CN101966505B - 一种三自由度平面并联机构及喷涂机器人 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种三自由度平面并联机构，该机构包括一个动平台、一个机架、以及第一支链、第二支链和第三支链，所述第一支链和第二支链具有相同的结构，并分别用于连接所述动平台和机架用以确定动平台的位置，第三支链用于连接机架和动平台用以改变动平台的姿态，所述第一支链包括第一滑块、第一连杆、第一运动副组；所述第二支链包括第二滑块、第二连杆、第二运动副组；所述第三支链包括定滑块、滑杆、第三滑块和第三运动副组，其中定滑块与机架是固定连接；所述第一支链、第二支链和第三支链与动平台以及机架连接形成一个闭环三自由度平面并联机构，该三自由平面并联机构的支链分别被驱动，就能实现动平台的两个移动自由度和一个转动自由度，本发明还涉及一种基于所述三自由度平面并联机构的喷涂机器人。本发明中的喷涂机器人结构对称，灵活性好、精度和刚度高，易于制造，方便控制，容易实现模块化。

Description

一种三自由度平面并联机构及喷涂机器人

技术领域

本发明涉及机械制造领域，具体涉及一种三自由度平面并联结构和能够应用于汽车零部件喷涂生产领域的一种模块化的四自由度机器人。

背景技术

到目前为止，喷涂机器人已成为国内市场上运用最多的工业机器人之一，成为汽车工业喷涂生产线和首选设备。机器人喷涂在国外是一项成熟的技术，已经有三十多年的研究和发展历史。随着喷涂机器人的技术不断创新，喷涂精度空前提高，在世界发达国家喷涂机器人得到了广泛的应用。著名的国外喷涂机器人厂家有瑞典的ABB、德国的Dürr(杜尔)与EISANMANN(艾森曼)、日本的安川，同时德国的KUKA公司、日本的FANUC公司以及美国的ADEPT公司均有生产喷涂机器人。同时还有很多小的生产企业生产和研发的静电粉末喷涂机器人，在喷涂机器人领域以及相关的喷涂技术领域都具有丰富的经验与技术。

然而由于我国工业机器人发展起步较晚，自主研发的喷涂机器人往往存在精度不够，控制能力低下的缺点，目前我国汽车生产企业所采用的自动喷涂机器人大部分都是来自国外的设备制造商，成套引进这些设备不仅价格昂贵，而且维护成本高，一旦设备出现故障，维修周期较长，更甚者有可能在维修期间导致整条生产线的停产，造成企业巨大的资源浪费和财产损失，因此实现自动静电涂装设备的国产化，提高对喷涂机器人的研究水平，打破国外厂商的技术垄断成为当前亟需解决的问题，这对于我国机器人产业以及汽车产业具有重大意义。

传统喷涂机器人都是采用仿人手臂的串联机构，通过对运动轨迹的规划完成自动化喷涂作业。但由于我国制造业整体技术水平的限制，至今未能对串联机器人的精度和可靠性不高问题做出实质性的突破，串联式喷涂机器人的控制相对较复杂，而且这种串联式机器人由于结构形式单一，很难取得知识产权突破。

并联机构是由多个支链构成的闭环机构，相对于传统的串联机构具有以下优点：结构简单紧凑、刚度高、单位重量上承载能力大、无误差积累、运动部件质量小、易于实现高速运动，轨迹易于控制等优点。这些优点在一定程度上弥补了串联机构的不足。近年来，少自由度并联机构(自由度数少于六自由度的并联机构)越来越受到研究者的重视和青睐，一些少自由度并联装置已经得到了成功应用，如德国DSTechnologie公司研制的Sprint Z3三自由度并联主轴头在数控加工中心中获得了巨大的成功。该类装备的特点是：容易实现模块化、运动学反解简单、轨迹规划和运动控制容易等。

