一种模块化空间多稳态变构型机器人的制作方法

本发明属于机器人领域，特别涉及一种模块化空间多稳态变构型机器人。

背景技术：

能够适应多变环境、完成多重任务、服务多类对象的机器人在太空探测、未来战场支援、水下作业、医疗康复等领域有着巨大的应用价值。构型变换能力以及不同构型下机器人的刚度快速大范围变化能力是实现上述机器人特性的关键，二者难以兼顾是制约机器人实现功能多样化的瓶颈。

对变构型机器人的研究大致可分如下三个分支：1、从机构运动学出发，利用机构的结构拓扑变化来改变机构的自由度和运动模式。代表性成果有：英国伦敦大学国王学院戴建生教授提出的变胞机构、中国台湾成功大学颜鸿森教授提出的变拓扑机构和英国赫瑞瓦特大学孔宪文教授提出的多模式机构。该类变构型机器人实现的可变构型数量较少，与外界交互通常依赖高品质的传感，对非结构化环境适应能力有限。2、基于模块化的设计思想，通过组合多个功能模块形成具有多种构型的机器人，以适应不同的任务。代表性成果有：日本名古屋大学fukuda等研制的细胞机器人和德国schunk公司生产的powercube模块化机械臂。这类变构型机器人需要较多模块，每个模块具有独立的传感、驱动和通信单元，造成控制系统复杂、容错性差；此外，模块间需要频繁连接和分离，连接刚度难以保证，使得机器人的负载-自重比低下。3、利用结构/材料的冗余柔性和刚软耦合特性实现机器人变构型，顺应外界环境的变化。代表性成果有：哈佛大学和麻省理工学院合作完成的自折叠机器人、德国festo公司的仿象鼻机械臂和柔性自适应抓手。柔性/软体结构大大增强了机器人的环境自适应能力，却使其难以实现大变刚度比(即最大刚度与最小刚度之比)，例如2018年俄亥俄州立苏海军等实现的变刚度比仅为20；另外，软体材料力学性能衰变快、对环境温湿度敏感，是目前软体机器人实现工程应用的瓶颈

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种模块化空间多稳态变构型机器人，以解决上述问题。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种模块化空间多稳态变构型机器人，包括若干个模块单元和绳索，每个模块单元内部均设置有通孔，绳索依次穿过模块单元，将若干个模块单元连接在一起形成模块化空间多稳态变构型机器人；模块单元包括壳体、驱动装置、凸轮装置、推杆装置、推杆槽和绳索导槽；驱动装置设置在壳体的内底部，驱动装置上方设置有若干凸轮装置，驱动装置用于驱动凸轮装置转动，每个凸轮装置上方设置有推杆装置，凸轮装置带动推杆装置上下运动；壳体内部设置有推杆槽和绳索导槽，推杆装置插在推杆槽内，绳索设置在绳索导槽内；

壳体包括上半壳体和下半壳体，上半壳体和下半壳体对扣固定连接形成壳体；上半壳体包括中空棱柱和上棱台，上棱台固定设置在中空棱柱的一端，上棱台的底面形状及大小与中空棱柱端部的形状及大小相同；下半壳体包括中空棱柱和下棱台，下棱台固定设置在中空棱柱的一端，下棱台的底面形状及大小与中空棱柱端部的形状及大小相同；上半壳体和下半壳体上远离棱台一端的中空棱柱端部固定连接形成壳体；

上棱台和下棱台内均设置有绳索导槽，推杆槽设置在上棱台内；凸轮装置的个数和中空棱柱面的个数相同，且中空棱柱的每个内侧面旁均设置有凸轮装置。

进一步的，凸轮装置包括凸轮轴、第一凸轮、第二凸轮、第一锥齿轮、第一凸轮导槽、轴承座、轴承和第二凸轮导槽；中空棱柱的每个内侧壁上均固定设置有轴承座，轴承座内设置有轴承，凸轮轴的一端插在轴承内，凸轮轴的另一端固定连接有第一锥齿轮，第一凸轮和第二凸轮套设在凸轮轴上；第一凸轮的外边缘沿周向设置有一周第一凸轮导槽，第二凸轮的外边缘沿周向设置有一周第二凸轮导槽。

