基于可编程磁体的模块机器人自重构对接机构及对接方法

1.本发明涉及一种基于可编程磁体的模块机器人自重构对接机构及对接方法，尤其适用于模块化自重构机器人的对接部位。


背景技术：

2.为了使机器人能满足不同环境和不同任务情况下的功能需求，具有适应性结构的模块化机器人的概念得以提出并得到了发展。模块化机器人是由多个具有特定功能和结构的相互独立模块组成，能够根据环境和任务进行组合，以形成具有适应性的不同形态。
3.如何使模块化机器人独立自主地进行可靠的连接和分离，一直是模块机器人的研究重点。它要求模块机器人具有自主的可重构性，且连接部位最好具有足够的刚性和鲁棒性。在对接形式中机械对接最为常见，一般需要电机作为对接的驱动，经一系列的机械传动完成对接面的锁合和解锁。机械对接具有稳定性高、对接面承载能力强等优点，但机械对接具有一个很严重的不足之处，驱动器和繁琐的传动装置大大增加了对接部位的厚度和体积。所以使用机械对接的模块机器人内部结构常常单纯地为完成对接而设计，却抛弃了模块机器人本身应该具有的完成任务所需的功能。针对这一缺陷，研究人员进行了大量的探索，其中最为突出的是电磁对接。有研究者在电控永磁技术的基础上设计出了用于对接的磁键对，并将其用于模块化机器人robot pebbles的对接面。随后大量的研究者以此为参考，设计出如smores-ep robot和kubits等模块化机器人。基于磁键对的对接方式厚度较薄、执行迅速、具有高度的自重构性和一定的鲁棒性，在不涉及过大或复杂载荷的前提下确实为一种非常理想的对接方式。不过，电磁对接虽具有一定的抗拉强度，但抗剪切力和弯矩的能力却很差，面临这些情形时，电磁对接在保持刚性方面显得力不从心。


技术实现要素：

4.发明目的：为了使模块自重构机器人具有自主、简单、占用空间小的对接部位，且对接具有刚性和一定鲁棒性，本发明提出了一种基于可编程磁体的模块机器人自重构对接机构及对接方法。
5.为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
6.一种基于可编程磁体的模块机器人自重构对接机构，包括公端壳体、母端壳体、封盖、电池、控制板、线圈、软磁体、软磁体磁轭、硬磁体、硬磁体磁轭、密封片、滑动销，公端壳体和母端壳体在锁合时相互耦合，解锁时相互分离；
7.公端壳体下部设有对接面空心腔，母端壳体中具有一对限位空心腔，对接面空心腔的两端分别连通一个限位空心腔；
8.对接面空心腔的上部开设有开口，封盖覆盖于开口，软磁体和软磁体磁轭处于对接面空心腔的中心处，软磁体固定两个软磁体磁轭之间，线圈绕于软磁体，线圈两端贯穿封盖置于公端壳体内；
9.对接面空心腔内的软磁体两侧分别设置一个密封片；
10.对接面空心腔内密封片外侧的区域内安装有滑动销，硬磁体和硬磁体磁轭固定于滑动销内，硬磁体两端各有一个硬磁体磁轭，滑动销处于限位空心腔和限位空心腔位置时，公端壳体和母端壳体相互锁合；
11.控制板安装于公端壳体内，电池位于控制板上，线圈两端通过封盖接至控制板。
12.作为更进一步的优选方案，公端壳体底部为内凹结构，所述对接面空心腔部分处于该内凹结构中；所述母端壳体上部为内凹结构，限位空心腔部分处于该内凹结构中；对接面空心腔两端的内凹结构区域为限位空心腔的容纳区域。
13.作为更进一步的优选方案，对接面空心腔与限位空心腔对接的面为斜面。
14.作为更进一步的优选方案，硬磁体的厚度小于硬磁体磁轭的厚度，硬磁体磁轭固定于滑动销内，硬磁体固定于两个硬磁体磁轭之间，滑动销的朝向软磁体(6)的一侧为开口。
15.作为更进一步的优选方案，硬磁体至滑动销开口的平面存在距离。
16.作为更进一步的优选方案，软磁体和密封片所处对接面空心腔的区域底部具有阶梯槽，软磁体和密封片安装于阶梯槽内；所述密封片下边缘处于阶梯槽内，上边缘处于对接面空心腔的上部的开口内，封盖处于两个密封片上边缘之间；封盖的两侧边缘与对接面空心腔内侧壁之间胶合密封。
17.一种基于可编程磁体的模块机器人自重构对接机构的对接方法，待公端壳体和母端壳体的对接面相互耦合后，通过控制板编程控制电池为线圈通正向电流，并控制电流脉冲时长为t1：
