本发明涉及一种机器人。 背景技术
模块化自重构机器人，也称为自变形机器人（self-metamorphic robot), 是近十几年来在机器人学研究领域兴起的一门新兴学科，是当前机器人学研 究中的一个热点和难点。是指利用机器人模块之间的连接性和互换性，以及 模块传感器感知到的周围环境信息，通过大量模块之间的相互操作改变整体 构形、扩展运动形式、实现不同的运动步态、完成相应的运动及操作任务。 具有如下特点： 一、自重构功能：机器人能够根据环境和任务的变化，通过 人工智能计算技术选择相应的构型，自主控制模块重组到目标构型来适应环 境和任务，因此特别适用于未知环境或非结构化环境。二、自修复功能：机 器人由许多机器人模块组成，当某一模块功能失效发生故障时，机器人可以 自主选择与失效模块功能相同的模块，通过自重构功能把失效的模块剔出， 把选择出的功能完好的模块组装到失效模块位置并替代失效模块继续完成 任务，从而具有自修复功能。三、功能可扩展性：机器人的功能扩展可以通 过增减模块数目或类型来实现，例如可以通过增加转动模块数量来改变机器 人的运动空间或操作空间，增加传感器模块赋予机器人新的感知功能等。四、 自适应性：自重构功能和自修复功能决定了机器人良好的自适应性，可以通 过改变自身形状来适应非结构化环境或未知环境。五、高可靠性：模块具有 互换性，发生局部故障时通过自修复功能对自身进行修复，保证了任务的可 靠进行。六、良好的经济性：组成机器人的模块结构比较简单，且结构类似， 适合大规模加工制造，从而降低单个模块的制造成本。
单元模块是构建自重构机器人系统的最基本元素，模块的运动能力、自 由度数以及质量，会直接影响自重构机器人系统的拓扑转换、整体协调运动 和空间作业能力，因此合理安排设计模块的功能至关重要；模块的连接机构 是影响机器人重构可靠性的关键，设计连接可靠、动作快速、分离容易、节 省能源、结构紧凑、质量小的连接机构也是自重构机器人的关键技术之一。1)模块功能设计分析
模块的功能包括模块自身的运动功能与其它模块在组合后的组合功能， 模块自身的运动功能是指单个模块具有的自由度数目（不包括连接机构的自 由度），模块的组合功能是指多个模块在相互组合后各模块在组合体中的组 合方式。
在模块自身的运动功能方面，目前的自重构机器人正朝着两个截然相反 的发展方向发展，一个研究方向是使单个模块具有尽可能强的改变自身位置 的能力，这样每个模块都可以看作一个独立的机器人，如在C0NR0系统中， 单个机器人模块具有两个自由度，偏转自由度与俯仰自由度，单个模块就可
以作为一个移动机器人；在MTRAN系统中，每个模块具有两个平行的转动自
由度，单个模块可以在其他模块形成的表面上通过翻滚运动来改变自身位
置；另一个研究方向是使模块不具有改变自身位置的能力，只能通过与其它 模块相互配合进行自身位置的改变，如3D-Unit系统，虽然单个模块具有6 个自由度，但单个模块无法改变自身位置，仅能改变模块自身方向，通过与 相邻模块配合来改变自身位置。 一
模块自身运动功能的两个研究方向中，前者机器人中各模块相对独立， 模块间的运动耦合较松散，在重构过程中单个模块可以根据任务需要选择与 整体机器人断开或者连接，重构算法可以借鉴现有的多机器人技术；在后一 研究方向中机器人中各模块具有较强的运动耦合关系，模块的改变自身位置 的能力与其相邻模块的方位直接相关，而且单个模块在重构过程中不能与机 器人整体断开，重构算法复杂，但在结构设计方面，前者一般需要的自由度 多，结构复杂，单个模块体积较大，质量较大，负载/自重比相对较小，限 制了模块组合后的机器人整体操作和运动能力，后者一般自由度较少甚至可 以没有自由度，结构简单，模块自身质量对组合后的机器人的操作、运动能 力影响较小。
