CN108032334B - 六轴工业机器人防护服“弯-弯”关节运动补偿设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种六轴工业机器人防护服“弯‑弯”关节运动补偿设计方法，首先通过以运动关节的运动轴心为中心进行双向放量，将二轴和三轴作简单包覆；之后通过松量的转移，将二轴和三轴的运动松量转移到连杆部分的包覆中，结合二轴和三轴的运动依次进行分段式的运动补偿设计和绘制，其中，上段为三轴运动补偿，中段为基本松量，下段为二轴运动补偿；根据穿脱便利性设计分割线，沿分割线通过投影映射法将其展开得到版样图。本发明能设计出符合工业机器人运动的防护服。

Description

六轴工业机器人防护服“弯-弯”关节运动补偿设计方法

技术领域

本发明涉及工业机器人防护服设计技术领域，特别是涉及一种六轴工业机器人防护服“弯-弯”关节运动补偿设计方法。

背景技术

近年来，工业机器人行业发展迅猛，工业机器人的应用几乎渗透到了各行各业，各主 要国家也纷纷出台了相关的战略规划。工业机器人提高了劳动生产率和产品的加工精度， 降低了工作人员的日常工作强度，但是大多数的机器人工作环境都十分恶劣，如焊接机器 人在工作中需要面对局部高温和飞溅的火花的威胁，清洗机器人需要面对碱性洗液的腐蚀 和进水的威胁等。因此就产生了工业机器人防护服，它们为机器人营造了一个稳定的微环 境，帮助它们抵御外界的侵袭，进而减少了维修费用，并在一定程度上延长了机器人的使 用寿命。

但是，目前工业机器人防护服的设计主要还是遵循人体服装“原型法”的设计思路：以典型静态位置的整体包覆为基础，结合运动特点再进行补充的补偿设计。这样的设计方法在实际应用中存在较大的局限性，因为机器人是关节连接的产物，而关节的设计和组合在不同的机器人身上都有不同的体现，即使是同一型号的机器人，通过不同的附加组件，其外观形态和运动形态都有可能随之改变，而且机器人防护服最需要关注的一点就是在机器人运动状态下服装不会产生拉扯撕裂，相应的设计也应以运动关节的组合联系为基础，而不是整体包覆之后再对运动需求加以考量。此外，传统的防护服松量设计大多基于设计师的经验，没有可推而广之的设计理论和对应的松量计算方法提出，因此在人才扩张和自动化版样生成方面都存在较大的困难。

典型六轴机器人的运动特点有(以下运动数据仅为常见的机器人运动范围，仅供参考)：其中J1为转盘，作中心旋转运动，运动范围约在-180°～+180°；J2为大臂，作杠杆运动，运动范围约在-60°～+76°；J3为小臂，作杠杆运动，运动范围约在-160°～+60°；J4为转头，作中心旋转运动，运动范围约在-180°～+180°；J5为摆头，作杠杆运动，运动范围约在-110°～+110°；J6为转腕，作中心旋转运动，运动范围约在-180°～+180°。

根据六轴机器人的运动特点，二轴和三轴的运动为大范围的弯曲运动，需要的运动补偿量较大，因此在对应防护服设计中是一大难点。而传统的设计方法是根据运动角度，结合设计者的经验进行运动补偿的设计，缺乏理论依托。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种六轴工业机器人防护服“弯-弯”关节运动补偿设计方法，能设计出符合工业机器人运动的防护服。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种六轴工业机器人防护服“弯- 弯”关节运动补偿设计方法，首先通过以运动关节的运动轴心为中心进行双向放量，将二轴和三轴作简单包覆；之后通过松量的转移，将二轴和三轴的运动松量转移到连杆部分的包覆中，结合二轴和三轴的运动依次进行分段式的运动补偿设计和绘制，其中，上段为三轴运动补偿，中段为基本松量，下段为二轴运动补偿；根据穿脱便利性设计分割线，沿分割线通过投影映射法将其展开得到版样图。

所述双向放量具体包括以下步骤：

以二轴的运动轴线及一轴的运动轴线为基础，进行双向放量；

以三轴的运动轴线及四轴的运动轴线为基础，进行双向放量；

中间连杆部分以二轴和三轴的运动轴心连线，沿其所在的并与外轮廓面相垂直的截面，进行双向放量。

所述二轴运动补偿包括以下步骤：

结合运动的曲面变化特点，确定二轴运动补偿的高度：结合上仰下俯的两种状态，将下俯运动中拉伸端的二轴包覆运动缺口点向外移动一个单位的二轴基本松量，得到S点，并在该侧形成小斜面，再通过下俯运动中的几何关系确定风琴的高度h；

