专利名称：吸盘式一体化机器人的制作方法
技术领域：
本发明涉及的是一种机器人技术领域的装置，具体是一种吸盘式一体化机器人。
背景技术：
飞机制造过程中机身各部段环向对接、机身筒段壁板纵向拼接，以及机翼蒙皮和加强肋的连接等均需要在机身表面进行制孔操作，目前主要采用人工方式进行制孔。人工手持钻孔工具进行钻孔，一方面由于飞机结构较多采用碳纤维符合材料，容易产生开裂、起层，精度不够，钻孔质量低，另一方面手工制孔的效率也相对较低，不适应当前飞机先进装配技术的自动化、柔性化、数字化发展方向。经过对现有技术的检索发现，CN201645049U公开了一种纤维复合材料飞机壁板激光精密制孔装置，将两个立柱分别安装在底座两端，可以沿ζ向运动，旋转器绕χ轴转动，围框包围在飞机壁板两侧，两端固定在围框上，围框两端分别通过旋转器连接在立柱顶端，绕 y向转动，从而实现制孔单元的多维运动，进行飞机表面的制孔操作。文献《柔性导轨自动制孔设备控制技术》(航空制造技术，2009年M期，58-60页)提出了一种柔性导轨制孔系统，由带有真空吸盘柔性导轨及带有主轴箱的移动小车组成，柔性导轨铺设于飞机表面，移动小车在导轨上运动，其带有的制孔组件可在垂直工件表面的方向上进给，实现制孔加工。但是该现有技术仍然需要安装立柱、导轨等辅助设施，一方面使得成本较高，另一方面也不利于飞机制造的柔性化发展。吸盘式一体化制孔机器人不需安装其他任何辅助设施，可实现在飞机表面移动和制孔一体化操作，简化了加工流程，提高了制孔效率。
发明内容
本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种吸盘式一体化机器人，采用行走制孔操作一体化设计方案，可用于机身各部段对接环向自动化制孔(如机头、前机身、中机身、中后机身等各部段之间对接)、机身筒段壁板纵向拼接的自动化制孔、翼面类部件壁板表面自动化制孔(如机翼蒙皮和加强肋的连接)等。该机器人系统的优点在于柔性好，可适应多种工件，且实施周期短、成本较低和重量轻使用方便。本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括机架、制孔机构、控制模块和六组腿部机构，其中六个腿部机构分别固定设置于机架的四周且传感机构的输出端与控制模块相连以输出六维力传感数据，制孔机构及控制模块固定设置于机架上且制孔机构的控制端与控制模块的输出端相连并接收控制指令。所述的机架上设有与控制模块相连的传感器组，该传感器组由视觉传感器以及位姿传感器组成并向控制模块输出机架的路况信息和三维位姿数据。所述的制孔机构包括制孔执行器和与之固定连接的激光法向检测器，其中制孔执行器的控制端与控制模块相连并接收钻孔指令，激光法向检测器的输出端与控制模块相连并输出制孔执行器的法相位置数值。所述的腿部机构包括上平台、下平台以及两端分别与上、下平台相连的电动丝杠组、负压吸盘以及传感机构，其中上平台与机架固定连接，下平台、传感机构和负压吸盘依次串联连接，传感机构与控制模块相连并输出六维力传感数据。所述的电动丝杠组的控制端与控制模块相连并接收控制指令，所述的六个腿部机构互相之间独立工作以实现自主移动功能。所述的电动丝杠组共三根且为三支链并联结构设置，使得每个腿部机构具有个自由度。所述的控制模块包括状态计算单元、运动控制单元、轨迹规划单元、步态规划单元、路径规划单元和人机界面模块，其中状态计算单元根据传感器测量值计算机器人状态，运动控制单元控制机器人本体和关节运动，轨迹规划单元规划机器人身体和足的运动轨迹，步态规划单元规划机器人爬行步态，路径规划单元规划机器人移动路径，人机界面模块提供人机交互操作界面并接收输入参数。所述的机器人本体和关节运动包括电机和关节的位置、速度和力矩以及吸盘的吸附力。本发明中机器人的六条腿不仅能实现自主移动功能，而且当吸盘固定在某一位置时，机器人腿机构与身体构成并联操作机构，机器人身体带动末端制孔机构，通过控制机器人腿的运动实现调姿动作。腿结构采用三支链并联机构，其结构紧凑、刚度大，一体化设计方案可减少驱动电机数目、简化控制系统和减轻装备重量，并且机器人框架的中间部分可节省出来，因此机器人内部工作空间更加开阔，便于安装其他执行器和传感器。
