CN110203296A - 一种曲面移动吸附加工机器人及其吸附工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种曲面移动吸附加工机器人及其吸附工作方法，属于工业机器人技术领域，机器人包括全向移动模块、位置调整模块、柔顺吸附模块、底盘机架和加工执行器。柔顺吸附模块包括三个柔顺吸附腔，通过位置调整模块连接在底盘机架上，可调节柔顺吸附腔与被吸附表面的位置，为机器人提供吸附能力；全向移动模块与加工执行器固连在底盘机架上，为机器人提供全向移动能力和加工能力。本发明能吸附于大型复杂构件的自由曲面表面，实现了机器人的主动吸附、自主运动和加工作业功能，体积较小，负载较大，适用曲面范围广泛，结构简单，易于制造。

Description

一种曲面移动吸附加工机器人及其吸附工作方法

技术领域

本发明属于工业机器人技术领域，更具体地，涉及一种曲面移动吸附加工机器人及其吸附工作方法。

背景技术

大型复杂构件由于尺寸超大，而且其型面通常具有不规则的曲率分布，进行自动化加工时存在一定的困难。机器人具有运动灵活度高、工作空间大、环境适应性和并行协调能力强等优势，将其用于大型复杂结构件的加工逐渐成为了一个新的研究热点。现有针对大型复杂构件的机器人加工方案往往是将工业机器人集成到一定的移动平台上，如导轨或AGV车。此方案虽然大大拓展了机器人的工作空间，使得机器人加工大型复杂构件成为可能，但是受限于机器人本身的尺寸和结构，对于大型复杂构件的某些极端位置依然存在机器人位姿受限或不可达的情况。

因此，本领域亟需一种针对大型复杂构件的局部补充加工机器人，以便更好地解决大型复杂构件的加工问题，进一步提高本领域的加工制造水平。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种曲面移动吸附加工机器人及其吸附工作方法，其目的在于，通过柔顺吸附模块和位置调整模块实现加工机器人对自由曲面变化的被动顺应和主动顺应，使机器人稳定可靠吸附在工件表面上，由此解决现有机器人需要集成到移动平台，加工大型复杂构件时，机器人位姿受限或加工位置不可达的技术问题。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种曲面移动吸附加工机器人，其特征在于，包括全向移动模块、位置调整模块、柔顺吸附模块、底盘机架和加工执行器，其中，

所述全向移动模块包括三个周向均布的轮组，每个轮组固定连接在所述底盘机架上；

所述柔顺吸附模块包括三个柔顺吸附腔，所述三个柔顺吸附腔分别布置在三个所述轮组的两两之间；

所述位置调整模块与每个柔顺吸附腔的上表面连接，并与所述底盘机架固连；所述位置调整模块用于调整柔顺吸附腔与被吸附面的距离，实现柔顺吸附腔对自由曲面变化的主动顺应；

所述加工执行器从上到下穿过机器人的中心，固连在所述底盘机架上。

优选地，所述柔顺吸附腔自上至下依次包括离心风机、柔性通风管道、吸附腔上板和吸附腔侧壁，其中，

所述离心风机固连在所述底盘机架上；

所述柔性通风管道能够上下伸缩，其上端与所述离心风机的出气端周向密封连接且连接处内部连通；其下端固连在所述吸附腔上板的上面，且连接处的圆周密封，连接处的圆周内部的吸附腔上板上设有通孔；

所述吸附腔侧壁为密封连接于所述吸附腔上板下面周边的折叠结构，该折叠结构具备法向柔顺变形能力和切向抗压能力，能够承受较大负压，实现所述柔顺吸附模块对曲面变化的被动顺应。

优选地，所述吸附腔侧壁是由尼龙布和多层PVC板组成的折叠结构，所述多层柔性PVC板均粘接在所述尼龙布内部；最下层柔性PVC板及其周围的尼龙布在所述吸附腔侧壁吸附在被吸附表面上发生文丘里效应时形成密封的空腔。

