[发明专利]可移动模块化自重构机器人

说明书

技术领域

 本发明属于机器人技术领域，具体是机器人领域的可移动模块化自重构机器人。

背景技术

自重构机器人是由多个基本模块通过相同的连接装置连接组成，通过调整模块之间的连接方式来调整机器人的构型，从而满足不同环境、不同任务的需求，或者是剔除受损模块，使机器人从受损状态中恢复过来。根据不同几何构型，自重构模块化机器人分为三类：晶格型、链式型和移动型。其中前两种构型机器人因自身结构不可分割，连接简单，因此单元模块缺乏移动能力而不能单独完成任务。移动型自重构机器人单元模块不仅可以组合连接一起构成所需构型，还可以分开独立完成特定任务。

在模块结构设计方面，M-TRAN是2000年由日本AIST研究院设计的一种由两个半圆柱体构成的机器人，采用钩孔连接实现模块间的连接和断开。模块由两个 U 形块和一个连杆组成，仅能实现±90°转动；模块具有三个主动和三个被动连接面，本身不具备三维空间的对称性。Yim 于 2004 年在美国施乐帕克研究中心(PARC) 研制的Polybot G3系列以及2009年在宾夕法尼亚大学研制的CKBot。模块均为单自由度结构、具有两个连接面、采用的锥孔式连接机构，通过记忆合金丝驱动连接机构内侧的转板卡旋入锥销上的环槽内以实现连接。SuperBot是由南加利福尼亚大学沈为民等在 NASA 的支持下于 2004 年研制的一种新型混合式自重构机器人，将 M-TRAN 的连杆从中间分开增加了一个回转自由度，相当于在两个U 形半块间形成了一个球面运动副，大大提高了模块运动的灵活度。目前该模块采用手动连接，连接机构尚处于研制中。类似的自重构机器人还有瑞士洛桑理工学院(EPFL)的 Billard 等人于 2009年的Roombots，UC Davis大学程辉教授于2010年研制出的iMobot等。

国内目前进行构形设计并研制样机的仅有上海交通大学费燕琼等于 2005 年研制的 M-Cube ，哈尔滨工业大学研制的Ubot，北京航空航天大学魏宏星等人于2010年研制的Sambot三类自重构机器人。M-Cube整个结构由铝合金材料制成，其内部机械传动装置较为复杂。Ubot由两个 L 形构件与中间一个直角轴连接而成，其两个自由度的实时运动范围互相受限，这将影响重构过程中的功能实现，也会增加控制及重构规划的复杂程度。Sambot可以独立运动，但在实际运动中若地面不平将使得轮子腾空，其单一模块独立运动将受到限制。  

综上所述，自重构机器人在技术上已取得了较大的进步，但在连接机构和自主移动机构方面仍是模块化自重构机器人结构设计的两个关键技术。

发明内容

本发明目的是克服现有技术中模块化机器人单个模块设计上存在的上述问题，提供一种可移动模块化自重构机器人。本发明提供的可移动模块化自重构机器人通过驱动腿机构来实现单个模块的前后运动和转向运动，而在模块构型变换时，驱动腿不伸出单元模块整体外侧，使模块保持类正方体而不影响模块之间的重构。

本发明通过以下技术方案实现

所述的可移动模块化自重构机器人包括：一个U型外架，一个U型内架，一个电机架，5个电机，一个内架连轴件，一个主动连接机构，3个被动连接机构，两个驱动腿机构；

其中：所述的主动连接机构包括：连接基板、大齿轮、连接销组件、固定套、小齿轮、第一步进电机；其中连接基板通过螺栓固定在U型内架底部，大齿轮套在连接基板中心处的空心圆柱凸台上，固定套通过螺栓固定在连接基板上，约束了大齿轮沿圆柱凸台轴向的运动，连接销组件一端安装在大齿轮的正弦加速度曲线沟槽内，另一端插入到连接基板的圆柱凸台圆柱面上的导向孔内，第一步进电机固定在连接基板上，第一步进电机输出轴带动与大齿轮啮合的小齿轮转动，实现连接销组件按正弦加速度曲线在连接基板的圆柱面的导向孔内往复运动，完成模块之间的连接与断开。

所述的连接销组件包括：连接销、连接架、固定销、套筒、定位螺栓，其中连接销一端通过固定销固定在连接架内，另一端插入到连接基板的空心圆柱凸台圆柱面上的导向孔内，连接架另一端通过定位螺栓与套筒配合，连接销组件通过套筒与大齿轮的沟槽配合，定位螺栓约束了连接销组件中套筒的位置，使套筒仅能在大齿轮的正弦加速度曲线沟槽内移动，进而使得连接销组件仅能在大齿轮端面上平动，即连接销组件仅能在大齿轮带动下沿连接基板的圆柱凸台圆柱面上的导向孔往复运动，套筒减小了连接销组件在正弦沟槽内运动时的摩擦，提高传动效率，延长使用寿命。