CN104816761A - 爬行机器人的行走机构及行走方法 - Google Patents

Abstract

一种爬行机器人的行走机构，其特征在于：包括移动框架、外腿、内腿，移动框架呈矩形，移动框架两对称侧面对称安装若干条外腿，另两侧面对称安装若干条内腿，外腿包括外腿框架和置于外腿框架内的伸缩腿，内腿包括内腿框架和置于内腿框架内的伸缩腿，外腿和内腿底部安装吸盘；外腿的伸缩腿与移动框架连接，移动框架随外腿的伸缩腿的升降而升降，内腿框架与移动框架刚性连接，内腿框架随移动框架的升降而升降；外腿框架通过导轨安装在移动框架上，移动框架上安装横向进给电机，横向进给电机驱动横向进给丝杠；内腿和外腿均具有纵向进给电机，纵向进给电机驱动纵向进给丝杠。

Description

爬行机器人的行走机构及行走方法

技术领域

本发明涉及航空自动化装配领域，特别涉及一种用于飞机机身对接自动化装配的爬行机器人的行走机构。

背景技术

目前飞机结构采用的主要连接方法是机械连接，一架大型飞机上大约有150万～200万个铆钉和螺栓。飞机零部件制孔数量多，制孔精度要求高，采用传统手工制孔铆接的方式无法满足精度要求。为了满足现代飞机高寿命、高强度、密封、抗疲劳的要求，首先要保证机械连接的安全性和可靠性，因此需要使用先进的自动钻铆设备来提高装配的质量和精度。

自动钻铆设备成本高昂，适用面较窄，需要预铺行走导轨，设备体积较大，使用场所固定，对环境要求较高，大空间多坐标系变换导致位姿误差大，操作空间有限，往往需要多台设备联合作业，需配备专用的托架系统，增大了使用和操作的难度。大型自动化装配系统的缺点也比较明显：包括成本高昂，柔性差以及生产转型困难等。为了规避风险和降低成本，当前自动化钻铆设备正向柔性化、模块化、轻量化方向发展。

轻型自动化装配系统是在效率、柔性和成本之间折中的一种方案。比较典型的轻型自动化装配系统主要有基于工业机器人自动化装配系统、柔性轨道自动化装配系统、自行走机器人自动化装配系统三种。

基于工业机器人自动化装配系统是利用市场上通用的工业机器人(臂)为设备本体，配合相应的末端执行器组成的自动化装配系统，是当前应用最多的一种轻型自动化装配系统解决方案，工业机器人装配系统虽然柔性化程度好、精度及效率高、加工范围较广，但也存在关节刚度较低；绝对定位精度较低的 缺点。

柔性轨道系统是由波音公司提出的轻型自动化装配系统解决方案。柔性轨道系统是在产品表面吸附有柔性轨道，在其上安装有移动小车。工作时，移动小车沿轨道滑动到相应位置，安装在小车上的末端执行器进行自动化制孔；自主移动式轻型自动制孔系统即爬行机器人是由空客支持的轻型自动化装配系统解决方案，与柔性轨道系统功能类似但柔性更好，属于目前最新形式的轻型自动化装配系统。

自主移动式轻型装配系统即爬行机器人的研制符合当前飞机先进装配技术的发展方向，对提升我国先进装配技术的研究和应用水平有着重要意义，自主移动式轻型装配系统的行走系统还未见国内专利，有更多的技术空间。

发明内容

为满足以上需求，本发明提供了一种爬行机器人的行走机构，以满足自动化装配系统工作过程的行走与吸附功能。

本发明采用内外双层结构，行走机构主要承担系统沿着对缝行走、真空吸附、承载等功能。本发明选择整体移动框架与多足结合的形式，分为内外相对运动的两部分，机构在机身表面的固定与行走分别通过存在相对运动关系的内、外腿和吸盘实现。具体技术方案如下：

一种爬行机器人的行走机构，其特征在于：包括移动框架、外腿、内腿，移动框架呈矩形，移动框架两对称侧面对称安装若干条外腿，另两侧面对称安装若干条内腿，外腿包括外腿框架和置于外腿框架内的伸缩腿，内腿包括内腿框架和置于内腿框架内的伸缩腿，外腿和内腿底部安装吸盘；外腿的伸缩腿与移动框架连接，移动框架随外腿的伸缩腿的升降而升降，内腿框架与移动框架刚性连接，内腿框架随移动框架的升降而升降；外腿框架通过导轨安装在移动 框架上，移动框架上安装横向进给电机，横向进给电机驱动横向进给丝杠；内腿和外腿均具有纵向进给电机，纵向进给电机驱动纵向进给丝杠。

