CN104923432A - 多平行四边形连杆并行的串并联驱动喷涂机器人 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种多平行四边形连杆并行的串并联驱动喷涂机器人，其包括串联驱动基座总成、三组并行的平行四边形连杆机构和动平台(20)，其特征在于所述的串联驱动基座总成包括固定不动的下基座(2)和依次串联在其上的由中基座(3)、上基座(4)、顶基座(18)所构成的3个旋转基座，在所述的顶基座(18)平台上还设置有三组驱动电机(14、6、17)，所述的3个旋转基座(3、4、18)和该三组驱动电机(14、6、17)一同通过所述的三组并行的平行四边形连杆机构协同驱动所述的动平台(20)，该喷涂机器人不仅运动学正解、逆解简单并且唯一，易于实现轨迹规划和控制，而且其运动工作空间较大，能够实现大轮廓复杂曲面的喷涂。

Description

多平行四边形连杆并行的串并联驱动喷涂机器人

技术领域

本发明涉及一种多平行四边形连杆并行的串并联驱动喷涂机器人，尤其涉及一种适用于例如车身、飞机尾翼等大轮廓复杂曲面喷涂的五自由度多平行四边形连杆并行的串并联驱动喷涂机器人。 

背景技术

喷涂工艺是大多数产品生产中的重要工艺之一，喷涂质量直接决定了产品外观和产品质量。传统的喷涂作业方式为人工喷涂方式，喷涂过程中的雾状漆料对人体危害巨大，喷漆环境中照明、通风等条件很差，操作者的技术水平、健康状况、劳动情绪等因素对产品的质量影响较大，并造成了喷涂材料的浪费。因此在工业领域大量使用喷涂机器人代替人工喷涂，不仅可以改善劳动条件，还可以提高产品质量，降低生产成本。此外，通过对喷涂机器人驱动电机的控制，可以使喷头通过狭小的孔壁深入到零部件的内部进行均匀的喷涂，实现喷涂工艺应用范围的扩大。通过对喷涂机器人电机的编程控制，非常容易实现整个生产线的自动化和工艺的精量化。 

中国专利ZL200610135514.3公开了一种平行连杆机构及工业用机器人，如图14-15所示，工业用机器人具有波动齿轮减速器，其具有主体、输入轴、第一输出轴及第二输出轴；第一臂，其具有连结于所述固定基座且能够旋转的基端部、和连结于所述减速器主体的前端部；第二臂，其具有连结于所述第二输出轴的基端部、和连结于所述可动基座且能够旋转的前端部；连结基座，其相对于所述减速器设于所述第二臂的外侧，与所述第一输出轴连结；第一辅助连杆，其与所述第一臂平行地配置，具有连结于所述固定基座且能够旋转的端部、和连结于所述连结基座且能够旋转的端部；第二辅助连杆，其与所述第二臂平行地配置，具有连结于所述连结基座且能够转动的端部、和连结于所述可动基座且能够转动的端部。 

这样的工业喷涂机器人绝大多数为开链式串联机器人，其末端喷头的姿态由机器人各个驱动关节的参数决定。开链式串联机器人的运动学正解比较简单，但其运动学逆解存在多解，一般串联的关节数越多，解的个数也越多。实际应用中， 每一时刻需要根据喷头的姿态逆解得到各个关节的驱动参数。运动学逆解的非线性导致其产生多组解，需要在多组逆解中找出最合适的解，这就导致运动学逆解的计算效率很低，不仅造成了控制系统比较复杂和实时性差，还间接造成了产品成本的增高。现有的串联式喷涂机器人，尤其是针对大外廓构件的喷涂机器人，驱动电机分散布置在各个关节处，导致机器人末端载荷较大，运动时动载较大，而且驱动电机越靠近喷涂端，使用安全性越低，防爆、防尘成本越高。开链式串联机器人最为致命的缺陷在于整个关节的串联关系，如果一个关节出现了故障，有可能造成整个机器人功能的瘫痪。 

发明内容

本发明的目的是提供适用于例如车身、飞机尾翼等大轮廓复杂曲面喷涂的五自由度多平行四边形连杆并行的串并联驱动喷涂机器人，同时在降低人工喷涂成本和提高产品质量的基础上，使喷涂工艺延伸到零部件内部，突破人工喷涂时对空间尺寸的约束限制。通过对喷涂机器人的电机进行编程控制，在实现高效率喷涂的前提下，既能突破现有手工喷涂工艺的局限，又能在实现精确喷涂的基础上减少喷涂材料的浪费。 

本发明突破现有串联式喷涂机器人尺寸较大、位置姿态求逆解时效率低、电机控制复杂和实时性差、机器人的防尘和防爆成本高、喷涂作业时故障率高等缺陷，大幅提升喷涂机器人的喷涂质量，同时显著降低其故障率和维护成本。 

本发明请求保护范围与本发明要解决的技术问题、所采用的技术手段、以及所采用的每一个技术特征在解决上述技术问题中的作用与功能、以及说明采用的上述技术手段解决的技术问题所能达到技术效果如下： 

1、本发明提供一种多平行四边形连杆并行的串并联驱动喷涂机器人，其包括串联驱动基座总成、三组并行的平行四边形连杆机构和动平台20，其特征在于所述的串联驱动基座总成包括固定不动的下基座2和依次串联在其上的由中基座3、上基座4、顶基座18所构成的3个旋转基座，在所述的顶基座18平台上还设置有三组驱动电机14、6、17，所述的3个旋转基座3、4、18和该三组驱动电机14、6、17一同通过所述的三组并行的平行四边形连杆机构协同驱动所述的动平台20。 

本发明巧妙地设置三组平行四边形连杆驱动方式，从而解决了现有技术开链式串联机器人的运动学正解简单但是其运动学逆解存在多解的问题，解决了现有技术开链式串联机器人需要在多组逆解中判断最佳解和控制系统比较复杂的问 题，从而实现了在空间中喷头的位置由基座电机、三组平行四边形连杆转过的角度决定，这样的逆解计算简单且不存在多解，喷头的姿态由调节电机控制，这种控制方式也为轨迹规划带来了方便。 

