談細(xì)胞機(jī)器人轉(zhuǎn)動(dòng)與連接單元結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

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

關(guān)鍵詞：空間細(xì)胞機(jī)器人；模塊；齒輪；齒條

1研究意義

傳統(tǒng)機(jī)器人生產(chǎn)制造理念在于對(duì)某一事物的制造生產(chǎn)用途具有針對(duì)性的要求而制造，而對(duì)于其相應(yīng)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(jī)器人的改裝就可以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的復(fù)合型工作，雖然單體的自主工作實(shí)現(xiàn)能力差，但是合在一起可以實(shí)現(xiàn)最大程度的功能化，相對(duì)更加復(fù)雜的任務(wù)，復(fù)合型機(jī)器人具有更加強(qiáng)大的能力來實(shí)現(xiàn)工作完成收益，加強(qiáng)其相對(duì)實(shí)用性并且空間細(xì)胞機(jī)器人較于傳統(tǒng)的機(jī)器人來說具有更加無法比擬的優(yōu)勢(shì)：

1.1自重構(gòu)功能

細(xì)胞機(jī)器人針對(duì)于相關(guān)的環(huán)境與對(duì)應(yīng)的任務(wù)選擇可提供出不同的模式選擇模式，針對(duì)于相應(yīng)的環(huán)境與任務(wù)選擇做出對(duì)應(yīng)配置目標(biāo)重構(gòu)功能，針對(duì)不同環(huán)境可作出相應(yīng)的最合理選擇，加強(qiáng)對(duì)不可確定性的任務(wù)完成加大保障，并且更好的完成相應(yīng)任務(wù)。

1.2自修復(fù)功能

對(duì)于工作的機(jī)器人構(gòu)建模塊發(fā)生問題時(shí)其其他相應(yīng)的構(gòu)建模塊可以對(duì)其進(jìn)行修復(fù)，并相應(yīng)的構(gòu)建模塊可以保證其進(jìn)行有效的替換，從而保證任務(wù)合理有效地進(jìn)行。

1.3功能擴(kuò)展性

因?yàn)槠錁?gòu)成相應(yīng)模塊的機(jī)器人具有不同的機(jī)械與電氣性接口，通過不同的相應(yīng)功能模塊可以實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)的機(jī)器配置與相應(yīng)功能。

1.4自我適應(yīng)性

機(jī)器人的相對(duì)應(yīng)修復(fù)以及重建功能決定了機(jī)器人具有相應(yīng)的良好適應(yīng)性，從而使其具有良好的自我環(huán)境適應(yīng)性與結(jié)構(gòu)化的環(huán)境適應(yīng)性，用來適應(yīng)環(huán)境。

2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀分析

目前，針對(duì)于自重構(gòu)機(jī)器人模塊設(shè)計(jì)，現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面：其一為模塊單元的功能結(jié)構(gòu)，其二為連接與組合方式。機(jī)器人的模塊單元結(jié)構(gòu)是具有相同與不同的結(jié)構(gòu)與功能是否相同，其可認(rèn)為同構(gòu)與異構(gòu)的兩種類型，并且異構(gòu)的在設(shè)計(jì)之時(shí)便具有相應(yīng)的針對(duì)性，適應(yīng)于某些特定功能的場(chǎng)景但是由于某些異類模塊的構(gòu)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(gòu)機(jī)器人原型中，大多數(shù)采用了同構(gòu)方式。

2.1單元模塊的連接和組合方式

根據(jù)重構(gòu)方式的不同，自重構(gòu)機(jī)器人主要可以分為點(diǎn)陣式、串聯(lián)式、移動(dòng)式三種。其中針對(duì)點(diǎn)陣式的機(jī)器人構(gòu)成主要特點(diǎn)就在整個(gè)構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)空間上擁有詳細(xì)合理的位置，通過相應(yīng)的組成和構(gòu)成具有不同的系統(tǒng)性形狀，成為具有相應(yīng)性質(zhì)的整體構(gòu)成，串聯(lián)式自重構(gòu)機(jī)器人利用模塊串聯(lián)成為串聯(lián)式或分支的樹狀結(jié)構(gòu)，通過模塊間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)形成整體機(jī)器人的宏觀移動(dòng)，最終實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的各種運(yùn)動(dòng)模式。相應(yīng)模塊進(jìn)行部分運(yùn)動(dòng)機(jī)器的相關(guān)副關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)，通過相應(yīng)的整體控制進(jìn)行其對(duì)于整個(gè)移動(dòng)獨(dú)立的進(jìn)行從而實(shí)現(xiàn)其整體獨(dú)立自主完成任務(wù)的可能。

