一种多自由度自动钻孔爬行机器人及爬行方法

技术领域

本发明涉及钻孔机器人技术领域，尤其涉及一种多自由度自动钻孔爬行机器人及爬行方法。

背景技术

飞机蒙皮或壁板的装配和连接，传统的钻孔方法以手工钻孔为主，其缺点表现为：制孔的孔位和法矢精度偏低，一致性较差，并容易形成缺陷。采用机器人自动钻孔则能够有效提高制孔精度和效率，装配一致性好。现有的机器人自动钻孔系统，大多采用多关节串列机械臂作为基体，配合带有进给自由度的气动或电动钻孔主轴作为末端执行器挂载于机器人的末端法兰盘上，实现对不同尺寸、曲率的飞机蒙皮/壁板结构进行连续的自动钻孔。但此类结构的定位精度偏低，形成的原理性误差放大以及坐标系转换导致的误差难以消除和补偿；且结构刚性较差，钻孔过程中产生的振动进一步恶化了制孔质量。除了串列机械臂式钻孔机器人，目前还应用了环形轨道式机器人钻孔系统，通过在蒙皮/壁板曲面上预先架设环形轨道，钻孔机器人可在轨道上滑动实现连续钻孔，此类设备的钻孔精度和效率较高、覆盖面广，但在钻孔前须投入大量的人力、物力进行铺设轨道，制孔对象仅适用于单曲度壁板（如客机的机身壁板），加工柔性偏低。

经检索，中国发明专利（CN115122299A）提出了一种自适应弧面履带式滚动吸附爬壁机器人，能够适应并稳定吸附在不同弧度的表面，吸附力较强；但其无法实现吸附元件内部气压的快速转变，从真空吸附状态快速切换到运动状态，降低了机器人的行动速度。为解决该问题，本发明设计了一种面向曲面蒙皮/壁板的多自由度自动钻孔爬行机器人，保证钻孔精度和稳定性同时，提高机器人的运动速度，改善钻孔效率。

发明内容

针对现有的运行机器人在凸面上行走不能做到钻孔时正对坡面的技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种多自由度自动钻孔爬行机器人，包括底盘安装框，所述底盘安装框的四角处分别通过螺栓固定有互相对称的角安装块，所述底盘安装框的前后两侧分别设置有互相对称且同步上下滑动的弓形托杆一，底盘安装框的左右两侧分别设置有互相对称且同步上下移动的弓形托杆二，所述弓形托杆一和弓形托杆二的两端均固定有导向插块，且导向插块远离底盘安装框的一侧均设置有链条驱动箱，且链条驱动箱的中间均转动连接延伸轴，延伸轴的端部均固定有传动链轮，位于底盘安装框同一侧的两个传动链轮的外壁之间传动连接有同一根链条，所述链条远离底盘安装框的一侧固定有等间距分布的磁性固定件，且每个磁性固定件上均插接有吸盘；吸盘开口远离两个传动链轮的中心连线的一侧；所述底盘安装框的中间远离前进端固定有纵向分布的轨道横梁，且轨道横梁上滑动连接有滑动卡座，滑动卡座的上表面固定有载板，且载板远离滑动卡座的一端竖直侧面转动连接有U形托板，U形托板的转动轴心与水平面平行且U形托板内滑动连接有钻孔装置；通过设置的对向同步上下移动的链条和吸盘的组合，可以在钻孔过程中，使得该装置可以沿着表面有坡度的板面进行行走并随时进行钻孔，不仅可以沿X轴前进，还能沿着Y轴方向前进；同时，配合整体滑动的载板以及绕水平轴转动的U形托板使得钻孔装置能够在打孔的时候正对坡面，防止打孔时产生打滑。

进一步的设置在于，所述角安装块远离底盘安装框的一侧均预留有两个竖直的导向滑杆，且弓形托杆一两端的导向插块滑动套接在所在侧的导向滑杆上，所述底盘安装框的四侧外壁中部均固定有固定耳板，且四个固定耳板的顶端均固定有电动推杆一，电动推杆一延伸杆的顶端固定在弓形托杆一或弓形托杆二的中部；通过设置的电动推杆一和其固定位置，可以同步操作对向的两组链条运作，从而判定机器人是向前行走或者横向变换位置。

