基于并联机器人的移动式渐进成形修复装置及方法与流程

本发明属于机器人领域，尤其涉及一种基于并联机器人的移动式渐进成形修复装置及方法。

背景技术

渐进成形工艺作为一种新型的柔性无模成型技术，是基于快速原型制造技术“分层制造”的思想迅速发展起来的。相比于传统的加工成形工艺，渐进成形不需要模具，可以节省巨额的模具生产费用，在航空航天、新型汽车等有特殊要求、小批量生产的领域有着很大的潜力和良好的应用前景；同时，可以实现数字化、可控的分层加工，将复杂的三维形状分成一系列的二维图形进行加工，可以极大地简化成形的思路与过程。

随着现代工业运输的快速发展，大型高值装备如海工、舰船、航空部件在高载、强腐蚀等复杂环境下服役，产生壳体变形或损伤不可避免，往往亟需现场修复。尽管目前存在一些可移动式的加工修复装置，但是大部分都是通过汽车等运输工具将加工的设备运送至现场进行维修，但此类装置在指定的加工位置高度过高时，限于加工装置的工作空间，无法进行加工，因此存在一定局限性。

现有的渐进成形装置存在以下问题：

(1)现有的渐进成形装置大部分都是由传统的立式铣床改进而成，所以加工的工件只能够放置在水平面内，当需要加工的平面有一定的斜度传统的加工设备就无法工作，因此无法满足用户对于加工各种工件的个性化要求，有着一定的局限性；

(2)传统的加工设备普遍体积、质量都非常大，只能够在工厂的固定工位进行工作，当需要加工的工件移动困难时，传统的加工设备也同样无法工作，无法满足对于大型工件的加工需求。

因此，亟需对可移动式的渐进成形修复装置进行新的研究和设计。

技术实现要素：

为了解决现有技术的不足，本发明的第一目的是提供一种基于并联机器人的移动式渐进成形修复装置，其具有工作精度高且工作空间大的效果。

本发明的一种基于并联机器人的移动式渐进成形修复装置，包括：

并联机器人，其作为载具且连接有作为加工用的机械手；

所述并联机器人包括基体和至少两条腿部，且所有腿部的结构均相同；

腿部足端均设置有电磁铁，其用于在机器人攀爬运动中与工作面贴合以到达指定位置，使得机械手达到其工作距离范围以完成工件表面的渐进成形或修复工作。

进一步的，所述机械手上安装有工具头，通过机械手各个关节不同转动方向的配合，使得工具头具有空间多个自由度，以提升工具头的工作效率。

进一步的，所述基体包括上保护板、中间保护体和下保护板，所述上保护板、中间保护体和下保护板通过主轴联接在一起。

进一步的，所述中间保护体内安装有电池组和核心控制器，负责整个所述移动式渐进成形修复装置的能源供应和整体控制。

进一步的，每条腿部均由三条支链与基体联接，且每条支链由相连的第一根杆和第二根杆构成。

进一步的，三条支链中一条支链设置在最上方且为主动支链，其用于带动下方的两条支链在空间内运动；下方的两条支链结构完全相同、位置对称且位于同一个平面内。

进一步的，位于最上方的支链的第一根杆通过转动副与基体相联，下方的两个从动支链的第一根杆通过十字铰链与基体相联，且三条支链的第二根杆通过转动副与足端相联且三个连接点构成一个等腰三角形。

进一步的，在腿部足端的外表面设置有用来探测感应工作面情况的感应探头。

本发明的第二目的是提供一种基于并联机器人的移动式渐进成形修复装置的工作方法。

本发明的一种基于并联机器人的移动式渐进成形修复装置的工作方法，包括：

水平运动状态：并联机器人采用对角步态移动，每次前进时位于对角线位置的两条腿部同时运动；

攀爬运动状态：并联机器人利用其腿部足端的电磁铁与工作面贴合，攀爬到达指定位置，进而使得机械手达到其工作距离范围以完成工件表面的渐进成形或修复工作。

进一步的，在攀爬运动状态中，并联机器人采用对角步态移动使相邻的两腿部向内部转动，保持腿部电机工作，使得腿部抬起预设角度，与此同时腿部足端的电磁铁的底面与工件表面平行，此时电磁铁通电使之吸附在工件表面；

之后，在工件表面上吸附的两电磁铁交替通断电，通电的一个负责现有位置的保持，断电的一个通过电机使腿部再抬高一定的高度，按照此方式，直至整个基体与工件表面平行；

当整个基体与工件表面完全平行之后，将下方腿部的电磁铁转到与工件表面平行的位置，此时再将下方腿部的电磁铁通电，这时整个装置就完全吸附在工件表面之上，完成了从水平地面到竖直工作表面的位置转换；

当整个装置完全吸附在工件表面之后，向高处的指定工作位置继续攀爬，两对角线上腿部末端的电磁铁需要交替通断电来实现位置的固定和腿部的向前转动，通过这种方式使装置攀爬到指定的加工位置进行工作。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)本发明采用了并联机器人作为载具，该设备具有很大的刚度和强度，并联机器人的末端执行器工作精度很高，可以准确的到达需要加工的位置；