本发明巧妙地设置三组平行四边形连杆驱动方式，三组平行四边形机构在设计时限制了最大压力角，在作业范围内，无论机器人转至何位置，运动和力的传递性能都能保持优良的水平。 

本发明巧妙地设置三组平行四边形连杆驱动方式，三组平行四边形机构的巧妙设计将三个驱动电机均集中布置到顶基座上。电机集中布置便可以方便的实现防尘防爆要求，提高了喷涂机器人在静电喷涂这种危险环境下的安全性和可靠性。 

本发明巧妙地设置三个平行四边形连杆驱动方式，由于引入了并联机构，本发明具有一些并联机构的优势，从而克服传统的串联开链式机器人各种缺陷，例如，传统的串联开链式机器人各杆件的驱动部件通常布置在关节处，这样越是靠近基座的杆件不仅要承受加在其末端的其他杆件的负载，还要承受在重量上比这些杆件更大的驱动电机的负载，导致机构笨重，动载荷较大。同时各串联的杆件相当于悬臂梁结构，刚度也较差。 

2、本发明多平行四边形连杆并行的串并联驱动喷涂机器人，其特征在于所述的中基座3、上基座4、顶基座18旋转动力源分别为第1电机1、第2电机19和第3电机5；所述的第1电机1放置在下基座2的正中心；所述的第2电机19固定在上基座4的侧面；所述的第3电机5设置在旋转的顶基座18平台上。 

第1电机1放置在下基座2的正中心，其输出的动力经减速器、圆锥滚子轴承等传递到旋转中基座3，有利于确保下基座2和中基座3的几何中心垂直轴线重合，中基座3绕其几何中心垂直轴线转动，也便于重心稳定。 

第2电机19、减速器等部件经法兰盘固定在上基座4的侧面，其安装方式能减小基座加速旋转时产生的振动幅度，又不会造成第2电机19、轴承及减速机维修的不便。 

第3电机5输出的动力经减速器、圆锥滚子轴承施加在顶基座18，使除旋转顶基座18、上基座4、中基座3和下基座2之外的所有机构产生绕下基座2几何中心垂直线的转动。项基座18和中基座3都能产生绕z轴的旋转运动，如此设计的目的就是为了避免串联机构固有的弊端，使机构具有并联机构的特性， 较好的降低其机构工作时可能产生的故障概率。 

3、本发明多平行四边形连杆并行的串并联驱动喷涂机器人，其特征在于所述的第1电机1驱动所述的中基座3绕Z轴转动；所述的第2电机19驱动所述的上基座4绕Y轴转动；所述的第3电机5驱动所述的顶基座18绕Z轴转动，所述的串联驱动基座总成具有三个转动自由度。 

顶基座18、上基座4、中基座3构成了3个旋转基座，3个旋转基座的综合运动可以使喷头15快速到达作业位置。所述下基座2与导轨或地面通过螺栓固定，旋转的中基座3在第1电机1驱动下相对下基座2绕Z轴转动；旋转的上基座4在第2电机19驱动下相对旋转中基座3绕Y轴转动；旋转的项基座18在第3电机5驱动下相对于旋转的上基座4绕Z轴转动。因此，上述3个旋转的中基座3、上基座4、顶基座18构成了串联式驱动方式，但与传统机器人的串联式驱动方式有所不同，上述3个旋转的基座具有三个转动自由度，分别为2个绕Z轴的转动自由度和1个绕Y轴的转动自由度。 

4、本发明多平行四边形连杆并行的串并联驱动喷涂机器人，其特征在于所述上基座4的几何中心垂直轴线与所述中基座3的几何中心垂直轴线重合。 

上基座4的几何中心垂直轴线与中基座3的几何中心垂直轴线能否重合，取决于中基座3是否绕Z轴旋转。在有效的转角范围内，如果产生了旋转角度，其二者的几何中心垂直轴线便不重合。 

5、本发明多平行四边形连杆并行的串并联驱动喷涂机器人，其特征在于所述的三组并行的平行四边形连杆机构包括由第1连杆12、第4连杆13、第3连杆9与第2连杆16组成的第一平行四边形连杆机构；由第5连杆7、第1连杆12、第6连杆8与第7连杆10组成的第二平行四边形连杆机构；由第4连杆13、第7连杆10、第8连杆11与动平台20组成的第三平行四边形连杆机构。 

上述第一平行四边形连杆机构与第二平行四边形连杆机构共用了第1连杆12；上述第一平行四边形连杆机构与第三平行四边形连杆机构共用了第4连杆13，上述第二平行四边形连杆机构与第三平行四边形连杆机构共用了第7连杆10。即实现三组并行平行四边形连杆驱动方式两两共杆驱动。 

本发明巧妙地设置三组平行四边形连杆驱动方式，三组平行四边形机构在设计时限制了最大压力角，在作业范围内，无论机器人转至何位置，运动和力的 传递性能都能保持优良的水平。 

6、本发明多平行四边形连杆并行的串并联驱动喷涂机器人，其特征在于所述的第1连杆12为一个弯曲拨叉形状，其轴端12b分叉成两根驱动连杆12c、12d，第1连杆12的轴端12b与顶基座18铰接，第1连杆12的分叉驱动连杆12c、12d的两个端轴孔12a通过销轴分别与第4连杆13铰接中间轴孔13c相连和与第7连杆10轴孔10c相连，所述的第一平行四边形连杆机构由第1连杆12分叉驱动连杆之一12c、第4连杆13的铰接中间轴孔13c与其邻近的轴端13a之间部分连杆、第3连杆9与第2连杆16组成。 

本发明第1连杆12这样结构不仅增加了连杆强度和刚度，而且实现了一杆两用的目的。该共用销轴将三个平行四边形连杆结合于一体。本发明巧妙地与并行其它平行四边形连杆驱动方式两两共杆驱动设置第一平行四边形连杆机构。 