[0018][0019]
时长t1内消耗的能量e1为：
[0020][0021]
其中，l1为机构处于解锁状态时电路的电感，r为线圈电阻，v为电池为电路提供的实际电压，v
min1
为锁合过程能够让软磁体磁极转换的最小电压；由于电路电感的存在，正向通电时长t1后电流达到最大值i
max
，期间软磁体磁极逆转；软磁体和硬磁体的磁场经软磁体磁轭和硬磁体磁轭的传输后，由解锁状态下产生吸引力转换为产生排斥力；软磁体和软磁体磁轭受到公端壳体空心腔凹槽和密封片的位置限制无法移动，而两对固结的硬磁体、硬磁体磁轭和滑动销在磁力的作用下沿公端壳体空心腔向两端分离，进而使公端壳体和母端壳体锁合；由于软磁体的性质，线圈断电后，软磁体的磁极仍能保持；
[0022]
机构由锁合状态转换到解锁状态为解锁过程，其方法及过程为：通过控制板编程控制电池为线圈通反向电流，并控制电流脉冲时长为t2：
[0023][0024]
时长t2内消耗的能量e2为：
[0025][0026]
其中，l2为机构处于锁合状态时电路的电感，v
min2
为解锁过程能够让软磁体磁极转
换的最小电压；由于电路电感的存在，正向通电时长t2后电流达到最大值i
max
，期间软磁体磁极逆转；软磁体和硬磁体的磁场经软磁体磁轭和硬磁体磁轭的传输后，由锁合状态下产生排斥力转换为产生吸引力；软磁体和软磁体磁轭受到公端壳体空心腔凹槽和密封片的位置限制无法移动，而两对固结的硬磁体、硬磁体磁轭和滑动销在磁力的作用下沿公端壳体空心腔向两中间聚合，进而使公端壳体和母端壳体解锁；由于软磁体的性质，线圈断电后，软磁体的磁极仍能保持。
[0027]
有益效果：采用上述方案，具有以下优点和突出效果：
[0028]
1)无需复杂的大体积驱动和传动机构，对接面的厚度薄。
[0029]
2)结构简洁，两个对接端面均为整形结构，原件不受力方向的连接采用强力胶水胶合即可，无需紧固件固定原件。
[0030]
3)控制简单，只需对控制板编程控制一个线圈供电的通断、方向和时长，即可实现对界面的锁合和解锁。
[0031]
4)执行迅速，就目前模块机器人的体积来说，所需使用的软磁体磁化通电时长一般为百微秒级或毫秒级，相对于机械对接几乎为瞬时执行。
[0032]
5)能耗低，由于软磁体的性质，无需一直给线圈通电，只需在转换磁极时给线圈通电，断电后磁极仍能保持。
[0033]
6)抵抗各种载荷的能力强，使用滑动销将公端壳体和母端壳体耦合在一起，连接具有很强的刚性。
[0034]
7)对接部位设有密封结构，外界物质无法通过对接部位进入两端的壳体内。
[0035]
8)对接具有一定的鲁棒性，公端壳体和母端壳体相互耦合的面均设置了一定的倾斜角度，以及滑动销的楔形面设置，使对接允许一定的平面位置和厚度方向误差。
附图说明
[0036]
图1为基于可编程磁体的模块机器人自重构对接机构爆炸视图；
[0037]
图2为对接面锁合状态结构图；
[0038]
图3为对接面解锁状态结构图；
[0039]
图4(a)为公端壳体内侧面；
[0040]
图4(b)为公端壳体外侧面(对接侧)；
[0041]
图5(a)为母端壳体内侧面；
[0042]
图5(b)为母端壳体外侧面(对接侧)；
[0043]
图6为软磁体及其固连部分结构图；
[0044]
图7为硬磁体及其固连部分结构图；
[0045]
图8为锁合过程原理图；
[0046]
图9为解锁过程原理图；
[0047]
图中：1-公端壳体；2-封盖；3-控制板；4-电池；5-线圈；6-软磁体；7-软磁体磁轭；8-密封片；9-硬磁体磁轭；10-硬磁体；11-滑动销；12-母端壳体。
具体实施方式
[0048]
下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细说明：
[0049]
如图1、图2和图3所示，基于可编程磁体的模块机器人自重构对接机构包括公端壳体1、母端壳体12、封盖2、电池4、控制板3、线圈5、软磁体6、软磁体磁轭7、硬磁体10、硬磁体磁轭9、密封片8、滑动销11；
