一种具备机械电气双连自保持能力的自重构机器人对接机构制造技术

本发明专利技术公开了一种具备机械电气双连自保持能力的自重构机器人对接机构。采用钩爪式锁紧机构，电机通过涡轮蜗杆带动曲柄滑锁机构组件运动进而驱动四个钩爪大角度转动以完成两对接面之间的锁紧和释放，且完成对接后具备无功耗自保持能力。对接机构的连接底板中心布置有电气连接器组件，其上的弹簧探针和电气触点通过特定的位置排布可实现任意正交方位下主动对接面与主动对接面、主动对接面与被动对接面对接时的电力传输与通信。对接面上的八个红外传感器阵列可以实时测量两对接面的相对距离和夹角以辅助钩爪实现精准对接。该对接机构可同时实现机械连接和电连接，且结构紧凑、易于对接、锁紧可靠，可满足多个自重构机器人串联后的重力、供电及通信需求。

A self reconfigurable robot docking mechanism with self sustained ability of mechanical electrical double connections

The invention discloses a self reconfigurable robot docking mechanism with self maintaining ability of mechanical electrical double connection. A hook-and-claw locking mechanism is adopted. The motor drives the crank-and-sliding-locking mechanism components to move through the turbine worm and then drives the four hooks and claws to rotate at large angles to complete the locking and releasing between the two pairs of joint surfaces, and it has the ability of reactive power self-maintenance after the completion of the docking. An electrical connector assembly is arranged at the center of the connecting base plate of the docking mechanism, and the spring probe and the electric contact on it can realize the power transmission and communication between the active docking surface and the active docking surface, the active docking surface and the passive docking surface in any orthogonal direction. The eight infrared sensor arrays on the docking surface can measure the relative distance and angle between the two docking surfaces in real time to assist the hook and claw to achieve accurate docking. The docking mechanism can realize both mechanical and electrical connection, and has compact structure, easy docking and reliable locking. It can meet the gravity, power supply and communication requirements of multiple self-reconfigurable robots after series connection.

