談細胞機器人轉(zhuǎn)動與連接單元結(jié)構設計

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摘要：本文主要研究的是一種基于齒輪齒條傳動的空間細胞機器人，它是由滑塊、十字導軌、導軌支桿、支撐板、導軌組件、帶溝槽的錐齒輪、不完全錐齒輪、伺服電機、齒條、殼體端蓋、傳動軸和不完全圓柱齒輪等組成。伺服電機帶動不完全圓柱齒輪和不完全錐齒輪進行同步轉(zhuǎn)動，同時帶動齒條移動，進而推動與齒條相連的十字導軌與導軌組件向前移動，完成直線驅(qū)動工作；當不完全錐齒輪的有齒部分與溝槽錐齒輪相互嚙合時，四組導軌組件沿殼體端蓋的溝槽徑向移動，完成轉(zhuǎn)動驅(qū)動工作；當兩個相連接的空間細胞機器人斷開時，伺服電機反轉(zhuǎn)，不完全圓柱齒輪和與齒條共同作用，四組導軌組件開始縮回，回到初始位置，完成空間細胞機器人的分離斷開工作。

關鍵詞：空間細胞機器人；模塊；齒輪；齒條

1研究意義

傳統(tǒng)機器人生產(chǎn)制造理念在于對某一事物的制造生產(chǎn)用途具有針對性的要求而制造，而對于其相應的制造性成本偏高，功能性單一兼容性差但是如果通過自重機器人的改裝就可以實現(xiàn)機器人的復合型工作，雖然單體的自主工作實現(xiàn)能力差，但是合在一起可以實現(xiàn)最大程度的功能化，相對更加復雜的任務，復合型機器人具有更加強大的能力來實現(xiàn)工作完成收益，加強其相對實用性并且空間細胞機器人較于傳統(tǒng)的機器人來說具有更加無法比擬的優(yōu)勢：

1.1自重構功能

細胞機器人針對于相關的環(huán)境與對應的任務選擇可提供出不同的模式選擇模式，針對于相應的環(huán)境與任務選擇做出對應配置目標重構功能，針對不同環(huán)境可作出相應的最合理選擇，加強對不可確定性的任務完成加大保障，并且更好的完成相應任務。

1.2自修復功能

對于工作的機器人構建模塊發(fā)生問題時其其他相應的構建模塊可以對其進行修復，并相應的構建模塊可以保證其進行有效的替換，從而保證任務合理有效地進行。

1.3功能擴展性

因為其構成相應模塊的機器人具有不同的機械與電氣性接口，通過不同的相應功能模塊可以實現(xiàn)對應的機器配置與相應功能。

1.4自我適應性

機器人的相對應修復以及重建功能決定了機器人具有相應的良好適應性，從而使其具有良好的自我環(huán)境適應性與結(jié)構化的環(huán)境適應性，用來適應環(huán)境。

2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀分析

目前，針對于自重構機器人模塊設計，現(xiàn)階段國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀主要體現(xiàn)在兩個方面：其一為模塊單元的功能結(jié)構，其二為連接與組合方式。機器人的模塊單元結(jié)構是具有相同與不同的結(jié)構與功能是否相同，其可認為同構與異構的兩種類型，并且異構的在設計之時便具有相應的針對性，適應于某些特定功能的場景但是由于某些異類模塊的構成使其具有了特定功能犧牲了其具有的互換性和通用性。因此，在已有的典型自重構機器人原型中，大多數(shù)采用了同構方式。

2.1單元模塊的連接和組合方式

根據(jù)重構方式的不同，自重構機器人主要可以分為點陣式、串聯(lián)式、移動式三種。其中針對點陣式的機器人構成主要特點就在整個構成網(wǎng)絡空間上擁有詳細合理的位置，通過相應的組成和構成具有不同的系統(tǒng)性形狀，成為具有相應性質(zhì)的整體構成，串聯(lián)式自重構機器人利用模塊串聯(lián)成為串聯(lián)式或分支的樹狀結(jié)構，通過模塊間的相對運動形成整體機器人的宏觀移動，最終實現(xiàn)系統(tǒng)的各種運動模式。相應模塊進行部分運動機器的相關副關節(jié)運動，通過相應的整體控制進行其對于整個移動獨立的進行從而實現(xiàn)其整體獨立自主完成任務的可能。

2.2連接機構是自重構機器人細胞模塊的關鍵組成

細胞是自重構機器人的最小組成單元，細胞的功能直接決定所組成機器人的重構能力、運動能力，進而影響機器人所采用的控制系統(tǒng)、重構算法以及運動規(guī)劃的復雜性。其中對于自我重構的機器人自身情況出發(fā)，通過其相應的對比分析來看其對應的相對靈活性與控制性出發(fā)從而搭配最簡單的構成關鍵。從提高控制系統(tǒng)的靈活性及細胞單元運動的穩(wěn)定性角度出發(fā)，確定細胞單元的外形及自由度搭配方案；進而根據(jù)模塊的功能組成，對模塊的關節(jié)結(jié)構、連接機構進行詳細設計。對機器人的塑造與構成之間其機器人細胞模塊均具有重要的作用。針對連接機構的結(jié)構形式，以能夠?qū)崿F(xiàn)直線驅(qū)動部分和轉(zhuǎn)動驅(qū)動部分相配合為目標，通過理論計算確定連接機構的尺寸。在尺寸確定的基礎上，對連接機構的結(jié)構進行詳細設計，為減輕細胞單元的質(zhì)量，設計過程中考慮一些零部件的輕量化問題。

3結(jié)論

空間細胞機器人作為一種自重構模塊化機器人具有一般模塊化機器人的共性——其能夠?qū)τ谙鄳沫h(huán)境做出自己相應的反映，根據(jù)其相應的任務以及環(huán)境做出相應的反映，針對不同的任務與相應的自身結(jié)構做出相應的基本模型反映。根據(jù)相應的某塊特點以及其相應的建構模型，因此其構型描述、自重構規(guī)劃更加復雜。針對細胞機器人特點，本文主要研究內(nèi)容有：細胞機器人的構建情況類型以及其構型數(shù)學描述、自重構過程規(guī)劃、自重構過程細胞（組織）自主連接研究。針對于對空間細胞機器人的相應構建情況可以進行對應的過程進行部分動作仿真從而加強其對于相應的自主策略以及自我驗證的可行性。通過不同模塊的進行組合拆分從未達到其對應自主鏈接策略的可行性。對于自主細胞機器人的優(yōu)化與模塊的自重構成以及其自我完善與自我重構能力進行相應的分析，通過最合理的情況解析從而達到最優(yōu)解對其相應的解決達到最優(yōu)程序，其中現(xiàn)階段對于自主優(yōu)化模塊型機器人具有詳細的廣泛的模式結(jié)構，其相對于自身涉及到的方面也相當廣泛，本文只對空間細胞機器人的從初始構型到目標構型的自重構過程以及自主連接進行研究，因此還有許多問題需要進一步研究與解決。

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作者：唐聰 單位：黑龍江工商學院