一种模块化自重构机器人单元模块之间的对接机构及对接方法

摘要

一种模块化自重构机器人单元模块之间的对接机构，每个单元模块的前、后臂各设有一个对接面，任一个单元模块前臂的对接面与其他单元模块后臂的对接面实施对接，设置一电机固定在前臂对接面内侧，电机的输出轴末端固定安装一齿轮，在前臂对接面中心设置一安装有轴承的通孔，设置一带有中心凸圆的齿轮，凸圆套接在轴承内，在凸圆末端设置一外缘带有卡爪的锥头，锥头尾端平面与齿轮中心凸圆前端面固定连接，齿轮与锥头分列在前臂对接面的内外两侧，后臂对接面的中心设有一个与带有卡爪的锥头相匹配的卡孔，齿轮啮合旋转时，锥头的卡爪与卡孔的槽口对位或错位，使两对接面分离或锁紧。

说明书

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对接机构及对接方法。

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，要求单元模块的对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、节能、机构简单。因此对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单元模块之间的对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。机械连接主要分为爪式机构和销孔式机构，其中爪式机构较为紧凑，但是机构复杂，对接精度要求较高；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；电磁式的对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；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

针对现有技术的不足，本发明提供一种采用旋转式卡紧结构的单元模块之间的对接机构及对接方法，采取以下技术方案实现：一种模块化自重构机器人单元模块之间的对接机构，每个单元模块均设有框架型前臂和后臂，前、后臂对称设置并连为一体，其特征在于，每个单元模块的前、后臂各设有一个对接面，任一个单元模块前臂的对接面与其他单元模块后臂的对接面实施对接，在前臂对接面内侧，设置一电机，电机通过支架固定在对接面内侧，电机的输出轴与对接面垂直，输出轴末端固定安装一齿轮，在前臂对接面中心设置一安装有轴承的通孔，通孔内设有轴承，设置一齿轮，该齿轮设有中心凸圆，凸圆套接在轴承内，在凸圆末端设置一外缘带有卡爪的锥头，锥头尾端平面与齿轮中心凸圆前端面固定连接，齿轮与锥头分列在前臂对接面的内外两侧，该齿轮与电机输出轴末端的齿轮啮合传动；后臂对接面的中心设有一个与带有卡爪的锥头相匹配的卡孔。

所说与锥头连接的齿轮大于电机输出轴末端的齿轮。

按上述对接机构实现单元模块之间的对接方法，其特征在于，在前、后臂的对接面上，分别设有一对左右对称设置的红外接收管及红外发射管透光孔，对接过程中前臂对接面分别向左右15°范围内按5°递增模式进行角度搜索，寻找红外强度最大的方向，完成对接面初始相对角度调整，在该方向上测量左右红外对管的距离值，建立一个局部坐标系，根据所得的距离值计算两个对接面相对角度偏差和相对位移偏差，然后前臂对接面根据得到的偏差值调整与后臂对接面的相对位置，循环以上步骤，直到两个对接面完全正对，以完成对接机构的锁紧。

