一种模块化自重构机器人的制作方法

1.本发明涉及机器人技术领域，特别是涉及一种模块化自重构机器人。

背景技术：

2.目前，机器人已广泛用于生活及工业领域，传统的机器人限于其构型的固定，只能完成某些特定的任务，难以满足不断变化的工作场景，渐渐无法满足智能化需求；在此情况下，人们尝试研究模块化机器人，模块化机器人的优势在于各模块间能够灵活地进行设计，实现不同形态的拓扑结构，以适应不同的环境条件，完成不同的工作任务；模块化自重构机器人可以实现模块间简单的可拆卸连接，也可以自主实现模块间的重新构型。
3.但是，目前模块化机器人的连接机制往往都是固定连接的方式，不够灵活，连接时需要定位，对连接位置要求较高，在大规模的自组装或自重构过程中容易出错，导致任务失败；也就是说，现有的模块化自重构机器人在连接过程中有稳定性不足和效率不足的缺陷。
4.因此，现有技术还有待于改进和发展。

技术实现要素：

5.鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种模块化自重构机器人，旨在解决现有的模块化自重构机器人在连接过程中对连接位置要求高，产生稳定性不足和效率不足的问题。
6.本发明的技术方案如下：
7.一种模块化自重构机器人，其中，包括主体、摇臂、第一驱动部件、第二驱动部件和传动部件，所述主体上并排设置有两个驱动轮；所述摇臂与所述主体连接，所述摇臂可在所述主体上摆动；所述摇臂上设置有两个中间轮和两个前轮；所述第一驱动部件设于所述主体上，与所述摇臂传动连接，用于带动所述摇臂转动；两个所述第二驱动部件，分别设于所述主体的两侧，每个所述第二驱动部件与同一侧的所述驱动轮、所述中间轮都同时传动连接，用于带动所述驱动轮和所述中间轮转动；所述传动部件设于所述摇臂上，一侧与所述中间轮传动配合，另一侧与所述前轮传动配合，用于带动所述前轮与所述中间轮同步转动。
8.所述的模块化自重构机器人，其中，所述主体的形状为球形；所述主体上设有第一连杆和第二连杆，所述第一连杆的一端设置在所述主体的中心位置，另一端设置有所述驱动轮；所述第二连杆的一端设置在所述主体的中心位置，另一端与所述摇臂连接；所述摇臂包括头尾依次连接的第一连接臂、第二连接臂和第三连接臂，所述第一连接臂一端与所述第二连杆连接，另一端设置有所述中间轮；所述第二连接臂一端与所述第二连杆连接，另一端设置有所述前轮；所述第三连接臂设于所述中间轮和所述前轮之间；当相邻的两个所述模块化自重构机器人一上一下组装时，相邻的两个所述主体的中心连线方向为第一方向，所述驱动轮的后侧与相邻的所述模块化自重构机器人的主体的中心的切线方向为第二方向，所述第一方向与所述第二方向之间形成的夹角为θ
t1
，满足如下公式：
[0009][0010]
其中，r为所述驱动轮的半径；r 1为所述驱动轮与相邻的所述模块化自重构机器人的主体的中心位置的距离；l1为所述第一连杆的长度；θ1为所述第一连杆的长度方向与所述第一方向之间形成的夹角。
[0011]
所述的模块化自重构机器人，其中，当相邻的两个所述模块化自重构机器人一左一右组装时，所述前轮的中心与相邻的所述模块化自重构机器人的主体的中心的间距为n，满足如下公式：
[0012][0013]
其中，m为所述前轮的中心与其连接的所述主体的中心的间距；r为所述主体的半径；相邻的两个所述主体的中心连线方向为第三方向，所述前轮的中心与其连接的所述主体的中心的连线方向为第四方向，θ
t2
为所述第三方向与所述第四方向之间形成的夹角。
[0014]
所述的模块化自重构机器人，其中，所述主体包括球形外壳，所述球形外壳为铁磁球壳；所述模块化自重构机器人包括第一磁性组件，所述第一磁性组件设于所述主体上，位于两个所述驱动轮之间，用于与相邻的所述铁磁球壳磁吸配合。
[0015]
所述的模块化自重构机器人，其中，所述模块化自重构机器人包括第二磁性组件，所述第二磁性组件设于所述摇臂上，用于与相邻的所述铁磁球壳磁吸配合。
[0016]
所述的模块化自重构机器人，其中，所述第一磁性组件包括若干个以极性交替方式排列的第一磁吸件；所述第一磁吸件为镍磁铁、钴磁铁、钕磁铁中的一种或多种；和/或，所述第二磁性组件包括若干个以极性交替方式排列的第二磁吸件；所述第二磁吸件为镍磁铁、钴磁铁、钕磁铁中的一种或多种。
[0017]
所述的模块化自重构机器人，其中，所述第二驱动部件包括动力件，斜齿蜗轮，第一传动件和第二传动件，所述斜齿蜗轮包括主齿轮和设于所述主齿轮两侧的第一锥齿轮和第二锥齿轮，所述主齿轮上沿着径向转动方向设有第一卡齿，所述第一卡齿与所述动力件的输出端啮合；所述第一锥齿轮背离所述主齿轮的侧表面上设有第二卡齿，所述第二卡齿与所述第一传动件啮合；所述第二锥齿轮背离所述主齿轮的侧表面上设有第三卡齿，所述第三卡齿与所述第二传动件啮合；所述第一传动件背离所述第一锥齿轮的一端与所述驱动轮啮合传动；所述第二传动件背离所述第二锥齿轮的一端与所述中间轮啮合传动。
[0018]
所述的模块化自重构机器人，其中，所述第一驱动部件包括驱动件和同轴差动结构，所述驱动件与所述同轴差动结构连接，所述同轴差动结构同时与所述中间轮和所述前轮传动连接。