[0050]
公端壳体1和母端壳体12在锁合时相互耦合，解锁时相互分离；公端壳体1内侧设有4电池、控制板3和封盖2；公端壳体1对接面空心腔的中间位置设有软磁体6和软磁体磁轭7；线圈5缠绕在软磁体6上，两端通过封盖2的通孔接至控制板3；两个密封片8置于公端壳体1对接面空心腔内，分布在软磁体磁轭7的两侧；两个滑动销11置于公端壳体1对接面空心腔两端；硬磁体10和硬磁体磁轭9置于滑动销内腔。
[0051]
公端壳体1下部设有对接面空心腔，母端壳体12中具有一对限位空心腔，对接面空心腔的两端分别连通一个限位空心腔。
[0052]
电池4用于给控制板3和线圈5供电，通过控制板3编程控制电池4对线圈5供电的通断、方向和时长，不同方向通电的线圈5可产生方向不同的磁场，该磁场会改变软磁体6的磁化方向，且断电后软磁体6的磁极仍能保持；软磁体6两侧的两个硬磁体10具有对称的磁极分布，且磁极恒定不变，使软磁体6和硬磁体10的磁场经软磁体磁轭7和硬磁体磁轭9的传输后产生相互排斥或吸引的双稳态磁力；软磁体6和软磁体磁轭7受到公端壳体1空心腔凹槽和密封片8的位置限制无法移动，滑动销11及其内腔的硬磁体10和硬磁体磁轭9在磁力的作用下向两端分离或向中间聚合，锁合时，滑动销11部分处于对接面空心腔，部分处于限位空心腔中，公端壳体1和母端壳体12相互卡死，解锁时，滑动销11撤出限位空心腔中，进而完成公端壳体1和母端壳体12的锁合或解锁。
[0053]
如图1和图4(a)所示，公端壳体1对接面空心腔中间部位开口的一侧为其内侧面，封盖2、电池4、控制板3置于内侧；线圈5、软磁体6、软磁体磁轭7、硬磁体10、硬磁体磁轭9、密封片8、滑动销11通过内侧的开口装入公端壳体1对接面空心腔内；公端壳体1对接面空心腔中间部位有阶梯槽的设置，用于限制密封片8、漆包线圈5、软磁体6、软磁体磁轭7位于中部无法移动。
[0054]
如图4(b)所示，公端壳体1对接面空心腔中间部位凸起、两侧凹槽为其外侧面。
[0055]
如图5(a)所示，母端壳体12完全密封一侧为其内侧面。
[0056]
如图5(b)所示，母端壳体12对接面空心腔中间部位凹槽、两端凸起为其外侧面。
[0057]
如图1、图2、图4(b)和图5(b)所示，公端壳体1的外侧面和母端壳体12的外侧面为相互对接的一侧；公端壳体1的外侧面凸起与母端壳体12外侧面的凹槽在对接时相互耦合，公端壳体1的外侧面两侧的两个凹槽与母端壳体12外侧面两个凸起在对接时相互耦合；由于公端壳体1和母端壳体12相互耦合的面均设置了一定的倾斜角度，使对接具有允许一定的平面位置误差。
[0058]
如图2和图6所示，在软磁体6两端使用强力胶水对称粘结两软磁体磁轭7，待风干后将线圈5缠绕在软磁体6；为防止软磁体6割断线圈5，软磁体6柱面的四个棱边需倒圆角处理。
[0059]
如图2、图3和图7所示，滑动销11腔体内设有硬磁体10和对称布置的两个硬磁体磁轭9，硬磁体10和硬磁体磁轭9利用过盈配合和强力胶水固定于滑动销11腔体内；硬磁体10的厚度要略小于硬磁体磁轭9的厚度，在解锁状态时硬磁体10和密封片8间有一定的间隙，以防止脆性较大的硬磁体10在解锁时和密封片8碰撞碎裂；由于滑动销11楔形面的作用，由
解锁状态转换到锁合状态为锁合过程中，公端壳体1和母端壳体12无需完全贴合，允许一定的厚度方向对接误差。
[0060]
如图2、图4(b)和图5(b)所示，两对固结的硬磁体10、硬磁体磁轭9和滑动销11对称设置在公端壳体1空心腔内，且公端壳体1与母端壳体12对接时相互耦合也为对称结构，使对接面在360
°
的周向有0
°
和180
°
两种周向对接角度。
[0061]
如图8和图9所示，软磁体6两侧的两个硬磁体10磁极需对称设置，软磁体6和两个硬磁体10可实现吸引和排斥的双稳态磁力的转换。
[0062]