2.2連接機(jī)構(gòu)是自重構(gòu)機(jī)器人細(xì)胞模塊的關(guān)鍵組成

細(xì)胞是自重構(gòu)機(jī)器人的最小組成單元，細(xì)胞的功能直接決定所組成機(jī)器人的重構(gòu)能力、運(yùn)動(dòng)能力，進(jìn)而影響機(jī)器人所采用的控制系統(tǒng)、重構(gòu)算法以及運(yùn)動(dòng)規(guī)劃的復(fù)雜性。其中對(duì)于自我重構(gòu)的機(jī)器人自身情況出發(fā)，通過其相應(yīng)的對(duì)比分析來看其對(duì)應(yīng)的相對(duì)靈活性與控制性出發(fā)從而搭配最簡(jiǎn)單的構(gòu)成關(guān)鍵。從提高控制系統(tǒng)的靈活性及細(xì)胞單元運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性角度出發(fā)，確定細(xì)胞單元的外形及自由度搭配方案；進(jìn)而根據(jù)模塊的功能組成，對(duì)模塊的關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)、連接機(jī)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)。對(duì)機(jī)器人的塑造與構(gòu)成之間其機(jī)器人細(xì)胞模塊均具有重要的作用。針對(duì)連接機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式，以能夠?qū)崿F(xiàn)直線驅(qū)動(dòng)部分和轉(zhuǎn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)部分相配合為目標(biāo)，通過理論計(jì)算確定連接機(jī)構(gòu)的尺寸。在尺寸確定的基礎(chǔ)上，對(duì)連接機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)，為減輕細(xì)胞單元的質(zhì)量，設(shè)計(jì)過程中考慮一些零部件的輕量化問題。

3結(jié)論

空間細(xì)胞機(jī)器人作為一種自重構(gòu)模塊化機(jī)器人具有一般模塊化機(jī)器人的共性——其能夠?qū)τ谙鄳?yīng)的環(huán)境做出自己相應(yīng)的反映，根據(jù)其相應(yīng)的任務(wù)以及環(huán)境做出相應(yīng)的反映，針對(duì)不同的任務(wù)與相應(yīng)的自身結(jié)構(gòu)做出相應(yīng)的基本模型反映。根據(jù)相應(yīng)的某塊特點(diǎn)以及其相應(yīng)的建構(gòu)模型，因此其構(gòu)型描述、自重構(gòu)規(guī)劃更加復(fù)雜。針對(duì)細(xì)胞機(jī)器人特點(diǎn)，本文主要研究?jī)?nèi)容有：細(xì)胞機(jī)器人的構(gòu)建情況類型以及其構(gòu)型數(shù)學(xué)描述、自重構(gòu)過程規(guī)劃、自重構(gòu)過程細(xì)胞（組織）自主連接研究。針對(duì)于對(duì)空間細(xì)胞機(jī)器人的相應(yīng)構(gòu)建情況可以進(jìn)行對(duì)應(yīng)的過程進(jìn)行部分動(dòng)作仿真從而加強(qiáng)其對(duì)于相應(yīng)的自主策略以及自我驗(yàn)證的可行性。通過不同模塊的進(jìn)行組合拆分從未達(dá)到其對(duì)應(yīng)自主鏈接策略的可行性。對(duì)于自主細(xì)胞機(jī)器人的優(yōu)化與模塊的自重構(gòu)成以及其自我完善與自我重構(gòu)能力進(jìn)行相應(yīng)的分析，通過最合理的情況解析從而達(dá)到最優(yōu)解對(duì)其相應(yīng)的解決達(dá)到最優(yōu)程序，其中現(xiàn)階段對(duì)于自主優(yōu)化模塊型機(jī)器人具有詳細(xì)的廣泛的模式結(jié)構(gòu)，其相對(duì)于自身涉及到的方面也相當(dāng)廣泛，本文只對(duì)空間細(xì)胞機(jī)器人的從初始構(gòu)型到目標(biāo)構(gòu)型的自重構(gòu)過程以及自主連接進(jìn)行研究，因此還有許多問題需要進(jìn)一步研究與解決。

參考文獻(xiàn)

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作者：唐聰 單位：黑龍江工商學(xué)院