优选地，所述柔顺吸附腔还包括风机固定板，所述离心风机通过所述风机固定板固连在所述底盘机架上。

优选地，所述柔顺吸附腔还包括真空传感器，所述真空传感器用于检测所述柔顺吸附腔内部的真空度。

优选地，所述位置调整模块包括多个气缸，每个柔顺吸附腔的吸附腔上板至少连接一个气缸，气缸的伸缩杆一端固连在吸附腔上板上面，气缸的非伸缩杆部分固连在所述底盘机架上。

优选地，所述轮组包括电机、减速器和全向轮，所述电机用于通过所述减速器驱动所述全向轮运动；

三个所述轮组的全向轮利用三点构成平面的原理，实现对曲面变化的被动顺应和在曲面表面的三自由度全向移动。

优选地，所述加工执行器上安装加工工具，用于执行加工操作。

优选地，所述加工工具包括钻头、磨头和/或焊枪。

按照本发明的另一个方面，还提供了一种基于上述机器人的吸附工作方法，其特征在于，首先由位置调整模块下压柔顺吸附模块，在柔顺吸附模块的柔顺吸附腔内部形成负压，利用吸附腔侧壁下边沿发生的文丘里效应，使柔顺吸附模块稳定可靠吸附在被吸附表面上，然后利用位置调整模块沿曲面法向调整柔顺吸附模块的每个柔顺吸附腔的位置，将柔顺吸附腔上的大气压力传递至所述底盘机架，使整个机器人稳定可靠吸附在被吸附表面上。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

1、本发明提供的曲面吸附加工机器人，通过三个柔顺吸附腔构成的柔顺吸附模块实现了机器人对自由曲面曲率变化的被动顺应以及对自身所需吸附力变化的主动调控，通过位置调整模块调整柔顺吸附腔与被吸附面的距离，实现其对自由曲面变化的主动顺应，使加工机器人稳定可靠吸附在工件表面上；三个轮组构成的全向移动模块利用三点构成平面的原理，实现对曲面变化的被动顺应和在曲面表面的二维三自由度全向灵活移动；通过加工执行器执行加工操作；使得本发明拥有曲面吸附功能、全向移动功能和加工功能，实现了机器人的主动吸附、自主运动和加工作业；本发明体积较小，负载较大，适用曲面范围广泛，结构简单，易于制造。

2、柔顺吸附腔由吸附腔上板和吸附腔侧壁构成负压吸附腔，负压吸附腔贴近被吸附表面时，利用离心风机通过柔性通风管道向负压吸附腔内部提供负压，利用吸附腔侧壁下表面与被吸附表面的文丘里效应，使负压吸附腔稳定吸附在被吸附表面上；吸附腔侧壁为折叠结构，其具备法向柔顺变形能力和切向抗压能力，能够承受较大负压，实现所述柔顺吸附模块对曲面变化的被动顺应，使加工机器人能够稳定吸附于不同变化曲率的加工工件表面上。

3、吸附腔侧壁采用尼龙布和多层柔性PVC板组成的折叠结构，具备法向柔顺变形能力和切向抗压能力，使得负压吸附腔能够承受较大负压实现所述柔顺吸附模块对曲面变化的被动顺应。