【技术实现步骤摘要】
一种具备机械电气双连自保持能力的自重构机器人对接机构
本专利技术涉及模块化自重构机器人，特别涉及适用于自重构模块化机器人的对接机构，具体地说是一种具备机械电气双连自保持能力的自重构机器人对接机构。
技术介绍
模块化自重构机器人是目前机器人领域重要的研究热点。融合了“变形重构”和“自主移动”设计思想的自重构机器人，是一个自治的机械电子单元，具有独立的运动、计算和通信能力。它通常由多个相互独立的标准模块组成，各模块间通过对接接口完成机械和电气的连接/断开，实现模块间相对位置和拓扑结构的变换，以适应多种复杂的任务场景和功能需求。相比于传统结构化机器人，模块化自重构机器人最主要特点就是自重构功能和自修复功能，具有更加优越的灵活性、变通性和极强的环境适应能力，使它能在空间探测、海洋开发、医疗辅助、家居服务等诸多非结构化环境中工作。对接机构作为模块化自重构机器人的重要子组件，是保证各模块间能够实现有效对接/分离，建立各模块间机械连接关系，进而完成自重构、自组装，同时具备自我修复能力的核心要素之一。与此同时，在保证机械连接可靠的基础上，还需完成电气连接，实现各单体模块间的电源共享与通信。目前，国内外研制的自重构模块化机器人的对接机构主要有机械连接、磁铁连接、机械/磁铁与形状记忆合金(SMA)、机械与磁铁四种连接形式，对接机制普遍为单一组合对接机制，即主动面与被动面对接，极大限制了模块间的自重构配置形式。此外，对接机构和模块化机器人的运动执行机构一体化设计造成了模块化机器人整机体积偏大，影响了机构的运动灵活性和运动精度。此外，由于各模块化机器人之间通常设置为独立供电和无线传输，导致相邻模块发生断电及通信故障时无法对其进行从动控制。因此有必要设计一种具备机械、电气双连自保持能力的高效对接机构，以满足自重构模块化机器人的对接需求。通过查阅国内外文献发现，目前实现机械、电气同时连接的对接机构有英国谢菲尔德大学的ChristopherParrott等人在《Higen：AHigh-SpeedGenderlessMechanicalConnectionMechanismwithSingle-SidedDisconnectforSelf-ReconfigurableModularRobots》中提出的HiGen对接机构和德国卡尔斯鲁厄理工学院的JensLiedke等人在《CoboLD-ABondingMechanismforMoularSelf-ReconfigurableMobileRobots》中提出的CoBoLD对接机构。上述的两种对接机构均采用无性对接机制，虽然这种对接机制可以在模块单方面故障的情况下完成连接/分离动作，但占用了额外的空间来布置执行元件，增加了机构的体积。此外，HiGen对接机构整机采用ABS材质，难以满足多模块串联运动所需的高承载力。
技术实现思路
本专利技术的目的就是提供一种具备机械电气双连自保持能力的自重构机器人对接机构。对接机构由外圈壳体、驱动组件、曲柄滑锁机构组件、电气连接器组件、角度传感器及主动对接面组成。曲柄滑锁机构组件固定于主动对接面的主动连接底板背面，主动连接底板中心布置有电气连接器组件，角度传感器固定于电气连接器组件上表面，且其感应芯片的中心与主动连接底板中心重合。外圈壳体的上下端面分别与驱动组件、主动连接底板通过螺钉紧固。所述的驱动组件包括支撑板、减速电机、法兰轴承、传动轴、电机支撑座、涡轮蜗杆。减速电机通过电机支撑座固定于支撑板的下表面，蜗杆与减速电机输出轴固连，同时与固定于传动轴上的涡轮垂直啮合。传动轴一端与固定在支撑板中心的法兰轴承固连，另一端与曲柄滑锁机构组件的转动拨盘固连。所述的曲柄滑锁机构组件由四组曲柄滑锁机构组成。每组曲柄滑锁机构由一个曲柄滑块机构、一个钩爪、一根固定轴、一根转轴组成。四组曲柄滑锁机构按间隔90°对称固定于主动连接底板背面，且第一组曲柄滑锁机构的几何中心线与主动连接底板中心的连线相对于主动连接底板纵向中心线的夹角为22.5°。每组曲柄滑块机构包括转动拨盘、一根L形连杆、一个滑块和一副导轨。四组曲柄滑块机构的连杆按90°间隔铰接于转动拨盘周边，每根连杆与对应滑块之间通过转动副铰接，滑块开有U形槽和通孔，在分成两半的导轨内滑动，导轨的下端面与主动连接底板上的凸台固连，导轨内侧的两个台阶式侧端面分别与相应滑块侧端面、主动连接底板凸台的侧端面贴合。