细胞机器人

摘要

本发明提供了一种细胞机器人，采用球形细胞机器人单体组成。细胞机器人单体外壳包括上下两个形状相同的半球体，两个半球体的底面重合装配且中心对称轴相互重合；每个半球体的周向上均匀设置有四个连接面。将两个半球体形成的球体，用两个相同的侧棱长与底面边长相等的正四棱锥构成的正八面体相截，正八面体的每个侧面与球体相截得到一个连接面。连接面设置有连接装置，并实现两个连接面之间正反两种连接方式。每个单体的八个连接面间可与其他细胞机器人单体的任意连接面连接，于是将多个细胞机器人单体重构成多种多样的细胞机器人，可以在不同的环境，如抗震救灾、井下作业、太空探索中完成装配、焊接等不同的任务。

权利要求

1.一种细胞机器人单体，其特征在于，外壳包括上下两个形状相同的半球体，两个半球体的底面重合装配且中心对称轴相互重合；每个半球体的周向上均匀设置有四个连接面；

所述的连接面的获取方式是：将两个半球体形成的球体，用两个相同的侧棱长与底面边长相等的正四棱锥构成的正八面体相截，正八面体的几何中心与球体的球心重合，且正四棱锥的底面与半球体的底面重合，正八面体的每个侧面与球体相截得到一个连接面。

2.根据权利要求1所述的细胞机器人单体，其特征在于，所述的连接面在获取时，设置正八面体的棱长a与球体的直径d满足如下关系式：

3.根据权利要求1所述的细胞机器人单体，其特征在于，所述的连接面设置有连接装置，用于两个细胞机器人单体之间连接，两个连接面之间具有正反两种连接方式，正的连接方式下，两个细胞机器人单体的轴线相互平行，反的连接方式下，两个细胞机器人单体的轴线相交。

4.根据权利要求1所述的细胞机器人单体，其特征在于，所述的细胞机器人单体中设置有扭矩提供装置，使得上下两个半球体绕中心对称轴相对旋转。

5.根据权利要求1所述的细胞机器人单体，其特征在于，所述的细胞机器人单体包括扭矩提供装置，该扭矩提供装置包括电机、中心齿轮以及相拟合三个周边齿轮；三个周边齿轮与中心齿轮相啮合，且三个周边齿轮的位置处于一个等边三角形的三个顶点处；电机输出动力传给中心齿轮，中心齿轮带动与之啮合的三个周边齿轮转动，三个周边齿轮都与一个半球体壳体上设置的内齿轮相啮合，从而带动内齿轮旋转，使得其中一个半球体相对另一个半球体产生相对旋转运动。

6.根据权利要求1所述的细胞机器人单体，其特征在于，所述的细胞机器人单体内部包括改进型四通道点触滑环装置，该点触滑环装置包括滑环和弹针，其中滑环与一个半球体固定连接，弹针与另一个半球体固定连接；滑环上面分布着多圈同心的环形滑道；弹针上面分布着与滑环上同心的环形滑道一一对应的弹针；当滑环和弹针在两个半球体的带动下产生相对转动时，弹针上的弹针触点顶在滑环上的环形滑道里面滑动，使得滑环和弹针始终通电连接。

7.一种细胞机器人，包括两个以上如权利要求1～6任一所述的细胞机器人单体，每两个细胞机器人单体之间通过连接面设置的连接装置相装配。

说明书

细胞机器人

技术领域

[0001] 本发明属于智能机器人技术领域，具体涉及一种细胞机器人。

背景技术

[0002] 随着社会经济的发展，机器人已广泛应用于社会的各个领域，如工业、医疗、农业、军事和救灾等。有些作业环境狭窄、多变且存在各种未知障碍，对于采用轮式、腿式等驱动方式的传统机器人自主移动和越障实现相对困难。现有技术中也提出了一种球形机器人，通过改变内部重心位置提供移动驱动力，方向可变性好，能在泥、沙、雪甚至水中行动，也可在一些危险环境下活动。