图1为本发明结构示意图。图2为机器人腿结构图。图3为控制模块组成图。
具体实施例方式下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。实施例如图1所示，本实施例包括机架1、制孔机构2、控制模块3和六组腿部机构4，其中六个腿部机构4分别固定设置于机架1的四周且传感机构13的输出端与控制模块3相连以输出六维力传感数据，制孔机构2及控制模块3固定设置于机架1上且制孔机构2的控制端与控制模块3的输出端相连并接收控制指令。所述的机架1上设有与控制模块3相连的传感器组，该传感器组由视觉传感器5 以及位姿传感器6组成并向控制模块3输出机架1的路况信息和三维位姿数据。所述的制孔机构2包括制孔执行器7和与之固定连接的激光法向检测器8，其中制孔执行器7的控制端与控制模块3相连并接收钻孔指令，激光法向检测器8的输出端与控制模块3相连并输出制孔执行器7的法向位置数值。如图2所示，所述的腿部机构4包括上平台9、下平台10以及两端分别与上、下平台相连的电动丝杠组11、负压吸盘12以及传感机构13，其中上平台9与机架1固定连接，下平台10、传感机构13和负压吸盘12依次串联连接，传感机构13与控制模块3相连并输出六维力传感数据。所述的电动丝杠组11的控制端与控制模块3相连并接收控制指令，所述的六个腿部机构4互相之间独立工作以实现自主移动功能。所述的电动丝杠组11共三根且为三支链并联结构设置，使得每个腿部机构4具有 3个自由度。如图3所示，所述的控制模块3包括状态计算单元14、运动控制单元15、轨迹规划单元16、步态规划单元17、路径规划单元18和人机界面模块19，其中状态计算单元14 根据传感器测量值计算机器人状态，运动控制单元15控制机器人本体和关节运动，轨迹规划单元16规划机器人身体和足的运动轨迹，步态规划单元17规划机器人爬行步态，路径规划单元18规划机器人移动路径，人机界面模块19提供人机交互操作界面并接收输入参数。所述的机架1上另外设有压紧机构20和保护装置21，其中压紧机构20与制孔机构2固定连接，保护装置21与机架上方固定连接。所述的压紧机构包括压紧块22及推力装置23，其中压紧块22设置于压紧机构的下方且位于制孔执行器7外围，推力装置23上、下端分别与制孔机构2和压紧块22固定连接。所述的保护装置包括钢丝绳M及张紧力控制器25，其中钢丝绳M通过张紧力控制器25与机架1上方固定连接。本装置工作过程如下当吸盘固定在某一位置时，机器人腿机构与身体构成并联操作机构，机器人身体带动末端制孔机构，通过控制机器人腿的运动实现调姿动作。腿部机构4采用三支链并联机构，具有3个自由度，其结构紧凑、刚度大。本装置的制孔机器人可减少驱动电机数目、简化控制系统和减轻装备重量，且机器人框架的中间部分可节省出来，机器人内部工作空间更加开阔，便于安装其他执行器和传感器。末端制孔执行器系统2安装于整机框架1中部，执行器系统上安装有压紧机构20， 其进给和压紧各单独具有一个自由度，由独立的电机驱动。视觉传感器5和位姿传感器6 安装于整机框架1上，通过视觉传感器5，机器人自动识别需要钻孔的部位；通过位姿传感器6，机器人腿部机构自动调整末端制孔执行器位姿，实现法线对中从而保证制孔精度。操作人员通过人机交互和轨迹规划单元系统给控制模块3发送指令，从而控制机器人进行制孔操作。此外，整机框架上还安装有钢丝绳安全保护装置21，以防止负压吸附装置突然失效造成制孔机器人跌落损坏。
