发明内容

本发明的目的是解决现有技术存在的问题，提供一种行走于U形工件的移动机器人及其应用。

本发明的目的之一是提供一种行走于U形工件的移动机器人，利用驱动轮、夹紧轮、压紧轮三者对U形工件三个面的接触夹紧配合，机器人能悬挂于U形工件上，且机器人整体可依据U形工件的形状决定移动轨迹，无需像一般的轨道机器人一样需提前铺设移动轨道；夹紧轮对工件能实现弹性压紧，可适应不同U形工件厚度、不同圆弧段弯曲半径的圆弧过渡移动。本发明设计的移动机器人，可以设计小尺寸以及采用轻质材料，从而利用U形工件两边的空间间隙，以解决U形工件单边作业空间小，一般的小型移动焊接机器人作业空间不足的问题。

本发明的目的之二是提供一种用于U形工件焊接的移动复合焊接机器人，是将移动机器人与复合焊接相结合，使机器人具备了两种技术的优点，不仅能够实现狭小空间的移动焊接，还可以通过激光和电弧复合焊接改进焊接速度和焊接质量，进而能在船舱狭小空间中对较厚的U形工件进行高效稳定的焊接作业。

为达到上述目的，本发明采用的方案如下：

一种行走于U形工件的移动机器人，包括机器人本体和控制机构；机器人本体包括车架，车架为由侧板A、顶板B和侧板C构成的匚形板结构(一体成型件，使用时，顶板B位于顶部，匚形板的开口处扣在U形工件的立板上)；

控制机构固定于顶板B上；侧板A和侧板C之间设压紧轮机构、驱动轮机构和夹紧轮机构；

压紧轮机构包括2个压紧轮，2个压紧轮的中心轴相互平行，每个压紧轮通过压紧轮轴安装在两个压紧轮架之间；压紧轮轴通过压紧轮架安装于顶板B的侧面I上；

驱动轮机构包括传动系统、与顶板B连接的驱动轮轴和位于侧板A上的驱动轮架，驱动轮架为L型连接件，用于与驱动轮轴连接并使驱动轮轴垂直于侧面I(驱动轮轴安装在顶板B与驱动轮架之间，通过轴承与两端相连接，在顶板B的连接处安装端盖压紧轴承实现轴向固定并防止灰尘进入轴承)；驱动轮轴上安装驱动轮(驱动轮与驱动轮轴键连接，且由轴肩限定驱动轮的轴向窜动)；传动系统包括电机、减速器、联轴器三者的集成件驱动电机；驱动电机安装在顶板B的侧面I相对的侧面II上；驱动电机带动驱动轮轴转动，驱动轮轴带动驱动轮转动；

侧板C上设2道长槽孔(在弹簧压缩的过程中，整个夹紧轮机构会相对固定铰支架转动，调节螺栓会沿着槽孔的方向摆动，故开槽孔留出了移动空间)；夹紧轮机构包括2组夹紧轮和夹紧轮架；夹紧轮架为整体呈匚形框结构件，匚形框结构件的开口方向的一端通过固定铰支架与侧板C相连，夹紧轮架的另一端通过调节螺栓与侧板C相连；固定铰支架垂直于侧板C且与侧板C固定连接，固定铰支架与夹紧轮架转动连接；调节螺栓穿过夹紧轮架后套上压缩弹簧并从侧板C的长槽孔中穿出；调节螺栓的螺纹端部与侧板C之间设旋紧螺母(还设置压紧垫片)(在机器人悬挂安装在U形工件上之前，需要先将旋紧螺母旋紧，使压缩弹簧压缩，空出所夹U形工件的厚度空间，机器人置于U形工件上之后，调节旋紧螺母21到放松状态，压缩弹簧反弹，使整个机器人压紧在U形工件上)，匚形框结构件的中空部分通过夹紧轮轴安装夹紧轮；

2个压紧轮位置上关于平面O对称，平面O与顶板B所在的平面X相互垂直且顶板B的短对称轴位于平面O上，用于压紧U形工件的立板的顶部；2个夹紧轮的中心轴相互平行且关于顶板B的平面O对称；驱动轮轴的轴线位于平面O上，且夹紧轮的滚动方向与驱动轮的滚动方向一致，用于夹紧U形工件的立板的两侧面；

