本發明屬于機械控制領域，涉及一種可用于工業制造的機器人系統。

背景技術：

在航空、航天、軌道交通、武器裝備、海洋工程等領域的制造過程中，裝備高質量、大尺寸的特點，導致現有的制造設備在行程和功能上無法滿足其加工要求，且部分裝備的加工、裝配過程仍基本依靠人工和少量專用工裝完成，勞動強度大、裝配效率低，其加工、裝配、測試等制造瓶頸問題日益突出，主要表現為：超大結構產品的制造超出現有加工設備的能力范圍，如果在現有機床上改造或者研制專用超大型機床，造價昂貴，經濟性差；制造過程復雜、工序繁多、任務繁重，周期性要求緊；制造過程柔性、自動化水平需要提升。

基于此，機器人制造技術得到了快速發展。現有的機器人制造系統，例如《一種工業機器人作業方法》CN201310680291.9只說明了通用工業機器人的作業流程，與移動機器人相比，由于運動行程上不同，作業流程也不同，且沒有明確制造系統的組成。又例如《一種工業型柔性制造生產線系統》CN201310152243.2，其所述的各類加工單元仍然由傳統的數控機床組成，機器人只負責進行上下料搬運或者分揀，并不作為加工設備，且對系統的工作流程未作描述。

技術實現要素：

本發明解決的技術問題是：克服現有技術的不足，提供了一種以全向智能移動平臺、工業機械手、高精度鉆銑末端執行器、集成控制系統為核心的可移動式自動尋址的鉆銑機器人系統，能根據制造任務或生產環境的變化迅速進行調整布局，適用于多品種、中小批量生產，解決超大結構的加工技術瓶頸。

本發明的技術解決方案是：一種可移動式自動尋址的鉆銑機器人系統，包括可移動鉆銑機器人本體子系統、集成控制子系統、導航與定位子系統，其中：

可移動鉆銑機器人本體子系統又包括全向智能移動平臺模塊、機械手模塊和鉆銑末端執行器模塊，全向智能移動平臺模塊上固定機械手模塊，機械手模塊的末端與鉆銑末端執行器模塊相連接；全向智能移動平臺模塊實現可移動式自動尋址的鉆銑機器人在工作場地內超過機械手模塊運動行程外的移動，機械手模塊由不同的旋轉軸組成，各旋轉軸通過不同的轉動角度和速度帶動鉆銑末端執行器模塊進行運動，鉆銑末端執行器模塊完成鉆孔、銑削作業；

導航與定位子系統又包括全向智能移動平臺導航與定位模塊、末端執行器高精度定位模塊、機械手定位精度提升模塊，全向智能移動平臺導航與定位模塊采用視覺導航定位方式，得到全向智能移動平臺模塊的笛卡爾坐標系X、Y值，偏航角θ值并送至集成控制子系統；機械手定位精度提升模塊使用激光跟蹤儀對機械手模塊各旋轉軸的轉角進行定位檢測并送至集成控制子系統；末端執行器高精度定位模塊采用激光跟蹤儀實時跟蹤鉆銑末端執行器模塊，獲取鉆銑末端執行器模塊的位置信息并送至集成控制子系統；

集成控制子系統又包括中央控制模塊、全向智能移動平臺控制模塊、機械手控制模塊、末端執行器控制模塊和能源管理控制模塊，中央控制模塊預先存儲可移動鉆銑機器人本體子系統中各模塊的目標運動姿態，并分別與導航與定位子系統各模塊傳來的信息進行逐一比對，當全向智能移動平臺模塊的笛卡爾坐標系X、Y實測值，偏航角θ實測值與預先存儲的目標運動姿態不一致時，中央控制模塊控制全向智能移動平臺控制模塊對全向智能移動平臺模塊的位置進行閉環控制，實現一級定位；當機械手模塊各旋轉軸的實際轉角與預先存儲的目標運動姿態不一致時，中央控制模塊控制機械手控制模塊對機械手模塊各旋轉軸的轉角進行閉環控制，實現二級定位；當鉆銑末端執行器模塊的實際位置與預先存儲的目標運動姿態不一致時，中央控制模塊控制末端執行器控制模塊對鉆銑末端執行器模塊的運動進行閉環控制，實現三級定位；能源管理控制模塊為可移動鉆銑機器人本體子系統、集成控制子系統、導航與定位子系統提供工作電源。

