基于机器人的飞机部件自动制孔末端执行器设计

简析机器人末端执行器的设计要求和结构分类( 1 ) 设计要求1.无论是夹持式还是吸附式，机器人的末端执行器还需要有满足作业所需要的重复精度。

工业机器人末端执行器（抓手）2.应该尽可能的使机器人末端执行器的结构简单并且且紧凑，质量轻，以减轻手臂的负荷。

专用较通用的机器人末端执行器结构较简单，但工作效率高，而且能够完成各种作业，而对于“万能”末端执行器来说可能会带来结构较复杂，费用昂贵等缺点，因此提倡设计使用可快速更换的系列化的且通用化的专用机器人末端执行器。

末端执行器的要素、特征、参数的联系见下图。

末端执行器的要素特征参数末端执行器要素1.机构形式2.抓取方式3.抓取力4.驱动装置及控制物件特征质量、外形、重心位置、尺寸大小、尺寸公差、表面状态、材质、强度操作参数操作空间环境，操作准确度，操作速度和加速度，夹持时间( 2 ) 结构分类上下料工业机器人中所应用的机械夹持式末端执行器多为双指头爪式，如果按手指的运动来分可以分为平移型和回转型。

若按照机械夹持方式来分可以分为外夹式和内撑式，若按照机械结构特性来进行分类的话，可以分为电动（电磁）式、液压式与气动式，以及他们相互的组合。

气吸式末端执行器气吸式机器人末端执行器利用吸盘内产的负压产生的吸力来吸住并移动工件。

吸盘就是用的软橡胶或者是塑料制成的皮碗中形成的负压来吸住工件。

此种机器人末端执行器适用于吸取大而薄、刚性差的金属或木质板材、纸张、玻璃和弧形壳体等作业零件。

根据应用场合不同，末端执行器可以做成单吸盘、双吸盘、多吸盘或特殊形状的吸盘。

按形成负压的方法有以下几种方式：（1）挤压式吸盘；（2）气流负压式吸盘；（3）真空泵排气式吸盘。

1）挤压式吸盘挤压排气式吸盘靠向下挤压力将吸盘中的空气全部排出，使其内部形成负压状态然后将工件吸住。

有结构简单、重量轻、成本低等优点。

但是吸力不大，多用于序曲尺寸不太大，薄而轻的工件。

2）气流负压式吸盘气流控制阀将来自气泵中的压缩空气自喷嘴喷入，形成高速射流，将吸盘内腔中的空气带走从而使腔内形成负压，然后吸盘吸住物体，如若作业现场有压缩空气供应使用这种吸盘比较方便，且成本低。

机器人末端执行器的设计要求
机器人是一种通用性较强的自动化作业设备，末端执行器则是直接执
行作业任务的装置，大多数末端执行器的结构和尺寸都是根据其不同的任
务要求来设计的，从而形成了多数多样的结构型式，根据其用途的不同可
以分为机械式夹持器、吸附式末端执行器和专用工具，它按装在操作机手
腕或手臂的机械接口上，多数情况下末端执行器是为特定的用途而专门设
计的，但也可以设计成一种适用性较大的多用途末端执行器，为了方便的
更换末端执行器，可设计一种末端执行器的接换器来形成操作机上的机械
接口。

较简单的可用法兰盘作为接口出的接换器，本次设计就是采用的法
兰盘式接口。

焊枪直接把在末端执行器法兰盘上。

设计时的要求：
不论是夹持和吸附，末端执行器需具有满足作业需求的足够的夹持力
和所需的夹持位置精度。

应尽可能使末端执行器结构简单，质量请轻，以减轻手臂的负荷。

专
用的末端执行器结构简单，工作效率高，而能完成多种作业的末端执行器
可能带离来结构复杂，费用高的缺点，因此提倡设计可快速更换的系列化、
通用化专用末端执行器。

此次设计的产品是五自由度的焊接机器人，因此它的未端执行元件是
焊枪，随着气保焊的广泛运用，气体保护焊更容量实现自动化，因此我选CO气体保护焊，用末端法兰盘将其固定于手腕末端。

具体的选用用的是2
原则如下所述：。

末端执行器结构设计和仿真摘要随着航天技术的发展，空间对接技术得到迅速发展和广泛应用，其中对连接在两个航天器的机械对接机构系统的技术要求也越来越高，同时也增加了对接机构的复杂性。

根据航天器对接的不同用途,有多种不同形式的对接机构。

而与对接机构特点相匹配的对接方式有两种：一种是直接捕获与对接方式，称为在轨对接，另一种是先停靠后由机械臂抓获（捕获），然后依靠机械臂帮助实现对接.随着“神州七号”宇宙飞船的成功发射,我国下一步的航天计划是实现太空对接和未来空间站的搭建等目标，这些任务的实现都将借助于在轨捕获系统,而捕获系统的作业能力和作业效率依赖于捕获系统末端执行机构作业能力的大小，例如空间机械臂末端操作器.抓取可靠、环境适应性好、控制简单、自适应性强、自主能力高是衡量捕获系统末端执行机构设计水平的重要标志。