进一步的设置在于，两个所述弓形托杆一相背的一侧均固定有两个波纹管压板，且两个波纹管压板的下表面均固定有波纹膨胀抵管，波纹膨胀抵管以及波纹管压板均位于链条的内部，且波纹膨胀抵管远离波纹管压板的一端固定有抵紧压块，抵紧压块靠近链条内侧的一面开有滚轮槽，且滚轮槽内嵌装有滚轮；通过设置的波纹膨胀抵管，可以在本装置爬行在凹面的坡上进行开孔的时候，为内部进行供气，使得链条的中间产生抵紧力，继而让中部的吸盘更紧密的吸附在凹面的表面。

进一步的设置在于，所述轨道横梁的两端附近上表面分别固定有步进电机和轴杆固定座，且轴杆固定座的中间转动连接有加长轴杆，加长轴杆端部和步进电机的端部固定有互相形成传动连接的皮带轮，且两个皮带轮之间传动连接有同一根传送带，载板的侧面开有两个全等的皮带穿孔二，且载板的顶端开有竖直且贯穿载板的矩形穿孔一，矩形穿孔一同时与两个皮带穿孔二互相贯通，矩形穿孔一的顶端开口处嵌装卡接有电磁铁；载板的正面开有与矩形穿孔一互相贯通的条形孔，且条形孔和矩形穿孔一中同时滑动连接有同一个铁芯压块，铁芯压块的上下两端均固定有防滑刹片，且铁芯压块的一侧穿过条形孔固定有两个互相对称的复位弹簧，两个复位弹簧相远离的一端均固定有挡块，挡块固定在载板的表面且位于条形孔的上下两端；传送带在正常情况下与皮带穿孔二的内壁不接触；通过设置的铁芯压块与与电磁铁，可以在需要控制钻孔位置纵向移动的时候，只需控制电磁铁正反向通电即可，此时即可切换不同的运行方向。

进一步的设置在于，所述载板靠近U形托板的一侧开有柱形槽，且柱形槽内转动连接有滑动柱，且滑动柱远离U形托板的一端固定有压紧弹簧和拨动杆，所述载板远离U形托板的一侧靠近槽口处固定有弹簧挡板，且拨动杆穿过弹簧挡板固定有拨动轮；所述钻孔装置包括滑动连接在U形托板槽内的滑动座，滑动座远离槽底的一侧卡接有主钻进电机，主钻进电机的输出轴顶端设置有钻头；U形托板的槽底远离工作端固定有伺服电机，且伺服电机的输出轴顶端通过联轴器固定有调节螺杆，调节螺杆穿过滑动座，滑动座的两侧还设置有导向圆滑杆；通过设置的带有压紧弹簧拉紧锁定的滑动柱，可以在使用时将调整后的转角U形托板的角度锁定。

进一步的设置在于，所述载板的上表面靠近拨动轮处固定有轴杆架，且轴杆架中转动连接有短轴杆，短轴杆的两端分别设置有齿轮一和齿轮二，齿轮二和拨动轮互相啮合，载板的上表面固定有电动推杆二，且电动推杆二延伸杆的端部固定有与齿轮一互相啮合的齿杆，齿杆的另一侧贴在载板的表面；可以对拨动轮的角度进行调整即对U形托板的角度进行调节和锁定。

进一步的设置在于，所述加长轴杆远离皮带轮的一端固定有半齿轮，且半齿轮的下方位于底盘安装框的上表面固定有T形导向条，T形导向条上滑动连接有与半齿轮互相啮合的冲击齿条，且冲击齿条的两侧均设置有拉簧弹簧，拉簧弹簧远离冲击齿条的一端固定在底盘安装框上，底盘安装框的内侧还固定有悬臂块，悬臂块上固定有活塞气筒，且活塞气筒的出气端插接有喷气管，所述喷气管远离活塞气筒的一端连接有L形可调喷气嘴；L形可调喷气嘴固定在钻孔装置靠近钻进位置处；通过设置的L形可调喷气嘴，可以在钻孔的时候同时对排出的废屑进行清理。

