CN108372319B - 自主移动机器人制孔装置及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自主移动机器人制孔装置，包括自主移动部、钻孔末端执行器、摆角调整部；所述的自主移动部包括外框移动机构、中心框和内框移动机构；所述的外框移动机构包括外框，设置在外框底部环周的多个上下伸缩式外足；所述的内框移动机构包括内框，设置在内框底部环周的多个上下伸缩式内足；所述的摆角调整部设置在所述的内框上并将所述的钻孔末端执行器固定。本发明提供了一种能自主适应飞机部件表面、自主移动、精确调整法向并精确制孔的自主移动机器人制孔装置。该机构可以用于飞机机身、机翼等大部件的制孔作业。

Description

自主移动机器人制孔装置及控制方法

技术领域

本发明涉及机械加工技术领域，特别是涉及一种自主移动机器人制孔装置及控制方法。

背景技术

目前飞机结构件仍以机械连接为主，如铆接、螺栓连接等，机械连接不可避免地带来大量的制孔工作，如空客公司每年大约要在飞机装配工作中钻5亿个孔。从上世纪90年代起，世界各主要航空发达国家就已经大规模开展飞机自动制孔技术研究，并根据它的特点和要求，研制了一批大型的面向飞机装配的自动制孔设备。采用大型制孔设备往往占地面积大、成本高、机动性差。轻型化、小型化、模块化以及柔性化已成为飞机自动装配***的发展趋势。

机器人制孔***具有柔性高、精度高、成本低等优点，可最大限度降低飞机装配的制造成本，减少大型自动化制孔设备占地面积和操作维护人员的配备，减少大型装配件的频繁搬运和安装。目前在飞机装配应用的机器人制孔***包括工业机器人制孔***，柔性导轨制孔***和自主移动机器人制孔***等。基于工业机器人的自动制孔***具有活动范围较小、可移动性较差等缺点。柔性导轨自动制孔***也存在活动范围较小、可移动性较差以及准备时间长等缺点。自主移动机器人制孔***具有自主移动、操作灵活、成本低的特点，在飞机装配领域具有广阔的应用前景。

国内外关于自主移动机器人制孔机构的研究已取得了一定的成果。经对现有技术的文献检索发现，西班牙M.Torres公司开发的自主移动机器人制孔***已在空客A350机身尾段的制孔作业中进行了试验验证。国内相关研究还处于起步阶段，关键技术尚未突破。公布号为(CN 103084913A)，名称为“能在工件表面行走和调姿的自主移动异构”的专利以及论文“飞机装配自主移动机构研制”(曾长，南京航空航天大学，2013)均设计了一种面向飞机制孔的自主移动机器人机构。

但目前的自主移动机器人机构移动与法向调整耦合度高，需要采用被动补偿连接件，腿部结构采用电机驱动，通过控制所有腿部结构的位移实现法向调节。该类型自主移动机构存在结构较复杂、曲面自适应较弱、控制难度大、调整精度不高等技术不足。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术中存在的技术缺陷，而提供一种自主移动机器人制孔装置及方法，主要应用于飞机机身和机翼等大部件高效、精确制孔，可以大幅度提高制孔的质量和效率，加快飞机的制造周期和新机的研制步伐。

为实现本发明的目的所采用的技术方案是：

一种自主移动机器人制孔装置，包括自主移动部、钻孔末端执行器、摆角调整部；

所述的自主移动部包括外框移动机构、中心框和内框移动机构；

所述的外框移动机构包括设置在中心框外侧并与其保持连接的外框，设置在外框底部环周的多个上下伸缩式外足，所述的外框和中心框受驱动可发生相对横向移动；

所述的内框移动机构包括设置在中心框内侧并与其保持连接的内框，设置在内框底部环周的多个上下伸缩式内足，所述的内框和中心框受驱动可发生相对纵向移动；

所述的摆角调整部设置在所述的内框上并将所述的钻孔末端执行器固定。

所述的外框、中心框和内框为矩形框，所述的外框和中心框，以及中心框和外框间对应地设置有至少一组直线导向机构，以及驱动发生相对移动的驱动机构。

所述的驱动机构包括驱动电机和滚珠丝杠机构。

所述的内足和外足分别包括对应地与内框或外框固定连接的气缸，设置在所述的气缸活塞杆端的球铰，以及与所述的球铰固定连接的吸盘。

还包括固定设置在上的外框架上的iGPS接收单元，所述的iGPPS接收单元与iGPS发射单元构成iGPS导航***。

所述的摆角调整部包括与所述的内框固定连接的转接架，固定设置在所述的转接架上的摆角驱动电机，所述的钻孔末端执行器被可旋转地定位在所述的转接架上且与所述的摆角驱动电机传动连接。

