一种四自由度球形模块单元制造技术

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。本发明专利技术用于模块化机器人。

A spherical module unit with four degrees of freedom

A four degree of freedom spherical module, it relates to a modular robot module, which solves the problems of the existing robot module configuration less degrees of freedom, the problem of low utilization and less flexible space, which includes ball shell, tetrahedron components and four sets of connected components; tetrahedron tetrahedron assembly includes a bracket and four drive each connection assembly includes a motor; a transmission mechanism, a housing and two lifting mechanism; a tetrahedron bracket and four sets of connected components arranged in the spherical shell, each tetrahedron bracket mounting seat is provided with a driving motor, the output shaft of each drive motor is installed on a shell; shell processing two actively guide hole and two passive guide hole; a drive mechanism is arranged on the side of the shell, the transmission mechanism is connected with two lifting mechanism, a guide hole for the initiative The module unit is provided with a lifting mechanism, and the passive guide hole is used for receiving the self lifting mechanism of the module unit which is butted. The invention is used for modular robots.

【技术实现步骤摘要】
一种四自由度球形模块单元
本专利技术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。
技术介绍
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。
技术实现思路
本专利技术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。本专利技术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。本专利技术的有益效果是：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。本专利技术突破现有连接模式，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，本专利技术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，提高了传动系统利用率，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。同时在此专利技术基础上，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为本专利技术的整体结构示意图；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为本专利技术应用于三足行走的示意图；图12为本专利技术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专利技术的技术方案。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系统的利用率和可靠性，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，两本文档来自技高网...

【技术保护点】
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)。...

【技术特征摘要】
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...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱延河，王羽麟，赵杰，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江,23