CN101670586B - 用于自重构模块机器人的基于销-槽楔合的对接机构 - Google Patents

Abstract

一种机器人技术领域的用于自重构模块机器人的基于销轴楔合的对接机构，包括：固定套通讯模块、活动套对接机构以及框架机构，其中：固定套通讯模块置于所述对接机构的端面外圆，活动套对接机构转动嵌套于固定套通讯模块内，框架机构一端设置于固定套底部，另一端与机器人手臂相连。本对接机构结构设计简洁、合理，实现对接过程便捷，运动零部件少，可靠性高，对接精度由机械结构保证，精度高，能很好完成模块之间的对接。

Description

用于自重构模块机器人的基于销-槽楔合的对接机构

技术领域

本发明涉及的是一种机器人技术领域的装置，具体是一种用于自重构模块机器人的基于销-轴楔合的对接机构。 

背景技术

为实现空间太阳能电站的维护，提出了一种新型的自重构机器人。每一个模块机器人搭载了一块太阳能电池板，通过大量拥有相同结构的模块机器人的对接组合，从而得到一大块的空间太阳能电池板的阵列。其中每一个模块机器人是一个独立的逻辑与运动单元，能自主的感知并判断自身及环境的工作情况，模块与模块之间能实现互相通信，凭借彼此的协同工作可以完成模块间的重构、替换，以适应当前工作的要求，其中单个模块机器人三维结构如图1所示。 

从图1中可以看到，模块机器人是一个中心对称的结构，由一个正三角形中心框体和三条机械结构完全相同的机械手臂组成。正三角形中心框体上覆载着太阳能电池板，每一条机械臂具有三个运动自由度，模块通过三条机械臂实现彼此的连接以及运动，因此位于机械臂最末端的对接机构就成了整个自重构***能否有效工作的关键。 

自重构模块机器人的对接接口，通常分为两种类型：机械式接口和电磁式接口。机械式接口与电磁式接口相比耗能更少，效率更高，可靠性也更好。但也存在机械结构复杂，机械的加工精度、磨损失效等影响对接效果的问题，所以研制一种结构简单、加工精度要求不高、运动部件少的机械式接口，是首先需要解决的问题。当前国内外已有的自重构机器人所采用的机械式接口，较多采用的是钩爪式的结构设计，即是在对接面上设置成对角线布置的四个滑块夹头，两模块可通过四个滑块夹头相互匹配地钳制在一起完成对接任务。 

当前国内外已有的自重构机器人所采用的机械式接口，较多采用的是钩爪式的结构设计，此类接口结构设计原理简明，对接实现较便捷直接，但是它的缺点就是对结构的加工精度要求较高，对接精度不高，运动部件太多，机构长期工作磨损严重影响对接效果。 

经过对现有技术的检索发现，日本东京技术研究所Satoshi Murata等人设计的M-TRAN系列自重构机器人模块和美国南加州大学Wei-Min Shen等人设计的Superbot自重构机器人模块都采用的是这种结构。此接口结构设计原理简明，对接实现较便捷直接，但是它的缺 点就是对结构的加工精度要求较高，对接精度不高，运动部件太多，机构长期工作磨损严重影响对接效果。 

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种用于自重构模块机器人的基于销轴楔合的对接机构，结构设计简洁、合理，实现对接过程便捷，机械运动零部件少，可靠性高，对接精度高，能够很好地完成模块之间的对接。 

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括：固定套通讯模块、活动套对接机构以及框架机构，其中：固定套通讯模块置于所述对接机构的端面外圆，活动套对接机构转动嵌套于固定套通讯模块内，框架机构一端设置于固定套底部，另一端与所自重构模块机器人相连。 

所述的固定套通讯模块包括：固定套、电气接插组件以及传感器，其中：固定套位于整个对接机构的端部，电气接插组件固定设置于固定套上，传感器固定设置于固定套的端面四角处。 