所述的全向智能移動平臺模塊包括麥克納姆輪系和穩定支撐結構，當麥克納姆輪系托舉的全向智能移動平臺模塊移動到指定的位置時，穩定支撐結構的液壓支腿向下支撐起整個全向智能移動平臺模塊，防止機械手模塊運動時全向智能移動平臺模塊產生振動。

所述的鉆銑末端執行器模塊包括結構框架、兩向進給機構和電主軸，結構框架為鉆銑末端執行器模塊與機械手模塊相連接部分，結構框架上安裝兩向進給機構，兩向進給機構上安裝電主軸，兩向進給機構中的一向與機械手模塊中從底座開始向末端方向計算的第二個旋轉軸軸線平行，另一向與加工刀具軸線方向平行，主軸上可安裝鉆頭和銑刀兩類刀具實現鉆孔和銑削功能。

本發明與現有技術相比的優點在于：本發明提出一種可移動式自動尋址的鉆銑機器人系統，針對高端裝備尺寸不斷增加、精度不斷提高的要求，通過導航與定位子系統的一、二、三級定位，能夠實現可移動鉆銑機器人的自主感知；通過集成控制子系統，能夠實現可移動鉆銑機器人系統的閉環決策與控制；通過可移動鉆銑機器人本體子系統，能夠形成集全向智能移動平臺、工業機械臂和高精度鉆銑末端執行器于一體的柔性執行系統，三個子系統融合感知、決策、控制與執行一體化，從而實現將大型產品裝夾在固定工位完成所有加工作業，減少工位之間轉運造成的時間和成本，滿足大型或超大構件的高精度、自動化、柔性化的加工需要，具體表現在：

(1)本發明融合全向智能移動平臺、工業機械臂、高精度鉆銑末端執行器于一體，改變了傳統機床加工模式及機器人固定工位加工模式，使大型或超大、重載產品在無需轉運的情況下完成加工制造，提高了加工的靈活性；

(2)本發明采用三級定位的方式，通過視覺導航定位將可移動鉆銑機器人導航至待加工部位，實現一級定位；通過機械手定位精度提升，將實時檢測得到的機械手位姿與理論位姿相比較，實時校正位姿，實現二級定位；通過末端執行器高精度定位，實時檢測末端位姿，補償實際位姿與理論位姿之間的誤差，實現三級定位。通過一、二、三級定位，能夠滿足大型或超大型構件高精度加工需要；

(3)本發明實現機器人全閉環控制，以中央控制為核心，下屬分管全向智能移動平臺控制、機械手控制、末端執行器控制和能源控制，通過實時獲取全向智能移動平臺、機械手、末端執行器的位姿數據，決策并控制全向智能移動平臺、機械手、末端執行器進行位姿精確調整，可以有效避免以往工業機械臂因開環控制結構而造成的精度不高等問題。

附圖說明

圖1為本發明系統的組成原理框圖；

圖2為本發明系統的工作流程圖。

具體實施方式

本發明一種可移動式自動尋址的鉆銑機器人系統組成如圖1所示，包括可移動鉆銑機器人本體子系統、集成控制子系統、導航與定位子系統，其中：

導航與定位子系統包括全向智能移動平臺導航與定位模塊、機械手定位精度提升模塊、末端執行器高精度定位模塊。該子系統是可移動式自動尋址的鉆銑機器人系統的定位系統，獲取可移動鉆銑機器人本體子系統中各模塊的遙測數據，并提供給集成控制子系統。

這里的遙測數據包括可移動鉆銑機器人本體子系統中各模塊的位姿和速度。位姿包括：全向智能移動平臺模塊的笛卡爾坐標系X、Y值，偏航角θ，機械手模塊各關節轉角A1、A2、A3、A4、A5、A6，鉆銑末端執行器模塊中兩向進給機構位置坐標U、V值。速度包括：全向智能移動平臺模塊的笛卡爾坐標系X向、Y向速度v_x、v_y值，偏航角速度ω_θ，機械手模塊各關節的轉角角速度ω_A1、ω_A2、ω_A3、ω_A4、ω_A5、ω_A6，鉆銑末端執行器模塊中兩向進給機構的運動速度v_U、v_V值。其中，全向智能移動平臺模塊的笛卡爾坐標系以全向智能移動平臺模塊中心為原點，X向與全向智能移動平臺模塊前進方向一致，Y向與全向智能移動平臺模塊輪系軸線平行；鉆銑末端執行器模塊以機械手模塊末端法蘭中心點為原點，U向與機械手模塊中從底座開始向末端方向計算的第二個旋轉軸軸線平行，V向與加工刀具軸線方向平行。