[0019]
所述的模块化自重构机器人，其中，所述驱动轮和所述前轮均为麦克纳姆轮。
[0020]
本技术还公开了一种用于如上任一所述的模块化自重构机器人的连接方法，其中，包括：
[0021]
通过第二驱动部件驱动中间轮和驱动轮转动，带动前轮同步转动，移动模块化自重构机器人至另一个模块化自重构机器人旁边；
[0022]
启动第一驱动部件带动摇臂转动，使前轮和所述中间轮在相邻的模块化自重构机器人的主体上爬升；
[0023]
通过所述第二驱动部件带动所述驱动轮、所述中间轮和所述前轮滚动，直至所述驱动轮、所述中间轮和所述前轮均移动至另一个模块化自重构机器人的主体上，完成连接。
[0024]
与现有技术相比，本发明实施例具有以下优点：
[0025]
本发明公开的模块化自重构机器人以一个个的主体为组装单元，通过连续连接多个主体可以形成多变形态的机器人；具体的，在主体上设置驱动轮、中间轮和前轮作为滚动支撑，设置第一驱动部件和第二驱动部件进行驱动，设置传动部件带动中间轮和前轮同步转动，从而实现模块化自重构机器人的自由移动功能；特别的是，本发明通过设置摇臂可转动地连接主体，使得中间轮和前轮不仅可以自行转动，还能跟随摇臂改变位置，从而可以从主体的底部抬升，与相邻机器人的侧面接触并通过滚动进行爬升，进而实现模块化自重构机器人的越障；可见，本发明公开的模块化自重构机器人进行越障时只需要抬起摇臂，让前轮和中间轮可以牵引着主体在相邻的模块化自重构机器人表面上移动，连接或者越障过程中摇臂使中间轮和前轮贴覆在相邻的模块化自重构机器人的表面上，保持稳定，省去了传统的连接、对位、连接固定等动作，不受接触位置的影响，具备连续连接的能力；总的来说，降低了模块化自重构机器人的连接要求，减少连接失败，提高了模块化自重构机器人的连接稳定性和连接效率。
附图说明
[0026]
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，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，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。
[0027]
图1为本发明中模块化自重构机器人的立体图；
[0028]
图2为本发明中模块化自重构机器人的内部部分结构示意图；
[0029]
图3为本发明中模块化自重构机器人的内部部分结构爆炸图；
[0030]
图4为本发明中模块化自重构机器人的仰视图；
[0031]
图5为本发明中斜齿蜗轮的结构示意图；
[0032]
图6为本发明中模块化自重构机器人的结构示意图；
[0033]
图7为本发明中模块化自重构机器人进行连接、分离、临近转移和不临近转移等四个基础动作的流程示意图；
[0034]
图8为本发明中模块化自重构机器人处于连接状态的尺寸关系示意图；
[0035]
图9为本发明中模块化自重构机器人进行连接时的尺寸关系示意图；
[0036]
图10为本发明中模块化自重构机器人进行不临近转移时的尺寸关系示意图；
[0037]
图11为本发明中模块化自重构机器人进行分离时的尺寸关系示意图；
[0038]
图12为本发明中模块化自重构机器人连接过程中的尺寸关系示意图；
[0039]
图13为本发明中模块化自重构机器人进行连接时的受力分析图；
[0040]
图14为本发明中模块化自重构机器人进行分离时的受力分析图；
[0041]
图15为本发明中模块化自重构机器人处于连接状态的受力分析图；
[0042]
图16中(a)图为本发明中模块化自重构机器人进行连接时产生的磁力随距离变化的示意图，(b)图为本发明中模块化自重构机器人进行连接时产生的磁力随距离变化的曲
线图；
[0043]
图17为本发明中模块化自重构机器人的传动系统的简图；
[0044]
图18中(a)图为本发明中模块化自重构机器人直线移动时驱动轮、中间轮和前轮的受力分析图，(b)图为本发明中模块化自重构机器人转弯时驱动轮、中间轮和前轮的受力分析图；
[0045]
图19中(a)图为本发明中模块化自重构机器人的连接过程；(b)图为本发明中模块化自重构机器人的分离过程；(c)图为本发明中模块化自重构机器人的临近转移过程；(d)图为本发明中模块化自重构机器人的非临近转移过程；
[0046]
图20为本发明中多个模块化自重构机器人组成的机械臂搬运物体的过程；
[0047]
图21为本发明中多个模块化自重构机器人协作翻越障碍物的过程；
[0048]
图22为本发明中模块化自重构机器人的连接方法的流程图。
[0049]
其中，100、主体；110、第一连杆；120、第二连杆；130、球形外壳；200、驱动轮；300、摇臂；310、第一连接臂；320、第二连接臂；330、第三连接臂；400、中间轮；500、前轮；600、第一驱动部件；610、驱动件；700、第二驱动部件；710、动力件；720、斜齿蜗轮；721、主齿轮；7211、第一卡齿；722、第一锥齿轮；7221、第二卡齿；723、第二锥齿轮；7231、第三卡齿；730、第一传动件；740、第二传动件；800、传动部件；900、第一磁性组件；1000、第二磁性组件。