所述的固定套上设有圆形槽，所述电气接插组件固定设置于固定套的圆形槽内。 

所述的活动套对接机构包括：活动套、活动销轴和传动***，其中：活动套活动设置于固定套内，活动销轴和传动***分别固定设置于活动套上。 

所述的活动套端面上设置有环形槽，该环形槽沿圆环方向的截面呈变截面形状，从左至右环形槽的深度是变化的，左深右浅，在沿半径方向的截面也是变截面，宽度左宽右狭。 

所述的活动销轴设置于活动套上设置的销轴圆孔内，该销轴圆孔的位置与变截面环形槽中心位置位于活动套端面的同一圆环上，且相位差180°。 

所述的传动***包括：一对圆柱直齿轮以及驱动电机，其中：第一圆柱直齿轮设置在活动套中心齿轮轴上并与对接驱动电机输出轴上的第二圆柱直齿轮啮合传动。 

所述的框架机构包括：两个框架构件，其中：第一框架构件的一侧与固定套相连，另一侧与第二框架构件相连，第二框架构件框架的另一侧与自重构模块机器人相连。 

本发明的对接机构结构简洁、合理，控制方便、可靠，对接精度及可靠性高。只要合理设计销轴轴头与环形槽的形状及尺寸，即可确保对接的顺利实现。 

本发明的对接机构针对目前自重构模块机器人的机械钩爪式对接机构存在的不足，提出了一种新颖的基于销-槽楔合的对接机构方案，通过雌雄同体的对接机构上形状经由特殊设计的销-槽之间的紧密楔合来达成模块之间的对接。由于采用销-槽配合的结构来实现 对接，简洁的机械结构有效降低了对接运动的复杂性，运动部件减少，提高了对接的精度及可靠性，因此本对接机构结构设计简洁合理，实现对接过程便捷，机械运动零部件少，可靠性高，对接精度高，能够很好地完成模块之间的对接任务。此外，本发明采用了组合式的设计结构，对接机构中的所有零部件都可以实现便捷地设置及维护，且整个对接机构中需要运动磨损的部件很少，长期使用后，只要更换活动套与销轴两个零件，即又可投入正常使用。更可把环形槽加工成镶嵌式结构，到时仅需换掉该环形槽块及销轴，进一步降低了成本。 

附图说明

图1为现有技术示意图； 

其中：图1a为单个模块机器人三维结构，图1b为本发明局部放大示意图。 

图2为本发明的结构示意图。 

图3为固定套及活动套端面结构示意图。 

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。 

如图2和图3所示，本实施例包括：固定套通讯模块1，活动套对接机构2以及框架机构3，其中：固定套通讯模块1置于所述对接机构的端面外圆，活动套对接机构2转动嵌套于固定套通讯模块1内，框架机构3一端设置于固定套底部，另一端与机器人手臂相连。 

所述的固定套通讯模块1包括：固定套4、电气接插组件5以及传感器6，其中：固定套4设置在整个对接机构的端部，电气接插组件5由若干接插片通过铜环条焊接成一个环形接插件，然后数个环通过绝缘片相连接在一起组成接插组件。该电气接插组件5通过螺钉固定在固定套4的圆形槽10内，传感器6设置在固定套4的四个角上，呈成对结构形式。 

所述的固定套4是整个对接机构的基础设置平台，主要的零部件均依附其上，所述固定套4上设有圆形槽10。 

所述的电气接插组件5设置在绝缘的固定套4的圆形槽10中，三环接插组件用绝缘片连接在一起，便于设置。电气接插组件5由若干个特殊形状的青铜片焊接在一条铜环上组成，接插件设置时保持一定的间隙，以防止在两对接面对接过程中因接插片受压变形导致不同环上的接插片相互接触而影响通讯。其接插片设置方向也有一定要求，应使接插片沿圆周方向的刚度较大。 

所述的传感器6设置在固定套4端面的四只角上，在两个对角线上分别设置两种不同的 传感器6，对接时通过传感器6的感应定位，即可保证两个对接面准确对位。 

所述的活动套对接机构2包括：活动套7、活动销轴8和传动***9，其中：活动套7活动设置于固定套4内并能相对固定套4转动，活动销轴8和传动***9分别固定设置于活动套7上。 

所述的活动套7是活动销轴8及齿轮轴25的设置载体，其端面上设置有环形槽18。 

所述的环形槽18在沿圆环方向的截面呈变截面形状，从左至右环形槽18的深度是变化的，左深右浅，在沿半径方向的截面也是变截面，宽度左宽右狭；槽最右端的尺寸和形状与活动销轴8轴头部紧密楔合，这样消除了对接过程中的位置偏差，保证了对接后两对接面的准确对中。 

所述的活动销轴8设置于活动套7上设置的销轴圆孔11内，该销轴圆孔11的位置与变截面环形槽18中心位置位于活动套7端面的同一圆环上，且相位差180°，这样保证了在对接过程中，两对接机构活动套7端面上的环形槽18、活动销轴8正好相互对应与匹配。 