从模块组合功能来看，阵列式机器人一般具有规则的几何外形，如立方 体，正十二面体，四面体等，这种规则的几何外形使各模块在不需要外部能 量的情况下，仅依靠自身的机械材料的特性即可形成稳定的机器人结构，但 现有的阵列式机器人运动灵活性不足，组成机器人后不能高效的运动；串联 式机器人不要求规则的几何外形，更侧重于形成某种链式结构，如蛇形机器
6人、履带式机器人，或者含有某些链式结构的机器人，如多足机器人；这种 类型的机器人多需要模块含有一个或多个转动关节，依靠转动关节的保持力 矩支撑机器人本体，通过转动关节的转动实现高效的机器人整体协调运动， 但是在需要构成某种填充结构来完成任务时显得力不从心。
2)模块连接机构设计分析 自重构机器人区别于其它机器人之处在于它能自主改变自身构型来完 成操作或任务，连接机构直接参与机器人构型改变过程，连接机构的连接断 开性能直接决定了自重构机器人变形的成功与否，因此连接机构是自重构模 块设计中最重要问题之一，必须保证机器人模块间机械电气连接可靠、分离 容易，同时要求体积小、节能。现有的阵列式机器人模块的连接机构大都采 用了销孔式、电磁式或永磁式的结构。销孔式的连接机构虽然连接可靠，但 分离操作需要额外的分离空间，限制了自重构的能力。电磁式的连接机构可 以降低机构设计的复杂性，但存在体积大、重量大、发热量大等问题。永磁 式的连接机构具有连接强度大，体积、重量小等优点，其主要问题在于连接 面抗剪切的能力较弱，在机器人整体运动过程中若速度规划不合理，两连接 模块间存在相对运动趋势时导致连接不可靠。

本发明的目的是为解决现有的阵列式机器人运动灵活性不足，组成机器
人后不能高效的运动；现有的阵列式机器人模块的连接机构大都采用了销孔
式、电磁式或永磁式的结构，但分离操作需要额外的分离空间，限制了自重 构的能力。电磁式的连接机构存在体积大、重量大、发热量大等问题。永磁 式的连接机构其主要问题在于连接面抗剪切的能力较弱，在机器人整体运动 过程中若速度规划不合理，两连接模块间存在相对运动趋势时导致连接不可
靠的问题。提供一种基于旋转钩孔连接的双L形正立方体模块化自重构机 器人。本发明包含主动模块和被动模块，主动模块包含第一主动连接模块A、 第二主动连接模块B、第三主动连接模块C、第四主动连接模块D、第一支 撑架31、第二支撑架32、第一伺服舵机33、第一电池34、第一轴承37、 第一伺服舵机的支撑轴38、第二轴承39和第一伺服舵机的转矩输出轴40， 第一主动连接模块A的一端和第二主动连接模块B的一端固定连接，第三 主动连接模块C的一端和第四主动连接模块D的一端固定连接，第一支撑架31的一端与第一主动连接模块A的内侧固定连接，第二支撑架32的一 端与第三主动连接模块C的内侧固定连接，第一轴承37设在第一支撑架31 的另一端上，第二轴承39设在第二支撑架32的另一端上，第一伺服舵机 33的一端设有第一伺服舵机的支撑轴38，第一伺服舵机33的另一端为第一 伺服舵机的转矩输出轴40，第一伺服舵机的支撑轴38设在第一轴承37内， 第一伺服舵机的转矩输出轴40设在第二轴承39内，第一电池34固定在第 一伺服舵机33上；第一主动连接模块A、第二主动连接模块B、第三主动 连接模块C和第四主动连接模块D分别由直流减速电机1、四个销轴2、四 个连杆3、四个旋转钩4、四个滑块6、四个固定轴7、四对支架8、驱动盘 9、面板IO、四个移动轴ll、传动绳13和传动绳转向架16组成，每个面板 