进一步，同一侧外腿之间采用连接板固定为一体，同一侧外腿统一由同一个横向进给电机驱动横向位移，外腿共四条，内腿共四条。

进一步，吸盘由真空气动系统驱动，真空气动系统包括气源、真空发生器，气源连接气源处理单元，气源处理单元连接储气罐和调压阀，储气罐连接分气块为每条外腿或内腿供气，调压阀调节气路气压，分气块连接若干真空发生器，真空发生器连接至内腿或外腿的吸盘。

进一步，内腿的伸缩腿上设有滑块导轨结构，滑块通过连接片安装在内腿框架内侧壁。

进一步，移动框架由四段回字型骨架通过螺栓连接为一体。

进一步，吸盘气路上安装安全阀，吸盘具有接触检测模块，包括安装在吸盘底部的三个接触开关；吸盘与内腿或外腿的连接处为刚性球铰链。

上述爬行机器人的行走机构的行走方法，其特征在于包括如下步骤：

第一步，外腿吸盘吸附，内腿吸盘脱落，外腿纵向进给电机驱动丝杠使伸缩腿伸长，移动框架升起，同时内腿随动；

第二步，在横向进给电机驱动下移动框架带动内腿沿导轨向前移动一个单位距离；

第三步，内腿纵向进给电机驱动丝杠使伸缩腿伸长并使吸盘吸附；

第四步，外腿吸盘脱落，外腿纵向进给电机反转使伸缩腿缩短升起；

第五步，外腿在横向进给电机驱动下沿导轨向前移动至一个单位距离，外腿移动时，同侧的外腿在连接板的作用下保证移动同样的距离；

第六步，外腿纵向进给电机正转使伸缩腿伸长并使吸盘吸附，至此，所有 吸盘全部吸附，一个运动周期结束，如此重复直至到达预期目标位置。

进一步，吸盘吸附过程中的接触检测：每只吸盘的底部安装三个接触开关，当三个接触开关的其中一个被合上时，启动吸盘接触工件的检测功能，在检测阶段吸盘慢速下降，如果在设定的时间内三个接触开关都被合上则吸盘停止运动，产生真空。

移动框架作为主体结构承担着内部滑台、钻铆执行器的重量及部分工作载荷，同时它也是行走机构中内、外腿的安装基准，是影响系统整体结构稳定性的关键，移动框架采用四段回字型骨架通过螺栓连接，形成整体框架形式，结构稳定、具备高强度、高刚度性能，能承受一定的集中载荷；当垂直于壁面吸附时，由于受到制孔反作用力及自身的重力作用，移动框架会受到一定的弯矩和扭矩，整体框架结构具备一定的抗弯矩、扭矩能力；并且结构简单、紧凑，符合轻量化设计要求，减去了外框架，从而大大减轻了结构重量；四条内腿与移动框架设计为一体结构，增加了刚性。

钻铆系统伺服模块及气动模块多，各种线缆较为复杂，其合理的布局会使整个系统在出现故障时便于检修，而采用回字型结构可将线缆布局在框架内部，不占据外部更多的走线空间；

为保证内、外结构合理实现相对移动，从而完成整体的运动，内、外腿均设计为可升降结构，由进给电机驱动实现纵向伸缩。这样的设计，在满足四足稳定吸附的同时，又减轻了结构的重量。

移动框架左右两侧布局直线导轨，通过两进给电机驱动丝杠，实现外腿相对于移动框架的前后运动；两外腿之间采用连接板连接，保证两腿的相对位置不变。

内、外腿具有吸盘，吸盘采用有适当刚度和强度的材料，并具有一定的柔 顺性，且闭室空间体积大，吸附力大，而且可适应变曲率曲面上的全姿态吸附。吸盘采用刚性球铰链连接，四足吸附与八足吸附状态均满足自由度约束，即可稳定吸附；同时，刚性球铰的连接方式满足了曲面上完全无缝吸附的要求，保证了吸附的可靠性与安全。

八条腿分为两组，其中，内腿框架与四条内腿为一组，连接板与四条外腿为一组，机构移动时，保证同时有四条腿吸附在零件表面，通过吸盘的交替吸附和两个内外结构之间位置的相互交替移动实现自行走功能；同时又提高了整体行程，使一次行程中加工更多的孔位，提高加工效率。