[0003] 目前国内外一些著名大学和科研机构也研究过模块化机器人，例如美国USC的CONRO和SUPERBOT，清华大学的组合机器人等，但是上述机器人每个单体只有两个连接面而且机器人单体转角范围有限。

发明内容

[0004] 本发明提供了一种细胞机器人，该细胞机器人采用模块化的设计方式，包括N个结构完全相同的球形细胞机器人单体。每个细胞机器人单体具有八个连接面，而且每两个连接面之间有正反两种连接方式，这就使得多个细胞机器人单体可以重构成多种多样细胞机器人。通过将若干个细胞机器人单体进行重构，可以实现多种复杂构型的机器人运动形式，从而适用不同应用环境进行作业。

[0005] 本发明提供了一种球形细胞机器人单体，外壳包括上下两个形状相同的半球体，两个半球体的底面重合装配且中心对称轴相互重合。每个半球体的周向上均匀设置有四个连接面。所述的连接面的获取方式是：将两个半球体形成的球体，用两个相同的侧棱长与底面边长相等的正四棱锥构成的正八面体相截，正八面体的几何中心与球体的球心重合，且正四棱锥的底面与半球体的底面重合，正八面体的每个侧面与球体相截得到一个连接面。

[0006] 连接面设置有连接装置，用于实现两个细胞机器人单体之间的连接。每个连接面都可以与其他细胞机器人单体的任意连接面之间形成正反两种连接方式。正的连接方式下，两个细胞机器人单体的轴线相互平行，简称“轴平行连接”；反的连接方式下，两个细胞机器人单体的轴线相交，简称“轴相交连接”。

[0007] 一种细胞机器人，包括两个以上所述的细胞机器人单体，每两个细胞机器人单体之间通过连接面设置的连接装置相装配。

[0008] 所述的半球体中设置有扭矩提供装置，使得上下两个半球体绕中心对称轴相对旋转。

[0009] 特别地，本发明的细胞机器人单体内部提供了一种扭矩提供装置，该扭矩提供装置包括电机、中心齿轮以及三个周边齿轮。三个周边齿轮与中心齿轮相啮合，且三个周边齿轮的位置处于一个等边三角形的三个顶点处。电机输出动力传给中心齿轮，中心齿轮带动与之啮合的三个周边齿轮转动，三个周边齿轮都与一个半球体壳体上设置的内齿轮相啮合，从而带动内齿轮旋转，使得其中一个半球体相对另一个半球体产生相对旋转运动。

[0010] 特别地，本发明的细胞机器人单体内部提供了一种改进型四通道点触滑环装置，所述的细胞机器人单体内部包括改进型四通道点触滑环装置，该点触滑环装置包括滑环和弹针，其中滑环与一个半球体固定连接，弹针与另一个半球体固定连接；滑环上面分布着多圈同心的环形滑道；弹针上面分布着与滑环上同心的环形滑道一一对应的弹针；当滑环和弹针在两个半球体的带动下产生相对转动时，弹针上的弹针触点顶在滑环上的环形滑道里面滑动，使得滑环和弹针始终通电连接。

[0011] 本发明的优点与积极效果在于：

[0012] (1)本发明所提供的细胞机器人单体组装方便，并可根据需要组装成机器人，组装形式灵活多样。本发明的细胞机器人单体具有八个连接面，而且每个连接面都可以与其他细胞机器人单体的任意连接面之间形成正反两种连接方式(轴平行连接与轴相交连接)。这就使得M个细胞机器人单体可以重构成多种多样的细胞机器人，可以在不同的环境，如抗震救灾、井下作业、太空探索中完成装配、焊接等不同的任务。

[0013] (2)本发明的细胞机器人单体内部提供的传动装置的三个小齿轮位于等边三角形的三个顶点，等边三角形分布形式可以使三个小齿轮作用在电机输出中心齿轮上的径向力相互抵消，同时三个小齿轮作用在外壳上大内齿轮的径向力也相互抵消，受力均匀，可承受更大的负载。

