一种适用于三维框架的机器人的制作方法

本发明涉及机器人技术领域，特别涉及一种能够对复杂三维框架结构自行构建和重构的机器人

背景技术：

要实现对复杂三维框架结构的自行构建和重构，机器人系统就必须具备两项基本功能，即对结构中意位置的可达功能(例如在框架结构中的攀爬能力)，以及对基本构件的操作功能，包括安装、拆卸、运输等。近年来，研究人员开发了很多具备攀爬功能的机器人系统，例如爬墙机器人、爬杆机器人以及框架攀爬机器人等等。“尺蠖”机器人利用电磁力将自己吸附到铁质结构的表面上，以实现对结构的攀爬功能。Tavakoli等人开发的机器人可以实现对杆状结构的攀爬功能，此机器人使用机械手爪装置来抓紧目标结构。White等人设计了一台用于大型航空界及结构的制造和检测的攀爬机器人，它使用真空吸盘将自己吸附于工作区域的表面。并联机器人TREPA和毛虫形机器人ROMA都具备在复杂三维结构中巡游攀爬的高超本领。

尽管有众多的机器人系统都展示出了高强的结构攀爬能力，但是能够对目标结构进行搭建、维修、重构等操作的机器人系统却是凤毛麟角。Skyworker机器人的主要设计目的是协助宇航员完成在轨的结构装配任务，它可以完成某些框架结构的搭建，但是这些框架结构部件和Skyworker机器人的设计是相互独立的，因此Skyworker需要额外的其他机器人来辅助完成搭建任务。Dogget设计了一款可以搭建框架结构的机器人，但是此机器人更像是一个固定的机械臂，它不具备在框架之上的移动能力，因此不能进行结构检测、维修等高级操作。MIT(麻省理工学院)的Rus教授团队开发了Shady3D机器人，目的是利用它进行框架结构的搭建，Shady3D可以在三维框架结构上任意巡游，并且可以对结构部件进行简单操作，但是它不具备最关键的构建组装功能。Yim教授等人设计开发了新颖的Factory-Floor机器人系统，它可以通过一组固定在地面上的搭建器、升降器等，以“自顶向下”的方式逐层地构建三维框架结构，然而需要指出的是，一方面，目标框架结构的规模受限于升降器的性能和尺寸，另一方面，搭建器不具备移动能力，因而框架结构一旦建成就很难进行修改和重构等操作。Cornell(康奈尔)大学Lipson教授的实验室也致力同样的研究，他们开发了一款“铰链形”机器人，并且设计了用于搭建框架的“凸齿杆”构件。此机器人可以在三维框架内攀爬移动，更重要的是，它初步实现了对框架构件的拆卸和安装等简单的操作，然而实验表明此机器人系统的运行稳定性以及精确性还有待提高，而且框架构件的设计也存在缺陷。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种适用于三维框架的机器人，其既能实现对三维框架结构的任意游走，又能够实现对框架结构的构建和重构等高级操作。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

一种适用于三维框架的机器人，包括铰链电机与两个对称机构，两个对称机构通过铰链电机连接；对称机构包括旋转运动装置和平移运动装置；旋转运动装置与平移运动装置均安装在三维框架的框架杆件上。

本发明进一步的改进在于：

旋转运动装置包括旋转啮合凸轮锁装置、旋转驱动装置、旋转铰链转轴、旋转转轴与三块定位板；旋转啮合凸轮锁装置包括第一啮合凸轮锁驱动电机、第一凸轮和与第一凸轮配套的第一挡块，第一啮合凸轮锁驱动电机与第一凸轮(1-3)通过旋转铰链转轴连接，第一挡块与第一定位板固定连接；所述旋转驱动装置包括旋转驱动电机与第一橡胶轮，旋转转轴依次连接第一定位板、第一橡胶轮、第二定位板、旋转驱动电机与第三定位板。

平移运动装置包括平移啮合凸轮锁装置、平移驱动装置、平移铰链转轴、平移转轴与两块定位板；平移啮合凸轮锁装置包括第二啮合凸轮锁驱动电机、第二凸轮和与第二凸轮配套的第二挡块、第二啮合凸轮锁驱动电机与第二凸轮通过平移铰链转轴连接，第二挡块与第四定位板及第五定位板均固定连接；驱动装置包括平移驱动电机与第二橡胶轮，平移转轴依次连接第四定位板、第二橡胶轮、第五定位板与平移驱动电机。

