CN106346461A - 一种伺服控制3d绘图机器人 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种伺服控制3D绘图机器人，由3‑DOF并联底座、腰部辅助装置和五连杆机器人执行机构组成。该伺服控制3D绘图机器人在实际工作中能以较小的驱动力矩来实现平面和空间绘图操作。其中，五连杆机器人执行机构利用五连杆结构实现二维平面复杂曲线绘制，五连杆结构利用适当的过盈配合，降低传动误差，使绘图过程便于精确稳定的控制；腰部辅助装置采用了嵌入式的结构，利用伺服电机增加可执行的工作空间；而仿人体肩部运动的3‑DOF并联底座使得绘图机器人能实现三自由度的空间绘图操作。产品具有结构灵活、占用空间小、兼容性及稳定性好、质量轻、成本低且定位精度良好等优点。

Description

一种伺服控制3D绘图机器人

技术领域

本发明属于仿生机器人的设计技术领域，具体涉及一种可以完成对实体表面绘图工作的伺服控制3D绘图机器人。

背景技术

绘图机器人是指一种可以模拟人体手臂的绘图和写作过程独立绘制人物肖像画和书写艺术字的机器人。在工业生产中，绘图机器人主要完成对零件的型号、尺寸进行编号、简单雕刻等功能。当今科技界对绘图机器人的研究大体上是沿着三个方向前进：一是让绘图机器人具有更强的智能和功能；二是让绘图机器人更具人性，也就是更像人；三是微型化，即让绘图机器人可以做更多细致的工作。

目前本领域公知的性能比较先进的智能型绘图机器人主要有Google公司生产的肖像画机器人、德国BAHR公司出品的直角坐标型写字机器人、日本东京大学工业科学研究所研制的关节型机器人以及上海交通大学和ABB公司研发的“神笔马良”肖像漫画绘制机器人等，但上述绘图机器人在实际应用中不同程度地都还存在有结构单一、自由度少、兼容性差、定位精度差以及不能同时适应平面和空间绘图要求等问题。

发明内容

本发明的目的在于对现有技术存在的问题加以解决，围绕空间复杂曲线的绘制方式并运用仿生学原理，提供一种结构灵活、占用空间小、兼容性好、质量轻、成本低且定位精度良好的伺服控制3D绘图机器人。

为了达到上述目的，本发明采用的技术解决方案如下：

一种伺服控制3D绘图机器人，由3-DOF并联底座、腰部辅助装置和五连杆机器人执行机构组成，其中，

所述的3-DOF并联底座(3自由度并联底座)具有一个底座和一个位设于底座上方的上底板(并联底座)，在底座和上底板间设置有三组周向彼此相距120°的直线电机滚珠丝杠副，各滚珠丝杠副的丝杠端由直线电机控制并铰装在底座上，各滚珠丝杠副的螺母端铰装在上底板的下面；

所述的腰部辅助装置具有一个设置在上底板上的伺服电机，在伺服电机外罩配有带散热孔的电机罩，用于在保护电机同时避免伺服电机过热，在电机罩的上端设有推力轴承和法兰；

所述的五连杆机器人执行机构具有一副由机架、两个大臂和两个小臂组成的五连杆机构，机架与腰部辅助装置中伺服电机的电机轴相连，另外借助法兰和推力轴承实现腰部辅助装置对机架的辅助支撑，以确保电机的轴向力的安全和机架旋转运行的平稳性，在机架与两个大臂的相交连接位置处各设有一个用于控制大臂转角的舵机，在两个小臂的相交连接位置处装配有用于夹持绘图工具的夹具。

另外，为了执行部运行的稳定性和伺服电机轴向受力的安全，在执行部和腰部之间增加辅助装置：利用电机罩上凹槽嵌入推力轴承，推力轴承上面嵌入机架下面法兰里。最后，机架先与法兰连接，再通过键传递扭矩实现控制机架的回转

本发明进一步的技术解决方案还在于：在3-DOF并联底座上底板的下面设置有三个周向彼此相距120°的U型座，三个滚珠丝杠副的螺母端分别铰装在一个对应的U型座上。

本发明进一步的技术解决方案还在于：腰部辅助装置中的伺服电机通过电机基座设置在上底板上。

本发明进一步的技术解决方案还在于：在腰部辅助装置中电机罩的圈壁上开有多个散热孔。

本发明进一步的技术解决方案还在于：五连杆机器人执行机构中的大臂和小臂间通过关节结构相连，其中的关节结构由连接在大臂上的轴承套、配置在轴承套内的滚动轴承以及与小臂连接的螺纹轴组成，螺纹轴下部轴杆的外圈与滚动轴承基孔制过盈配合，滚动轴承的外圈与轴承套基轴制过盈配合，大臂和小臂的轴向由螺栓固定。其中过盈配合有效的控制径向误差。