(2)本发明在并联机器人的腿部足端设置有电磁铁，使得此装置拥有了较强的攀爬能力，可以对较高位置的工件表面进行成形或者修复。

(3)本发明的机械手具有多自由度，使得整个装置的工作空间很大，可以极大地较少下端机器人的移动，提高了工作效率。

(4)基于并联机器人的可移动式渐进成形加工装置，对于大型工件和机器的表面成形和修复具有很大的意义。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1是本发明的基于并联机器人的移动式渐进成形修复装置结构示意图；

图2是本发明的移动式渐进成形修复装置a工作状态图；

图3是本发明的移动式渐进成形修复装置b工作状态图；

图4是本发明的移动式渐进成形修复装置c工作状态图；

图5是本发明的移动式渐进成形修复装置d工作状态图。

其中：1-工具头接头；2-一号伺服电机；3-机械手一号臂；4-二号伺服电机；5-三号伺服电机；6-机械手二号臂；7-四号伺服电机；8-机械手基座；9-五号伺服电机；10-主动支链第一转动副；11-主动支链一号杆；12-主动支链二号转动副；13-主动支链二号杆；14-主动支链三号转动副；15-足端底板；16-从动支链二号转动副；17-电磁铁；18-电磁铁转轴；19-从动支链二号杆；20-从动支链一号转动副；21-从动支链一号杆；22-从动支链十字铰链；23-主轴；24-下保护板；25-上保护板；26-中间保护体；27-感应探头；28-基体。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

下面结合附图中的工作实例对本发明做进一步的描述：

本发明的基于并联机器人可移动式渐进成形修复装置由并联机器人，其作为载具且连接有作为加工用的机械手组成。

其中，并联机器人包括基体和至少两条腿部，且所有腿部的结构均相同。

下面以四条腿部的并联机器人为例来详细说明：

四条腿部结构完全相同，每条腿部都有三条支链与基体联接，由于此种结构十分类似于电路中的并联电路，此种机构称为并联腿机构。

其中，十字铰链可采用万向节或u副来替换。

如图1所示，基体28通过主轴23将上保护板25、中间保护体26和下保护板24联接组成；主轴23能够绕z轴方向转动，主轴23上加工有带孔的凸块并且通过转动副10带动主动支链一号杆11转动，主动支链一号杆11又通过主动支链二号转动副12带动主动支链二号杆13转动，之后通过主动支链三号转动副14将力与运动传递至足端底板15。

下保护板24四角的两侧对称加工有孔通过从动支链十字铰链22将基体28与腿部的从动支链一号杆21相联，从动支链一号杆21又通过从动支链一号转动副20与从动支链二号杆19相联，从动支链二号杆19再通过从动支链二号转动副16与足端底板15相联。

下保护板24上也设置有电磁铁17。

同理，另一条从动支链也采用完全相同的结构将基体28与足端底板15相联。

中间保护体26内安装有电池组和核心控制器，负责整个所述移动式渐进成形修复装置的能源供应和整体控制。

另外，在足端底板15的外表面加工有用来探测感应路面情况的感应探头27，大大提高了本装置的路面适应能力和通过能力。其中，感应探头27与中间保护体26内的核心控制器相连。

上保护板25上安装机械手臂的机械手基座8，机械手基座8内部安装有五号伺服电机9实现机械手整体绕z轴方向的转动，实现了不移动下方的机器人就能够加工不同角度的工件，使得加工更加便捷快速。三号伺服电机5可以驱动机械手一号臂6绕y轴转动；四号伺服电机7可以驱动机械手二号臂6绕y轴转动，二号伺服电机4能够驱动机械手一号臂3绕x轴转动，机械手一号臂3头部内部装有一号伺服电机2可以驱动工具头接头1上下转动。

下面将通过图2-图4详细的说明在面对体积较大的工件时本发明各部分的结构的工作情况：

装置的核心处理器通过感应探头27的反馈，判断出需要加工的位置高度超出了机械手的工作范围，需要通过攀爬到达指定位置。

首先，将装置放置于水平地面之上，根据装置到待加工工件的距离，判断是直接攀爬还是需要向工件靠近，这里假设需要向工件靠近一段距离。下方的并联机器人采用对角步态，每次前进时位于对角线位置的两条腿同时运动。

具体方式如下，以图1中的腿ⅰ为例，中间保护体26内部的电机首先驱动主轴23绕z轴转过一定角度，进而主轴上的力与运动通过最上方的主动支链传递至足端底板15，力与运动经过足端底板15传递至两从动链，从而使从动链向同一方向转过一定角度，使得整个腿部绕z轴向前转过一定角度。