啮合凸轮锁驱动电机与旋转驱动电机均为直流伺服电机。

橡胶轮为被橡胶包裹的圆轮，橡胶轮上设置有凹凸不平的花纹。

还设置有用于确定机器人位置的反射目标传感器及外部传感器模块。

还安装有避免机器人静载荷不均匀的电池组。

与现有技术相比，本发明有以下有益效果：

本发明的适用于三维框架的机器人，设置有通过铰链电机连接的两组对称的旋转运动装置与平移运动装置，旋转运动装置与平移运动装置配合安装在三维框架的框架杆件上。铰链电机可以使两个对称机构灵活的形成各种角度；旋转运动装置可使机器人绕着杆件中轴线进行旋转运动，平移运动装置可使机器人沿着杆件长度方向平行移动，而旋转运动装置与平移运动装置中均设置有啮合凸轮锁装置，完成机器人的啮合动作；该适用于三维框架的机器人仅仅需要三种基本动作，就可以完成在三维框架结构上的任意巡游，在此基础上，该适用于三维框架的机器人还可以实现对框架结构的构建和重构等高级操作。

进一步的，本发明旋转运动装置与平移运动装置通过啮合凸轮锁装置中啮合凸轮锁驱动电机驱动凸轮与配套挡块的转动，进而带动旋转运动装置与平移运动装置进行旋转，完成机器人的啮合动作；通过旋转运动装置中旋转驱动装置的旋转驱动电机驱动第一橡胶轮转动，完成机器人的旋转运动；通过平移运动装置中平移驱动装置的平移驱动电机驱动第二橡胶轮转动，实现机器人沿杆件方向的平行移动。

进一步的，本发明适用于三维框架的机器人的啮合凸轮锁电机、旋转驱动电机与平移驱动电机均为直流伺服电机，且所有的直流伺服电机均能够提供温度、位置、转速、电压等反馈，实现对机器人各个部位运行状态的实时监控。

进一步的，所述适用于三维框架的机器人使用的四个橡胶轮均为被橡胶包裹的圆轮，为增大摩擦力，橡胶表面设有凹凸不平的花纹，实现机器人的旋转、平移运动。

进一步的，本发明适用于三维框架的机器人通过设置反射目标传感器与外部传感器模块，能够引入外部反馈信息，使得该机器人具有良好的稳定性和较高的执行精度。

进一步的，本发明适用于三维框架的机器人安装有避免机器人静载荷不均匀的电池组，为机器人提供电量的同时提高机器人在三维框架上的平衡能力。

【附图说明】

为了更清楚地说明本发明实施例技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对-实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明适用于三维框架的机器人的示意图；

图2为本发明旋转运动装置的示意图；

图3为本发明旋转运动装置啮合时的正视图；

图4为本发明旋转运动装置啮合时的俯视图；

图5为本发明旋转运动装置松开时的正视图；

图6为本发明旋转运动装置松开时的俯视图；

图7为本发明平移运动装置的示意图；

图8为本发明平移运动装置啮合时的正视图；

图9为本发明平移运动装置啮合时的俯视图；

图10为本发明平移运动装置松开时的正视图；

图11为本发明平移运动装置松开时的俯视图；

图12为本发明框架操作机器人的单杆拆卸示意图；

图13为本发明框架操作机器人的单杆安装示意图；

图14为本发明框架操作机器人的单杆重构示意图；

其中，1-旋转运动装置；2-平移运动装置；3-铰链电机；4-三维框架杆件；1-1-第一啮合凸轮锁驱动电机；1-2-第一挡块；1-3-第一凸轮；1-4-第一橡胶轮；1-5-旋转驱动电机；1-6-第一定位板；1-7-第二定位板；1-8-第三定位板；1-9-旋转铰链转轴；1-10旋转转轴；2-1-第二啮合凸轮锁驱动电机；2-2-第二挡块；2-3-第二凸轮；2-4平移驱动电机；2-5-第二橡胶轮；2-6平移铰链转轴；2-7-第五定位板；2-8-第四定位板；2-9-平移转轴。

【具体实施方式】

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示的一种适用于三维框架的机器人，所述适用于三维框架的机器人通过铰链电机3连接两个对称机构，每个对称机构都包含有一套旋转运动装置1和平移运动装置2；旋转运动装置1与平移运动装置2均可使机器人附着在三维框架的杆件4上；旋转运动装置1可使机器人绕着杆件4的中轴线旋转，而平移运动装置2使机器人沿着杆件4长度方向平行移动。

图2为旋转运动装置的示意图，其中旋转运动电机1-1通过旋转铰链转轴1-9驱动第一挡块1-2与第一凸轮1-3转动；第一凸轮1-3固定连接在第一定位板1-6上；旋转驱动装置、第一定位板、第二定位板与第三定位板通过旋转转轴1-10连接。