所述的外足设置在外框的两横边底部，所述的内足设置在内框的两纵边底部。

一种自主移动机器人制孔装置的控制方法，包括，

将自主移动机器人制孔机构放置在工件表面,内足和外足均处于伸出状态，依靠各内足和外足的吸盘吸附于工件表面；

受控沿横向移动时，内足的吸盘释放并回缩，在驱动机构的驱动下中心框及内框机构相对外框沿横向相对运动，移动到预定行程后，外足缩回，内足伸出固定，驱动机构使外框相对中心框及内框移动机构沿横向相对运动；

受控沿纵向移动时，外足的吸盘释放并回缩，在驱动机构的驱动下内框相对中心框及外框移动机构沿纵向相对运动，移动到预定行程后，内足缩回，外足伸出固定，驱动机构使外框移动机构和中心框相对内框沿纵向相对运动；

到达制孔位置后，利用摆角调整部进行法向调姿，再次横向/或纵向移动以调整末端执行器进行并完成制孔作业。

所述的工件为飞机机身或机翼。

进行制孔作业时内足和外足均处于伸出状态。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明的自主移动机器人制孔装载主要由自主移动部、钻孔末端执行器、摆角调整部，无被动补偿连接件。自主移动部的腿部采用气缸驱动并在末端安装带有球铰的吸盘，使得移动组件对飞机部件曲面具有自适应性。采用独立摆角的形式调整制孔法向，调整精度和效率高，控制简单。

附图说明

图1所示为本发明的自主移动机器人制孔装置的原理图；

图2所示为自主移动机器人制孔装置的总体结构图；

图3所示为摆角调整部及钻孔末端执行器装配图；

图4所示为自主移动部结构图；

图5所示为外框移动机构的结构图；

图6所示为驱动机构结构图；

图7所示为外足结构示意图；

图8所示为内框移动机构结构示意图；

图9所示为内框驱动机构结构示意图；

图10所示为摆角调整部主动轴侧结构示意图；

图11所示为摆角调整部从动轴侧结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1-11所示，本发明的自主移动机器人制孔装置包括自主移动部1、钻孔末端执行器2、摆角调整部3；其中，

所述的自主移动部包括外框移动机构4、中心框5和内框移动机构6；

所述的外框移动机构包括设置在中心框外侧并与其保持连接的外框，设置在外框底部环周的多个上下伸缩式外足，所述的外框和中心框受驱动可发生相对横向移动；

所述的内框移动机构6包括设置在中心框5内侧并与其保持连接的内框21，设置在内框底部环周的多个上下伸缩式内足23，所述的内框和中心框受驱动可发生相对纵向移动；

所述的摆角调整部设置在所述的内框上并将所述的钻孔末端执行器固定。

本发明的自主移动机器人制孔装载主要由自主移动部、钻孔末端执行器、摆角调整部，无被动补偿连接件。自主移动部的腿部采用气缸驱动并在末端安装带有球铰的吸盘，使得移动组件对飞机部件曲面具有自适应性。采用独立摆角的形式调整制孔法向，调整精度和效率高，控制简单。

其中，外框、中心框和内框为矩形框，所述的外框和中心框，以及中心框和外框间对应地设置有至少一组直线导向机构，以及驱动发生相对移动的驱动机构。

具体地说，所述的外框移动机构4由外框7、外框驱动机构8、外足9、外框丝杠导轨组件10构成。外框驱动机构8由外框电机11、外框减速机12、外框丝杠13、外框电机支撑14、外框转接块15、外框轴承支座16构成。外框驱动采用单滚珠丝杠单边驱动，丝杠的安装形式选用固定-支撑。即丝杠的两端，一端通过外框电机支撑14与外框固定，一端通过外框轴承支座16与外框固定。外框减速机12通过外框联轴器与外框丝杠连接实现减速，螺母则经由外框转接块15与内框连接实现驱动，外框和中间框间的导向组件使用直线滚动导轨。