进一步的设置在于，所述活塞气筒的内部滑动连接有活塞板，且活塞板上设置有单向气阀，通过设置的单向气阀，可以让进气更顺畅。

进一步的设置在于，两个所述弓形托杆一靠近前进端的一侧均转动连接有弧形压杆，弧形压杆的凹面与链条驱动箱的外壁之间设置有抵紧弹簧，且弧形压杆的底端均转动连接有横向的三棱结构的除尘刷，所述除尘刷的内部装水，且除尘刷的底部设置有刮条，除尘刷的底部设置有漏水孔和刷毛；通过设置除尘刷，可以在吸盘和链条所到位置之前对蒙皮进行除尘和湿化处理，从而提高后期的吸附能力，避免在钻孔时产生的反推力影响到装置的稳定性。

一种多自由度自动钻孔爬行机器人的爬行方法，包括以下步骤：

S1：首先将本装置放置于表面带有坡度的蒙皮上，之后再将两个除尘刷中装满水；并将带有除尘刷的一端朝向前进端；再控制前后两侧的电动推杆一的延伸杆收缩，另外两个电动推杆一伸长，确保两个弓形托杆二升起状态，即前后两侧的吸盘着落，之后再控制吸附机构工作，让机器人吸附在蒙皮表面即可；

S2：之后需要控制钻孔位置纵向移动的时候，只需控制电磁铁正反向通电即可，此时电磁铁吸附内部的铁芯压块挤压传送带与载板相对静止，从而带动载板整体沿着轨道横梁移动；继而对不同位置进行打孔；需要整体前进的时候再控制机器人中的链条驱动箱发出指令；

S3：通过设置的波纹膨胀抵管，在本装置爬行在凹面的坡上进行开孔的时候，为内部进行供气，让链条的中间产生抵紧力，继而让中部的吸盘更紧密的吸附在凹面上；设置除尘刷在吸盘和链条所到位置之前对蒙皮表面进行除尘和湿化处理。

本发明中的有益效果为：

1、通过设置的对向同步上下移动的链条和吸盘的组合，可以在钻孔过程中，使得该装置可以沿着表面有坡度的板面进行行走并随时进行钻孔，不仅可以沿X轴前进，还能沿着Y轴方向前进；同时，配合整体滑动的载板以及绕水平轴转动的U形托板使得钻孔装置能够在打孔的时候正对坡面，防止打孔时产生打滑。

2、通过设置的波纹膨胀抵管，可以在本装置爬行在凹面的坡上进行开孔的时候，为内部进行供气，使得链条的中间产生抵紧力，继而让中部的吸盘更紧密的吸附在凹面的表面。

3、通过设置除尘刷，可以在吸盘和链条所到位置之前对蒙皮进行除尘和湿化处理，从而提高后期的吸附能力，避免在钻孔时产生的反推力影响到装置的稳定性。

附图说明

图1为本发明提出的一种多自由度自动钻孔爬行机器人的整体结构示意图；

图2为本发明提出的一种多自由度自动钻孔爬行机器人的后侧结构示意图；

图3为本发明提出的一种多自由度自动钻孔爬行机器人的主视图；

图4为本发明提出的一种多自由度自动钻孔爬行机器人的俯视图；

图5为本发明提出的一种多自由度自动钻孔爬行机器人图4中沿A-A线的剖视图；

图6为本发明提出的一种多自由度自动钻孔爬行机器人中除屑机构的结构示意图；

图7为本发明提出的一种多自由度自动钻孔爬行机器人中载板的整体结构示意图；

图8为本发明提出的一种多自由度自动钻孔爬行机器人除尘刷的结构示意图；

图9为本发明提出的一种多自由度自动钻孔爬行机器人载板的爆炸图；

图10为本发明提出的一种多自由度自动钻孔爬行机器人角安装块的爆炸图。

图中：1、底盘安装框；2、弓形托杆一；3、电动推杆一；4、链条；5、U形托板；6、滑动座；7、主钻进电机；8、喷气管；9、活塞气筒；10、导向滑杆；11、传动链轮；12、波纹管压板；13、波纹膨胀抵管；14、除尘刷；141、刮条；15、吸盘；16、导向插块；17、弓形托杆二；18、角安装块；19、弧形压杆；20、步进电机；21、载板；211、拨动轮；212、轴杆架；213、电磁铁；214、复位弹簧；215、滑块；216、滑动柱；217、弹簧挡板；218、矩形穿孔一；219、传送带穿孔二；22、抵紧压块；23、磁性固定件；24、伺服电机；25、悬臂块；26、传送带；27、链条驱动箱；28、固定耳板；29、T形导向条；30、半齿轮；31、拉簧弹簧；32、轨道横梁；33、滑动卡座；34、轴杆固定座；35、L形可调喷气嘴；36、抵紧弹簧。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