如图1、图2、图3、图6和图7所示，公端壳体1对接面空心腔内各部件的装配顺序为：先将固结的硬磁体10、硬磁体磁轭9和滑动销11腔体通过公端壳体1内侧开口对称置于空心腔两端，且滑动销11楔形面朝向公端壳体1；将两个密封片8置于公端壳体1对接面空心腔中间部位的阶梯槽内，并紧贴阶梯面使用强力胶水进行与公端壳体1胶合；再将固结后的漆包线圈5、软磁体6、软磁体磁轭7置于公端壳体1对接面空心腔开口内；将线圈5的两端接头穿过封盖2的通孔，并将封盖2对齐置于公端壳体1对接面空心腔开口位置，并用强力胶水将封盖2和公端壳体1胶合；最后，将漆包线圈5的两端接头焊接至控制板3对应焊点。
[0063]
如图2、图3和图5(a)所示，公端壳体1对接面空心腔经两片密封片8的胶合密封后内侧和外侧隔绝，母端壳体12内外侧不连通，使外界物质无法通过对接面的缝隙进入公端壳体1和母端壳体12内侧，防止了内部元器件被外界物质干扰或损坏。
[0064]
如图1、图2、图3和图8所示，机构由解锁状态转换到锁合状态为锁合过程，其方法及过程为：待公端壳体1和母端壳体12的对接面相互耦合后，通过控制板3编程控制电池4为线圈5通正向电流(锁合过程所通电流记为正向)，并控制电流脉冲时长为t1(因通电时长极短，假设在通电时固结的硬磁体10、硬磁体磁轭9和滑动销11来不及移动，即电路未发生改变)：
[0065][0066]
时长t1内消耗的能量e1为：
[0067][0068]
其中，l1为机构处于解锁状态时电路的电感，r为线圈5电阻，v为电池4为电路提供的实际电压，v
min1
为锁合过程能够让软磁体6磁极转换的最小电压，v＞v
min1
；由于电路电感的存在，正向通电时长t1后电流达到最大值i
max
，期间软磁体6磁极逆转；而硬磁体10的磁性恒定不变，软磁体6和硬磁体10的磁场经软磁体磁轭7和硬磁体磁轭9的传输后，由解锁状态下产生吸引力转换为产生排斥力；软磁体6和软磁体磁轭7受到公端壳体1空心腔凹槽和密封片8的位置限制无法移动，而两对固结的硬磁体10、硬磁体磁轭9和滑动销11在磁力的作用下沿公端壳体1空心腔向两端分离，进而使公端壳体1和母端壳体12锁合；由于软磁体6的性质，线圈5断电后，软磁体6的磁极仍能保持。
[0069]
如图1、图2、图3和图9所示，机构由锁合状态转换到解锁状态为解锁过程，其方法及过程为：通过控制板3编程控制电池4为线圈5通反向电流，并控制电流脉冲时长为t2：
[0070]
[0071]
时长t2内消耗的能量e2为：
[0072][0073]
其中，l2为机构处于锁合状态时电路的电感，v
min2
为解锁过程能够让软磁体6磁极转换的最小电压，v＞v
min2
；由于电路电感的存在，正向通电时长t2后电流达到最大值i
max
，期间软磁体6磁极逆转；而硬磁体10的磁性恒定不变，软磁体6和硬磁体10的磁场经软磁体磁轭7和硬磁体磁轭9的传输后，由锁合状态下产生排斥力转换为产生吸引力；软磁体6和软磁体磁轭7受到公端壳体1空心腔凹槽和密封片8的位置限制无法移动，而两对固结的硬磁体10、硬磁体磁轭9和滑动销11在磁力的作用下沿公端壳体1空心腔向两中间聚合，进而使公端壳体1和母端壳体12解锁。由于软磁体6的性质，线圈5断电后，软磁体6的磁极仍能保持。
[0074]
如图2、图3、图8和图9所示，为使公端壳体1和母端壳体12能够顺利完成锁合和解锁，需适当打磨滑动销11、公端壳体1和母端壳体12会产生摩擦的各个表面；为使磁力能够克服固结的硬磁体10、硬磁体磁轭9和滑动销11的重力及往返运动的摩擦力，且保证锁合过程中线圈5断电后软磁体6不被两侧硬磁体10磁场逆转磁极，需调试电池4、线圈5、软磁体6、软磁体磁轭7、硬磁体10、硬磁体磁轭9的相关参数，可参考永磁体设计和电磁技术的相关理论，在此不做详细介绍。
[0075]
不同于电控永磁技术中系统对外表现消磁和充磁的双稳态，本发明利用软磁体和硬磁体组成磁体系统，在系统内部形成相吸和排斥的双稳态磁力，并且不使用磁力承受模块对接处的载荷，只用磁力作为模块对接面锁合和解锁所需的触发力和状态保持力。结构上受到了中国传统木门门闩结构的启发，使用对接面间的形状耦合来承受载荷，兼具了电磁和机械对接的优点，弥补了它们的不足之处。
[0076]
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。