一种模块化可重构机器人用的耦合接口

1.本发明涉及模块化可重构机器人，具体地说是一种模块化可重构机器人用的耦合接口。


背景技术：

2.模块化可重构机器人是由若干个相同的模块单元连通而成，连通是指模块相互之间存在接口的连接状态。机器人在构型转变时，需要更新模块之间接口的连接/断开关系，对接接口是实现该操作的关键机构。可用于模块化可重构机器人的接口可分为辅助对接式和自动对接式。辅助对接式需要在人工或机器干预下，完成连接/断开操作，应用有限。自动对接式控制内置驱动，执行连接/断开操作，适用于大型模块化可重构系统。
3.已有自动对接式接口的实现方式有凸轮旋合式、连杆锁扣式、磁场作用式等，但大都以实现对接为目的，未权衡机构的自由度、复杂性、功耗等因素。鉴于模块内部安装空间和携带能源有限，在保证接口功能性的前提下，要求兼顾轻巧化、灵活性、低功耗，快速响应接口的连接/断开，提高模块之间连接的可靠性和鲁棒性。


技术实现要素：

4.针对现有自动对接式接口存在的问题，满足对接接口的使用要求，本发明的目的在于提供一种模块化可重构机器人用的耦合接口。该耦合接口为自动对接式接口，仅有一个输入自由度，在驱动电机的驱动下，钩爪进行90
°
旋转运动，实现与被连接接口的解扣/锁扣操作。
5.本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：本发明包括对接动力源、盖板、齿轮转盘、支架、滑块、钩爪及对接板，其中盖板与对接板之间沿圆周方向均匀设有多个支架，所述盖板与对接板之间通过各支架相连，所述对接板上转动安装有旋转轴，所述旋转轴上连动有齿轮转盘，所述齿轮转盘位于盖板与支架（4）之间，由各所述支架支撑；所述齿轮转盘上沿圆周方向均匀开设有多个齿轮转盘导向槽，所述盖板上沿圆周方向均匀开设有与齿轮转盘导向槽数量相同、一一对应的盖板导向槽；相邻两所述支架之间设有一组滑块和钩爪，每组中的所述滑块一端设有滑块导杆，所述滑块导杆的一端与滑块固接或为一体结构，所述滑块导杆的另一端分别插入齿轮转盘导向槽及对应的盖板导向槽中，每组中的所述滑块的另一端开设有滑块槽，所述滑块槽的槽壁上开设有滑块导向槽；每组中的所述钩爪转动安装于对接板上，所述钩爪的一端为对接端，另一端容置于所述滑块槽中，并通过滑块槽滑杆与所述滑块相连，所述滑块槽滑杆插入滑块导向槽中；所述盖板上安装有对接动力源，所述对接动力源驱动齿轮转盘旋转，所述齿轮转盘的旋转运动转变为滑块导杆的耦合直线运动及钩爪的耦合旋转运动，实现模块之间的解扣或锁扣。
6.其中：所述对接板的外边缘沿圆周方向分别设有数量相同、间隔设置的钩爪安装位、钩爪锁扣位，每个所述钩爪安装位均转动安装有钩爪，模块之间锁扣时，相邻模块中的
钩爪锁扣至所述钩爪锁扣位；各所述钩爪在初始状态完全位于对接板的内侧。
7.所述钩爪上开设有钩爪转轴孔，所述钩爪转轴孔内插设有钩爪转轴；所述对接板上开设有钩爪转槽，所述钩爪转轴沉入钩爪转槽中，并通过安装于所述对接板上的支架限位，所述钩爪在同组滑块的带动下绕钩爪转轴旋转。
8.所述钩爪为半圆形，所述钩爪的一端设有用于对接锁扣的开口，所述钩爪的另一端开设有滑块转轴孔，所述滑块槽滑杆安装于滑块转轴孔中。
