專利名稱：一種模塊化自重構(gòu)機(jī)器人單元模塊之間的對(duì)接機(jī)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及模塊化自重構(gòu)機(jī)器人，尤其涉及一種模塊化自重構(gòu)機(jī)器人單元模塊之間的對(duì)接機(jī)構(gòu)。
背景技術(shù)：
模塊化自重構(gòu)機(jī)器人由若干具有一定自治能力和感知能力的單元模塊組成，各模塊具備統(tǒng)一機(jī)械和電氣接口，可自主對(duì)接組裝為各種聯(lián)體構(gòu)型并可相互轉(zhuǎn)換，從而實(shí)現(xiàn)不同的運(yùn)動(dòng)和操作功能。模塊化自重構(gòu)機(jī)器人的主要特點(diǎn)是自重構(gòu)功能和自修復(fù)功能，要求單元模塊的對(duì)接機(jī)構(gòu)必須保證單元模塊間的機(jī)械連接可靠、分離容易，同時(shí)要求體積小、節(jié)能、機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單。因此對(duì)接機(jī)構(gòu)是模塊化自重構(gòu)機(jī)器人設(shè)計(jì)中最重要的問(wèn)題之一。目前，模塊化自重構(gòu)機(jī)器人單元模塊之間的對(duì)接機(jī)構(gòu)主要有機(jī)械連接、磁鐵連接(永磁鐵和電磁鐵)、機(jī)械或者磁鐵與形狀記憶合金(SMA)結(jié)合、機(jī)械與磁鐵等方式。機(jī)械連接主要分為爪式機(jī)構(gòu)和銷孔式機(jī)構(gòu)，其中爪式機(jī)構(gòu)較為緊湊，但是機(jī)構(gòu)復(fù)雜，對(duì)接精度要求較高；永磁式的連接機(jī)構(gòu)具有連接強(qiáng)度大，體積小的優(yōu)點(diǎn)，但其主要問(wèn)題在于對(duì)接面的抗剪切能力較弱，在機(jī)器人整體運(yùn)動(dòng)過(guò)程中若速度規(guī)劃不合理，兩連接模塊間存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)時(shí)導(dǎo)致連接不可靠；電磁式的對(duì)接機(jī)構(gòu)可以降低機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，但存在體積大、重量大、發(fā)熱量大以及負(fù)載能力小等問(wèn)題；SMA和機(jī)械結(jié)合方式，由于SMA的動(dòng)作耗時(shí)耗能，因而不適合要求鎖緊分離動(dòng)作迅速的情況。
發(fā)明內(nèi)容針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，本實(shí)用新型提供一種采用旋轉(zhuǎn)式卡緊結(jié)構(gòu)的單元模塊之間的對(duì)接機(jī)構(gòu)，采取以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)一種模塊化自重構(gòu)機(jī)器人單元模塊之間的對(duì)接機(jī)構(gòu)，每個(gè)單元模塊均設(shè)有框架型前臂和后臂，前、后臂對(duì)稱設(shè)置并連為一體，其特征在于，每個(gè)單元模塊的前、后臂各設(shè)有一個(gè)對(duì)接面，任一個(gè)單元模塊前臂的對(duì)接面與其他單元模塊后臂的對(duì)接面實(shí)施對(duì)接，在前臂對(duì)接面內(nèi)側(cè)，設(shè)置一電機(jī)，電機(jī)通過(guò)支架固定在對(duì)接面內(nèi)側(cè)，電機(jī)的輸出軸與對(duì)接面垂直，輸出軸末端固定安裝一齒輪，在前臂對(duì)接面中心設(shè)置一安裝有軸承的通孔，通孔內(nèi)設(shè)有軸承，設(shè)置一齒輪，該齒輪設(shè)有中心凸圓，凸圓套接在軸承內(nèi)，在凸圓末端設(shè)置一外緣帶有卡爪的錐頭，錐頭尾端平面與齒輪中心凸圓前端面固定連接，齒輪與錐頭分列在前臂對(duì)接面的內(nèi)外兩側(cè)，該齒輪與電機(jī)輸出軸末端的齒輪嚙合傳動(dòng)；后臂對(duì)接面的中心設(shè)有一個(gè)與帶有卡爪的錐頭相匹配的卡孔。