CN116247457A - 一种自组织模块化机器人机电传输接口 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种自组织模块化机器人机电传输接口，属于机器人技术领域以及特种机电互连技术领域。其包括机械接口公端、机械接口母端、电控接口公端和电控接口母端四部分，四部分协同工作可实现模块化机器人自组织过程中的高精度相对位姿识别、对接、对接状态判定、快速锁紧和解锁功能及自组织完成后模块单元间能量流和信息流的高效稳定传递功能。

Description

一种自组织模块化机器人机电传输接口

【技术领域】

本发明涉及一种自组织模块化机器人机电传输接口，属于机器人技术领域以及特种机电互连技术领域。

【背景技术】

模块化机器人由于其具有极强的环境适应性和多任务适应能力，在空间建造、外行星探测、军事和医疗等领域具有极强的应用价值。面向不同任务需求，模块化机器人需对自身拓扑结构进行快速变换以提高任务执行效率，机电传输接口作为模块化机器人各子模块间机械、通讯和电源的传输载体，其功能和性能直接影响整机的任务执行能力和效率，也是模块化机器人能否广泛应用的基础。

现有的模块化机器人机电传输接口在通用性、稳定性、容错性和集成度方面较差，难以满足复杂环境下模块化机器人拓扑结构快速变换的需求。如在机械接口方面，磁连接等连接方式稳定性和对接精度差、负载能力小；在电控接口方面，现有接口传数量受限、容错性较差；在对接锁紧结构方面，现有锁紧方式连接与断开速度慢、稳定性较差。为此，设计具有高精度、高稳定、大负载、大容差、高集成、易断开和连接功能的模块化机器人机电传输接口具有重要的实际应用价值。

【发明内容】

本发明提供一种自组织模块化机器人机电传输接口，其包括机械接口公端、机械接口母端、电控接口公端和电控接口母端四部分，其机电高度集成，四部分协同工作可实现模块化机器人自组织过程中的高精度相对位姿识别、对接、对接状态判定、快速锁紧和解锁功能及自组织完成后模块单元间能量流和信息流的高效稳定传递功能。

为达到上述目的，本发明采用以下解决方案：

本发明提供一种自组织模块化机器人机械接口公端，该机械接口公端为一体化加工的公端基体及四杆结构，工作角度有四个：[0°，90°，180°，270°]，其中，四杆结构为4个环形对称布置的圆柱杆，圆柱杆中间开有锁紧槽，顶部加工成带锥度的锥杆，锥杆顶端加工成球形用于增大对接容差，可实现模块化机器人自组织过程中的位姿导向功能。

本发明提供一种自组织模块化机器人机械接口母端，其包括锁紧机构、一体化加工的母端基体及四孔结构，其中，四孔结构为4个环形对称布置的半圆柱孔，半圆柱与基体上端面的连接处加工有倒角，用于增大对接容差，4个半圆柱孔轴线所在圆的直径与机械接口公端的4个圆柱杆轴线所在圆的直径相同，半圆柱孔与圆柱杆为间隙配合，4对半圆柱孔与圆柱杆协同工作可以实现机械公端与机械接口母端在三个旋转自由度、沿对接端面的两个移动自由度的固定约束，确保接口对接完成后上述对应的五个自由度方向的力和力矩传递功能。

本发明提供一种自组织模块化机器人电控接口公端，该电控接口公端同轴安装在机械接口公端的公端基体上，其包括集成电路板公端和固定安装在集成电路板公端上的电源及通讯传输公接口和位姿识别装置；具体的，电源及通讯传输公接口为环形对称布置的镀金弹簧触点阵列，该阵列具有极强容差能力和承载能力，以确保局部触点失效情况下整机的电源与通讯的稳定和高效传输，位姿识别装置为广角单目相机，配合视觉靶标，可实现实时高精度位姿识别，为机械接口公端的实时运动控制提供数据支撑。

本发明提供一种自组织模块化机器人电控接口母端，该电控接口母端同轴安装在机械接口母端的母端基体上，其包括集成电路板母端和固定安装在集成电路板母端上的电源及通讯传输母接口、对接状态判定装置和辅助定位装置；具体的，电源及通讯传输母接口为环形对称布置的镀金平面触点阵列，其阵列位置与电控接口公端上的镀金弹簧触点阵列位置一一对应，确保电源与通讯传输的可靠性；对接状态判定装置为环形对称布置的霍尔压力传感器阵列，用于识别对接过程中的接触力从而实现对接状态判定；辅助定位装置为视觉靶标，靶标标识内设置有高精度辅助定位块和大容量信息存储块，结合电控接口公端上的视觉相机可实现高精度视觉定位和对接接口的拓扑信息获取。