10上开有四个通孔5，每个面板10上开有四个用于约束滑块6滑动轨迹的 滑轨槽22，直流减速电机1固定在面板10的上侧表面上，驱动盘9设置在 面板10的上侧表面的中心处，传动绳转向架16固定在直流减速电机1和驱 动盘9之间的面板10的上侧表面上，传动绳13通过传动绳转向架16与直 流减速电机1和驱动盘9传动连接，四对支架8分别固定在面板10的上侧 表面上，每对支架8的外侧对应一个通孔5，每对支架8上固定有一个固定 轴7，在每对支架8之间设有一个所述滑块6，滑块6处于滑轨槽22内，滑 块6上的横向滑道18与固定轴7滑动连接，每个连杆3的一端与对应的滑 块6铰接，每个连杆3的另一端通过对应的销轴2与驱动盘9铰接，每个滑 块6内分别设有一个旋转钩4，旋转钩4上的第一轴孔20与固定轴7转动 连接，旋转钩4上的第二轴孔21内设有一个移动轴11，移动轴11的两端 与滑块6上的竖向滑道19滑动连接，驱动盘9的中心设有通孔29，第一伺 服舵机的支撑轴38的外端穿过第四主动连接模块D上的驱动盘9的通孔29 与面板10固定连接，第一伺服舵机的转矩输出轴40的外端穿过第二主动连 接模块B上的驱动盘9的通孔29与面板10固定连接；（舵机输出转矩时， 支撑轴不发生转动，仅仅起到支撑连接的作用）被动模块包含第一被动连接 模块E、第二被动连接模块F、第三被动连接模块G、第四被动连接模块H、 第三支撑架41、第四支撑架42、第二伺服舵机43、第二电池44、第三轴承 47、第二伺服舵机的支撑轴48、第四轴承49和第二伺服舵机的转矩输出轴 50，第一被动连接模块E的一端与第二被动连接模块F的一端固定连接，
8第三被动连接模块G的一端与第四被动连接模块H的一端固定连接，第三
支撑架41的一端与第一被动连接模块E的内侧固定连接，第四支撑架42 的一端与第三被动连接模块G的内侧固定连接，第三轴承47设在第三支撑 架41的另一端上，第四轴承49设在第四支撑架42的另一端上，第二伺服 舵机43的一端设有第二伺服舵机的支撑轴48，第二伺服舵机43的另一端 为第二伺服舵机的转矩输出轴50，第二伺服舵机的支撑轴48设在第三轴承 47内，第二伺服舵机的转矩输出轴50设在第四轴承49内，第二伺服舵机 的支撑轴48的外端与第四被动连接模块H固定连接，第二伺服舵机的转矩 输出轴50的外端与第二被动连接模块F固定连接，第二电池44固定在第二 伺服舵机43上，第一被动连接模块E、第二被动连接模块F、第三被动连 接模块G和第四被动连接模块H上均开有四个梯形孔15，每个被动连接模 块上的四个梯形孔15分别与第一主动连接模块A、第二主动连接模块B、 第三主动连接模块C或第四主动连接模块D的面板10上的四个通孔5—一 对应并分别与旋转钩4相连接。
本发明具有以下有益效果： 一、虽然只有一个转动自由度，使模块的运 动不具备完全的空间对称性，但是利用多个不同方位模块的组合运动，可以 克服不对称性带来的影响，保证机器人的运动灵活性；二、模块不但具备了 阵列式系统的局部模块的自重构功能，而且具备了串联式系统整体构形的运 动功能；三、模块的负载/自重比为4.5: 1，即单个模块能够携带相当于自 身4.5倍重量的物体进行旋转运动；四、虽然本发明为类均一自重构机器人 系统，即模块有主动模块和被动模块之分，但是主动模块或者被动模块自身 可以互换；五、可以通过增减模块的数目改变机器人系统的组成规模，扩展 系统功能；六、基于直流减速电机与旋转钩孔的节能连接机构在处于连接状 态和断开状态时，不需要能量维持，节省了能量，该机构为省力机构，连接 可靠；七、模块自身带有电源，能够为直流电机及舵机工作提供能量，同时 模块控制采用无线控制，从而避免运动及重构过程中线缆缠绕现象的发生； 八、适合批量制造、简化了检査及维护过程、降低了成本。
