CN110328077A - 一种具有移动升降云台的一体化混联喷涂机器人 - Google Patents

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柳文豪
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钱森
王道明
钱钧
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Abstract

本发明公开了一种具有移动升降云台的一体化混联喷涂机器人，由喷涂机构、升降剪叉臂机构、可移动承载车、供漆拖车以及机电控制***组成。喷涂机构底座与升降剪叉臂机构上平台通过螺杆连接；升降剪叉臂机构下平台与可移动承载小车上平台焊接；可移动承载小车与供漆拖车通过销轴连接；可使用于船舶、飞机、大型机械设备的表面喷涂。有益的技术效果：本发明所述的一种具有移动升降云台的一体化混联喷涂机器人，理论上具有二维平面的完全自由度和垂直升降移动自由度；喷涂机械臂有多个自由度；喷涂机器人升降范围为1‑10米；喷涂机械臂工作半径约为2米左右；可移动承载小车空间定位误差2mm以内；升降剪叉臂机构垂直升降误差±2mm以内。

Description

一种具有移动升降云台的一体化混联喷涂机器人
技术领域
本发明涉及机器人领域，具体是一种具有移动升降云台的一体化混联喷涂机器人。
背景技术
相对于传统固定式喷涂机器人，可移动、升降喷涂机器人具有工作范围广、喷涂面积大的特点。在喷涂大型设备时，由于传统喷涂机器人工作范围有限，大型设备难以移动等原因，难以完成喷涂任务。并且喷涂作业时，工作环境极其恶劣，喷漆对工人健康有着巨大的危害。此外在进行大型机械的喷涂时，工人需要在高空进行作业，来回跑动，危险系数极高并有极高的工作强度。在喷涂工艺方面，传统手工喷涂质量主要取决与工人的操作熟练程度，难以保证喷涂质量。研究一种可移动的喷涂机器人意义重大，即可搭载喷涂设备或喷涂机器人完成三维空间内的大范围移动以满足工作需求。
现在喷涂大型工件较为普遍的采用一种爬壁式喷涂机器人，这类机器人虽一定程度解放工人，实现了大型工件喷涂的自动化，但是同时也存在着明显的缺点与不足。例如，爬壁式机器人与待喷工件的吸附可靠性难以保证、喷涂效率低下、由于内置电源引起的续航工作时间短等问题。近几年，陆续有可移动式喷涂机器人出现，虽有进步但是整体上缺陷较为明显，主要体现为喷涂机器人的自由度较低、工作空间有限以及在移动过程中的供漆问题没有得到较好的解决。在与申请号为201810098716.8的中国专利：一种智能喷涂机器人的对比中，本发明有着更大的垂直升降空间，并且在末端采用了并联腕关节设计使得机器人有着更加精确的喷涂轨迹。专利申请号“201410808453.7”自动化喷涂的机器人设备设计了一种末端为连杆机构的移动喷涂机器人，与该发明比较本发明采用了串并联混合的喷涂机构，有着更加可靠的稳定性与精确性。与大多数同类型专利的比较中，本发明采用了麦克纳姆轮承载机构及供漆拖车机构，有着更加灵活的的运动性能以及更加方便快捷的供漆方式，可大大提高工作效率。
发明内容 本发明的目的是提供一种具有移动升降云台的一体化混联喷涂机器人，可在平坦地面上根据需要自由移动以及垂直空间上根据需要进行升降移动，具有较好的整体刚度与空间定位准确性。
为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：
一种具有移动升降云台的一体化混联喷涂机器人，其特征在于：包括可移动承载小车、升降剪叉臂机构、供漆拖车、喷涂机构，其中：所述可移动承载小车为麦克纳姆轮小车，以使可移动承载小车全方位移动；