综上，本发明在航空自动化装配的过程中具有以下优点：

1.柔性好，无需专用工装，可在现有工装型架上灵活使用，对于型架的影响和改动实现最小化，可适应多种工件，用于多个项目，应用灵活性高；

2.装配的准备时间短，比如设备安装简单，简化了安装工作及安装系统所用的工装，安装时间及调整时间相对现有工装有了明显提高，大大提高了生产效率；

3.使用成本低，采购成本和运行成本低，可在现有的装配型架上使用，有利于提高经济效益；

4.结构重量轻、装配质量稳定、高效，满足当前飞机先进装配技术的要求。

附图说明

图1为具体实施方式的行走机构的总体结构图；

图2为具体实施方式的行走机构的吸盘真空吸附气动回路图。

图中：1-内腿伸缩腿，2-内腿框架，3-横向进给电机，4-横向进给丝杠，5-丝杠螺母连接块，6-移动框架，7-内腿纵向进给电机，8-外腿纵向进给电机，9-外腿吸盘，10-连接板，11-外腿伸缩腿，12-外腿框架，13-导轨，14-内腿吸盘， 15-气源，16-气源处理单元，17-调压阀，18-储气罐，19-分气块，20-真空发生器，21-安全阀。

具体实施方式

如图1，一种爬行机器人的行走机构，包括移动框架6、外腿、内腿，移动框架6呈矩形，移动框架6两对称侧面对称安装若干条外腿，另两侧面对称安装若干条内腿，外腿包括外腿框架12和置于外腿框架12内的伸缩腿11，内腿包括内腿框架2和置于内腿框架内的伸缩腿1，外腿底部安装外腿吸盘9，内腿底部安装内腿吸盘14；外腿的伸缩腿11与移动框架6连接，移动框架6随外腿的伸缩腿11的升降而升降，内腿框架2与移动框架6刚性连接，内腿框架2随移动框架6的升降而升降；外腿框架12通过导轨13安装在移动框架6上，移动框架6上安装横向进给电机3，横向进给电机3驱动横向进给丝杠4，丝杠螺母通过丝杠螺母连接块5连接；内腿和外腿均具有纵向进给电机，内腿纵向进给电机7和外腿纵向进给电机8分别驱动纵向进给丝杠。

同一侧外腿之间采用连接板10固定为一体，同一侧外腿统一由同一个横向进给电机驱动横向位移，外腿共四条，内腿共四条。内腿的伸缩腿1上设有滑块导轨结构，滑块通过连接片安装在内腿框架2内侧壁。移动框架6由四段回字型骨架通过螺栓连接为一体。

如图2，吸盘由真空气动系统驱动，真空气动系统包括气,15、真空发生器20，气源15连接气源处理单元16，气源处理单元16连接储气罐17和调压阀18，储气罐17连接分气块19为每条外腿或内腿供气，调压阀18调节气路气压，分气块19连接若干真空发生器20，真空发生器20连接至内腿或外腿的吸盘。

吸盘气路上安装安全阀21，吸盘具有接触检测模块，包括安装在吸盘底部的三个接触开关；吸盘与内腿或外腿的连接处为刚性球铰链。

行走机构的行走详细过程如下：

首先，将行走机构安放在工件表面，依靠吸盘吸附于工件表面，开始时，吸盘全部处于吸附定位状态；

行走机构的安放通过托架完成，托架的手爪抓取行走机构，调节行走机构，通过调节X向与Y向导轨使机构快速到达待加工位置，真空吸盘吸紧使机构固定在工件上；

吸盘工作流程取决于行走逻辑。当进行钻铆工艺时，需要固定行走机构，所有吸盘打到真空接通，利用真空吸附固定；当移动框架进行行走时，将需要抬起的腿的吸盘真空路径关闭，同时压缩空气路径接通，吸盘脱离表面，系统靠其余腿的真空吸盘支撑；待移动的腿抬起并前伸至接触表面后，吸盘真空路径接通，再次吸附于表面。因此，真空吸附系统的工作主要包括吸附与脱离，真空吸附系统各工作过程的实现：

(a)吸附过程：首先连接在腿上的真空吸盘与机身表面接触形成密闭空间，继而相应气阀和电磁铁得电真空路径接通，密闭腔的空气迅速排出，真空度迅速提高，达到一定真空度后，完成吸附。

(b)脱离过程：为了使真空吸盘尽快脱离表面，采用向真空吸盘吹入压缩空气的方法来达到快速破坏真空的目的。气阀和电磁铁得电，压缩空气路径接通，密闭腔内气压迅速升高，达到一定压力后，真空吸盘与机身表面脱离。

(c)吸盘接触检测：每只吸盘的底部安装三个接触开关，当三个接触开关的其中一个被合上时，启动吸盘接触工件的检测功能，在检测阶段吸盘慢速下降，如果在设定的时间内三个接触开关都被合上则吸盘停止运动，产生真空。