附图说明
图1是本发明主动模块的整体结构主视图，图2是本发明主动模块的三 维立体结构示意图，图3是本发明被动模块的整体结构主视图，图4是本发明被动模块的三维立体结构示意图，图5是主动连接模块和被动连接模块的 连接结构示意图，图6是旋转钩4分别与主动连接模块和被动连接模块的连
接状态示意图，图7是旋转钩4分别与主动连接模块和被动连接模块的断开
状态示意图。 具体实施方式
具体实施方式一：（参见图1〜图7)本实施方式由主动模块和被动模块
组成，主动模块由第一主动连接模块A、第二主动连接模块B、第三主动连 接模块C、第四主动连接模块D、第一支撑架3K第二支撑架32、第一伺 服舵机33、第一电池34、第一轴承37、第一伺服舵机的支撑轴38、第二轴 承39和第一伺服舵机的转矩输出轴40组成，第一主动连接模块A的一端 和第二主动连接模块B的一端固定连接，第三主动连接模块C的一端和第 四主动连接模块D的一端固定连接，第一支撑架31的一端与第一主动连接 模块A的内侧固定连接，第二支撑架32的一端与第三主动连接模块C的内 侧固定连接，第一轴承37设在第一支撑架31的另一端上，第二轴承39设 在第二支撑架32的另一端上，第一伺服舵机33的一端设有第一伺服舵机的 支撑轴38，第一伺服舵机33的另一端为第一伺服舵机的转矩输出轴40，第 一伺服舵机的支撑轴38设在第一轴承37内，第一伺服舵机的转矩输出轴 40设在第二轴承39内，第一电池34固定在第一伺服舵机33上；第一主动 连接模块A、第二主动连接模块B、第三主动连接模块C和第四主动连接模 块D分别由直流减速电机1、四个销轴2、四个连杆3、四个旋转钩4、四 个滑块6、四个固定轴7、四对支架8、驱动盘9、面板IO、四个移动轴ll、 传动绳13和传动绳转向架16组成，每个面板10上开有四个通孔5，每个 面板10上开有四个用于约束滑块6滑动轨迹的滑轨槽22，直流减速电机1 固定在面板10的上侧表面上，驱动盘9设置在面板10的上侧表面的中心处， 传动绳转向架16固定在直流减速电机1和驱动盘9之间的面板10的上侧表 面上，传动绳13通过传动绳转向架16与直流减速电机1和驱动盘9传动连 接，四对支架8分别固定在面板10的上侧表面上，每对支架8的外侧对应 一个通孔5，每对支架8上固定有一个固定轴7，在每对支架8之间设有一 个所述滑块6，滑块6处于滑轨槽22内，滑块6上的横向滑道18与固定轴 7滑动连接，每个连杆3的一端与对应的滑块6铰接，每个连杆3的另一端
10通过对应的销轴2与驱动盘9铰接，每个滑块6内分别设有一个旋转钩4， 旋转钩4上的第一轴孔20与固定轴7转动连接，旋转钩4上的第二轴孔21 内设有一个移动轴11，移动轴11的两端与滑块6上的竖向滑道19滑动连 接，驱动盘9的中心设有通孔29，第一伺服舵机的支撑轴38的外端穿过第 四主动连接模块D上的驱动盘9的通孔29与面板10固定连接，第一伺服 舵机的转矩输出轴40的外端穿过第二主动连接模块B上的驱动盘9的通孔 29与面板10固定连接；（舵机输出转矩时，支撑轴不发生转动，仅仅起到 支撑连接的作用）被动模块由第一被动连接模块E、第二被动连接模块F、 第三被动连接模块G、第四被动连接模块H、第三支撑架41、第四支撑架 42、第二伺服舵机43、第二电池44、第三轴承47、第二伺服舵机的支撑轴 48、第四轴承49和第二伺服舵机的转矩输出轴50组成，第一被动连接模块 