基于多机械臂协作的复合材料铺放机器人及铺丝方法技术

本发明专利技术公开了一种基于多机械臂协作的复合材料铺放机器人及铺丝方法，机器人包括芯模支撑架、旋转装置、设于旋转装置四周的若干机械臂移动轨道以、通过平移机构设于每个机械臂移动轨道上的若干机械臂以及若干带电轨道，每个机械臂的执行末端均设置有铺丝装置和用于监测待铺丝区域曲率信息的深度相机，机械臂通过滑动电刷与带电轨道相连；将芯模表面分为若干周向排列分布的周向铺丝区域，每个周向铺丝区域又分为若干纵向排列分布的纵向铺丝区域；铺丝时，通过平移机构平移完成机械臂对每个纵向铺丝区域进行铺丝，通过选择装置旋转，完成对每个周向铺丝区域进行铺丝，以实现对芯模多点同时铺丝，大大提高了铺丝效率和铺丝质量。大大提高了铺丝效率和铺丝质量。大大提高了铺丝效率和铺丝质量。

【技术实现步骤摘要】
基于多机械臂协作的复合材料铺放机器人及铺丝方法


[0001]本专利技术属于机器人
，涉及一种航空材料铺放机器人，具体涉及一种基于多机械臂协作的复合材料铺放机器人及铺丝方法。

技术介绍

[0002]近年来，机器人在航空领域被广泛应用，尤其是复合材料铺放机器人发展迅速。目前，复合材料的铺放主要依靠机床型设备铺设和单机器人模块化铺设两种形式。机床型设备铺设具有成型率高、生产效率快等优点，但受装载铺丝头平台的限制，对于不规则曲面类构件往往无法满足轨迹、姿态调整与参数控制等方面要求。单机器人模块化铺设是目前应用最广且稳定高效的铺设形式，但面对复杂、大型结构的航空构件也捉襟见肘。
[0003]现有技术中对于多机器人协同铺放复合材料的研究还处于双臂机器人铺设阶段，且针对的是小型、小批量构件铺设。对应用在复杂、大型结构的航空构件的多机器人协同铺放设备仍处于探索研究之中。