本发明所述的伺服控制3D绘图机器人在实际工作中能以较小的驱动力矩来实现平面和空间绘图操作。其中，五连杆机器人执行机构利用五连杆结构实现二维平面复杂曲线绘制且易于控制，同时在五连杆结构中利用轴承和轴适当的过盈配合，让动力传动累积误差得到有效降低，让绘图更加平稳，从而使绘图过程便于精确稳定的控制；机器人腰部辅助装置采用了嵌入式的结构，通过加装伺服电机的形式增加机器人执行机构的工作空间；而仿人体肩部运动模式设计的3-DOF并联底座使绘图机器人能实现三自由度的空间绘图操作，最终完成了3D绘图机器人的本体结构设计。

附图说明

图1是本发明一个具体实施例的主视向结构示意图。

图2是本发明中机器人腰部辅助装置部分的剖面结构示意图。

图3是本发明中五连杆机器人执行机构部分的结构示意图。

图4是五连杆机器人执行机构中大臂与小臂连接的剖视结构示意图。

图5是本发明的立体结构示意图。

附图中各数字标号的名称分别是：1－滚珠丝杠副；2－U型座；3－销轴；4－电机罩；5－推力轴承；6－螺栓；7－舵机；8－法兰；9－螺栓；10－机架；11－螺栓；12－螺母；13－垫圈；14－轴承套；15－夹具；16－小臂；17－大臂；18－螺纹轴；19－圆螺母；20－电机基座；21－上底板；22－伺服电机；23－底座；24－直线电机；25－销；26－电机丝杠；27－滚动轴承；28－圆螺母；29－螺栓；30－散热孔。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，以下将结合附图及实施例对本发明实施方式作进一步地详细说明。

参见附图，本发明所述的伺服控制3D绘图机器人由自下而上依次设置的3-DOF并联底座、腰部辅助装置和五连杆机器人执行机构三部分具有独立功能的构件组成。

3-DOF并联底座的结构参见图1、图5，由滚珠丝杠副1、U型座2、销轴3、上底板(并联底座)21、底座23、直线电机24、销25、电机丝杠26(直线电机24的输出轴，主要用于与滚珠丝杠副1形成具有反向自锁性的丝杠副)等组成。其中上底板21与底座23按上下位设置，在上底板21与底座23之间设置有三组周向彼此相距120°的直线电机滚珠丝杠副1，在上底板21的下面设置有三个周向彼此相距120°的U型座2，各滚珠丝杠副1的丝杠端均由直线电机24控制并铰装在底座23上，各滚珠丝杠副1的螺母端则分别通过一个对应的U型座2铰装在上底板21的下面。以上结构中，3—DOF并联底座内的底座23主要功能是保持重心的稳定，工作时借助U型座2和直线电机滚珠丝杠副1将上底板21与底座23连接起来，通过控制直线电机使底座的上底板21进行角度的调整。

腰部辅助装置位于3-DOF并联底座之上，其结构参见图1、图2和图5。它由电机基座20、伺服电机22、电机罩4、推力轴承5、法兰8、螺栓29等组成。电机基座20设置在上底板21上，伺服电机22通过螺栓29连装在电机基座20上，在伺服电机22外罩配有电机罩4，伺服电机22的电机轴穿过电机罩4和推力轴承5中心孔与机架10相连；为了保护伺服电机22同时避免伺服电机22过热，在腰部辅助装置中电机罩4的圈壁上开有多个散热孔30。工作中，通过对伺服电机22的控制，可使腰部辅助装置进行回转。

五连杆机器人执行机构位于腰部辅助装置之上，其结构参见图1、图3、图4及图5。它由舵机7、机架10、垫圈13、轴承套14、夹具15、小臂16、大臂17、螺纹轴18、圆螺母19、28、滚动轴承27等组成。其中机架10、两个大臂17和两个小臂16依序相连组成一副五连杆机构，在机架10与两个大臂17的相交连接位置处各设有一个用于控制大臂17转角的舵机7，在两个小臂16的相交连接位置处装配有用于夹置绘图工具的夹具15。五连杆机器人执行机构的具体结构设计上，大臂17和小臂16之间通过关节结构相连，所述的关节结构由连接在大臂17上的轴承套14、配置在轴承套17内的滚动轴承27以及与小臂16连接的螺纹轴18组成，螺纹轴18下部轴杆的外圈与滚动轴承27基孔制过盈配合，滚动轴承27的外圈与轴承套14基轴制过盈配合，组成高精度的径向传动。大臂17和小臂16的轴向由螺栓11固定。结构装配时先用螺母28夹紧滚动轴承27的内圈，再用螺母12和螺栓11将轴承套14固定在大臂17上；最后，通过圆螺母19和垫圈13夹紧将小臂16固定在关节上。实际工作中，通过与大臂相连的两个舵机7准确地控制两个大臂17的转角，进而实现夹具15上的绘图工具准确定位，最终保证复杂曲线绘制的精度。另为了五连杆机器人执行机构运行的稳定性和伺服电机22轴向受力的安全，在五连杆机器人执行机构和腰部辅助装置之间增加辅助装置：即在电机罩4上凹槽内嵌入推力轴承5，并使推力轴承5的上面嵌入在机架10下面法兰8里，以此使机架10先与法兰8连接，再通过键传递扭矩实现控制机架10的回转。工作中，通过对伺服电机22的控制，进而可使机架10回转，实现腰部辅助装置调节的功能。

