CN203542611U - 模块化自组装机器人及其自动对接、分离装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种模块化自组装机器人及其自动对接、分离装置，包括模块化机器人平台，分别安装在模块化机器人平台上部、前部和后部的位置信息获得部分、对接锁紧前部和对接锁紧后部，以及微控制器；本实用新型通过巧妙地运用多块磁铁磁力吸引对接，精度更高，对接速度更快；运用红外测距对接，成本更低；可以实现从超远距离到近距离自动对接；本实用新型对接成功后模块间连接为刚性结构，整体可以更多承重；采用特殊角型拉紧装置，降低了锁紧时对电极大扭矩的要求；本实用新型解决了机器人单模块下执行任务的局限性与整机工作时效率低下等缺点，可以广泛应用于机械对接领域。
Description
技术领域
本实用新型属于机器人技术领域，具体涉及机器人的重组变形，为一种模块化自组装机器人及其自动对接、分离装置。
背景技术
模块化自重组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连体组型并可相互转换，从而实现不同的运动和操作功能。模块化自重组机器人的主要特点是自重组功能和自修复功能，当其中某一模块收到损坏时可以选择修复或抛弃故障模块从而最大限度完成任务。模块化自重组机器人能够根据环境、任务的变化在不同的组型之间转换，从而完成更高难度、更高要求的任务。
目前国内外已有多家研究机构对此进行了研究。以Mark Yim为首的PARC模块化机器人研究中心当前研制的第三代PolyBot模块化机器人运用摄像机作为对接辅助器件。然而,其对接结构复杂且成本较高，不易于实现。此外，Proteo机器人采取的方式是通过滚动到另一模块上实现模块与其他模块的对接，在实际运用中难以运用，实用性较低。
发明内容
本实用新型的目的在于提供一种对接精度高、机械结构稳定且结构简单的模块化机器人自动对接、分离方案，并且可以比现有技术更加方便地投入日常生活，使机器人既能实现单一模块下的功能又能自组装实现多功能、高难度的动作。
本实用新型为解决上述技术问题，所采取的技术方案如下：
一种模块化自组装机器人及其自动对接、分离装置，包括模块化机器人平台I，以及分别安装在模块化机器人平台I上部、前部和后部的位置信息获得部分II、对接锁紧前部III和对接锁紧后部IV，还包括有微控制器V。
所述的模块化机器人平台I可以单独执行任务，当接收到对接指令时微控制器V可以通过其上搭载的位置信息获得部分II来获得对方模块化机器人平台I位置信息，不断向足部电机发出向对方模块靠近的指令，直到完成对接任务。对接完成后，人为或由机器人自主选择出主控模块，其他模块成为被控模块，以完成整体任务。当整体主控模块接收到分离指令时，解除自身的主控地位，各个模块获得自身控制地位，依次从整体中分离成为单体模块。
所述的位置信息获得部分II由GPS和无线测距模块1-1、红外测距传感器1-2、舵机1-3和支撑连杆1-4组成。其中，所述的GPS和无线测距模块1-1固定在模块化机器人平台I上方，其GPS可将模块间距精确、拉近至10m量级，无线测距模块可将模块间距精确、缩进至1m量级。所述的红外测距传感器1-2为两套，对称布置在模块化机器人平台I上方左右两侧，两套相同红外测距传感器1-2使测量结果更加准确。所述的舵机1-3通过连杆1-4带动红外测距传感器1-2做180度旋转，微控制器V通过读取红外测距传感器1-2数值和舵机1-3角度值综合处理后，可得到目标模块的精确位置信息可精确至cm量级。
所述的对接锁紧前部III位于模块化机器人平台I的前部，包括间隔放置的N-S永磁铁A2-1、N-S永磁铁B2-2、N-S永磁铁C2-3，位于三块永磁铁之间的半圆形锁紧套头A2-4和半圆形锁紧套头B2-5，其中半圆形锁紧套头A2-4和半圆形锁紧套头B2-5上分别加工有矩形通孔A2-6和矩形通孔B2-7。