E的一端与第二被动连接模块F的一端固定连接，第三被动连接模块G的 一端与第四被动连接模块H的一端固定连接，第三支撑架41的一端与第一 被动连接模块E的内侧固定连接，第四支撑架42的一端与第三被动连接模 块G的内侧固定连接，第三轴承47设在第三支撑架41的另一端上，第四 轴承49设在第四支撑架42的另一端上，第二伺服舵机43的一端设有第二 伺服舵机的支撑轴48，第二伺服舵机43的另一端为第二伺服舵机的转矩输 出轴50，第二伺服舵机的支撑轴48设在第三轴承47内，第二伺服舵机的 转矩输出轴50设在第四轴承49内，第二伺服舵机的支撑轴48的外端与第 四被动连接模块H固定连接，第二伺服舵机的转矩输出轴50的外端与第二 被动连接模块F固定连接，第二电池44固定在第二伺服舵机43上，第一被 动连接模块E、第二被动连接模块F、第三被动连接模块G和第四被动连接 模块H上均开有四个梯形孔15，每个被动连接模块上的四个梯形孔15分别 与第一主动连接模块A、第二主动连接模块B、第三主动连接模块C或第四 主动连接模块D的面板10上的四个通孔5 —一对应并分别与旋转钩4相连
具体实施方式二：（参见图2、图4和图5)本实施方式与具体实施方式 一的不同点在于，它增加了四个被动连接模块永磁铁17和两个主动连接模 块永磁铁24，第一被动连接模块E、第二被动连接模块F、第三被动连接模 块G和第四被动连接模块H上均开有正交分布的四个锥形孔14，每个锥形孔14内固定一个所述被动连接模块永磁铁17，每个面板10上开有两个锥
形孔23，每个锥形孔23内固定一个主动连接模块永磁铁24，每个面板IO 上的两个主动连接模块永磁铁24分别与第一被动连接模块E、第二被动连 接模块F、第三被动连接模块G或第四被动连接模块H上的对角的两个被 动连接模块永磁铁17相对应。其它组成和连接关系与具体实施方式一相同。 为了减小主动连接模块与被动连接模块之间的不对齐误差，在主动连接模块 上安装有两个永磁铁，被动连接模块上安装有四个永磁铁，依靠永磁铁的对 中性来消除连接时的较大间隙，提高了连接成功率。
具体实施方式三：（参见图1)本实施方式与具体实施方式二的不同点 在于，它增加了第一肋筋35和第二肋筋36，第二肋筋36固定在第一主动 连接模块A和第二主动连接模块B交角处的内壁上，第一肋筋35固定在第 三主动连接模块C和第四主动连接模块D交角处的内壁上。其它与具体实 施方式二相同。增加的第一肋筋35和第二肋筋36对第一主动连接模块A 和第二主动连接模块B以及第三主动连接模块C和第四主动连接模块D起 到了拉撑作用。
具体实施方式四：（参见图3)本实施方式与具体实施方式三的不同点 在于，它增加了第三肋筋45和第四肋筋46，第四肋筋46固定在第一被动 连接模块E和第二被动连接模块F交角处的内壁上，第三肋筋45固定在第 三被动连接模块G和第四被动连接模块H交角处的内壁上。其它与具体实 施方式三相同。增加的第三肋筋45和第四肋筋46对第一被动连接模块E 和第二被动连接模块F以及第三被动连接模块G和第四被动连接模块H起 到了拉撑作用。
模块的驱动机构包括自身旋转自由度驱动与连接机构驱动机构，采用直 流减速微电机作为连接机构的驱动元件，直流减速电机控制容易，同时提高 了模块连接或者分离的速度；模块自身旋转自由度驱动主要满足两点要求： 足够的负载能力和较小的外形尺寸，即驱动机构具有较高的功率/重量比， 为此，选择Hitec HSR5995TG作为驱动舵机，它集成了直流伺服电机、驱 动器、位置检测元件、减速机构等，体积小，输出力矩大，控制接口简单， 采用脉冲宽度调制方式直接进行位置控制，降低了对模块控制系统的要求。