所說(shuō)與錐頭連接的齒輪大于電機(jī)輸出軸末端的齒輪。在前、后臂的對(duì)接面上，還分別設(shè)有一對(duì)左右對(duì)稱設(shè)置的紅外接收管及紅外發(fā)射管透光孔，對(duì)接過(guò)程中前臂對(duì)接面尋找紅外強(qiáng)度最大的方向，完成對(duì)接面初始相對(duì)角度調(diào)整，在該方向上測(cè)量左右紅外對(duì)管的距離值，建立一個(gè)局部坐標(biāo)系，根據(jù)所得的距離值計(jì)算兩個(gè)對(duì)接面相對(duì)角度偏差和相對(duì)位移偏差，然后前臂對(duì)接面根據(jù)得到的偏差值調(diào)整與后臂對(duì)接面的相對(duì)位置，循環(huán)以上步驟，直到兩個(gè)對(duì)接面完全正對(duì)，以完成對(duì)接機(jī)構(gòu)的鎖緊。[0007]本實(shí)用新型具有以下優(yōu)點(diǎn)及有益效果連接機(jī)構(gòu)緊湊，連接性能穩(wěn)定可靠；執(zhí)行能耗小，具備自鎖功能，鎖緊、分離動(dòng)作迅速。

圖I是單元模塊結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是兩單元模塊對(duì)接圖；圖3是圖2的俯視圖；圖4是圖2中前臂的俯視圖；圖5是后臂的立體圖；圖6是兩對(duì)接面分離狀態(tài)時(shí)的錐頭與卡孔的位置關(guān)系圖；圖7是兩對(duì)接面鎖緊狀態(tài)時(shí)的錐頭與卡孔的位置關(guān)系圖；圖8是圖2中前臂中錐頭和齒輪的示意圖；圖9是對(duì)接面初始角度調(diào)整過(guò)程示意圖；圖10是對(duì)接方法流程圖；圖11是對(duì)接過(guò)程偏差計(jì)算示意圖。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖和實(shí)施例，對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。參看圖1，單元模塊設(shè)有框架型前臂和后臂，前、后臂對(duì)稱設(shè)置并連為一體，前、后臂各設(shè)有一個(gè)對(duì)接面，前臂對(duì)接面1，后臂對(duì)接面2。參看圖2-4，右邊為一個(gè)單元模塊的前臂，左邊為另一個(gè)單元模塊的后臂。在前臂對(duì)接面內(nèi)側(cè)，設(shè)置一電機(jī)103，電機(jī)通過(guò)支架102固定在對(duì)接面107上，電機(jī)的輸出軸與對(duì)接面垂直，輸出軸末端固定安裝一齒輪105，在前臂對(duì)接面中心設(shè)置一安裝有軸承的通孔，設(shè)置一齒輪，該齒輪設(shè)有中心凸圓，凸圓厚度>前臂對(duì)接面加后臂對(duì)接面厚度。凸圓套接在軸承內(nèi)，在凸圓末端設(shè)置一外緣帶有3個(gè)卡爪的錐頭108，錐頭108尾端平面與齒輪104中心凸圓前端面通過(guò)三個(gè)螺釘固定連接，齒輪104與錐頭108分列在前臂對(duì)接面107的內(nèi)外兩偵儀圖8)，該齒輪104與電機(jī)輸出軸末端的齒輪105嚙合傳動(dòng)；后臂對(duì)接面201的中心設(shè)有一個(gè)與帶有卡爪的錐頭相匹配、帶有3個(gè)扇形槽的卡孔206 (見(jiàn)圖5)。當(dāng)直流電機(jī)103驅(qū)動(dòng)齒輪105旋轉(zhuǎn)并嚙合傳動(dòng)齒輪104，錐頭108隨之在后臂的卡孔206內(nèi)旋轉(zhuǎn)，卡爪與卡孔的槽口錯(cuò)位時(shí)，對(duì)接機(jī)構(gòu)鎖緊(圖7)，反之，直流電機(jī)103反轉(zhuǎn)，卡爪與卡孔槽口對(duì)位，對(duì)接機(jī)構(gòu)的分離(圖6)，通過(guò)控制前、后臂后退，可使得錐頭108從扇形槽卡孔206中退出。