所述的对接锁紧后部IV位于模块化机器人平台I的后部，包括：
间隔放置的S-N永磁铁A3-1、S-N永磁铁B3-2、S-N永磁铁C3-3；
位于三块永磁铁之间的锁紧套槽口A3-4和锁紧套槽口B3-5，其宽度略大于矩形通孔的厚度，长度略大于矩形通孔的直径；
固定于整个锁紧后部装置上的电机3-6；
与电机3-6的转轴通过丝杠螺母连接副进行连接的连接杆3-7；
左右对称的两个角型杆3-9，两个角型杆3-9末端刚好穿过矩形通孔A2-6和矩形通孔B2-7；
以及将上述左右对称的两个角型杆3-9旋转连接在对接锁紧后部IV支架上的两个固定铰链3-8。
当电机3-6正反转动时，连接杆3-7向不同方向直线运动，进而带动左右对称的角型杆3-9绕着两个固定铰链3-8摆动，两个角型杆3-9末端刚好穿过矩形通孔A2-6和矩形通孔B2-7，通过控制电机3-6旋转的角度大小可控制角型杆3-9末端对半圆形锁紧套头A2-4和半圆形锁紧套头B2-5的拉近程度，实现双模块的刚性连接。由于角型杆3-9特殊的角型结构，使得半圆形锁紧套头对其反作用力几乎全部作用在固定铰链3-8上，降低了在高度锁紧时对电机3-6扭矩的要求。
下面以两个模块化机器人平台I——模块a和模块b——的对接和分离过程为例，对本实用新型的工作过程进行介绍：
1、远距离大于100米：
当模块a和模块b间距较大时，例如大于100米时，利用每个模块上自带的GPS读取自身及其他模块的位置信息，选择双方相互靠近或一方向另一方靠近，来缩短距离。将模块a和模块b距离缩短至10米量级。再利用模块上自带无线测距模块将模块a和模块b间距进一步缩短至米量级。
2、近距离对接：
当模块a和模块b间距在1米以内时，利用红外测距模块1-2获得对方模块的距离、角度信息。微控制器V综合处理对方模块的距离、角度信息可以得出准确位置信息，将信息传递到下一控制级控制模块a和模块b接近，摆正姿态为一前一后，为进一步对接做准备。
3、接触碰撞：
当模块a和模块b中的红外测距模块1-2对距离的识别达到传感器识别极限时，调整模块a和模块b为正对正方式，即两模块方向相同，一方在另一方的正后方。对接锁紧前部III和对接锁紧后部IV上的磁铁模块产生作用力，在“异名磁极相互吸引，同名磁极相互排斥”的作用力下，对接时体现出良好的方向性，可以大大增加两模块的对接精度。
4、锁紧：
当模块a和模块b完成碰撞操作时，微控制器V发出锁紧指令，电机3-6转动，通过连接杆3-7带动角型杆3-9绕着固定铰链3-8转动，角型杆3-9末端刚好能穿过刚好穿过矩形通孔A2-6和矩形通孔B2-7进而使模块a和模块b锁紧。
5、模块分离：
与锁紧时反向转动电机3-6，角型杆3-9末端脱离矩形通孔A2-6和矩形通孔B2-7，解开锁紧装置；由于磁铁切向吸引力较小，控制双模块分别向其左右运动使磁铁侧向移动分离，进而双模块整体完成分离目的。
本实用新型的有益效果在于：通过巧妙地运用多块磁铁磁力吸引对接，精度更高，对接速度更快；运用红外测距对接，成本更低；可以实现从超远距离到近距离自动对接；本实用新型对接成功后模块间连接为刚性结构，整体可以更多承重；本实用新型对接锁紧装置通过调节电机旋转角度锁紧程度可自由调整，更加方便；采用特殊角型拉紧装置，降低了锁紧时对电极大扭矩的要求；本实用新型解决了机器人单模块下执行任务的局限性与整机工作时效率低下等缺点，可以广泛应用于机械对接领域。
附图说明
图1为模块化机器人平台及位置信息获得部分的示意图；
图2为对接锁紧前部结构示意图；
图3为对接锁紧后部与对接锁紧前部连接后的剖视图。
图中：
I：模块化机器人平台；II：位置信息获得部分；III：对接锁紧前部；
IV：对接锁紧后部；V：微控制器；
1-1：GPS和无线测距模块；1-2：红外测距模块；1-3：舵机；1-4：支撑杆；
2-1：N-S永磁铁A；2-2：N-S永磁铁B；2-3：N-S永磁铁C；2-4：半圆形锁紧套头A；