进一步的，推杆装置包括直线推杆和圆弧推杆；直线推杆的一端顶在第二凸轮导槽内，另一端插在推杆槽，圆弧推杆的一端顶在第一凸轮导槽内，另一端插在推杆槽内；直线推杆和圆弧推杆均为u型推杆，u型的底部通过连杆顶在第一凸轮导槽或第二凸轮导槽内。

进一步的，推杆槽包括直线推杆导槽和圆弧推杆导槽；直线推杆导槽设置在上棱台的侧面内，且平行于中空棱柱的侧壁设置，凸轮装置运动时，推杆装置能够从棱台的侧面伸出；圆弧推杆导槽设置在上棱台内，凸轮装置运动时，推杆装置能够从棱台的上顶面伸出。

进一步的，绳索导槽为上棱台上自顶面到底面方向开设有相互交叉的槽，且槽能够延伸到上棱台的每个侧面上；相互交叉的两条槽的交叉点与中空棱柱连通，下棱台上开设有与上棱台上相同的绳索导槽。

进一步的，驱动装置包括传动轴、第二锥齿轮、直齿轮、电机支架、减速电机和电源；减速电机通过电机支架固定设置在下半壳体的内侧壁上，减速电机的输出端安装有直齿轮，减速电机的侧面设置有传动轴，传动轴的上端通过轴承连接在上半壳体的中空棱柱顶板上，传动轴的下端通过轴承连接在下半壳体的中空棱柱底板上；传动轴上固定套设有直齿轮和第二锥齿轮；两个直齿轮相互啮合；第二锥齿轮与每个凸轮装置的第一锥齿轮啮合；下半壳体的内侧壁上还设置有电源，电源与减速电机连接。

进一步的，传动轴为中空轴，绳索设置在传动轴内。

进一步的，上棱台的顶面的所有边上均设置有两个圆柱限位块，圆柱限位块的中轴线平行于上棱台顶面的边；下棱台的顶面的所有边上均设置有两个圆柱限位槽，圆柱限位槽与圆柱限位块相匹配。

进一步的，上半壳体和下半壳体通过螺栓固定连接。

与现有技术相比，本发明有以下技术效果：

本发明的单元模块采用多边形设计，以及机器人采用模块化简单组合设计，模块间形成了一个多稳态关节，不需要复杂结构即可实现精准的变构型，同时模块间的多稳态关节，配合简单的绳索拉紧或放松，使得机器人整体刚度发生陡变，最大变刚度比100倍，响应时间小于1秒。在同等变构型能力上，与其他变构型机器人相比，本发明结构明显地简单，成本也随之降低。

本发明从主被动关节调制两个方面可以大幅度的减少电机的数量以及控制的难度。被动关节不需要电机驱动，根据环境多变特征，设计关节在不同位置处的刚度，使之仅靠外界环境因素即可变形；主动关节减少驱动，n稳态关节即空间n转轴、n自由度关节的驱动仅需使用一个电机驱动，控制难度显著减小。

本发明改变多面体的面数、面与面的夹角以及增加模块数量，机器人变构型能力将呈几何方式增加，可达到的空间点和末端方向也将大范围覆盖，机器人适用性、实用性增强。

附图说明

图1是实施例一模块化空间多稳态变构型机器人单个单元模块的外观示意图；

图2是实施例一模块化空间多稳态变构型机器人单个模块的爆炸图；

图3是实施例二单输入四输出锥齿轮传动装置示意图。

图4a和图4b是实施例三对心滚子推杆盘形凸轮机构示意图。

图5a和图5b是实施例四模块间稳态构型切换过程示意图。

图6是实施例五电机状态、凸轮状态与稳型状态的关系示意图。

图7是实施例六机器人多构型与变刚度示意图。

1、主体上半外壳；11、直动推杆导槽；13、圆柱限位块；14、绳索导槽；3、直线推杆；4、圆弧推杆；5、轴承座；51、轴承；6、凸轮轴；61、第一凸轮；611、第一凸轮导槽；62、第二凸轮；621、第二凸轮导槽；63、第一锥齿轮；7、传动轴；71、第二锥齿轮；8、直齿轮；9、电机支架；10、减速电机；17、电源；12、下半外壳；123、圆柱限位槽；15、圆弧推杆导槽；16、绳索。