7、本发明多平行四边形连杆并行的串并联驱动喷涂机器人，其特征在于所述的第1连杆12为一个弯曲拨叉形状，其轴端12b分叉成两根驱动连杆12c、12d，第1连杆12的轴端12b与顶基座18铰接，第1连杆12的分叉驱动连杆12c、12d的两个端轴孔12a通过销轴分别与第4连杆13铰接中间轴孔13c相连和与第7连杆10轴孔10c相连，第7连杆10为三角形连杆结构，每一个顶角均设置有铰接孔，两侧连杆10d、10e分别构成两个平行四边形连杆部分，所述的第二平行四边形连杆机构由第5连杆7、第6连杆8、第7连杆10的两侧连杆之一10d、第1连杆12、与分叉驱动连杆之二12d组成。 

本发明第1连杆12这样结构不仅增加了连杆强度和刚度，而且实现了一杆两用的目的。该共用销轴将三个平行四边形连杆结合于一体。本发明巧妙地与并行其它平行四边形连杆驱动方式两两共杆驱动设置第二平行四边形连杆机构。 

8、本发明多平行四边形连杆并行的串并联驱动喷涂机器人，其特征在于所述的第7连杆10为三角形连杆结构，每一个顶角均设置有铰接孔，两侧连杆10d、10e分别构成两个平行四边形连杆部分，所述的第三平行四边形连杆机构由第4连杆13铰接中间轴孔13c与其远离端13b之间部分连杆、第7连杆10的两侧连杆之二10e、第8连杆11与动平台20延伸部分20a组成。 

本发明第7连杆10为三角形连杆结构，每一个顶角均设置有铰接孔，两侧连杆10d、10e分别构成两个平行四边形连杆部分，而且实现了一件两杆用的目的。 该共用销轴将三个平行四边形连杆结合于一体。本发明巧妙地与并行其它平行四边形连杆驱动方式两两共杆驱动设置第三平行四边形连杆机构。 

9、本发明多平行四边形连杆并行的串并联驱动喷涂机器人，其特征在于所述的第一平行四边形连杆机构所在平面与第二、三平行四边形连杆机构所在平面相互平行，而第二、三平行四边形连杆机构所在平面相互重合。 

上述第一平行四边形连杆机构所在平面与第二、三平行四边形连杆机构所在平面相互平行，而第二、三平行四边形连杆机构所在平面相互重合，因此上述三组平行四边形连杆机构具有2个平移自由度和1个转动自由度。 

10、本发明多平行四边形连杆并行的串并联驱动喷涂机器人，其特征在于所述的第1连杆12采用弯曲拨叉形状变截面结构，其弯曲拨叉中空部位为液流管路布置通道。 

当上基座4相对中基座3转动90°时，此位置下的第1连杆12的弯曲变形尤为明显。为了使喷头作业始终能够实现预先规划的运动轨迹，需要充分考虑极端工况下第1连杆12的弯曲变形。设计的第1连杆12采用变截面结构，能保证第1连杆12的等强度，可以有效减小机构持续颤动时产生的外力对第1连杆12的疲劳损伤。第1连杆12为实现轻量化还去除了一部分材料，目的是减小机构运动时产生的动载荷。为了防止液流管道可能对喷涂表面造成的破坏，第1连杆12采取了内部中空的设计方案，这样可以防止液流管路刮擦喷涂之后的工件表面。同时，由于所有电机集中布置在基座上，第1连杆12的中空部位不存在现有机器人液流管路与电气管路共处同一空间时的安全问题，相应的也降低了布置的难度。 

11、本发明多平行四边形连杆并行的串并联驱动喷涂机器人，其特征在于所述的第3连杆9设计成弯管构造。 

在实现基本功能的基础上，将第3连杆9设计成弯管的构造，主要是为了实现结构的紧凑性，减少材料的使用量。同时，兼顾考虑机构的美观性。 

12、本发明多平行四边形连杆并行的串并联驱动喷涂机器人，其特征在于所述的第4连杆13在内部采用中空构造，外部采用变截面设计。 

本发明第4连杆13的结构。第4连杆13的功能较多，首先是对喷头安装提供支撑作用；其次是传递第5电机17的动力，促使喷头17在规划区域内平动； 最后是为液流管路的布置提供空间。第4连杆13与第1连杆12的结构类似，在内部采用中空构造，外部采用变截面设计。横截面采用变截面结构，主要是为了减小喷头的动载荷可能造成第4连杆13的弯曲变形，特别是其在第1连杆12的铰接处其变形最大造成的破坏也最严重，用等强度的结构设计可以提高其使用寿命。为降低其载荷对结构的影响，第4连杆13还去除了一部分材料，减轻了自身重量。 

13、本发明多平行四边形连杆并行的串并联驱动喷涂机器人，其特征在于所述的第7连杆10整体的内部为中空构造的三角形连杆结构。 

第7连杆10的功能有两项，首先是传递第4电机6的动力至第8连杆11，使喷头15能够以其与第4连杆13的铰接点为圆心，以其分别与第8连杆11、第4连杆13铰接点之间的连线为半径作圆周转动。其次，第7连杆10的两个边分别作为两个平行四边形的一边。由于第7连杆10的两边夹角固定不变，使得喷头15的姿态控制变得简单，仅仅可以通过对第4电机6的转速控制，间接实现对第5连杆7的位移、速度、加速度控制，并最终实现对喷头15姿态的控制。第7连杆10的内部为中空构造，主要考虑到其传递的动力值有限，上述设计足以满足其功能要求。 

14、本发明多平行四边形连杆并行的串并联驱动喷涂机器人，其特征在于还包括一个喷头15，所述的喷头15固结在所述的动平台20的连接部分上。 

在本发明中，喷头15相对于动平台20不动，能够较好避免传统的串联开链式喷涂机器人末端姿态的调节一般依靠在喷头和小臂末端之间加装手腕来实现，输调漆管线只能布设在手腕外面，当手腕转动时，很容易造成管线缠绕，从而带来严重后果，虽然目前出现了斜交中空手腕，但是其造价昂贵，控制也复杂。 