為了保證可靠實(shí)施對(duì)接，在前臂的對(duì)接面上設(shè)有一對(duì)對(duì)稱布置的紅外接收管101、 106，分別對(duì)應(yīng)對(duì)接面上的透光孔109、110，在后臂的對(duì)接面上設(shè)有一對(duì)與紅外接收管101、106，以及透光孔109、110相對(duì)應(yīng)的紅外發(fā)射管202、204以及透光孔203、205。對(duì)接方法如圖9，在前臂(定義為主動(dòng)模塊)的對(duì)接面上，設(shè)有一對(duì)左右對(duì)稱設(shè)置的紅外接收管101、106，分別對(duì)應(yīng)對(duì)接面上的透光孔109、110，在后臂(定義為被動(dòng)模塊)的對(duì)接面上設(shè)有一對(duì)與紅外接收管101、106，以及透光孔109、110相對(duì)應(yīng)的紅外發(fā)射管202、204以及透光孔203、205。對(duì)接過(guò)程中前臂對(duì)接面分別向左右15°范圍內(nèi)按5°遞增模式進(jìn)行角度搜索，尋找紅外強(qiáng)度最大的方向，完成對(duì)接面初始相對(duì)角度調(diào)整，在該方向上測(cè)量左右紅外對(duì)管的距離值，建立一個(gè)局部坐標(biāo)系，根據(jù)所得的距離值計(jì)算兩個(gè)對(duì)接面相對(duì)角度偏差和相對(duì)位移偏差。偏差調(diào)整按照以下步驟1、首先調(diào)整相對(duì)角度偏差Δ α ,通過(guò)多次實(shí)驗(yàn)可以得到單元模塊做一次原地角度調(diào)整的角度經(jīng)驗(yàn)值α，相對(duì)角度偏差除以單次調(diào)整角度經(jīng)驗(yàn)值，可以得到需要角度調(diào)整的次數(shù)η=Λ α/α ;2其次是橫向位移偏差ΛΧ，最后是縱向位移偏差△ Y，調(diào)整方法與相對(duì)角度偏差調(diào)整相同，均是通過(guò)相對(duì)偏差值△ δ和實(shí)驗(yàn)得到單次調(diào)整時(shí)的經(jīng)驗(yàn)值S的比值作為調(diào)整的次數(shù)。然后前臂對(duì)接面根據(jù)得到的偏差值調(diào)整與后臂對(duì)接面的相對(duì)位置 ，循環(huán)以上步驟，直到兩個(gè)對(duì)接面完全正對(duì)，以完成對(duì)接機(jī)構(gòu)的鎖緊。如圖10、11所示，主機(jī)發(fā)送對(duì)接命令，在后臂接收到對(duì)接命令，打開(kāi)左側(cè)紅外發(fā)射管202，前臂MCU通過(guò)左側(cè)紅外接收管101采集IR強(qiáng)度，將IR強(qiáng)度存儲(chǔ)，然后在左右15°的范圍內(nèi)，以5°遞增轉(zhuǎn)動(dòng)前臂，每次測(cè)量一組IR強(qiáng)度，比較這7個(gè)IR強(qiáng)度值，將前臂轉(zhuǎn)向紅外接收管電壓采集值最大處。此時(shí)認(rèn)為兩對(duì)接面為正對(duì)狀態(tài)。關(guān)閉所有紅外發(fā)射管，測(cè)量當(dāng)前環(huán)境光的紅外強(qiáng)度值，然后分別打開(kāi)后臂上左右兩個(gè)紅外發(fā)射管202、204，對(duì)應(yīng)的前臂上的兩個(gè)紅外接收管101、106采集電壓，去除環(huán)境光的影響，并根據(jù)紅外電壓一距離模型計(jì)算出模塊間左右紅外的距離Dl和D2，D1、D2。判斷D1、D2的值是否滿足成功對(duì)接的條件，滿足則對(duì)接成功。否則根據(jù)Dl和D2的值計(jì)算模塊的兩個(gè)對(duì)接面的角度偏差β和位移偏差(距尚Y和水平偏差X)，計(jì)算公式如下D =( I)
