CN102699931A - 一种模块化自重构机器人单元模块之间的连接机构 - Google Patents
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Abstract
一种用于模块化自重构机器人的连接机构，主、被动对接面之间采用勾爪式连接结构，主动连接机构的驱动直流电机的输出经过一对伞齿轮传动带动连接在铰支连杆机构一端的滑块做直线运动，滑块上设有钩爪，钩爪的绕轴旋转，实现与被动对接面的卡紧和分离。本发明具有功耗低、无退出行程、锁紧、分离动作迅速。
Description
技术领域
本发明涉及模块化自重构机器人，尤其涉及一种模块化自重构机器人单元模块之间的连接机构。
背景技术
模块化自重构机器人由若干具有一定自治能力和感知能力的单元模块组成。各模块具备统一机械和电气接口，可自主对接组装为各种联体构型并可相互转换，从而实现不同的运动和操作功能。模块化自重构机器人的主要特点是自重构功能和自修复功能，要求单元模块的连接机构必须保证单元模块间的机械连接可靠、分离容易，同时要求体积小、能耗低等。因此连接机构是模块化自重构机器人设计中最重要的问题之一。
目前，模块化自重构机器人的连接机构主要有机械连接、磁铁连接（永磁铁和电磁铁）、机械或者磁铁与形状记忆合金（SMA）结合、机械与磁铁等方式。永磁式的连接机构具有连接强度大，体积小的优点，但其主要问题在于对接面的抗剪切能力较弱，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；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、发热量大以及负载能力小等问题；销孔式虽然机构简单，但存在占用空间大、外置销孔降低单元模块运动能力、分离距离大等问题；SMA和机械结合方式，由于SMA的动作耗时耗能，因而不适合要求锁紧分离动作迅速的情况。
发明内容
本发明为克服现有技术中存在的连接机构退出分离距离长、外置销孔降低单元模块运动能力、锁紧分离操作缓慢以及自动连接进程无反馈的缺点，提供一种模块化自重构机器人单元模块之间的连接装置。
本发明通过以下技术方案实现：一种模块化自重构机器人单元模块之间的连接机构,每个单元模块均包括有结构相同的前臂和后臂，前臂和后臂均为∪型外框，前臂和后臂的∪型外框开口相对，前臂的∪型底平面定义为主动对接面，前臂的其余两个侧平面以及后臂的∪型底平面和两个侧平面定义为被动对接面，主动对接面设有主动连接机构，被动对接面设有被动连接机构，任一单元模块的主动对接面与其它单元模块的被动对接面实施对接，其特征是：
主动连接机构包括：设置一直流电机通过电机架固定在主动对接面的内侧，直流电机的输出轴上设有一个伞齿轮，设置与该伞齿轮垂直啮合的第二伞齿轮，第二伞齿轮的轴通过轴承固定在主动对接面的中心孔内，第二伞齿轮的轴上设转盘，在转盘的直径方向左、右两端分别铰支连接一根连杆，左侧连杆的另一端与左侧另外两根连杆的一端共同铰支连接在一起，左侧另外两根连杆的另一端分别铰支连接在左上及左下滑块上；右侧连杆的另一端与右侧另外两根连杆的一端共同铰支连接在一起，右侧另外两根连杆的另一端分别铰支连接在右上及右下滑块上，四个滑块位于主动对接面中心孔的四个对称角，每个滑块均设有中心通槽，中心通槽内设有钩爪，钩爪上设有2个孔，设置一根上轴和一根下轴分别穿连钩爪上的2个孔，上轴的两端置于中心通槽两侧滑块凸缘上设置的一直线滑槽内，下轴的两端置于中心通槽两侧滑块底座上设置的另一直线滑槽内，两直线滑槽垂直，下轴直线滑槽与滑块直线运动方向一致，在主动对接面的四个对角位置，设有四个相应的矩形通孔，矩形通孔位置与钩爪对应；四个矩形通孔靠近中心孔的一端分别设有限位滑槽，系由两块间隔的凸耳构成并置于滑块的中心通槽内，钩爪厚度置于两块凸耳之间并与两块凸耳的内侧面滑动配合，两块凸耳的外侧面与滑块中心通槽滑动配合，下轴的两端分别穿连两块凸耳上设置的孔后，设置在滑块底座的直线滑槽内；