钩爪通过转轴在滑块的U形槽内与滑块铰接，钩爪开有长条孔，固定轴穿过钩爪长条孔与主动连接底板凸台固连，钩爪在滑块通过转轴的推动和长条孔沿固定轴滑动的复合运动下形成末端的大角度转动。所述的电气连接器组件由电路板、橡胶座、八个弹簧探针和八个电气触点组成。橡胶座固定于主动连接底板中心，八个弹簧探针和八个电气触点排布于同一定位圆上，并穿过橡胶座上的安装孔固定于橡胶座内，其尾端与电路板焊接。八个弹簧探针均分为两组，且第一组的第一个探针的几何中心与主动连接底板中心的连线相对于主动连接底板纵向中心线沿顺时针方向的夹角为10°，其余三个探针则按顺时针间隔10°依次排列；第二组的第一个探针的几何中心与主动连接底板中心的连线相对于主动连接底板的横向中心线沿顺时针方向的夹角为10°，其余三个探针则按顺时针间隔10°依次排列。八个电气触点分为4组，组与组之间间隔90°均布，且第一组的第一个电气触点的几何中心与主动连接底板中心的连线相对于主动连接底板的纵向中心线沿顺时针方向的夹角为50°，第二个电气触点相对于第一个电气触点按顺时针间隔10°排布。所述的主动对接面包括主动连接底板、电气连接器组件安装孔、四个钩槽、四个倒梯形钩孔及八个红外传感器，且每个倒梯形钩孔在主动连接底板靠近中心一侧还开有条形凹槽。电气连接器组件安装孔开设于主动连接底板正中心。四个钩槽和四个倒梯形钩孔排布于同一定位圆上，一个钩槽和一个倒梯形钩孔为一组，共分四组，且任意一组钩槽和倒梯形钩孔相对于主动连接底板的中心线对称，与中心线的夹角皆为22.5°。所述的八个红外传感器包括四个红外发射探头和四个红外接收探头，均布于同一定位圆上，其中四个探头位于定位圆与主动连接底板的两条正交中心线的四个交点上，且以每个倒梯形钩孔几何中心线为对称中心布置两个异类探头，以每个钩槽几何中心线为对称中心布置两个同类探头。所述的被动对接面由被动连接底板、被动电气连接器组件及八个红外传感器组成。被动连接底板包括被动电气连接器组件安装孔、四个倒梯形孔及八个红外传感器安装孔，被动连接底板上倒梯形钩孔和红外传感器的布置与主动连接底板上的一致。被动电气连接器组件由电路板、橡胶座和十六个电气触点组成。十六个电气触点与所述电气连接器组件上八个弹簧探针和八个电气触点的位置布局保持一致，并穿过橡胶座上的安装孔固定于橡胶座内，且电气触点的尾端与电路板焊接。本专利技术的优点和有益效果是：一、体积小、质量轻、过流能力强且连接时具有双自锁性，连接更为可靠；二、兼具主动对接面和主动对接面、主动对接面和被动对接面对接功能；三、对接时满足正交对称性，即主动对接面与主动对接面、主动对接面与被动对接面相对旋转90°、180°、270°时仍可完成机械和电气的双连接；四、八个红外传感器在对接过程中可以实时检测两对接面间距离及夹角以辅助钩爪实现精准对接。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.本专利技术所述的一种具备机械电气双连自保持能力的自重构机器人对接机构，其特征在于：对接机构由外圈壳体、驱动组件、曲柄滑锁机构组件、电气连接器组件、角度传感器及主动对接面组成。曲柄滑锁机构组件固定于主动对接面的主动连接底板的背面，主动连接底板中心布置有电气连接器组件，角度传感器固定于电气连接器组件上表面，且角度传感器感应芯片的几何中心与主动连接底板中心重合。外圈壳体的上下端面分别与驱动组件、主动连接底板通过螺钉紧固。所述的驱动组件包括支撑板、减速电机、法兰轴承、传动轴、电机支撑座、涡轮蜗杆。减速电机通过电机支撑座固定于支撑板的下表面，蜗杆与减速电机输出轴固连，同时与固定于传动轴上的涡轮垂直啮合。传动轴一端与固定在支撑板中心的法兰轴承固连，另一端与曲柄滑锁机构组件的转动拨盘固连。所述的曲柄滑锁机构组件由四组曲柄滑锁机构组成。每组曲柄滑锁机构由一个曲柄滑块机构、一个钩爪、一根固定轴、一根转轴组成。四组曲柄滑锁机构按间隔90°对称固定于主动对接面的主动连接底板的背面，且第一组曲柄滑锁机构的几何中心线与主动连接底板中心的连线相对于主动连接底板纵向中心线的夹角为22.5°。每组曲柄滑块机构包括转动拨盘、一根L形连杆、一个滑块和一副导轨。