一种滑槽式空间自重构细胞机器人的连接单元的制作方法

本发明属于机器人技术领域，涉及到一种自重构机械结构，具体的，涉及一种滑槽式空间自重构细胞机器人的连接单元。

背景技术

空间自重构机器人也是一种空间细胞机器人，是将细胞分裂、分化、组合的原理应用于机器人技术之中的产物。经过细胞、组织、器官及机器人等不同层次的重构，使得机器人能够自动改变自身的形状，尺寸及功能以适应任务和环境形势的变化。空间自重构机器人的这种特点是依靠机器人模块之间的连接性和互换性，以及模块传感器感知到的周围环境信息，通过大量模块之间的相互操作和运动来实现的，也因此使空间自重构机器人具有适应性、多样性、可靠性、扩展性、经济性等优点，能充分适应未来航天任务中操作对象大型化、复杂化、非合作化的趋势。

空间自重构机器人与传统机器人相比，不再受特定结构、功能和运动形式的限制，各模块可以具有不同的功能和结构，但具有统一的机械、电气接口，功能有限的单个模块通过数量的累加大大扩展了机器人的任务和环境适应性；与模块化可重构机器人相比，其模块选择、构型搭建无需人工参与，可以自主变换构型和功能，使宇航员避免处于危险的太空环境中。

自重构细胞机器人连接机构的性能在很大程度上影响整个机器人的工作性能。例如，连接机构的强度将决定模块的最大数量，接口处的连接和脱离速度将影响机器人自重构的速度。在目前已有的几种连接机构中，电磁式连接机构靠电磁力连接，其对接速度快，对中性好，但接头强度有限，脱离过程复杂费时，且连接模块之间易产生干扰；静电力式连接机构依靠正负电荷的吸引力连接，也具有接头强度较低，脱离过程缓慢的缺点；机械式连接机构包括销孔式，钩爪式及尼龙搭扣式等多种形式，连接可靠，连接和脱离过程迅速，但结构设计复杂，占用空间大，对中性不好。

技术实现要素：

本发明的目的是解决上述现有技术的不足，提供一种连接可靠，节约能源，对中性良好，连接与脱离过程迅速的滑槽式空间自重构细胞机器人的连接单元。

本发明解决上述现有技术的不足所采用的技术方案是：

一种滑槽式空间自重构细胞机器人的连接单元，其特征在于：所述连接单元的外形为正六面体，包括六个连接面、两组主动连接盘、连接块、四组随机被动连接盘、导轨支撑架和主动连接机构，其中：所述两组主动连接盘分别设置于所述六个连接面的其中一组相对连接面上，并分别通过沿圆周均匀布置的四组长方体连接块依靠螺钉固连；所述四组随机被动连接盘设置在除主动连接盘占用的一组相对连接面以外的四个连接面上，根据连接需要用螺钉固连或拆除；所述主动连接机构设置在连接单元的中心位置，依靠所述连接面和所述导轨支撑架进行支撑。

本发明中所述的两组主动连接盘分别包括：前板、隔离柱和后板，其中：所述前板是圆形薄板，沿圆周方向均匀开有四组径向滑槽，并将中心位置全部镂空；所述后板是和前板等直径的圆形薄板，沿圆周方向均匀开有四组径向滑槽，中心位置不镂空；所述隔离柱是短圆柱体，设置在前板和后板之间，多个隔离柱依靠螺栓固定连接前板和后板。

本发明中所述的四组随机被动连接盘分别包括：内板和外壳，其中：所述内板的结构与主动连接盘的前板结构完全相同；所述外壳是凹槽式结构，与内板和所述连接单元的连接面分别通过螺栓固连。

