一種具有獨立運動的自重構機器人單元模塊的制作方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于機器人技術領域，具體是機器人領域的可獨立運動的鉤爪式模塊化自重構機器人。
技術背景
[0002]自重構機器人是由多個基本模塊通過相同的連接裝置連接組成，通過調整模塊之間的連接方式來調整機器人的構型，從而滿足不同環境、不同任務的需求，或者是剔除受損模塊，使機器人從受損狀態中恢復過來。按照機器人形態改變方式可分為鏈式機器人、晶格式機器人、移動機器人。
[0003]鏈式機器人通過多個模塊之間的連接組成鏈式或樹狀結構，具有代表性的鏈式機器人有PolyB0t、CKb0t、CONRO等。其中，PolyBot包含主動模塊和節點模塊兩種基本模塊，前者具有兩個接口 ；后者是剛性的立方體，六個面都具備可連接功能，但自身不具備運動能力。
[0004]晶格式模塊化機器人在三維空間內具有規則分布，通過改變模塊在虛擬網格內的位置來實現機器人的變形。此類機器人的代表有Miche、Catoms> I_Cube。
[0005]移動式模塊化機器人的每個模塊均是一個能夠獨立運動的機器人。日本名古屋大學研制的CEBOT機器人和瑞士洛桑聯邦理工學院(EPFL)開發SWARM-bot機器人是移動式模塊化機器人的代表。
[0006]上海交通大學的曹其新等人于2009年提出了一種機器人技術領域的基于CORBA接口的模塊化機器人，包括:移動模塊、機械手臂模塊、視覺傳感器模塊、電源模塊、控制模塊、無線網絡模塊。
[0007]上海交通大學的費燕瓊等人于2010年提出了一種主從式模塊化機器人，包括若干機器人單元，每個機器人單元分別與相鄰的四個機器人單元相連，每個機器人單元包括:三棱柱主模塊、三棱柱從模塊和兩個連接模塊。
[0008]北京航空航天大學的魏洪興等人于2012年提出了一種具有分布式和自組裝特征的群體飛行機器人，由至少三個機器人單體組成，并且機器人單體中要同時包括正槳機器人單體和反槳機器人單體，所述的機器人單體是多邊形的中空柱體結構，每個機器人單體由地面運動模塊、主動對接模塊、被動對接模塊、傳感定位模塊、飛行動力模塊和控制模塊組成。
[0009]天津理工大學的葛為民等人于2013年提出了一種機器人技術領域的可移動模塊化自重構機器人，包括:U型外架、U型內架、電機架、電機、內架連軸件、主被動連接機構、驅動腿機構。
[0010]上海交通大學的費燕瓊等人于2014年提出了一種雙柱形自重構模塊化機器人，包括若干個機器人單元，每個所述機器人單元包括三棱柱主模塊、三棱柱從模塊、第一鉤爪式連接模塊和第二鉤爪式連接模塊。
[0011]綜上所述，自重構機器人在技術上已取得了較大的進步，但在連接機構的可靠性方面和單個模塊獨立運動方面仍是模塊化自重構機器人結構設計的兩個關鍵技術。
【發明內容】
[0012]本發明目的是克服現有技術中模塊化機器人單個模塊設計上存在的連接機構不夠可靠穩定和單個模塊不具有運動能力的問題，提供一種具有獨立運動的自重構機器人單元模塊。模塊結構的樣式定型為長方體形狀，具有空間對稱性，能夠完成多種鏈式變形的需要，其結構樣式實際簡單實用。
[0013]本發明通過以下技術方案實現:
[0014]所述的具有獨立運動的自重構機器人單元模塊主要包括:一個U型外架，一個U型內架，一個主動連接機構，五個被動連接機構，一個驅動機構；一個底座旋轉步進減速電機，及內架與外架連接組件和旋轉底座組件；
[0015]其中，U型外架包括:外主動側板、外被動側板、中間板，兩塊側板分別連接在中間板的兩側，形成U型外架；
[0016]U型內架包括:一個內L型板(由內L型板的側板和中間板構成)和一個內I型板，將內L型板與內I型板連接形成U型內架；