被动连接机构是设置在被动对接面四个对角位置的四个矩形通孔，四个矩形通孔远离被动对接面中心的一端，均设置成倒梯形孔。
在主动连接面四个顶角位置还设有微动碰触开关以及四个红外接收管，被动连接面四个顶角位置设有相应的四个红外发射管。
本发明具有以下优点及有益效果：一、执行能耗小，具备自锁功能；二、不需退出行程，可直接将连接钩收入单元模块内部；三、锁紧、分离动作迅速；四、添加了自动连接成功电气反馈机制。
附图说明
图1是主动连接面内侧面的主动连接机构结构图（锁紧状态）；
图2是图1的反面；
图3是主动连接面内侧面的主动连接机构结构图（分离状态）；
图4是图3的反面；
图5是主动连接面内侧限位滑槽示意图；
图6是滑块与钩爪的装配结构示意图；
图7是被动连接面（∪型底平面）；
图8是被动连接面（∪型侧平面；
图9是主、被动对接面实施对接后的示意图（两个∪型底平面之间对接锁紧）；
图10是主、被动对接面实施对接后的示意图（∪型底平面与∪型侧平面之间对接锁紧）；
图11是一个单元模块示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明作进一步详细说明。
如图1、图2、图3和图4所示，驱动直流电机108通过“L”形电机架109固定在主动对接面103的内侧面，驱动直流电机108输出轴固定伞齿轮132，伞齿轮132与90度伞齿118啮合传动。伞齿轮118与旋转盘117共轴122，轴122固定在对接面的中心旋转轴承123内，则直流电机108可以驱动旋转盘117转动。曲连杆116、119的一端分别与旋转盘117上的两对称轴孔铰支连接，曲连杆116、119的另一端分别与直连杆112和113及130和131的一端铰支连接在一起。当直流电机108驱动旋转盘117转动时，与旋转盘上轴孔连接的曲连杆116、119受拉力向连接面103中心移动，由于连杆作用，进而拉动直连杆112、113、130、131，并使直连杆112与113之间、130与131之间的夹角变化，直连杆112、113、130、131的另一端分别与滑块133、134、129、106的轴孔铰支连接，滑块106、129、133、134由于各自限位滑槽的作用只能沿着图1中连接面103的纵向直线运动，并使得钩爪107、121、124、127绕各自的旋转轴旋转。红外接收管安装孔102、104、111、114用于固定红外接收管。添加微动开关作为自动连接成功时的电气反馈，在两个模块化机器人自动连接时，在机器人单元模块的两对接面触碰时，不应再进行大角度搜索，而是需要转变为位置微调处理过程，当四个微动开关都有触动时，即可以判断两单元模块连接正对，并且完成锁紧动作。因此在四个顶角处的微动开关安装孔101、105、110、115内固定微动开关。
如图5，为主动对接面103（内侧），中心孔136为中心旋转轴承122的安装孔，轴承与安装孔固定连接。钩爪槽孔125、126、120、128采用长方形结构，防止各自钩爪的左右位移。四个旋转座135分别作为四个滑块的限位滑槽，保证在连杆作用时，滑块沿着旋转座135的外侧面直线运动。
