CN100522509C - 基于直流减速电机与旋转钩孔的节能连接机构 - Google Patents
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Abstract
基于直流减速电机与旋转钩孔的节能连接机构，它涉及一种连接机构。本发明的目的是为解决现有模块的连接机构存在分离操作需要额外的分离空间、限制了自重构的能力、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。本发明传动绳通过传动绳转向架与直流减速电机和驱动盘传动连接，四个连杆的另一端分别由四个销轴与驱动盘铰接，每个滑块内分别设有一个旋转钩。本发明的优点：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；旋转钩缩回时处在连接面内，不影响连接模块间的相对运动；使用直流减速电机驱动连接和断开，提高了模块连接/分离的速度。
Description
技术领域
本发明涉及一种连接机构。
背景技术
随着机器人应用领域的扩展，要求机器人具有更强的功能、更高的可靠性、更优异的环境适应性和任务适应性等新的特征，传统的机器人多为根据特定的工作环境和任务需求采用特定结构的专用机器人，这种机器人能够有效的完成特定的任务，但是一旦环境或者任务需求发生了变化，不能够满足设定要求时，就需要更换其它类型的机器人来适应新的环境和任务。在这种背景下，产生了模块化机器人——可重构机器人系统，这类机器人由各种功能与结构的机器人模块组成，各个模块具有通用的机械接口、电气接口以及模块化的功能软件，根据任务的不同通过人工组合方式重构成不同构型和尺寸的机器人，扩展了机器人的多样性，同时，由于模块化的引入，使得系统便于维护和修理，提高了系统的可靠性。虽然模块化可重构机器人可以通过某种智能计算得知完成某种任务所需要的构型和组成模块，但该构型的组装、模块的选择、连接仍然需要人工参与，这就使可重构机器人无法适应未知、动态、非结构化的环境。随着微电子技术、人工智能技术的发展，在可重构机器人的基础上出现了自重构机器人，自重构机器人同样由一种或几种结构和功能相同或相异的模块组成，与可重构机器人不同的是：自重构机器人可以根据环境和任务的需要，不需要人工参与即可自主进行目标构型选择、从当前构型到目标构型的转换、操作任务的完成。与传统的机器人相比，自重构机器人具有许多优点：1、自重构功能，2、自修复功能，3、可扩展性，4、自适应性，5、高可靠性，6、良好的经济性。
由于具有上述优点，自重构机器人可以完成普通机器人无法完成的任务和功能，在空间操作、抢险搜救、反恐侦查、核电站维护等极端环境和需要完成复杂任务的情况中有着广阔的应用前景。自重构机器人模块是组成自重构机器人的基本单元，模块自由度数及其安排直接影响着机器人的重构和运动能力；连接机构是连接模块与模块的纽带，模块间的连接机构的结构形式除了起连接作用外，对机器人在重构时模块的运动规律也有很大影响。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。
目前，连接机构主要有机械连接、磁铁(包括永磁铁和电磁铁)连接、机械或磁铁与形状记忆合金(SMA)结合、机械与磁铁结合四种方式。
现有的阵列式自重构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。
发明内容
本发明的目的是为解决现有销孔式连接机构存在分离操作需要额外的分离空间，限制了自重构的能力；电磁式连接机构存在体积大、重量大、发热量大的问题；永磁式连接机构存在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，提供一种基于直流减速电机与旋转钩孔的节能连接机构。本发明包含直流减速电机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、主动连接模块10、四个移动轴11、被动连接模块12、传动绳13和传动绳转向架16，被动连接模块12设置在主动连接模块10的下侧，被动连接模块12上开有四个间隔90度角的梯形孔15，主动连接模块10上开有与被动连接模块12上的梯形孔15相对应的四个通孔5，主动连接模块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固定在主动连接模块10的上侧表面上，驱动盘9设置在主动连接模块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之间的主动连接模块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分别固定在主动连接模块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之间设有一个滑块6，滑块6并处于滑轨槽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的一端分别与一个滑块6铰接，四个连杆3的另一端分别由四个销轴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。本发明两个连接模块连接时，由微型的直流减速电机通过传动绳带动驱动盘旋转，驱动盘通过连杆和滑块推动旋转钩进行旋转，钩子伸出连接模块，与被动连接模块连接。此时连杆处在滑轨槽与驱动盘圆心的连线上，该位置为连接机构的死点位置，因此连接状态不需要能量维持，连接可靠。两模块断开时，微型直流减速电机反转，驱动盘拉动滑块将旋转钩缩回，放开被动连接模块。
本发明的有益效果：一、本发明在处于连接状态或断开状态时，不需要能量维持，节省了能量；二、旋转钩缩回时处在连接面内，为平面连接机构，不影响连接模块间的相对运动；三、本发明为省力机构，所需驱动力小；四、因为仅仅使用直流减速电机驱动连接和断开，所以减小了电流消耗，提高了模块连接和分离的速度；五、由于所设计的机构具有自锁性能，提高了连接的可靠性，且断开也很容易；六、连接机构具有正交对称性，以保证两连接模块在相对旋转90、180、270度时仍能进行连接。