具体实施方式
[0050]
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，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、完整的描述，显然，所描述的实施例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做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。
[0051]
现有技术中模块化自重构机器人(msrr)通常被认为比固定形态机器人更具有适应性，因为它们能够重新安排其部件的连接关系，形成更适合新任务的新形态。通过使用冗余的低成本机器人模块来提高系统的鲁棒性，这些机器人系统还具有自我修复的潜力。这些独特的功能使它们非常适合在探索非结构化或动态环境。
[0052]
现有的模块化机器人虽然具有通用性和低成本的优点，但其连接机制大多过于理想化——使用固定连接方式连接多个模块化机器人，忽略了制造不完善等实际问题；目前，现有msrr系统的连接机构主要由可伸缩机械挂钩、永磁体、永磁体、电磁铁和自焊合金组成，均需要连接对中。在大规模的自组装或自重构过程中，这种对特定连接器位置的依赖可能导致任务失败，具体来说，可能的原因包括制造偏差积累、传感器精度低、重力或外力引起的变形等等。
[0053]
在自然界中，一生物可以表现出个体所不具备的能力。例如，一蚂蚁会聚集成一座桥来跨越沟壑，或者生物有机体通过组合低级成分来实现强大的高级行为。这些生物相互连接的方式通常不受格子类型的限制，而且非常有效。受生物结构的启发，许多研究人员已经开发出模块化机器人，无需连接对齐就可以形成附件，但许多机器人限于在二维平面移动。据我们所知，目前的模块化机器人进行3d连续连接的时候进行给定位置的连接、脱离，使用寿命只有50次左右，而且每次冷却时间却需要5分钟，这意味着当两个模块化机器人连接时，整体结构非常不稳定；另外，模块化机器人的另一个限制是它只有两个可控制的
自由度，其可以驱动球壳向两个方向滚动，但不能精确控制球壳绕其垂直轴进行旋转。
[0054]
因此，现有连续连接的模块化机器人仍存在连接不稳定或者连接效率不高的问题。
[0055]
参阅图1和图2，本发明申请的一实施例中，公开了一种模块化自重构机器人，其中，包括主体100、摇臂300、第一驱动部件600、第二驱动部件700和传动部件800，所述主体100上并排设置有两个驱动轮200；所述摇臂300与所述主体100连接，所述摇臂300可在所述主体100上摆动；所述摇臂300上设置有两个中间轮400和两个前轮500；所述第一驱动部件600设于所述主体100上，与所述摇臂300传动连接，用于带动所述摇臂300转动；两个所述第二驱动部件700，分别设于所述主体100的两侧，每个所述第二驱动部件700与同一侧的所述驱动轮200、所述中间轮400都同时传动连接，用于带动所述驱动轮200和所述中间轮400转动；所述传动部件800设于所述摇臂300上，一侧与所述中间轮400传动配合，另一侧与所述前轮500传动配合，用于带动所述前轮500与所述中间轮400同步转动。
[0056]
本实施例公开的模块化自重构机器人以一个个的主体100为组装单元，通过连续连接多个主体100可以形成多变形态的机器人；具体的，在主体100上设置驱动轮200、中间轮400和前轮500作为滚动支撑，设置第一驱动部件600和第二驱动部件700进行驱动，设置传动部件800带动中间轮400和前轮500同步转动，从而实现模块化自重构机器人的自由移动功能；特别的是，本实施例通过设置摇臂300可转动地连接主体100，使得中间轮400和前轮500不仅可以自行转动，还能跟随摇臂300改变位置，从而可以从主体100的底部抬升，与相邻机器人的侧面接触并通过滚动进行爬升，进而实现模块化自重构机器人的越障；可见，本实施例公开的模块化自重构机器人进行越障时只需要抬起摇臂300，让前轮500和中间轮400可以牵引着主体100在相邻的模块化自重构机器人表面上移动，连接或者越障过程中摇臂300使中间轮400和前轮500贴覆在相邻的模块化自重构机器人的表面上，保持稳定，省去了传统的连接、对位、连接固定等动作，不受接触位置的影响，具备连续连接的能力；总的来说，降低了模块化自重构机器人的连接要求，减少连接失败，提高了模块化自重构机器人的连接稳定性和连接效率。
[0057]
具体的，在实际连接过程中，为了使模块化自重构机器人能够实现自组装和自重构，单个模块化自重构机器人需要能够自主地附着或脱离同伴。本实施例中定义单个机器人的四种基本动作：连接、分离、临近转移和不临近转移，如图7和图19所示，动作连接和分离使模块化自重构机器人组能够进行自组装，这两个动作原语仅在机器人即将接触或离开地面时才会发生；而相邻变换和非相邻变换通常是在三维空间中进行的，这意味着移动机器人可以有多种姿态。