9.所述滑块导向槽为倾斜开设的直线槽，倾斜方向由上至下沿对接板径向向外倾斜，即所述滑块导向槽的滑块导向槽上限位靠近滑块导杆，滑块导向槽下限位靠近所述钩爪。
10.所述支架的内侧为弧形，所述弧形的两侧均沿径向向外延伸，两侧延伸出来的部分厚度大于弧形部分，使所述弧形的部分形成支架凹平台，所述齿轮转盘放置于支架凹平台上。
11.所述支架内侧弧形部分底面开设有支架内圈安装孔，所述支架内圈安装孔为盲孔，内部安装有支架内圈安装铜柱；所述支架弧形两侧的延伸部分均开设有支架外圈安装孔，所述支架外圈安装孔为通孔，内部安装有支架外圈安装铜柱；所述对接板上与各所述支架对应的位置分别开设有支架安装内孔及支架安装外孔，所述支架安装内孔的数量与支架内圈安装铜柱的数量相同、一一对应，所述支架安装外孔的数量与支架外圈安装铜柱的数量相同、一一对应，所述支架安装内孔及支架安装外孔中均设有支架安装螺钉，各所述支架外圈安装铜柱的一端及支架内圈安装铜柱分别与对接板上的对应的支架安装螺钉连接；所述盖板上与支架对应的位置安装有盖板安装螺钉，所述盖板安装螺钉的数量与支架外圈安装铜柱的数量相同、一一对应，所述支架外圈安装铜柱的另一端与对应的盖板安装螺钉连接。
12.所述齿轮转盘上开设的齿轮转盘导向槽的数量与滑块的数量相同、一一对应，所述齿轮转盘导向槽为弧形槽，所述滑块导杆穿设于对应的齿轮转盘导向槽中，所述钩爪处于初始状态时，所述滑块导杆位于齿轮转盘导向槽的齿轮转盘导向槽内限位，所述钩爪在模块对接过程中通过滑块的带动在齿轮转盘导向槽中移动，当所述钩爪处于锁扣状态时，所述滑块导杆位于齿轮转盘导向槽的齿轮转盘导向槽外限位。
13.所述盖板上开设的盖板导向槽的数量与滑块的数量、齿轮转盘导向槽的数量相同、一一对应，所述盖板导向槽为直线槽，所述滑块导杆依次穿设于对应的齿轮转盘导向槽、盖板导向槽中，所述钩爪处于初始状态时，所述滑块导杆位于盖板导向槽内限位，所述钩爪在模块对接过程中通过滑块的带动在盖板导向槽中移动，当所述钩爪处于锁扣状态时，所述滑块导杆位于盖板导向槽的盖板导向槽外限位。
14.所述对接动力源为驱动电机，所述驱动电机通过电机固定螺杆固接于盖板上设置的电机固定台上，所述驱动电机的输出轴连接有驱动齿轮，所述驱动齿轮与齿轮转盘啮合传动；所述旋转轴的一端与对接板的中心同轴安装，所述旋转轴的另一端由盖板穿过，并连接有角度电位器。
15.本发明的优点与积极效果为：1．本发明的耦合接口为自动对接式接口，具有单一自由度，由驱动电机将运动依次传递至齿轮副、滑块导杆耦合直线运动和钩爪耦合旋转运动，无需人工或机器辅助，即可
实现解扣/锁扣操作。
16.2．本发明耦合接口的滑块导杆耦合直线运动和钩爪耦合旋转运动的设计，运动时不存在卡死位置和力冲击效应，具有驱动力小、锁扣力大的特性，降低了故障率。
17.3．本发明耦合接口的运动具有快速响应能力，控制驱动电机的转速，可以实现对接口解扣/锁扣的时间控制。
18.4．本发明耦合接口对被对接接口要求灵活，既可以是另一耦合接口，也可以是有钩爪锁扣位的被动接口；两个耦合接口对接时，允许一个耦合接口执行锁扣，也可以两个耦合接口执行锁扣。
附图说明
