Designing and Validating a Self-Aligning Tool Changer for Modular Reconfigurable Manipulation Robots
作者: Mahfudz Maskur, Takuya Kiyokawa, Kensuke Harada
分类: cs.RO
发布日期: 2026-03-05
备注: 6 pages, 13 figures
💡 一句话要点
设计自对准工具更换器，解决模块化重构机器人工具自动更换难题
🎯 匹配领域: 支柱一：机器人控制 (Robot Control)
关键词: 模块化机器人 工具更换 自对准 重构机器人 被动对准
📋 核心要点
- 传统模块化机器人工具更换依赖高精度定位，易受误差影响，可靠性低。
- 论文提出一种基于被动自对准几何结构的工具更换系统，无需复杂传感器。
- 实验验证了该系统能有效吸收执行误差，实现可靠的自主工具更换。
📝 摘要（中文）
模块化重构机器人需要可靠的自动模块交换机制，但传统的刚性主动耦合方式常因定位和方向误差而失效。为了解决这个问题，我们提出了一种具有容错能力的工具更换系统。该硬件采用电机驱动的耦合机构，利用被动自对准几何结构，特别是倒角插座和三角形导入导轨，以鲁棒地补偿角度和横向不对准，而无需复杂的力传感器。为了使这种自主交换在实践中可行，该机制辅以紧凑的旋转工具交换站，以实现高效的模块存储。实际的自主工具拾取实验验证了自对准功能成功地吸收了执行误差，从而实现了高度可靠的机器人工具重构。
🔬 方法详解
问题定义：模块化重构机器人的工具自动更换面临挑战，传统方法依赖精确的定位和姿态控制，但实际操作中不可避免地存在定位误差和姿态偏差，导致工具更换失败。现有方法通常需要高精度的传感器和复杂的控制算法来补偿这些误差，增加了系统成本和复杂性。
核心思路：论文的核心思路是利用被动自对准几何结构来补偿工具更换过程中的不对准误差。通过巧妙设计的机械结构，使得工具在插入过程中能够自动调整位置和姿态，从而实现鲁棒的连接，无需依赖高精度的定位和复杂的传感器。
技术框架：该工具更换系统主要包含三个部分：电机驱动的耦合机构、具有自对准几何结构的工具接口、以及旋转工具交换站。电机驱动耦合机构负责提供连接和分离的动力；自对准工具接口通过倒角插座和三角形导入导轨实现被动对准；旋转工具交换站用于存储和选择不同的工具模块。整个流程为：机器人移动到工具交换站，选择目标工具，通过自对准机构进行连接，完成工具更换。
关键创新：该论文的关键创新在于将被动自对准几何结构应用于模块化机器人的工具更换系统。与传统的主动对准方法相比，该方法无需复杂的力传感器和控制算法，降低了系统成本和复杂性，提高了系统的鲁棒性和可靠性。
关键设计：自对准几何结构是设计的关键。倒角插座用于补偿角度不对准，三角形导入导轨用于补偿横向不对准。具体参数（如倒角角度、导轨宽度等）需要根据实际应用场景进行优化，以保证在一定误差范围内能够实现可靠的自对准。此外，电机驱动耦合机构的力矩控制也需要进行精确设计，以避免在连接过程中对工具造成损坏。
🖼️ 关键图片
📊 实验亮点
论文通过实际的自主工具拾取实验验证了所提出的自对准工具更换系统的有效性。实验结果表明，该系统能够成功地吸收执行误差，实现高度可靠的机器人工具重构。具体的性能数据（例如，成功连接的概率、允许的最大不对准误差等）未在摘要中给出，但强调了其在实际应用中的可靠性。
🎯 应用场景
该研究成果可应用于各种模块化重构机器人，例如用于自动化生产线、灾害救援、太空探索等场景。通过快速更换不同的工具模块，机器人可以适应不同的任务需求，提高工作效率和灵活性。此外，该技术还可以推广到其他需要自动连接和分离的领域，例如模块化电子设备、快速更换夹具等。
📄 摘要（原文）
Modular reconfigurable robots require reliable mechanisms for automated module exchange, but conventional rigid active couplings often fail due to inevitable positioning and orientational errors. To address this, we propose a misalignment-tolerant tool-changing system. The hardware features a motor-driven coupling utilizing passive self-alignment geometries, specifically chamfered receptacles and triangular lead-in guides, to robustly compensate for angular and lateral misalignments without complex force sensors. To make this autonomous exchange practically feasible, the mechanism is complemented by a compact rotating tool exchange station for efficient module storage. Real-world autonomous tool-picking experiments validate that the self-aligning features successfully absorb execution errors, enabling highly reliable robotic tool reconfiguration.