[0058]
如图2和图6所示，作为本实施例中的一种实施方式，公开了所述主体100的形状为球形；所述主体100上设有第一连杆110和第二连杆120，所述第一连杆110的一端设置在所述主体100的中心位置，另一端设置有所述驱动轮200；所述第二连杆120的一端设置在所述主体100的中心位置，另一端与所述摇臂300连接；所述摇臂300包括头尾依次连接的第一连接臂310、第二连接臂320和第三连接臂330，所述第一连接臂310一端与所述第二连杆120连接，另一端设置有所述中间轮400；所述第二连接臂320一端与所述第二连杆120连接，另一端设置有所述前轮500；所述第三连接臂330设于所述中间轮400和所述前轮500之间；为了成功地完成机器人的基本动作，模块化自重构机器人的尺寸有很多限制，在本实施例中，通
过一种基于优化的方法来解决这个问题。首先，如图8所示，用符号来定义机器人的各种尺寸参数，通过至少7个维度的参数定义，例如：r，r，θ2，θ3，l2，l4，l6，其中，r为所述主体100的半径；r为所述驱动轮200的半径；l2为所述第二连杆120的长度；l4为所述第二连接臂320的长度；l6为所述中间轮400的中心与所述主体100的中心之间的间距；图中的其他尺寸都可以从这些尺寸中计算出来，例如公式(1)：
[0059][0060]
具体的，当相邻的两个所述模块化自重构机器人一上一下组装时，相邻的两个所述主体100的中心连线方向为第一方向，所述驱动轮200的后侧与相邻的所述模块化自重构机器人的主体100的中心的切线方向为第二方向，所述第一方向与所述第二方向之间形成的夹角为θ
t1
，满足如下公式(2)：
[0061][0062]
其中，r为所述驱动轮200的半径；r1为所述驱动轮200与相邻的所述模块化自重构机器人的主体100的中心位置的距离；l1为所述第一连杆110的长度；θ1为所述第一连杆110的长度方向与所述第一方向之间形成的夹角。
[0063]
本实施例中通过限定第一方向与第二方向之间形成的夹角小于使得主体100上连接的6个轮子的覆盖面积有限，从而在连接的时候不会占据被连接的模块化自重构机器人表面太多的面积，以此控制模块化自重构机器人可以相互连接的数量，最好的情况下一个模块化自重构机器人可以同时连接5个模块化自重构机器人，而且位置不限，连接方便。
[0064]
如图9所示，作为本实施例中的另一种实施方式，公开了当相邻的两个所述模块化自重构机器人一左一右组装时，所述前轮500的中心与相邻的所述模块化自重构机器人的主体100的中心的间距为n，满足如下公式(3)：
[0065][0066]
其中，m为所述前轮500的中心与其连接的所述主体100的中心的间距；相邻的两个所述主体100的中心连线方向为第三方向，所述前轮500的中心与其连接的所述主体100的中心的连线方向为第四方向，θ
t2
为所述第三方向与所述第四方向之间形成的夹角。
[0067]
本实施例中当摇臂300转动，提升到最大角度使，前轮500需要与被连接的模块化自重构机器人接触，从而产生摩擦力，才能在前轮500转动的时候带动主体100转动，开始进行连接，因此控制前轮500的中心与相邻的模块化自重构机器人的主体100的中心的间距小于r1+r。
[0068]
具体的，在本实施例的另一实施方式中公开了当两个所述模块化自重构机器人执行不相邻的转换动作时，也会发生同样的情况，如图10所示，前轮500的中心与不相邻的所述模块化自重构机器人的主体100的中心的间距为n
′
，满足如下公式(4)：
[0069][0070]
其中，不相邻的两个所述主体100的中心连线方向为第五方向，θ
t3
为所述第四方向与所述第五方向之间形成的夹角。
[0071]
如图11所示，在本实施例的另一实施方式中公开了当模块化自重构机器人执行分离动作时，它的前轮500需要先接触地面，与地面产生摩擦，向前驱动提供摩擦力。因此，主体100的中心距离地面的高度o1c2满足如下公式(5)：
[0072]
o1c2》r............................................................(5)
[0073]
综上，可以将该模块化自重构机器人的尺寸优化问题表述为一个非线性优化问题。为了使移动机器人在相邻过渡时具有更好的通过能力，前后轮之间的距离与基础机器人车轮直径之和应尽可能小。因此，该优化问题可以表述为：
[0074][0075]
在一些非线性优化求解器的帮助下，我们可以得到本实施例中r
*
＝0.26r，θ
2*
＝55deg，θ
3*
＝50deg，l
2*
＝0.71r,l
4*
＝0.82r，l
6*
＝1.09r，也就是说，一旦确定主体100的壳体半径，就可以确定其他几何参数，在实际生产制造中，蜗牛机器人的外壳半径r为120毫米。
[0076]