控制机构与驱动电机连接用于控制驱动电机的转速。

对U型工件的夹紧主要依赖于压紧轮、夹紧轮、驱动轮三者，由于机器人本身重力，两压紧轮压紧在U形工件立板顶端，此时机器人本体仍会朝U形工件两侧面方向偏移和倾覆；驱动轮压紧在U形工件立板的外侧面；两个夹紧轮通过弹簧的弹力压紧在U形工件立板的内侧面；驱动轮、两夹紧轮与U形板侧面均为线接触，形成的三角位置限制了机器人本体的偏移和倾覆，使整个机器人悬挂在U形工件上。

作为优选的技术方案：

如上所述的一种行走于U形工件的移动机器人，驱动轮为外部包胶的机械轮，可增大摩擦力防止打滑。

如上所述的一种行走于U形工件的移动机器人，旋紧螺母为蝶形螺母。

如上所述的一种行走于U形工件的移动机器人，夹紧轮架通过铰链螺栓与固定铰支架相连，使夹紧轮架以铰链螺栓为轴转动。

如上所述的一种行走于U形工件的移动机器人，夹紧轮轴两端采用方形柱面与夹紧轮架上的方形孔配合连接，确保夹紧轮轴不会相对于夹紧轮架发生旋转。

如上所述的一种行走于U形工件的移动机器人，驱动电机带动驱动轮轴转动是通过轴承与驱动轮轴连接实现的。

本发明还提供包括如上所述的一种行走于U形工件的移动机器人的移动复合焊接机器人，U形工件包括平板和垂直于平板放置的立板，还包括十字滑块机械臂、激光-MIG电弧复合焊炬和距离传感反馈装置；

十字滑块机械臂包括纵向模组、横向模组和L形的纵向定位板(L形的设计，方便与车架固定连接，减小与车架接触面的倾覆力，保证连接的稳定性)，纵向定位板的短板固定在顶板B的侧面II上，纵向定位板的长板垂直于侧面II；纵向模组和横向模组均为滚珠丝杠螺母副；纵向模组包括安装在纵向定位板的长板上的模组架，模组架上安装电机，电机通过联轴器与丝杠连接，丝杠上安装滑块；电机的转动传递为滑块的移动；横向模组的结构与纵向模组基本相同，不同之处仅在于横向模组的模组架通过连接板安装在纵向模组的滑块上；纵向模组的丝杠垂直于侧面II并与横向模组的丝杠形成错位十字形；

车架上沿着侧板C所在的一侧形成开口，开口的边缘形状关于平面O对称；由于十字滑块机械臂位置干涉，驱动电机与驱动轮轴之间无法通过联轴器直接连接，需通过齿轮传动实现动力传递，具体为：驱动轮轴上还安装齿轮X；驱动电机穿过顶板B并与齿轮Y连接(键连接，且轴端经螺栓加端盖防止Y齿轮轴向窜动)，带动齿轮Y转动，齿轮Y带动齿轮X转动(齿轮X与驱动轮之间由轴套限制相对位置，齿轮X与顶板B之间由另一轴套限制轴向窜动)；齿轮X带动驱动轮轴转动；