集成控制子系統包括中央控制模塊、全向智能移動平臺控制模塊、能源管理控制模塊、末端執行器控制模塊和機械手控制模塊。該子系統是可移動式自動尋址的鉆銑機器人系統的控制系統，負責將導航定位子系統的遙測數據與中央控制模塊內預先存儲的數控程序進行實時比對，確認可移動鉆銑機器人本體子系統中各模塊的運動姿態與數控程序一致，形成閉環控制。

這里的數控程序包括運動指令和功能指令兩個部分。運動指令包括全向智能移動平臺模塊的目標位置指令X’、Y’值，偏航角θ’，機械手模塊各關節目標位置指令A1’、A2’、A3’、A4’、A5’、A6’，鉆銑末端執行器模塊中兩向進給機構目標位置指令U’、V’。功能指令包括全向智能移動平臺模塊運動方向進給速度F’_xy(合成速度)，偏航角速度F’_θ，機械手模塊的進給速度F’，鉆銑末端執行器模塊中兩向進給機構運動方向進給速度F’_UV(合成速度)，全向智能移動平臺模塊動作指令，機械手模塊動作指令，鉆銑末端執行器模塊動作指令。

可移動鉆銑機器人本體子系統包括全向智能移動平臺模塊、鉆銑末端執行器模塊、機械手模塊，是可移動式自動尋址的鉆銑機器人系統的執行機構。按照集成控制子系統下發的控制指令執行鉆孔、銑削作業任務。其中全向智能移動平臺模塊上固定機械手模塊，機械手模塊的末端與鉆銑末端執行器模塊相連接。

導航與定位子系統中全向智能移動平臺導航與定位模塊采用視覺導航定位方式，該方式采用攝像頭采集地面的標線和二維碼，通過識別標線和二維碼，得到全向智能移動平臺模塊的笛卡爾坐標系X、Y值，偏航角θ具體數值，實現一級定位。機械手定位精度提升模塊使用激光跟蹤儀對機械手模塊各關節轉角A1、A2、A3、A4、A5、A6進行定位精度檢測，當激光跟蹤儀檢測得到的轉角實際角度A1’、A2’、A3’、A4’、A5’、A6’與前述不一致時，機械手控制模塊向機械手模塊發出轉動指令，直至兩者相等，以此實現二級定位。末端執行器高精度定位模塊采用激光跟蹤儀，實時跟蹤機器人末端執行器上預置的激光跟蹤儀靶標，當鉆銑末端執行器模塊中兩向進給機構實際位置U、V與目標位置指令U’、V’不一致時，末端執行器控制模塊向鉆銑末端執行器模塊發出移動指令，直至兩者相等，以此實現三級定位。

集成控制子系統中的中央控制模塊主要包括兩項功能。一是負責對數控程序進行解算，將數控程序中與全向智能移動平臺控制模塊，末端執行器控制模塊和機械手控制模塊相關的指令分別發送至上述模塊。二是與導航與定位子系統進行通訊，控制全向智能移動平臺控制模塊，末端執行器控制模塊和機械手控制模塊分別向導航與定位子系統中全向智能移動平臺導航與定位模塊，末端執行器高精度定位模塊和機械手定位精度提升模塊請求并獲取前述的遙測數據。

全向智能移動平臺控制模塊，末端執行器控制模塊和機械手控制模塊的功能是：中央控制模塊解算后的目標位置指令與分別從全向智能移動平臺導航與定位模塊，末端執行器高精度定位模塊和機械手定位精度提升模塊獲得的遙測數據進行比對，當遙測數據與目標位置指令存在偏差時，分別驅動可移動鉆銑機器人本體子系統中各運動機構進行運動，直至偏差為零后繼續執行下一條運動指令。