具体实施方式

以下结合附图对本发明进一步说明：

一种模块化空间多稳态变构型机器人，包括若干个模块单元和绳索16，每个模块单元内部均设置有通孔，绳索依次穿过模块单元，将若干个模块单元连接在一起形成模块化空间多稳态变构型机器人；模块单元包括壳体、驱动装置、凸轮装置、推杆装置、推杆槽和绳索导槽14；驱动装置设置在壳体的内底部，驱动装置上方设置有若干凸轮装置，驱动装置用于驱动凸轮装置转动，每个凸轮装置上方设置有推杆装置，凸轮装置带动推杆装置上下运动；壳体内部设置有推杆槽和绳索导槽，推杆装置插在推杆槽内，绳索设置在绳索导槽内；

壳体包括上半壳体1和下半壳体12，上半壳体1和下半壳体12对扣固定连接形成壳体；上半壳体1包括中空棱柱和上棱台，上棱台固定设置在中空棱柱的一端，上棱台的底面形状及大小与中空棱柱端部的形状及大小相同；下半壳体12包括中空棱柱和下棱台，下棱台固定设置在中空棱柱的一端，下棱台的底面形状及大小与中空棱柱端部的形状及大小相同；上半壳体1和下半壳体12上远离棱台一端的中空棱柱端部固定连接形成壳体；

上棱台和下棱台内均设置有绳索导槽，推杆槽设置在上棱台内；凸轮装置的个数和中空棱柱面的个数相同，且中空棱柱的每个内侧面旁均设置有凸轮装置。

凸轮装置包括凸轮轴6、第一凸轮61、第二凸轮62、第一锥齿轮63、第一凸轮导槽611、轴承座5、轴承51和第二凸轮导槽621；中空棱柱的每个内侧壁上均固定设置有轴承座5，轴承座5内设置有轴承51，凸轮轴6的一端插在轴承51内，凸轮轴6的另一端固定连接有第一锥齿轮63，第一凸轮61和第二凸轮62套设在凸轮轴6上，且第一凸轮61和第二凸轮62以相差135度的夹角分布；第一凸轮61的外边缘沿周向设置有一周第一凸轮导槽611，第二凸轮62的外边缘沿周向设置有一周第二凸轮导槽621；第二凸轮62大于第一凸轮61。

推杆装置包括直线推杆3和圆弧推杆4；直线推杆3的一端顶在第二凸轮导槽621内，另一端插在推杆槽1，圆弧推杆4的一端顶在第一凸轮导槽611内，另一端插在推杆槽1内；直线推杆3和圆弧推杆4均为u型推杆，u型的底部通过连杆顶在第一凸轮导槽611或第二凸轮导槽621内；圆弧推杆4长于直线推杆3。

推杆槽包括直线推杆导槽11和圆弧推杆导槽15；直线推杆导槽11设置在上棱台的侧面内，且平行于中空棱柱的侧壁设置，凸轮装置运动时，推杆装置能够从棱台的侧面伸出；圆弧推杆导槽15设置在上棱台内，凸轮装置运动时，推杆装置能够从棱台的上顶面伸出。

绳索导槽14为上棱台上自顶面到底面方向开设有相互交叉的槽，且槽能够延伸到上棱台的每个侧面上；相互交叉的两条槽的交叉点与中空棱柱连通，下棱台上开设有与上棱台上相同的绳索导槽。

中空棱柱为直棱柱或斜棱柱；上棱台和下棱台上下底面为凸多边形。

驱动装置包括传动轴7、第二锥齿轮71、直齿轮8、电机支架9、减速电机10和电源17；减速电机10通过电机支架9固定设置在下半壳体12的内侧壁上，减速电机10的输出端安装有直齿轮8，减速电机的侧面设置有传动轴7，传动轴7的上端通过轴承连接在上半壳体1的中空棱柱顶板上，传动轴7的下端通过轴承连接在下半壳体12的中空棱柱底板上；传动轴7上固定套设有直齿轮8和第二锥齿轮71；两个直齿轮8相互啮合；第二锥齿轮71与每个凸轮装置的第一锥齿轮63啮合；下半壳体12的内侧壁上还设置有电源17，电源17与减速电机10连接。