激光-MIG电弧复合焊炬包括弧焊焊枪平移板、复合焊炬连接板、光纤激光焊接头、MIG弧焊焊枪和复合焊炬调角板；复合焊炬连接板为L型平板，复合焊炬调角板的一侧设连接板与复合焊炬连接板的一端转动连接(通过圆柱销及4个紧定螺栓a实现)且复合焊炬调角板和复合焊炬连接板所在的平面相互垂直；复合焊炬调角板上的另一侧安装光纤激光焊接头和弧焊焊枪平移板；复合焊炬连接板的另一端固定于横向模组的滑块上，使复合焊炬连接板与连接板连接的一端位于车架上沿着侧板C所在的一侧形成的开口处，且光纤激光焊接头与弧焊焊枪平移板沿车架的长度方向上呈前后位置关系，并用于使焊接点位于平面O与U形工件立板焊缝的交汇处，在复合焊炬调角板上设长槽孔，弧焊焊枪平移板通过两个紧定螺栓c穿过复合焊炬调角板上的长槽孔固定；MIG弧焊焊枪夹在弧焊焊枪调角垫块与弧焊焊枪固定板之间，通过两个紧定螺栓b将三者固定为一体件M，弧焊焊枪平移板上开有圆弧槽，4个紧定螺栓d穿过圆弧槽口将一体件M与弧焊焊枪平移板连接；螺栓紧定位置的变化可实现一体件M相对弧焊焊枪平移板的转动，进而实现MIG弧焊焊枪相对光纤激光焊接头夹角的调节，即热源夹角的调节，调节焊枪平移板在长槽孔的固定位置，可调节MIG弧焊焊枪相对光纤激光焊接头的水平距离，即热源间距，而弧焊焊枪平移板和弧焊焊枪调角垫块的另一作用是将MIG弧焊焊枪的热源中心线光纤激光焊接头的热源中心线调至共面，更有利于焊缝成形；

距离传感反馈装置包括条形板x和一端固定安装于条形板x端部的条形板y；条形板x和条形板y在长度方向上相互垂直；沿着长度方向，条形板x上靠近条形板y的一端和条形板y上远离条形板x的一端各安装一个接触式距离传感器，且条形板x远离条形板y的一端与复合焊炬调角板固定，使两个接触式距离传感器分别探测焊接点偏移U形工件立板内侧面的距离和焊接点偏移U形工件立板底面的距离，以用于对焊接点位置的实时反馈；

控制机构还分别与纵向模组和横向模组上的电机连接用于调节焊接点的位置始终位于平面O与U形工件立板焊缝的交汇处。

由于机器人是用于焊接的，因为受到焊接过程中弧光和温度的干扰，一般的传感器无法正常工作(激光式距离传感器受焊接强弧光干扰，其他传感器多对工作温度有限制)，而接触式距离传感器不存在上述问题的干扰，因此，本发明采用接触式距离传感器。

两个接触式距离传感器分别探测焊接点偏移U形工件立板内侧面的距离和焊接点偏移U形工件立板底面的距离，接触式距离传感器安装后，传感器处于压缩状态，可探测距离板件的正负位置偏移，保证不会与光纤激光焊接头发生位置干涉的前提下，水平方向接触式距离传感器应尽可能的接近复合焊炬的焊接点，这样位置偏移变化值可控制在传感器的量程范围之内，纵向接触式距离传感器只需保证垂直U形工件水平面且不干涉其他部件即可，此时传感器的安装位置确定，两个条形板安装位置确定。

车架的尺寸按照以下方法确定：

首先，由于机器人主要靠驱动轮的摩擦力移动，由所需摩擦力可确定驱动轮的长度，再加传动齿轮所占的空间高度，可确定机器人本体的高度初值H；其次，由于船舱中存在多个工件立板，立板之间的间距较小，作业空间限制，板间距100～200mm不等，故机器人悬挂于U形工件上作业时，H₂应当小于工件之间的距离，可初步选定H₂，已知工件厚度为D＝R₀-R₁，机器人本体采用板厚H₁，因为需保证整个机器人的稳定性，故机器人本体A、C两板面距离U形工件的距离应相等，均为H₂，进而可求得机器人本体宽度H₀＝2H₁+2H₂+D；此时，需保证机器人本体长度不会与U形工件内侧面干涉，即本体长度方向的末端点距离圆弧段圆心的距离R₃应小于U形工件圆弧段内径R₁，根据式(2)可以解出L₂的范围，即机器人本体的长度范围，留取一定余量后选定一个机器人本体初始长度L₂；压缩弹簧在U形工件直板段的长度为L₀，在U形工件圆弧段的长度为L₁，根据式(3)，选用压缩弹簧压缩量受到限制，必须保证即使弹簧达到最大压缩量时，长度H₃的固定铰支架不会触碰到U形工件内侧面，而夹紧轮架的尺寸由夹紧轮的直径选用最小值，故可初步确定H₃，此时，固定铰支架末端点距离圆弧段圆心的距离R₂应小于U形工件圆弧段内径R₁，再由式(1)，可得出夹紧轮固定铰支架相隔距离L₃的取值范围。