19.图1为本发明的爆炸图；图2为本发明对接板与钩爪装配的结构示意图；图3为图2装配滑块后的结构示意图；图4为图3装配支架后的结构示意图；图5为图4装配齿轮转盘后的结构示意图；图6为本发明钩爪处于解扣状态的立体结构示意图；图7为本发明钩爪处于锁扣状态的立体结构示意图之一；图8为本发明钩爪处于锁扣状态的立体结构示意图之二；图9为本发明支架的立体结构示意图之一；图10为本发明支架的立体结构示意图之二；图11为本发明两个耦合接口对接后的结构示意图；其中：1为驱动电机，2为电机固定螺杆，3为驱动齿轮，4为支架，5为支架内圈安装铜柱，6为滑块导杆，7为滑块槽滑杆，8为钩爪转轴，9为对接板，10为钩爪安装位，11为盖板安装螺钉，12为角度电位器，13为盖板，14为齿轮转盘，15为支架外圈安装铜柱，16为滑块，17为钩爪，18为钩爪转轴孔，19为旋转轴，20为钩爪锁扣位，21为支架安装螺钉；22为钩爪转槽，23为滑块转轴孔，24为支架安装外孔，25为支架安装内孔；26为滑块导向槽，27为滑块导向槽下限位，28为滑块导向槽上限位，29为滑块槽；30为支架侧面，31为支架外圈安装孔，32为支架凹平台；33为齿轮转盘导向槽，34为齿轮转盘中心孔，35为齿轮转盘导向槽内限位，36为齿轮转盘导向槽外限位；37为电机螺杆安装孔，38为d字轴，39为对接板沉头；40为电机固定台，41为盖板导向槽，42为盖板导向槽内限位，43为盖板导向槽外限位，44为盖板沉头；45为耦合接口a，4517为耦合接口a的钩爪，4520为耦合接口a的钩爪锁扣位，46为耦合接口b，4617为耦合接口b的钩爪，4620为耦合接口b的钩爪锁扣位；47为支架内圈安装孔。
具体实施方式
20.下面结合附图对本发明作进一步详述。
21.如图1～10所示，本发明包括对接动力源、盖板13、齿轮转盘14、支架4、滑块16、钩爪17及对接板9，其中盖板13与对接板9之间沿圆周方向均匀设有多个支架4，盖板13与对接板9之间通过各支架4相连，对接板9上转动安装有旋转轴19，旋转轴19上连动有齿轮转盘14，齿轮转盘14位于盖板13与支架4之间，由各支架4支撑；齿轮转盘14上沿圆周方向均匀开设有多个齿轮转盘导向槽33，盖板13上沿圆周方向均匀开设有与齿轮转盘导向槽33数量相同、一一对应的盖板导向槽41；相邻两支架4之间设有一组滑块16和钩爪17，每组中的滑块16一端设有滑块导杆6，滑块导杆6的一端与滑块16固接或为一体结构，滑块导杆6的另一端分别插入齿轮转盘导向槽33及对应的盖板导向槽41中，且滑块导杆6与对接板9垂直；每组中的滑块16的另一端开设有滑块槽29，滑块槽29的槽壁上开设有滑块导向槽26；每组中的钩爪17转动安装于对接板9上，钩爪17的一端为对接端，另一端容置于滑块槽29中，并通过滑块槽滑杆7与滑块16相连，滑块槽滑杆7插入滑块导向槽26中；盖板13上安装有对接动力源，对接动力源驱动齿轮转盘14旋转，齿轮转盘14的旋转运动转变为滑块导杆6的耦合直线运动及钩爪17的耦合旋转运动，实现模块之间的解扣或锁扣。
