CN104260076A - 一种全方位智能家具喷漆机器人 - Google Patents

Abstract

本发明的目的在于提供一种全方位智能家具喷漆机器人，包括XYZ三轴平动机构、Y轴转动机构、喷枪、支撑框架机构等；Z轴移动机构通过Z轴安装板上的滑块安装到车身的滑道内，采用丝杠螺母进行驱动实现沿Z轴的直线运动，Y轴移动机构通过Y轴安装板安装到Z轴安装板上，采用齿轮齿条进行驱动实现沿Y轴直线运动，X轴移动机构通过两只光杆安装到Y轴安装板上，采用齿轮齿条进行驱动实现沿X轴的直线运动，Y轴转动机构通过螺栓安装到X轴滑块上，采用舵机驱动实现沿Y轴的转动。整体实现了机器人喷枪空间四自由度运动。本发明的可以对整体家具进行全方位喷漆，克服了一般喷漆机只能采用固定流水线作业对面板式，平面家具进行喷漆等缺点。

Description

一种全方位智能家具喷漆机器人

技术领域

本发明涉及的是一种机器人，具体地说是喷漆机器人。

背景技术

可移动式机器人主要分为：轮式机器人、履带式机器人和足式机器人等。轮式机器人和履带式机器人需要连续的支撑平面，在平整的环境下，具有速度快、稳定性高的特点。传统的家具制造行业在家具喷漆这道工序上主要是采用人工喷漆的方式进行加工，工人口带防毒面具，手持喷枪进行喷漆作业，涂料喷漆的原料多采用化学药品，有一定的刺激性和毒性，对人身健康产生伤害，工作效率极低。现在大型家具制造厂家采用家具喷漆流水线对门板、平面家具进行喷漆，只要把木板原料放到流水线上，按照固定程序就可实现对同一家具部件的批量喷涂，作业效率很高，但是只能对平面式家具部件进行作业，不能对整体组装好的家具进行喷涂作业。

固定式喷漆机器人普遍适用于电气、汽车、船舶、航空航天等，这种喷漆机械手体积较大，使用不灵活，而且成本较贵，不适合小型家具制作企业使用。对于家具表面的喷涂，固定式喷漆机器人则表现出很大的缺点与不足，因此设计一款小型化、智能化的全方位智能喷漆机器人则能很好的解决人工喷漆效率低，固定式喷漆机造价高、体型庞大等问题。

国内外很多专家都采用提高喷漆机器人结构的自动化程度来解决上述问题，为此设计出各式各样的智能化自动喷漆机器人，如山东科技大学江浩等人发明的船舶船舱修造特种除锈喷漆机器人(专利申请号：CN200710113254.4)，这种喷漆机器人采用轮式驱动，具有三个移动副和三个转动副，与现有结构相比结构简单、可以实现三维空间自由转换，不过这种结构设计并没有解决机器人整体稳定性差、运动行程短、轮式驱动易打滑、喷枪位置不可调的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供可完成对整套家具的全方位喷漆的一种全方位智能家具喷漆机器人。

