一种用于飞机装配的八足并联自主移动机构_王珉

0 前言*
近年来，为保证飞机装配质量和装配效率，提 高机体的疲劳寿命，以 787、A380 等为代表的现代 新型大型飞机装配过程中大量采用了自动化装配技
国家自然科学基金资助项目 (51105200) 。 20120718 收到初稿， 20130528 收到修改稿
术。飞机自动化装配系统，作为飞机自动化装配的 应用基础，主要分为大型自动钻铆系统和轻型自动 制孔系统。其中，轻型自动制孔系统以其轻型化、 柔性化、模块化和低成本的优势成为飞机自动化装 配系统的主要发展方向之一，典型代表有基于工业 机器臂自动装配系统、柔性轨道自动化装配系统、 自主移动式自动化装配系统。目前成熟的产品有 EI
Abstract：According to the functional requirements of autonomous mobile mechanism for aircraft assembly, an autonomous mobile mechanism is designed which consists of two frames, eight legs and vacuum suction system. Its degrees of freedom are analyzed based on screw theory, which proves the mechanism can realize 5 degrees of freedom required for normal direction automatic drilling. The calculation method and an example of inverse kinematics are provided, which can calculate the displacement of legs from initial to desired normal direction. The calculation is sample and can be used to the online control algorithms. The prototype of autonomous mobile mechanism is developed, driven by 12 motor. Through the third party testing, the system motion accuracy and precision of drilling is verified. The results show that the normal direction adjustment accuracy is less than 0.2º, which meets the engineering requirements not more than 0.5º; the position precision is not more than 0.3 mm and repeatability precision is not more than 0.2 mm, under different angle. The mechanism can meet the requirements of stiffness, accuracy, and bearing capacity. Key words：Aircraft assembly Parallel mechanism of autonomous mobile Screw theory Inverse kinematics
该并联机构由 xy 框，末端执行器，内框、外框 以及与其相连的八条腿组成，图 1 中标明的八条腿 形成八条支链，均通过与支链末端球铰相连的真空 吸盘结构固定在机身上。为方便表达和分析，以固 定腿为第 1 支链， 顺时针排序。 支链 1 为 SP 结构(S P 表示球副、 表示滑动副，以下表示同样含义)，包 含连接内框的移动副和支链末端球铰； 支链 2 为 SPP 结构，两移动副轴线垂直，支链初端移动副与内框 相连；支链 3、4、5、6、7、8 结构相同，均为 SPPP 结构，且三个移动副轴线相互垂直，通过包含两个 移动副的十字滑块与框相连。各支链中 z 向移动副 为驱动副，其重直于框平面。xy 框通过一个 y 向移 动副与内框相连，末端执行器通过一个 x 向移动副 与 xy 框相连。 内框以及与其相连的 4 条腿为内框架， 外框以及与其相连的 4 条腿为外框架，内框架与外 框架通过两个轴线平行的 x 向移动副相连，该移动 副为驱动副。由于各支链与框通过移动副相连，且 支链主体结构与框垂直，当机构通过吸盘固定在机 身上时，确保了结构的刚性和稳定性。 八足并联自主移动机构依靠腿部末端真空吸盘 固定于飞机表面，其运动过程可分为行走过程和法 向调姿过程。 1.3 机构行走运动分析 自主移动机构的行走采用内外框交替前进方式 移动，首先，以内框架及其相连的 4 条腿为支撑， 松开外框架相连四条腿的足端真空吸盘，腿上驱动 杆带动腿 z 向上升， 在外框架上 x 向驱动杆作用下， 外框相对内框向前运动，实现沿 x 向的移动，外框 架腿上驱动杆带动腿 z 向下降，吸紧；再以外框及 其相连的 4 条腿为支撑，在外框架上 x 向驱动杆作 用下，内框相对外框向前运动，内框架腿上驱动杆 带动腿 z 向下降，吸紧；如此重复直至到达预期位置。 1.4 机构法向调姿运动分析 法向调姿过程： 到达目标位置后， 八条腿吸紧， 通过内框架上 x、y 向驱动杆实现末端执行器 x、y 方向的调整；通过八条腿上驱动杆的运动，可以实