[0017]內架與外架連接組件包括:內主動側板、內被動側板，兩塊側板分別安裝在U型內架兩側，形成一個無蓋的內架立方體，所述內架立方體開口處呈圓形；所述的內被動側板外側板上設有圓形凸臺，圓形凸臺中間開有一個用于安裝第一連接板的方孔，所述圓形凸臺與U型外架的外被動側板上的圓孔配合；所述的內主動側板的外側開有齒輪安裝槽，齒輪安裝槽內安裝驅動齒輪副，驅動齒輪副中的驅動小齒輪安裝在內主動側板的內側板上固定的主軸翻轉步進減速電機軸上，驅動齒輪副中的驅動大齒輪與U型外架的外主動側板內側板固定連接，構成驅動機構，這樣使U型內架裝配到U型外架上，且U型內架與U型外架配合能夠進行360°旋轉，提供U型內架相對U型外架的轉動自由度；
[0018]旋轉底座組件包括一個旋轉底座基板、一個第二連接板、一個電機安裝架；所述旋轉底座基板的內側板上設有圓形凸臺，圓形凸臺與所述內架立方體的圓形開口配合，所述圓形凸臺中間開有用于安裝第二連接板的方孔，所述第二連接板嵌裝在旋轉底座基板上的方孔內；所述底座旋轉步進減速電機通過電機安裝架安裝在內主動側板的內側板上，所述底座旋轉步進減速電機軸與所述第二連接板上的中央孔固定配合，通過第二連接板帶動旋轉底座基板在U型內架構成的內架立方體上進行轉動，實現單元模塊的旋轉運動；所述旋轉底座基板上設置有一個被動連接機構，可與主動連接機構連接；
[0019]主動連接機構包括:四個鉤爪、齒輪傳動機構和直流電機及其固定架；其中齒輪傳動機構安裝在第三連接板上，第三連接板嵌裝在U型內架的內I型板中間的方孔內，直流電機通過兩個電機固定架固定安裝在第三連接板上，直流電機的輸出軸帶動齒輪傳動機構驅動四個鉤爪轉動向外伸出第三連接板表面進行連接動作；四個鉤爪的分布設置上，有三個鉤爪的旋轉方向是同一方向，最后一個鉤爪相對其他三個是反向安裝及旋轉，這樣的鉤爪結構設計在實現與其他模塊正常對接時，同時也完成了兩個連接板的位置姿態矯正的功會K ;
[0020]所述主動連接機構中的齒輪傳動機構包括:一個大錐齒輪、三個小錐齒輪、一個連接大直齒輪、一個連接小直齒輪、兩個短連接軸和一個長連接軸；所述的大錐齒輪與連接大直齒輪固結在一起，連接大直齒輪在下方，連接大直齒輪和連接小直齒輪相互嚙合并安裝于第三連接板內側板上的對應凹槽內，長連接軸通過鉤爪固定軸架安裝在第三連接板上，長連接軸中部與一個小錐齒輪固定連接，該小錐齒輪與大錐齒輪嚙合，長連接軸的兩端各安裝一個鉤爪，且鉤爪的方向相同；兩個短連接軸同樣通過鉤爪固定軸架安裝在第三連接板上，兩個短連接軸同軸且與長連接軸垂直，兩個短連接軸上分別與一個小錐齒輪固定連接，并各安裝一個鉤爪，且鉤爪的方向相反，兩個短連接軸上的小錐齒輪與大錐齒輪嚙合；直流電機輸出軸通過與之固定的連接小直齒輪來帶動第三連接板上的連接大直齒輪和大錐齒輪轉動，再由大錐齒輪帶動其他三個小錐齒輪旋轉，完成直流電機對鉤爪的傳動；
[0021]五個被動連接機構分別設在U型外架的中間板的外表面、裸露在U型外架的外被動側板上的圓孔外的內被動側板上的第一連接板的外表面、U型內架的內L型板的側板和中間板的兩個外表面以及旋轉底座組件中的轉動底座基板中的第二連接板的外表面，每個連接板上設有八個長方形通孔，由于自動連接機構是鉤爪式的連接方式，并且四個鉤爪里有三個是同一方向運動，另一個鉤爪是反向運動，所以八個長方形通孔分為四組呈兩兩對稱式分布在各連接板四周，并與主動連接機構中的四個鉤爪的位置分別對應，使單元模塊的連接板與連接板之間能夠在360°方向自由對接；
[0022]所述的自重構機器人單元模塊共有2個自由度，分別為U型內架與U型外架之間360°旋轉自由度，以及整個單元模塊相對旋轉底座基板的360°旋轉的平面自由度，以滿足不同構型之間的變換。
[0023]本發明的優點和有益效果:
[0024]本發明最重要的就是單個模塊具有靈活性和可靠性非常高的運動功能。實現單個模塊在地面上可靠直行和轉動。使得執行任務前多個模塊可以各自或兩兩組合到達目標位置，然后重構出所需構型完成任務。
[0025]由于U型外架與內架的360°旋轉和第三被動連接機構的連續旋轉及多種連接方式，使得多個模塊的組合種類更多，用于多種不同的場合和完成各種復雜的任務。
[0026]由于U型內架在地面上如同特殊輪式運動，運動過程對地面的要求比較低，只要沒有非常大的障礙，一些小