專利名稱：三臂對接模塊平面晶格式自重構機器人的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種機械技術領域的機器人，具體是一種三臂對接模塊平面晶 格式自重構機器人。
背景技術：
平面晶格式自重構機器人由許多幾何形狀、功能和結構類似或相同的基本 模塊組成，因而能快速改變相互之間的連接從而改變整體布局。目前國內外己 設計出多種類型的模塊，各有其優缺點。
經對現有技術文獻的檢索發現，專利號為US 6， 635， 781的美國專利，專 禾[J名稱為Distributed Control and Collaboration of Autonomous Agents in a Dynamic Reconf igurable System(動態自重構系統中自主控制主體的分布式 控制和協作)，該專利中涉及一種Superbot自重構機器人模塊，采用兩個立方 體并利用電機輸出軸拼接，得到兩個完全一樣的對接面，對接面上設置呈對角 線布置的四個滑塊夾頭，從而使模塊間能夠互相匹配地鉗制并牢固地對接上。 但是此自重構機器人模塊體積大、質量也較大，無法滿足在大平面內晶格式鋪 開的需求，并且僅有兩個對接面并不能保證空間方位內多個模塊的連接，只適 用于串連的鏈式鏈接。
檢索又發現，專利號為US6， 568， 869 Bl的美國專利，專利名稱為(Three Dimensional Universal Unit for Movable Structure(可移動結構的三維通用 單元)，該專利中涉及一種M-TRAN系列自重構機器人模塊，同樣采用兩個立方 體兩個對接面的結構。但由于它只能實現空間內的翻轉而無法完成平面內的旋 轉，因此變形的局限性同樣很大。
檢索還發現，在《IEEE/ASME TRANSACTIONS ON MECHATR0NICS》作者Mark Yim 等人(《IEEE/ASME機械電子學報》)(Vol. 7， No. 4， 2002年12月)中發表文章 "Connecting and Disconnecting for Chain Self-Reconfiguration with PolyBot"("鏈式自重構機器人——PolyBot的連接和斷開")，其提出的自重格。對接時通過對接面上四個軸及與之 相匹配的由SMA形狀記憶合金控制大小的兩個孔，牢固地對接上。但此設計造 價成本過高且SMA形狀記憶合金耗電多，同樣不能保證空間多位置模塊的連接， 實現大面積的自重構任務的難度和代價較大。
目前，大平面的空間太陽電池陣等類似領域迫切需要具有智能裝配與自修 復功能的自重構機器人機構，但還沒有相關的發明出現。

發明內容
本發明的目的在于針對上述現有技術的不足，提出了一種三臂對接模塊平 面晶格式自重構機器人，使其通過單個電機控制單個關節運動，完成了整條對 接單臂的變形，從而帶動整個機器人模塊的運動和變形。對于不同的變形需求， 本發明可采用豎直平面內翻轉和水平平面內旋轉兩種不同模式完成對接方向上 的動作，并且通過滑塊夾頭連接與其他模塊對接完成自重構任務，本發明的平 面覆蓋率大，可實現變形模式多，為大平面的空間太陽電池陣模塊的智能裝配 與自修復等類似應用提供了技術支撐。
本發明是通過如下技術方案實現的，本發明包括中心框體和若干條對接
單臂，其中，中心框體為正三角形棱柱，正三角形棱柱的每個側面分別與一條