如图3图4、图5和图17所示，作为本实施例中的另一种实施方式，公开了所述第二驱动部件700包括动力件710，斜齿蜗轮720，第一传动件730和第二传动件740，所述斜齿蜗轮720包括主齿轮721和设于所述主齿轮721两侧的第一锥齿轮722和第二锥齿轮723，所述主齿轮721上沿着径向转动方向设有第一卡齿7211，所述第一卡齿7211与所述动力件710的输出端啮合；所述第一锥齿轮722背离所述主齿轮721的侧表面上设有第二卡齿7221，所述第二卡齿7221与所述第一传动件730啮合；所述第二锥齿轮723背离所述主齿轮721的侧表面上设有第三卡齿7231，所述第三卡齿7231与所述第二传动件740啮合；所述第一传动件730背离所述第一锥齿轮722的一端与所述驱动轮200啮合传动；所述第二传动件740背离所述第二锥齿轮723的一端与所述中间轮400啮合传动。
[0077]
本实施例中第一锥齿轮722和第二锥齿分别固定在主齿轮721的两侧，主齿轮721转动时第一锥齿轮722和第二锥齿轮723同步转动，通过设置斜齿蜗轮720同时与驱动轮200和中间轮400实现传动，并且通过传动部件800实现中间轮400与前轮500传动，因此，只需要驱动斜齿蜗轮720即可控制单侧的驱动轮200、中间轮400和前轮500同步转动，也就是说，在主体100上只需要设置两个动力件710，例如两个马达，分别与主体100两侧的斜齿蜗轮720啮合传动，就可以让模块化自重构机器人的六个轮子都转动起来，实现移动。相较于大多数现有的六轮摇杆-转向架底盘(如月球车)由六台马达驱动，前后轮有独立的转向马达，本实施例公开的第二驱动部件700大大降低了结构复杂性，有利于减轻模块化自重构机器人的自重，便于灵活驱动。
[0078]
具体的，在本实施例中公开的斜齿蜗轮720的两侧分别设置凸出的第二卡齿7221和第三卡齿7231，因此第一传动件730和第二传动件740的端部也可以分别设置侧面凸出的卡齿予以配合，在第一传动件730远离斜齿蜗轮720的一端也可以设置卡齿，与驱动轮200的转轴上预设的齿轮进行啮合；在第二传动件740远离斜齿蜗轮720的一端可以设置卡齿与中
间轮400的转轴上预设的齿轮进行啮合；总体来说，实现全程齿轮啮合传动，有利于提高传动精度，提高传动效率，方便精确控制机器人的运动。
[0079]
再如图3所示，作为本实施例中的另一种实施方式，公开了所述第一驱动部件600包括驱动件610和同轴差动结构(附图中未标出)，所述驱动件610与所述同轴差动结构连接，所述同轴差动结构同时与所述中间轮400和所述前轮500传动连接。本实施例中当一个模块化自重构机器人附着在另一个模块化自重构机器人上时，它的摇臂300抬起动作对于完成分离和过渡尤为重要，为了使摇臂300更容易抬起，设置第一驱动部件600包括一个同轴差动结构，使得驱动件610，例如电机、马达，可以驱动前四个轮子。本实施例中提升摇臂300时，将中间轮400与被连接的模块化自重构机器人的主体100之间的滑动摩擦转化为滚动摩擦，可以大大降低提升摇臂300所需的扭矩，还能减少车轮磨损，方便实现机器人连接过程。
[0080]
具体的，在连接过程中摇臂300和驱动轮200的角速度可由下式(7)和(8)计算：
[0081][0082][0083]
其中，ω
rocker
为摇臂300的角速度；ω
rw
为驱动轮200的角速度；ω
mm
为驱动件610的输出端的角速度；ω
sm
为动力件710的输出端的角速度；z1为驱动件610的输出端的齿数；z2为摇臂300的齿数；z3为斜齿蜗轮720上第二卡齿7221的齿数；z4为驱动轮200的转轴上预设的齿轮的齿数。
[0084]
可见，在本实施例中，前四个车轮的角速度由驱动件610和动力件710共同确定，可以表示为下式(9)：
[0085][0086]
其中，ω
fw
为中间轮400和前轮500的角速度；z5为第二传动件740的齿数；z6为中间轮400的转轴上预设的齿轮的齿数。
[0087]
如图12所示，作为本实施例中的另一种实施方式，公开了当摇臂300上升到最大角度时，中间轮400被驱动件610带动转过的路径长度需要尽可能等于中间轮400在被连接的主体100上走过的长度，因此，斜齿蜗轮720与中间轮400的转轴上预设的齿轮的传动比满足下式(10)：
[0088][0089]
其中，θ
t4
为中间轮400在被连接的主体100上转动的角度；θ
max
为摇臂300转动的最大角度。根据参数优化结果，上式(10)的最终结果约为2。考虑到需要保持每侧车轮转速和转向一致，以及机器人的空间限制，最终确定了所有齿轮的齿数、模数和轴角。
[0090]
如图4和图13所示，作为本实施例中的另一种实施方式，公开了所述主体100包括球形外壳130，所述球形外壳130为铁磁球壳；所述模块化自重构机器人包括第一磁性组件900，所述第一磁性组件900设于所述主体100上，位于两个所述驱动轮200之间，用于与相邻的所述铁磁球壳磁吸配合。通过磁吸的方式使两个模块化自重构机器人之间产生相互吸力，这种配合方式简便快速，不受装配位置的约束，只要两个模块化自重构机器人相互靠近
即可产生吸引，无需对位或者物理连接，更加适合本实施例中公开的连接或者越障流程；而且两个模块化自重构机器人连接在一起时一直保持铁磁球壳与第一磁性组件900的相互吸引，不管连接的模块化自重构机器人是以什么角度、什么姿势与被连接的铁磁球壳接触，不论模块化自重构机器人是静止或运动状态，都可以维持相互吸引力不变，因此有利于提高模块化自重构机器人连接的稳定性。
