CN110561404A - 模块化可重构机器人教具 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种模块化可重构机器人教具，该教具包括底盘、连杆、延长杆、滑块、末端执行器、转动连接件和固定连接件，底盘、连杆、滑块以及末端执行器中的任意两个均可实现连接，转动连接件用于实现底盘、连杆、滑块以及末端执行器中的任意两个之间的可转动连接，固定连接件用于实现底盘、连杆、滑块以及末端执行器中的任意两个之间的固定连接，延长杆与连杆连接，滑块可沿连杆或延长杆移动，教具通过从底盘、连杆、延长杆、滑块、末端执行器、转动连接件和固定连接件中选择合适部件并进行连接组合以完成多种机器人构型。应用本发明的技术方案，以解决现有技术中高校教学机器人短缺、价格昂贵且种类较少，无法满足高校教学需求的技术问题。

Description

模块化可重构机器人教具

技术领域

本发明涉及机器人技术领域，尤其涉及一种模块化可重构机器人教具。

背景技术

随着机器人技术广泛应用，国内高校关于机器人结构方面的开展课程迅速增加，往往高校为了满足教学需要买进大量昂贵设备。购买的设备多为成品工业机器人，价格昂贵的同时，并不能满足学生学习多种工业机器人本体结构、正逆运动学的教学需要。学生由于基础薄弱，很难在机器数目短缺导致的短教学时间内仔细了解多种工业机器人的结构。同时机器人的理论知识也较为枯燥和抽象，但却面临无合适的教学设备可用，学生往往很少有机会，或甚至没有机会去真正了解这些工业机器人。高校课上往往由于知识的枯燥，难以培养学生们对机器人学科的兴趣，上课内容不够形象，无法展示出机器人运动时的状态，不利于学生们对于机器人课程的学习。工业机器人作为普遍使用的机器人种类，其应用场合十分广泛，结构非常典型。如果将其模块化、产品化、轻量化和实用化将对于正逆运动学、机器人本体结构等教学任务有很大帮助。

发明内容

本发明提供了一种模块化可重构机器人教具，能够解决现有技术中高校教学机器人短缺、价格昂贵且种类较少，无法满足高校教学需求的技术问题。

本发明提供了一种模块化可重构机器人教具，模块化可重构机器人教具包括底盘、连杆、延长杆、滑块、末端执行器、转动连接件和固定连接件，底盘、连杆、滑块以及末端执行器中的任意两个均可实现连接，转动连接件用于实现底盘、连杆、滑块以及末端执行器中的任意两个之间的可转动连接，固定连接件用于实现底盘、连杆、滑块以及末端执行器中的任意两个之间的固定连接，延长杆与连杆连接，滑块可沿连杆或延长杆移动，模块化可重构机器人教具通过从底盘、连杆、延长杆、滑块、末端执行器、转动连接件和固定连接件中选择合适部件并进行连接组合以完成多种机器人构型，多种机器人构型包括球坐标机器人、SCARA机器人和6R机器人。

进一步地，底盘具有第一配合孔，连杆具有第二配合孔、第三配合孔和第一滑槽，滑块具有第四配合孔，滑块包括凸块，滑块通过凸块与第一滑槽相配合以实现其沿连杆的移动，延长杆具有第二滑槽，滑块通过凸块与第二滑槽相配合以实现其沿延长杆的移动，末端执行器包括第一配合凸起，转动连接件包括第二配合凸起，转动连接件具有第五配合孔，固定连接件具有第三配合凸起，第一配合孔、第二配合孔、第三配合孔、第四配合孔和第五配合孔的结构均相同，第一配合凸起、第二配合凸起和第三配合凸起的结构均相同，任一配合孔均可与任一配合凸起相配合。

进一步地，连杆包括连杆主体、第一连接头和第二连接头，第一连接头的一端与连杆主体固定连接，第二连接头与连杆主体的另一端可拆卸连接，第一连接头具有第二配合孔，第二连接头具有第三配合孔和第一楔形配合孔，连杆主体具有多个沿连接主体的长度方向间隔设置的第一滑槽，连杆主体的另一端为第一楔形凸起，第一楔形凸起与第一楔形配合孔相配合；延长杆的一端具有第二楔形凹槽，第二楔形凹槽与第一楔形凹槽结构相同，第二楔形凹槽可与第一楔形凸起相配合，延长杆的另一端具有第二楔形凸起，第二楔形凸起与第一楔形凸起结构相同，第二楔形凸起可与第一楔形凹槽相配合，延长杆具有多个沿延长杆的长度方向间隔设置的第二滑槽。

进一步地，滑块还包括第一滑块单元和第二滑块单元，凸块包括第一摩擦条和第二摩擦条，第一滑块单元具有第一摩擦条容纳孔，第二滑块单元具有第二摩擦条容纳孔，第一摩擦条容纳孔与第二摩擦条容纳孔相对设置，第一摩擦条设置在第一摩擦条容纳孔内，第二摩擦条设置在第二摩擦条容纳孔内，第一滑块单元和第二滑块单元通过榫卯结构相连接以形成滑块本体，第四配合孔设置在滑块本体上。