升降剪叉臂机构为液压驱动，升降剪叉臂机构的底座固定在可移动承载小车上，使升降剪叉臂机构随可移动承载小车共同运动；
喷涂机构包括多自由度的机械臂、末端腕关节和喷枪，机械臂整体固定于升降剪叉臂机构的升降台上，所述末端腕关节包括腕关节上平台、腕关节下平台、多个腕关节驱动臂和腕关节从动臂、多个伺服驱动电机和减速装置、喷枪，腕关节上平台固定于机械臂中末节臂段的臂端，减速装置分别固定于腕关节上平台的周边，伺服驱动电机的输出轴一一对应与减速装置的输入轴传动连接，腕关节驱动臂一端一一对应与减速装置的输出轴铰接，腕关节驱动臂另一端一一对应与腕关节从动臂一端铰接，腕关节从动臂另一端分别铰接于腕关节下平台周边，喷枪固定于腕关节下平台，由电机通过减速装置驱动腕关节驱动臂、腕关节从动臂运动，以调节喷枪位姿；
供漆拖车挂接于可移动承载小车，使供漆拖车随可移动承载小车共同运动，供漆拖车上设有油漆源，油漆源通过管路与喷涂机构中的喷枪连接。
所述的一种具有移动升降云台的一体化混联喷涂机器人，其特征在于：所述升降剪叉臂机构包括上、下平台，其中下平台作为底座固定于可移动承载小车的顶部，上平台作为升降台，上、下平台之间连接有剪叉臂，上、下平台之间还安装有液压缸，由液压缸驱动剪叉臂运动实现升降台的升降。
所述的一种具有移动升降云台的一体化混联喷涂机器人，其特征在于：所述可移动承载小车包括由焊接车架、前车轮框架、后车轮框架组成的车架，前车轮框架、后车轮框架分别焊接于焊接车架前、后侧，前车轮框架和后车轮框架的左、右侧分别各自转动安装麦克纳姆轮，前车轮框架和后车轮框架中还分别设置有一一对应驱动麦克纳姆轮的伺服驱动电机，焊接车架中设有液压站，液压站通过管路与升降剪叉臂机构中的液压缸连接，以向升降剪叉臂机构提供驱动液体。
所述的一种具有移动升降云台的一体化混联喷涂机器人，其特征在于：所述喷涂机构中，机械臂整体能够完成水平面内0-360°范围的转动，以及竖直平面内0-180°范围内的摆动和转动。
所述的一种具有移动升降云台的一体化混联喷涂机器人，其特征在于：所述喷涂机构的末端腕关节中，各个腕关节驱动臂和对应的腕关节从动臂构成腕关节骨架，各个腕关节骨架呈并联设计。
所述的一种具有移动升降云台的一体化混联喷涂机器人，其特征在于：供漆拖车包括拖车车架，拖车车架挂架于可移动承载小车，拖车车架侧面安装车轮，拖车车架上设有增压设备、存漆桶构成的油漆源，存漆桶中油漆经过增压设备增压后，再通过管路送入喷涂机构中的喷枪。
采用本发明所述的用于船舶喷涂的移动喷涂机器人的用途：使用在大型船舶的喷涂、各种体积及曲面较大且不易移动的大型设备及零件的喷涂等领域。
本发明所述的用于大型机械喷涂的可平面移动、升降的喷涂机器人，理论上具有二维平面的完全自由度以及垂直升降移动的自由度和喷涂机械臂部分的5个自由度。升降范围可达1-10米，机械臂工作半径约为2米左右。
本发明设计的一种具有移动升降云台的一体化混联喷涂机器人，在传统关节式喷涂机器人的基础上结合可在空间升降的液压驱动的剪叉臂平台机构以及可在平面内自由移动的由伺服电机驱动的麦克纳姆轮小车机构组成的复合机构，并在机器人后方加装了供漆拖车解决了移动喷涂时的供漆问题。整体机器人机构可在平坦地面上自由移动并且可以根据具体工作要求进行1-10米高度内的喷涂工作，并且末端并联喷漆装置可以满足喷涂工艺所需要达到的各种位姿。提高了末端喷枪的轨迹定位精度；解决了大型喷涂工件难以自动喷涂的难题，大大加快了喷涂效率、提高了喷涂质量，大大的减少了人力劳动，减少了喷漆工作对工人身体的伤害。