機械手控制模塊用于控制機械手模塊的A1、A2、A3、A4、A5、A6共6個旋轉軸的啟停、轉動角度、角速度，實現A1、A2、A3、A4、A5、A6的聯動，即A6軸末端與鉆銑末端執行器連接的部位能按照指定的直線、圓弧或樣條曲線插補；末端執行器控制模塊用于控制兩向進給機構的位置、移動速度、電主軸的啟動停止、旋轉速度、刀具更換、冷卻。

能源管理控制模塊3的功能是為導航與定位子系統提供12V的驅動電源，為可移動鉆銑機器人本體子系統提供380V三相交流驅動電源，并與外部接電裝置進行連接、斷開控制。

可移動鉆銑機器人本體子系統中的全向智能移動平臺模塊實現可移動式自動尋址的鉆銑機器人在工作場地內超過機械手模塊運動行程外的移動，使得機械手模塊的運動范圍能夠覆蓋整個加工范圍。全向智能移動平臺模塊主要包括麥克納姆輪系和穩定支撐結構，當麥克納姆輪系托舉的全向智能移動平臺模塊移動到數控程序指定的位置時，穩定支撐結構的四條液壓支腿向下支撐起整個平臺，防止機械手模塊運動時，全向智能移動平臺模塊產生振動。機械手模塊由A1、A2、A3、A4、A5、A6共6個旋轉軸組成，通過機械手控制模塊控制各軸的轉動角度和速度，帶動鉆銑末端執行器進行運動。鉆銑末端執行器模塊用于實現鉆孔、銑削作業內容，包括結構框架、兩向進給機構和電主軸。結構框架為鉆銑末端執行器模塊與機械手模塊相連接部分，結構框架上安裝兩向進給機構，兩向進給機構上安裝電主軸。兩向進給機構由兩個方向的直線導軌、驅動電機、滾珠絲杠副和直線光柵尺組成。電主軸上可安裝鉆頭和銑刀兩類刀具實現鉆孔和銑削功能。

如圖2所示，本發明系統的工作過程如下：

第一步，對可移動鉆銑機器人進行加工任務路徑規劃離線編程，包括針對加工構件中不同的局部加工對象(局部對象i＝1,2，……，n)進行機器人站位(站位j＝1,2，……，n)規劃與加工作業程序(作業程序k＝1,2，……，n)規劃(加工對象、站位及程序規劃按編號順序進行)，生成一套程序包，并將該程序包發送至集成控制子系統中的中央控制模塊；

第二步，可移動鉆銑機器人于待命區進行系統自檢，包括導航與定位子系統狀態和集成控制子系統狀態，自檢通過，執行第三步，自檢未通過，報警提示；

第三步，建立加工基準：通過激光跟蹤儀掃描預設的基準點建立世界坐標系，并按照產品理論坐標系，通過激光跟蹤儀檢測產品上的特征，建立產品全局加工坐標系；

第四步，斷開可移動鉆銑機器人與待命區電源連接，通過全向智能移動平臺導航與定位模塊，將可移動鉆銑機器人導航至第j個規劃站位坐標，完成一級定位；

第五步，開啟全向智能移動平臺穩定支撐結構，同時連接站位電源；

第六步，用機械手定位精度提升模塊對機械手模塊進行定位精度檢測，并進行誤差補償，完成二級定位；

第七步，找正第j個站位中第i個加工對象，建立工具坐標系和加工坐標系；

第八步，執行第k個作業程序機器人加工程序，并在加工過程中，采用末端執行器高精度定位模塊，實時檢測機器人末端位姿，并將其與理論位姿的誤差反饋至末端執行器控制模塊，控制可移動鉆銑機器人中的機械手模塊和鉆銑末端執行器模塊調整位姿誤差進行補償，完成三級定位；

第九步，判斷第i個加工對象是否完成所有程序，是則執行第十步，否則k＝k+1，并執行第八步；

第十步，判斷第j個站位中是否所有加工對象完成加工，是則執行第十一步，否則i＝i+1，并執行第七步；

第十一步，完成第j個站位加工作業，斷開電源，關閉全向智能移動平臺穩定支撐結構；

第十二步，判斷是否所有站位都完成加工，是則執行第十三步，否則j＝j+1，并執行第四步；

第十三步，通過全向智能移動平臺導航與定位模塊，將可移動鉆銑機器人導航至待命區，連接電源并待命；

第十四步，結束流程。

本發明說明書中未作詳細描述的內容屬本領域技術人員的公知技術。