本实施例中

参照图1-10，一种多自由度自动钻孔爬行机器人，包括底盘安装框1，底盘安装框1的四角处分别通过螺栓固定有互相对称的角安装块18，底盘安装框1的前后两侧分别设置有互相对称且同步上下滑动的弓形托杆一2，底盘安装框1的左右两侧分别设置有互相对称且同步上下移动的弓形托杆二17，弓形托杆一2和弓形托杆二17的两端均固定有导向插块16，且导向插块16远离底盘安装框1的一侧均设置有链条驱动箱27，且链条驱动箱27的中间均转动连接延伸轴，延伸轴的端部均固定有传动链轮11，位于底盘安装框1同一侧的两个传动链轮11的外壁之间传动连接有同一根链条4，链条4远离底盘安装框1的一侧固定有等间距分布的磁性固定件23，且每个磁性固定件23上均插接有吸盘15；吸盘15开口远离两个传动链轮11的中心连线的一侧；底盘安装框1的中间远离前进端固定有纵向分布的轨道横梁32，且轨道横梁32上滑动连接有滑动卡座33，滑动卡座33的上表面固定有载板21，且载板21远离滑动卡座33的一端竖直侧面转动连接有U形托板5，U形托板5的转动轴心与水平面平行且U形托板5内滑动连接有钻孔装置；通过设置的对向同步上下移动的链条4和吸盘15的组合，可以在钻孔过程中，使得该装置可以沿着表面有坡度的板面进行行走并随时进行钻孔，不仅可以沿X轴前进，还能沿着Y轴方向前进；同时，配合整体滑动的载板21以及绕水平轴转动的U形托板5使得钻孔装置能够在打孔的时候正对坡面，防止打孔时产生打滑。

参照图1-3，角安装块18远离底盘安装框1的一侧均预留有两个竖直的导向滑杆10，且弓形托杆一2两端的导向插块16滑动套接在所在侧的导向滑杆10上，底盘安装框1的四侧外壁中部均固定有固定耳板28，且四个固定耳板28的顶端均固定有电动推杆一3，电动推杆一3延伸杆的顶端固定在弓形托杆一2或弓形托杆二17的中部；通过设置的电动推杆一3和其固定位置，可以同步操作对向的两组链条4运作，从而判定机器人是向前行走或者横向变换位置。

参照图1-3，两个弓形托杆一2相背的一侧均固定有两个波纹管压板12，且两个波纹管压板12的下表面均固定有波纹膨胀抵管13，波纹膨胀抵管13以及波纹管压板12均位于链条4的内部，且波纹膨胀抵管13远离波纹管压板12的一端固定有抵紧压块22，抵紧压块22靠近链条4内侧的一面开有滚轮槽，且滚轮槽内嵌装有滚轮；通过设置的波纹膨胀抵管13，可以在本装置爬行在凹面的坡上进行开孔的时候，为内部进行供气，使得链条4的中间产生抵紧力，继而让中部的吸盘15更紧密的吸附在凹面的表面。

参照图1-5和图7-9，轨道横梁32的两端附近上表面分别固定有步进电机20和轴杆固定座34，且轴杆固定座34的中间转动连接有加长轴杆，加长轴杆端部和步进电机20的端部固定有互相形成传动连接的皮带轮，且两个皮带轮之间传动连接有同一根传送带26，载板21的侧面开有两个全等的皮带穿孔二219，且载板21的顶端开有竖直且贯穿载板21的矩形穿孔一218，矩形穿孔一218同时与两个皮带穿孔二219互相贯通，矩形穿孔一218的顶端开口处嵌装卡接有电磁铁213；载板21的正面开有与矩形穿孔一218互相贯通的条形孔，且条形孔和矩形穿孔一218中同时滑动连接有同一个铁芯压块215，铁芯压块215的上下两端均固定有防滑刹片，且铁芯压块215的一侧穿过条形孔固定有两个互相对称的复位弹簧214，两个复位弹簧214相远离的一端均固定有挡块，挡块固定在载板21的表面且位于条形孔的上下两端；传送带26在正常情况下与皮带穿孔二219的内壁不接触；通过设置的铁芯压块215与与电磁铁213，可以在需要控制钻孔位置纵向移动的时候，只需控制电磁铁213正反向通电即可，此时即可切换不同的运行方向。

