一種微型軟體模塊化可重構(gòu)機(jī)器人單元模塊的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域，具體是機(jī)器人領(lǐng)域的微型軟體模塊化可重構(gòu)機(jī)器人。
技術(shù)背景
[0002]軟體機(jī)器人可以模仿自然界中的軟體動(dòng)物，如章魚(yú)、象鼻、蚯蚓等。由可承受大應(yīng)變的柔軟材料制成，具有無(wú)限多的自由度和連續(xù)變形能力。它可以在大范圍內(nèi)任意改變自身形狀和尺寸，在偵察、探測(cè)、救援及醫(yī)療等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。
[0003]軟體機(jī)器人具有無(wú)限多自由度，所以其末端執(zhí)行器能夠到達(dá)工作空間內(nèi)的任意一點(diǎn)。軟體機(jī)器人對(duì)環(huán)境具有較好的適應(yīng)性，通過(guò)被動(dòng)變形實(shí)現(xiàn)與障礙物的相容；通過(guò)主動(dòng)變形使機(jī)器人處于不同的形態(tài)并能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜運(yùn)動(dòng)；機(jī)器人也可通過(guò)主動(dòng)變形與被動(dòng)變形相結(jié)合，穿過(guò)比自身常態(tài)尺寸小的縫隙，從而到達(dá)傳統(tǒng)機(jī)器人或人類(lèi)無(wú)法進(jìn)入的狹小空間里。軟體機(jī)器人可以用作新型醫(yī)療檢測(cè)機(jī)器人，例如內(nèi)窺鏡等。它能隨口腔、排泄腔的入口大小來(lái)變化，從而減少侵入性痛苦。若采用生物分解材料，軟體機(jī)器人在完成任務(wù)后可被人體分解吸收。
[0004]美國(guó)塔夫茨大學(xué)的Hua1-Ti Lin等人研制的GoQBot軟體機(jī)器人，具有和毛毛蟲(chóng)一樣的滾動(dòng)彈射能力。麻省理工學(xué)院、哈佛大學(xué)和韓國(guó)漢城國(guó)立大學(xué)的研宄人員聯(lián)合研發(fā)的Meshworm機(jī)器人，通過(guò)在聚合管周?chē)h(huán)繞網(wǎng)格狀形狀記憶合金(Shape Memory Alloy, SMA)模擬蚯蚓蠕動(dòng)并能抵抗強(qiáng)大的沖擊。利用特殊化學(xué)反應(yīng)驅(qū)動(dòng)的化學(xué)軟體機(jī)器人，近年來(lái)成為研宄熱點(diǎn)。哈佛大學(xué)Wyss生物工程院的George M.Whitesides等在DARPA(美國(guó)國(guó)防部先進(jìn)研宄項(xiàng)目局)支持下開(kāi)展了多種化學(xué)軟體機(jī)器人工作。日本早稻田大學(xué)Shingo Maeda等采用凝膠材料研制的仿生尺蠖，利用Belousov-Zhabotinskii (B-Z)化學(xué)反應(yīng)實(shí)現(xiàn)了周期性伸縮運(yùn)動(dòng)，橫濱大學(xué)的Shutaro Saito等采用光敏離子膠研制了軟體微型夾具，可以?shī)A持質(zhì)量為3mg的重物。
[0005]國(guó)內(nèi)對(duì)軟體機(jī)器人的研宄報(bào)道較少，但一些仿生機(jī)器人已經(jīng)具備了軟體機(jī)器人的某些特征。上海交通大學(xué)的馬建旭等人提出了一種適用于微小軟管移動(dòng)的仿蚯蚓蠕動(dòng)式微機(jī)器人，可在直徑20mm的管道中蠕動(dòng)前進(jìn)，但受SMA冷卻時(shí)間的限制，最大運(yùn)動(dòng)速度僅為15mm/min。2011年中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)楊杰等設(shè)計(jì)了基于形狀記憶合金驅(qū)動(dòng)的軟體機(jī)器人，具有滾動(dòng)、爬行、蠕動(dòng)三種運(yùn)動(dòng)形式，并引入了運(yùn)動(dòng)形式切換的思想。浙江大學(xué)劉偉庭等研制了基于SMA驅(qū)動(dòng)、硅膠表皮的仿生蚯蚓。哈爾濱工業(yè)大學(xué)付宜利等設(shè)計(jì)了基于SMA的自主導(dǎo)管導(dǎo)向機(jī)器人。
[0006]在軟體模塊化機(jī)器人方面，瑞士聯(lián)邦理工大學(xué)的Germann J等人于2011年設(shè)計(jì)了一種軟體模塊化機(jī)器人的連接機(jī)構(gòu)，其基于電膠合技術(shù)，運(yùn)用靜電力連接模塊。美國(guó)麻省理工學(xué)院的Sehyuk Yim等人于2012年設(shè)計(jì)了一種可變形磁力軟體膠囊機(jī)器人，其依靠外部磁場(chǎng)改變自身形狀。
[0007]上海交通大學(xué)的費(fèi)燕瓊于2013年設(shè)計(jì)了一種模塊化軟體機(jī)器人，它由多個(gè)可變形的球形單元模塊組成。根據(jù)各球形單元模塊依次膨脹和收縮，可以改變機(jī)器人的尺寸，產(chǎn)生推動(dòng)力，進(jìn)而驅(qū)使機(jī)器人前進(jìn)。