L₀-L₁≤ΔL (3)

H₀＝2×H₂+2×H₁+D (4)

D＝R₀-R₁ (5)

其中，设顶板B的宽度即为机器人本体的宽度，侧板A或者侧板C的宽度即为机器人本体的高度，侧板A或者侧板C的长度即为机器人本体的长度；H为机器人本体的高度；H₀为机器人本体的宽度；H₁为机器人本体板件厚度；H₂为驱动轮与U形工件相切点距离机器人本体的侧板内侧的距离；H₃为固定铰支架的长度；L₃为固定铰支架在机器人本体的长度方向的相隔距离；L₂为机器人本体的长度；L₁为机器人本体两夹紧轮完全进入U形工件圆弧段时(即压缩量达到极限时)压缩弹簧的长度；L₀为机器人本体在U形工件直板段时的压缩弹簧长度；△L为弹簧的压缩量；R₀为U形工件圆弧段曲面外径；R₁为U形工件圆弧段曲面内径；D为U形工件厚度，取值为8～15mm；R₂为H₃及L₃限制下的固定铰支架末端点距离圆弧段圆心的距离；R₃为L₂限制下的固定铰支架末端点距离圆弧段圆心的距离。

作为优选的技术方案：

如上所述的一种移动复合焊接机器人，条形板y通过紧定螺钉与条形板x固定连接。

如上所述的一种移动复合焊接机器人，齿轮X与驱动轮轴键连接。

如上所述的一种移动复合焊接机器人，模组架上还安装导轨，滑块由导轨导向。

本发明的原理是：

U形工件与周边肋板空间位置有限，受作业空间限制，机器人本体采用了悬挂于U形工件上的方式，巧妙了利用了U形工件两侧的空间间隙，实现了狭小空间内的移动，机器人本体的悬挂主要通过驱动轮、夹紧轮、压紧轮三者对U形工件三个面的作用弹性夹紧，使得机器人夹紧之后，整个机器人本体车架相对工件左右距离对称，机器人本体能更稳定的悬挂于U形工件上移动，在移动过程中，夹紧轮架及夹紧轮的位置可相对固定铰支架旋转一定角度，使得驱动轮与夹紧轮之间可夹板厚的空间微量可调，故可适应8～15mm板厚的夹紧移动作业，机器人本体利用了U形工件的结构特性，不需要复杂的轨道铺设和轨迹规划，即可实现焊缝跟踪，复合焊炬安装于整个机器人本体的中间位置，焊接作用点位于机器人本体的中部与U形工件立板焊缝的交汇处，即使在圆弧段，其位置也不会发生大位置偏移，加之采用了两个接触式距离传感器，能实时将焊接作用点的位置信息反馈给控制系统，进而有水平及纵向所需的位移调整量信息传递给横向模组和纵向模组，控制焊接点始终在焊接轨迹线上，保证焊接的准确性，机器人采用激光和电弧两种热源复合，解决了单热源焊缝成形质量差、熔深不足等问题，且提升了焊接的速度，移动机器人和激光-电弧复合焊两种技术的结合，使船舱U形工件焊接的整体效率及质量得到了改善。

有益效果

(1)本发明的一种行走于U形工件的移动机器人，不同于现有的轨道机器人，焊接前需要花费大量精力铺设轨道，也不同于现有的轮式机器人，需要识别焊缝，规划移动轨迹，繁琐复杂，本发明利用了U形工件本身的结构特性，研发了一种类轨道悬挂式的移动机器人，兼具轨道机器人和轮式机器人的优点；

(2)本发明的一种行走于U形工件的移动机器人，可以设计小尺寸以及采用轻质材料，从而利用U形工件两边的空间间隙，以解决U形工件单边作业空间小，一般的小型移动焊接机器人作业空间不足的问题；

(3)本发明的一种用于U形工件焊接的移动复合焊接机器人，结合复合焊接技术与行走于U形工件的移动机器人的优点，该机器人能适应狭小船舱U形工件角焊缝焊接。