對接 單臂固定相連，每條對接單臂均包括第一內框、第一翻轉電機、中間框、 旋轉電機、第二內框、第二翻轉電機、外框、對接面裝置，第一內框與中心框 體的一個側面固定相連，第一翻轉電機固定在第一內框內部，第一翻轉電機的 轉動軸與中間框相連構成第一翻轉運動關節，旋轉電機固定在中間框內部，旋 轉電機的輸出盤與第二內框相連構成第二旋轉運動關節，第二翻轉電機固定在 第二內框內部，第二翻轉電機的轉動軸和外框相連構成第三翻轉關節，外框的 一端面設有對接面裝置。
所述對接面裝置，包括控制電機、對接面板、四個滑塊夾頭、滾珠、螺 旋線盤，控制電機固定在外框上，控制電機的輸出軸與螺旋線盤相固定，外框 的端面設有圓形孔，螺旋線盤為一環形結構，螺旋線盤側壁上有一圓周凹槽， 與外框的圓形孔相對應，螺旋線盤的凹槽與外框的圓形孔之間設有滾珠，螺旋 線盤表面設有螺旋線槽，螺旋線盤的上方設有對接面板，四個滑塊夾頭分別與 螺旋線盤和對接面板相連。所述對接面板，其表面設有四組同心扇形環槽以及一個十字形的直線滑槽， 四組同心扇形環槽分布在十字形的直線滑槽將對接面板所分成的四個區域內， 扇形環槽作為電氣接口，十字形的直線滑槽用來約束四個滑塊夾頭。
所述滑塊夾頭，包括第一軸承、兩個第二軸承、中間塊、夾取部，夾取 部的底部兩側均設有第二軸承，第二軸承設置在對接面板上的直線滑槽內，兩 個第二軸承的下方設有中間塊，中間塊的底部一側設有第一軸承，第一軸承置 于螺旋線盤的線槽內。
所述夾取部，由臺階形底座和一個倒置棱臺結構組成，倒置棱臺結構置于 臺階形底座的上端，倒置棱臺結構的底面為梯形結構，對接時，夾取部棱臺結 構一個側面與另一機器人的滑塊夾頭中的夾取部棱臺結構的一個側面兩兩吻 合，以保證夾持的松勁度，使被夾持的模塊不至于松動。
所述對接面板，其四個頂點均設有紅外二極管，對角線上的兩個紅外二級 管為一組，分別為發射二極管和接收二極管，對接時，對接面板和被對接面板 上的發射二極管發出紅外光，在分別被各自接收二極管收到后，反饋位置已完 成校正，對接面板與被對接面板靠攏并最終完成對接，通過紅外二極管進行位 置校正，可大幅提高對接的位置精度。
所述中心框體，其作為搭載平臺，裝載有太陽能電池板、控制電路板和載 重輪，太陽能電池板和控制電路板均與第一翻轉電機、旋轉電機、第二翻轉電 機、對接面裝置相連，太陽能電池板為上述裝置供電，控制電路板控制上述裝 置的動作，載重輪置于中心框體的下端。
所述第一翻轉電機、旋轉電機、第二翻轉電機均為伺服電機。
本發明工作時，每條對接單臂互不關聯，每條對接單臂上三個運動關節的 電機可各自獨立轉動，其中第一翻轉電機可以控制對接單臂除第一內框外的部 分翻轉，旋轉電機可以控制第二內框與外框整體旋轉，第二翻轉電機可以控制 外框部分翻轉，從而機器人模塊可以在豎直平面內完成翻轉180'對接或者可以 在水平平面內完成旋轉對接。對接時，四個滑塊夾頭原本均位于對接面板直線 滑槽的最外端，對接面裝置的控制電機輸出盤逆時針旋轉，由于四個滑塊夾頭 的第二軸承被約束在對接面板上的直線滑槽內，第一軸承約束在螺旋線盤的螺 旋線槽內，螺旋線盤旋轉帶動第一軸承沿著螺旋線槽運動，使四個滑塊夾頭沿對接面板上的直線滑槽向對接面板中心靠攏，直至夾緊另一機器人模塊對接面 裝置上的滑塊夾頭，此時控制電機停止旋轉，或者由控制電機旋轉到位使得四 個滑塊夾頭均收攏于對接面板中心并等待被另一機器人模塊對接面板上的滑塊 夾頭夾緊，從而完成兩個機器人模塊的對接；當控制電機沿順時針旋轉時，帶 動螺旋線盤反轉，使四個滑塊夾頭張開，處于松開狀態。