本发明中，末端腕关节机构采用并联设计，并将喷枪安装在末端腕关节的下平台上。末端腕关节单独由三台伺服电机驱动，电机分别驱动与其减速器相连的三根对称分布的腕关节驱动臂，并带动从动臂的运动，从而实现对下平台及其喷枪的位姿控制。由于末端采用并联机构设计，使得喷涂机构在工作时不仅可以实现更加复杂的位姿控制而且可以提高其喷涂的轨迹精度。
本发明具有以下特点：
1、本发明结构紧凑，整体刚性好，具有二维平面的完全自由度以及垂直升降移动的自由度及喷涂机械臂的多个自由度。工作覆盖范围大，运动灵活。
2、本发明喷涂机构中腕部采用了并联机构，使其末端喷枪更加灵活并且可以使喷涂轨迹精度得到大幅提升。
3、本发明所采用升降机构具有工作范围大、结构稳定承载力强的特点，能够较好满足各种大型机械、构件的喷涂需要，可以达到一般喷涂机器人无法达到的工作高度。
4、本发明升降机构采用液压驱动，保证足够的驱动力矩，使整体机构在工作中不会发生动力不足而产生的颤动。平面移动机构以及喷涂机械臂机构均采用伺服电机驱动，易于实现自动控制并且有利于精确定位，弥补液压驱动的精度不足问题。
5、本发明自带供漆、存漆以及油漆增压机构，与整体机构紧密配合，使得喷漆工作更加简便，移动搬运起来也更加方便。
附图说明
图1是本发明整体结构示意图；
图2是喷涂机构示意图；
图3是末端腕关节示意图；
图4是剪叉臂机构示意图；
图5是剪叉臂支架连接示意图1；
图6剪叉臂支架液压缸连接示意图；
图7是剪叉臂支架连接示意图2；
图8是承载小车机构示意图；
图9是承载小车机构结构示意图；
图10是承载小车车轮框架示意图；
图11是供漆拖车示意图；
图12是增压设备示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
如图1所示，一种具有移动升降云台的一体化混联喷涂机器人由喷涂机构1、升降剪叉臂机构2、可移动承载小车3、供漆拖车4以及机电控制***部分组成。其中喷涂机构1底座与升降剪叉臂机构2上平台通过10组M12螺杆连接。升降剪叉臂机构2下平台与可移动承载小车3上平台焊接。可移动承载小车3与供漆拖车4通过活动销轴连接。其中喷涂机构1主要功能是进行精确位姿的喷涂；升降剪叉臂机构2的主要功能是控制喷涂机构1在空间垂直方向上的位置；可移动承载小车3的主要功能是控制整体机构在水平地面上的位置；供漆拖车4的主要功能是完成待喷油漆的增压及供漆工作。
如图2-图3所示，进一步说，喷涂机构1由底座1001、底座旋转轴1002、一号驱动关节壳腔1003、机械臂1004、二号驱动关节壳腔1005、作为末节臂段的管型机械臂1006、末端腕关节1007、连接端盖1008、供漆管软1009构成。其中一号关节腔壳1003中有两个驱动电机，电机驱动底座旋转轴完成0-360°范围内转动以及机械臂1004完成0-180°范围内转动。二号关节壳腔1005中同样有两个驱动电机，电机驱动二号关节腔1005及后续部分机构在0-180°范围内的摆动及管型机械臂1006在0-360°范围内的转动并带动末端腕关节完成0-360°范围内的转动。进一步详细的说，末端腕关节1007由伺服驱动电机1101、减速装置1105、腕关节上平台1106、腕关节驱动臂1102、球铰链1107、腕关节从动臂1103、腕关节下平台1108以及喷涂装置1104组成。其中，末端腕关节机构1007通过连接端盖1008与管型机械臂1006配合并通过8组螺钉紧固；伺服驱动电机1101、减速装置1105、腕关节驱动臂1102、球铰链1107、腕关节从动臂1103按图3所示位置环绕腕关节上平台1106与腕关节下平台1108相隔120°阵列布置。其中，腕关节驱动臂1102一端与减速装置1105输出轴配合，另一端与一对腕关节从动臂1103通过一对球铰链1107配合；一对腕关节从动臂1103同样通过一对球铰链与腕关节下平台1108连接组成并联机构。喷涂机构1是喷涂机器人末端喷枪位姿的最终确定机构，喷涂机构1中各关节的位姿控制可以弥补由升降剪叉臂机构2产生的垂直方向的位置误差以及可移动承载小车3产生的水平面上的位置误差，实现最终的精确位姿控制。