所述的活动套7端面上中心孔19处覆盖设置有一块圆形盖板12，此圆形盖板12在与活动套7上环形槽18相对应的位置上也开了一条等长度的环形槽，该槽宽度要小于活动套7上环形槽18的宽度，其宽度尺寸取决于活动销轴8轴头颈处的尺寸。这样保证了活动销轴8轴头在变截面环形槽18及圆形盖板12的约束下夹紧。销轴圆孔11内装有套筒20，活动销轴8上套有弹性挡圈21及垫圈22，用于约束活动销轴8运动的行程。销轴圆孔11底部装有弹簧座套24，在弹簧座套24底圆上开有凸脊，以配合活动销轴8上开有的限位滑槽起到为活动销轴8定位及上下运动限位的作用。为便于对接过程中活动销轴8轴头自动伸入另一对接机构的环形槽18中，在弹簧座套24及活动销轴8间套有弹簧23，弹簧23刚度的选择应保证初始设置状态下弹簧力足以顶起活动销轴8，活动销轴8在销轴圆孔11中的行程要按槽深、轴头轴向尺寸以及圆形盖板12的厚度确定，否则会使对接后两对接面产生一定间隙，或无法紧密贴紧的后果。活动销轴8轴头的轴剖面制成具有一定斜率，其斜切的角度及方位应与活动套7上变截面环形槽18最右端截面形状精确匹配。对接过程中，通过两者斜面的紧密楔合达到对接的目的。为保证活动销轴8轴头形状相对变截面环形槽18的位置不改变，在活动销轴8上开有限位滑槽。 

所述的传动***9包括：一对圆柱直齿轮13、14以及驱动电机15，其中：第一圆柱直齿轮13设置在活动套7的中心齿轮轴25上并与对接驱动电机15输出轴上的第二圆柱直齿轮14啮合传动。当对接驱动电机15转动时，通过一对圆柱直齿轮13、14传动带动活动套7相对固定套4转动，其转动幅度为变截面环形槽18对应中心的角度。当对接驱动电机15反转 相同角度，即实现对接机构间的分离。 

所述的框架机构3包括：两个框架构件16、17，其中：第一框架构件16的一侧与固定套4相连，另一侧与第二框架构件17相连，第二框架构件17框架的另一侧与机器人手臂相连。 

自重构模块机器人之间的对接是通过其机械臂末端的对接机构来实现的。由于同一模块的三条机械臂结构完全相同，要实现不同模块机器人机械臂之间的对接，只要两机械臂在姿态控制下使两对接机构的活动套对接机构2上的环形槽18和活动销轴8轴头相对应且相互靠近，然后通过装在对接机构端面上的传感器6感应发出信号，以使机械臂运动停止，此时对接面上的活动销轴8已进入相应的环形槽18中，接着启动对接驱动电机15，两对接机构相对转过环形槽18对应中心的角度致使活动销轴8轴头楔紧在环形槽18内，通过对接驱动电机15转角或电机堵转状态的检测，立即断开对接驱动电机15，从而完成对接任务。 

Claims (1)

1.一种用于自重构模块机器人的基于销-槽楔合的对接机构，其特征在于，包括：固定套通讯模块、活动套对接机构以及框架机构，其中：固定套通讯模块置于所述基于销-槽楔合的对接机构的端面外圆，活动套对接机构转动嵌套于固定套通讯模块内，框架机构一端设置于固定套底部，另一端与所述自重构模块机器人相连；

所述的固定套通讯模块包括：所述固定套、电气接插组件以及传感器，其中：固定套位于整个基于销-槽楔合的对接机构的端部，电气接插组件固定设置于固定套上，传感器固定设置于固定套的端面四角处；

所述的固定套通讯模块中的固定套上设有圆形槽，所述的电气接插组件固定设置于固定套的圆形槽内，所述的传感器设置在固定套端面的四只角上；

所述的活动套对接机构包括：活动套、活动销轴和传动***，其中：活动套活动设置于固定套内，活动销轴和传动***分别固定设置于活动套上；

所述的活动套的端面上设置有环形槽，活动销轴和传动***固定设置于活动套上；

所述的环形槽在沿圆环方向以及半径方向的截面均呈变截面形状，从左至右环形槽的深度是变化的，左深右浅，在沿半径方向的截面也是变截面，宽度左宽右狭；槽最右端的尺寸和形状与活动销轴轴头部紧密楔合；

所述的活动销轴设置在活动套上的销轴圆孔内，该销轴圆孔的位置与变截面环形槽中心位置位于活动套端面的同一圆环上，且相位差180°，销轴圆孔底部装有弹簧座套，在弹簧座套底圆上开有凸脊，以配合活动销轴上开有的限位滑槽起到为活动销轴定位及上下运动限位的作用；

所述的传动***包括：一对圆柱直齿轮以及对接驱动电机，其中：第一圆柱直齿轮设置在活动套中心齿轮轴上，第一圆柱直齿轮与对接驱动电机输出轴上的第二圆柱直齿轮啮合传动；

所述的框架机构包括：两个框架构件，其中：第一框架构件的一侧与固定套相连，另一侧与第二框架构件框架的一侧相连，第二框架构件框架的另一侧与自重构模块机器人相连。

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