进一步地，滑块还包括第一阻尼调节单元和第二阻尼调节单元，第一阻尼调节单元设置在第一滑块单元上，第一阻尼调节单元用于调节第一摩擦条与第一滑槽或第二滑槽之间的摩擦力；第二阻尼调节单元设置在第二滑块单元上，第二阻尼调节单元用于调节第二摩擦条与第一滑槽或第二滑槽之间的摩擦力。

进一步地，转动连接件包括转轴座组件和转轴主体组件，转轴主体组件的一端可转动地设置在转轴座组件上，转轴主体组件的另一端为第二配合凸起，第五配合孔设置在转轴座组件上。

进一步地，转动连接件还包括第三阻尼调节单元和摩擦组件，第三阻尼调节单元设置在转轴座组件上，摩擦组件设置在第三阻尼调节单元上，第三阻尼调节单元用于调节摩擦组件与转轴主体组件之间的摩擦力。

进一步地，转轴主体组件具有第一钢珠容纳孔、第二钢珠容纳孔和转轴主体容纳孔，第一钢珠容纳孔和第二钢珠容纳孔相对设置在转轴主体组件上，转动连接件还包括第一弹簧、第一钢珠和第二钢珠，第一弹簧设置在转轴主体容纳孔内，第一钢珠固定设置在第一弹簧的一端且与第一钢珠容纳孔相配合，第一钢珠的直径大于第一钢珠容纳孔的孔径；第二钢珠固定设置在第一弹簧的另一端且与第二钢珠容纳孔相配合，第二钢珠的直径大于第二钢珠容纳孔的孔径。

进一步地，固定连接件包括连接件主体、第二弹簧、第三弹簧、第三钢珠、第四钢珠、第五钢珠和第六钢珠，连接件主体的两端均为第三配合凸起，连接件主体具有第三钢珠容纳孔、第四钢珠容纳孔、第五钢珠容纳孔、第六钢珠容纳孔和弹簧容纳孔，第二弹簧和第三弹簧均设置在弹簧容纳孔内，第三钢珠固定设置在第二弹簧的一端且与第三钢珠容纳孔相配合，第三钢珠的直径大于第三钢珠容纳孔的孔径；第四钢珠固定设置在第二弹簧的另一端且与第四钢珠容纳孔相配合，第四钢珠的直径大于第四钢珠容纳孔的孔径；第五钢珠固定设置在第三弹簧的一端且与第五钢珠容纳孔相配合，第五钢珠的直径大于第五钢珠容纳孔的孔径；第六钢珠固定设置在第三弹簧的另一端且与第六钢珠容纳孔相配合，第六钢珠的直径大于第六钢珠容纳孔的孔径。

进一步地，末端执行器包括抓手和末端连接杆，末端连接杆的一端与抓手连接，末端连接杆的另一端为第一配合凸起。

应用本发明的技术方案，提供了一种模块化可重构机器人教具，该教具采用模块化结构，底盘、连杆、滑块以及末端执行器中的任意两个均可实现连接，转动连接件可用于实现底盘、连杆、滑块以及末端执行器中的任意两个之间的可转动连接，固定连接件可用于实现底盘、连杆、滑块以及末端执行器中的任意两个之间的固定连接，在此种方式下，可根据不同的需求从底盘、连杆、延长杆、滑块、末端执行器、转动连接件和固定连接件中选择合适部件并进行连接组合以完成多种机器人构型，从而形成球坐标机器人、SCARA机器人和6R机器人等构型，实现机器人教具的可重构能力。

附图说明

所包括的附图用来提供对本发明实施例的进一步的理解，其构成了说明书的一部分，用于例示本发明的实施例，并与文字描述一起来阐释本发明的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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。