4、采用气缸分别驱动每个柔顺吸附腔，通过控制气缸的伸缩而调整柔顺吸附腔与被吸附表面的距离，实现柔顺吸附腔对自由曲面变化的主动顺应。

5、加工执行器上能够安装不同类型的加工工具，满足工件的各种加工需求。

附图说明

图1是本发明较佳实施例中曲面移动吸附加工机器人整体示意图；

图2是本发明较佳实施例中图1去掉加工执行器的示意图；

图3是本发明较佳实施例中轮组结构示意图；

图4是本发明较佳实施例中柔顺吸附腔的结构示意图；

图5(a)是本发明较佳实施例中吸附腔侧壁的结构示意图；

图5(b)是本发明较佳实施例中吸附腔侧壁的剖视图；

图6是本发明较佳实施例中底盘机架的的结构示意图。

在所有的附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

1、轮组；2、位置调整模块；3、柔顺吸附腔；4、底盘机架；5、加工执行器；1.1、电机；1.2、电机座；1.3、直角行星减速器；1.4、轮组固定板；1.5、联轴器；1.6、轮轴；1.7、轴承座；1.8、全向轮；3.1、离心风机；3.2、风机固定板；3.3、柔性通风管道；3.4、吸附腔上板；3.5、吸附腔侧壁；3.5.1、尼龙布；3.5.2柔性PVC板；3.5.3、下边沿；A：外界大气；B：内部负压区域；3.6、真空传感器；4.1、全向移动模块安装位置；4.2、位置调整模块安装位置；4.3、柔顺吸附模块安装位置；4.4、加工执行器安装位置。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。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。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明提供一种能进行曲面吸附攀爬并加工的机器人，该机器人针对大型复杂构件自由曲面的表面特性，利用具有被动顺应能力的柔性吸附腔和三轮底盘在构件表面进行吸附和移动，并通过加工执行器完成相应的加工任务。该种机器人能够移动至大型复杂构件上人或一般工业机器人难以到达的地方，进行加工工作。

如图1所示，本发明实施例提供了一种曲面移动吸附加工机器人，包括全向移动模块、位置调整模块2、柔顺吸附模块、底盘机架4和加工执行器5。柔顺吸附模块通过位置调整模块2连接在底盘机架4上，可调节柔顺吸附腔与被吸附表面的位置，为机器人提供吸附能力。全向移动模块与加工执行器固连在底盘机架上，为机器人提供全向移动能力和加工能力。此机器人可吸附于大型复杂构件的自由曲面表面，并利用加工执行器完成相应的加工工作。

为了图示更清楚，抽去中心的加工执行器5后，机器人的结构示意图如图2所示。

全向移动模块包括三个周向均布的轮组1，每个轮组1固定连接在底盘机架4上。

本实施例中，轮组1包括电机1.1、电机座1.2、直角行星减速器1.3、轮组固定板1.4、联轴器1.5、轮轴1.6、轴承座1.7和全向轮1.8。

电机座1.2固定电机1.1。通过轮组固定板1.4将轮组1固定在底盘机架4上。轴承座1.7固定在轮组固定板1.4下方，轮轴1.6一端通过联轴器1.5固定在直角行星减速器1.3上，另一端穿过轴承座1.7内的轴承固定在全向轮1.8中心。工作时，电机1.1通过直角行星减速器1.3驱动轮轴1.6带动全向轮1.8运动。三个轮组1构成的全向移动模块利用三点构成平面的原理，实现对曲面变化的被动顺应和在曲面表面的三自由度全向移动。

柔顺吸附模块包括三个柔顺吸附腔3，三个柔顺吸附腔3分别布置在三个轮组1的两两之间。

如图4所示，柔顺吸附腔3自上至下依次包括离心风机3.1、柔性通风管道3.3、吸附腔上板3.4和吸附腔侧壁3.5。

离心风机3.1固连在底盘机架4上。可选地，离心风机3.1通过风机固定板3.2固连在底盘机架4上。

柔性通风管道3.3能够上下伸缩，其上端与离心风机3.1的出气端周向密封连接且连接处内部连通；其下端固连在吸附腔上板3.4的上面，且连接处的圆周密封，连接处的圆周内部的吸附腔上板3.4上设有通孔。

如图5(a)和图5(b)所示，吸附腔侧壁3.5为密封连接于吸附腔上板3.4下面周边的折叠结构。该折叠结构具备法向柔顺变形能力和切向抗压能力，能够承受较大负压，实现柔顺吸附模块对曲面变化的被动顺应。