权利要求
1.一种吸盘式一体化机器人，包括机架、制孔机构、控制模块和六组腿部机构，其特征在于六个腿部机构分别固定设置于机架的四周且传感机构的输出端与控制模块相连以输出六维力传感数据，制孔机构及控制模块固定设置于机架上且制孔机构的控制端与控制模块的输出端相连并接收控制指令；所述的腿部机构包括上平台、下平台以及两端分别与上、下平台相连的电动丝杠组、 负压吸盘以及传感机构，其中上平台与机架固定连接，下平台、传感机构和负压吸盘依次串联连接，传感机构与控制模块相连并输出六维力传感数据。
2.根据权利要求1所述的吸盘式一体化机器人，其特征是，所述的机架上设有与控制模块相连的传感器组，该传感器组由视觉传感器以及位姿传感器组成并向控制模块输出机架的路况信息和三维位姿数据。
3.根据权利要求1所述的吸盘式一体化机器人，其特征是，所述的制孔机构包括制孔执行器和与之固定连接的激光法向检测器，其中制孔执行器的控制端与控制模块相连并接收钻孔指令，激光法向检测器的输出端与控制模块相连并输出制孔执行器的法相位置数值。
4.根据权利要求1所述的吸盘式一体化机器人，其特征是，所述的电动丝杠组的控制端与控制模块相连并接收控制指令，所述的六个腿部机构互相之间独立工作以实现自主移动功能。
5.根据权利要求1或4所述的吸盘式一体化机器人，其特征是，所述的电动丝杠组共三根且为三支链并联结构设置，使得每个腿部机构具有个自由度。
6.根据权利要求1所述的吸盘式一体化机器人，其特征是，所述的控制模块包括状态计算单元、运动控制单元、轨迹规划单元、步态规划单元、路径规划单元和人机界面模块，其中状态计算单元根据传感器测量值计算机器人状态，运动控制单元控制机器人本体和关节运动，轨迹规划单元规划机器人身体和足的运动轨迹，步态规划单元规划机器人爬行步态，路径规划单元规划机器人移动路径，人机界面模块提供人机交互操作界面并接收输入参数。
7.根据权利要求1或2所述的吸盘式一体化机器人，其特征是，所述的机架上设有压紧机构和保护装置，其中压紧机构与制孔机构固定连接，保护装置与机架上方固定连接。
8.根据权利要求7所述的吸盘式一体化机器人，其特征是，所述的压紧机构包括压紧块及推力装置，其中压紧块设置于压紧机构的下方且位于制孔执行器外围，推力装置上、 下端分别与制孔机构和压紧块固定连接。
9.根据权利要求7所述的吸盘式一体化机器人，其特征是，所述的保护装置包括钢丝绳及张紧力控制器，其中钢丝绳通过张紧力控制器与机架上方固定连接。
全文摘要
一种机器人技术领域的吸盘式一体化机器人，包括机架、制孔机构、控制模块和六组腿部机构，六个腿部机构分别固定设置于机架的四周且传感机构的输出端与控制模块相连以输出六维力传感数据，制孔机构及控制模块固定设置于机架上且制孔机构的控制端与控制模块的输出端相连并接收控制指令。本发明采用行走制孔操作一体化设计方案，可用于机身各部段对接环向自动化制孔(如机头、前机身、中机身、中后机身等各部段之间对接)、机身筒段壁板纵向拼接的自动化制孔、翼面类部件壁板表面自动化制孔(如机翼蒙皮和加强肋的连接)等。该机器人系统的优点在于柔性好，可适应多种工件，且实施周期短、成本较低和重量轻使用方便。
文档编号B23B41/02GK102294502SQ20111014371
公开日2011年12月28日 申请日期2011年5月31日 优先权日2011年5月31日
发明者何俊, 刘仁强, 金振林, 高峰 申请人:上海交通大学