本发明中所述的主动连接机构包括：伺服电机、电机支架、主动轴、不完全锥齿轮、两组共轭凸轮、轴承支座、滚子组件、两组十字导轨组件、两个从动锥齿轮、从动锥齿轮轴和滑块组件，其中：所述伺服电机连接固定于电机支架上；所述电机支架与所述连接单元的连接面内侧相连；所述主动轴通过联轴器与伺服电机输出轴相连；所述两组共轭凸轮套在主动轴上靠近伺服电机的一端，对称于所述连接单元的中心位置，通过轴肩与套筒实现轴向定位，通过平键实现周向定位；所述不完全锥齿轮套在主动轴上远离伺服电机的一端，通过套筒实现轴向定位，通过平键实现周向定位；在主动轴末端套有深沟球轴承，所述轴承支座支撑该深沟球轴承，并与所述连接单元的连接面内侧固连；所述滚子组件包含轴承滚子和滚子支撑架，轴承滚子通过连杆和轴端圆螺母安装在滚子支撑架的一端，并嵌入共轭凸轮一侧的具有特定轨迹的沟槽中，构成滚子从动件盘形凸轮；所述十字导轨组件包括两条导轨和两条连杆，两条导轨十字交叉固连，两条连杆安装在十字导轨组件的两端；所述滚子组件的滚子支撑架固定连接在所述十字导轨组件的连杆中心位置；所述从动锥齿轮的侧面沿圆周方向均匀开有四组符合正弦加速度规律的沟槽，轮毂内侧嵌有深沟球轴承，该深沟球轴承套在所述从动锥齿轮轴上，依靠轴端圆螺母和轴肩实现轴向定位，使从动锥齿轮位于可以和不完全锥齿轮正确啮合的位置；所述从动锥齿轮轴一端支撑从动锥齿轮，另一端依靠花键嵌入连接面的花键槽中，并通过轴端圆螺母和轴肩实现轴向固定；所述滑块组件包含滑块、连接杆和卡块，滑块与卡块通过圆柱状的连接杆固定连接；所述滑块分别与所述十字导轨组件划分的四段导轨部分嵌合，因此每组十字导轨组件对应四组滑块组件；所述连接杆与所述从动锥齿轮上符合正弦加速度规律的沟槽相切，并与连接单元连接面上的镂空沟槽相切；所述卡块呈两端宽，中间窄的哑铃式结构，卡块内部一端与所述主动连接盘后板上的沟槽相互嵌合。

本发明中所述主动连接盘前板的四组径向滑槽与主动连接盘后板的四组径向滑槽在主动连接盘装配完成之后是相互对齐的，主动连接盘后板通过长方体连接块固连在连接面上，并使四组滑槽的方向沿着连接单元连接面的对角线方向。

本发明中所述的随机被动连接盘内板的四组滑槽方向在随机被动连接盘连接以后沿着连接单元连接面的对角线方向。

本发明中所述的共轭凸轮两侧的沟槽宽度与滚子组件中的轴承滚子直径相同，且两侧沟槽分别与同侧凸轮外轮廓线等距离，两组共轭凸轮靠近连接单元中心的一侧凸轮及该侧沟槽完全相同，并同时嵌入一对结构相同的滚子组件，两组共轭凸轮远离连接单元中心的一侧凸轮及该侧沟槽完全相同，并同时嵌入另外一对结构相同的滚子组件。

本发明中所述的不完全锥齿路和两组共轭凸轮在主动轴上对应轴段位置的键槽位于同一母线上。

本发明作用时，一个连接单元的左侧凸缘式主动连接盘嵌入另一个连接单元的凹槽式随机被动连接盘内，使主动连接盘前板与随机被动连接盘内板紧贴，同时使主动连接盘前板上的四组径向滑槽与随机被动连接盘内板上的四组径向滑槽对齐，在该初始位置，连接单元内部的滑块组件位于主动连接盘前板以内。连接时，伺服电机驱动主动轴转动，主动轴通过平键带动两组共轭凸轮和不完全锥齿轮同时沿逆时针方向匀速转动170°，在该转动过程中，两组共轭凸轮中远离连接单元中心的一侧凸轮的轮廓轨迹是：首先经过5°的近休止状态，然后经过60°推程阶段，最后经过105°的远休止状态；不完全锥齿轮的有齿区占锥齿轮圆周90°，当主动轴转过70°时不完全锥齿轮与左侧从动锥齿轮开始啮合，当主动轴转过160°时不完全锥齿轮与左侧从动锥齿轮脱离啮合；两组共轭凸轮中靠近连接单元中心的一侧凸轮始终处于近休止状态，具体来说，两组共轭凸轮中远离连接单元中心的一侧凸轮首先完成推程阶段，凸轮推程推动滚子组件向前移动，滚子组件推动十字导轨组件向前移动，十字导轨组件推动滑块组件向前移动，使滑块组件中的哑铃形卡块从主动连接盘前板伸出，并使卡块中部开槽处恰好能包覆两个连接板的厚度，然后不完全锥齿轮与左侧从动锥齿轮开始啮合，从动锥齿轮转动并通过四组正弦加速度规律沟槽对滑块组件连接杆的限制作用和导轨对滑块的限制作用使滑块组件沿主动连接盘的四组滑槽向外滑动，锥齿轮相互啮合时远离连接单元中心的一侧凸轮处于远休止状态，当滑块移动到滑槽的终点位置时，在从动锥齿轮上正弦加速度规律沟槽对滑块组件连接杆的自锁作用下就完成了左侧接口的连接过程，此时电机停止。