同理，位于腿ⅰ对角线位置的另一条腿部按照相同的方式转过同一角度，之后另外两条按照此方式向前转动，最后使得整个装置向前移动了一段距离。

本发明的一种基于并联机器人的移动式渐进成形修复装置的工作方法，包括：

水平运动状态：并联机器人采用对角步态移动，每次前进时位于对角线位置的两条腿部同时运动；

攀爬运动状态：并联机器人利用其腿部足端的电磁铁与工作面贴合，攀爬到达指定位置，进而使得机械手达到其工作距离范围以完成工件表面的渐进成形或修复工作。

具体地，下面说明路面情况不好时的工作方式，此种工作方式是基于上述前进方式的一种改良，用于克服障碍：

当感应探头27侦测到路面有凸起或者下陷，控制器会控制主动支链第一转动副10内部的电机，使其逆时针转过一定角度，同时主动支链二号转动副12内的电机保持主动支链一号杆11和主动支链二号杆13之间的夹角不改变，此时主动支链第一转动副10内的五号伺服电机9将通过主动链使得整个腿部抬起一定距离，而且从动支链十字铰链22可以保证这一抬起的幅度比较大，能够克服绝大多数障碍。

另外一种情况，在复杂的工作环境中时，装置可能需要穿过宽度较小的路口，这时主动支链第一转动副10和主动支链一号杆11处的电机同时向逆时针转过一定角度，使得整个腿部向内收缩了一定的距离，从而能够使得装置通过较为狭小的路面。

之后，当装置距离工件位置足够近时，就进入了攀爬的工作模式，下面对于攀爬的工作方式进行详细说明：

首先，按照上文所述的前进的方式使相邻的两腿向内部转动，到达如图2所示的位置，同时通过主动支链第一转动副10处的电机逆时针旋转和主动支链一号杆11处电机的保持作用，使得腿部抬起一个较小的角度，于此同时足端的电磁铁17绕电磁铁转轴18向外转过一定角度使电磁铁的底面与待修复工件表面平行，此时电磁铁通电使之吸附在工件表面，如图2所示的状态a。

之后，在待修复工件表面上吸附的两电磁铁交替通断电，通电的一个负责现有位置的保持，断电的一个通过主动支链第一转动副10和主动支链一号杆11处的电机使腿部相对于图2的位置再太高一定的高度，按照此方式，在墙面的两腿将最终到达图3中的状态b，之后上面的两条腿继续升高，直至整个基体与墙面平行。

最后，当整个基体与墙面完全平行之后，只需将下方两腿部的两个电磁铁17绕电磁铁转轴18转到与墙面平行的位置，此时再将这两块电磁铁通电，这时整个装置就完全吸附在工件表面之上，完成了从水平地面到待修复工件表面的位置转换，到达如图所示的状态c。

当整个装置完全吸附在工件表面之后，就可以向高处的指定工作位置继续攀爬，其爬行的方式仍然采用和水平地面的相同的对角步态，唯一的不同之处是，两对角线上腿部末端的电磁铁需要交替通断电来实现位置的固定和腿部的向前转动，通过这种方式可以使装置攀爬到指定的加工位置进行工作。

本发明提供一种渐进成形加工工艺的实例，对该装置的加工修复过程进行进一步的说明：

在装置到达预定的工作位置之后，可以对待加工表面进行成形、修复等操作，下面提供一种在线板材修复的操作方法。

1)首先，在装置到达指定工位之后，控制器控制四条腿部主动支链的第一转动副10内部的电机，同时第二转动副12内部电机保持杆11、13之间的角度不变，将四条腿全部抬起至最大幅度。

2)将下保护板24通电，直接将下保护板吸附在工作表面上，如图5所示。此种方式可以大大增加装置在加工时的承载性和稳定性。装置在倾斜的表面上进行工作时，不仅需要克服自身重力沿斜面的分力还要克服工具头加工时的反作用力。因此，如果还是采用机器人攀爬时的四个足端的接触受力方式，极有可能因为电磁铁的吸附力不够，导致装置不能够正常工作，甚至会出现不稳定的情况。而上述的下保护板直接加工表面的工作方式，大大提高了装置与工作表面之间的接触面积，使得装置能承受更大的成形反作用力从而具有更好的稳定性。

3)在装置转换为加工姿态之后，便可以通过上方的机械手臂进行加工，机械手工具头运动到设定好的初始位置，并且根据现场修复需求设置好步距(每一层工具头的下压量)、成形角和成形深度等渐进成形的核心参数。

4)然后根据提前设置好的加工路径，按照第一层的轮廓要求，以走等高线的方式，对工件进行单点的塑性加工，在完成第一层的轮廓要求之后，工具头会按照设定好的步距沿工具头轴向进给一定距离，之后按照第二层的截面轮廓要求运动，并且完成第二层的轮廓。

5)重复上述步骤，直至达到预定的加工深度，并实现目标形状的成形及修复。

将成形工具头结构进行改进可满足其他修复工艺需求，如激光熔覆、喷涂或其他表面处理工艺，实现对零件表面进行熔覆或喷涂耐磨、耐腐蚀性金属，以达到耐磨、耐腐蚀的目的。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。