如图6，以四个相同结构的滑块及钩爪组合结构中的一个为例，钩爪107置于滑块106的中心槽内，上轴503穿连钩爪107上端后，轴两端分别置于滑块106两凸耳上的垂直槽孔中。下轴501穿连钩爪107下端后，轴两端分别穿连旋转座135的两凸耳孔后分别置于滑块106的水平直槽孔中。上轴503与下轴501方向一致但不在一条垂直线上。孔502是与连杆131的铰支连接点。上轴503在纵向槽孔内上下滑动，而下轴501在横向槽孔内左右滑动，由于下轴501固定在旋转座135内，这样由于钩爪107被下轴501固定，滑块106被连杆机构拉动直线运动时（向对接面103的水平中心线移动），纵向槽孔内壁对上轴503有作用力，可使得钩爪107绕下轴501即旋转座135中心孔旋转，达到锁紧及分离的目的。
如图7、图8所示，被动连接正面203、红外发射管安装孔201、204.207、209以及连接钩槽孔202、205、206、208。连接钩槽的上部为倒置的梯形槽，左右边线偏离中心线15°，可保证连接冗余。被动连接侧面302、红外发射管安装孔201、303、306、307以及连接钩槽孔304、305、308、309。
如图9、图10所示，图7为主动连接面103与被动连接正面203处于锁紧状态。图8为主动连接面103与被动连接侧面302处于锁紧状态。
如图11所示，单元模块前臂的主动连接正面103，被动连接侧面302、403，后臂的被动连接正面203以及被动连接侧面401、402。
Claims (2)
1.一种模块化自重构机器人单元模块之间的连接机构,每个单元模块均包括有结构相同的前臂和后臂，前臂和后臂均为∪型外框，前臂和后臂的∪型外框开口相对，前臂的∪型底平面定义为主动对接面，前臂的其余两个侧平面以及后臂的∪型底平面和两个侧平面定义为被动对接面，主动对接面设有主动连接机构，被动对接面设有被动连接机构，任一单元模块的主动对接面与其它单元模块的被动对接面实施对接，其特征是：
主动连接机构包括：设置一直流电机通过电机架固定在主动对接面的内侧，直流电机的输出轴上设有一个伞齿轮，设置与该伞齿轮垂直啮合的第二伞齿轮，第二伞齿轮的轴通过轴承固定在主动对接面的中心孔内，第二伞齿轮的轴上设转盘，在转盘的直径方向左、右两端分别铰支连接一根连杆，左侧连杆的另一端与左侧另外两根连杆的一端共同铰支连接在一起，左侧另外两根连杆的另一端分别铰支连接在左上及左下滑块上；右侧连杆的另一端与右侧另外两根连杆的一端共同铰支连接在一起，右侧另外两根连杆的另一端分别铰支连接在右上及右下滑块上，四个滑块位于主动对接面中心孔的四个对称角，每个滑块均设有中心通槽，中心通槽内设有钩爪，钩爪上设有2个孔，设置一根上轴和一根下轴分别穿连钩爪上的2个孔，上轴的两端置于中心通槽两侧滑块凸缘上设置的一直线滑槽内，下轴的两端置于中心通槽两侧滑块底座上设置的另一直线滑槽内，两直线滑槽垂直，下轴直线滑槽与滑块直线运动方向一致，在主动对接面的四个对角位置，设有四个相应的矩形通孔，矩形通孔位置与钩爪对应；四个矩形通孔靠近中心孔的一端分别设有限位滑槽，系由两块间隔的凸耳构成并置于滑块的中心通槽内，钩爪厚度置于两块凸耳之间并与两块凸耳的内侧面滑动配合，两块凸耳的外侧面与滑块中心通槽滑动配合，下轴的两端分别穿连两块凸耳上设置的孔后，设置在滑块底座的直线滑槽内；
被动连接机构是设置在被动对接面四个对角位置的四个矩形通孔，四个矩形通孔远离被动对接面中心的一端，均设置成倒梯形孔。
2.根据权利要求1所述的模块化自重构机器人单元模块之间的连接机构,其特征是：在主动连接面四个顶角位置设有微动碰触开关以及四个红外接收管，被动连接面四个顶角位置设有相应的四个红外发射管。
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