性能优良的捕获系统末端执行机构可以实现可靠、快速和精确地抓取。

研究和开发一个性能优良的捕获系统末端执行机构是一项艰巨的任务。

本报告主要对航天器捕获系统末端执行机构进行了系统调研,介绍了多种捕获系统末端执行机构。

使用航天器捕获系统末端执行机构代替宇航员进行太空作业，风险低,安全系数高，受太空条件的制约小，在经济性和安全性方面都具有重要的意义。

关键词航天器;捕获系统；机械手；末端执行器Design for the structure of end effectorAbstractAlong with the development of space technology, docking technology rapid development and application of the connection, including two spacecraft docking in the mechanical system of more and more is also high technical requirements, but also increase the complexity of the docking institutions。

基于Stewart平台的机器人自动制孔末端执行器建模与控制基于Stewart平台的机器人自动制孔末端执行器建模与控制摘要：随着工业自动化的不断发展，机器人在制造业中的应用变得越来越广泛。

本文针对机器人自动制孔这一特定任务，通过建模和控制方法，设计了一种基于Stewart平台的末端执行器，实现了精确、高效、自动化的制孔过程。

关键词：机器人制孔，Stewart平台，建模，控制1. 引言机器人在制造业中的应用范围越来越广泛。

在一些特殊的制造过程中，如汽车、飞机等大型机械制造中，需要大量的钻孔操作。

传统上，这些钻孔操作通常是由人工完成的，效率低下且存在安全隐患。

因此，设计一种能够自动执行制孔的机器人末端执行器对于提高制造效率和质量非常重要。

2. 基于Stewart平台的机器人末端执行器设计2.1 Stewart平台的原理Stewart平台是一种六自由度并联机器人，由一个固定底座和一个通过六个活动支点连接的可移动平台构成。

利用平台与底座之间的杆件和球铰连接，可以使平台在六个自由度上运动。

2.2 末端执行器的构造基于Stewart平台的机器人末端执行器由三对平行杆与三对球铰组成。

这些平行杆分别与Stewart平台和移动平台的支撑点连接，实现精确的控制和定位。

3. 末端执行器的建模3.1 动力学模型为了实现精确的位置和力控制，需要建立末端执行器的动力学模型。

首先，通过运动学分析，得到末端执行器的位置和速度关系，然后根据牛顿定律和拉格朗日方程建立其动力学模型。

3.2 系统标识为了实现自动化控制，需要对末端执行器的动力学参数进行系统标识。

通过在实验中测量系统的输入和输出，利用系统辨识方法，可以得到系统的传递函数模型。

4. 末端执行器的控制4.1 位置控制末端执行器的位置控制是制孔过程中最基本的控制任务之一。

利用PID控制器，根据期望位置和当前位置的差异，调整控制信号，使得末端执行器能够准确定位。

4.2 力控制在制孔过程中，末端执行器需要施加足够的力以穿透工件并完成钻孔。

航空制孔机器人末端执行器高精度制孔方法研究袁培江;陈冬冬;王田苗;史震云;林敏青;曹双倩【摘要】铆接是飞机装配中的一种重要连接方式,铆接孔的垂直度精度对铆接质量有重要影响.传统的手工制孔存在加工质量低、工作强度大和效率低下等问题,已经不能满足高精度和高质量的飞机装配要求.针对飞机蒙皮铆接孔垂直度精度的自动制孔问题,提出了一种高精度的自动制孔方法.采用四点曲面测量方法获得制孔点法线,并通过双偏心盘调姿机构来实现制孔点法线与钻头轴线的重合,实现了高精度的制孔.在航空制孔机器人上进行了制孔试验,试验结果验证了该方法的正确性和有效性.【期刊名称】《航空制造技术》【年(卷),期】2016(000)016【总页数】6页(P81-86)【关键词】法线测量;姿态调整;双偏心盘调姿机构;末端执行器;航空制孔机器人【作者】袁培江;陈冬冬;王田苗;史震云;林敏青;曹双倩【作者单位】北京航空航天大学机械工程及自动化学院,北京100191;北京航空航天大学机械工程及自动化学院,北京100191;北京航空航天大学机械工程及自动化学院,北京100191;北京航空航天大学机械工程及自动化学院,北京100191;北京航空航天大学机械工程及自动化学院,北京100191;北京航空航天大学机械工程及自动化学院,北京100191【正文语种】中文随着飞机装配和航空制造技术的发展，飞机自动化装配已经成为一个研究热点[1]。

在飞机装配中，机械连接是其中一种重要的连接方式，飞机结构件的机械连接质量对飞机的机械强度、装配质量和使用寿命具有重要的影响。

铆接是飞机装配中最为常见的机械连接方式[2]，在铆接之前，需要先对飞机结构件进行制孔，而孔的垂直度精度是影响铆接质量的重要影响因素[3]。

据统计，由于连接孔出现疲劳失效导致的飞机疲劳事故占到总事故的70%，其中连接孔处是出现疲劳裂纹最多的地方，所以提高制孔的垂直度精度和铆接质量对保证飞机寿命和飞行安全具有重要作用[4]。