在上述左侧接口的连接过程中，两组共轭凸轮中靠近连接单元中心的一侧凸轮始终处于近休止状态，不完全锥齿轮未与右侧从动锥齿轮啮合，右侧主动连接机构不作用。为使右侧接口对接，在左侧接口连接完成的基础上使伺服电机继续转动，电机驱动主动轴转动，主动轴通过平键带动两组共轭凸轮和不完全锥齿轮同时沿逆时针方向继续匀速转动170°，在该转动过程中，两组共轭凸轮中靠近连接单元中心的一侧凸轮的轮廓轨迹是：首先经过15°的近休止状态，然后经过60°推程阶段，最后经过95°的远休止状态；不完全锥齿轮的有齿区占锥齿轮圆周90°，当主动轴继续转过80°时不完全锥齿轮与右侧从动锥齿轮开始啮合，当主动轴继续转过170°时不完全锥齿轮与右侧从动锥齿轮脱离啮合；两组共轭凸轮中远离连接单元中心的一侧凸轮始终处于远休止状态，具体来说，两组共轭凸轮中靠近连接单元中心的一侧凸轮首先完成推程阶段，凸轮推程推动滚子组件向前移动，滚子组件推动十字导轨组件向前移动，十字导轨组件推动滑块组件向前移动，使滑块组件中的哑铃形卡块从主动连接盘前板伸出，并使卡块中部开槽处恰好能包覆两个连接板的厚度，然后不完全锥齿轮与右侧从动锥齿轮开始啮合，从动锥齿轮转动并通过四组正弦加速度规律沟槽对滑块组件连接杆的限制作用和导轨对滑块的限制作用使滑块组件沿主动连接盘的四组滑槽向外滑动，锥齿轮相互啮合时靠近连接单元中心的一侧凸轮处于远休止状态，当滑块移动到滑槽的终点位置时，在从动锥齿轮上正弦加速度规律沟槽对滑块组件连接杆的自锁作用下就完成了右侧接口的连接过程，此时电机停止。

本发明中所述的每个连接单元具备两个相对方向的主动连接功能，并且在连接过程中互不影响，包括一个主动连接面单独作用和两个主动连接面同时作用两种作用形式，增强了连接单元的功能适应性，同时，主动连接机构的连接强度大，接口脱离是接口连接的逆运动，节省了自重构时间。

附图说明

附图1是本发明的结构示意图。

附图2是本发明中主动连接盘的结构示意图。

附图3是本发明中随机被动连接盘的结构示意图。

附图4、附图5是本发明中主动连接机构的结构示意图。

附图6、附图7是本发明中共轭凸轮的结构示意图。

附图8是本发明中从动锥齿轮的结构示意图。

附图9是本发明中从动锥齿轮的支撑结构示意图。

附图10是本发明与其他单元的连接示意图。

具体实施方式

如图1所示的一种滑槽式空间自重构细胞机器人的连接单元，包括六个连接面1、两组主动连接盘2、连接块3、四组随机被动连接盘5、导轨支撑架4和主动连接机构6；所述两组主动连接盘2分别设置于所述六个连接面1的其中一组相对连接面上，并分别通过沿圆周均匀布置的四组长方体连接块3依靠螺钉固连；所述四组随机被动连接盘5设置在除主动连接盘2占用的一组相对连接面以外的四个连接面上，根据连接需要用螺钉固连或拆除；所述主动连接机构6设置在连接单元的中心位置，依靠所述连接面1和所述导轨支撑架4进行支撑。