2
jO- —·jO-—-- (2)
"isΧ = Β* ιιβ= ^ *siiiβ(3)Y=D *cos β=-^--*cos^(4)
2式中，L為紅外接收管101、106和紅外發(fā)射管202、204的中心距根據(jù)得到的偏差值，前臂根據(jù)計(jì)算值進(jìn)行自身的位置調(diào)整，調(diào)整結(jié)束后重復(fù)以上過(guò)程,直到對(duì)接成功。
權(quán)利要求1.一種模塊化自重構(gòu)機(jī)器人単元模塊之間的對(duì)接機(jī)構(gòu)，每個(gè)単元模塊均設(shè)有框架型前臂和后臂，前、后臂對(duì)稱設(shè)置并連為一體，其特征在干，每個(gè)單元模塊的前、后臂各設(shè)有ー個(gè)對(duì)接面，任一個(gè)單元模塊前臂的對(duì)接面與其他單元模塊后臂的對(duì)接面實(shí)施對(duì)接，在前臂對(duì)接面內(nèi)側(cè)，設(shè)置ー電機(jī)，電機(jī)通過(guò)支架固定在對(duì)接面內(nèi)側(cè)，電機(jī)的輸出軸與對(duì)接面垂直，輸出軸末端固定安裝ー齒輪，在前臂對(duì)接面中心設(shè)置一安裝有軸承的通孔，通孔內(nèi)設(shè)有軸承，設(shè)置ー齒輪，該齒輪設(shè)有中心凸圓，凸圓套接在軸承內(nèi)，在凸圓末端設(shè)置一外緣帶有卡爪的錐頭，錐頭尾端平面與齒輪中心凸圓前端面固定連接，齒輪與錐頭分列在前臂對(duì)接面的內(nèi)外兩側(cè)，該齒輪與電機(jī)輸出軸末端的齒輪哨合傳動(dòng)；后臂對(duì)接面的中心設(shè)有ー個(gè)與帶有卡爪的錐頭相匹配的卡孔。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的模塊化自重構(gòu)機(jī)器人單元模塊之間的對(duì)接機(jī)構(gòu)，其特征在于，與錐頭連接的齒輪大于電機(jī)輸出軸末端的齒輪。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的模塊化自重構(gòu)機(jī)器人單元模塊之間的對(duì)接機(jī)構(gòu)，其特征在于，在前、后臂的對(duì)接面上，分別設(shè)有ー對(duì)左右對(duì)稱設(shè)置的紅外接收管及紅外發(fā)射管及其透光孔。
專利摘要一種模塊化自重構(gòu)機(jī)器人單元模塊之間的對(duì)接機(jī)構(gòu)，每個(gè)單元模塊的前、后臂各設(shè)有一個(gè)對(duì)接面，任一個(gè)單元模塊前臂的對(duì)接面與其他單元模塊后臂的對(duì)接面實(shí)施對(duì)接，設(shè)置一電機(jī)固定在前臂對(duì)接面內(nèi)側(cè)，電機(jī)的輸出軸末端固定安裝一齒輪，在前臂對(duì)接面中心設(shè)置一安裝有軸承的通孔，設(shè)置一帶有中心凸圓的齒輪，凸圓套接在軸承內(nèi)，在凸圓末端設(shè)置一外緣帶有卡爪的錐頭，錐頭尾端平面與齒輪中心凸圓前端面固定連接，齒輪與錐頭分列在前臂對(duì)接面的內(nèi)外兩側(cè)，后臂對(duì)接面的中心設(shè)有一個(gè)與帶有卡爪的錐頭相匹配的卡孔，齒輪嚙合旋轉(zhuǎn)時(shí)，錐頭的卡爪與卡孔的槽口對(duì)位或錯(cuò)位，使兩對(duì)接面分離或鎖緊。
文檔編號(hào)B25J17/00GK202378058SQ20112051502
公開(kāi)日2012年8月15日 申請(qǐng)日期2011年12月12日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月12日
發(fā)明者喬貴方, 孫洪濤, 宋光明, 宋愛(ài)國(guó), 張軍, 李臻 申請(qǐng)人:東南大學(xué)