[0008]綜上所述，軟體機(jī)器人在技術(shù)上已取得了較大的進(jìn)步，但在單元模塊設(shè)計(jì)及單個(gè)模塊獨(dú)立運(yùn)動(dòng)研宄仍有很大的發(fā)展空間。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]本發(fā)明目的是為了提高軟體模塊化機(jī)器人的柔性，提出一種新型軟體模塊化可重構(gòu)機(jī)器人，使軟體機(jī)器人在非結(jié)構(gòu)作業(yè)環(huán)境中迅速適應(yīng)環(huán)境后執(zhí)行任務(wù)，而且多個(gè)模塊可以重構(gòu)出機(jī)械蛇和機(jī)械臂等構(gòu)型來(lái)適應(yīng)不同的環(huán)境。
[0010]本發(fā)明通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn):
[0011]微型軟體模塊化可重構(gòu)機(jī)器人單元模塊，主要包括:一個(gè)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，一個(gè)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，一個(gè)支撐機(jī)構(gòu)，一個(gè)主動(dòng)連接機(jī)構(gòu)和一個(gè)被動(dòng)連接機(jī)構(gòu)；
[0012]機(jī)身整體為類(lèi)長(zhǎng)方體結(jié)構(gòu)，所述的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)包括:一個(gè)轉(zhuǎn)向前面板、一個(gè)轉(zhuǎn)向后面板和四根形狀記憶合金(SMA)絲，所述的形狀記憶合金絲位于轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的四角，兩端分別固定安裝在轉(zhuǎn)向前面板和轉(zhuǎn)向后面板的孔內(nèi)；所述的支撐機(jī)構(gòu)位于轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的中央，包括一個(gè)彈簧和一個(gè)萬(wàn)向柱，所述彈簧的兩端通過(guò)鎖扣分別與轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)向前面板和轉(zhuǎn)向后面板固定連接，萬(wàn)向柱的兩端分別與轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)向前面板和轉(zhuǎn)向后面板的中心孔配合固定連接；當(dāng)形狀記憶合金絲通電時(shí)，收縮的形狀記憶合金絲帶動(dòng)轉(zhuǎn)向前面板朝著相應(yīng)方向傾斜，由于萬(wàn)向柱可以彎曲，支撐機(jī)構(gòu)也相應(yīng)彎曲，實(shí)現(xiàn)模塊的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；當(dāng)四根形狀記憶合金絲同時(shí)通電收縮或舒張時(shí)，轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)輔助后退或前進(jìn)的功能，增大了直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)行程；由于彈簧和萬(wàn)向柱具有韌性，使得它們不僅能夠支撐整個(gè)結(jié)構(gòu)，抵御自重引起的變形，而且有助于形狀記憶合金絲恢復(fù)變形；
[0013]所述的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)包括:一個(gè)驅(qū)動(dòng)前面板、一個(gè)驅(qū)動(dòng)后面板、一個(gè)直流電機(jī)、一個(gè)齒輪傳動(dòng)減速機(jī)構(gòu)、一根蝸桿、一個(gè)月牙板、兩根導(dǎo)柱和一個(gè)后蓋；所述直流電機(jī)通過(guò)電機(jī)安裝孔固定安裝在驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)前面板和驅(qū)動(dòng)后面板的偏下位置，這樣設(shè)計(jì)有利于降低整個(gè)機(jī)構(gòu)的重心，提高運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性；所述蝸桿位于電機(jī)上方，蝸桿兩端分別與驅(qū)動(dòng)前面板和驅(qū)動(dòng)后面板上對(duì)應(yīng)的孔配合轉(zhuǎn)動(dòng)連接；月牙板通過(guò)其上的螺紋孔與蝸桿配合連接，月牙板的兩端各固定安裝有一個(gè)導(dǎo)柱，導(dǎo)柱的另一端穿過(guò)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)前面板并與轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