[0091]
具体的，将第一磁性组件900设置在两个驱动轮200之间，第一，隐蔽性较好，在连接、分离或者运动过程中两个驱动轮200之间的位置都较少与其他界面接触，可以减少碰撞，保护第一磁性组件900；第二，第一磁性组件900处于主体100下侧居中的位置，产生吸力时作用力方向与两个模块化自重构机器人的中心连线方向趋于平行，避免模块化自重构机器人单侧受到的吸引力过大，以防侧翻。
[0092]
具体的，作为本实施例中的另一种实施方式，公开了所述第一磁性组件900包括若干个以极性交替方式排列的第一磁吸件；所述第一磁吸件为镍磁铁、钴磁铁、钕磁铁中的一种或多种。多个第一磁吸件交替排列，相互之间不会产生排斥，可以保持吸引状态，维持稳定，以保证增加磁吸作用力的同时保持稳定，提高模块化自重构机器人连接的稳定性。
[0093]
如图13和图14所示，作为本实施例中的另一种实施方式，公开了所述模块化自重构机器人包括第二磁性组件1000，所述第二磁性组件1000设于所述摇臂300上，用于与相邻的所述铁磁球壳磁吸配合。本实施例中摇臂300转动，先接触到被连接的模块化自重构机器人的表面，设置第二磁性组件1000使得摇臂300转动，使中间轮400和前轮500搭到被连接的模块化自重构机器人的主体100的过程中就产生相互吸引力，使得摇臂300可以稳定吸附在被连接的模块化自重构机器人的表面上，从而保持连接过程中的稳定。
[0094]
具体的，作为本实施例中的另一种实施方式，公开了所述第二磁性组件1000包括若干个以极性交替方式排列的第二磁吸件；所述第二磁吸件为镍磁铁、钴磁铁、钕磁铁中的一种或多种。设置多个第二磁吸件是为了增加磁吸作用力，使得摇臂300与被连接的模块化自重构机器人连接更加稳固，交替排列多个第二磁吸件则是为了防止相邻的第二磁吸件之间产生排斥力，以防出现第二磁性组件1000自身结构不稳定的问题。
[0095]
具体的，在本实施例中的另一种实施方式中公开了第一磁性组件900和第二磁性组件1000同时设置，则第一磁吸件和第二磁吸件的大小、布局以及磁铁与主体100的间距决定了模块化自重构机器人的自重构能力。图13、图14和图15给出了机器人在与其他模块连接或分离时的受力分析。通过对力的分析，我们知道完成这两个动作的关键是机器人的轮子与地面或球体之间有足够的摩擦力。驱动轮200上的摩擦力f
c1
和f
c2
会增加前轮500与接触面之间的压力，从而增加前轮500上的摩擦力。具体来说，图13和图14中的f
a1
和f
a2
需要能够旋转模块化自重构机器人本身，模块化自重构机器人本身在相邻的过渡作用中所受的力与分离作用相似。
[0096]
图15给出了模块化自重构机器人提升摇臂300时的受力分析。如果第一磁吸件和第二磁吸件的磁力相同，或者第一磁吸件的磁力小于第二磁吸件的磁力，模块化自重构机器人的背面可能会向上倾斜；因此，机器人的后部必须承受比前部更大的磁力。由于本实施例中在摇臂300上设置同轴差动结构，当机器人抬起摇臂300时，中间轮400与被连接的主体100之间几乎没有滑动摩擦，因此f
b3
非常小，可以忽略不计，提升摇杆的主要阻力来自于第二磁吸件与主体100的球壳之间的磁力。所以驱动件610的转矩(τ
mm
)应满足下式(11):
[0097][0098]
其中，d为摇臂300与第二连杆120的连接位置和第二磁吸件的中线之间的间距；f
m5
为第二磁吸件的磁力；η为驱动件610与摇臂300之间的传动效率。
[0099]
具体的，在本实施例中的另一种实施方式中公开了一种采用四个钕磁铁作为第一磁吸件和第二磁吸件的模块化自重构机器人，图16中的(a)图为主体的底部受力情况示意图；采用钕磁铁的尺寸为15
×
15
×
15mm的立方体，强度为n52，采用交替极性排列，这样可以充分利用机器人底部的空间；其中设置于驱动轮200之间的钕磁铁距离主体100中心的距离比设置于摇臂300上的钕磁铁距离主体100中心的距离近0.5mm，使得主体100的后侧磁力比前侧磁力更强，从而保证机器人在抬起摇臂300时不会倾斜，以后侧设置的钕磁体的高度为参考，磁力随力钕磁铁与主体100之间距离的变化如图16中的(b)图所示，实际测试过程中，设置于驱动轮200之间的钕磁铁离主体100的距离为1.75mm，对应的法向磁力为86.7n，约等于8个模块化自重构机器人的自重。
[0100]
如图3和图4所示，作为本实施例中的另一种实施方式，公开了所述驱动轮200和所述前轮500均为麦克纳姆轮。在实际使用过程中，当两个模块化自重构机器人连接时，主动连接的模块化自重构机器人相当于受到数倍于自身重力的磁力作用，机器人的轮子需要承受较大的压力；所以，本实施例中采用麦克纳姆(mecanum)轮作为驱动轮200和前轮500，中间轮400为普通轮子，通过矩形排列的四个mecanum轮给予主体100稳定支撑，减少机器人在移动或者转弯过程中的阻力。
[0101]