图1示出了根据本发明的具体实施例提供的模块化可重构机器人教具的结构示意图；

图2示出了图1中提供的模块化可重构机器人教具的主视图；

图3示出了根据本发明的具体实施例提供的底盘的结构示意图；

图4示出了根据本发明的具体实施例提供的连杆的结构示意图；

图5示出了根据本发明的具体实施例提供的延长杆的结构示意图；

图6示出了根据本发明的具体实施例提供的滑块的结构示意图；

图7示出了图6中提供的滑块的主视图；

图8示出了根据本发明的具体实施例提供的转动连接件的结构示意图；

图9示出了图8中提供的转动连接件的爆炸图；

图10示出了根据本发明的具体实施例提供的固定连接件的结构示意图；

图11示出了根据本发明的具体实施例提供的末端执行器的结构示意图。

其中，上述附图包括以下附图标记：

10、底盘；10a、第一配合孔；11、吸盘；12、吸盘杆；13、六边盘；20、连杆；20a、第二配合孔；20b、第三配合孔；20c、第一滑槽；21、连杆主体；22、第一连接头；23、第二连接头；30、延长杆；30a、第二滑槽；30b、第二楔形凹槽；301、第二楔形凸起；40、滑块；40a、第四配合孔；401、滑块本体；41、凸块；411、第一摩擦条；412、第二摩擦条；42、第一滑块单元；42a、第一摩擦条容纳孔；43、第二滑块单元；43a、第二摩擦条容纳孔；44、第一阻尼调节单元；441、第一高头滚花螺钉；442、第一薄螺母；45、第二阻尼调节单元；50、末端执行器；501、第一配合凸起；51、抓手；52、末端连接杆；60、转动连接件；60a、第五配合孔；601、第二配合凸起；61、转轴座组件；611、转轴座；612、大转轴座盖；613、小转轴座盖；62、转轴主体组件；62a、第一钢珠容纳孔；62b、第二钢珠容纳孔；62c、转轴主体容纳孔；621、转轴主体；622、转轴盖；623、转轴圆盘；624、转轴圆柱体；63、第三阻尼调节单元；631、第二高头滚花螺钉；632、第二薄螺母；64、摩擦组件；641、推头；642、第三摩擦条；65、第一弹簧；66、第一钢珠；67、第二钢珠；601、第二配合凸起；70、固定连接件；701、第三配合凸起；71、连接件主体；711、接头盒；712、接头盖；71a、第三钢珠容纳孔；71b、第四钢珠容纳孔；71c、第五钢珠容纳孔；71d、第六钢珠容纳孔；71e、弹簧容纳孔；72、第二弹簧；73、第三弹簧；74、第三钢珠；75、第四钢珠；76、第五钢珠；77、第六钢珠。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。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、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

如图1至图5所示，根据本发明的具体实施例提供了一种模块化可重构机器人教具，该模块化可重构机器人教具包括底盘10、连杆20、延长杆30、滑块40、末端执行器50、转动连接件60和固定连接件70，底盘10、连杆20、滑块40以及末端执行器50中的任意两个均可实现连接，转动连接件60用于实现底盘10、连杆20、滑块40以及末端执行器50中的任意两个之间的可转动连接，固定连接件70用于实现底盘10、连杆20、滑块40以及末端执行器50中的任意两个之间的固定连接，延长杆30与连杆20连接，滑块40可沿连杆20或延长杆30移动，模块化可重构机器人教具通过从底盘10、连杆20、延长杆30、滑块40、末端执行器50、转动连接件60和固定连接件70中选择合适部件并进行连接组合以完成多种机器人构型，多种机器人构型包括球坐标机器人、SCARA机器人和6R机器人。

应用此种配置方式，提供了一种模块化可重构机器人教具，该教具采用模块化结构，底盘、连杆、滑块以及末端执行器中的任意两个均可实现连接，转动连接件可用于实现底盘、连杆、滑块以及末端执行器中的任意两个之间的可转动连接，固定连接件可用于实现底盘、连杆、滑块以及末端执行器中的任意两个之间的固定连接，在此种方式下，可根据不同的需求从底盘、连杆、延长杆、滑块、末端执行器、转动连接件和固定连接件中选择合适部件并进行连接组合以完成多种机器人构型，从而形成球坐标机器人、SCARA机器人和6R机器人等构型，实现机器人教具的可重构能力。

作为本发明的第一具体实施例，图1和图2示出了采用本发明的机器人教具组成的球坐标机器人。该球坐标机器人由底盘10、连杆20、延长杆30、滑块40、末端执行器50、转动连接件60和固定连接件70组成。底盘10通过固定在平面上，固定连接件70的一端安装于底盘10上，另一端与连杆20连接。两个转动连接件60连接到连杆20上形成转动副，通过两转轴相连接使得两转动轴线相互垂直。滑块40安装在转动连接件60上，并与由延长杆30和连杆20共同组成的组合杆连接形成移动副，在组合杆的一端安装两个轴线相互垂直的转动连接件60，再将末端执行器50安装在转动连接件60上，就完成了球坐标机器人构型的搭建。

作为本发明的第二具体实施例(图中未示出)，提供了一种采用本发明的机器人教具组成的6R机器人，该6R机器人构型由底盘10、连杆20、延长杆30、转动连接件60、末端执行器50和固定连接件70组成。底盘10固定于平面上，在底盘10上安装第一个转动连接件60，之后在该第一个转动连接件60上再安装第二个转动连接件60，形成两个转动轴线相互垂直的转动副。在第二个转动连接件60上安装第一个固定连接件70，之后在第一个固定连接件70上连接第一个连杆20，第一个连杆20可与延长杆30连接以延长机器人的杆长。第一个连杆20上再连接拼接在一起的第三个转动连接件60和第四个转动连接件60。在第四个转动连接件60上再安装第二个固定连接件70，再将第二个连杆20与第二个固定连接件70相连。第二个连杆20上再连接一对轴线相互垂直的第五个转动连接件60和第六个转动连接件60，在第六个转动连接件60上安装末端执行器50，由此即组成了6R机器人构型。