本发明提供一种自组织模块化机器人机械接口母端锁紧机构，其包括外壳、锁紧电机、驱动齿轮、被动齿轮、交叉滚子轴承和锁紧环，其外壳顶端与机械接口母端的母端基体固连，锁紧电机固定安装在外壳底端外部，驱动齿轮同轴固定安装在锁紧电机输出端，与被动齿轮形成齿轮配合，被动齿轮固定安装在交叉滚子轴承内圈，交叉滚子轴承外圈同轴固定安装在外壳内部，锁紧环同轴固定安装在被动齿轮上方，锁紧环顶部加工有四块对称布置锁紧扣，锁紧扣为与锁紧环同心的圆环被相对于锁紧环轴线平行且对称的两平面截取内部部分所得。

本发明提供一种自组织模块化机器人机械接口母端锁紧机构，其锁紧和解锁工作原理为：当机械接口公端的四杆结构进入机械接口母端的四孔结构中，同时对接状态判定装置判定对接状态达到锁紧条件后，控制器下达锁紧指令以控制锁紧机构的锁紧电机正向旋转，锁紧电机的旋转运动通过驱动齿轮与被动齿轮减速后，驱动锁紧环旋转，使得锁紧环的锁紧扣卡入四杆结构的锁紧槽中，完成锁紧工作；当接口需要断开连接时，控制器控制锁紧电机反向旋转，锁紧扣滑出锁紧槽，完成解锁工作。

本发明提供一种自组织模块化机器人机电传输接口，其接口的对接工作原理为：机械接口公端和电控接口公端向机械接口母端和电控接口母端主动靠近，电控接口公端上的位姿识别传感器与电控接口母端上辅助定位装置协同工作，实时获取机械接口公端与机械接口母端间的相对位姿信息，并反馈至控制器用于动态调整机械接口公端位姿，实现机械接口公端的四杆结构逐渐指向机械接口母端上的四孔结构内，电控接口母端上的对接状态判定装置实时采集对接状态信息，当判定对接状态达到锁紧条件后，控制器下达锁紧指令控制所述锁紧机构执行锁紧任务，从而锁定机械接口公端和机械接口母端的轴向移动自由度，完成对接工作，机械结构的对接完成为电源与通讯传输的稳定高效传输奠定基础。

本发明提供一种自组织模块化机器人机电传输接口，其电源及通讯传输原理为：当接口完成对接工作完成后，电源及通讯传输公接口与电源及通讯传输母接口形成硬件连接，自组织模块化机器人系统开始自检并重构电源与通讯传输网络，自检完成即可实现模块化机器人各模块单元间电源与通讯信息高效稳定传输功能。

【附图说明】

为了更清楚地说明本申请技术方案，下面将对具体实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍。

图1为自组织模块化机器人机电传输接口组成图；

图2为机械接口公端图；

图3为机械接口母端图；

图4为电控接口公端图；

图5为电控接口母端图；

图6为锁紧机构装配关系图；

图7为锁紧机构锁紧状态图；

图8为锁紧机构释放状态图。

【具体实施例】

为了更加清楚的讲解本发明的目的、技术方案及优点，下面结合附图，对本发明进行详细说明。

应当明确，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。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它实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提供一种自组织模块化机器人机电传输接口，如图1所示，包括101-机械接口公端、102-电控接口公端、、103-电控接口母端、104-机械接口母端。以下结合附图1对自组织模块化机器人电机传输接口构成及工作原理进行详细描述。

如图2所示，机械接口公端由一体化加工的201-公端基体和202-四杆结构组成，其中，201-公端基体上加工有电控公端接口槽用于固定安装电控接口公端，202-四杆结构为4个环形对称布置在201-公端基体上表面的圆柱杆，圆柱杆直径为10mm，高度为15mm，圆柱杆上端加工成带锥度的锥杆，锥度为30°，锥杆长度为4mm，锥杆顶部加工成球形以增大对接容差，圆柱杆中间加工有锁紧槽，锁紧槽通过环向切割所得，切割半径为38mm，切割高度为5mm，同时锁紧槽上下表面二次加工成小斜面，斜面与原平面夹角为3°，因四杆结构环向对称布置，机械接口公端的工作角度可以为[0°，90°，180°，270°]。

如图3所示，机械接口母端包括301-锁紧机构、一体化加工的302-母端基体及303-四孔结构，其中，302-母端基体加工有电控母端接口槽用于固定安装电控接口母端，303-四孔结构为4个环形对称布置的半圆柱孔，孔径为10mm，控制加工公差使得其与机械接口公端上的圆柱杆为间隙配合，孔深为17mm，孔与基体上表面连接处倒角，倒角为C4，以增大对接容差，提高对接容错性，4个半圆柱孔轴线所在圆的直径与机械接口公端的4个圆柱杆轴线所在圆的直径相同，保证对接的可靠性。