附图说明

[0014] 图1是本发明的细胞机器人单体的主视图；

[0015] 图2是本发明的细胞机器人单体的俯视图；

[0016] 图3是构成本发明的细胞机器人单体的球形和正八面体位置及相对大小说明图；(a)是球体一般大小情况的说明图，(b)是球体相对正八面体最小时的说明图，(c)是球体相对正八面体最大时的说明图；

[0017] 图4是本发明的两个细胞机器人单体正反两种连接方式的示意图；(a)是“轴平行连接”的示意图，(b)是“轴相交连接”的示意图；

[0018] 图5是实现本发明的细胞机器人单体传动装置的一个示意图；

[0019] 图6是实现本发明的细胞机器人单体传动装置的内部传动结构图；

[0020] 图7是本发明中采用的一种改进型四通道点触滑环装置的结构图；

[0021] 图8是本发明中采用的一种改进型四通道点触滑环装置的滑环示意图；

[0022] 图9是本发明中采用的一种改进型四通道点触滑环装置的弹针示意图；

[0023] 图10是本发明的细胞机器人单体的不同组合构型示意图。

具体实施方式

[0024] 下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

[0025] 细胞是生命活动的基本单位，通过分裂和分化形成不同的组织，进而形成生命体。受此启发，本发明提供了一种细胞机器人，通过球形细胞机器人单体以重构的方式可以形成不同的机器人，例如虫形机器人，双足机器人，四足机器人以及机械臂等等。所以本发明的细胞机器人可以在不同的环境，如抗震救灾、井下作业、太空探索中完成装配、焊接等不同的任务。

[0026] 如图1和2所示，本发明提供的一种细胞机器人单体，外壳包括上下两个形状相同的半球体，两个半球体的底面重合装配且中心对称轴相互重合，两个半球体整体形成一个球体。每个半球体的周向上均匀设置有四个连接面。

[0027] 连接面的获取方式是：将两个半球体形成的球体，用两个相同的侧棱长与底面边长相等的正四棱锥构成的正八面体相截，正八面体的几何中心与球体的球心重合，且正四棱锥的底面与半球体的底面重合，正八面体的每个侧面与球体相截得到一个连接面。

[0028] 如图3的(a)、(b)和(c)所示，细胞机器人单体球体的球心位于正四棱锥底面中心位置。设正四棱锥的侧棱长与底面边长均为a，即正八面体的棱长为a，球体的直径为d。为了保证球体与正八面体的八个侧面相交截得细胞机器人单体的八个连接面，球体的直径d与正八面体的棱长a应该满足如下关系式：

[0029]

[0030] 图3的(a)是球体一般大小时的情况，其中A与B为球体与正八面体的一个侧面相交的两个点，(b)是球体相对正八面体最小时的情况，此时球体的直径d为 (c)是球体相对正八面体最大时的情况，此时球体的直径d为a。由于需要正八面体与球体相截得一个面，因此球体的直径d与正八面体的棱长a需要满足上面关系式。

[0031] 正四棱锥的每个侧面与球形相截得一个连接面，每个连接面均配置有连接装置，使其能够与其他细胞机器人单体产生机械与电气连接或单纯机械连接。细胞机器人单体中八个连接面所形成的正八面体结构可以保证细胞机器人单体可以同时在所有连接面中与其他细胞机器人单体产生连接，每个细胞机器人单体最多可以与八个细胞机器人单体产生连接。

[0032] 如图4所示，为两个细胞机器人单体正反两种连接方式下的示意图。两个细胞机器人单体之间通过连接面的连接装置装配连接一起，正的连接方式下，如图4中的(a)所示，两个细胞器人单体的轴线相互平行，简称“轴平行连接”；反的连接方式下，如图4中的(b)所示，两个细胞机器人单体的轴线相交，简称“轴相交连接”。细胞机器人单体的轴线就是细胞机器人单体的中心对称轴。