15、本发明多平行四边形连杆并行的串并联驱动喷涂机器人，其特征在于所述的第2连杆16和第5连杆7的尺寸参数完全相同；第3连杆9与第6连杆8的尺寸参数完全相同。 

这样可以在生产中减少零部件制造的种类方便进行批量化生产，同时对称式的结构也兼顾了机构的美观性要求。 

16、本发明多平行四边形连杆并行的串并联驱动喷涂机器人，其特征在于所述的第1连杆12、第2连杆16与第5连杆7同一端的转动轴线重合，并分别由第6 电机14、第5电机17和第4电机6驱动。 

转动轴线重合共线，确保结构紧凑，位于基座3对称中心线附近上，重心稳定，且便于布置电机和减速机构。 

17、本发明多平行四边形连杆并行的串并联驱动喷涂机器人，其特征在于所述的第4电机6、第5电机17和第6电机14水平共轴线。 

顶基座18的功能有以下3项功能：首先是对第4电机6、第5电机17、第6电机14、第1连杆12、第2连杆16、第5连杆7的装配提供支撑作用；其次是能在第3电机5的驱动下，整个机构除上基座4、中基座3和下基座2之外的部分相对上基座4绕z轴转动；再者，顶基座18能够传递第2电机19的动力，使整个机构除中基座3、下基座2之外的部分相对中基座3绕Y轴转动。为实现上述功能，首先要在结构上保证第4电机6、第5电机17和第6电机14能够水平共轴线，安装第4电机6和第5电机17两个肋板之间要有足够的空间，以便能无干涉的安装变截面第1连杆12、第6电机14、第6电机14配套的减速器、第3电机5等部件。 

本发明和现有喷涂机器人相比，具有四个鲜明的优点：首先从结构上杜绝了电气管路和液压管路共用同一空间时可能形成的安全隐患，能够降低管路布置的难度，并且容易使结构小型化而方便对较小零部件进行作业；其次，所有的驱动电机、减速器等部件皆集中在基座上，这就使机器人末端的动载荷非常小，也能显著的降低整个机构的防尘、防爆成本；再次，喷涂机器人为一种串联-并联式结构，在给定喷头末端姿态和位置时，机构的运动学逆解唯一，因而运动轨迹规划简单，控制策略容易实现，从根本上避免了串联式喷涂机器人求运动学逆解的低效率。最后，喷涂机器人的串联-并联式结构，虽然不能从根本上消除关节串联时的弊端，但是却能大幅降低机器人作业过程中的故障概率。 

附图说明

图1是本发明多平行四边形连杆并行的串并联驱动喷涂机器人总体结构示意图； 

图2是本发明多平行四边形连杆并行的串并联驱动喷涂机器人基座分总成结构示意图； 

图3A是图2中A向所示本发明顶基座分总成局部俯视图； 

图3B是图2中B向所示本发明顶基座分总成侧视图； 

图4A是图2中A向所示本发明上基座顶部局部俯视图； 

图4B是图2中B向所示本发明上基座局部侧视图； 

图5A是本发明中基座主视图； 

图5B是本发明中基座侧视图； 

图6A是本发明下基座主视图； 

图6B是本发明下基座顶部俯视图； 

图7A是本发明第1连杆主视图； 

图7B是本发明第1连杆侧视图； 

图8A是本发明第2连杆主视图； 

图8B是本发明第2连杆侧视图； 

图9A是本发明第3连杆主视图； 

图9B是本发明第3连杆侧视图； 

图10A是本发明第4连杆主视图； 

图10B是本发明第4连杆侧视图； 

图11A是本发明第7连杆主视图； 

图11B是本发明第7连杆侧视图； 

图12A是本发明第8连杆主视图； 

图12B是本发明第8连杆侧视图； 

图13A是本发明喷头与动平台分总成主视图； 

图13B是本发明喷头与动平台分总成俯视图； 

图14-图15为现有技术的平行连杆机构及工业用机器人结构示意图； 

其中是个发明多平行四边形连杆并行的串并联驱动喷涂机器人主要附图标记表示如下： 

1-第1电机；2-下基座；3-旋转中基座；4-旋转上基座；5-第3电机；6-第4电机；7-第5连杆；8-第6连杆；9-第3连杆；10-第7连杆；11-第8连杆；12-第1连杆；13-第4连杆；14-第6电机；15-喷头；16-第2连杆；17-第5电机；18-顶基座；19-第2电机；20-动平台。 

具体实施方式

下面将结合附图，详细描述本发明的发明构思，旨在说明本发明要解决的技术问题，所采用的技术手段，以及所采用的每一个技术特征在解决上述技术问题 中的作用与功能，以及说明采用的上述技术手段解决的技术问题所能达到技术效果。 

如图1-2所示，图1是本发明多平行四边形连杆并行的串并联驱动喷涂机器人总体结构示意图；图2是本发明多平行四边形连杆并行的串并联驱动喷涂机器人基座分总成结构示意图。基座分总成包括旋转的顶基座18、旋转的上基座4、旋转的中基座3和固定的下基座2；驱动电机包括第1电机1、第2电机19、第3电机5、第4电机6、第5电机17和第6电机14。 

如图2、6所示，下基座2的功能是对整个机构除下基座2之外的部分提供支撑作用。下基座2一般与导轨或地面通过螺栓固定，在基座的正中开孔放置第1电机1。下基座2的设计主要考虑了结构的紧凑性，在保证下基座2结构可靠性的基础上，使零部件在生产中尽可能减少对原材料的消耗。 

第1电机1放置在下基座2的正中心，其输出的动力经减速器、圆锥滚子轴承等传递到旋转中基座3(图中未示出)，下基座2和中基座3的几何中心垂直轴线重合，中基座3绕其几何中心垂直轴线转动，上述3个旋转的的转动将带动除下基座2之外整个机构的转动。 