如图2、图3所示，所述的两组主动连接盘2分别包括前板2-1、隔离柱2-2和后板2-3；所述前板2-1是圆形薄板，沿圆周方向均匀开有四组径向滑槽，并将中心位置全部镂空；所述后板2-3是和前板2-1等直径的圆形薄板，沿圆周方向均匀开有四组径向滑槽，中心位置不镂空；所述隔离柱2-2是短圆柱体，设置在前板2-1和后板2-3之间，多个隔离柱2-2依靠螺栓固定连接前板2-1和后板2-3；所述的四组随机被动连接盘5分别包括内板5-1和外壳5-2，其中：所述内板5-1的结构与主动连接盘2的前板2-1结构完全相同；所述外壳5-2是凹槽式结构，与内板5-1和所述连接单元的连接面1分别通过螺栓固连。

如图4-10所示，所述的主动连接机构6包括：伺服电机7、电机支架8、主动轴9、不完全锥齿轮10、两组共轭凸轮11、轴承支座12、滚子组件13、两组十字导轨组件14、两个从动锥齿轮15、从动锥齿轮轴16和滑块组件17；所述伺服电机7连接固定于电机支架8上；所述电机支架8与所述连接单元的连接面1内侧相连；所述主动轴9通过联轴器与伺服电机7输出轴相连；所述两组共轭凸轮11套在主动轴9上靠近伺服电机7的一端，对称于所述连接单元的中心位置，通过轴肩与套筒实现轴向定位，通过平键实现周向定位；所述不完全锥齿轮10套在主动轴9上远离伺服电机7的一端，通过套筒实现轴向定位，通过平键实现周向定位；在主动轴9末端套有深沟球轴承，所述轴承支座12支撑该深沟球轴承，并与所述连接单元的连接面1内侧固连；所述滚子组件13包含轴承滚子13-1和滚子支撑架13-2，轴承滚子13-1通过连杆和轴端圆螺母安装在滚子支撑架13-2的一端，并嵌入共轭凸轮11一侧的具有特定轨迹的沟槽中，构成滚子从动件盘形凸轮；所述十字导轨组件14包括两条导轨14-1和两条连杆14-2，两条导轨14-1十字交叉固连，两条连杆14-2安装在十字导轨组件14的两端；所述滚子组件13的滚子支撑架13-2固定连接在所述十字导轨组件14的连杆14-2中心位置；所述从动锥齿轮15的侧面沿圆周方向均匀开有四组符合正弦加速度规律的沟槽，轮毂内侧嵌有深沟球轴承，该深沟球轴承套在所述从动锥齿轮轴16上，依靠轴端圆螺母和轴肩实现轴向定位，使从动锥齿轮15位于可以和不完全锥齿轮10正确啮合的位置；所述从动锥齿轮轴16一端支撑从动锥齿轮15，另一端依靠花键嵌入连接面1的花键槽中，并通过轴端圆螺母和轴肩实现轴向固定；所述滑块组件17包含滑块17-1、连接杆17-2和卡块17-3，滑块17-1与卡块17-3通过圆柱状的连接杆17-2固定连接；所述滑块17-1分别与所述十字导轨组件14划分的四段导轨部分嵌合，因此每组十字导轨组件14对应四组滑块组件17；所述连接杆17-2与所述从动锥齿轮15上符合正弦加速度规律的沟槽相切，并与连接单元连接面1上的镂空沟槽相切；所述卡块17-3呈两端宽，中间窄的哑铃式结构，卡块17-3内部一端与所述主动连接盘后板2-3上的沟槽相互嵌合。