作为本发明的第三具体实施例(图中未示出)，提供了一种采用本发明的机器人教具组成的SCARA机器人，该SCARA机器人构型由底盘10、连杆20、滑块40、延长杆30、转动连接件60、末端执行器50和固定连接件70组成。底盘10固定于平面上，在底盘10上安装第一个固定连接件70，之后再将第一个连杆20与第一个固定连接件70配合，接着在第一个连杆20的另一端安装第二个固定连接件70，再将第一个转动连接件60与第一个固定连接件70相连接。之后将第二个连杆20与第一个转动连接件60拼接，在第二个连杆20的另一端再安装第三个固定连接件70，接着将第二个转动连接件60与第三个固定连接件70拼接。第二个转动连接件60再连接第三个连杆20，在第三个连杆20的另一端安装滑块40。再将第四个连杆20与滑块40进行配合形成移动副，在第四个连杆20的一端安装第三个转动连接件60，最后将末端执行器50安装在第三个转动连接件60上，就组成了SCARA机器人构型。

进一步地，在本发明中，为了实现机器人教具中各部件之间的连接，可将底盘10配置为具有第一配合孔10a，连杆20具有第二配合孔20a、第三配合孔20b和第一滑槽20c，滑块40具有第四配合孔40a，滑块40包括凸块41，滑块40通过凸块41与第一滑槽20c相配合以实现其沿连杆20的移动，延长杆30具有第二滑槽30a，滑块40通过凸块41与第二滑槽30a相配合以实现其沿延长杆30的移动，末端执行器50包括第一配合凸起501，转动连接件60包括第二配合凸起601，转动连接件60具有第五配合孔60a，固定连接件70具有第三配合凸起701，第一配合孔10a、第二配合孔20a、第三配合孔20b、第四配合孔40a和第五配合孔60a的结构均相同，第一配合凸起501、第二配合凸起601和第三配合凸起701的结构均相同，任一配合孔均可与任一配合凸起相配合。

应用此种配置方式，由于各个部件均具有标准化且结构相同的配合凹槽或配合凸起，因此在实际应用时，可根据具体需求将各个部件进行组合，从而实现多种机器人构型的组建。

进一步地，在本发明中，如图3所示，为了提供机器人教具工作的稳定性，可将底盘10配置为包括吸盘11、吸盘杆12和六边盘13，底盘10可通过吸盘11固定于平面上。吸盘11顶部装卡在吸盘杆12末端根据吸盘特征设计的凹槽中使二者固定连接，吸盘杆12的另一末端固定连接于六边盘13的凹槽中。六边盘13为一六边柱体，六个侧面均设置有用于安装吸盘杆12的凹槽，在六边盘13顶面开设有第一配合孔10a，在本实施例中，第一配合孔10a为十字截面通孔，十字截面通孔内设置有限位凸台以保证与底盘相连接部件的安装位置的准确性，第一配合孔10a用于安装转动连接件60或固定连接件70。

进一步地，在本发明中，为了实现连杆与延长杆的连接以及滑块相对于连杆和延长杆的移动，可将连杆20配置为包括连杆主体21、第一连接头22和第二连接头23，第一连接头22的一端与连杆主体21固定连接，第二连接头23与连杆主体21的另一端可拆卸连接，第一连接头22具有第二配合孔20a，第二连接头23具有第三配合孔20b和第一楔形配合孔，连杆主体21具有多个沿连接主体的长度方向间隔设置的第一滑槽20c，连杆主体21的另一端为第一楔形凸起，第一楔形凸起与第一楔形配合孔相配合；延长杆30的一端具有第二楔形凹槽30b，第二楔形凹槽30b与第一楔形凹槽结构相同，第二楔形凹槽30b可与第一楔形凸起相配合，延长杆30的另一端具有第二楔形凸起301，第二楔形凸起301与第一楔形凸起结构相同，第二楔形凸起301可与第一楔形凹槽相配合，延长杆30具有多个沿延长杆30的长度方向间隔设置的第二滑槽30a。

