基于旋转钩孔连接的双L形正立方体模块化自重构机器人制造技术

基于旋转钩孔连接的双“Ｌ”形正立方体模块化自重构机器人，它涉及一种机器人。本发明专利技术的目的是为解决现有的阵列式机器人运动灵活性不足，组成机器人后不能高效的运动；电磁式的连接机构存在体积大、重量大、发热量大的问题。本发明专利技术第一主动连接模块和第二主动连接模块固定连接，第三主动连接模块和第四主动连接模块固定连接，第一被动连接模块与第二被动连接模块固定连接，第三被动连接模块与第四被动连接模块固定连接。本发明专利技术具备了阵列式系统的局部模块的自重构功能，也具备了串联式系统整体构形的运动功能；模块的负载／自重比为４．５∶１，主动模块或被动模块自身可以互换；机构在处于连接状态和断开状态时，不需要能量维持，节省了能量。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种机器人。
技术介绍
模块化自重构机器人，也称为自变形机器人(self-metamorphicrobot),是近十几年来在机器人学研究领域兴起的一门新兴学科，是当前机器人学研 究中的一个热点和难点。是指利用机器人模块之间的连接性和互换性，以及 模块传感器感知到的周围环境信息，通过大量模块之间的相互操作改变整体 构形、扩展运动形式、实现不同的运动步态、完成相应的运动及操作任务。具有如下特点 一、自重构功能机器人能够根据环境和任务的变化，通过人工智能计算技术选择相应的构型，自主控制模块重组到目标构型来适应环境和任务，因此特别适用于未知环境或非结构化环境。二、自修复功能机 器人由许多机器人模块组成，当某一模块功能失效发生故障时，机器人可以 自主选择与失效模块功能相同的模块，通过自重构功能把失效的模块剔出， 把选择出的功能完好的模块组装到失效模块位置并替代失效模块继续完成 任务，从而具有自修复功能。三、功能可扩展性机器人的功能扩展可以通 过增减模块数目或类型来实现，例如可以通过增加转动模块数量来改变机器 人的运动空间或操作空间，增加传感器模块赋予机器人新的感知功能等。四、 自适应性自重构功能和自修复功能决定了机器人良好的自适应性，可以通 过改变自身形状来适应非结构化环境或未知环境。五、高可靠性模块具有 互换性，发生局部故障时通过自修复功能对自身进行修复，保证了任务的可 靠进行。六、良好的经济性组成机器人的模块结构比较简单，且结构类似， 适合大规模加工制造，从而降低单个模块的制造成本。单元模块是构建自重构机器人系统的最基本元素，模块的运动能力、自 由度数以及质量，会直接影响自重构机器人系统的拓扑转换、整体协调运动 和空间作业能力，因此合理安排设计模块的功能至关重要；模块的连接机构 是影响机器人重构可靠性的关键，设计连接可靠、动作快速、分离容易、节 省能源、结构紧凑、质量小的连接机构也是自重构机器人的关键技术之一。1)模块功能设计分析模块的功能包括模块自身的运动功能与其它模块在组合后的组合功能， 模块自身的运动功能是指单个模块具有的自由度数目(不包括连接机构的自 由度)，模块的组合功能是指多个模块在相互组合后各模块在组合体中的组 合方式。在模块自身的运动功能方面，目前的自重构机器人正朝着两个截然相反 的发展方向发展，一个研究方向是使单个模块具有尽可能强的改变自身位置的能力，这样每个模块都可以看作一个独立的机器人，如在C0NR0系统中， 单个机器人模块具有两个自由度，偏转自由度与俯仰自由度，单个模块就可 以作为一个移动机器人；在MTRAN系统中，每个模块具有两个平行的转动自 由度，单个模块可以在其他模块形成的表面上通过翻滚运动来改变自身位 置；另一个研究方向是使模块不具有改变自身位置的能力，只能通过与其它 模块相互配合进行自身位置的改变，如3D-Unit系统，虽然单个模块具有6 个自由度，但单个模块无法改变自身位置，仅能改变模块自身方向，通过与 相邻模块配合来改变自身位置。模块自身运动功能的两个研究方向中，前者机器人中各模块相对独立， 模块间的运动耦合较松散，在重构过程中单个模块可以根据任务需要选择与 整体机器人断开或者连接，重构算法可以借鉴现有的多机器人技术；在后一 研究方向中机器人中各模块具有较强的运动耦合关系，模块的改变自身位置 的能力与其相邻模块的方位直接相关，而且单个模块在重构过程中不能与机 器人整体断开，重构算法复杂，但在结构设计方面，前者一般需要的自由度 多，结构复杂，单个模i关体积较大，质量较大，负载/自重比相对较小，限 制了模块组合后的机器人整体操作和运动能力，后者一般自由度较少甚至可 以没有自由度，结构简单，模块自身质量对组合后的机器人的操作、运动能 力影响较小。从模块组合功能来看，阵列式机器人一般具有规则的几何外形，如立方 体，正十二面体，四面体等，这种规则的几何外形使各模块在不需要外部能 量的情况下，仅依靠自身的机械材料的特性即可形成稳定的机器人结构，但 现有的阵列式机器人运动灵活性不足，组成机器人后不能高效的运动；串联 式机器人不要求规则的几何外形，更侧重于形成某种链式结构，如蛇形机器人、履带式机器人，或者含有某些链式结构的机器人，如多足机器人；这种 类型的机器人多需要模块含有一个或多个转动关节，依靠转动关节的保持力 矩支撑机器人本体，通过转动关节的转动实现高效的机器人整体协调运动， 但是在需要构成某种填充结构来完成任务时显得力不从心。2)模块连接机构设计分析 自重构机器人区别于其它机器人之处在于它能自主改变自身构型来完 成操作或任务，连接机构直接参与机器人构型改变过程，连接机构的连接断 开性能直接决定了自重构机器人变形的成功与否，因此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。现有的阵列式机器人模块的连接机构大都采 用了销孔式、电磁式或永磁式的结构。销孔式的连接机构虽然连接可靠，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，在机器人整体运动过程中若速度规划不合理，两连接 模块间存在相对运动趋势时导致连接不可靠。