)向后面板配合固定連接；所述齒輪傳動(dòng)減速機(jī)構(gòu)位于驅(qū)動(dòng)后面板和后蓋之間，由四個(gè)齒輪組成，實(shí)現(xiàn)減速傳動(dòng)；直流電機(jī)的輸出軸帶動(dòng)齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)蝸桿旋轉(zhuǎn)，與蝸桿配合的月牙板向前運(yùn)動(dòng)，經(jīng)過(guò)導(dǎo)柱使得轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)分離，當(dāng)電機(jī)反向轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，月牙板對(duì)應(yīng)向后運(yùn)動(dòng)，使得轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)結(jié)合，這樣驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了動(dòng)力的傳遞和轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)相對(duì)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)；這樣的驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)充分利用空間，使得結(jié)構(gòu)緊湊，實(shí)現(xiàn)了機(jī)構(gòu)的微型化；
[0014]所述的主動(dòng)連接機(jī)構(gòu)設(shè)置在轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)向前面板上，由四個(gè)扇形突起鎖扣和一個(gè)銷(xiāo)釘孔組成，四個(gè)扇形突起鎖扣均勻地分布在轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)向前面板上，銷(xiāo)釘孔位于轉(zhuǎn)向前面板正上方；
[0015]所述被動(dòng)連接機(jī)構(gòu)設(shè)置在驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的后蓋上，被動(dòng)連接機(jī)構(gòu)由四個(gè)扇形突起溝槽和四個(gè)銷(xiāo)釘孔組成，四個(gè)扇形突起溝槽和銷(xiāo)釘孔都對(duì)稱(chēng)地分布在驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的后蓋上，并且扇形突起溝槽與主動(dòng)連接機(jī)構(gòu)中的鎖扣位置對(duì)應(yīng)，銷(xiāo)釘孔與主動(dòng)連接機(jī)構(gòu)中的銷(xiāo)釘孔選擇對(duì)應(yīng)(主動(dòng)連接機(jī)構(gòu)和被動(dòng)連接機(jī)構(gòu)的位置可以對(duì)調(diào)互換)。
[0016]所述的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)采用形狀記憶合金作為轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)器，通過(guò)協(xié)調(diào)地控制四根形狀記憶合金絲，可實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)伸縮或向任意方向彎曲，使得機(jī)構(gòu)能夠到達(dá)空間中的大部分位置。
[0017]所述的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)采用可重構(gòu)的設(shè)計(jì)，通過(guò)手動(dòng)連接，多個(gè)模塊可以重構(gòu)出機(jī)械蛇和機(jī)械臂等構(gòu)型。
[0018]由于被動(dòng)連接機(jī)構(gòu)上的溝槽和銷(xiāo)釘孔是對(duì)稱(chēng)分布的，實(shí)現(xiàn)了主動(dòng)連接機(jī)構(gòu)在四個(gè)方向上都可以與被動(dòng)連接機(jī)構(gòu)連接，使得多個(gè)模塊的組合種類(lèi)更多，用于多種不同的場(chǎng)合和完成各種復(fù)雜的任務(wù)。
[0019]所述的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)采用齒輪組和蝸桿結(jié)合的減速方式，在小空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)了大減速比，使得機(jī)器人結(jié)構(gòu)緊湊。
[0020]所述的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)采用鎖扣和溝槽的設(shè)計(jì)，這使得連接機(jī)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作簡(jiǎn)便，連接可靠的優(yōu)點(diǎn)。