作为本发明的一个具体实施例，如图4和图5所示，第一连接头22和第二连接头23均为正方体结构，第一连接头22的侧面上设置有T型分布的三个第二配合孔20a，在任意两个第二配合孔20a的交汇处设置有突起，通过该突起能够对第一连接头22的待安装件的安装位置进行限位。第二连接头23的侧面上设置有T型分布的三个第三配合孔20b，在任意两个第三配合孔20b的交汇处设置有突起，通过该突起能够对第二连接头23的待安装件的安装位置进行限位。连杆主体21为长方体结构，在连杆主体21的四个侧面上均开设有第一滑槽20c，第一滑槽20c能够实现教具的减重，同时能够为滑块40提供四个安装位置。第二连接头23与连杆主体21通过榫卯结构连接。延长杆30的第二楔形凸起301可与第二连接头23的第一楔形配合孔以及另一个延长杆30的第二楔形凹槽30b相配合，延长杆30的第二楔形凹槽30b可与连杆主体21的第一楔形凸起以及另一个延长杆30的第二楔形凸起301相配合，延长杆也为长方体结构，在延长杆的四个侧面上均开设有第二滑槽30a，第二滑槽30a能够实现教具的减重，同时能够为滑块40提供四个安装位置。

进一步地，为了实现滑块沿连杆及延长杆的移动，如图6和图7所示，可将滑块40配置为还包括第一滑块单元42和第二滑块单元43，凸块41包括第一摩擦条411和第二摩擦条412，第一滑块单元42具有第一摩擦条容纳孔42a，第二滑块单元43具有第二摩擦条容纳孔43a，第一摩擦条容纳孔42a与第二摩擦条容纳孔43a相对设置，第一摩擦条411设置在第一摩擦条容纳孔42a内，第二摩擦条412设置在第二摩擦条容纳孔43a内，第一滑块单元42和第二滑块单元43通过榫卯结构相连接以形成滑块本体401，第四配合孔40a设置在滑块本体401上。

此外，在本发明中，为了能够调节滑块与连杆及延长杆之间的连接阻尼，使得教具能够实现无驱动自平衡功能，可将滑块40配置为还包括第一阻尼调节单元44和第二阻尼调节单元45，第一阻尼调节单元44设置在第一滑块单元42上，第一阻尼调节单元44用于调节第一摩擦条411与第一滑槽20c或第二滑槽30a之间的摩擦力；第二阻尼调节单元45设置在第二滑块单元43上，第二阻尼调节单元45用于调节第二摩擦条412与第一滑槽20c或第二滑槽30a之间的摩擦力。

作为本发明的一个具体实施例，滑块40用于与连杆20及延长杆30组装成移动副，第一阻尼调节单元44和第二阻尼调节单元45的结构相同，两者均由第一高头滚花螺钉441和第一薄螺母442组成，第一高头滚花螺钉441和第一薄螺母442安装在第一滑块单元42(第二滑块单元43)侧壁中间的孔内，通过旋紧或放松第一高头滚花螺钉441，可调节滑块内部摩擦条与连杆或延长杆的接触摩擦力，从而实现最大静摩擦力的调节，可以实现固定滑块位置的目的。第四配合孔40a设置在滑块本体401的顶面，第四配合孔40a用于与转动连接件60或固定连接件70连接，在本实施例中，第四配合孔40a为十字截面通孔。

进一步地，在本发明中，为了实现任意两个部件之间的可转动连接，可将转动连接件60配置为包括转轴座组件61和转轴主体组件62，转轴主体组件62的一端可转动地设置在转轴座组件61上，转轴主体组件62的另一端为第二配合凸起601，第五配合孔60a设置在转轴座组件61上。其中，第五配合孔60a用于与转动连接件60或固定连接件70连接，在本实施例中，第五配合孔60a为十字截面通孔。

此外，在本发明中，为了实现机器人教具的自稳定功能，可将转动连接件60配置为还包括第三阻尼调节单元63和摩擦组件64，第三阻尼调节单元63设置在转轴座组件61上，摩擦组件64设置在第三阻尼调节单元63上，第三阻尼调节单元63用于调节摩擦组件64与转轴主体组件62之间的摩擦力。

作为本发明的一个具体实施例，如图8和图9所示，第三阻尼调节单元63包括第二高头滚花螺钉631和第二薄螺母632，摩擦组件64包括推头641和第三摩擦条642，推头641和第三摩擦条642设置在第二高头滚花螺钉631的另一端，通过旋松或旋紧第二高头滚花螺钉，可调节第三摩擦条与转轴主体组件62之间的接触摩擦力，从而实现最大静摩擦力的调节，可以实现转动连接件的阻尼调节以及机器人的自稳定功能。

进一步地，在本发明中，为了提高转轴主体组件与其他部件之间连接的紧固性，可将转轴主体组件62配置为具有第一钢珠容纳孔62a、第二钢珠容纳孔62b和转轴主体容纳孔62c，第一钢珠容纳孔62a和第二钢珠容纳孔62b相对设置在转轴主体组件62上，转动连接件60还包括第一弹簧65、第一钢珠66和第二钢珠67，第一弹簧65设置在转轴主体容纳孔62c内，第一钢珠66固定设置在第一弹簧65的一端且与第一钢珠容纳孔62a相配合，第一钢珠66的直径大于第一钢珠容纳孔62a的孔径；第二钢珠67固定设置在第一弹簧65的另一端且与第二钢珠容纳孔62b相配合，第二钢珠67的直径大于第二钢珠容纳孔62b的孔径。