四组曲柄滑块机构的连杆按90°间隔铰接于转动拨盘周边，每根连杆与对应滑块之间通过转动副铰接，滑块开有U形槽和通孔，在分成两半的导轨内滑动，导轨的下端面与主动连接底板上的凸台固连，导轨内侧的两个台阶式侧端面分别与相应滑块侧端面、主动连接底板凸台的侧端面贴合。钩爪通过转轴在滑块的U形槽内与滑块铰接，钩爪开有长条孔，固定轴穿过钩爪长条孔与主动连接底板凸台固连，钩爪在滑块通过转轴的推动和长条孔沿固定轴滑动的复合运动下形成末端的大角度转动。所述的电气连接器组件由电路板、橡胶座、八个弹簧探针和八个电气触点组成。橡胶座固定于主动连接底板中心，八个弹簧探针和八个电气触点排布于同一定位圆上，并穿过橡胶座上的安装孔固定于橡胶座内，且尾端与电路板焊接。八个弹簧探针均分为两组，且第一组的第一个探针的几何中心与主动连接底板中心的连线相对于主动连接底板纵向中心线沿顺时针方向的夹角为10°，其余三个探针则按顺时针间隔10°依次排列；第二组的第一个探针的几何中心与主动连接底板中心的连线相对于主动连接底板的横向中心线沿顺时针方向的夹角为10°，其余三个探针则按顺时针间隔10°依次排列。八个电气触点分为4组，组与组之间间隔90°均布，且第一组的第一个电气触点的几何中心与主动连接底板中心的连线相对于主动连接底板的纵向中心线沿顺时针方向的夹角为50°，第二个电气触点相对于第一个电气触点按顺时针间隔10°排布。所述的主动对接面包括主动连接底板、电气连接器组件安装孔、四个钩槽、四个倒梯形钩孔及八个红外传感器，且每个倒梯形钩孔在主动连接底板靠近中心一侧还开有条形凹槽。电气连接器组件安装孔开设于主动连接底板正中心。四个钩槽和四个倒梯形钩孔排布于同一定位圆上，一个钩槽和一个倒梯形钩孔为一组，共分四组，且任意一组钩槽和倒梯形钩孔相对于主动连接底板的中心线对称，与中心线的夹角皆为22.5°。所述的八个红外传感器包括四个红外发射探头和四个红外接收探头，均布于同一定位圆上，其中四个探头位于定位圆与主动连接底板的两条正交中心线的四个交点上，且以每个倒梯形钩孔几何中心线为对称中心布置两个异类探头，以每个钩槽几何中心线为对称中心布置两个同类探头。...

【技术特征摘要】
1.本发明所述的一种具备机械电气双连自保持能力的自重构机器人对接机构，其特征在于：对接机构由外圈壳体、驱动组件、曲柄滑锁机构组件、电气连接器组件、角度传感器及主动对接面组成。曲柄滑锁机构组件固定于主动对接面的主动连接底板的背面，主动连接底板中心布置有电气连接器组件，角度传感器固定于电气连接器组件上表面，且角度传感器感应芯片的几何中心与主动连接底板中心重合。外圈壳体的上下端面分别与驱动组件、主动连接底板通过螺钉紧固。所述的驱动组件包括支撑板、减速电机、法兰轴承、传动轴、电机支撑座、涡轮蜗杆。减速电机通过电机支撑座固定于支撑板的下表面，蜗杆与减速电机输出轴固连，同时与固定于传动轴上的涡轮垂直啮合。传动轴一端与固定在支撑板中心的法兰轴承固连，另一端与曲柄滑锁机构组件的转动拨盘固连。所述的曲柄滑锁机构组件由四组曲柄滑锁机构组成。每组曲柄滑锁机构由一个曲柄滑块机构、一个钩爪、一根固定轴、一根转轴组成。四组曲柄滑锁机构按间隔90°对称固定于主动对接面的主动连接底板的背面，且第一组曲柄滑锁机构的几何中心线与主动连接底板中心的连线相对于主动连接底板纵向中心线的夹角为22.5°。每组曲柄滑块机构包括转动拨盘、一根L形连杆、一个滑块和一副导轨。四组曲柄滑块机构的连杆按90°间隔铰接于转动拨盘周边，每根连杆与对应滑块之间通过转动副铰接，滑块开有U形槽和通孔，在分成两半的导轨内滑动，导轨的下端面与主动连接底板上的凸台固连，导轨内侧的两个台阶式侧端面分别与相应滑块侧端面、主动连接底板凸台的侧端面贴合。钩爪通过转轴在滑块的U形槽内与滑块铰接，钩爪开有长条孔，固定轴穿过钩爪长条孔与主动连接底板凸台固连，钩爪在滑块通过转轴的推动和长条孔沿固定轴滑动的复合运动下形成末端的大角度转动。所述的电气连接器组件由电路板、橡胶座、八个弹簧探针和八个电气触点组成。橡胶座固定于主动连接底板中心，八个弹簧探针和八个电气触点排布于同一定位圆上，并穿过橡胶座上的安装孔固定于橡胶座内，且尾端与电路板焊接。八个弹簧探针均分为两组，且第一组的第一...

【专利技术属性】
技术研发人员：战强，田新扬，王俊卿，李春红，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：北京,11