如图2、5所示。中基座3的功能有两项，首先是对上基座4的安装提供支撑作用；其次是将第1电机1的动力传递给下基座2及与之相联的其他部件，使整个机构除下基座2之外的部分绕Z轴转动。在结构设计上需要保证中基座3和下基座2的几何中心线重合，同时当上基座4绕Y轴旋转时不会产生干涉。中基座3的结构是实心的，当其体积较大时质量必然较大。中基座3的设计方案考虑了轻量化，在确保实现功能的基础上使第1电机1消耗的能量较少。中基座3的外观还可以设计成圆台状，在零部件的制造上仍然可行，仅仅是增加了一些加工的难度。 

如图2、4所示。上基座4的功能主要是对项基座18提供支撑作用、传递中基座3的动力以便使机构相对于下基座2绕Z轴转动、对第2电机19的安装提供支撑作用。要实现上基座4在第2电机19的驱动下绕Y轴做转动，需要在结构上保证其与中基座3无干涉的前提下，第2电机19的转动轴线与中基座3头部的转动轴线重合。第2电机19可以固定在上基座4的侧面，也可以布置在上基座4的两个肋板之间即中基座3的头部，这两种安装方式在本质上具有相同的效果。 

如图2、4、5所示，上基座4的几何中心垂直轴线与中基座3的几何中心 垂直轴线能否重合，取决于中基座3是否绕Z轴旋转。在有效的转角范围内，如果产生了旋转角度，其二者的几何中心垂直轴线便不重合。第2电机19输出的动力经减速器、圆锥滚子轴承传递到上基座4(图中未示出)，使上基座4输出的转速和扭矩满足喷涂工况的要求。第2电机19输出的动力将使除固定中基座3和旋转的下基座2之外的整个机构产生一个转动，转动的频率取决于第2电机19的转速。 

如图1-3所示。顶基座18的功能有以下3项功能：首先是对第4电机6、第5电机17、第6电机14、第1连杆12、第2连杆16、第5连杆7的装配提供支撑作用；其次是能在第3电机5的驱动下，整个机构除上基座4、中基座3和下基座2之外的部分相对上基座4绕Z轴转动；再者，顶基座18能够传递第2电机19的动力，使整个机构除中基座3、下基座2之外的部分相对中基座3绕Y轴转动。为实现上述功能，首先要在结构上保证第4电机6、第5电机17和第6电机14能够水平共轴线，安装第4电机6和第5电机17的两个肋板之间要有足够的空间，以便能无干涉的安装变截面第1连杆12、第6电机14、第6电机14配套的减速器、第3电机5等部件。项基座18在保证结构可靠性的前提下，尽可能减少自身重量以节约第1电机1、第2电机19和第3电机5驱动时消耗的能量。同时，顶基座18设计为圆形截面是基于结构的美观性和紧凑性要求。 

第2电机19、减速器等部件经法兰盘固定在上基座4的侧面，也可将第2电机19安装于旋转中基座3头部中心，其安装方式能减小基座加速旋转时产生的振动幅度，但是会造成第2电机19、轴承及减速机维修的不便。顶基座18的几何中心线与上基座4的几何中心线始终重合，同时第3电机5输出的动力经减速器、圆锥滚子轴承施加在顶基座18，使除旋转顶基座18、上基座4、中基座3和下基座2之外的所有机构产生绕下基座2几何中心线的转动。项基座18和中基座3都能产生绕Z轴的旋转运动，如此设计的目的就是为了避免串联机构固有的弊端，使机构具有并联机构的特性，较好的降低其机构工作时可能产生的故障概率。 

项基座18、上基座4、中基座3构成了3个旋转基座，3个旋转基座的综合运动可以使喷头15快速到达作业位置。所述下基座2与导轨或地面通过螺栓固定，旋转的中基座3在第1电机1驱动下相对下基座2绕Z轴转动；旋转的上基座4在第2电机19驱动下相对旋转中基座3绕Y轴转动；旋转的项基座18在第3电机5驱动下相对于旋转的上基座4绕Z轴转动。因此，上述3个旋转 的中基座3、上基座4、顶基座18构成了串联式驱动方式，但与传统机器人的串联式驱动方式有所不同，上述3个旋转的基座具有三个转动自由度，分别为2个绕Z轴的转动自由度和1个绕Y轴的转动自由度。 

如图1所示，连杆的运动主要是实现在一定喷涂区域内的移动以及喷头姿态的调整。第5连杆7在第4电机6的驱动下产生绕第2连杆16、第1连杆12和第5连杆7共同轴线的转动。第6连杆8与第5连杆7是铰接连接的方式，将使第7连杆10、第8连杆11产生平动。假定第4连杆13不动，则喷头15将以喷头与第4连杆13、第8连杆11的交点连线为“半径”转动。同理，假定第8连杆11不动，第2连杆16在第5电机17的驱动下绕与第5连杆7共同的轴线转动，因第3连杆9与第2连杆16、第3连杆9与第4连杆13的铰接关系，将使喷头做平动。在实际中，由于喷涂机器人大多对复杂曲面进行作业，这就要求对6个驱动电机进行精确的控制，甚至还需要对控制喷涂流量泵轮的驱动电机也进行协同控制，才能使机器人的喷涂质量达到预先设定的要求。 

喷涂机器人的喷涂质量，受喷涂轨迹跟踪和喷涂流量控制方面的影响较大。一般需要对喷头的位置坐标和姿态进行控制，具体由对6个驱动电机转速和力矩的控制实现。通常情况下，电机转速的控制为闭环控制，目的是使喷头15能精确到达预先规划的喷涂区域。喷涂流量的控制主要是基于具体的喷涂要求。当工件喷涂的厚度需要增加时，可以适当增大流量。同时，喷头的运动轨迹需要优化，以便对整个表面进行均匀喷涂。 