如图17所示，作为本实施例中的另一种实施方式，公开了四个mecanum轮的滚轮布置为x形。本实施例中采用的mecanum轮自身的滚轮有特定朝向，通过设置两个驱动轮200的滚轮朝向相对，两个前轮500的朝向相背离，并且同一侧的驱动轮200与前轮500的滚轮朝向相反，使得四个mecanum轮的滚轮布置为x形。如图18所示相较于传统的全方位移动平台的滚轮布置为o形，如图18中(a)图所表示的运动状态，这种设计的优点是当六个车轮向前或向后驱动时，外围的四个机械轮可以提供驱动力；如图18中(b)图所表示的运动状态，当机器人转弯时，它们只是作为导向轮，所以可以减小转弯时的阻力，提高模块化自重构机器人移动的灵活性。
[0102]
如图22所示，作为本技术的另一实施例，公开了一种用于如上任一所述的模块化自重构机器人的连接方法，其中，包括：
[0103]
s100、通过第二驱动部件700驱动中间轮400和驱动轮200转动，带动前轮500同步转动，移动模块化自重构机器人至另一个模块化自重构机器人旁边；
[0104]
s200、启动第一驱动部件600带动摇臂300转动，使前轮500和所述中间轮400在相邻的模块化自重构机器人的主体100上爬升；
[0105]
s300、通过所述第二驱动部件700带动所述驱动轮200、所述中间轮400和所述前轮500滚动，直至所述驱动轮200、所述中间轮400和所述前轮500均移动至另一个模块化自重构机器人的主体100上，完成连接。
[0106]
本实施例中公开的连接方法通过定义机器人的基础动作，参数化表示机器人关键尺寸，将机器人的尺寸优化问题转换为非线性优化问题，自重构过程中一些关键尺寸约束为优化问题的约束，一些目标尺寸关系定义为优化目标，通过3d连续对接来连接它的同伴，
而不受对齐的影响。可以大大提高自重构的效率，减少对接失败，有利于提高模块化自重构机器人连接的稳定性和连接效率。
[0107]
综上所述，本技术公开了一种模块化自重构机器人，其中，包括主体100、摇臂300、第一驱动部件600、第二驱动部件700和传动部件800，所述主体100上并排设置有两个驱动轮200；所述摇臂300与所述主体100连接，所述摇臂300可在所述主体100上摆动；所述摇臂300上设置有两个中间轮400和两个前轮500；所述第一驱动部件600设于所述主体100上，与所述摇臂300传动连接，用于带动所述摇臂300转动；两个所述第二驱动部件700，分别设于所述主体100的两侧，每个所述第二驱动部件700与同一侧的所述驱动轮200、所述中间轮400都同时传动连接，用于带动所述驱动轮200和所述中间轮400转动；所述传动部件800设于所述摇臂300上，一侧与所述中间轮400传动配合，另一侧与所述前轮500传动配合，用于带动所述前轮500与所述中间轮400同步转动。
[0108]
如图19所示，本实施例公开的模块化自重构机器人以一个个的主体100为组装单元，可以实现连接、分离、临近转移和不临近转移等等动作，并且通过连续连接多个主体100可以形成多变形态的机器人，如图20和图21所示；具体的，在主体100上设置驱动轮200、中间轮400和前轮500作为滚动支撑，设置第一驱动部件600和第二驱动部件700进行驱动，设置传动部件800带动中间轮400和前轮500同步转动，从而实现模块化自重构机器人的自由移动功能；特别的是，本实施例通过设置摇臂300可转动地连接主体100，使得中间轮400和前轮500不仅可以自行转动，还能跟随摇臂300改变位置，从而可以从主体100的底部抬升，与相邻机器人的侧面接触并通过滚动进行爬升，进而实现模块化自重构机器人的越障；可见，本实施例公开的模块化自重构机器人进行连接或者越障时只需要抬起摇臂300，让前轮500和中间轮400可以牵引着主体100在相邻的模块化自重构机器人表面上移动，连接或者越障过程中摇臂300使中间轮400和前轮500贴覆在相邻的模块化自重构机器人的表面上，保持稳定，省去了传统的连接、对位、连接固定等动作，不受接触位置的影响，具备连续连接的能力；总的来说，降低了模块化自重构机器人的连接要求，减少连接失败，提高了模块化自重构机器人的连接稳定性和连接效率。
[0109]
需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术中的实施例及实施例中的特征可以相互结合。
[0110]
需要说明的是，本发明以模块化自重构机器人为例对本发明的具体结构及工作原理进行介绍，但本发明的应用并不以模块化自重构机器人为限，也可以应用到其它类似工件的检测/生产/使用。
[0111]
应当理解的是，本发明并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本发明的范围仅由所附的权利要求来限制。
[0112]
以上所述仅为本发明的较佳实施例，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。

技术特征：