22.本实施例的对接板9为圆形板，旋转轴19的一端通过轴承与对接板9转动连接，并与对接板9中心同轴安装；对接板9的外边缘沿圆周方向分别设有数量相同、间隔设置的钩爪安装位10、钩爪锁扣位20；本实施例的钩爪安装位10及钩爪锁扣位20均为四个，钩爪安装位10及钩爪锁扣位20为在对接板9外边缘开设的豁口。每个钩爪安装位10均转动安装有钩爪17，模块之间锁扣时，相邻模块中的钩爪锁扣至钩爪锁扣位20；各钩爪17在初始状态完全位于对接板9的内侧，即钩爪17的端面与对接板9的下表面共面，或位于对接板9下表面的内侧。
23.本实施例的钩爪17上开设有钩爪转轴孔18，钩爪转轴孔18内插设有钩爪转轴8；对接板9上每个钩爪安装位10的两侧均开设有钩爪转槽22，钩爪转轴8的长度与两侧钩爪转槽22的长度及钩爪安装位10的宽度之和相等，钩爪转轴8的两端均由钩爪转轴孔18伸出，并沉入两侧的钩爪转槽22中，作为钩爪17绕对接板9旋转的转动轴。本实施例的钩爪17为半圆形，钩爪17的一端设有用于对接锁扣的开口，钩爪17的另一端开设有滑块转轴孔23，滑块槽滑杆7安装于滑块转轴孔23中。
24.本实施例的滑块槽29呈“u”形，开口端的两侧槽壁上对称开设有滑块导向槽26；本实施例的滑块导向槽26为倾斜开设的直线槽，倾斜方向由上至下沿对接板9径向向外倾斜，即滑块导向槽26的滑块导向槽上限位28靠近滑块导杆6，滑块导向槽下限位27靠近钩爪17。滑块槽滑杆7的两端均由滑块转轴孔23伸出，并插入两侧的滑块导向槽26内，滑块槽滑杆7的直径与滑块转轴孔23的孔径及滑块导向槽26的槽宽相等，滑块槽滑杆7可在滑块导向槽26内移动。钩爪17在同组滑块16的带动下绕钩爪转轴8旋转，钩爪17还可绕滑块槽滑杆7相对于滑块16转动，钩爪17在初始状态时，滑块槽滑杆7位于滑块导向槽下限位27。
25.本实施例的支架4的内侧为弧形，弧形的两侧均沿径向向外延伸，两侧延伸出来的部分厚度大于弧形部分，使弧形的部分形成支架凹平台32，齿轮转盘14放置于支架凹平台32上。本实施例的支架4内侧弧形部分底面开设有两个支架内圈安装孔47，支架内圈安装孔47为盲孔，内部安装有支架内圈安装铜柱5；支架4弧形两侧的延伸部分均开设有一个支架外圈安装孔31，支架外圈安装孔31为通孔，内部安装有支架外圈安装铜柱15；对接板9上与各支架4对应的位置分别开设有支架安装内孔25及支架安装外孔24，支架安装内孔25的数
量与支架内圈安装铜柱5的数量相同、一一对应，支架安装外孔24的数量与支架外圈安装铜柱15的数量相同、一一对应，支架安装内孔25及支架安装外孔24中均设有支架安装螺钉21，各支架外圈安装铜柱15的一端及支架内圈安装铜柱5分别与对接板9上的对应的支架安装螺钉21连接；盖板13上与支架4对应的位置安装有盖板安装螺钉11，盖板安装螺钉11的数量与支架外圈安装铜柱15的数量相同、一一对应，支架外圈安装铜柱15的另一端与对应的盖板安装螺钉11连接。每个钩爪17两侧的钩爪转轴8分别由同侧的支架4限位，即支架4与对接板9贴合面限制了钩爪转轴8的上下窜动。相邻两支架4的支架侧面30与滑块16接触，滑块16可在相邻两支架4的中间直线滑动，支架侧面30约束了滑块槽滑杆7的左右移动。