螺旋的节距为 h=(S·S )/(S·S)。常见的运动副均 可用螺旋进行简单表示[10]。 八足并联自主移动机构共有八个分支， 支链 1 为 SP 分支，支链 2 为 SPP 分支，支链 3、4、5、6、7、 8 共 6 条支链为 6 自由度的 SPPP 分支，因此，动平 台的自由度仅仅决定于支链 1 分支和支链 2 分支。 取出支链 1 进行分析， 如图 3a 所示， 依据螺旋 的相逆性与坐标系的选择无关， 分支坐标系 O1x1y1z1 表示于图上，并选取支链末端球副中心点为坐标系 原点。x1 轴平行于内框 x 轴，y1 轴平行于内框 y 轴。 则分支的运动螺旋系为 $11 1,0,0;0,0,0 $12 0,1,0;0,0,0 (1) $13 0,0,1;0,0,0 $14 0,0,0;0,0,1 式中，$1i 为分支 1 中第 i 个运动螺旋，i=1～4；经 5 个元素均为零， 观察， 上述的 4 个螺旋对应的第 4、 则该分支的反螺旋系为 $ r11 1,0,0;0,0,0 (2) r $ 12 0,1,0;0,0,0 r 式中，$ 1i 为分支 1 中第 i 个运动反螺旋，i=1、2； 这两个反螺旋表示支链 1 对动平台的两个约束力， 方向分别沿动平台 x 向和 y 向，作用点位于支链球 副中心点。 支链 2 为 SPP 分支。其分支坐标系选择与支链 1 类似，分支坐标系 O2x2y2z2 如图 3b 所示，以支链 2 末端球副中心点为坐标系原点， x2 轴平行于内框 x 轴，y2 轴平行于内框 y。则该分支的运动螺旋系为 $21 1,0,0;0,0,0 $22 0,1,0;0,0,0 (3) $23 0,0,1;0,0,0 $ 0,0,0;0,0,1 24 $25 0,0,0;0,1,0 式中，$2i 为分支 2 中第 i 个运动螺旋，i=1～5；经 观察，上述的 5 个螺旋对应的第 4 个元素均为零， 则该分支的反螺旋系为 $ r 2 1,0,0;0,0,0 (4)
月 2013 年 8 月
王
珉等：一种用于飞机装配的八足并联自主移动机构
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现 z 向和两个转动自由度调整，此时末端执行器可 进行工作。 法向调姿状态中，八条腿吸紧，外框上 x 向驱 动杆锁死，内外框相对固定，可视为同一构件如图 2 所示。末端执行器在内框内具有 x、y 向两移动自 由度，其与内框的法向调姿运动相互独立。因此将 框体(包括内框，外框，末端执行器)视为动平台， 机身表面视为定平台，八条腿为连接动定平台的支 链。图 2 中球副位置记为 Si (i=1, 2, …, 8)，腿上移 动副位置记为 Pi (i=1, 2, …, 8)anism of Autonomous Mobile for Aircraft Assembly
WANG Min1 ZENG Chang1 CHEN Wenliang1 YU Lu2 JIANG Hongyu2
(1. College of Mechanical and Electrical Engineering, Nanjing University of Aeronautics & Astronautics, Nanjing 210016; 2. Institute of Aeronautical Manufacturing Technology, Shanghai Aircraft Manufacturing Co. Ltd., Shanghai 200436)
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图1
自主移动机构机构简图
， 设计了一种应用于飞机
2 装配的八足并联自主移动机构。 它具有 3 个移动、 个转动自由度，并构建了其运动学反解算法。这种 新型自主移动式机构可作为钻孔、铆接、紧固件安 装系统的运载平台，应用于飞机装配过程中。
1 自主移动机构设计
1.1 功能需求分析 现代大型民用飞机机身对接装配过程中，由于 飞机机身尺寸原因，需要自主移动机构能够实现一 定直径的机身全环向位置移动，且当进入工作工位 时能实现工作平台的法向调姿；同时自主移动机构 作为运载平台必须保有高刚度，高承载能力。自主 移动机构需要满足在一定范围内实现 5 坐标自主移 x 向移动(前进方向)、 y 向移动、 z 向(法向)进给、 动： A 角(绕 x 轴)侧滚、B 角(绕 y 轴)俯仰摆动。 与一般的自主移动机构比，飞机装配自主移动 机构的特殊性主要表现在以下几方面： ① 需要在曲 面上甚至是倒吊或垂直的位置上工作，这决定了无 ② 需要沿法向制孔， 法采用常见的轮式结构； 机构 将承受 1 200 N 左右的压紧力和制孔力，且不能偏 离法向，这决定了常见的仿生式结构难以胜任这种 ③ 由于工作空间和飞 高承载和高刚性的工作环境； 机表面承载的限制，自主移动机构必须重量轻，否 则吸盘难以提供足够的吸附力。 1.2 机构设计方案 根据自主移动机构的功能需求，设计一种八足 并联自主移动机构，结构简图如图 1 所示。