当喷涂机构1处于正确的位置与高度时，一号关节壳腔1003中一个电机根据此道工序中控制器指令驱动整体喷涂机构通过旋转轴1002绕底座1001进行0-360°内的旋转；另一个电机根据此道工序中控制器指令驱动机械臂1004通过旋转轴1010绕一号关节腔1003进行0-180°内的旋转。二号关节腔1005中一个电机根据此道工序中控制器指令驱动二号关节腔1005通过旋转轴绕机械臂1004一端进行0-180°内的转动；另一电机根据此道工序中控制器指令驱动末端腕关节机构1007绕管型机械臂1006进行0-360°内的转动；末端腕关节机构1007中的三台伺服驱动电机1101根据控制器指令驱动腕关节中的并联机构运动，最终达到喷枪所需要的正确位姿。需要说明的是，上述动作是在收到控制器指令时同时完成的，没有先后次序之分。
如图4-图7所示，升降剪叉臂机构2由下平台2001、剪叉臂2003、液压缸2004、上平台2007构成。其主要工作原理是依靠液压缸2004的伸缩运动，带动相邻剪叉臂之间工作角度的改变，进而改变剪叉臂机构2的整体高度，从而实现整体喷涂机构在垂直空间的高度变化。其中剪叉臂2003之间通过紧固件2006铰接，两组平行剪叉臂之间通过圆柱套筒2005及螺钉、螺母固定。液压缸2004两端分别于轴杆2012与轴杆2013连接。剪叉臂2003与下平台2001之间通过紧固件2011铰接，并且通过以螺栓2008与剪叉臂2003紧固的滚动轴承2009与T型槽2010的配合，实现剪叉臂下端在下平台2001上的滑动。上平台2007与剪叉臂2003的配合同下平台2001与剪叉臂2003的配合类似。
进一步详细的说，剪叉臂支架2103与剪叉臂支架2105之间通过两端带有螺纹的细长轴2102与螺母2104之间的配合形成连接，细长轴2012上装有长套筒，起定位作用并且其外表面与滚动轴承2101配合。两根相互平行的剪叉臂支架2302与2306之间通过金属套筒2301焊接使三者合为一个整体，金属套筒2301中装有两端带有螺纹的长轴杆2303，通过螺母2305、垫片2304和长轴杆2303之间的配合使剪叉臂支架2306与剪叉臂支架2302之间形成可转动连接，其他边缘处相交的剪叉臂支架之间的连接方式与之类似。剪叉臂支架2105与剪叉臂支架2106之间通过六角螺栓2109、垫片2108、螺母2017之间的配合形成可转动的连接，其他在中间处相互交叉的剪叉臂之间的连接与之类似。剪叉臂支架2200、连接轴2201、剪叉臂支架2202是一个整体，三者焊接而成。剪叉臂2207、连接轴2206、剪叉臂2203也是一个整体，连接方式为活动铰接。液压缸2204与连接轴2206以及连接轴2201之间通过销轴2205连接。
如图8-图10所示，可移动承载小车3由车架3003、麦克纳姆轮3002、液压站3001、伺服驱动电机3004以及拖车连接孔3005组成。其主要工作原理是通过四台伺服驱动电机3004分别驱动四个麦克纳姆轮3002运动，进而带动小车整体完成水平面位置上的定位，进而使整体喷涂机构处于正确的水平面位置，并且通过液压站3001实现对液压缸2004的驱动控制，进而完成剪叉臂机构2的升降控制，进而完成整体喷涂机构在垂直面上的位置确定。其中，拖车连接孔3005与车架的连接方式为焊接。