在此种配置方式下，当转轴主体组件的第二配合凸起安装于任一配合凹槽时，通过第一钢珠、第二钢珠以及第一弹簧之间的相互作用能够防止转轴主体组件从任一配合凹槽内脱出，进而提高了转轴主体组件与其他部件之间连接的紧固性。

作为本发明的一个具体实施例，如图8和图9所示，转轴座组件61包括转轴座611、大转轴座盖612和小转轴座盖613，转轴主体组件62包括转轴主体621、转轴盖622、转轴圆盘623和转轴圆柱体624，大转轴座盖612和小转轴座盖613固定设置在转轴座611上，大转轴座盖612和小转轴座盖613中间具有一通孔，转轴圆盘623设置在该通孔处且相对于转轴座组件61可转动，转轴主体611与转轴盖622固定连接，转轴圆柱体624固定设置在转轴圆盘623上，通过旋松或旋紧第二高头滚花螺钉，可调节第三摩擦条与转轴圆柱体624的圆柱面之间的接触摩擦力，从而实现最大静摩擦力的调节。

进一步地，在本发明中，为了实现任意两个部件之间的固定连接，可将固定连接件70配置为包括连接件主体71、第二弹簧72、第三弹簧73、第三钢珠74、第四钢珠75、第五钢珠76和第六钢珠77，连接件主体71的两端均为第三配合凸起701，连接件主体71具有第三钢珠容纳孔71a、第四钢珠容纳孔71b、第五钢珠容纳孔71c、第六钢珠容纳孔71d和弹簧容纳孔71e，第二弹簧72和第三弹簧73均设置在弹簧容纳孔71e内，第三钢珠74固定设置在第二弹簧72的一端且与第三钢珠容纳孔71a相配合，第三钢珠74的直径大于第三钢珠容纳孔71a的孔径；第四钢珠75固定设置在第二弹簧72的另一端且与第四钢珠容纳孔71b相配合，第四钢珠75的直径大于第四钢珠容纳孔71b的孔径；第五钢珠76固定设置在第三弹簧73的一端且与第五钢珠容纳孔71c相配合，第五钢珠76的直径大于第五钢珠容纳孔71c的孔径；第六钢珠77固定设置在第三弹簧73的另一端且与第六钢珠容纳孔71d相配合，第六钢珠77的直径大于第六钢珠容纳孔71d的孔径。

作为本发明的一个具体实施例，如图10所示，连接件主体71包括接头盒711和接头盖712，接头盒711和接头盖712固定连接以形成连接件主体71，当固定连接件70的第三配合凸起701安装于任一配合凹槽时，通过第三钢珠、第四钢珠、第五钢珠、第六钢珠、第二弹簧以及第三弹簧之间的相互作用能够防止固定连接件70从任一配合凹槽内脱出，进而提高了固定连接件70与其他部件之间连接的紧固性。

进一步地，在本发明中，如图11所示，为了实现末端物体的抓取，可将末端执行器50配置为包括抓手51和末端连接杆52，末端连接杆52的一端与抓手51连接，末端连接杆52的另一端为第一配合凸起501。在本实施例中，末端执行器50起到演示的作用，示意末端执行器的姿态位置。此外，在本发明中，为了实现机器人的轻量化，该机器人教具可由3D打印、注塑成型。

为了对本发明有进一步地了解，下面结合图1至图11中所示的球形机器人对该机器人的使用方法进行详细说明。

如图1至图11所示，根据本发明的具体实施例提供了一种机器人教具，该机器人教具可组装成为球形机器人，该球坐标机器人由底盘10、连杆20、延长杆30、滑块40、末端执行器50、转动连接件60和固定连接件70组成。底盘10通过吸盘固定在平面上，达到总体固定的效果。固定连接件70的一端安装于底盘10上，另一端与连杆20连接。两个转动连接件60连接到连杆20上形成转动副，通过两转轴相连接使得两转动轴线相互垂直。滑块40安装在转动连接件60上，并与由延长杆30和连杆20共同组成的组合杆连接形成移动副，在组合杆的一端安装两个轴线相互垂直的转动连接件60，再将末端执行器50安装在转动连接件60上，就完成了球坐标机器人构型的搭建。

本发明所提供的机器人教具在实际应用过程中，学生通过将这七种不同的部件按照不同的工业机器人构型进行组装，可以组成多种机器人构型。在组成构型后能够将机器人调整到指定位姿，通过拧紧高头滚花螺钉可以将位姿固定。教具整体较轻，这是由于对每个模块进行轻量化设计之后的结果。本发明所提供的机器人教具将工业机器人直观的展示于学生、孩童等人群，实际加工中，可采用3D打印、注塑成型实现教具的产品化的同时，杆件部分实现中空(连杆20及延长杆30)，达到轻量化的需求。对于使用人群如教师、父母等大大增加了教具本身的可用性。