本發明的有益效果本發明通過單個電機控制單個關節運動，完成了整條 對接單臂的變形，從而帶動整個機器人模塊的運動和變形。對于不同的變形需 求，本發明可采用豎直平面內翻轉和水平平面內旋轉兩種不同模式完成對接方 向上的動作，并且通過滑塊夾頭連接與其他模塊對接完成自重構任務，本發明 采用伺服控制，使得電機軸輸出速度和旋轉角度及位置得到精確控制。并且， 本發明中框體各部分均采用緊固件連接，因而可以更換，使得機器人模塊能進
一步根據實際需求調整尺寸大小。所以，本發明整體結構具有內部結構緊湊， 易于實現、安裝，模塊之間對接方便牢固的特點，本發明不僅可作為自重構機 器人模塊，還可作為單個機器人搭載平臺應用推廣到其他領域。特別是對與大 平面的空間太陽電池陣模塊的智能裝配與自修復等類似應用提供了技術手段。


圖1為本發明的結構示意圖。
圖2為本發明中的對接面裝置的結構示意其中圖(a)為對接面裝置斜上方視角的立體圖，圖(b)為對接面裝置 斜下方視角的立體圖。
圖3為本發明中的螺旋線盤的結構示意圖。 圖4為本發明中的滑塊夾頭的結構示意圖中中心框體l、第一內框2、第一翻轉電機3、中間框4、旋轉電機5、
第二內框6、第二翻轉電機7、外框8、控制電機9、對接面板IO、四個滑塊夾 頭ll、滾珠12、螺旋線盤13、第一軸承14、同心扇形環槽15、兩個第二軸承 16、中間塊17、十字形的直線滑槽18、夾取部19。
具體實施例方式
下面結合附圖對本發明的實施例作詳細說明本實施例在以本發明技術方 案為前提下進行實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發明的
7保護范圍不限于下述的實施例。
如圖l、 2所示，本實施例包括中心框體l和若干條對接單臂，其中，中 心框體1為正三角形棱柱，正三角形棱柱的每個側面分別與一條對接單臂固定 相連，每條對接單臂均包括第一內框2、第一翻轉電機3、中間框4、旋轉電 機5、第二內框6、第二翻轉電機7、外框8、對接面裝置，第一內框2與中心 框體1的一個側面固定相連，第一翻轉電機3固定在第一內框1內部，第一翻 轉電機3的轉動軸與中間框4相連構成第一翻轉運動關節，旋轉電機5固定在 中間框4內部，旋轉電機5的輸出盤與第二內框6相連構成第二旋轉運動關節， 第二翻轉電機7固定在第二內框6內部，第二翻轉電機7的傳動軸和外框8相 連構成第三翻轉關節，外框8的一端面設有對接面裝置。
所述對接面裝置，包括控制電機9、對接面板IO、四個滑塊夾頭ll、滾 珠12、螺旋線盤13，控制電機9固定在外框8上，控制電機9的輸出軸與螺旋 線盤13相固定，外框8的端面設有圓形孔，螺旋線盤13為一環形結構，螺旋 線盤13側壁上有一圓周凹槽，與外框8的圓形孔相對應，螺旋線盤13的凹槽 與外框8的圓形孔之間設有滾珠12，螺旋線盤13其表面設有螺旋線槽，如圖3 所示，螺旋線盤13的上方設有對接面板10，四個滑塊夾頭ll分別與螺旋線盤 13和對接面板10相連。
所述對接面板10，其表面設有四組同心扇形環槽15以及一個十字形的直線 滑槽18,四組同心扇形環槽15分布在十字形的直線滑槽18將對接面板10所分 成的四個區域內，扇形環槽15作為電氣接口，十字形的直線滑槽18用來約束 四個滑塊夾頭11。
