蛇形臂机器人装配系统研究.pdf

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1、塞茎茬：：鬈翼需篙至蠢耋姚艳彬杜兆才魏志强数字化制造技术航空科技重点实验室挑亿1171u吖。姚心隅姚艳彬博士．工程师。任职于北京航空制造工程研究所数字化制造与柔性装配技术研究室。研究方向为飞机先进装配技术、机器人技术。发表论文10余篇．并获得多项专利。t航空基金(20121625008)资助。26航空制造技术·2015年第21期对于复杂狭窄内腔装配，人工操作难度高、劳动强度大、效率低。常规的自动装配系统由于尺寸的限制也很难完成此类作业。蛇形臂机器人具有长径比大、自由度多、运动灵活以及环境适应能力强等优点。是解决复杂狭窄内腔装配难题的最佳方案oDOI：10．

2、16080／j．issnl671．833x．2015．21．026目前，飞机中存在大量诸如盒段、进(排)气道等具有复杂狭窄内腔特征的零部件需要进行装配作业。例如，翼盒内腔需要进行涂胶、去毛刺、多余物清除等装配作业。飞机复杂狭窄内腔的装配质量直接影响飞机的安全性、疲劳寿命以及稳定性。对于复杂狭窄内腔装配，人工操作难度高、劳动强度大、效率低。常规的自动装配系统由于尺寸的限制也很难完成此类作业。蛇形臂机器人具有长径比大、自由度多、运动灵活以及环境适应能力强等优点，是解决复杂狭窄内腔装配难题的最佳方案。目前，国外许多研究机构已经对应用于安检、医疗以及航空制造等领域

3、的蛇形机械臂机器人进行了比较深入的研究。美国波士顿大学研制了一种用于临床医疗手术的蛇形臂机器人Concentric—tubetl‘21，该机器人由3个空心柔性管嵌套组成，共有6个自由度，通过改变每跟管子旋转的角度和伸出的距离，就可以改变整个机器人的长度和弯曲度实现机器人形状的控制，进而完成相关的医疗手术。MICHAEL和IAN【3l设计了一种名为Elephant’sTrunk的用于抓取物体的蛇形臂机器人。该机械臂由16个虎克铰构成，该蛇形臂结构紧凑，变形更加均匀平滑。在后续工作中，IAN和MICHAEL建立了Elephant‘STrunkManipulat

4、or的数学模型，使用基于图像的形状检测法对该机械臂的性能进行了进一步研究。英国OCRobotics公司为空客英国公司开发了一类蛇形臂机器人【4】，能够钻人机翼内部进行检测、紧固和密封(见图1)，为蛇形臂机器人在航空制造领域的工程化应用前进了一大步，但其核心技术仍处于技术封锁状态。＼一上J图1ocRobotics蛇形臂机器人期应用阶段，但其相关核心技术仍处于技术封锁状态。国内关于蛇形臂机器人的研究已取得了一定的成果，但与国外相比，无论在理论研究还是工程化应用方面都存在很大差距，面向飞机装配的蛇形臂机器人研究尚图2结肠镜蛇形臂机器人国内开展蛇形臂机器人的研究起

5、步较晚，因此取得的相关研究成果相对较少。HU和WANG等圄研制了一种新型的结肠镜蛇形臂机器人(见图2)。该机器人总长600ram，直径12ram，共分5段，每段具有2个自由度，机器人每段均通过钢丝绳由直流电机驱动。在航空基金项目“飞机装配用蛇形臂结构研究”的支持下，北京航空制造工程研究所研制了一套具有8个自由度的蛇形臂机器人原理样机(见图3)。总之，目前面向飞机复杂狭窄内腔装配的蛇形臂机器人技术，在航空制造发达国家已处于技术验证和初图38自由度蛇形臂机器人未见诸报道。基于国内外研究情况，针对飞机复杂狭窄内腔装配需求，本文针对蛇形臂机器人装配系统进行了研究，

6、涉及仿生机器人、飞机数字化柔性装配以及视觉导航等技术。蛇形臂机器人装配系统总体架构根据复杂狭窄内腔结构、装配需求以及蛇形臂机器人的特点，总结出面向复杂狭窄内腔的蛇形臂机器人装配系统总体架构如图4所示。蛇形臂机器人装配系统主要包括蛇形臂机器人、视觉导航系统、末端执行器、移动定位系统以及上位机及远程操控系统5大模块。蛇形臂机器人是装配系统的核心，主要作用是根据装配任务移动末端执行器到目标位置；视觉导航系统一般安装在蛇形臂末端，用于空间场景识别、检测障碍物并向上位机反馈空间场景及障碍物位置特征，实现机器人避障运动；末端执行器主要用于执行涂胶、检测、去毛刺等装配作

7、业；移动定位系统主要用于扩展蛇形臂机器人的运动范围，可根据任务需求使用工业机器人或AGV小车；上位机及远程操控系统主要用于监控系统运行状态并进行远程操作，可通过PC、笔记本或多功能操纵杆采用自动、半自动或手动模式操控机器人运动。图4蛇形臂机器人装配系统2015年第21期·航审制造技术27蛇形臂机器人装配系统在飞机型机器人为超冗余度机器人范畴。硬件连接示意图。装配中得到应用，需突破蛇形臂结构仿生设计、非结构化环境视觉导航以及柔索驱动多轴协同控制3大关键技术。以下分别从蛇形臂机器人仿生结构、视觉导航系统和控制系统3方面对蛇形臂机器人装配系统进行论述和分析。蛇形

8、臂机器人仿生结构设计蛇类是爬行动物无肢进化的顶点，它的肌肉和骨骼组