图3和图4分别为旋转运动装置啮合时的正视图和俯视图；当机器人需要进行旋转运动时，第一啮合凸轮锁驱动电机1-1驱动第一凸轮1-3转动到位置1，带动第一挡块1-2绕着旋转驱动装置的旋转铰链转轴1-9转动到啮合位置，第一挡块1-2带动第一定位板1-6，进而通过旋转转轴1-10带动第一橡胶轮1-4、第二定位板1-7、旋转驱动电机1-5以及第三定位板1-8转动到啮合位置。处在啮合位置上的第一橡胶轮1-4与杆件4直接接触，通过旋转驱动电机1-5带动第一橡胶轮1-4转动，即可在摩擦力的作用下实现绕杆件的转动。

图5和图6分别为旋转运动装置松开时的正视图和俯视图；当不需要进行旋转运动时，第一啮合凸轮锁驱动电机1-1驱动第一凸轮1-3转动到位置2，带动第一挡块1-2、三块定位板及旋转驱动装置围绕旋转铰链转轴1-9转动到松开位置。此时，第二橡胶轮1-4与杆件4不直接接触，旋转装置松开与杆件4的啮合。

图7为平移运动装置的示意图；第二啮合凸轮锁驱动电机2-1通过平移铰链转轴2-6与第二凸轮2-3连接；与第二凸轮2-3相匹配的第二挡块与第四定位板2-8及第五定位板2-7均固定连接；平移驱动装置、第四定位板2-8与第五定位板2-7通过平移转轴2-9连接。

图8和图9分别为平移运动装置啮合时的正视图和俯视图；当需要进行平移运动时，第二啮合凸轮锁驱动电机2-1驱动第二凸轮2-3转动到位置1，带动第二挡块2-2以及与其固连的第四定位板2-8与第五定位板2-7转动到啮合位置，进而带动第二橡胶轮2-5和平移驱动电机2-4绕着平移驱动装置的平移铰链转轴2-6转动到啮合位置。处在啮合位置上的第二橡胶轮2-5与杆件4直接接触，通过平移驱动电机2-4带动第二橡胶轮2-5转动，即可在摩擦力的作用下实现沿杆件长度方向平行移动。

图10和图11分别为平移运动装置松开时的正视图和俯视图；当不需要进行平移运动时，第二啮合凸轮锁驱动电机2-1驱动第二凸轮2-3转动到位置2，进而带动第二挡块2-2、与其固连两块定位板及平移驱动装置围绕平移铰链转轴2-6转动到松开位置。此时，橡胶轮2-5与杆件4不直接接触，平移运动装置松开与杆件4的啮合。

机器人对于框架结构的构建和重构等复杂操作，是由一连串的简单基本操作构成的，包括对特定单独杆件的拆卸、安装和重构。

图12为框架操作机器人的单杆拆卸示意图；“单杆拆卸”需要机器人的其中一边抓紧要拆卸的目标杆件，而另一边则抓紧框架结构，而且一般来说，在操作时连接机器人两边的铰链夹角为90度。此操作中，需要实时读取凸轮锁驱动电机以及旋转驱动电机的力矩和转角的反馈信息，以保证动作顺利完成。图12描述了此动作的详细步骤：(1)铰链展开小角度，上半边平移运动装置抓紧垂直杆，铰链保持90度；(2)半松开平移运动装置与垂直杆的啮合，使用旋转运动装置啮合垂直杆；(3)完全松开平移运动装置与垂直杆的啮合，旋转运动装置运行180度，卸下杆件，松开旋转运动装置的啮合，抛掉杆件。

图13为框架操作机器人的单杆安装示意图；“单杆安装”动作执行的初始状态为，机器人的一边通过其旋转装置抓持着一个分离的杆件，而另一边的平移运动装置则与结构上的杆紧密啮合。与拆卸动作类似，在进行安装时，铰链必须保持在90度。图13描述了此动作的详细步骤：(1)微幅运动，使杆件与连接器安装位置对准；(2)机器人上半边旋转运功装置运行180度，锁紧杆件，松开旋转装置的啮合，使用平移运动装置啮合垂直杆。

图14为框架操作机器人的单杆重构示意图；“单杆重构”动作中，机器人可以独立的拆卸掉一个杆件，借助一些基本的巡游动作完成换位之后，再将此杆件安装到一个不同的位置。此基本动作对于机器人自动独立搭建和重构框架结构任务来说至关重要。图14描述了此动作的详细步骤：(1)执行单杆拆卸动作，但是不抛掉杆件；(2)缩小铰链角度；(3)机器人平移离开连接器；(4)旋转装置啮合，平移运动装置松开，旋转90度；(5)平移运动装置啮合，旋转运动装置松开，(6)打开铰链至90度，机器人平移并对准连接器上的安装位置；(7)执行单杆装配动作。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。