如圖4所示，所述滑塊夾頭ll，包括第一軸承14、兩個第二軸承16、中 間塊17、夾取部19，夾取部19的底部兩側均設有第二軸承16，第二軸承16設 置在對接面板IO上的直線滑槽內，兩個第二軸承16的下方設有中間塊17，中 間塊17的底部一側設有第一軸承14，第一軸承14置于螺旋線盤13的線槽內。
所述夾取部19，由臺階形底座和一個倒置棱臺結構組成，倒置棱臺結構置 于臺階形底座的上端，倒置棱臺結構的底面為梯形結構，對接時，夾取部棱臺 結構一個側面與另一機器人的滑塊夾頭中的夾取部棱臺結構的一個側面兩兩吻 合，以保證夾持的松勁度，使被夾持的模塊不至于松動。所述對接面板10，其四個頂點均設有紅外二極管，對角線上的兩個紅外二 級管為一組，分別為發射二極管和接收二極管，對接時，對接面板和被對接面 板上的發射二極管發出紅外光，在分別被各自接收二極管收到后，反饋位置已 完成校正，對接面板與被對接面板靠攏并最終完成對接，通過紅外二極管進行 位置校正，可大幅提高對接的位置精度。
所述中心框體l，其作為搭載平臺，裝載有太陽能電池板、控制電路板和載 重輪，太陽能電池板和控制電路板均與第一翻轉電機3、旋轉電機5、第二翻轉 電機7、對接面裝置相連，太陽能電池板為上述裝置供電，控制電路板控制上述 裝置的動作，載重輪置于中心框體l的下端。
所述第一翻轉電機3、旋轉電機5、第二翻轉電機7均為伺服電機。
本實施例工作時，每條對接臂互不關聯，每條對接單臂上三個運動關節的 電機可各自獨立轉動，其中第一翻轉電機3可以控制對接單臂除第一內框2外 的部分作± 165'翻轉，旋轉電機5可以控制第二內框6與外框整體作± 165'旋轉， 第二翻轉電機7可以控制外框部分作土 165'翻轉，于是機器人模塊可以在豎直平 面內完成翻轉180'對接或者可以在水平平面內完成旋轉對接。對接時，四個滑 塊夾頭11原本均位于對接面板11直線滑槽的最外端，對接面裝置中的控制電 機9輸出盤逆時針旋轉，由于四個滑塊夾頭11的第二軸承16被約束在對接面 板10上的直線滑槽內，第一軸承14約束在螺旋線盤13的螺旋線槽內，螺旋線 盤13旋轉帶動第一軸承14沿著螺旋線槽運動，使四個滑塊夾頭11沿對接面板 10上的直線滑槽向對接面板10中心靠攏，直至夾緊另一機器人模塊對接面上的 滑塊夾頭，此時控制電機9停止旋轉，或者由控制電機旋轉到位使得四個滑塊 夾頭11均收攏于對接面板10中心并等待被另一機器人模塊對接面板上的滑塊 夾頭夾緊，從而完成兩個機器人模塊的對接；當控制電機9沿順時針旋轉時， 帶動螺旋線盤13反轉，使四個滑塊夾頭ll張開，處于松開狀態。
本實施例整體結構具有內部結構緊湊，易于實現、安裝，模塊之間對接方 便牢固的特點，不僅可作為自重構機器人模塊，還可作為單個機器人搭載平臺 應用推廣到其他領域。特別是對與大平面的空間太陽電池陣模塊的智能裝配與 自修復等類似應用提供了技術手段。
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權利要求