平行四边形连杆机构驱动装置包括第4电机6、第5电机17和驱动电机第6电机14；所述的平行四边形连杆机构包括第1连杆12、第2连杆16、第3连杆9、第4连杆13、第5连杆7、第6连杆8、第7连杆10、第8连杆11；所述的驱动控制对象为动平台20和喷头15，实现在一定喷涂区域内的移动以及喷头姿态的调整。 

如图1、7所示，本发明第1连杆12为一个弯曲拨叉形状，其轴端12b分叉成两根驱动连杆12c和12d，第1连杆12的轴端12b与顶基座18铰接，第1连杆12的分叉驱动连杆12c和12d端轴孔12a通过销轴分别与第4连杆13铰接中间轴孔13c相连和与第7连杆10轴孔10c相连。本发明第1连杆12这样结构不仅增加了连杆强度和刚度，而且实现了一杆两用的目的。该共用销轴将三个平行四边形连杆结合于一体。 

如图1、8-9所示，第2连杆16为曲柄驱动连杆，第2连杆16大端16a与 顶基座18铰接，另一小端16b与第3连杆9一端9b铰接，第3连杆9为中间折弯的连杆，第3连杆9另一端9a再与第4连杆13邻近中间轴孔13c轴端13a铰接。 

如图11所示，第7连杆10为三角形连杆结构，每一个顶角均设置有铰接孔，两侧连杆10d、10e分别构成两个平行四边形连杆部分。 

如图1、12-13所示，第8连杆11的两端11a、11b分别与第7连杆10和喷头15铰接；喷头15与动平台20固结于一体，动平台20的延伸部分20a和20b分别与第4连杆13、第8连杆11铰接。 

为了实现喷头末端的两个方向的移动自由度，本发明通过三组并行平行四边形连杆驱动方式，其中： 

第1连杆12、第4连杆13、第3连杆9与第2连杆16组成第一平行四边形连杆机构；第5连杆7、第1连杆12、第6连杆8与第7连杆10组成第二平行四边形连杆机构；第4连杆13、第7连杆10、第8连杆11与动平台20组成第三平行四边形连杆机构。 

同时，第1连杆12端12a、第2连杆16端部16a与第5连杆7同一端的转动轴线共线，并分别由三个电机第5电机14、第5电机17和第4电机6驱动。 

上述第一平行四边形连杆机构与第二平行四边形连杆机构共用了第1连杆12；上述第一平行四边形连杆机构与第三平行四边形连杆机构共用了第4连杆13，上述第二平行四边形连杆机构与第三平行四边形连杆机构共用了第7连杆10。即实现三组并行平行四边形连杆驱动方式两两共杆驱动。上述第一平行四边形连杆机构所在平面与第二、三平行四边形连杆机构所在平面相互平行，而第二、三平行四边形连杆机构所在平面相互重合。 

如图1所示，上述三组并行平行四边形连杆共用同轴转动，即第1连杆12端部轴孔12a、第4连杆13的中间轴孔13c、第7连杆10轴孔10c所共用的转动轴。 

本发明巧妙地设置三组平行四边形连杆驱动方式，从而解决了现有技术开链式串联机器人的运动学正解简单但是其运动学逆解存在多解的问题，解决了现有技术开链式串联机器人需要在多组逆解中判断最佳解和控制系统比较复杂的问题，从而实现了在空间中喷头的位置由基座电机、三组平行四边形连杆转过的角度决定，这样的逆解计算简单且不存在多解，喷头的姿态由调节电机控制，这种控制方式也为轨迹规划带来了方便。 

本发明巧妙地设置三组平行四边形连杆驱动方式，三组平行四边形机构在设计时限制了最大压力角，在作业范围内，无论机器人转至何位置，运动和力的传递性能都能保持优良的水平； 

本发明巧妙地设置三组平行四边形连杆驱动方式，三组平行四边形机构的巧妙设计将三个驱动电机均集中布置到顶基座上。电机集中布置便可以方便的实现防尘防爆要求，提高了喷涂机器人在静电喷涂这种危险环境下的安全性和可靠性。 

本发明巧妙地设置三个平行四边形连杆驱动方式，由于引入了并联机构，本发明具有一些并联机构的优势，从而克服传统的串联开链式机器人各种缺陷，例如，传统的串联开链式机器人各杆件的驱动部件通常布置在关节处，这样越是靠近基座的杆件不仅要承受加在其末端的其他杆件的负载，还要承受在重量上比这些杆件更大的驱动电机的负载，导致机构笨重，动载荷较大。同时各串联的杆件相当于悬臂梁结构，刚度也较差。 

为增强整个机构的对称性以便对喷头15作业过程中可能产生的颤振进行抑制，第2连杆16和第5连杆7、第3连杆9、第6连杆8的尺寸完全相同，这样可以在生产中减少零部件制造的种类方便进行批量化生产，同时对称式的结构也兼顾了机构的美观性要求。 

上述平行四边形连杆机构驱动方式为：所述第1连杆12由第6电机14驱动，第2连杆16由第5电机17驱动、第5连杆7由第4电机6驱动。因此上述三组平行四边形连杆机构具有2个平移自由度，即沿y轴和z轴的2个移动自由度。加上基座3个转动自由度，因此，本发明提供了一种五自由度多平行四边形连杆并行的串并联驱动喷涂机器人。 

附图7A-7B示出本发明第1连杆12的结构。当上基座4相对中基座3转动90°时，此位置下的第1连杆12的弯曲变形尤为明显。为了使喷头作业始终能够实现预先规划的运动轨迹，需要充分考虑极端工况下第1连杆12的弯曲变形。设计的第1连杆12采用变截面结构，能保证第1连杆12的等强度，可以有效减小机构持续颤动时产生的外力对第1连杆12的疲劳损伤。第1连杆12为实现轻量化还去除了一部分材料，目的是减小机构运动时产生的动载荷。为了防止液流管道可能对喷涂表面造成的破坏，第1连杆12采取了内部中空的设计方案，这样可以防止液流管路刮擦喷涂之后的工件表面。同时，由于所有电机集中布置在基座上，第1连杆12的中空部位不存在现有机器人液流管路与电气管路共处同 一空间时的安全问题，相应的也降低了布置的难度。 