本发明作用时，一个连接单元的左侧凸缘式主动连接盘嵌入另一个连接单元的凹槽式随机被动连接盘内，使主动连接盘前板与随机被动连接盘内板紧贴，同时使主动连接盘前板上的四组径向滑槽与随机被动连接盘内板上的四组径向滑槽对齐，在该初始位置，连接单元内部的滑块组件位于主动连接盘前板以内。连接时，伺服电机驱动主动轴转动，主动轴通过平键带动两组共轭凸轮和不完全锥齿轮同时沿逆时针方向匀速转动170°，在该转动过程中，两组共轭凸轮中远离连接单元中心的一侧凸轮的轮廓轨迹是：首先经过5°的近休止状态，然后经过60°推程阶段，最后经过105°的远休止状态；不完全锥齿轮的有齿区占锥齿轮圆周90°，当主动轴转过70°时不完全锥齿轮与左侧从动锥齿轮开始啮合，当主动轴转过160°时不完全锥齿轮与左侧从动锥齿轮脱离啮合；两组共轭凸轮中靠近连接单元中心的一侧凸轮始终处于近休止状态，具体来说，两组共轭凸轮中远离连接单元中心的一侧凸轮首先完成推程阶段，凸轮推程推动滚子组件向前移动，滚子组件推动十字导轨组件向前移动，十字导轨组件推动滑块组件向前移动，使滑块组件中的哑铃形卡块从主动连接盘前板伸出，并使卡块中部开槽处恰好能包覆两个连接板的厚度，然后不完全锥齿轮与左侧从动锥齿轮开始啮合，从动锥齿轮转动并通过四组正弦加速度规律沟槽对滑块组件连接杆的限制作用和导轨对滑块的限制作用使滑块组件沿主动连接盘的四组滑槽向外滑动，锥齿轮相互啮合时远离连接单元中心的一侧凸轮处于远休止状态，当滑块移动到滑槽的终点位置时，在从动锥齿轮上正弦加速度规律沟槽对滑块组件连接杆的自锁作用下就完成了左侧接口的连接过程，此时电机停止。

在上述左侧接口的连接过程中，两组共轭凸轮中靠近连接单元中心的一侧凸轮始终处于近休止状态，不完全锥齿轮未与右侧从动锥齿轮啮合，右侧主动连接机构不作用。为使右侧接口对接，在左侧接口连接完成的基础上使伺服电机继续转动，电机驱动主动轴转动，主动轴通过平键带动两组共轭凸轮和不完全锥齿轮同时沿逆时针方向继续匀速转动170°，在该转动过程中，两组共轭凸轮中靠近连接单元中心的一侧凸轮的轮廓轨迹是：首先经过15°的近休止状态，然后经过60°推程阶段，最后经过95°的远休止状态；不完全锥齿轮的有齿区占锥齿轮圆周90°，当主动轴继续转过80°时不完全锥齿轮与右侧从动锥齿轮开始啮合，当主动轴继续转过170°时不完全锥齿轮与右侧从动锥齿轮脱离啮合；两组共轭凸轮中远离连接单元中心的一侧凸轮始终处于远休止状态，具体来说，两组共轭凸轮中靠近连接单元中心的一侧凸轮首先完成推程阶段，凸轮推程推动滚子组件向前移动，滚子组件推动十字导轨组件向前移动，十字导轨组件推动滑块组件向前移动，使滑块组件中的哑铃形卡块从主动连接盘前板伸出，并使卡块中部开槽处恰好能包覆两个连接板的厚度，然后不完全锥齿轮与右侧从动锥齿轮开始啮合，从动锥齿轮转动并通过四组正弦加速度规律沟槽对滑块组件连接杆的限制作用和导轨对滑块的限制作用使滑块组件沿主动连接盘的四组滑槽向外滑动，锥齿轮相互啮合时靠近连接单元中心的一侧凸轮处于远休止状态，当滑块移动到滑槽的终点位置时，在从动锥齿轮上正弦加速度规律沟槽对滑块组件连接杆的自锁作用下就完成了右侧接口的连接过程，此时电机停止，所述的每个连接单元具备两个相对方向的主动连接功能，并且在连接过程中互不影响，包括一个主动连接面单独作用和两个主动连接面同时作用两种作用形式。