本发明涉及一种狭小空间精确作业机器人机构及工作方法,属于机器人技术领域。
背景技术：
狭小空间内的加工、清理和检修工作是很多过程中面临的主要问题，如狭小空间内的检测和修理，航空工业中如机翼加工过程中多余材料的处理等。这些工作目前只有靠人工完成，难度高，效率低，在操作过程中难免损坏设备和工件的表面，轻则损害工件的强度，重则使工件报废，增加工件和产品的废品率。
目前此类工作亟需有自动化设备来进行，提高工作效率的同时，保证工件的安全，从而提高产品的性能。因此，机器人在狭小空间内的工作，在提高效率的同时，也要有一定的精度要求，以避免伤害工件和设备。
目前存在的狭小空间机器人主要集中在管道检测上，此工作环境中的机器人往往对机器人运动的精度没有苛刻要求，在专利文献一种小空间自动胀管机器人（公开号104985064A）公开了一种小空间自动胀管机器人，应用于锅炉领域。专利文献狭小空间全向检查机器人（CN202295049U）公开了一种狭小空间全向检查机器人，机器人可以顺利进入如汽车底这一类的狭小空间,围布的全向轮均可独立转动，让机器人可以以最小的转弯半径旋转、掉头，灵活并无阻碍地在工作空间中运动，因此摄像云台能够全向检查周围，确定险情。实用新型专利CN205184125U公开了具有狭小空间检测功能的机器人焊接定位工装。这些装备都提出了用于狭小空间作业的机器人，但对本发明背景所需要的能在横截面积小于150mm×150mm范围内运动的机器人还不适用。
技术实现要素：
基于上述背景，本发明提出了一种狭小空间精确作业机器人机构及其工作方法。
一种狭小空间精确作业机器人机构，其特征在于：包括上机架、下机架、左支块、右支块、左齿条、右齿条、上齿条、下齿条、上轮组、下轮组、左轮组、右轮组、上下传动齿轮、左右传动齿轮；左支块和右支块固定于上机架和下机架之间组成机器人机架；左齿条位于左支块右侧，左齿条的右侧为齿条结构；左齿条和左支块之间通过上下方的导轨与导槽结构配合；右齿条位于右支块的左侧，右齿条的左侧为齿条结构；右齿条和右支块之间通过上下方向的导轨与导槽结构配合；上机架具有齿条上窗口，下机架具有齿条下窗口；左齿条或右齿条穿过齿条上窗口与上轮组相连，另一个穿过齿条下窗口与下轮组相连；上下传动齿轮安装于机器人机架，位于左齿条和右齿条之间，并驱动左齿条和右齿条带动相应轮组上下运动；上述上轮组和下轮组结构相同，它们均由轮架、力传感器、一对前后布置的轮子组成；其中轮架通过轴与力传感器装配在一起，力传感器与上述对应的齿条固定；上述轮子的轴向为左右方向；上齿条位于上机架下侧，上齿条的下侧为齿条结构；上齿条和上机架之间通过左右方向的导轨与导槽结构配合；下齿条位于下机架上侧，下齿条的上侧为齿条结构；下齿条和下机架之间通过左右方向的导轨与导槽结构配合；上齿条和下齿条之一与左轮组相连，另一个与右轮组相连；左右传动齿轮安装于机器人机架，位于上齿条和下齿条之间，并驱动上齿条和下齿条带动相应轮组左右运动；上述左轮组和右轮组结构相同，均由一个侧轮架、力传感器、一对前轮、一对后轮组成；一对前轮通过轴安装于侧轮架的前端，一对后轮通过轴安装于侧轮架的后端；侧轮架通过力传感器与上述对应的齿条固定；其中前轮、后轮的轴向均为上下方向。
所述的狭小空间精确作业机器人机构，其特征在于：该机构还包括4个分别用于感知上、下、左、右方向距离的距离传感器。
所述的狭小空间精确作业机器人机构，其特征在于：该机构包括通过2自由度机械臂安装于机器人机架的驱动电机及刀具；还包括安装于上机架的视觉传感器。
所述的狭小空间精确作业机器人机构的工作方法，其特征在于：根据4个距离传感器所检测得机器人在工作环境空间中的位置信息，和4个力传感器检测的几个轮组的受力信息，驱动上下传动齿轮和左右传动齿轮；通过驱动上下传动齿轮、左右传动齿轮，使得相应齿条带动相应轮组上、下、左、右运动，以调整上、下轮组和左、右轮组的预紧力，使预紧力在不破环工作对象的情况下，克服机器运动过程中的打滑。
所述的狭小空间精确作业机器人的工作方法，其特征在于：该机构包括通过2自由度机械臂安装于上机架的驱动电机及刀具；还包括安装于上机架的视觉传感器；根据视觉传感器的传回图像，调整刀具距离工作对象的位置，并控制刀具开始工作；工作过程中，结合刀具工作方向和机器人上位置传感器的值和视觉传感器的结果控制刀具的位置，完成相关工作任务。
附图说明：
图1为狭小空间精确作业机器人总体结构示意图；
图2为狭小空间精确作业机器人上下传动结构示意图；
图3为狭小空间精确作业机器人上下传动结构示意图；