所述的外足9包括对应地通过足支架18与外框固定连接的气缸17，设置在所述的气缸活塞杆端的球关节组件，如球铰20，以及与所述的球铰固定连接的吸盘19。移动单元腿部采用气缸驱动并在末端安装带有球铰的吸盘。自主移动机器人制孔机构对飞机部件曲面具有自适应性。

所述的内框移动机构6由内框21、内框驱动机构22、内足23、内框丝杠导轨24构成。内框驱动机构22由内框电机25、内框减速机26、内框电机支撑27、内框丝杠28、内框转接块29、内框轴承支座30构成。内足23结构与外足9结构相同。内框移动组件位于外框移动组件的内部并与中心框的中心或上部，驱动仍然采用单滚珠丝杠的方式。内框驱动采用单滚珠丝杠单边驱动，丝杠的安装形式选用固定-支撑。即丝杠28的两端，一端通过内框电机支撑27与内框固定，一端通过内框轴承支座30与内框固定。内框减速机26通过内框联轴器与内框丝杠28连接实现减速，螺母则经由内框转接块29与中心框连接实现驱动，内框和中心框间的导向组件使用直线滚动导轨。

作为优选方案，所述的外足设置在外框的两横边底部，所述的内足设置在内框的两纵边底部，对应边的设置，减少设置数量，而且有效保证支撑力度和稳定性。

进一步地，还包括固定设置在上的外框架上的iGPS接收单元38，所述的iGPPS接收单元与iGPS发射单元构成iGPS导航***，其能引导机构进行自主移动。

进一步地，如图10、图11所示，所述的摆角调整部3包括通过主动轴支撑33与所述的内框固定连接的转接架32，固定设置在所述的转接架上的摆角驱动电机31，所述的钻孔末端执行器2被可旋转地定位在所述的转接架上且与所述的摆角驱动电机传动连接。具体地，还包括与主动轴支撑33对应设置的从动轴支撑36，与所述的驱动电机31传动连接的主动轴34端部设置有法兰，设置在从动轴支撑36上的从动轴35端部同样设置有法兰，采用两者法兰式连接且对夹式固定，有效保证钻孔末端执行器定位的稳固性和控制的便利性，同时，在从动轴支撑外侧还设置有从动轴端盖37。采用独立摆角的形式调整制孔法向。调整精度和效率高，控制简单。本发明提供的自主移动机器人制孔装置的移动单元、摆角调整部及钻孔末端执行器单元相互独立。单元之间运动耦合度低，结构简单，控制难度小。

本发明还同时公开了一种自主移动机器人制孔装置的控制方法，包括，

将自主移动机器人制孔机构放置在工件如飞机机身或机翼等大部件的表面,内足和外足均处于伸出状态，依靠各内足和外足的吸盘吸附于工件表面；

受控沿横向移动时，内足的吸盘释放并回缩，在驱动机构的驱动下中心框及内框机构相对外框沿横向相对运动，移动到预定行程后，外足缩回，内足伸出固定，驱动机构使外框相对中心框及内框移动机构沿横向相对运动；

受控沿纵向移动时，外足的吸盘释放并回缩，在驱动机构的驱动下内框相对中心框及外框移动机构沿纵向相对运动，移动到预定行程后，内足缩回，外足伸出固定，驱动机构使外框移动机构和中心框相对内框沿纵向相对运动；

其中，所述的横向移动和纵向移动均为可持续进行，类似人步行，内足和外足配合进行行进，当遇到复杂运动时，将其分解为两个方向的运动进行依次控制即可，

到达制孔位置后，利用摆角调整部进行法向调姿，再次横向/或纵向移动以调整末端执行器进行并完成制孔作业。进行制孔作业时内足和外足均处于伸出状态。

在到达预定位置后，调整完姿态后再次调整整***置，有效保证钻孔位置的精准度，而且在可能与其他部件存在干涉时，进一步提升了控制的便利性。

本发明提供了一种能自主适应飞机部件表面、自主移动、精确调整法向并精确制孔的自主移动机器人制孔机构。该机构可以用于飞机机身、机翼等大部件的制孔作业，实现飞机高精度、高效率低成本装配。本发明的有益效果为：