本发明的目的是这样实现的：

本发明一种全方位智能家具喷漆机器人，其特征是：包括车身框架、X轴平动机构、Y轴平动机构、Z轴平动机构；车身框架的左右两侧均安装主动轮和从动轮，位于同一侧的主动轮和从动轮上缠绕履带，车身框架里设置主动轮电机，主动轮电机连接主动轮；X轴平动机构包括X轴驱动电机、第一X轴齿轮、第二X轴齿轮、X轴齿条、X轴滑块、X轴滑杆，X轴驱动电机连接第一X轴齿轮，X轴滑块与X轴齿条相固定，X轴齿条缠绕在第一X轴齿轮和第二X轴齿轮上，X轴滑块上设置凹槽，X轴滑块通过凹槽与X轴滑杆实现相对滑动；Y轴平动机构包括Y轴驱动电机、Z齿轮、Z齿条、X下齿轮连接轴、X轴上齿轮连接轴、第一Y轴齿轮、第二Y轴齿轮、Y轴上齿轮、Y轴齿条、Y轴滑块、Y轴安装板、Z轴移动板，Y轴驱动电机固定在Z轴移动板上，Y轴驱动电极连接Z齿轮，X下齿轮连接轴的两端分别安装第一Y轴齿轮和第二Y轴齿轮，Z齿轮和第一Y轴齿轮上缠绕Z齿条，第二Y轴齿轮和Y轴上齿轮上缠绕Y齿条，Y轴上齿轮安装在Y轴上齿轮上，所述的Y轴滑块包括第一Y轴滑块和第二Y轴滑块，均设置有凹槽，第一Y轴滑块与Y齿条相固定，Y轴安装板和Z轴移动板之间固定有第一Y轴连接板和第二Y轴连接板，X轴下齿轮连接轴和X轴上齿轮连接轴均安装在第一Y轴连接板和第二Y轴连接板之间，Y轴安装板和Z轴移动板之间固定有第一Y滑杆轴和第二Y滑杆轴，两个Y轴滑块通过各自的凹槽分别与第一Y滑杆轴和第二Y滑杆轴实现相对滑动；X轴驱动电机和第一X轴齿轮安装在第一Y轴滑块上，第二X轴齿轮安装第二Y轴滑块上，X轴滑杆固定在第一Y轴滑块和第二Y轴滑块之间；Z轴平动机构包括Z轴驱动电机、丝杠、螺母，Z轴驱动电机固定在两个安装有主动轮的车身框架的面的其中一个面上，螺母固定在Z轴移动板上，丝杠与螺母组成丝杠螺母机构，丝杠的一端与Z轴驱动电机相连，丝杠的另一端安装在Z轴驱动电机对面的车身框架的面上，与安装有主动轮的面相邻的车身框架的两个面上均设置滑道，Z轴移动板的两端下方设置滑块，两端的滑块分别位于两个滑道里；X轴滑块上安装有喷枪，喷枪连接导管。

本发明还可以包括：

1、还包括Y轴转动机构，Y轴转动机构包括舵盘、舵机，喷枪固定在舵盘上，舵盘安装在舵机上，舵机安装X轴滑块上。

2、所述的X轴滑杆有两个，X轴滑块上与X轴滑杆配合的凹槽也有两个，两个凹槽分别位于X轴滑块的上平面和下平面。

3、X轴滑块上安装红外测距传感器。

本发明的优势在于：首先，本发明全方位智能家具喷漆机器人基于履带行走，可增加防滑和平稳性，通过调整左右两个行走电机的转速，可实现小车的转向，使得喷漆小车绕作业家具3600自由运动。其次，车体上集成了XYZ三轴移动机构和Y轴转动机构，对称设计安装，稳定性高，可以实现喷枪相对于作业表面的三自由度平动和一自由度转动，结合小车行走机构，一台喷漆机器人即可完成对整套家具的全方位喷漆。最后，在喷漆机器人喷嘴处安装了红外测距传感器，可精确测量喷头和家具的距离，实现喷枪对家具的自动化智能喷涂，XYZ轴限位开关可以确定机构的初始位置，用于防止相应部件超出行程。本发明的机器人具有结构紧凑、抗滑能力强、精度高、良好的机动性、良好的运动特性和适应复杂地形的能力，具有较高的应用价值和应用前景，利用推广应用。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明车身框架部分结构示意图；

图3为本发明X轴平动、Y轴转动机构示意图；

图4为本发明Y轴平动、Z轴平动机构立体图。

具体实施方式

下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：

结合图1～4，本发明一种全方位智能家具喷漆机器人，可以实现沿XYZ轴的平动和沿Y轴的转动，四自由度运动完成对家具的全方位喷涂作业，主要由履带式机器人车身、电机传动机构、XYZ三轴平动机构、Y轴转动机构、喷枪机构、支撑框架机构、CPU模块、电源模块、输入输出接口模块、限位开关模块、红外测距模块组成。电机安装在车身内，驱动车轮转动，Z轴移动机构通过Z轴安装板上的滑块安装到车身的滑道内，采用丝杠螺母进行驱动实现沿Z轴的直线运动，Y轴移动机构通过Y轴安装板安装到Z轴安装板上，采用齿轮齿条进行驱动实现沿Y轴直线运动，X轴移动机构通过两只光杆安装到Y轴安装板上，采用齿轮齿条进行驱动，实现沿X轴的直线运动，Y轴转动机构通过螺栓安装到X轴滑块上，采用舵机驱动实现沿Y轴的转动；控制器安装在控制箱内，通过输入输出接口和外界通信，红外测距传感器安装在X轴滑块上，用于检测喷枪和家具的距离，限位开关安装在每个滑道的两端，用于定位每个滑块初始位置。