参照图7和图9，载板21靠近U形托板5的一侧开有柱形槽，且柱形槽内转动连接有滑动柱216，且滑动柱216远离U形托板5的一端固定有压紧弹簧和拨动杆，载板21远离U形托板5的一侧靠近槽口处固定有弹簧挡板217，且拨动杆穿过弹簧挡板217固定有拨动轮211；钻孔装置包括滑动连接在U形托板5槽内的滑动座6，滑动座6远离槽底的一侧卡接有主钻进电机7，主钻进电机7的输出轴顶端设置有钻头；U形托板5的槽底远离工作端固定有伺服电机24，且伺服电机24的输出轴顶端通过联轴器固定有调节螺杆，调节螺杆穿过滑动座6，滑动座6的两侧还设置有导向圆滑杆；通过设置的带有压紧弹簧拉紧锁定的滑动柱216，可以在使用时将调整后的转角U形托板5的角度锁定。

参照图7，载板21的上表面靠近拨动轮211处固定有轴杆架212，且轴杆架212中转动连接有短轴杆，短轴杆的两端分别设置有齿轮一和齿轮二，齿轮二和拨动轮211互相啮合，载板21的上表面固定有电动推杆二，且电动推杆二延伸杆的端部固定有与齿轮一互相啮合的齿杆，齿杆的另一侧贴在载板21的表面；可以对拨动轮211的角度进行调整即对U形托板5的角度进行调节和锁定。

参照图6，加长轴杆远离皮带轮的一端固定有半齿轮30，且半齿轮30的下方位于底盘安装框1的上表面固定有T形导向条29，T形导向条29上滑动连接有与半齿轮30互相啮合的冲击齿条，且冲击齿条的两侧均设置有拉簧弹簧31，拉簧弹簧31远离冲击齿条的一端固定在底盘安装框1上，底盘安装框1的内侧还固定有悬臂块25，悬臂块25上固定有活塞气筒9，且活塞气筒9的出气端插接有喷气管8，喷气管8远离活塞气筒9的一端连接有L形可调喷气嘴35；L形可调喷气嘴35固定在钻孔装置靠近钻进位置处；通过设置的L形可调喷气嘴35，可以在钻孔的时候同时对排出的废屑进行清理。

本发明中，活塞气筒9的内部滑动连接有活塞板，且活塞板上设置有单向气阀，通过设置的单向气阀，可以让进气更顺畅。

参照图8，两个弓形托杆一2靠近前进端的一侧均转动连接有弧形压杆19，弧形压杆19的凹面与链条驱动箱27的外壁之间设置有抵紧弹簧36，且弧形压杆19的底端均转动连接有横向的三棱结构的除尘刷14，除尘刷14的内部装水，且除尘刷14的底部设置有刮条141，除尘刷14的底部设置有漏水孔和刷毛；通过设置除尘刷14，可以在吸盘15和链条4所到位置之前对蒙皮进行除尘和湿化处理，从而提高后期的吸附能力，避免在钻孔时产生的反推力影响到装置的稳定性。

一种多自由度自动钻孔爬行机器人的爬行方法，包括以下步骤：

S1：首先将本装置放置于表面带有坡度的蒙皮上，之后再将两个除尘刷14中装满水；并将带有除尘刷14的一端朝向前进端；再控制前后两侧的电动推杆一3的延伸杆收缩，另外两个电动推杆一3伸长，确保两个弓形托杆二17升起状态，即前后两侧的吸盘着落，之后再控制吸附机构工作，让机器人吸附在蒙皮表面即可；

S2：之后需要控制钻孔位置纵向移动的时候，只需控制电磁铁213正反向通电即可，此时电磁铁213吸附内部的铁芯压块215挤压传送带26与载板21相对静止，从而带动载板21整体沿着轨道横梁32移动；继而对不同位置进行打孔；需要整体前进的时候再控制机器人中的链条驱动箱27发出指令；

S3：通过设置的波纹膨胀抵管13，在本装置爬行在凹面的坡上进行开孔的时候，为内部进行供气，让链条4的中间产生抵紧力，继而让中部的吸盘15更紧密的吸附在凹面上；设置除尘刷14在吸盘15和链条4所到位置之前对蒙皮表面进行除尘和湿化处理。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。