本发明的目的结合串联大移动和并联结构简单、模块化程度高、制造安装方便以及轨迹规划和控制容易的特性，发明一种可以适应我国制造国情的新型喷涂机器人。

发明内容

针对以上问题，本发明发明了一种三自由度平面并联结构以及基于该并联机构的喷涂机器人，该喷涂机器人兼顾并联机构和串联机构的优点，更能适应汽车零部件的喷涂作业任务。

本发明提供一种三自由度平面并联机构，该机构包括一个动平台、一个机架、以及第一支链、第二支链和第三支链，所述第一支链和第二支链具有相同的结构，并分别用于连接所述动平台和机架用以确定动平台的位置，第三支链用于连接机架和动平台用以改变动平台的姿态，所述第一支链包括第一滑块、第一连杆、第一运动副组；所述第二支链包括第二滑块、第二连杆、第二运动副组；所述第三支链包括定滑块、滑杆、第三滑块和第三运动副组，其中定滑块与机架是固定连接；所述第一支链、第二支链和第三支链与动平台以及机架连接形成一个闭环三自由度平面并联机构，该三自由平面并联机构的支链分别被驱动，就能实现动平台的两个移动自由度和一个转动自由度，本发明所述的三自由度平面并联机构，其中第一支链和第二支链控制动平台的位置实现其两个移动自由度，第三支链控制动平台的姿态实现其一个转动自由度。

本发明所述的三自由度平面并联机构，其中所述三个运动副组均由三个运动副组成，第一运动副组为连接于第一滑块和机架之间的转动副、连接于第一滑块和第一连杆之间的移动副、连接于第一连杆和动平台之间的转动副；第二运动副组为连接于第二滑块和机架之间的转动副、连接于第二滑块和第二连杆之间的移动副、连接于第二连杆和动平台之间的转动副；第三运动副组为连接于滑杆和定滑块之间的移动副、连接于滑杆和第三滑块之间的转动副、连接于第三滑块与动平台之间的移动副，其中连接于第一连杆和动平台的转动副与连接于第二连杆和动平台的转动副同轴，第一支链和第二支链中连接滑块与连杆之间的移动副是被驱动的，连接于滑杆和定滑块之间的移动副是被驱动的。

本发明所述的三自由度平面并联机构，所述第三支链中第三滑块与动平台之间固定连接，此时第三运动副组由两个运动副组成，包括连接于滑杆和定滑块之间的移动副、连接于滑杆与动平台之间的转动副。

本发明还提供一种基于所述平面三自由并联机构的四自由度喷涂机器人，其包括喷涂作业机构单元和移动单元两个部分，所述喷涂作业机构单元基于所述三自由度的平面并联机构，该并联机构的机架安装在直线导轨上，可以实现水平移动，通过将移动单元的运动与平面并联机构的运动相结合，可以实现安装在动平台上雾化器的三个移动自由度和一个转动自由度的喷涂作业。

本发明所述的喷涂机器人，可以用来完成对汽车零部件的自动化喷涂作业，并可将直线导轨变成弧形导轨用来适应不同形状零部件的喷涂作业。

本发明中的喷涂机器人有如下优点：(1)其速度快、灵活性好；(2)柔性程度高，可适应不同零部件的喷涂作业环境；(3)相对于串联机构轨迹规划更容易，更容易进行控制，喷涂精度易于保证；(4)工作空间大，在导轨上可实现大范围移动，转动工作空间也很大，可达到±90°；(5)结构简单，易于制造，成本较低，更容易实现模块化制造。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图中1-导轨、2-喷涂零部件、3-第一连杆、4-动平台、5-第三滑块、6-第二连杆、7-第二滑块、8-定滑块、9-滑杆、10-机架、11-第一滑块。

具体实施方式

本发明提出一种基于三自由度平面并联机构的四自由度喷涂机器人的具体实施方式，结合附图1详细说明如下：

图1示意图的左侧是一种三自由度平面并联机构，其包括一个安装雾化器的动平台4、机架10及第一支链、第二支链和第三支链。所述第一支链和第二支链具有相同的结构，并分别用于连接所述动平台4和机架10，用以确定动平台4的位置，所述的第三支链用于连接机架10和动平台4，用以调整动平台4的姿态。所述第一、第二支链和第三支链与动平台4以及机架10连接形成一个三自由度平面并联闭环机构，该平面并联闭环机构通过三个输入运动驱动动平台4的运动，实现其两个移动自由度和一个转动自由度。

在该三自由度平面并联机构中，所述第一支链包括第一滑块11、第一连杆3、第一运动副组，第二支链包括第二滑块7、第二连杆6、第二运动副组。所述第一运动副组由三个运动副组成：连接于第一滑块11和机架10之间的转动副(R)，连接于第一滑块11和第一连杆3之间的移动副(P)，连接于第一连杆3和动平台4之间的转动副(R)；第二运动副组由三个运动副组成：连接于第二滑块7和机架10之间的转动副(R)，连接于第二滑块7和第二连杆6之间的移动副(P)，连接于第二连杆6和动平台4之间的转动副(R)。所述第三支链包括：定滑块8、滑杆9、第三滑块5、第三运动副组，定滑块8与机架10固定连接。所述的第三运动副组由三个运动副组成，分别是：连接于定滑块8和滑杆9之间的移动副(P)，连接于滑杆9与第三滑块5之间的转动副(R)，连接于动平台4和第三滑块5之间的移动副(P)。以上所述的三个支链中的三个移动副(P)分别被驱动，其中第一、第二支链控制动平台4的位置实现其两个移动自由度，第三支链控制动平台4的姿态实现其一个转动自由度。