传动轴7为中空轴，绳索设置在传动轴7内。

上棱台的顶面的所有边上均设置有两个圆柱限位块13，圆柱限位块13的中轴线平行于上棱台顶面的边；下棱台的顶面的所有边上均设置有两个圆柱限位槽123，圆柱限位槽123与圆柱限位块13相匹配。

上半壳体1和下半壳体12通过螺栓固定连接。

实施例一

如图1、图2所示，所述的主体上半外壳1、主体下半外壳12均是由四棱柱和四棱台组合而成的十面体壳形结构，经过4个螺钉2连接后形成14面体的单元外形结构。

所述的主体下半外壳12的内部装配有电源17和电机支架9、电机支架9安装减速电机10；减速电机10通过直齿轮传动组、锥齿轮传动组后同时驱动4组凸轮轴6。减速电机10、直齿轮传动组、锥齿轮传动组、四组凸轮轴6组成单输入-四输出锥齿轮传动装置。

所述的两个直齿轮8组成直齿轮传动组。

所述的第二锥齿轮71和4个第一锥齿轮63组成锥齿轮传动组。

所述的主体上半外壳1的内部安装4组由轴承座5、凸轮轴6、直线推杆3、圆弧推杆4组成的对心滚子推杆盘形凸轮机。

所述的凸轮轴6、直线推杆3、圆弧推杆4组成对心滚子推杆盘形凸轮机构。

实施例二

如图3所示，单输入四输出锥齿轮传动装置，至少包括四个凸轮轴6、传动轴7、直齿轮8、减速电机10。凸轮轴6包含第一凸轮61、第一凸轮导槽611、第二凸轮62、第二凸轮导槽621、第一锥齿轮63，传动轴7包含第二锥齿轮71、直齿轮8；

所述的减速电机10选择24v直流减速电机，型号jgy370，转速10转/秒，该电机采用涡轮蜗杆减速，扭矩大，自锁能力强。

所述的两个直齿轮8组成直齿轮传动组，两直齿轮相同，均选用2模，16齿。

所述的第二锥齿轮71和4个第一锥齿轮63组成锥齿轮传动组，第二锥齿轮71选用0.5模40齿，第一锥齿轮63选用0.5模20齿。4个第一锥齿轮63和4组结构完全相同的凸轮轴6固定连接，四组凸轮轴在水平面上在前后左右四个方向上均匀安装，四个凸轮轴在轴心方向上以均为90度的相位差均匀安装。这样安装的目的是使一个大锥齿轮的相位与四个凸轮轴的相位一一对应，使驱动量从四个减为一，达到单输入四输出的效果。

所述的锥齿轮传动装置可由单输入-四输出拓展到单输入-多输出。

实施例三

如图4所示，对心滚子推杆盘形凸轮机构，至少包括主体上半外壳1、直线推杆3、圆弧推杆4、轴承座5、凸轮轴6。主体上半外壳1中包含四个直动推杆导槽11、四个圆弧推杆导槽15，直线推杆3包含直线推杆上端和直线推杆下端，圆弧推杆4包含圆弧推杆上端和圆弧推杆下端，轴承座5包含轴承51，凸轮轴6包含第一凸轮61、第一凸轮导槽611、第二凸轮62、第二凸轮导槽621。

所述的凸轮轴6中第一凸轮61与第二凸轮62以相差135度的夹角分布。第一凸轮61的第一凸轮导槽611与圆弧推杆4的圆弧推杆下端滚动连接，圆弧推杆4与主体上半外壳1中的圆弧推杆导槽15滑动连接，组成对心滚子圆弧移动推杆盘形凸轮机构；第二凸轮62的第二凸轮导槽621与直线推杆3的直线推杆下端滚动连接，直线推杆3与主体上半外壳1中的直线推杆导槽滑动连接，组成对心滚子直动推杆盘形凸轮机构。

所述的对心滚子圆弧移动推杆盘形凸轮机构是否属于原创发明内容。

实施例四

如图4所示，模块间稳态构型切换过程示意图，至少包括上述实施例一的两个模块、绳索16、绳索驱动器。两模块单元之间面面接触，模块ⅰ的圆柱限位块13与模块ⅱ的圆柱限位槽123连接，绳索16从两模块的轴心穿过，一端固定连在模块ⅱ上，另一端连接绳索驱动器上。