X、Y、Z轴平动和Y轴转动机构包括：步进电机连接板1、固定连接螺钉2、Y轴驱动步进电机3、Z齿轮4、Z齿条5、X下齿轮连接轴6、连接板螺钉7、Y轴连接底座8、Y滑杆轴9、Y齿轮10、Y齿条11、丝杠连接底座12、丝杠13、螺母14、带滑块Z轴移动板15、Z轴驱动步进电机16、Y轴滑块17、X轴齿轮18、X轴齿条19、X轴滑块20、红外测距传感器21、导管22、X轴滑杆23、石墨轴承24、方形舵盘25、连接螺钉26、喷枪27、数字舵机28、X轴驱动步进电机29、连接螺栓30、X轴限位开关31、石墨轴承32、Y轴上限位开关42、X轴上齿轮43、X上齿轮连接轴44、Y轴下限位开关45、Z轴后限位开关46、Z轴前限位开关47、轴承端盖48，连接板固定螺钉49，Y轴安装板50，Y轴上连接板51，步进电机连接板1通过固定连接螺钉2安装到带滑块Z轴移动板15上，带滑块Z轴移动板15安装到车体滑道41内形成沿Z轴移动副，Y轴驱动步进电机3通过安装螺钉装在步进电机连接板1，Y轴驱动步进电机3伸出轴连接Z齿轮4，Z齿轮4与Z齿条5形成齿轮副带动X下齿轮连接轴6转动，Y轴连接底座8通过连接板螺钉7安装到带滑块Z轴移动板15上，Y轴下限位开关45通过螺钉安装到Y轴安装板上，Y滑杆轴9安装在Y轴连接底座8和Y轴上连接板50之间，Y齿条11与Y轴上齿轮43下齿轮形成齿轮副带动Y轴滑块17沿Y轴运动，X齿条19与X齿轮18形成齿轮副，X齿轮18通过连接轴安装在Y轴滑块17上，石墨轴承32安装在Y轴滑块17的凹槽内，Y轴上限位开关42通过连接螺钉安在Y轴连接板上，Y轴上齿轮43通过定位螺钉固定在X上齿轮连接轴44上，Y轴安装板50通过六角螺栓安装在Y轴连接板之间，轴承端盖48通过连接板固定螺钉49安在Y轴连接板上，喷枪27通过螺纹连接在导管22上，红外测距传感器21安装在X轴滑块20上，舵盘通过螺钉连在数字舵机28上，舵机安装在X轴滑块20上，X轴驱动步进电机29安装在Y轴滑块31上，Z轴驱动步进电机16伸出轴连接丝杠13，丝杠与螺母14配合驱动Z轴的运动，Z轴限位开关46通过安装螺钉安装在车体38上。

机器人车身框架包括：车轮轴33、主动轮34、大齿轮35、小齿轮36、直流电机37、机器人车身框架38、轮胎履带39、从动轮40、车身滑道41，直流电机37输出轴连接小齿轮36，小齿轮36与大齿轮35配合形成齿轮副传递电机输出的转速和转矩，车轮轴33一端连接大齿轮35另一端连接主动轮34，主动轮34与从动轮40之间通过轮胎履带39传递动力实现主动轮与从动轮的同步运动，车身滑道41与带滑块Z轴移动板15配合执行丝杠螺旋副输出的运动。

结合图1所示，本发明的一种全方位智能家具喷漆机器人主要包括履带式机器人车身、电机传动机构、XYZ三轴移动机构、Y轴转动机构、喷枪机构、支撑框架机构等、CPU模块、电源模块、输入输出接口模块、限位开关模块、红外测距模块，其中XYZ三轴移动机构和Y轴转动机构是实现喷枪作业的主要机构，机器人车体是实现移动作业的基础。

结合图1所示，本发明的Y平动Z平动机构主要由以下几部分组成：步进电机连接板1、固定连接螺钉2、Y轴驱动步进电机3、Z齿轮4、Z齿条5、X下齿轮连接轴6、连接板螺钉7、Y轴连接底座8、Y滑杆轴9、Y齿轮10、Y齿条11、丝杠连接底座12、丝杠13、螺母14、带滑块Z轴移动板15、Z轴驱动步进电机16。