2-5：半圆形锁紧套头B；2-6：矩形通孔A；2-7：矩形通孔B；
3-1：S-N永磁铁A；3-2：S-N永磁铁B；3-3：S-N永磁铁C；3-4：锁紧套槽口A；
3-5：锁紧套槽口B；3-6：电机；3-7：连接杆；3-8：固定铰链；3-9：角型杆；
3-10：螺纹连接接口；3-11：连接关节。
具体实施方式
下面结合附图对发明进行详细介绍。
结合图1至图3，可见本实用新型包括模块化机器人平台I，以及分别安装在模块化机器人平台I上部、前部和后部的位置信息获得部分II、对接锁紧前部III和对接锁紧后部IV，还包括有微控制器V。
图1为模块化机器人平台及位置信息获得部分的示意图；所述的模块化机器人平台I可以单独执行任务，当接收到对接指令时微控制器V可以通过其上搭载的位置信息获得部分II来获得对方模块化机器人平台I位置信息，不断向足部电机发出向对方模块靠近的指令，直到完成对接任务。对接完成后，人为或由机器人自主选择出主控模块，其他模块成为被控模块，以完成整体任务。当整体主控模块接收到分离指令时，解除自身的主控地位，各个模块获得自身控制地位，依次从整体中分离成为单体模块。
所述的位置信息获得部分II由GPS和无线测距模块1-1、红外测距传感器1-2、舵机1-3和支撑连杆1-4组成。其中，所述的GPS和无线测距模块1-1固定在模块化机器人平台I上方，其GPS可将模块间距精确、拉近至10m量级，无线测距模块可将模块间距精确、缩进至1m量级。所述的红外测距传感器1-2为两套，对称布置在模块化机器人平台I上方左右两侧，两套相同红外测距传感器1-2使测量结果更加准确。所述的舵机1-3通过连杆1-4带动红外测距传感器1-2做180度旋转，微控制器V通过读取红外测距传感器1-2数值和舵机1-3角度值综合处理后，可得到目标模块的精确位置信息可精确至cm量级。
图2为对接锁紧前部结构示意图；其位于模块化机器人平台I的前部，包括间隔放置的N-S永磁铁A2-1、N-S永磁铁B2-2、N-S永磁铁C2-3，位于三块永磁铁之间的半圆形锁紧套头A2-4和半圆形锁紧套头B2-5，其中半圆形锁紧套头A2-4和半圆形锁紧套头B2-5上分别加工有矩形通孔A2-6和矩形通孔B2-7。
图3为对接锁紧后部与对接锁紧前部连接后的剖视图，可见所述的对接锁紧后部IV位于模块化机器人平台I的后部，包括：
间隔放置的S-N永磁铁A3-1、S-N永磁铁B3-2、S-N永磁铁C3-3；
位于三块永磁铁之间的锁紧套槽口A3-4和锁紧套槽口B3-5，其宽度略大于矩形通孔的厚度，长度略大于矩形通孔的直径；
固定于整个锁紧后部装置上的电机3-6；
与电机3-6的转轴通过丝杠螺母连接副进行连接的连接杆3-7；
左右对称的两个角型杆3-9，两个角型杆3-9末端刚好穿过矩形通孔A2-6和矩形通孔B2-7；
以及将上述左右对称的两个角型杆3-9旋转连接在对接锁紧后部IV支架上的两个固定铰链3-8。
当电机3-6正反转动时，连接杆3-7向不同方向直线运动，进而带动左右对称的角型杆3-9绕着两个固定铰链3-8摆动，两个角型杆3-9末端刚好穿过矩形通孔A2-6和矩形通孔B2-7，通过控制电机3-6旋转的角度大小可控制角型杆3-9末端对半圆形锁紧套头A2-4和半圆形锁紧套头B2-5的拉近程度，实现双模块的刚性连接。由于角型杆3-9特殊的角型结构，使得半圆形锁紧套头对其反作用力几乎全部作用在固定铰链3-8上，降低了在高度锁紧时对电机3-6扭矩的要求。
下面以两个模块化机器人平台I——模块a和模块b——的对接和分离过程为例，并结合图3，对本实用新型的工作过程进行介绍：
1、远距离大于100米：
当模块a和模块b间距较大时，例如大于100米时，利用每个模块上自带的GPS读取自身及其他模块的位置信息，选择双方相互靠近或一方向另一方靠近，来缩短距离。将模块a和模块b距离缩短至10米量级。再利用模块上自带无线测距模块将模块a和模块b间距进一步缩短至米量级。