第44卷增刊2012年4月南　京　航　空　航　天　大　学　学　报Jo urnal o f Nanjing Univ ersity o f Aeronautics &Astro nautics V o l.44No.S　Apr.2012面向飞机自动化装配的制孔末端执行器的设计王　建1　刘　浩1　田　威1　万世明2　刘　勇2　李东明2(1.南京航空航天大学机电学院,南京,210016;2.成都飞机工业(集团)有限责任公司,成都,610092)摘要:末端执行器是飞机装配的关键部件之一,其性能直接影响到制孔和铆接的质量,突破面向飞机自动化装配的末端执行器结构设计关键技术具有迫切的实际需求。

首先,根据行业需求提出了末端执行器的总体结构,并分析了工作原理,在此基础上对末端执行器的主要功能部件进行了设计,最后研制出一套具备制孔、压紧和法向找正的试验样机,试验结果表明,该末端执行器的性能达到了飞机装配的要求。

关键词:飞机装配;末端执行器;机器人;结构设计中图分类号:T P24 文献标识码:A 文章编号:1005-2615(2012)S-0019-04　收稿日期:2011-10-16;修订日期:2012-01-21　通讯作者:田威,男,副教授,1977年生,E-mail :tw -nj @ 。

Design of Drilling End Effector for Aircraft Automatic AssemblyW ang Jian 1,Liu Hao 1,Tian Wei 1,W an Shiming 2,Liu Yong 2,Li Dongming 2(1.Co llege o f M echa nica l and Electrical Engineering ,Na njing U niv eristy o f Aero na utics&Astro na utics,N anjing ,210016,China;2.Chengdu Airc raft Indust ry (Gro up )Co .Ltd .,Cheng du ,610092,China )Abstract :As end actua to r is o ne o f the key co mponents in aircraft auto matic assembly based o n industry robo t ,its perfo rmance directly affects the quality o f drilling and riv eting .The requirem ent of the struc-tural desig n process of end actuato r for key technologies is increasing ly urg ent .Th e ov erall structure of end actua to r is proposed firstly acco rding to the industry needs,and the operating principle is a naly zed.Seco ndly,the majo r functional com po nents are desig ned.Finally ,a pro to type fo r a w hole set is devel-o ped with high capability of pressing ,drilling and norma l alignment .Ex perimental results indicate tha t the perfo rm ance of the end actuato r can meet the requirements of aircraft assembly.Key words :aircraft automa tic;end-actuato r;robo t;structure desig n 自动化装配技术应用在飞机制造过程中可以缩短生产周期,降低生产成本[1-2]。

1末端执行器的设计末端执行器控制系统如图1所示，为末端执行器控制系统的原理图，其工作原理是：由上位机接收来自传感器的信号，发出启动指令，启动指令驱动伺服电动机工作，带动执行机构工作，通过安装在手抓末端的传感器实时检测夹板的为止信息，将其反馈给上位机，在反馈信号的作用下，执行机构能够准确的到达指定位置。

在末端执行器定位完成后，末端执行器开始动作，旋转以及实现对物料的放置。

同时，在控制循环系统的作用下，不停地对物料进行有规律的码垛。

图1 末端执行器控制系统原理图末端执行器的选型末端执行器是码垛机器人的一个非常重要的组成部分，它装在操作手腕的前端，用以直接抓取码垛物料，并进行移动和码垛。

根据被码垛物料的种类和形状，如码垛物料有箱形、袋形、圆形，因此，为了使用被码垛物料的要求，其末端执行器的结构也各不相同。

如图1所示，最左边的是叉形末端执行器，一般用于比较重、大的袋装物料（如肥料袋等）；中间的是真空吸盘形末端执行器，一般用于块状物料（如玻璃板等）；最右边的是夹板形末端执行器，一般用于尺寸较大的箱形、袋形物料（如冰箱包装箱等）。

图1 几种常见的末端执行器结构图在本课题中，用到了第三种夹板型末端执行器，配合一个推臂用于装取袋装的码垛物料。

其优点在于：能够快速的完成物料的装取任务，方便接下来的搬运以及码垛任务，并且不会造成包装袋的损坏，避免了包装物料的流失，效率高，控制简单等。

从驱动方式上来看，末端执行器可以采用电力驱动、液压驱动以及气压驱动。

下面是几种驱动方式的优缺点。

电力驱动：精确度高，调速方便，但推力较小，大推力成本高。

液压驱动：体积小，调速方便，但系统成本高，可靠性差，维修保压麻烦。

气压驱动：成本低，动作可靠，不发热，无污染。

但推力偏小，不能实现精确的中间位置调节，通常是两个极限位置使用。

因为实际中，末端执行器抓取以及推臂的推送物料不需要太精确的过程控制，并且考虑到造价以及维修费用的问题，末端执行器一般选用气压驱动。