进一步来说，车架具体可分为三个部分：焊接车架3100、前车轮框架3101、后车轮框架3102组成。前车轮框架3101、后车轮框架3102与焊接车架3100之间通过铆钉铆接而成。液压站3001通过四组螺栓与焊接车架3100形成紧固连接。对于前车轮框架3101来说，麦克纳姆轮3002与伺服驱动电机3004通过联轴器3201联结，其中麦克纳姆轮3002由六组螺栓3202与联轴器3201连接。伺服驱动电机3004通过六组螺栓3200固定在前车轮框架3101之中。后车轮框架3102与前车轮3101内部结构类似。
根据具体的喷漆工序，控制器根据所编写程序发出指令，伺服驱动电机3004通过联轴器3201控制麦克纳姆轮3002运动，前驱动框架3102及后驱动框架3101带动铆接的焊接车架3100一起运动，从而驱动可移动承载小车3及小车上方承载的升降剪叉臂机构2以及与剪叉臂机构2通过10组M12螺杆连接的喷涂机构1移动到制定的工作位置。同时，通过焊接车架3100后方销轴孔与供漆拖车4上销轴孔4005之间的销接配合从而拖动的供漆拖车4移动至平面上指定的工作位置。此时，在这一道喷漆工序中，喷涂机器人整体结构在平面上的位置确定了下来。
如果控制器收到升高剪叉臂机构指令，液压站3001控制一对液压缸2004进行伸长运动，推动连接轴2201与连接轴2206相互远离，使得相互平行的剪叉臂支架2207与剪叉臂支架2202之间的距离变大，同时使得剪叉臂支架2105与剪叉臂支架2106、剪叉臂支架2302与剪叉臂支架2306之间的水平夹角变大，使得细长轴2102及其与之配合的一对滚动轴承2101向上平台2100中间位置靠拢，从而实现上平台2100及其上安装的喷涂机构1在垂直位置上的上升。如果控制器收到收缩剪叉臂机构指令，液压站3001控制一对液压缸2004进行收缩运动，拉动连接轴2201与连接轴2206相互靠近，使得相互平行的剪叉臂支架2207与剪叉臂支架2202之间的距离变小，同时使得剪叉臂支架2105与剪叉臂支架2106、剪叉臂支架2302与剪叉臂支架2306之间的水平夹角变小，使得细长轴2102及其与之配合的一对滚动轴承2101向上平台2100两侧边缘位置远离，从而实现上平台2100及其上安装的喷涂机构1在垂直位置上的下降。笼统的说，根据控制器的指令，液压站3001控制一对液压缸2004完成伸长或者收缩运动，液压缸2004的伸缩运动改变剪叉臂机构2中轴杆2012与轴杆2013在空间中的距离，实现相互铰接剪的叉臂2003之间交叉角度的增大或者减小，进而实现剪叉臂机构2在垂直方向的伸长与收缩，进而实现喷涂机构1在垂直方向上的位置改变。此时，在这一道喷漆工序中，喷涂机器人整体结构在空间垂直方向的位置确定了下来。加上与之同时的水平位置的确定，喷涂机构1底座所处的空间位置确定了下来。需要说明的是，整体机构的水平平面位置确定过程与垂直方向的高度确定过程是同时进行的，没有先后次序之分。
如图11、图12所示，供漆拖车4由车轮4001、拖车车架4002、增压设备4003、存漆桶4004、拖车连接孔4005、供漆软管4006组成。其中，增压设备4003由增压室4101、增压马达4100、通道4102以及通道4103组成。供漆拖车4的主要工作原理是存漆桶4004中的油漆通过通道4103进入增压设备4003中的增压室4101，通过增压马达4100对增压室4101中的油漆进行增压，再经过通道4102输送给供漆管4006完成供漆工作。
进一步来说，其中由于拖车属于从动，四个车轮4001属于自由差动，无驱动电机。供漆软管4006一端与增压设备4003中的通道4102连接，一端与喷涂机构1连接，实现末端喷枪1008的供漆。拖车连接孔4005与拖车车架4002的连接方式为焊接。