26.本实施例的齿轮转盘14开设有齿轮转盘中心孔34，旋转轴19的另一端由齿轮转盘中心孔34穿过，与齿轮转盘14连动，并与齿轮转盘中心孔34同轴安装；齿轮转盘14上开设的齿轮转盘导向槽33的数量与滑块16的数量相同、一一对应，齿轮转盘导向槽33为弧形槽，滑块导杆6穿设于对应的齿轮转盘导向槽33中，可沿弧形的齿轮转盘导向槽33移动。钩爪17处于初始状态时，滑块导杆6位于齿轮转盘导向槽33的齿轮转盘导向槽内限位35，钩爪17在模块对接过程中通过滑块16的带动在齿轮转盘导向槽33中移动，当钩爪17处于锁扣状态时，滑块导杆6位于齿轮转盘导向槽33的齿轮转盘导向槽外限位36。
27.本实施例的盖板13上开设的盖板导向槽41的数量与滑块16的数量、齿轮转盘导向槽33的数量相同、一一对应，盖板导向槽41为直线槽，滑块导杆6依次穿设于对应的齿轮转盘导向槽33、盖板导向槽41中。钩爪17处于初始状态时，滑块导杆6位于盖板导向槽内限位42，钩爪17在模块对接过程中通过滑块16的带动在盖板导向槽41中移动，当钩爪17处于锁扣状态时，滑块导杆6位于盖板导向槽41的盖板导向槽外限位43。
28.本实施例的对接动力源为驱动电机1，驱动电机1通过电机固定螺杆2固接于盖板13上设置的电机固定台40上，电机固定台40上开设有与电机固定螺杆2数量相同、一一对应的电机螺杆安装孔37，每个电机固定螺杆2均安装于对应的电机螺杆安装孔37中；驱动电机1的输出轴为d字轴38，d字轴38由电机固定台40穿过、并连接有驱动齿轮3，驱动齿轮3与齿轮转盘14啮合，实现运动传递。旋转轴19的另一端由盖板13穿过，并连接有角度电位器12。
29.本实施例的盖板安装螺钉11安装位置为盖板沉头44，并与嵌入支架4的支架外圈安装铜柱15连接。盖板安装螺钉11安装后，沉入盖板13平面下。滑块导杆6伸出部分位于盖板13上的直线盖板导向槽41槽内，可沿直线中心槽线滑动。本实施例的支架安装螺钉21安装位置为对接板沉头39，与嵌入支架4的支架外圈安装铜柱15连接。钩爪17完全转出时，滑块导杆6位于盖板导向槽外限位43处，钩爪17绕钩爪转轴8旋转90
°
，垂直于对接板9。
30.本发明的工作原理为：单自由度的耦合接口由驱动电机1带动驱动齿轮3，传递运动至与驱动齿轮3啮合的齿轮转盘14。齿轮转盘14旋转，滑块导杆6在弧形的齿轮转盘导向槽33和直线形的盖板导向槽41的约束下，耦合成滑块16的直线运动；滑块槽滑杆7沿滑块导向槽26移动，耦合成钩爪17的旋转运动。驱动电机1正向或反向的调整，控制滑块16锁扣时向外散开，解扣时向内聚拢，实现耦合接口的解扣/锁扣功能。钩爪17处于解锁状态时，滑块导杆6位于齿轮转盘导向槽内限位35和盖板导向槽内限位42；滑块槽滑杆7位于滑块导向槽下限位27。钩爪17处于锁扣状态时，滑块导杆6位于齿轮转盘导向槽外限位和盖板导向槽外限位43；滑块槽滑杆7位于滑块导向槽上限位28。位置信息由角度电位器12实时反馈。具体为：
如图11所示，为耦合接口a45和耦合接口b46均执行锁扣状态。耦合接口a的钩爪4517转出，锁扣于耦合接口b的钩爪锁扣位4620；耦合接口b的钩爪4617转出，锁扣于耦合接口a的钩爪锁扣位4520。两耦合接口的相对锁扣方位不受约束，可以根据对接要求调整。两耦合接口对接时，也可以只有一个耦合接口执行锁扣操作，仍然可以完成接口的对接。耦合接口解扣过程为锁扣逆过程，调节驱动电机1反向转动，即可将钩爪17转回至初始位置。转动角度的检测，由安装在旋转轴19上的角度电位器12实时监测。