图中标号名称：1.轴；2. 视觉传感器；3. 传感器杆；4.右前上轮；5. 上前轮；6. 上轮架；7. 上后轮；8. 上轮组传感器；9. 上机架；10. 左后上轮；11. 左后下轮；12. 左侧机架；13. 下机架；14. 左前下轮；15. 左前上轮；16. 连接杆；17. 上下移动杆；18. 左右移动杆；19.刀具；20. 左支块；21. 左齿条；22. 右齿条；23. 右支块；24. 上下传动齿轮；25. 上齿条；26. 左右传动齿轮；27. 右轮组传感器；28. 右侧机架。
具体实施方案：
下面结合附图进一步说明本发明专利的狭小空间精确作业机器人机构及其工作方法。
图1为狭小空间精确作业机器人总体结构示意图。狭小空间精确作业机器人机构本体主要包括上下轮组，左右轮组，机架，工作机构主要包括刀具台架和工作刀具，以及传感和控制系统；上述上、下轮组，左、右轮组机构相同，机架为对称机构，刀具台架为2自由度移动平台。
机器人的上、下轮组结构相同，其中上轮组由上前轮5，上后轮7，上轮架6和上轮组传感器8组成，上前
轮5和上后轮7分别通过轮轴与V型上轮架6装配在一起。机器人上轮组通过轴与上轮组传感器8装配在一起，并可绕轴在旋转范围内自由转动，当机器人放置到工作空间后，上下轮组中的两个轮可以根据接触面的形状自由调整轮架的角度，以适应环境的变化。
图2为狭小空间精确作业机器人上下传动结构示意图。左齿条21和右齿条22的背面加工为导轨结构，对应的左支块20和右支块23为一块金属板开与上、右齿条想配合的槽，与齿条配合安装在一起。上轮组传感器8为力传感器，与左齿条21固定在一起，在运动过程中感应上下方向的压紧程度，并通过传感器的值判断上下轮组的运动状态。
左支块20和右支块23均与上机架9和下机架13固定在一起。机器人左齿条21和右齿条22与上下传动齿轮24配合装配。上下传动齿轮24的固定架安装在下机架13上，从而形成了上右齿条、驱动齿轮24和机器人整体的相互运动关系。上下轮组驱动直齿轮24由直流电机驱动，使上下轮组可在齿条的带动下，沿上下方向滑动。
机器人左、右轮组结构相同，其中左轮组包括左前上轮15、左前下轮14、左后上轮10和左后下轮11。左前上轮15和左前下轮14通过连接轴连接在一起组成左前轮组，左后上轮10和左后下轮11通过轴连接在一起组成左后轮组。左前和左后两对轮组通过左侧机架12组合在一起形成左轮组。
图3为狭小空间精确作业机器人上下传动结构示意图。机器人左右传动结构相同，与上下轮组的传动结构具有同样的原理和设计方法。上齿条25的底部为导轨结构，上机架9一侧开槽作为滑块，右驱动齿条25和上机架9配合装配。上齿条25与右侧机架28通过右轮组传感器27固定安装在一起，右轮组传感器27为力传感器，在运动过程中感知左右轮组与接触壁面的预紧力。
左右传动齿轮26与上齿条25和左传动齿条配合装配，并由直流电机驱动，从而带动上齿条25和左传动齿条沿左右方向滑动。
如图1中所示，刀具台架为一个由上下移动杆17和左右移动杆18组成的2自由度机械臂。刀具19通过轴1与左右移动杆18连接。并通过电机驱动刀具19的旋转。
机器人工作过程的质量由视觉传感器2进行检验。视觉传感器2以一定角度固定在传感器杆3上，传感器杆3与固定在机器人本体上的连接杆16上。视觉传感器2为带有照明装置的视觉传感器，机器人上安装4个感知上、下方向和左、右方向的距离传感器，感知机器人与四周的距离。在机器人控制中，配合4个距离传感器和力传感器控制机器人的运动。
狭小空间精确作业机器人的工作方法包括以下过程：机器人的精确工作通过轮组与工作面的结合实现。机器人在工作前先进行上下和左右方向位置的调整，首先根据4个距离传感器的值调整机器人在工作环境空间中的位置；然后根据上轮组传感器8和右轮组传感器27的值调整左右轮组和上下轮组的预紧力，使预紧力在不破环工作对象的情况下，克服机器运动过程中的打滑；之后根据视觉传感器2的传回视觉图像，在工作过程中通过调整上下移动杆17和左右移动杆18控制刀具与工作对象的相对位置。
机器人可以调整上下移动杆17，进行上下工作面的清理，需要调整视觉传感器2的角度以观测工作面情况。左右方向工作面的清理工作需要调转机器人的运动方向。
以上附图中所述内容均应被理解为实例性的，本发明不受这些实例的限制，尽管本说明书中给出了一套狭小空间精确作业机器人的示范性例子，本领域的技术人员可以在本发明的基础上对其进行更改或同等替换。显然，这些更改或替换均应包含在本发明的范围内。