本发明具有以下优点及有益效果：连接机构紧凑，连接性能稳定可靠；执行能耗小，具备自锁功能，锁紧、分离动作迅速。

附图说明

图1是单元模块结构示意图；

图2是两单元模块对接图；

图3是图2的俯视图；

图4是图2中前臂的俯视图；

图5是后臂的立体图；

图6是两对接面分离状态时的锥头与卡孔的位置关系图；

图7是两对接面锁紧状态时的锥头与卡孔的位置关系图；

图8是图2中前臂中锥头和齿轮的示意图；

图9是对接面初始角度调整过程示意图；

图10是对接方法流程图；

图11是对接过程偏差计算示意图。

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。

参看图1，单元模块设有框架型前臂和后臂，前、后臂对称设置并连为一体，前、后臂各设有一个对接面，前臂对接面1，后臂对接面2。

参看图2-4，右边为一个单元模块的前臂，左边为另一个单元模块的后臂。在前臂对接面内侧，设置一电机103，电机通过支架102固定在对接面107上，电机的输出轴与对接面垂直，输出轴末端固定安装一齿轮105，在前臂对接面中心设置一安装有轴承的通孔，设置一齿轮，该齿轮设有中心凸圆，凸圆厚度≥前臂对接面加后臂对接面厚度。凸圆套接在轴承内，在凸圆末端设置一外缘带有3个卡爪的锥头108，锥头108尾端平面与齿轮104中心凸圆前端面通过三个螺钉固定连接，齿轮104与锥头108分列在前臂对接面107的内外两侧（图8），该齿轮104与电机输出轴末端的齿轮105啮合传动；后臂对接面201的中心设有一个与带有卡爪的锥头相匹配、带有3个扇形槽的卡孔206（见图5）。当直流电机103驱动齿轮105旋转并啮合传动齿轮104，锥头108随之在后臂的卡孔206内旋转，卡爪与卡孔的槽口错位时，对接机构锁紧（图7），反之，直流电机103反转，卡爪与卡孔槽口对位，对接机构的分离（图6），通过控制前、后臂后退，可使得锥头108从扇形槽卡孔206中退出。

为了保证可靠实施对接，在前臂的对接面上设有一对对称布置的红外接收管101、106，分别对应对接面上的透光孔109、110，在后臂的对接面上设有一对与红外接收管101、106，以及透光孔109、110相对应的红外发射管202、204以及透光孔203、205。

按上述对接机构实现单元模块之间的对接方法如图9，在前臂（定义为主动模块）的对接面上，设有一对左右对称设置的红外接收管101、106，分别对应对接面上的透光孔109、110，在后臂（定义为被动模块）的对接面上设有一对与红外接收管101、106，以及透光孔109、110相对应的红外发射管202、204以及透光孔203、205。对接过程中前臂对接面分别向左右15°范围内按5°递增模式进行角度搜索，寻找红外强度最大的方向，完成对接面初始相对角度调整，在该方向上测量左右红外对管的距离值，建立一个局部坐标系，根据所得的距离值计算两个对接面相对角度偏差和相对位移偏差。偏差调整按照以下步骤：1、首先调整相对角度偏差Δα，通过多次实验可以得到单元模块做一次原地角度调整的角度经验值α，相对角度偏差除以单次调整角度经验值，可以得到需要角度调整的次数n=Δα/α;2其次是横向位移偏差ΔX，最后是纵向位移偏差ΔY，调整方法与相对角度偏差调整相同，均是通过相对偏差值Δδ和实验得到单次调整时的经验值δ的比值作为调整的次数。然后前臂对接面根据得到的偏差值调整与后臂对接面的相对位置，循环以上步骤，直到两个对接面完全正对，以完成对接机构的锁紧。

如图10、11所示，主机发送对接命令，在后臂（被动模块）接收到对接命令，打开左侧红外发射管202，前臂（主动模块）MCU通过左侧红外接收管101采集IR强度，将IR强度存储，然后在左右15°的范围内，以5°递增转动前臂，每次测量一组IR强度，比较这7个IR强度值，将前臂转向红外接收管电压采集值最大处。此时认为两对接面为正对状态。关闭所有红外发射管，测量当前环境光的红外强度值，然后分别打开后臂上左右两个红外发射管202、204，对应的前臂上的两个红外接收管101、106采集电压，去除环境光的影响，并根据红外电压——距离模型计算出模块间左右红外的距离D1和D2，D1、D2。判断D1、D2的值是否满足成功对接的条件，满足则对接成功。否则根据D1和D2的值计算模块的两个对接面的角度偏差β和位移偏差（距离Y和水平偏差X），计算公式如下：

                                                    （1）

                                               （2）

                                     （3）

                                     （4）

式中，L为红外接收管101、106和红外发射管202、204的中心距

根据得到的偏差值，前臂根据计算值进行自身的位置调整，调整结束后重复以上过程，直到对接成功。