如图4所示，电控接口公端外形尺寸与公端基体上的电控公端接口槽尺寸相同，可同轴固定安装于机械接口公端上，其包括401-集成电路板公端和焊接固定在401-集成电路板公端上的402-通讯公接口、403-电源公接口、404-预留接口和405-位姿识别装置，具体的，402-通讯公接口、403-电源公接口和404-预留接口均为镀金平面触点，其上表面与401-集成电路板公端上表面在同一平面上，其中，402-通讯公接口有8个即4对，每对分为CAN_H和CAN_L，4对环向均匀分布，403-电源公接口有8对并环向对称分布，如图4中的虚线椭圆框所示，404-预留接口有4个并环向均匀分布，上述三类接口工作角度有[0°，90°，180°，270°]四个，可提高对接系统的容错性，同时为模块间的电源和通讯的高效、稳定和可靠传递提供硬件基础，405-位姿识别装置为广角单目相机，其安装在电控接口公端的最中间，相机镜头顶部与401-集成电路板公端上表面在同一平面上，相机控制电路嵌入在401-集成电路板公端中。

如图5所示，电控接口母端外形尺寸与母端基体上的电控母端接口槽尺寸相同，可同轴固定安装于机械接口母端上，其包括501-集成电路板母端和焊接固定在501-集成电路板母端上的502-通讯母接口、503-电源母接口、504-预留接口、505-辅助定位装置和506-对接状态判定装置，具体的，502-通讯母接口、503-电源母接口和504-预留接口均为镀金弹簧触点，当触点被压缩到最低点时，触点最高点与501-集成电路板母端上表面在同一平面上，所有镀金弹簧触点的位置与电控接口公端上的对应类型的镀金平面触点位置一一对应，505-辅助定位装置为视觉靶标，其靶标标识内设置有高精度辅助定位块和大容量信息存储块，结合电控接口公端上的视觉相机可实现高精度视觉定位和对接接口的拓扑信息获取，506-对接状态判定装置为霍尔压力传感器阵列，共4个并环向均匀分布在电控接口母端上，用于实时监测并判定对接状态。

如图6所示，301-锁紧机构包括601-外壳、602-锁紧环、603-锁紧电机、604-驱动齿轮、605-被动齿轮、606-挡圈、607-交叉滚子轴承和608-卡簧，601-外壳顶端与302-母端基体固连，603-锁紧电机固定安装在601-外壳底端外部，604-驱动齿轮固定安装在603-锁紧电机输出端，与605-被动齿轮形成齿轮配合，605-被动齿轮同轴安装在607-交叉滚子轴承内圈，两者下端面均与606-挡圈固连以约束两者的相对轴向运动，607-交叉滚子轴承外圈同轴安装在601-外壳内部，607-交叉滚子轴承外圈下端面放置于601-外壳内部凸台上，607-交叉滚子轴承外圈上端面用608-卡簧进行约束，从而约束607-交叉滚子轴承外圈与601-外壳的相对轴向运动，602-锁紧环同轴固定安装在605-被动齿轮上方，其底部与607-交叉滚子轴承内圈上表面处于同一平面，602-锁紧环顶部加工有四块对称布置的锁紧扣，锁紧扣为与602-锁紧环同心的圆环被相对于602-锁紧环轴线平行且对称的两平面截取内部部分所得。

如图7所示，当701-机械接口公端的四杆结构进入702-机械接口母端的四孔结构中，同时对接状态判定装置判定对接状态达到锁紧条件后，控制器下达锁紧指令以控制锁紧机构的706-锁紧电机正向旋转，706-锁紧电机的旋转运动通过705-驱动齿轮与704-被动齿轮减速后，703-驱动锁紧环旋转，使得703-锁紧环的锁紧扣卡入701-机械接口公端四杆结构的锁紧槽中，完成锁紧工作；当所述接口需要断开连接时，控制器控制706-锁紧电机反向旋转，锁紧扣滑出锁紧槽，完成锁紧释放工作，锁紧释放后状态如图8所示。

控制器下达锁紧指令以控制所述锁紧机构(301)的锁紧电机(602)正向旋转，锁紧电机(602)的旋转运动通过驱动齿轮(603)与被动齿轮(604)减速后，驱动锁紧环(606)旋转，使得锁紧环(606)的锁紧扣卡入四杆结构(202)的锁紧槽(203)中，完成锁紧工作；当所述接口需要断开连接时，控制器控制锁紧电机(602)反向旋转，锁紧扣滑出锁紧槽(203)，完成解锁工作。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (5)