1.本发明提供的自主移动机器人制孔装置的移动单元、摆角单元及末端执行器单元相互独立，单元之间运动耦合度低，结构简单，控制难度小；

2.移动单元腿部采用气缸驱动并在末端安装带有球铰的吸盘。自主移动机器人制孔机构对飞机部件曲面具有自适应性；

3.采用独立摆角的形式调整制孔法向。调整精度和效率高，控制简单；

4.具有iGPS接收单元，同iGPS发射单元构成iGPS导航***，引导机构进行自主移动。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种用于飞机机身或机翼大部件的自主移动机器人制孔装置，其特征在于，包括自主移动部、钻孔末端执行器和摆角调整部；

所述的自主移动部包括外框移动机构、中心框和内框移动机构；

所述的外框移动机构包括设置在中心框外侧并与其保持连接的外框，设置在外框底部环周的多个上下伸缩式外足，所述的外框和中心框受驱动可发生相对横向移动；

所述的内框移动机构包括设置在中心框内侧并与其保持连接的内框，设置在内框底部环周的多个上下伸缩式内足，所述的内框和中心框受驱动可发生相对纵向移动；

所述的摆角调整部设置在所述的内框上并将所述的钻孔末端执行器固定；

所述的内足和外足均无被动补偿机构，所述的内足和外足分别包括对应地与内框或外框固定连接的气缸，设置在所述的气缸活塞杆端的球铰，以及与所述的球铰固定连接的吸盘，

所述的摆角调整部包括与所述的内框固定连接的转接架，固定设置在所述的转接架上的摆角驱动电机，所述的钻孔末端执行器被可旋转地定位在所述的转接架上且与所述的摆角驱动电机传动连接，到达制孔位置后，利用摆角调整部进行法向调姿，再次横向/或纵向移动以调整末端执行器进行并完成制孔作业，进行制孔作业时内足和外足均处于伸出状态。

2.如权利要求1所述的自主移动机器人制孔装置，其特征在于，所述的外框、中心框和内框为矩形框，所述的外框和中心框，以及中心框和外框间对应地设置有至少一组直线导向机构，以及驱动发生相对移动的驱动机构。

3.如权利要求2所述的自主移动机器人制孔装置，其特征在于，所述的驱动机构包括驱动电机和滚珠丝杠机构。

4.如权利要求1所述的自主移动机器人制孔装置，其特征在于，还包括固定设置在上的外框架上的iGPS接收单元，所述的iGPS接收单元与iGPS发射单元构成iGPS导航***。

5.如权利要求1所述的自主移动机器人制孔装置，其特征在于，所述的外足设置在外框的两横边底部，所述的内足设置在内框的两纵边底部。

6.一种如权利要求1-5任一项所述的自主移动机器人制孔装置的控制方法，其特征在于，包括，

将自主移动机器人制孔机构放置在工件表面,内足和外足均处于伸出状态，依靠各内足和外足的吸盘吸附于工件表面；

受控沿横向移动时，内足的吸盘释放并回缩，在驱动机构的驱动下中心框及内框机构相对外框沿横向相对运动，移动到预定行程后，外足缩回，内足伸出固定，驱动机构使外框相对中心框及内框移动机构沿横向相对运动；

受控沿纵向移动时，外足的吸盘释放并回缩，在驱动机构的驱动下内框相对中心框及外框移动机构沿纵向相对运动，移动到预定行程后，内足缩回，外足伸出固定，驱动机构使外框移动机构和中心框相对内框沿纵向相对运动；

到达制孔位置后，利用摆角调整部进行法向调姿，再次横向/或纵向移动以调整末端执行器进行并完成制孔作业，进行制孔作业时内足和外足均处于伸出状态。

7.如权利要求6所述的自主移动机器人制孔装置的控制方法，其特征在于，所述的工件为飞机机身或机翼。

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