gè)升降機(jī)構(gòu)3-3包括螺桿3-30和固接在螺桿3-30端部上的定位塊3-31，螺桿3-30旋擰在內(nèi)螺紋齒輪二3-15的螺紋孔內(nèi)并穿過齒輪擋板3-12，定位塊3-31布置在主動(dòng)導(dǎo)軌孔3-4內(nèi)。如此設(shè)置，螺桿式升降機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，設(shè)計(jì)合理緊湊，滿足實(shí)際需要。

參見圖1和圖4說明，限位件3-6為限位塊，位于外殼3-2的內(nèi)側(cè)面上的每個(gè)被動(dòng)導(dǎo)軌孔3-5的外緣上布置有用于定位升降機(jī)構(gòu)3-3的兩個(gè)限位塊，兩個(gè)限位塊對(duì)角布置。參見圖7-圖10為相鄰兩個(gè)模塊單元對(duì)接時(shí)螺母運(yùn)行狀態(tài)圖。相鄰兩個(gè)模塊單元對(duì)接時(shí)螺桿伸出被對(duì)接的模塊單元的被動(dòng)導(dǎo)軌后隨內(nèi)螺紋齒輪同步轉(zhuǎn)動(dòng)3-15，受限位塊限位后，無(wú)法實(shí)現(xiàn)與齒輪組的同步運(yùn)行，傳動(dòng)電機(jī)即可停止運(yùn)轉(zhuǎn)。

參見圖5和圖6說明，主動(dòng)導(dǎo)軌孔3-4和被動(dòng)導(dǎo)軌孔3-5均為矩形孔，定位塊3-31與矩形孔配合。如此設(shè)置，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，加工使用方便，滿足設(shè)計(jì)要求和實(shí)際需要。

參見圖6說明，被動(dòng)導(dǎo)軌孔3-5的深度小于主動(dòng)導(dǎo)軌孔3-4的深度。如此設(shè)置，起初，定位塊3-31在主動(dòng)導(dǎo)軌孔3-4內(nèi)，隨著傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的齒輪組的運(yùn)轉(zhuǎn)，螺桿3-30連同定位塊3-31直線移動(dòng)伸入被對(duì)接的模塊單元的外殼3-2的被動(dòng)導(dǎo)軌孔3-5內(nèi)，一旦伸出被動(dòng)導(dǎo)軌孔3-5后，一直旋轉(zhuǎn)不停，無(wú)法控制定位塊3-31的運(yùn)動(dòng)，增設(shè)限位塊限制定位塊3-31的運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)相鄰模塊單元的對(duì)接，組合成應(yīng)用于三足行走的機(jī)器人或空間柔性繩索，如圖10和圖11。

工作原理：自由度：球殼和四個(gè)外殼構(gòu)成一個(gè)封閉的球形殼體，二者之間通過內(nèi)置正四面體支架2上的驅(qū)動(dòng)電機(jī)4帶動(dòng)外殼3-2相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)4個(gè)自由度。

參見圖7-圖10說明，連接組件：在電機(jī)架3-11上的傳動(dòng)電機(jī)3-10通過主齒輪、齒輪一和兩個(gè)內(nèi)螺紋齒輪二構(gòu)成的齒輪組傳動(dòng)，帶動(dòng)內(nèi)螺紋齒輪二3-15轉(zhuǎn)動(dòng)，在主動(dòng)導(dǎo)軌孔3-4的束縛下，與之配合的螺桿3-30及定位塊3-31只能上下移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)連接機(jī)構(gòu)的伸縮。與下一模塊單元連接時(shí)，連接組件3伸入下一模塊單元連接槽內(nèi)直至被動(dòng)導(dǎo)軌孔3-5束縛解除，此時(shí)螺桿3-30被內(nèi)螺紋齒輪3-15帶動(dòng)一起旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)90度后，接觸外殼3-2上放置的限位塊3-6，模塊單元之間返回一個(gè)連接成功信號(hào)，電機(jī)停轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)兩個(gè)球形殼體的連接。與下一模塊單元分離時(shí)，外殼3-2上的傳動(dòng)電機(jī)3-10反轉(zhuǎn)，螺桿3-30和內(nèi)螺紋齒輪二3-15一起旋轉(zhuǎn)，直至恢復(fù)原位并接觸到下一個(gè)限位塊3-6，此時(shí)螺桿3-30被束縛，只能夠進(jìn)行直線伸縮，傳動(dòng)電機(jī)3-10繼續(xù)反轉(zhuǎn)，直至螺桿3-30退出，兩個(gè)模塊單元分離。

重構(gòu)變形：參見圖11-圖12說明，兩個(gè)球形殼體相連時(shí)，在一個(gè)模塊單元的帶動(dòng)下，通過外殼伸出孔連接的驅(qū)動(dòng)電機(jī)4，可以推動(dòng)相鄰兩個(gè)外殼3-2對(duì)接帶動(dòng)另一個(gè)模塊單元一起旋轉(zhuǎn)。若干模塊單元相互協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)，配合模塊單元的連接與分離，可以實(shí)現(xiàn)模塊單元搬運(yùn)，從而實(shí)現(xiàn)形態(tài)重構(gòu)。

本發(fā)明已以較佳實(shí)施案例揭示如上，然而并非用以限定本發(fā)明，任何熟悉本專業(yè)的技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明技術(shù)方案范圍內(nèi)，當(dāng)可以利用上述揭示的結(jié)構(gòu)及技術(shù)內(nèi)容做出些許的更動(dòng)或修飾為等同變化的等效實(shí)施案例，但是凡是未脫離本發(fā)明技術(shù)方案的內(nèi)容，依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實(shí)質(zhì)對(duì)以上實(shí)施案例所做的任何簡(jiǎn)單修改、等同變化與修飾，均仍屬本發(fā)明技術(shù)方案范圍。