[0033] 如图5和图6所示，细胞机器人单体中含有扭矩提供装置，该扭矩提供装置可以提供扭力以驱动细胞机器人单体的两个半球体围绕其中心对称轴产生相对旋转运动。

[0034] 实现方式一：本发明的细胞机器人单体内部提供了一种扭矩提供装置，该扭矩提供装置具体表现为一种基于等边三角分布式的齿轮传动装置。该装置包括电机10、中心齿轮11以及三个小齿轮12,13,14。电机10输出动力传给中心齿轮11，中心齿轮11再分别带动与之啮合的位于等边三角形三个顶点的小齿轮12、小齿轮13和小齿轮14转动。三个小齿轮12、13和14都与其中一个半球体外壳上的大内齿轮15相啮合，从而带动大内齿轮15旋转，使得其中一个半球体相对另一个半球体产生相对旋转运动。这种实现方式下，三个小齿轮位于等边三角形三个顶点，这样的等边三角形分布形式可以使三个小齿轮作用在电机输出中心齿轮11上的径向力相互抵消，同时三个小齿轮作用在外壳体上大内齿轮15的径向力也相互抵消，受力均匀，可以承受更大的负载。

[0035] 其中两个半球体之间相对旋转时的承力装置，可采用一种二级轴承承力装置。其中，二级轴承的外圈是其中一个半球体壳体，内圈是另一个半球体壳体，K个小轴承周向均匀地设置在外圈和内圈之间，小轴承的内圈与二级轴承的内圈相固定，小轴承的外圈与二级轴承的外圈内侧相接触。

[0036] 实现方式二：采用涡轮蜗杆减速结构，具体实现方式为：电机通过一对齿轮副将动力传动到蜗杆上，再通过蜗轮蜗杆副的作用，带动蜗轮旋转，而蜗轮与细胞机器人单体的其中一个半壳体固定连接。从而使细胞机器人单体中的一个半壳体相对另一个半壳体产生相对旋转运动。蜗轮蜗杆的自锁性能，不仅能够降低系统控制难度，而且在断电情况下可保持机器人构型，节约能源。

[0037] 以上两种实现方式只是举例，并不说明此专利只局限于以上两种实现方式。

[0038] 细胞机器人单体中含有旋转相对角度检测装置，该装置可以检测细胞机器人单体中两个半球体的相对旋转角度。通过测量两个半球体的相对旋转角度，将测得的旋转角度信号反馈回到控制器中，形成闭环，实现细胞机器人单体的伺服控制。任何可以实现测量细胞机器人单体旋转角度的角度测量装置均可使用。

[0039] 如图7，图8和图9所示，由于细胞机器人单体中两个半球体之间存在相对旋转运动，当两个半球体之间通过电缆线直接通电接触时，那么电缆线会随着两个半球体的旋转而缠绕在一起，使旋转运动无法继续进行。对此，本发明采用了一种改进型的四通道点触滑环装置取代传统电缆线直接通电接触，来保证两个半球体实现旋转运动的同时始终通电接触。

[0040] 具体实现方式表现为：一种改进型四通道点触滑环装置，包括滑环20和弹针21，其中滑环20与其中一个半球体固定连接，滑环20上面分布着多圈同心的环形滑道；弹针21与另一个半球体固定连接，弹针21上面分布着与滑环20上同心的环形滑道一一对应的弹针。当滑环20和弹针21在两个半球体的带动下产生相对转动时，弹针21上的弹针触点顶在滑环
20上的环形滑道里面滑动，保证滑环20和弹针21始终通电连接，也就是两个半球体之间相对旋转的同时能够始终通电接触。

[0041] 如图10所示，为由若干细胞机器人单体连接一起的不同组合构型示意图。各个细胞机器人单体之间通过连接面的连接装置装配连接一起。基于本发明所述的细胞机器人单体，由若干细胞机器人单体连接形成一种细胞机器人。细胞机器人中每两个细胞机器人单体通过连接面的连接装置相连接。每个细胞机器人单体都具有一个旋转自由度，而由M个细胞机器人单体所组成的细胞机器人，就具有M个自由度，其中M＝1,2,…N。所以细胞机器人根据其组成单体个数不同，构型差异，例如虫形机器人，双足机器人，四足机器人以及机械臂等等，就具有了不同的运动方式。细胞机器人运动方式灵活多样，可以根据不同的任务要求进行不同的重构以实现不同的功能运动。