技术实现思路
本专利技术的目的是为解决现有的阵列式机器人运动灵活性不足，组成机器 人后不能高效的运动；现有的阵列式机器人模块的连接机构大都采用了销孔 式、电磁式或永磁式的结构，但分离操作需要额外的分离空间，限制了自重 构的能力。电磁式的连接机构存在体积大、重量大、发热量大等问题。永磁 式的连接机构其主要问题在于连接面抗剪切的能力较弱，在机器人整体运动 过程中若速度规划不合理，两连接模块间存在相对运动趋势时导致连接不可 靠的问题。提供一种基于旋转钩孔连接的双"L"形正立方体模块化自重构 机器人。本专利技术包含主动模块和被动模块，主动模块包含第一主动连接模块 A、第二主动连接模块B、第三主动连接模块C、第四主动连接模块D、第 一支撑架31、第二支撑架32、第一伺服舵机33、第一电池34、第一轴承 37、第一伺服舵机的支撑轴38、第二轴承39和第一伺服舵机的转矩输出轴 40，第一主动连接模块A的一端和第二主动连接模块B的一端固定连接， 第三主动连接模块C的一端和第四主动连接模块D的一端固定连接，第一支撑架31的一端与第一主动连接模块A的内侧固定连接，第二支撑架32 的一端与第三主动连接模块C的内侧固定连接，第一轴承37设在第一支撑 架31的另一端上，第二轴承39设在第二支撑架32的另一端上，第一伺服 舵机33的一端设有第一伺服舵机的支撑轴38，第一伺服舵机33的另一端 为第一伺服舵机的转矩输出轴40，第一伺服舵机的支撑轴38设在第一轴承 37内，第一伺服舵机的转矩输出轴40设在第二轴承39内，第一电池34固 定在第一伺服舵机33上；第一主动连接模块A、第二主动连接模块B、第 三主动连接模块C和第四主动连接模块D分别由直流减速电机1、四个销 轴2、四个连杆3、四个旋转钩4、四个滑块6、四个固定轴7、四对支架8、 驱动盘9本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于旋转钩孔连接的双“Ｌ”形正立方体模块化自重构机器人，它包含主动模块和被动模块，其特征在于主动模块包含第一主动连接模块（Ａ）、第二主动连接模块（Ｂ）、第三主动连接模块（Ｃ）、第四主动连接模块（Ｄ）、第一支撑架（３１）、第二支撑架（３２）、第一伺服舵机（３３）、第一电池（３４）、第一轴承（３７）、第一伺服舵机的支撑轴（３８）、第二轴承（３９）和第一伺服舵机的转矩输出轴（４０），第一主动连接模块（Ａ）的一端和第二主动连接模块（Ｂ）的一端固定连接，第三主动连接模块（Ｃ）的一端和第四主动连接模块（Ｄ）的一端固定连接，第一支撑架（３１）的一端与第一主动连接模块（Ａ）的内侧固定连接，第二支撑架（３２）的一端与第三主动连接模块（Ｃ）的内侧固定连接，第一轴承（３７）设在第一支撑架（３１）的另一端上，第二轴承（３９）设在第二支撑架（３２）的另一端上，第一伺服舵机（３３）的一端设有第一伺服舵机的支撑轴（３８），第一伺服舵机（３３）的另一端为第一伺服舵机的转矩输出轴（４０），第一伺服舵机的支撑轴（３８）设在第一轴承（３７）内，第一伺服舵机的转矩输出轴（４０）设在第二轴承（３９）内，第一电池（３４）固定在第一伺服舵机（３３）上；第一主动连接模块（Ａ）、第二主动连接模块（Ｂ）、第三主动连接模块（Ｃ）和第四主动连接模块（Ｄ）分别由直流减速电机（１）、四个销轴（２）、四个连杆（３）、四个旋转钩（４）、四个滑块（６）、四个固定轴（７）、四对支架（８）、驱动盘（９）、面板（１０）、四个移动轴（１１）、传动绳（１３）和传动绳转向架（１６）组成，面板（１０）上开有四个通孔（５），面板（１０）上开有四个用于约束滑块（６）滑动轨迹的滑轨槽（２２），直流减速电机（１）固定在面板（１０）的上侧表面上，驱动盘（９）设置在面板（１０）的上侧表面的中心处，传动绳转向架（１６）固定在直流减速电机（１）和驱动盘（９）之间的面板（１０）的上侧表面上，传动绳（１３）通过传动绳转向架（１６）与直流减速电机（１）和驱动盘（９）传动连接，四对支架（８）分别固定在面板（１０）的上侧表面上，每对支架（８）的外侧对应一个通孔（５），每对支架（８）上固定有一个固定轴（７），在每对支架（８）之间设有一个滑块（６），滑块（６）处于滑轨槽（２２）内，滑块（６）上的横向滑道（１８）与固定轴（７）滑动连接，四个连杆（３）的一端分别与四个滑块（６）铰接，四个连杆（３）的另一端分别由四个销轴...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：赵杰，朱延河，唐术锋，樊继北，任宗伟，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：93[中国|哈尔滨]