在本发明三自由度平面并联机构的另一个实施例中，第一支链和第二支链保持不变，第三支链中第三滑块5与动平台4之间固定连接，此时所述第三支链包括：定滑块8、滑杆9、第三运动副组，第三运动副组由两个运动副组成，包括连接于滑杆和定滑块之间的移动副、连接于滑杆与动平台之间的转动副。连接于定滑块8和滑杆9之间的移动副(P)是非驱动的。

基于上述三自由度平面并联机构的喷涂机器人，包括喷涂作业单元和移动单元两个部分，所述喷涂作业单元基于所述的三自由度平面并联机构，该三自由度平面并联机构的机架10与导轨1通过移动副(P)进行连接，来实现喷涂机器人的大范围移动。雾化器安装在动平台4上，通过将移动机构的运动与平面并联机构的运动相结合，实现动平台4的三个移动自由度和一个转动自由度，从而完成对喷涂零部件2的喷涂任务。

本实施例图1中导轨1是直线形的，可以理解的是，如有需要可以将其导轨1变成弧形的，也可以将该喷涂机器人整体翻转90°(将导轨1竖直放置)，以适应不同形状和规格的待喷涂零部件2的喷涂作业环境。

本发明不限于上述的具体实施方式，本领域的技术人员在本发明的技术方案的启示下做出相应的替换和修改，均在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种三自由度平面并联机构，其特征在于该机构包括一个动平台、一个机架、以及第一支链、第二支链和第三支链，所述第一支链和第二支链具有相同的结构，并分别连接所述动平台和机架用以确定动平台的位置，第三支链连接机架和动平台用以改变动平台的姿态，所述第一支链包括第一滑块、第一连杆、第一运动副组；所述第二支链包括第二滑块、第二连杆、第二运动副组；所述第三支链包括定滑块、滑杆、第三滑块和第三运动副组，其中定滑块与机架固定连接；所述第一支链、第二支链和第三支链与动平台以及机架连接形成一个闭环三自由度平面并联机构，该三自由度平面并联机构的支链分别被驱动，就能实现动平台的两个移动自由度和一个转动自由度，其中第一支链和第二支链控制动平台的位置实现其两个移动自由度，第三支链控制动平台的姿态实现其一个转动自由度。

2.根据权利要求1所述的三自由度平面并联机构，其中所述三个运动副组均由三个运动副组成，第一运动副组为连接于第一滑块和机架之间的转动副、连接于第一滑块和第一连杆之间的移动副、连接于第一连杆和动平台之间的转动副；第二运动副组为连接于第二滑块和机架之间的转动副、连接于第二滑块和第二连杆之间的移动副、连接于第二连杆和动平台之间的转动副；第三运动副组为连接于滑杆和定滑块之间的移动副、连接于滑杆和第三滑块之间的转动副、连接于第三滑块与动平台之间的移动副，其中连接于第一连杆和动平台的转动副与连接于第二连杆和动平台的转动副同轴，第一支链和第二支链中连接滑块和连杆之间的移动副是被驱动的，连接于滑杆和定滑块之间的移动副是被驱动的。

3.根据权利要求1所述的三自由度平面并联机构，所述第三支链中第三滑块与动平台之间固定连接，此时第三运动副组由两个运动副组成，包括连接于滑杆和定滑块之间的移动副、连接于滑杆与动平台之间的转动副。

4.一种基于权利要求1-3之一所述的三自由度平面并联机构的四自由度喷涂机器人，其包括喷涂作业机构单元和移动单元两个部分，所述喷涂作业机构单元基于所述的三自由度平面并联机构，该并联机构的机架安装在直线导轨上，可以实现水平移动，通过将移动单元的运动与平面并联机构的运动相结合，可以实现安装在动平台上雾化器的三个移动自由度和一个转动自由度的喷涂作业。

5.根据权利要求4所述的喷涂机器人，用来完成对汽车零部件的自动化喷涂作业，并将直线导轨替换为弧形导轨用来适应不同形状零部件的喷涂作业。

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