[0021]本發(fā)明單元模塊之間的對(duì)接采用手動(dòng)方式，將后一模塊的主動(dòng)連接機(jī)構(gòu)對(duì)準(zhǔn)前一模塊的被動(dòng)連接機(jī)構(gòu)，然后旋轉(zhuǎn)45°，使得鎖扣與溝槽對(duì)接，再插上銷(xiāo)釘，完成模塊的對(duì)接；由于被動(dòng)連接機(jī)構(gòu)上的溝槽和銷(xiāo)釘孔是對(duì)稱(chēng)分布的，這使得主動(dòng)連接機(jī)構(gòu)在四個(gè)方向上都可以與被動(dòng)連接機(jī)構(gòu)連接，擴(kuò)充了模塊之間的組合方式；這種對(duì)接機(jī)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作簡(jiǎn)便，連接可靠的優(yōu)點(diǎn)；
[0022]所述的微型軟體模塊化可重構(gòu)機(jī)器人單元模塊共有3個(gè)自由度，分別為轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)與驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)之間的直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)自由度以及轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的左右和上下旋轉(zhuǎn)的平面自由度，以滿(mǎn)足機(jī)械蛇或機(jī)械臂等構(gòu)型之間的變換。
[0023]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和有益效果:
[0024]本發(fā)明最重要的特點(diǎn)就是單個(gè)模塊具有柔韌性，可以實(shí)現(xiàn)單個(gè)模塊在地面上靈活并且穩(wěn)定地直行和轉(zhuǎn)動(dòng)，而且執(zhí)行任務(wù)前多個(gè)模塊可以各自或兩兩組合成機(jī)械蛇或機(jī)械臂到達(dá)目標(biāo)位置，然后執(zhí)行任務(wù)。
[0025]由于采用形狀記憶合金作為轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)器，通過(guò)協(xié)調(diào)地控制四根形狀記憶合金絲實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)伸縮或向任意方向彎曲，使得機(jī)構(gòu)能夠到達(dá)空間中的大部分位置；
[0026]由于采用可重構(gòu)的設(shè)計(jì)，通過(guò)手動(dòng)連接，多個(gè)模塊可以重構(gòu)出機(jī)械蛇和機(jī)械臂等構(gòu)型；
[0027]由于被動(dòng)連接機(jī)構(gòu)上的溝槽和銷(xiāo)釘孔是對(duì)稱(chēng)分布的，實(shí)現(xiàn)了主動(dòng)連接機(jī)構(gòu)在四個(gè)方向上都可以與被動(dòng)連接機(jī)構(gòu)連接，使得多個(gè)模塊的組合種類(lèi)更多，用于多種不同的場(chǎng)合和完成各種復(fù)雜的任務(wù)。
[0028]由于采用齒輪組和蝸桿結(jié)合的減速方式，在小空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)了大減速比，使得模塊結(jié)構(gòu)緊湊；
[0029]由于連接機(jī)構(gòu)采用鎖扣和溝槽的設(shè)計(jì)，這使得連接機(jī)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作簡(jiǎn)便，連接可靠的優(yōu)點(diǎn)；
【附圖說(shuō)明】
[0030]圖1是微型軟體模塊化可重構(gòu)機(jī)器人單元模塊的正側(cè)面示意圖；
[0031]圖2是微型軟體模塊化可重構(gòu)機(jī)器人單元模塊的側(cè)面示意圖；
[0032]圖3是轉(zhuǎn)向前面板示意圖；
[0033]圖4是轉(zhuǎn)向后面板示意圖；
[0034]圖5是支撐機(jī)構(gòu)中的彈簧示意圖；
[0035]圖6是驅(qū)動(dòng)前面板示意圖；
[0036]圖7是驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)中的月牙板示意圖；
[0037]圖8是驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)中的蝸桿示意圖；
[0038]圖9是驅(qū)動(dòng)后面板不意圖；
[0039]圖10是驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)中的小齒輪示意圖；
[0040]圖11是驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)中的雙排大齒輪示意圖；