一种外肢体机器人模块单元及模块化可重构外肢体机器人的制作方法

本发明涉及机器人技术，具体涉及基于径向永磁体的被动连接结构和旋转运动的外肢体模块单元及模块化可重构外肢体机器人。

背景技术：

目前，基于模块化构型的外肢体以其灵活可变的整体构型和功能，在未知环境和任务各个方面都很有巨大应用前景，例如用于太空机械臂，人体外骨骼，工业机器人等。但是目前已有的外肢体模块设计多为整体结构，大多以刚性连接机构和多关节配置为主，这种模块机器人结构复杂、整体可靠性差，不易拆卸，制作和维护成本高，很难大批量，模块化制作，限制了实际应用研究。

技术实现要素：

为克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种外肢体机器人模块单元及模块化可重构外肢体机器人，该外肢体机器人及模块化可重构外肢体机器人结构简单，可靠性好，运动灵活性好，能批量模块化生产。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种外肢体机器人模块单元，它包括舵机和两个对接模块，每个所述对接模块包括壳体、底板和永磁体；壳体为具有开口和内腔的壳体，底板盖合在壳体的开口处，两个壳体对接，舵机布置在任意一个壳体内腔中并与该壳体连接，舵机输出端上安装的舵盘与另一个壳体连接，且另一个壳体在舵机的带动下能相对其中一个壳体转动，其中一个底板上设置有向外延伸的连接通讯的多个弹簧顶针，另一个底板上设置有向内延伸的连接通讯的多个弹簧顶针，两个底板上分别还设置有永磁体，舵机通过导线与弹簧顶针电连接。

模块化可重构外肢体机器人包括手臂支架、背部支撑架和手臂，所述手臂包括多个外肢体机器人模块单元，相邻两个外肢体机器人模块单元的一个外肢体机器人模块单元上的永磁体与另一个外肢体机器人模块单元的永磁体相吸合，且所述一个外肢体机器人模块单元上的弹簧顶针与另一个外肢体机器人模块单元上的弹簧顶针对中接触，背部支撑架上部两侧安装有与人体肩部相配合的手臂支架，手臂支架上安装有手臂，且未安装有舵机的壳体与手臂支架连接。

本发明与现有技术相比具有以下技术效果

1、本发明采用了单一模块构型，每个手臂都具有独立的结构和功能，使得手臂的复杂度和成本大大降低。

2、利用永磁体的被动连接方式，实现快速连接，提高了模块单元连接对相对方位的鲁棒性，降低了模块单元连接的复杂度，增加了整体的可靠性。

3、所有手臂模块兼具可重构特性和旋转特性，通过内部模块间重构实现多种整体构型。

4、所有手臂模块通过自身的旋转运动相互耦合，使手臂能够实现各种复杂的运动，极大地提高了手臂运动的灵活性。

附图说明

图1是本发明外肢体机器人模块单元的整体结构示意图；

图2是图1的剖视图；

图3是两个模块单元连接剖视图；

图4是模块化可重构外肢体机器人的整体结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

如图1至图2所示，一种外肢体机器人模块单元，它包括舵机4和两个对接模块，每个所述对接模块包括壳体1、底板2和永磁体3；壳体1为具有开口和内腔的壳体，底板2盖合在壳体1的开口处，两个壳体1对接，舵机4布置在任意一个壳体1内腔中并与该壳体1连接，舵机4输出端上安装的舵盘41与另一个壳体1连接，且另一个壳体1在舵机4的带动下能相对其中一个壳体1转动，其中一个底板2上设置有向外延伸的连接通讯的多个弹簧顶针5，另一个底板2上设置有向内延伸的连接通讯的多个弹簧顶针5，两个底板2上分别还设置有永磁体6，舵机4通过导线与弹簧顶针5电连接。