结合图1至图12，对本发明功能进行总体说明。本发明主要由喷涂机构1、升降剪叉臂机构2、可移动承载小车3、供漆拖车4以及机电控制***部分组成。其中，喷涂机构1底座与升降剪叉臂机构2上平台通过10组M12螺杆连接；升降剪叉臂机构2下平台与可移动承载小车3上平台焊接；可移动承载小车3与供漆拖车4通过活动销轴连接。由可移动承载小车3完成整体机构在水平平面的定位工作；由升降剪叉臂机构2完成喷涂机构1在垂直方向上的高度定位工作；由供漆拖车4完成待喷油漆的增压工作及喷枪的供漆工作；由喷涂机构1完成最终的末端喷枪位姿控制及喷漆工作，实现对工件的喷涂作业。其中，机电控制***部分贯穿其中，完成整个机械***的控制、协调工作。本发明创造性的将麦克纳姆轮平面移动机构、剪叉臂升降机构以及关节型喷涂机械臂及并联机构综合在一起，完成了一种可对大型机械设备或者大型工件实现自动喷涂的设备，开创了大型设备喷涂的崭新前景。

Claims (6)

1.一种具有移动升降云台的一体化混联喷涂机器人，其特征在于：包括可移动承载小车、升降剪叉臂机构、供漆拖车、喷涂机构，其中：所述可移动承载小车为麦克纳姆轮小车，以使可移动承载小车全方位移动；
升降剪叉臂机构为液压驱动，升降剪叉臂机构的底座固定在可移动承载小车上，使升降剪叉臂机构随可移动承载小车共同运动；
喷涂机构包括多自由度的机械臂、末端腕关节和喷枪，机械臂整体固定于升降剪叉臂机构的升降台上，所述末端腕关节包括腕关节上平台、腕关节下平台、多个腕关节驱动臂和腕关节从动臂、多个伺服驱动电机和减速装置、喷枪，腕关节上平台固定于机械臂中末节臂段的臂端，减速装置分别固定于腕关节上平台的周边，伺服驱动电机的输出轴一一对应与减速装置的输入轴传动连接，腕关节驱动臂一端一一对应与减速装置的输出轴铰接，腕关节驱动臂另一端一一对应与腕关节从动臂一端铰接，腕关节从动臂另一端分别铰接于腕关节下平台周边，喷枪固定于腕关节下平台，由电机通过减速装置驱动腕关节驱动臂、腕关节从动臂运动，以调节喷枪位姿；
供漆拖车挂接于可移动承载小车，使供漆拖车随可移动承载小车共同运动，供漆拖车上设有油漆源，油漆源通过管路与喷涂机构中的喷枪连接。
2.根据权利要求1所述的一种具有移动升降云台的一体化混联喷涂机器人，其特征在于：所述升降剪叉臂机构包括上、下平台，其中下平台作为底座固定于可移动承载小车的顶部，上平台作为升降台，上、下平台之间连接有剪叉臂，上、下平台之间还安装有液压缸，由液压缸驱动剪叉臂运动实现升降台的升降。
3.根据权利要求1或2所述的一种具有移动升降云台的一体化混联喷涂机器人，其特征在于：所述可移动承载小车包括由焊接车架、前车轮框架、后车轮框架组成的车架，前车轮框架、后车轮框架分别焊接于焊接车架前、后侧，前车轮框架和后车轮框架的左、右侧分别各自转动安装麦克纳姆轮，前车轮框架和后车轮框架中还分别设置有一一对应驱动麦克纳姆轮的伺服驱动电机，焊接车架中设有液压站，液压站通过管路与升降剪叉臂机构中的液压缸连接，以向升降剪叉臂机构提供驱动液体。
4.根据权利要求1所述的一种具有移动升降云台的一体化混联喷涂机器人，其特征在于：所述喷涂机构中，机械臂整体能够完成水平面内0-360°范围的转动，以及竖直平面内0-180°范围内的摆动和转动。
5.根据权利要求1所述的一种具有移动升降云台的一体化混联喷涂机器人，其特征在于：所述喷涂机构的末端腕关节中，各个腕关节驱动臂和对应的腕关节从动臂构成腕关节骨架，各个腕关节骨架呈并联设计。
6.根据权利要求1所述的一种具有移动升降云台的一体化混联喷涂机器人，其特征在于：供漆拖车包括拖车车架，拖车车架挂架于可移动承载小车，拖车车架侧面安装车轮，拖车车架上设有增压设备、存漆桶构成的油漆源，存漆桶中油漆经过增压设备增压后，再通过管路送入喷涂机构中的喷枪。
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