[发明专利]一种模块化可重构正交关节链式机器人

说明书

本发明属于模块化可重构机器人领域，具体地说是一种模块化可重构正交关节链式机器人，模块单元由两个正交的轮系构成，每个差动轮系包含两个输入自由度和两个输出欧拉角，两输入端同向等速转动，输出端仅进行俯仰运动，角位移为俯仰角；两输入端反向等速转动，输出端仅输出偏航运动，角位移为偏航角；模块单元间的连接/断开机构采用无差异主动接口，输出端对齐后，控制两相邻模块单元输出的偏航运动方向相反，实现机械旋合；控制两连接/断开机构向机械释放方向输出偏航运动，可实现相邻模块单元之间由连接状态向断开状态的转变；多个模块单元之间相互进行连接，可形成链式机器人。本发明结构紧凑，具有扩展性，可进行空间大范围的运动和操作。

技术领域

本发明涉及模块化可重构机器人，具体地说是一种模块化可重构正交关节链式机器人。

背景技术

模块化可重构机器人由相同的模块单元组成。每个模块单元具有运动特性，模块单元具有连接接口，相互之间可进行连接/断开操作。机器人根据预先确定的使用环境和操作任务来设定一些针对性的构型，具有灵活的运动能力。根据组成机器人系统模块单元的结构特性，模块化可重构机器人可分为链式和晶格式两种。

目前，针对模块化可重构链式机器人已有大量研究，但大都偏向于概念设计，对运动特性的演示，不具备实际的应用能力或操作性，且现有的链式机器人运动灵活性较差。模块化可重构链式机器人具有良好的应用前景，如抗震救灾未知位置环境中的灵活运动、航空航天失效零部件的修复操作等，兼顾模块化可重构机器人的运动特性和操作特性值得深入研究。

发明内容

本发明的目的在于提供一种模块化可重构正交关节链式机器人。该正交关节链式机器人采用模块化可重构设计，模块单元由正交的差动轮系组成，可实现两个正交平面方向的180°角度范围的俯仰运动和每个位置处的360°角度范围的偏航运动，极大地提高了运动的灵活性。模块单元连接接口采用无差异主动连接方式，实现模块间的稳定连接，可外接拓展执行器，再次地丰富了任务的多样性。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

本发明包括多个结构相同的模块单元，该模块单元包括左外壳、右外壳、左轮系、右轮系及固定板，其中左外壳与右外壳分别安装于所述固定板的左右两侧，该左外壳上与右外壳上各开设一个凹口，这两个凹口是正交位置关系；所述左外壳内设有安装于固定板上的左轮系，所述右外壳内设有安装于固定板上的右轮系，该左轮系与右轮系结构相同，正交安装在机架上，所述机架安装于固定板上，所述左轮系与右轮系均包括右输入电机、左输入电机、锥齿轮传动机构及连接/断开机构，所述机架的两端分别安装左轮系和右轮系的右输入电机、左输入电机，该右输入电机的输出端与左输入电机的输出端通过所述锥齿轮传动机构与连接/断开机构相连，驱动连接/断开机构在所述凹口中运动；每个所述模块单元的左轮系及右轮系共包含两个连接/断开机构，分别与相邻两模块单元或对应的连接接口进行连接，从而形成链式机器人。

其中：所述锥齿轮传动机构包括右锥齿轮、左锥齿轮及输出锥齿轮，该右锥齿轮连接于所述右输入电机的输出端，所述左锥齿轮连接于左输入电机的输出端，所述输出锥齿轮安装在连接/断开机构的一端，并分别与所述右锥齿轮和左锥齿轮啮合传动，所述连接/断开机构的另一端用于与相邻模块单元或对应的连接接口进行连接。

所述右锥齿轮、左锥齿轮及输出锥齿轮之间设有十字连接轴，该十字连接轴十字一条边的两端分别与右锥齿轮、左锥齿轮转动连接，十字另一条边与所述输出锥齿轮转动连接。

所述十字连接轴包括输出端轴、十字架螺钉、传动轴及锁紧螺母，该输出端轴的一端通过十字架螺钉与传动轴正交连接，并由所述锁紧螺母紧固，所述输出端轴的另一端设有输出端轴肩；所述传动轴的两端分别设有传动轴肩，该传动轴两端的传动轴肩分别插入右锥齿轮、左锥齿轮的齿面端开设的轴承孔中，并分别通过输入端轴承实现与右锥齿轮、左锥齿轮的转动连接；所述输出端轴肩插入输出锥齿轮上开设的轴承孔中，并通过输出端轴承实现与所述输出锥齿轮的转动连接。