舵机4通过螺钉7固定在任意一个壳体1上，舵盘41与另一个壳体1通过螺栓8连接，从而舵机4将转动和力矩通过舵盘41传递给另一个壳体1；一个壳体1上设置有一个向上外凸的外连接壳1-2，另一个壳体1内腔设置有一个向内凹的内连接壳1-1，外连接壳1-2与内连接壳1-1嵌套设置，且二者之间设置有滚针轴承，滚针轴承主要是克服两个壳体1之间的剪切力和弯矩。

上述方案在实际设计中，如图1和图2所示，向外延伸的多个弹簧顶针5设置2组，每组呈一字形排列，数量为4个，两组相垂直设置；向内延伸的多个弹簧顶针5也设置2组，每组呈一字形排列，数量为4个，两组成一条线设置。

如图1所示，永磁体6沿底板2的周向均布设置。根据实际需求，每个底板2上设计数量为4个。

如图1所示，其中一个底板2外侧面上沿周向加工有多个盲孔21，永磁体6镶嵌在盲孔21内。永磁体6也是沿底板2周向均布设置。

如图1和图2所示，另一个底板2外侧面上沿周向安装有与盲孔21数量相一致的多个永磁体6，永磁体6能插在盲孔21内。这样设置，当一组模块单元与另一组模块单元对接时，相连接的两个底板2通过对中的相互吸引的永磁体6连接在一起，两个壳体1可实现相对转动。

作为一种改进的实施方式，如图3所示，另一个底板2外侧面上沿周向加工凹槽22，凹槽22内镶嵌有永磁体6，该永磁体6部分外漏于凹槽22外，该永磁体6的外漏部分能插接在盲孔21内。如此设置，当一组模块单元与另一组模块单元对接时，相连接的两个底板2上插接在盲孔21内的永磁体6与凹槽22内的永磁体6相互吸引连接，两个壳体1连接牢靠稳定，两个壳体1可实现相对转动。两个壳体1通过4对永磁体6和永磁体6相互吸引构成连接状态。其中，向外延伸的多个弹簧顶针5的尖针对接在向内延伸的多个弹簧顶针5的针管尾部，实现通讯或通电畅通，以实现控制舵机4的启停和转速控制。

如图1和图2所示，壳体1由椭圆形壳体或圆柱形壳体斜45度截割而成，两个壳体1截割的斜面对接。如此设置，便于两个壳体1的连接，实现可靠转动。

另一个实施方式中，如图4所示，还提供一种外肢体机器人模块单元制成的模块化可重构外肢体机器人，它包括手臂支架11、背部支撑架12和手臂13，所述手臂13包括多个外肢体机器人模块单元，相邻两个外肢体机器人模块单元的一个外肢体机器人模块单元上的永磁体与另一个外肢体机器人模块单元的永磁体相吸合，且所述一个外肢体机器人模块单元上的弹簧顶针5与另一个外肢体机器人模块单元上的弹簧顶针5对中接触，背部支撑架12上部两侧安装有与人体肩部相配合的手臂支架11，手臂支架11上安装有手臂13，且未安装有舵机4的壳体1与手臂支架11连接。

该实施方式中，当人穿戴上本实施方式的模块化可重构外肢体机器人后，手臂支架11形态恰好与人体的肩部相配合，保证穿戴的舒适性，背部支撑架12布置在人体后背上，这样穿戴以后，手臂13起到相当于人手的作用，实现多种整体构型，完成各种复杂的运动。手臂13由多个外肢体机器人模块单元串接而成，可以模拟人手动作的多样性。通常相邻两个模块单元中的一个模块单元的设置舵机4的壳体1与未设置舵机4的壳体1通过相互吸合的永磁体6对中连接，其中，向外延伸的多个弹簧顶针5的尖针对接在向内延伸的多个弹簧顶针5上针管尾部，实现通讯或畅通，以实现控制舵机4的启停和转速，弹簧顶针5是尖针可伸缩的通讯或通电连接器。

上述具体实施方式用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。发明已以较佳实施案例揭示如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可以利用上述揭示的结构及技术内容做出些许的更动或修饰为等同变化的等效实施案例，但是凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施案例所做的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属本发明技术方案范围。