本实施例中，柔性通风管道3.3是由螺旋圈与塑料构成的伸缩结构。

吸附腔侧壁3.5是由尼龙布3.5.1和多层柔性PVC板3.5.2组成的折叠结构，多层柔性PVC板均粘接在尼龙布内部；最下层柔性PVC板的下边沿3.5.3及其周围的尼龙布在吸附腔侧壁3.5吸附在被吸附表面上发生文丘里效应时形成密封的空腔。图5(b)中A表示外界大气，B表示折叠结构内部负压区域。

吸附腔上板3.4的上面设置有真空传感器3.6，用于检测柔顺吸附腔3内部的真空度，进而可以通过对离心风机3.1的调节实现吸附力的控制。

位置调整模块2与每个柔顺吸附腔3的上表面连接，并与底盘机架4固连。位置调整模块2包括多个气缸，每个柔顺吸附腔3的吸附腔上板3.4至少连接一个气缸，气缸的伸缩杆固连在吸附腔上板3.4上面，气缸的主体部分固连在底盘机架4上。通过控制气缸的伸缩而调整柔顺吸附腔3与被吸附面的距离，实现柔顺吸附腔3对自由曲面变化的主动顺应。

本实施例中，位置调整模块2包括三组共六个双杆气缸，每个柔顺吸附腔3的吸附腔上板3.4上面的左右两边各固定一个气缸，以使气缸对吸附腔上板3.4均匀施加压力或拉力。

加工执行器5从上到下穿过机器人的中心，固连在底盘机架4上。加工执行器5上能够安装不同的加工工具，例如钻头、磨头、焊枪等，用于执行各种加工操作，适应不同的加工需求。

如图6所示为底盘机架4的一个实例图，实际使用时底盘机架4不局限于图中所示的结构，适当调整底盘机架4的结构使其将各个模块稳固连接为整体亦可。图中标识4.1-4.4分别表示全向移动模块、位置调整模块、柔顺吸附模块和加工执行器5的部分安装位置。

本发明提供的曲面移动吸附加工机器人工作时，机器人被放置在吸附表面，位置调整模块2将柔顺吸附模块压下以保证吸附腔侧壁3.5下边沿文丘里现象的发生，离心风机3.1开启进行抽气，吸附腔侧壁3.5的下边沿将发生文丘里现象，从而使其紧贴吸附表面，形成密闭空间和负压区域。当真空传感器3.6检测到柔顺吸附腔3内负压的发生，位置调整模块2气缸伸缩杆收缩，将吸附腔上板3.4拉起(下边沿仍然紧贴表面)，从而将吸附腔上的大气压力传递至底盘机架4，进而使全向轮1.8与吸附表面紧密接触，完成机器人的吸附工作。

机器人在不同位置、不同姿态、不同加工动作的情况下各个柔性吸附腔所需的吸附力和真空度不同，可通过真空传感器3.6检测真空度以及离心风机3.1调节真空度。

本发明拥有曲面吸附功能、全向移动功能和加工功能，实现了机器人的主动吸附、自主运动和加工作业。其中，柔顺吸附模块实现了机器人对自由曲面曲率变化的被动顺应以及对自身所需吸附力变化的主动调控。全向移动模块实现了机器人在吸附表面的二维三自由度灵活移动。吸附底盘可为。本发明体积较小，负载较大，适用曲面范围广泛，结构简单，易于制造。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种曲面移动吸附加工机器人，其特征在于，包括全向移动模块、位置调整模块(2)、柔顺吸附模块、底盘机架(4)和加工执行器(5)，其中，

所述全向移动模块包括三个周向均布的轮组(1)，每个轮组(1)固定连接在所述底盘机架(4)上；

所述柔顺吸附模块包括三个柔顺吸附腔(3)，所述三个柔顺吸附腔(3)分别布置在三个所述轮组(1)的两两之间；

所述位置调整模块(2)与每个柔顺吸附腔(3)的上表面连接，并与所述底盘机架(4)固连；所述位置调整模块(2)用于调整柔顺吸附腔(3)与被吸附面的距离，实现柔顺吸附腔(3)对自由曲面变化的主动顺应；