1.一种自组织模块化机器人机电传输接口，其特征在于，所述接口包括：

涉及一种自组织模块化机器人机电传输接口，包括机械接口公端、机械接口母端、电控接口公端和电控接口母端四部分；

所述机械接口公端为一体化加工的公端基体及四杆结构，工作角度有四个：[0°，90°，180°，270°]，其中，所述四杆结构为4个环形对称布置的圆柱杆，所述圆柱杆中间开有锁紧槽，所述圆柱杆顶部加工成带锥度的锥杆，所述锥杆顶端加工成球形；

所述机械接口母端包括锁紧机构、一体化加工的母端基体及四孔结构，其中，所述四孔结构为4个环形对称布置的半圆柱孔，所述半圆柱孔与所述基体上端面的连接处加工有倒角，用于增大对接容差，4个所述半圆柱孔轴线所在圆的直径与4个所述圆柱杆轴线所在圆的直径相同，所述半圆柱孔与所述圆柱杆为间隙配合；

所述电控接口公端同轴安装在所述机械接口公端的公端基体上，其中，电控接口公端由集成电路板公端和固定安装在所述集成电路板公端上的电源及通讯传输公接口和位姿识别装置组成；

所述电控接口母端同轴安装在所述机械接口母端的母端基体上，其中，电控接口母端由集成电路板母端和固定安装在所述集成电路板母端上的电源及通讯传输母接口、对接状态判定装置和辅助定位装置组成；

所述锁紧机构包括外壳、锁紧电机、驱动齿轮、被动齿轮、交叉滚子轴承和锁紧环,外壳顶端与所述机械接口母端的母端基体固连，锁紧电机固定安装在外壳底端外部，驱动齿轮固定安装在锁紧电机的输出端，与被动齿轮形成齿轮配合，被动齿轮固定安装在交叉滚子轴承内圈，交叉滚子轴承外圈同轴固定安装在外壳内部，锁紧环同轴安装在被动齿轮上方；锁紧环顶部加工有四块对称布置的锁紧扣，锁紧扣为与锁紧环同心的圆环被相对于锁紧环轴线平行且对称的两平面截取内部部分所得。

2.根据权利要求1所述的一种自组织模块化机器人机电传输接口，其特征在于，具体的：

所述电源及通讯传输公接口为环形对称布置的镀金平面触点阵列，所述位姿识别装置为广角单目相机，所述电源及通讯传输母接口为环形对称布置的镀金弹簧触点阵列，所述镀金弹簧触点阵列位置与所述镀金平面触点阵列位置一一对应，所述对接状态判定装置为环形对称布置的霍尔压力传感器阵列，用于识别对接过程中的接触力从而实现对接状态判定，所述辅助定位装置为视觉靶标，靶标标识内设置有高精度辅助定位块和大容量信息存储块。

3.根据权利要求2所述的一种自组织模块化机器人机电传输接口，其特征在于，所述锁紧机构的锁紧与解锁工作原理，包括：

当所述四杆结构进入所述四孔结构中，同时所述对接状态判定装置判定对接状态达到锁紧条件后，控制器下达锁紧指令以控制所述锁紧机构的锁紧电机正向旋转，所述锁紧电机的旋转运动通过所述驱动齿轮与所述被动齿轮减速后，驱动所述锁紧环旋转，使得锁紧环的锁紧扣卡入四杆结构的锁紧槽中，完成锁紧工作；当所述接口需要断开连接时，控制器控制锁紧电机反向旋转，锁紧扣滑出锁紧槽，完成解锁工作。

4.根据权利要求3所述的一种自组织模块化机器人机电传输接口，其特征在于，所述接口的对接工作原理，包括：

所述机械接口公端和所述电控接口公端向所述机械接口母端和所述电控接口母端主动靠近，电控接口公端上的位姿识别装置与电控接口母端上的辅助定位装置协同工作，实时获取机械接口公端与机械接口母端间的相对位姿信息，并反馈至控制器用于动态调整机械接口公端的位姿，实现机械接口公端的四杆结构逐渐指向机械接口母端的四孔结构内，电控接口母端上的对接状态判定装置实时采集对接状态信息，当判定对接状态达到锁紧条件后，控制器下达锁紧指令控制所述锁紧机构执行锁紧工作任务，从而锁定机械接口公端和机械接口母端的轴向移动自由度，完成对接工作。

5.根据权利要求4所述的一种自组织模块化机器人机电传输接口，其特征在于，所述接口对接完成后模块化间电源及通讯传输原理，包括：

当所述接口完成对接工作完成后，所述电源及通讯传输公接口与所述电源及通讯传输母接口形成硬件连接，自组织模块化机器人系统开始自检并重构电源与通讯传输网络，自检完成即可实现模块化机器人各模块单元间电源与通讯的高效稳定传输功能。

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