综上所述，本发明所提供的模块化可重构机器人教具与现有技术相比，具有以下优点。

第一，本发明所提供的机器人的各关节均具有一定阻尼，在使用者的牵引下，可以实现无驱动自平衡功能。

第二，本发明的机器人教具采用模块化结构，可以组合成不同的机器人类型，可以大大辅助正逆运动学、机器人本体结构等教学任务。

第三，本发明所提供的转动连接件有阻尼调节装置，可根据需要调节转轴的最大静摩擦力，从而实现自稳定功能。

第四，本发明所提供的机器人教具本身可由3D打印、注塑成型，整体结构包括连杆中空、滑块分体等合理设计，整体结构轻量化，便于组装，实用性能十分强。

在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制；方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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。

Claims (10)

1.一种模块化可重构机器人教具，其特征在于，所述模块化可重构机器人教具包括底盘(10)、连杆(20)、延长杆(30)、滑块(40)、末端执行器(50)、转动连接件(60)和固定连接件(70)，所述底盘(10)、所述连杆(20)、所述滑块(40)以及所述末端执行器(50)中的任意两个均可实现连接，所述转动连接件(60)用于实现所述底盘(10)、所述连杆(20)、所述滑块(40)以及所述末端执行器(50)中的任意两个之间的可转动连接，所述固定连接件(70)用于实现所述底盘(10)、所述连杆(20)、所述滑块(40)以及所述末端执行器(50)中的任意两个之间的固定连接，所述延长杆(30)与所述连杆(20)连接，所述滑块(40)可沿所述连杆(20)或所述延长杆(30)移动，所述模块化可重构机器人教具通过从所述底盘(10)、所述连杆(20)、所述延长杆(30)、所述滑块(40)、所述末端执行器(50)、所述转动连接件(60)和所述固定连接件(70)中选择合适部件并进行连接组合以完成多种机器人构型，所述多种机器人构型包括球坐标机器人、SCARA机器人和6R机器人。

2.根据权利要求1所述的模块化可重构机器人教具，其特征在于，所述底盘(10)具有第一配合孔(10a)，所述连杆(20)具有第二配合孔(20a)、第三配合孔(20b)和第一滑槽(20c)，所述滑块(40)具有第四配合孔(40a)，所述滑块(40)包括凸块(41)，所述滑块(40)通过所述凸块(41)与所述第一滑槽(20c)相配合以实现其沿所述连杆(20)的移动，所述延长杆(30)具有第二滑槽(30a)，所述滑块(40)通过所述凸块(41)与所述第二滑槽(30a)相配合以实现其沿所述延长杆(30)的移动，所述末端执行器(50)包括第一配合凸起(501)，所述转动连接件(60)包括第二配合凸起(601)，所述转动连接件(60)具有第五配合孔(60a)，所述固定连接件(70)具有第三配合凸起(701)，所述第一配合孔(10a)、所述第二配合孔(20a)、所述第三配合孔(20b)、所述第四配合孔(40a)和所述第五配合孔(60a)的结构均相同，所述第一配合凸起(501)、所述第二配合凸起(601)和所述第三配合凸起(701)的结构均相同，任一所述配合孔均可与任一所述配合凸起相配合。

3.根据权利要求2所述的模块化可重构机器人教具，其特征在于，所述连杆(20)包括连杆主体(21)、第一连接头(22)和第二连接头(23)，所述第一连接头(22)的一端与所述连杆主体(21)固定连接，所述第二连接头(23)与所述连杆主体(21)的另一端可拆卸连接，所述第一连接头(22)具有所述第二配合孔(20a)，所述第二连接头(23)具有所述第三配合孔(20b)和第一楔形配合孔，所述连杆主体(21)具有多个沿所述连接主体的长度方向间隔设置的所述第一滑槽(20c)，所述连杆主体(21)的另一端为第一楔形凸起，所述第一楔形凸起与所述第一楔形配合孔相配合；所述延长杆(30)的一端具有第二楔形凹槽(30b)，所述第二楔形凹槽(30b)与所述第一楔形凹槽结构相同，所述第二楔形凹槽(30b)可与所述第一楔形凸起相配合，所述延长杆(30)的另一端具有第二楔形凸起(301)，所述第二楔形凸起(301)与所述第一楔形凸起结构相同，所述第二楔形凸起(301)可与所述第一楔形凹槽相配合，所述延长杆(30)具有多个沿所述延长杆(30)的长度方向间隔设置的所述第二滑槽(30a)。