2、近距离对接：
当模块a和模块b间距在1米以内时，利用红外测距模块1-2获得对方模块的距离、角度信息。微控制器V综合处理对方模块的距离、角度信息可以得出准确位置信息，将信息传递到下一控制级控制模块a和模块b接近，摆正姿态为一前一后，为进一步对接做准备。
3、接触碰撞：
当模块a和模块b中的红外测距模块1-2对距离的识别达到传感器识别极限时，调整模块a和模块b为正对正方式，即两模块方向相同，一方在另一方的正后方。对接锁紧前部III和对接锁紧后部IV上的磁铁模块产生作用力，在“异名磁极相互吸引，同名磁极相互排斥”的作用力下，对接时体现出良好的方向性，可以大大增加两模块的对接精度。
4、锁紧：
当模块a和模块b完成碰撞操作时，微控制器V发出锁紧指令，电机3-6转动，通过连接杆3-7带动角型杆3-9绕着固定铰链3-8转动，角型杆3-9末端刚好能穿过刚好穿过矩形通孔A2-6和矩形通孔B2-7进而使模块a和模块b锁紧。
5、模块分离：
与锁紧时反向转动电机3-6，角型杆3-9末端脱离矩形通孔A2-6和矩形通孔B2-7，解开锁紧装置；由于磁铁切向吸引力较小，控制双模块分别向其左右运动使磁铁侧向移动分离，进而双模块整体完成分离目的。
上述实施例仅用于说明本实用新型，其中各部件的结构、连接方式等都是可以有所变化的，凡是在本实用新型技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本实用新型的保护范围之外。
Claims (3)
1.一种模块化自组装机器人及其自动对接、分离装置，包括模块化机器人平台(I)，其特征在于：
还包括分别安装在模块化机器人平台(I)上部、前部和后部的位置信息获得部分(II)、对接锁紧前部(III)和对接锁紧后部(IV)，以及微控制器V；
所述的位置信息获得部分(II)由GPS和无线测距模块(1-1)、红外测距传感器(1-2)、舵机(1-3)和支撑连杆(1-4)组成；所述的GPS和无线测距模块(1-1)固定在模块化机器人平台(I)上方；所述的红外测距传感器(1-2)为两套，对称布置在模块化机器人平台(I)上方左右两侧；所述的舵机(1-3)通过连杆(1-4)带动红外测距传感器(1-2)做180度旋转；所述的微控制器V通过读取红外测距传感器(1-2)数值和舵机(1-3)角度值得到目标模块的精确位置信息。
2.根据权利要求1所述的一种模块化自组装机器人及其自动对接、分离装置，其特征在于：
所述的对接锁紧前部(III)位于模块化机器人平台(I)的前部，包括间隔放置的N-S永磁铁A(2-1)、N-S永磁铁B(2-2)、N-S永磁铁C(2-3)，位于三块永磁铁之间的半圆形锁紧套头A(2-4)和半圆形锁紧套头B(2-5)，其中半圆形锁紧套头A(2-4)和半圆形锁紧套头B(2-5)上分别加工有矩形通孔A(2-6)和矩形通孔B(2-7)。
3.根据权利要求1所述的一种模块化自组装机器人及其自动对接、分离装置，其特征在于：
所述的对接锁紧后部(IV)位于模块化机器人平台(I)的后部，包括：
间隔放置的S-N永磁铁A(3-1)、S-N永磁铁B(3-2)、S-N永磁铁C(3-3)；
位于三块永磁铁之间的锁紧套槽口A(3-4)和锁紧套槽口B(3-5)，其宽度略大于矩形通孔的厚度，长度略大于矩形通孔的直径；
固定于整个锁紧后部装置上的电机(3-6)；
与电机（3-6）的转轴通过丝杠螺母连接副进行连接的连接杆（3-7）；
左右对称的两个角型杆（3-9），两个角型杆（3-9）末端刚好穿过矩形通孔A（2-6）和矩形通孔B（2-7）；
以及将上述左右对称的两个角型杆（3-9）旋转连接在对接锁紧后部（IV）支架上的两个固定铰链（3-8）。
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