1、一種三臂對接模塊平面晶格式自重構機器人，其特征在于，包括中心框體和若干條對接單臂，所述中心框體為正三角形棱柱，正三角形棱柱的每個側面分別與一條對接單臂固定相連，每條對接單臂均包括第一內框、第一翻轉電機、中間框、旋轉電機、第二內框、第二翻轉電機、外框、對接面裝置，其中第一內框與中心框體的一個側面固定相連，第一翻轉電機固定在第一內框內部，第一翻轉電機的轉動軸與中間框相連構成第一翻轉運動關節，旋轉電機固定在中間框內部，旋轉電機的輸出盤與第二內框相連構成第二旋轉運動關節，第二翻轉電機固定在第二內框內部，第二翻轉電機的傳動軸和外框相連構成第三翻轉關節，外框的一端面設有對接面裝置。
2、 根據權利要求l所述的三臂對接模塊平面晶格式自重構機器人，其特征 是，所述對接面裝置，包括控制電機、對接面板、四個滑塊夾頭、滾珠、螺 旋線盤，控制電機固定在外框上，控制電機的輸出軸與螺旋線盤相固定，外框 的端面設有圓形孔，螺旋線盤為一環形結構，螺旋線盤側壁上有一圓周凹槽， 與外框的圓形孔相對應，螺旋線盤的凹槽與外框的圓形孔之間設有滾珠，螺旋 線盤表面設有螺旋線槽，螺旋線盤的上方設有對接面板，四個滑塊夾頭分別與 螺旋線盤和對接面板相連。
3、 根據權利要求2所述的三臂對接模塊平面晶格式自重構機器人，其特征 是，所述對接面板，其表面設有四組同心扇形環槽以及一個十字形的直線滑槽， 四組同心扇形環槽分布在十字形的直線滑槽將對接面板所分成的四個區域內。
4、 根據權利要求2或3所述的三臂對接模塊平面晶格式自重構機器人，其 特征是，所述對接面板，其四個頂點均設有紅外二極管，對角線上的兩個紅外 二級管為一組，分別為發射二極管和接收二極管。
5、 根據權利要求2所述的三臂對接模塊平面晶格式自重構機器人，其特征是，所述滑塊夾頭，包括第一軸承、兩個第二軸承、中間塊、夾取部，夾取 部的底部兩側均設有第二軸承，第二軸承設置在對接面板上的直線滑槽內，兩 個第二軸承的下方設有中間塊，中間塊的底部一側設有第一軸承，第一軸承置于螺旋線盤的線槽內。
6、 根據權利要求5所述的三臂對接模塊平面晶格式自重構機器人，其特征 是，所述夾取部，由臺階形底座和一個倒置棱臺結構組成，倒置棱臺結構置于 臺階形底座的上端，倒置棱臺結構的底面為梯形結構。
7、 根據權利要求l所述的三臂對接模塊平面晶格式自重構機器人，其特征是，所述中心框體，其作為搭載平臺，裝載有太陽能電池板、控制電路板和載 重輪，太陽能電池板和控制電路板均與第一翻轉電機、旋轉電機、第二翻轉電 機、對接面裝置相連，載重輪置于中心框體的下端。
8、 根據權利要求l所述的三臂對接模塊平面晶格式自重構機器人，其特征 是，所述第一翻轉電機、旋轉電機、第二翻轉電機均為伺服電機。
全文摘要
一種機械技術領域的三臂對接模塊平面晶格式自重構機器人，包括中心框體和三條對接單臂，中心框體為正三角形棱柱，正三角形棱柱的每個側面分別與一條對接單臂固定相連，每條對接單臂包括第一內框、第一翻轉電機、中間框、旋轉電機、第二內框、第二翻轉電機、外框、對接面裝置，第一內框與中心框體的一個側面固定相連，第一翻轉電機固定在第一內框內部，旋轉電機固定在中間框內部，旋轉電機的輸出盤與第二內框相連構成第二旋轉運動關節，第二翻轉電機固定在第二內框內部，第二翻轉電機的傳動軸和外框相連構成第三翻轉關節，外框的一端面設有對接面裝置。本發明的平面覆蓋率大，可實現變形模式多。
文檔編號B25J17/00GK101462267SQ20091004506
公開日2009年6月24日 申請日期2009年1月8日 優先權日2009年1月8日
發明者越 丁, 莊 付, 煒 全, 朱俊青, 趙言正 申請人:上海交通大學