技术实现思路

[0004]鉴于上述现有的复合材料铺放机器人研究的不足，本专利技术的目的在于提供一种基于多机械臂协作的复合材料铺放机器人，其能够面向复杂、大型结构的航空构件进行铺放作业。利用机械臂可移动、铺丝装置可更换和多机械臂协作的优点，利用机械臂适应曲率变化能力强、可控性高、动作灵活的优点，本专利技术所述的多机械臂协作的复合材料铺放机器人具有高材料利用率、高铺设效率和高产品性能的特点，对航天领域有巨大应用价值。
[0005]为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是：
[0006]一种基于多机械臂协作的复合材料铺放机器人，其特征在于，包括：
[0007]芯模支撑架，用于支撑芯模；
[0008]旋转装置，为芯模支撑架提供旋转动力，用于驱动芯模支撑架及其上的芯模转动，进行芯模上铺丝区域周向切换；
[0009]若干机械臂移动轨道，纵向设置于芯模支撑架四周；
[0010]若干机械臂，通过平移机构安装在每个机械臂移动轨道上，每个机械臂的执行末端均设置有铺丝装置和用于监测待铺丝区域曲率信息的深度相机，通过平移机构能对芯模上铺丝区域纵向位置切换；
[0011]带电轨道，平行设置于每个机械臂移动轨道一侧，每个机械臂上都设有与带电轨道配合用于取电的滑动电刷；
[0012]控制装置，用于接收深度相机的采集的信息及控制指令，控制旋转装置、机械臂、铺丝装置及平移机构进行相应动作。
[0013]进一步地，所述机械臂移动轨道有2
‑
10个，根据数量根据芯模尺寸决定，均布在芯模支撑架四周。
[0014]每个机械臂移动轨道上设有2
‑
6个机械臂，每个机械臂通过平移机构限定在各自
区域内移动。
[0015]进一步地，将芯模表面分为若干周向排列分布的周向铺丝区域，每个周向铺丝区域又分为若干纵向排列分布的纵向铺丝区域；每个机械臂移动轨道上的若干机械臂负责一个周向铺丝区域的铺丝工作，每个机械臂负责该周向铺丝区域内的一个纵向铺丝区域的铺丝工作，以提高铺丝效率，旋转装置每次转动时转动一个周向铺丝区域对应的角度。比如将芯模表面分为8个周向铺丝区域，设置四个机械臂移动轨道，那么旋转装置只需要转动一次就能完成8个周向铺丝区域的铺丝工作。
[0016]进一步地，所述机械臂移动轨道上设有位移传感器，用于监测每个机械臂的位移，通过该位移能够进行坐标系定位和换算。
[0017]进一步地，所述控制装置与深度相机、旋转装置、机械臂、铺丝装置及平移机构建立实时通讯，所传输的通讯信息均携带时间戳。
[0018]进一步地，所述芯模支撑架两端设有转轴，芯模支撑架两端的转轴分别通过支撑台安装在地面或基座上。
[0019]进一步地，所述旋转装置为伺服电机，所述伺服电机通过联轴器与芯模支撑架端部的转轴通过联轴器相连，通过伺服电机能准确控制旋转角度。
[0020]进一步地，所述控制装置包括工控机和显示器，所述显示器用于显示铺丝信息。
[0021]使用前，首先选取参考点建立世界坐标系，对每个机械臂进行标定得到坐标转换矩阵，将每个机械臂末端的铺丝装置都转换为世界坐标系下的坐标进行控制。
[0022]进一步地，机械臂末端设计合适的结构(比如夹持机构)来固定铺丝装置，保证铺丝装置在铺丝过程中稳定性和便于更换性。
[0023]进一步地，每个机械臂分别安装在各自的机械臂基座上，机械臂基座通过平移机构安装在相应机械臂移动轨道上；因此，机械臂基座坐标系之间的相对位置关系可知。根据基座坐标系相对位姿关系，并结合坐标转换过程，工控机可以求解出在任一时刻，铺丝装置的目标点，即每个铺丝装置和芯模表面的相对位姿关系。
[0024]进一步地，所述平移机构可以是手动调节机构，每次调节后通过位移传感器记录位移量，以便于获知机械臂基座坐标系与世界坐标系之间的转换矩阵，平移机构也可以为设置为自动调节机构，比如丝杆螺母机构、齿轮齿条机构、同步带机构、电动推杆等线性运动机构，具体形式不限。
[0025]在整个铺丝过程中，铺丝装置分别固定在机械臂末端并跟随机械臂进行位姿调整，并且根据机械臂的正向运动学以及铺丝装置相对机械臂末端的位姿变换矩阵，可以计算出铺丝装置在铺丝机械臂基座坐标系下的位姿，从而发送给工控机，且位姿数据带有系统时间戳。
[0026]进一步地，所述芯模支撑架支撑并固定芯模，通过伺服电机使芯模支撑架转动，调整芯模位置，配合8个机械臂进行铺放作业。伺服电机同工控机建立实时通讯机制，工控机能够实时获取芯模的位姿信息及坐标系在伺服电机坐标系下的位姿信息，这些信息带有系统时间戳。
[0027]进一步地，所述深度相机分别固定在每个铺丝装置上，因此每个铺丝装置上的相机相对于各自机械臂基座的位姿关系可知。深度相机扫描芯模的待铺放区域，并生成位置点云发送给工控机，点云信息带有系统时间戳。通过对深度相机标定，可以计算得到芯模表
面离散采样点在机械臂基座坐标系下的坐标以及法向量，通过待铺丝区域的点坐标和法向量能识别芯模曲率变化，根据曲率变化通过机械臂实时调整铺丝装置的姿态，使得铺丝装置处于最佳铺丝角度，即铺丝过程中，压紧轮的压力方向与相应铺丝点的法向量相同。
[0028]进一步地，所述工控机能够记录每个机械臂基座的位置信息，机械臂能够在机械臂移动轨道上移动，扩大自己的铺丝工作区域，当然每个机械臂的运动范围在机械臂移动轨道都被限制，防止发生碰撞，当有机械臂损坏时可拆卸掉，然后重新限定机械臂在机械臂移动轨道的运动范围。
[0029]进一步地，所述机械臂可以为多自由度机械臂，可以为六轴机械臂。
[0030]进一步优选，所述铺丝装置通过三维姿态调整装置安装在机械臂末端，铺丝装置上还可以设置三维姿态传感器来校正通过机械臂运动学计算的姿态。
[0031]本专利技术还提供一种基于多机械臂协作的复合材料铺放方法，采用上述的复合材料铺放机器人，包括以下步骤：
[0032]步骤1、准备复合材料铺放机器人，将待加工工件的芯模安装在芯模支撑架上；
[003本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于多机械臂协作的复合材料铺放机器人，其特征在于，包括：芯模支撑架，用于支撑芯模；旋转装置，为芯模支撑架提供旋转动力，用于驱动芯模支撑架及其上的芯模转动，进行芯模上铺丝区域周向切换；若干机械臂移动轨道，纵向设置于芯模支撑架四周；若干机械臂，通过平移机构安装在每个机械臂移动轨道上，每个机械臂的执行末端均设置有铺丝装置和用于监测待铺丝区域曲率信息的深度相机，通过平移机构能对芯模上铺丝区域纵向位置切换；带电轨道，平行设置于每个机械臂移动轨道一侧，每个机械臂上都设有与带电轨道配合用于取电的滑动电刷；控制装置，用于接收深度相机的采集的信息及控制指令，控制旋转装置、机械臂、铺丝装置及平移机构进行相应动作。2.根据权利要求1所述基于多机械臂协作的复合材料铺放机器人，其特征在于：每个机械臂移动轨道上设有至少两个机械臂，每个机械臂通过平移机构限定在各自区域内移动。3.根据权利要求2所述基于多机械臂协作的复合材料铺放机器人，其特征在于：所述机械臂移动轨道上设有位移传感器，用于监测每个机械臂的位移。4.根据权利要求3所述基于多机械臂协作的复合材料铺放机器人，其特征在于：所述控制装置与深度相机、旋转装置、机械臂、铺丝装置及平移机构建立实时通讯，所传输的通讯信息均携带时间戳。5.根据权利要求1所述基于多机械臂协作的复合材料铺放机器人，其特征在于：所述芯模支撑架两端设有转轴，芯模支撑架两端的转轴分别通过支撑台安装在地面或基座上。6.根据权利要求5所述基于多机械臂协作的复合材料铺放机器人，其特征在于：所述旋转装置为伺服电机，所述伺服电机通过联轴...

【专利技术属性】
技术研发人员：李淼，刘胜，李祥利，雷自伟，
申请(专利权)人：武汉大学，
类型：发明
国别省市：