Y平动Z平动机构组装如下：步进电机连接板1通过固定连接螺钉2安装到带滑块Z轴移动板15上，带滑块Z轴移动板15安装到车体滑道41内形成沿Z轴移动副，Y轴驱动步进电机3通过安装螺钉装在步进电机连接板1，Y轴驱动步进电机3伸出轴连接Z齿轮4，Z齿轮4与Z齿条5形成齿轮副带动X下齿轮连接轴6转动，Y轴连接底座8通过连接板螺钉7安装到带滑块Z轴移动板15上，Y轴下限位开关9通过螺钉安装到Y轴连接板上，Y滑杆轴9安装在Y轴连接底座8和Y轴安装板50之间，Y齿条11与Y齿轮10、Y轴上齿轮43形成齿轮副带动Y轴滑块17沿Y轴运动。

结合图3所示、本发明的X平动Y转动机构主要由以下几部分组成：Y轴滑块17、X轴齿轮18、X轴齿条19、X轴滑块20、红外测距传感器21、导管22、X轴滑杆23、石墨轴承24、方形舵盘25、连接螺钉26、喷枪27，数字舵机28、X轴驱动步进电机29、连接螺栓30、X轴限位开关31、石墨轴承32、Y轴上限位开关42、X轴上齿轮43、X上齿轮连接轴44、Y轴下限位开关45。

X平动Y转动机构组装如下：X齿条19与X齿轮18形成齿轮副，X齿轮18通过连接轴安装在Y轴滑块17上，石墨轴承32安装在Y轴滑块17的凹槽内，Y轴上限位开关42通过连接螺钉安在Y轴连接板上，Y轴上齿轮43通过定位螺钉固定在X上齿轮连接轴44上，Y轴安装板50通过六角螺栓安装在Y轴连接板之间，轴承端盖48通过连接板固定螺钉49安在Y轴连接板上，喷枪21通过螺纹连接在导管22上一起固定在方形舵盘25，红外测距传感器21安装在X轴滑块20上，舵盘通过螺钉连在数字舵机28上，舵机安装在X轴滑块20上，X轴驱动步进电机29安装在步进电机安装滑块17上。

结合图2，本发明的机器人车身主要由以下几部分组成：车轮轴33、主动轮34、大齿轮35、小齿轮36、直流电机37、机器人车身框架38、轮胎履带39、从动轮40、车身滑道41。机器人车身结构组装如下：直流电机37输出轴连接小齿轮36，小齿轮36与大齿轮37配合形成齿轮副传递电机输出的转速和转矩，车轮轴33一端连接大齿轮35另一端连接主动轮34，主动轮34与从动轮40之间通过轮胎履带39传递动力实现主动轮与从动轮的同步运动，车身滑道41与带滑块Z轴移动板15配合执行丝杠螺旋副输出的运动。

工作原理：

Y轴驱动步进电机3提供动力，带动Z齿轮4转动，Z齿轮4与Z齿条5相啮合，从而带动Z齿条5的转动，Z齿条5带动X下齿轮连接轴6转动，与之连接的下齿轮随之转动，下齿轮与Y齿条11啮合带动齿条转动，齿条固定在Y轴滑块17上，实现Y轴滑块17沿Y轴的直线运动。Z轴驱动步进电机16提供动力，带动与之相连的丝杠13转动，丝杠13与螺母14配合实现转动向平动的转化，螺母14固定在带滑块Z轴移动板15上驱动Z轴移动板15通过自带的滑块沿车身滑道41运动实现Z轴直线运动。

X轴驱动步进电机29提供动力，带动X齿轮18转动，X齿轮18与X齿条19啮合，从而带动X齿条19转动，齿条19固定在X轴滑块20上，X轴滑块20随X齿条19运动实现滑块的X轴直线运动。数字舵机28提供动力，带动方形舵盘25转动，方形舵盘25与喷枪27连接，实现Y轴的转动。XYZ平动和Y转动机构整体采用并行结构，协调配合实现喷枪的空间四自由度运动。

直流电机37提供动力，带动小齿轮36转动，小齿轮36与大齿轮35啮合形成齿轮副减速器，大齿轮随之转动通过车轮轴33输出转速扭矩，带动主动轮34转动，主动轮34通过轮胎履带39带动从动轮40转动，最终实现机器人的移动。通过控制左右两侧电机的转速可以实现机器人的直行和转弯，控制电机的转向实现机器人的前进和后退。