本发明的工作过程是：首先，在面对平面绘图要求时，3-DOF并联底座相对独立的进行位姿调整，到达指定位置，即比如：通过在底座中加装的传感器反馈，人们通过手动或自动控制实现三个直线电机轴的长短，类似于人的肩部运动，快速的达到倾斜和竖直；在这个过程中，通过控制机器人腰部辅助装置中伺服电机360度的回转，使五连杆机器人执行机构迅速到达工作区域上方，这时五连杆机器人执行机构已经由两个舵机控制准备好了，等待平面绘图指令；由于实际电机指令和电机回转较快，这三个部分的运动很连贯，类似于人拿起笔根据大脑的想法进行书写，具有很好的拟人性；另外，在操作过程中，由于是模块化设计，它能够同时兼容手动控制和程序控制两种任务，而且可以根据使用者的水平自行选择手动控制部分，从而具有很好的控制性和通用性；最后，由于三个部分既能相互协作，也能独立的进行简单工作，故而能有很好的稳定性和智能架构基础。该3D绘图机器人的工作过程与空间绘图任务和功耗较大的雕刻任务的工作过程基本一致，其主要区别在于：3—DOF底座的位姿调整和三个部分的协作更加紧密。

与现有技术相比，本发明的优点是：该伺服控制3D绘图机器人通过模块化设计，模拟人手臂的绘图过程，合理的找到实现其相应功能的结构。在保证精度和质量的前提下，结合关节型机器人和并联型机器人结构优点，在目前绘图机器人的功能的基础上，增加了自由度，模块化的设计减少了系统反馈能有效的克服累计误差对绘图效果的影响，也增加了程序的可实现性。3D绘图机器人的三部分功能独立，面对立体图时，三个部分相互支撑，互为基点，既可以实现现在的绘图功能，也可以实现对机器人结构要求高的雕刻工作。在人工智能不断发展的今天，3D绘图机器人混联结构具有很好拟人性、控制性、稳定性以及通用性。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种伺服控制3D绘图机器人，其特征在于：由3-DOF并联底座、腰部辅助装置和五连杆机器人执行机构组成，其中，

所述的3-DOF并联底座具有一个底座(23)和一个位设于底座(23)上方的上底板(21)，在底座(23)和上底板(21)间设置有三组周向彼此相距120°的直线电机滚珠丝杠副(1)，各滚珠丝杠副(1)的丝杠端由直线电机(24)控制并铰装在底座(23)上，各滚珠丝杠副(1)的螺母端铰装在上底板(21)的下面；

所述的腰部辅助装置具有一个设置在上底板(21)上的伺服电机(22)，在伺服电机(22)外罩配有带散热孔的电机罩(4)，在电机罩(4)的上端设有推力轴承(5)和法兰(8)；

所述的五连杆机器人执行机构具有一副由机架(10)、两个大臂(17)和两个小臂(16)组成的五连杆机构，机架(10)与腰部辅助装置中伺服电机(22)的电机轴相连，另外借助法兰(8)和推力轴承(5)实现腰部辅助装置对机架(10)的辅助支撑，在机架(10)与两个大臂(17)的相交连接位置处各设有一个用于控制大臂(17)转角的舵机(7)，在两个小臂(16)的相交连接位置处装配有夹具(15)。

2.根据权利要求1所述的伺服控制3D绘图机器人，其特征在于：在3-DOF并联底座上底板(21)的下面设置有三个周向彼此相距120°的U型座(2)，三个滚珠丝杠副(1)的螺母端分别铰装在一个对应的U型座(2)上。

3.根据权利要求1所述的伺服控制3D绘图机器人，其特征在于：腰部辅助装置中的伺服电机(22)通过电机基座(20)设置在上底板(21)上。

4.根据权利要求1所述的伺服控制3D绘图机器人，其特征在于：在腰部辅助装置中电机罩(4)的圈壁上开有多个散热孔(30)。

5.根据权利要求1所述的伺服控制3D绘图机器人，其特征在于：五连杆机器人执行机构中的大臂(17)和小臂(16)间通过关节结构相连，其中的关节结构由连接在大臂(17)上的轴承套(14)、配置在轴承套(17)内的滚动轴承(27)以及与小臂(16)连接的螺纹轴(18)组成，螺纹轴(18)下部轴杆的外圈与滚动轴承(27)基孔制过盈配合，滚动轴承(27)的外圈与轴承套(14)基轴制过盈配合，大臂(17)和小臂(16)的轴向由螺栓(11)固定。