本发明实质上是一个曲柄滑块机构，如图5所示：
F1·R＝N1′·L1·sin(a1+a2)
F2＝N1·cosa2
L1≈R
F2＝F1·cosa2/sin(a1+a2)
旋转钩若在断开状态时，保证cosa2/sin(a1+a2)>1时，F2>F1，则该机构为省力机构，当旋转钩抓紧被动连接模块时，a1＝a2＝0，此时F2＝∞，即无论被动连接模块产生的阻力有多大，旋转钩都可以抓紧被动连接模块。
附图说明
图1是本发明的整体结构示意图，图2是旋转钩4与主动连接模块10、被动连接模块12的连接状态示意图，图3是旋转钩4与主动连接模块10、被动连接模块12的断开状态示意图，图4是被动连接模块12的结构示意图，图5是本发明的受力分析示意图。
具体实施方式
具体实施方式一：(参见图1～图4)本实施方式由直流减速电机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、主动连接模块10、四个移动轴11、被动连接模块12、传动绳13和传动绳转向架16组成，被动连接模块12设置在主动连接模块10的下侧，被动连接模块12上开有四个间隔90度角的梯形孔15，主动连接模块10上开有与被动连接模块12上的梯形孔15相对应的四个通孔5，主动连接模块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固定在主动连接模块10的上侧表面上，驱动盘9设置在主动连接模块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之间的主动连接模块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分别固定在主动连接模块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之间设有一个滑块6，滑块6并处于滑轨槽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的一端分别与一个滑块6铰接，四个连杆3的另一端分别由四个销轴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。
具体实施方式二：(参见图1、图4)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，被动连接模块12上开有正交分布的四个锥形孔14，每个锥形孔14内固定一个被动连接模块永磁铁17，主动连接模块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24，两个主动连接模块永磁铁24与被动连接模块12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。
Claims (2)
1、一种基于直流减速电机与旋转钩孔的节能连接机构，它包含直流减速电机(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)、主动连接模块(10)、四个移动轴(11)、被动连接模块(12)、传动绳(13)和传动绳转向架(16)，被动连接模块(12)设置在主动连接模块(10)的下侧，其特征在于被动连接模块(12)上开有四个间隔90度角的梯形孔(15)，主动连接模块(10)上开有与被动连接模块(12)上的梯形孔(15)相对应的四个通孔(5)，主动连接模块(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)固定在主动连接模块(10)的上侧表面上，驱动盘(9)设置在主动连接模块(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)之间的主动连接模块(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)分别固定在主动连接模块(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)之间设有一个滑块(6)，滑块(6)并处于滑轨槽(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)的一端分别与一个滑块(6)铰接，四个连杆(3)的另一端分别由四个销轴(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。
2、根据权利要求1所述的基于直流减速电机与旋转钩孔的节能连接机构，其特征在于它还包含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)，被动连接模块(12)上开有正交分布的四个锥形孔(14)，每个锥形孔(14)内固定一个被动连接模块永磁铁(17)，主动连接模块(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)，两个主动连接模块永磁铁(24)与被动连接模块(12)上的对角的两个被动连接模块永磁铁(17)相对应。
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| 一种均一阵列式模块化自重构机器人的机构设计研究. 赵杰，张亮，蔡鹤皋.机械与电子，第4期. 2003 |
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| 一种模块化自重构机器人的设计与实现. 赵杰，赵剑，张玉华，蔡鹤皋.机床与液压，第35卷第3期. 2007 |
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