附图8A-8B示出本发明第2连杆16的结构。第2连杆16的主要功能就是将第5电机17的旋转运动转换为喷头15的直线平移运动，其一端与电机减速器的输出端轴孔配合，另一端与第3连杆9铰接。由于第1连杆12与第2连杆16共同对喷头的运动进行控制，其本身传递的动力较小，故有必要在实现基本功能的前提下注重轻量化要求。从产品制造的角度看，这种结构也是易于生产的。 

附图9A-9B示出了本发明第3连杆9的结构。作为平行四边形的一条边，其主要功能是将第5电机17的动力传递给喷头15。由于其传递的动力相对较小，其直径可以较小，甚至可以做出空心结构。在实现基本功能的基础上，将第3连杆9设计成弯管的构造，主要是为了实现结构的紧凑性，减少材料的使用量。同时，兼顾考虑机构的美观性。 

附图10A-10B示出了本发明第4连杆13的结构。第4连杆13的功能较多，首先是对喷头安装提供支撑作用；其次是传递第5电机17的动力，促使喷头17在规划区域内平动；最后是为液流管路的布置提供空间。第4连杆13与第1连杆12的结构类似，在内部采用中空构造，外部采用变截面设计。横截面采用变截面结构，主要是为了减小喷头的动载荷可能造成第4连杆13的弯曲变形，特别是其在第1连杆12的铰接处其变形最大造成的破坏也最严重，用等强度的结构设计可以提高其使用寿命。为降低其载荷对结构的影响，第4连杆13还去除了一部分材料，减轻了自身重量。 

附图11A-11B示出了本发明第7连杆10的结构。第7连杆10与第1连杆12、第4连杆13共轴线铰接。第7连杆10的功能有两项，首先是传递第4电机6的动力至第8连杆11，使喷头15能够以其与第4连杆13的铰接点为圆心，以其分别与第8连杆11、第4连杆13铰接点之间的连线为半径作圆周转动。其次，第7连杆10的两个边分别作为两个平行四边形的一边。由于第7连杆10的两边夹角固定不变，使得喷头15的姿态控制变得简单，仅仅可以通过对第4电机6的转速控制，间接实现对第5连杆7的位移、速度、加速度控制，并最终实现对喷头15姿态的控制。第7连杆10的内部为中空构造，主要考虑到其传递的动力值有限，上述设计足以满足其功能要求。 

附图12A-12B示出了本发明第8连杆11的结构。第8连杆11分别与喷涂P15、第7连杆10铰接，其功能是传递第4电机6的动力，以便对喷头15的姿态进行调整。由于其传递的动力有限，其设计的直径较小，甚至可以设计成空心 结构，以便进一步减小其自身重量。考虑到机构的观赏性，其设计采取了对称结构，也易于加工制造。 

附图13A-13B示出了本发明喷头15和动平台20所构成的总成结构。喷头15的设计主要基于三点：首先是实现涂料的喷涂，其内部需设计有小孔，以便喷涂材料在高压下均匀喷出；其次，喷头15和动平台20固结于一体，动平台20与第4连杆13、第8连杆11必须很好的铰接，以便可靠的实现喷头15的平动和姿态调整；喷涂15设计中注重了尺寸的最小化，以便喷头15能从狭小的孔壁中伸入到零部件的内部，减小喷涂机器人使用时空间尺寸的约束限制。设计考虑了喷头15与第4连杆13、第8连杆11铰接时的要求，并在满足可靠性的前提下降低其自身重量，减小其运动时的动载荷。 

在本专利申请中，没有对电机、控制器、减速器、轴承等部件进行展开论述，主要是因为这些部件没有涉及到专利的本质特征。可以根据喷涂机器人的使用工况、材料、各部件的具体尺寸等已知参数选择这些部件合适的种类和参数。 

本发明所提供的五自由度喷涂机器人的连杆尺寸可以根据实际的喷涂对象外廓尺寸和喷涂轨迹规划进行优化设计。该喷涂机器人不仅运动学正解、逆解简单并且唯一，易于实现轨迹规划和控制，而且其运动工作空间较大，能够实现大轮廓构件和复杂表面的喷涂。同时，该机器人中驱动电机集中布置在基座处，不仅能够减小机器人的连杆质量，降低零部件所承受的载荷，而且易于实现安全防爆工作，能够有效保证使用安全，降低生产成本。 

为了便于理解，本说明书给出具体实施本发明的各种实施方式，对于本领域技术人员来说，上述各种实施方式仅仅是示例性的，而不能穷尽本发明各种潜在的实施方式，如本发明大臂可采用分体结构、第1连杆采用杆形结构等；本发明三角连杆结构采用三角板替代方式；连杆的空心和实心结构，以及省略为了减少振动和疲劳损伤的第1连杆和第4连杆变截面设计的变劣替换，以及多四边形连杆并行机构左右位置顺序关系和数量增减，和将此多平行四边形连杆并行驱动的喷涂机器人用于产品搬运、产品装配、防爆装置拆卸、探测、消防等各种机器人应用领域。这些变化、修改、改动以及应用调整都没有脱离本发明的实际精神和有效保护范围内。 

Claims (17)

1.一种多平行四边形连杆并行的串并联驱动喷涂机器人，其包括串联驱动基座总成、三组并行的平行四边形连杆机构和动平台(20)，其特征在于所述的串联驱动基座总成包括固定不动的下基座(2)和依次串联在其上的由中基座(3)、上基座(4)、顶基座(18)所构成的3个旋转基座，在所述的顶基座(18)平台上还设置有三组驱动电机(14、6、17)，所述的3个旋转基座(3、4、18)和该三组驱动电机(14、6、17)一同通过所述的三组并行的平行四边形连杆机构协同驱动所述的动平台(20)。