1.一种模块化自重构机器人，其特征在于，包括：主体，所述主体上并排设置有两个驱动轮；摇臂，与所述主体连接，所述摇臂可在所述主体上摆动；所述摇臂上设置有两个中间轮和两个前轮；第一驱动部件，设于所述主体上，与所述摇臂传动连接，用于带动所述摇臂转动；两个第二驱动部件，分别设于所述主体的两侧，每个所述第二驱动部件与同一侧的所述驱动轮、所述中间轮都同时传动连接，用于带动所述驱动轮和所述中间轮转动；传动部件，设于所述摇臂上，一侧与所述中间轮传动配合，另一侧与所述前轮传动配合，用于带动所述前轮与所述中间轮同步转动。2.根据权利要求1所述的模块化自重构机器人，其特征在于，所述主体的形状为球形；所述主体上设有第一连杆和第二连杆，所述第一连杆的一端设置在所述主体的中心位置，另一端设置有所述驱动轮；所述第二连杆的一端设置在所述主体的中心位置，另一端与所述摇臂连接；所述摇臂包括头尾依次连接的第一连接臂、第二连接臂和第三连接臂，所述第一连接臂一端与所述第二连杆连接，另一端设置有所述中间轮；所述第二连接臂一端与所述第二连杆连接，另一端设置有所述前轮；所述第三连接臂设于所述中间轮和所述前轮之间；其中，当相邻的两个所述模块化自重构机器人一上一下组装时，相邻的两个所述主体的中心连线方向为第一方向，所述驱动轮的后侧与相邻的所述模块化自重构机器人的主体的中心的切线方向为第二方向，所述第一方向与所述第二方向之间形成的夹角为θ
t1
，满足如下公式：其中，r为所述驱动轮的半径；r1为所述驱动轮与相邻的所述模块化自重构机器人的主体的中心位置的距离；l1为所述第一连杆的长度；θ1为所述第一连杆的长度方向与所述第一方向之间形成的夹角。3.根据权利要求2所述的模块化自重构机器人，其特征在于，当相邻的两个所述模块化自重构机器人一左一右组装时，所述前轮的中心与相邻的所述模块化自重构机器人的主体的中心的间距为n，满足如下公式：其中，m为所述前轮的中心与其连接的所述主体的中心的间距；r为所述主体的半径；相邻的两个所述主体的中心连线方向为第三方向，所述前轮的中心与其连接的所述主体的中心的连线方向为第四方向，θ
t2
为所述第三方向与所述第四方向之间形成的夹角。4.根据权利要求1所述的模块化自重构机器人，其特征在于，所述主体包括球形外壳，所述球形外壳为铁磁球壳；所述模块化自重构机器人包括第一磁性组件，所述第一磁性组件设于所述主体上，位于两个所述驱动轮之间，用于与相邻的所述铁磁球壳磁吸配合。5.根据权利要求4所述的模块化自重构机器人，其特征在于，所述模块化自重构机器人包括第二磁性组件，所述第二磁性组件设于所述摇臂上，用于与相邻的所述铁磁球壳磁吸配合。
6.根据权利要求5所述的模块化自重构机器人，其特征在于，所述第一磁性组件包括若干个以极性交替方式排列的第一磁吸件；所述第一磁吸件为镍磁铁、钴磁铁、钕磁铁中的一种或多种；和/或，所述第二磁性组件包括若干个以极性交替方式排列的第二磁吸件；所述第二磁吸件为镍磁铁、钴磁铁、钕磁铁中的一种或多种。7.根据权利要求1所述的模块化自重构机器人，其特征在于，所述第二驱动部件包括动力件，斜齿蜗轮，第一传动件和第二传动件，所述斜齿蜗轮包括主齿轮和设于所述主齿轮两侧的第一锥齿轮和第二锥齿轮，所述主齿轮上沿着径向转动方向设有第一卡齿，所述第一卡齿与所述动力件的输出端啮合；所述第一锥齿轮背离所述主齿轮的侧表面上设有第二卡齿，所述第二卡齿与所述第一传动件啮合；所述第二锥齿轮背离所述主齿轮的侧表面上设有第三卡齿，所述第三卡齿与所述第二传动件啮合；其中，所述第一传动件背离所述第一锥齿轮的一端与所述驱动轮啮合传动；所述第二传动件背离所述第二锥齿轮的一端与所述中间轮啮合传动。8.根据权利要求1所述的模块化自重构机器人，其特征在于，所述第一驱动部件包括驱动件和同轴差动结构，所述驱动件与所述同轴差动结构连接，所述同轴差动结构同时与所述中间轮和所述前轮传动连接。9.根据权利要求1所述的模块化自重构机器人，其特征在于，所述驱动轮和所述前轮均为麦克纳姆轮。10.一种用于如权利要求1至9任意一项所述的模块化自重构机器人的连接方法，其特征在于，包括：通过第二驱动部件驱动中间轮和驱动轮转动，带动前轮同步转动，移动模块化自重构机器人至另一个模块化自重构机器人旁边；启动第一驱动部件带动摇臂转动，使前轮和所述中间轮在相邻的模块化自重构机器人的主体上爬升；通过所述第二驱动部件带动所述驱动轮、所述中间轮和所述前轮滚动，直至所述驱动轮、所述中间轮和所述前轮均移动至另一个模块化自重构机器人的主体上，完成连接。

技术总结

本发明公开了一种模块化自重构机器人，其中，包括主体、摇臂、第一驱动部件、两个第二驱动部件和传动部件，主体上并排设置有两个驱动轮；摇臂与主体连接，摇臂可在主体上摆动；摇臂上设置有两个中间轮和两个前轮；第一驱动部件，设于主体上，与摇臂传动连接，用于带动摇臂转动；两个第二驱动部件，分别设于主体的两侧，每个第二驱动部件与同一侧的驱动轮、中间轮都同时传动连接，用于带动驱动轮和中间轮转动；传动部件设于摇臂上，一侧与中间轮传动配合，另一侧与前轮传动配合，用于带动前轮与中间轮同步转动。本申请通过设置可转动的摇臂提高自重构机器人的越障能力，使得机器人之间的连接不受位置的约束，以提高机器人连接的稳定性和效率。效率。效率。