所述的模块ⅰ的圆柱限位块13与模块ⅱ的圆柱限位槽123为间隙配合，不但可以限定两模块在接触面上不发生平动和转动，也可以使得模块ⅰ和模块ⅱ形成四个可切换的转动副，图中o点为其中的一个转动轴。

所述的绳索16起到柔性连接模块ⅰ和模块ⅱ的作用，在模块ⅱ绕模块ⅰ从一个稳态到另一个稳态转动的过程中，绳索16会先被拉伸，到达两稳态中间位置后，绳索16会收缩为原来的长度。

所述的a状态为中间稳态，c状态为右侧稳态，b状态为a稳态到c稳态的过渡非稳态，d状态为c稳态到a稳态的过渡非稳态。左侧圆弧推杆4可将机构从a稳态推到b非稳态，b非稳态中由于∠eof小于∠cod，所以绳索16收缩会将机构从b非稳态拉到c稳态；右侧直线推杆3可将机构从c稳态推到d非稳态，d非稳态中由于∠cod小于∠eof，所以绳索16收缩会将机构从d非稳态拉到a稳态。

实施例五

如图5所示，电机状态、凸轮状态与稳型状态的关系示意图，如实施例二、实施例三和实施例四所述，电机的状态通过直齿轮传动组和锥齿轮传动组反映为四组凸轮的状态，凸轮的状态再通过对心滚子推杆盘形凸轮机构反映为推杆的状态，推杆的状态再通过绳索的作用反应为两模块稳型的状态。电机的状态为0-360度的连续状态；上、下、左、右四个凸轮轴的状态也为0-360度的连续状态；八个推杆的状态随四个凸轮轴的状态而确定，直线推杆的状态为在一定直线段上连续状态，而圆弧推杆的状态为在一定圆弧段上连续状态；模块ⅰ和模块ⅱ之间有五个稳态，分别为上稳态、下稳态、左稳态、右稳态、中间稳态。

图4中，当一个凸轮轴6的第一凸轮61的远端向上时，即远端接触圆弧推杆下端，此时圆弧推杆上端将把模块ⅱ从中间稳态推到与此凸轮轴相反的方向；当一个凸轮轴6的第二凸轮62的远端向上时，即远端接触直线推杆下端，此时直线推杆上端将把模块ⅱ从与此凸轮轴相同的方向推到中间稳态。

例如，当在电机角度为0度时，下凸轮轴的第一凸轮61的远端向上，此时圆弧推杆上端4-1把模块ⅱ从中间稳态推到上稳态，即电机0度对应下凸轮轴的第一凸轮61的远端向上，进而对应模块ⅱ位于上稳态；当在电机角度为45度时，上凸轮轴6的第二凸轮62的远端向上，此时直线推杆上端把模块ⅱ从上稳态推到中间稳态，即电机45度对应上凸轮轴的第二凸轮62的远端向上，进而对应模块ⅱ位于中间稳态，依次类推，可将电机的连续状态离散为八个稳态状态(其中有三个重复的中间稳态)。

实施例六

如图6所示，机器人多构型与变刚度示意图，至少包括上述实施例一的多个模块(≥2)、绳索16、基座14、绳索驱动器。模块单元间面面接触，模块ⅰ的圆柱限位槽123与基座14固定连接，模块ⅱ的圆柱限位槽123与模块ⅰ的圆柱限位块13连接，模块ⅲ的圆柱限位槽123与模块ⅱ的圆柱限位块13连接，以此类推，直到连接到末端模块ⅴ上，绳索16从五个模块的轴心依次穿过，一端固定连在模块ⅴ上，另一端连接绳索驱动器上。

模块间的装配和稳态的切换如实施例四所述的保持一致。两模块间的稳态数为5,图中包含一个固定模块，四个可动模块，所以构型数为5*5*5*5，即625种，变构型能力超强

所述的绳索16与模块的轴心形成可动的移动副，在机器人要切换构型时，绳索16开始放松，使得各单元模块允许相对转动；在机器人需要再次构型下作业时，拉紧绳索16，限制各单元模块相对转动，使得整体刚度发生陡变，达到锁型，最大变刚度比100倍，响应时间小于1秒。