4.根据权利要求3所述的模块化可重构机器人教具，其特征在于，所述滑块(40)还包括第一滑块单元(42)和第二滑块单元(43)，所述凸块(41)包括第一摩擦条(411)和第二摩擦条(412)，所述第一滑块单元(42)具有第一摩擦条容纳孔(42a)，所述第二滑块单元(43)具有第二摩擦条容纳孔(43a)，所述第一摩擦条容纳孔(42a)与所述第二摩擦条容纳孔(43a)相对设置，所述第一摩擦条(411)设置在所述第一摩擦条容纳孔(42a)内，所述第二摩擦条(412)设置在所述第二摩擦条容纳孔(43a)内，所述第一滑块单元(42)和所述第二滑块单元(43)通过榫卯结构相连接以形成滑块本体(401)，所述第四配合孔(40a)设置在所述滑块本体(401)上。

5.根据权利要求4所述的模块化可重构机器人教具，其特征在于，所述滑块(40)还包括第一阻尼调节单元(44)和第二阻尼调节单元(45)，所述第一阻尼调节单元(44)设置在所述第一滑块单元(42)上，所述第一阻尼调节单元(44)用于调节所述第一摩擦条(411)与所述第一滑槽(20c)或所述第二滑槽(30a)之间的摩擦力；所述第二阻尼调节单元(45)设置在所述第二滑块单元(43)上，所述第二阻尼调节单元(45)用于调节所述第二摩擦条(412)与所述第一滑槽(20c)或所述第二滑槽(30a)之间的摩擦力。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的模块化可重构机器人教具，其特征在于，所述转动连接件(60)包括转轴座组件(61)和转轴主体组件(62)，所述转轴主体组件(62)的一端可转动地设置在所述转轴座组件(61)上，所述转轴主体组件(62)的另一端为所述第二配合凸起(601)，所述第五配合孔(60a)设置在所述转轴座组件(61)上。

7.根据权利要求6所述的模块化可重构机器人教具，其特征在于，所述转动连接件(60)还包括第三阻尼调节单元(63)和摩擦组件(64)，所述第三阻尼调节单元(63)设置在所述转轴座组件(61)上，所述摩擦组件(64)设置在所述第三阻尼调节单元(63)上，所述第三阻尼调节单元(63)用于调节所述摩擦组件(64)与所述转轴主体组件(62)之间的摩擦力。

8.根据权利要求7所述的模块化可重构机器人教具，其特征在于，所述转轴主体组件(62)具有第一钢珠容纳孔(62a)、第二钢珠容纳孔(62b)和转轴主体容纳孔(62c)，所述第一钢珠容纳孔(62a)和所述第二钢珠容纳孔(62b)相对设置在所述转轴主体组件(62)上，所述转动连接件(60)还包括第一弹簧(65)、第一钢珠(66)和第二钢珠(67)，所述第一弹簧(65)设置在所述转轴主体容纳孔(62c)内，所述第一钢珠(66)固定设置在所述第一弹簧(65)的一端且与所述第一钢珠容纳孔(62a)相配合，所述第一钢珠(66)的直径大于所述第一钢珠容纳孔(62a)的孔径；所述第二钢珠(67)固定设置在所述第一弹簧(65)的另一端且与所述第二钢珠容纳孔(62b)相配合，所述第二钢珠(67)的直径大于所述第二钢珠容纳孔(62b)的孔径。

9.根据权利要求6所述的模块化可重构机器人教具，其特征在于，所述固定连接件(70)包括连接件主体(71)、第二弹簧(72)、第三弹簧(73)、第三钢珠(74)、第四钢珠(75)、第五钢珠(76)和第六钢珠(77)，所述连接件主体(71)的两端均为所述第三配合凸起(701)，所述连接件主体(71)具有第三钢珠容纳孔(71a)、第四钢珠容纳孔(71b)、第五钢珠容纳孔(71c)、第六钢珠容纳孔(71d)和弹簧容纳孔(71e)，所述第二弹簧(72)和所述第三弹簧(73)均设置在所述弹簧容纳孔(71e)内，所述第三钢珠(74)固定设置在所述第二弹簧(72)的一端且与所述第三钢珠容纳孔(71a)相配合，所述第三钢珠(74)的直径大于所述第三钢珠容纳孔(71a)的孔径；所述第四钢珠(75)固定设置在所述第二弹簧(72)的另一端且与所述第四钢珠容纳孔(71b)相配合，所述第四钢珠(75)的直径大于所述第四钢珠容纳孔(71b)的孔径；所述第五钢珠(76)固定设置在所述第三弹簧(73)的一端且与所述第五钢珠容纳孔(71c)相配合，所述第五钢珠(76)的直径大于所述第五钢珠容纳孔(71c)的孔径；所述第六钢珠(77)固定设置在所述第三弹簧(73)的另一端且与所述第六钢珠容纳孔(71d)相配合，所述第六钢珠(77)的直径大于所述第六钢珠容纳孔(71d)的孔径。

10.根据权利要求6所述的模块化可重构机器人教具，其特征在于，所述末端执行器(50)包括抓手(51)和末端连接杆(52)，所述末端连接杆(52)的一端与所述抓手(51)连接，所述末端连接杆(52)的另一端为所述第一配合凸起(501)。