所述加工执行器(5)从上到下穿过机器人的中心，固连在所述底盘机架(4)上。

2.根据权利要求1所述的一种曲面移动吸附加工机器人，其特征在于，所述柔顺吸附腔(3)自上至下依次包括离心风机(3.1)、柔性通风管道(3.3)、吸附腔上板(3.4)和吸附腔侧壁(3.5)，其中，

所述离心风机(3.1)固连在所述底盘机架(4)上；

所述柔性通风管道(3.3)能够上下伸缩，其上端与所述离心风机(3.1)的出气端周向密封连接且连接处内部连通；其下端固连在所述吸附腔上板(3.4)的上面，且连接处的圆周密封，连接处的圆周内部的吸附腔上板(3.4)上设有通孔；

所述吸附腔侧壁(3.5)为密封连接于所述吸附腔上板(3.4)下面周边的折叠结构，具备法向柔顺变形能力和切向抗压能力，能够承受较大负压，实现所述柔顺吸附模块对曲面变化的被动顺应。

3.根据权利要求2所述的一种曲面移动吸附加工机器人，其特征在于，所述吸附腔侧壁(3.5)是由尼龙布和多层柔性PVC板连接组成的折叠结构，所述多层柔性PVC板均粘接在所述尼龙布内部；最下层柔性PVC板及其周围的尼龙布在所述吸附腔侧壁(3.5)吸附在被吸附表面上发生文丘里效应时形成密封的空腔。

4.根据权利要求2所述的一种曲面移动吸附加工机器人，其特征在于，所述柔顺吸附腔(3)还包括风机固定板(3.2)，所述离心风机(3.1)通过所述风机固定板(3.2)固连在所述底盘机架(4)上。

5.根据权利要求1或2所述的一种曲面移动吸附加工机器人，其特征在于，所述柔顺吸附腔(3)还包括真空传感器(3.6)，所述真空传感器(3.6)用于检测所述柔顺吸附腔(3)内部的真空度。

6.根据权利要求2所述的一种曲面移动吸附加工机器人，其特征在于，所述位置调整模块(2)包括多个气缸，每个柔顺吸附腔(3)的吸附腔上板(3.4)至少连接一个气缸，气缸的伸缩杆一端固连在吸附腔上板(3.4)上面，气缸的非伸缩杆部分固连在所述底盘机架(4)上。

7.根据权利要求1或2所述的一种曲面移动吸附加工机器人，其特征在于，所述轮组(1)包括电机(1.1)、减速器(1.2)和全向轮(1.8)，所述电机(1.1)用于通过所述减速器(1.2)驱动所述全向轮(1.8)运动；

三个所述轮组(1)的全向轮(1.8)利用三点构成平面的原理，实现对曲面变化的被动顺应和在曲面表面的三自由度全向移动。

8.根据权利要求1或2所述的一种曲面移动吸附加工机器人，其特征在于，所述加工执行器(5)上安装加工工具，用于执行加工操作。

9.根据权利要求7所述的一种曲面移动吸附加工机器人，其特征在于，所述加工工具包括钻头、磨头和/或焊枪。

10.基于权利要求1-9任一所述机器人的吸附工作方法，其特征在于，首先由位置调整模块下压柔顺吸附模块，在柔顺吸附模块的柔顺吸附腔(3)内部形成负压，利用吸附腔侧壁(3.5)下边沿发生的文丘里效应，使柔顺吸附模块稳定可靠吸附在被吸附表面上，然后利用位置调整模块沿曲面法向调整柔顺吸附模块的每个柔顺吸附腔(3)的位置，将柔顺吸附腔(3)上的大气压力传递至所述底盘机架(4)，使整个机器人稳定可靠吸附在被吸附表面上。