移动时，内、外腿部真空吸盘交替松开，当内腿移动的时候，吸盘为松开状态，外腿吸盘保持吸紧状态，反之亦然；电机驱动滚珠丝杠带动内外机构交 替运动，实现沿横向前进。具体步骤如下：

第一步，外腿吸盘吸附，内腿吸盘脱落，外腿纵向进给电机驱动丝杠使伸缩腿伸长，移动框架升起，同时内腿随动；

第二步，在横向进给电机驱动下移动框架带动内腿沿导轨向前移动一个单位距离；

第三步，内腿纵向进给电机驱动丝杠使伸缩腿伸长并使吸盘吸附；

第四步，外腿吸盘脱落，外腿纵向进给电机反转使伸缩腿缩短升起；

第五步，外腿在横向进给电机驱动下沿导轨向前移动至一个单位距离，外腿移动时，同侧的外腿在连接板的作用下保证移动同样的距离；

第六步，外腿纵向进给电机正转使伸缩腿伸长并使吸盘吸附，至此，所有吸盘全部吸附，一个运动周期结束，如此重复直至到达预期目标位置。

本发明在机身装配的应用范围很广，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，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，还可以对该机构作出若干改进，这些改进也应被视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种爬行机器人的行走机构，其特征在于：包括移动框架、外腿、内腿，移动框架呈矩形，移动框架两对称侧面对称安装若干条外腿，另两侧面对称安装若干条内腿，外腿包括外腿框架和置于外腿框架内的伸缩腿，内腿包括内腿框架和置于内腿框架内的伸缩腿，外腿和内腿底部安装吸盘；外腿的伸缩腿与移动框架连接，移动框架随外腿的伸缩腿的升降而升降，内腿框架与移动框架刚性连接，内腿框架随移动框架的升降而升降；外腿框架通过导轨安装在移动框架上，移动框架上安装横向进给电机，横向进给电机驱动横向进给丝杠；内腿和外腿均具有纵向进给电机，纵向进给电机驱动纵向进给丝杠。

2.根据权利要求1所述的爬行机器人的行走机构，其特征在于：同一侧外腿之间采用连接板固定为一体，同一侧外腿统一由同一个横向进给电机驱动横向位移，外腿共四条，内腿共四条。

3.根据权利要求1所述的爬行机器人的行走机构，其特征在于：吸盘由真空气动系统驱动，真空气动系统包括气源、真空发生器，气源连接气源处理单元，气源处理单元连接储气罐和调压阀，储气罐连接分气块为每条外腿或内腿供气，调压阀调节气路气压，分气块连接若干真空发生器，真空发生器连接至内腿或外腿的吸盘。

4.根据权利要求1-3任一项所述的爬行机器人的行走机构，其特征在于：内腿的伸缩腿上设有滑块导轨结构，滑块通过连接片安装在内腿框架内侧壁。

5.根据权利要求1-3任一项所述的爬行机器人的行走机构，其特征在于：移动框架由四段回字型骨架通过螺栓连接为一体。

6.根据权利要求3所述的爬行机器人的行走机构，其特征在于：吸盘气路上安装安全阀，吸盘具有接触检测模块，包括安装在吸盘底部的三个接触开关；吸盘与内腿或外腿的连接处为刚性球铰链。

7.一种爬行机器人的行走机构的行走方法，其特征在于包括如下步骤：

第一步，外腿吸盘吸附，内腿吸盘脱落，外腿纵向进给电机驱动丝杠使伸缩腿伸长，移动框架升起，同时内腿随动；

第二步，在横向进给电机驱动下移动框架带动内腿沿导轨向前移动一个单位距离；

第三步，内腿纵向进给电机驱动丝杠使伸缩腿伸长并使吸盘吸附；

第四步，外腿吸盘脱落，外腿纵向进给电机反转使伸缩腿缩短升起；

第五步，外腿在横向进给电机驱动下沿导轨向前移动至一个单位距离，外腿移动时，同侧的外腿在连接板的作用下保证移动同样的距离；

第六步，外腿纵向进给电机正转使伸缩腿伸长并使吸盘吸附，至此，所有吸盘全部吸附，一个运动周期结束，如此重复直至到达预期目标位置。

8.根据权利要求7所述的爬行机器人的行走机构的行走方法，其特征在于吸盘吸附过程中的接触检测：每只吸盘的底部安装三个接触开关，当三个接触开关的其中一个被合上时，启动吸盘接触工件的检测功能，在检测阶段吸盘慢速下降，如果在设定的时间内三个接触开关都被合上则吸盘停止运动，产生真空。