本发明所设计的一种全方位智能家具喷漆机器人基于履带式车体，可以实现绕作业家具的360度自由运动，车体上集成了XYZ轴移动机构和Y轴转动机构可以实现喷枪相对于作业表面的三自由度平动和一自由度的转动，满足整装家具的喷涂要求，由于安装了红外测距传感器，可以精确测量喷头和家具的距离，实现喷枪对家具的均匀喷涂，XYZ轴限位开关可以确定机构的初始位置，还可以防止运动超出行程损害机器人，机器人采用模块化结构，体积小、结构紧凑、并且加工简单、控制和维护方便，全方位智能家具喷漆机器人可以通过自身的移动实现对整装家具的三维全方位喷漆作业，不用人工参与，避免了刺激性和毒性油漆对人身的伤害，并且喷涂效率高，质量好。

Claims (5)

1.一种全方位智能家具喷漆机器人，其特征是：包括车身框架、X轴平动机构、Y轴平动机构、Z轴平动机构；车身框架的左右两侧均安装主动轮和从动轮，位于同一侧的主动轮和从动轮上缠绕履带，车身框架里设置主动轮电机，主动轮电机连接主动轮；X轴平动机构包括X轴驱动电机、第一X轴齿轮、第二X轴齿轮、X轴齿条、X轴滑块、X轴滑杆，X轴驱动电机连接第一X轴齿轮，X轴滑块与X轴齿条相固定，X轴齿条缠绕在第一X轴齿轮和第二X轴齿轮上，X轴滑块上设置凹槽，X轴滑块通过凹槽与X轴滑杆实现相对滑动；Y轴平动机构包括Y轴驱动电机、Z齿轮、Z齿条、X下齿轮连接轴、X轴上齿轮连接轴、第一Y轴齿轮、第二Y轴齿轮、Y轴上齿轮、Y轴齿条、Y轴滑块、Y轴安装板、Z轴移动板，Y轴驱动电机固定在Z轴移动板上，Y轴驱动电极连接Z齿轮，X下齿轮连接轴的两端分别安装第一Y轴齿轮和第二Y轴齿轮，Z齿轮和第一Y轴齿轮上缠绕Z齿条，第二Y轴齿轮和Y轴上齿轮上缠绕Y齿条，Y轴上齿轮安装在Y轴上齿轮上，所述的Y轴滑块包括第一Y轴滑块和第二Y轴滑块，均设置有凹槽，第一Y轴滑块与Y齿条相固定，Y轴安装板和Z轴移动板之间固定有第一Y轴连接板和第二Y轴连接板，X轴下齿轮连接轴和X轴上齿轮连接轴均安装在第一Y轴连接板和第二Y轴连接板之间，Y轴安装板和Z轴移动板之间固定有第一Y滑杆轴和第二Y滑杆轴，两个Y轴滑块通过各自的凹槽分别与第一Y滑杆轴和第二Y滑杆轴实现相对滑动；X轴驱动电机和第一X轴齿轮安装在第一Y轴滑块上，第二X轴齿轮安装第二Y轴滑块上，X轴滑杆固定在第一Y轴滑块和第二Y轴滑块之间；Z轴平动机构包括Z轴驱动电机、丝杠、螺母，Z轴驱动电机固定在两个安装有主动轮的车身框架的面的其中一个面上，螺母固定在Z轴移动板上，丝杠与螺母组成丝杠螺母机构，丝杠的一端与Z轴驱动电机相连，丝杠的另一端安装在Z轴驱动电机对面的车身框架的面上，与安装有主动轮的面相邻的车身框架的两个面上均设置滑道，Z轴移动板的两端下方设置滑块，两端的滑块分别位于两个滑道里；X轴滑块上安装有喷枪，喷枪连接导管。

2.根据权利要求1所述的一种全方位智能家具喷漆机器人，其特征是：还包括Y轴转动机构，Y轴转动机构包括舵盘、舵机，喷枪固定在舵盘上，舵盘安装在舵机上，舵机安装X轴滑块上。

3.根据权利要求1或2所述的一种全方位智能家具喷漆机器人，其特征是：所述的X轴滑杆有两个，X轴滑块上与X轴滑杆配合的凹槽也有两个，两个凹槽分别位于X轴滑块的上平面和下平面。

4.根据权利要求1或2所述的一种全方位智能家具喷漆机器人，其特征是：X轴滑块上安装红外测距传感器。

5.根据权利要求3所述的一种全方位智能家具喷漆机器人，其特征是：X轴滑块上安装红外测距传感器。