2.如权利要求1所述的多平行四边形连杆并行的串并联驱动喷涂机器人，其特征在于所述的中基座(3)、上基座(4)、顶基座(18)旋转动力源分别为第1电机(1)、第2电机(19)和第3电机(5)；所述的第1电机(1)放置在下基座(2)的正中心；所述的第2电机(19)固定在上基座(4)的侧面；所述的第3电机(5)设置在旋转的顶基座(18)平台上。

3.如权利要求2所述的多平行四边形连杆并行的串并联驱动喷涂机器人，其特征在于所述的第1电机(1)驱动所述的中基座(3)绕Z轴转动；所述的第2电机(19)驱动所述的上基座(4)绕Y轴转动；所述的第3电机(5)驱动所述的顶基座(18)绕Z轴转动，所述的串联驱动基座总成具有三个转动自由度。

4.如权利要求2或3所述的多平行四边形连杆并行的串并联驱动喷涂机器人，其特征在于所述上基座(4)的几何中心垂直轴线与所述中基座(3)的几何中心垂直轴线重合。

5.如权利要求1或2或3所述的多平行四边形连杆并行的串并联驱动喷涂机器人，其特征在于所述的三组并行的平行四边形连杆机构包括由第1连杆(12)、第4连杆(13)、第3连杆(9)与第2连杆(16)组成的第一平行四边形连杆机构；由第5连杆(7)、第1连杆(12)、第6连杆(8)与第7连杆(10)组成的第二平行四边形连杆机构；由第4连杆(13)、第7连杆(10)、第8连杆(11)与动平台(20)组成的第三平行四边形连杆机构。

6.如权利要求4所述的多平行四边形连杆并行的串并联驱动喷涂机器人，其特征在于所述的第1连杆(12)为一个弯曲拨叉形状，其轴端(12b)分叉成两根驱动连杆(12c、12d)，第1连杆(12)的轴端(12b)与顶基座(18)铰接，第1连杆(12)的分叉驱动连杆(12c、12d)的两个端轴孔(12a)通过销轴分别与第4连杆(13)铰接中间轴孔(13c)相连和与第7连杆(10)轴孔(10c)相连，所述的第一平行四边形连杆机构由第1连杆(12)分叉驱动连杆之一(12c)、第4连杆(13)的铰接中间轴孔(13c)与其邻近的轴端(13a)之间部分连杆、第3连杆(9)与第2连杆(16)组成。

7.如权利要求4所述的多平行四边形连杆并行的串并联驱动喷涂机器人，其特征在于所述的第1连杆(12)为一个弯曲拨叉形状，其轴端(12b)分叉成两根驱动连杆(12c、12d)，第1连杆(12)的轴端(12b)与顶基座(18)铰接，第1连杆(12)的分叉驱动连杆(12c、12两个端轴孔(12a)通过销轴分别与第4连杆(13)铰接中间轴孔(13c)相连和与第7连杆(10)轴孔(10c)相连，第7连杆(10)为三角形连杆结构，每一个顶角均设置有铰接孔，两侧连杆(10d、10e)分别构成两个平行四边形连杆部分，所述的第二平行四边形连杆机构由第5连杆(7)、第6连杆(8)、第7连杆(10)的两侧连杆之一(10d)、第1连杆(12)、与分叉驱动连杆之(12d)组成。

8.如权利要求4所述的多平行四边形连杆并行的串并联驱动喷涂机器人，其特征在于所述的第7连杆(10)为三角形连杆结构，每一个顶角均设置有铰接孔，两侧连杆(10d、10e)分别构成两个平行四边形连杆部分，所述的第三平行四边形连杆机构由第4连杆(13)铰接中间轴孔(13c)与其远离端(13b)之间部分连杆、第7连杆(10)的两侧连杆之(10e)、第8连杆(11)与动平台(20)延伸部分(20a)组成。

9.如权利要求4所述的多平行四边形连杆并行的串并联驱动喷涂机器人，其特征在于所述的第一平行四边形连杆机构所在平面与第二、三平行四边形连杆机构所在平面相互平行，而第二、三平行四边形连杆机构所在平面相互重合。

10.如权利要求4所述的多平行四边形连杆并行的串并联驱动喷涂机器人，其特征在于所述的第1连杆(12)采用弯曲拨叉形状变截面结构，其弯曲拨叉中空部位为液流管路布置通道。

11.如权利要求4所述的多平行四边形连杆并行的串并联驱动喷涂机器人，其特征在于所述的第3连杆(9)设计成弯管构造。

12.如权利要求4所述的多平行四边形连杆并行的串并联驱动喷涂机器人，其特征在于所述的第4连杆(13)在内部采用中空构造，外部采用变截面设计。

13.如权利要求4所述的多平行四边形连杆并行的串并联驱动喷涂机器人，其特征在于所述的第7连杆(10)整体的内部为中空构造的三角形连杆结构。

14.如权利要求1所述的多平行四边形连杆并行的串并联驱动喷涂机器人，其特征在于还包括一个喷头(15)，所述的喷头(15)固结在所述的动平台(20)的连接部分上。

15.如权利要求4所述的多平行四边形连杆并行的串并联驱动喷涂机器人，其特征在于所述的第2连杆(16)和第5连杆(7)的尺寸参数完全相同；第3连杆(9)与第6连杆8的尺寸参数完全相同。

16.如权利要求4所述的多平行四边形连杆并行的串并联驱动喷涂机器人，其特征在于所述的第1连杆(12)、第2连杆(16)与第5连杆(7)同一端的转动轴线重合，并分别由第6电机(14)、第5电机(17)和第4电机(6)驱动。

17.如权利要求15所述的多平行四边形连杆并行的串并联驱动喷涂机器人，其特征在于所述的第4电机(6)、第5电机(17)和第6电机(14)水平共轴线。18、一种多平行四边形连杆并行的串并联驱动机器人，采用如权利要求1-17所述的多平行四边形连杆并行驱动喷涂机器人的结构，其用于产品搬运、产品装配、探测、消防等领域中。