利用推算的风琴静态高度h，通过经验公式

确定风琴个数n；

在连接部分的中段下端的基本松量线上取一点Q，作为中段和下段的分割点，使点Q 到点S的距离满足

其中，点Q'为二轴作下俯运动后点Q的位置，点S为外扩松量线与二轴关节包覆线的交点，点O为二轴运动圆心，r₁为点O到点S的距离；

利用对称性找到点Q的对称点P，在点N和点S所在直线上找一点M，使点N到点M 的距离满足

点N为下段外扩松量线与风琴结构交点，点P'为二轴做上仰运动后点P的位置，r₂为点O到点P的距离；

连接点N和点P，并过点N画水平线使与二轴包覆结构相交，最终得到二轴运动补偿结构。

所述三轴运动补偿包括以下步骤：

在原有运动接口的位置再外放两个单位的三轴横向松量，以确定三轴与连接部分的外扩松量点的位置；

根据三轴上仰和下俯的运动状态，选取上仰状态进行分析。通过几何演算得到松紧结构补偿量；

选取外扩松量线上靠近四轴的一侧的最高点和最低点的曲线的二分点作为松紧带的起点，以松紧结构补偿量作为偏移量向下移动，过该点画一水平线使与连接部分基本松量线相交；

连接两端的外扩点与各边交点，形成上段防护服外轮廓线；

取水平线段的两侧四分点与上端的两点相连，得到松紧结构的位置线；

将松紧结构位置线绕其中点旋转至与边缘线基本平行，同时删去水平线，得到三轴运动补偿。

有益效果

由于采用了上述的技术方案，本发明与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：本发明通过关注大角度弯曲运动的二轴和三轴的“弯-弯”组合的运动补偿设计，并根据几何演算给出了具体的设计方法和松量计算公式，将该段的设计原理和设计方法都进行了统一，可以为自动化版样生成提供理论基础，从而设计出符合工业机器人运动的防护服，同时也便于相关人才的扩张培养。

附图说明

图1是工业机器人防护服设计图；

图2是二轴松量设计图，其中，图2A为正视图，图2B为侧视图；

图3是三轴松量设计图，其中，图3A为正视图，图3B为侧视图；

图4是连杆部分松量设计图；

图5是二轴运动示意图，其中，图5A为上仰示意图，图5B为下俯示意图；

图6是二轴下俯运动中几何关系示意图；

图7是二轴上俯运动中几何关系示意图；

图8是二轴运动补偿示意图；

图9是三轴运动补偿外扩松量设计图；

图10是三轴运动示意图，其中，图10A为上仰示意图，图10B为下俯示意图；

图11是三轴上仰运动几何关系图；

图12是三轴运动补偿设计图；

图13是带有上段防护服外轮廓线的三轴运动补偿设计图；

图14是四分点的三轴运动补偿设计图；

图15是最终三轴运动补偿设计图；

图16是分割线设计图，其中图16A为正视图，图16B为侧视图；

图17是二轴关节包覆版样图；

图18是二轴与三轴连接部分版样图；

图19是三轴关节包覆版样图。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

本发明的实施方式涉及一种六轴工业机器人防护服“弯-弯”关节运动补偿设计方法，首先通过以运动关节的运动轴心为中心进行双向放量，将二轴和三轴作简单包覆；之后通过松量的转移，将二轴和三轴的运动松量转移到连杆部分的包覆中，结合二轴和三轴的运动依次进行分段式的运动补偿设计和绘制，其中，上段为三轴运动补偿，中段为基本松量，下段为二轴运动补偿；根据穿脱便利性设计分割线，沿分割线通过投影映射法将其展开得到版样图。

下面以图1所示的图1为工业机器人防护服设计为例进一步说明本发明，本发明的设计方法的具体步骤如下：

(1)以二轴的运动轴线及一轴的运动轴线为基础，进行双向放量。其松量设计如图2 所示，设计公式为

其中，d_纵为二轴纵向上两端的松量大小，d_横为二轴横向上两端的松量大小，D_2纵i、D_2纵i+1二轴纵向上离轴心最远的两个点与轴心的距离，D_2横i、D_2横i+1二轴横向上离轴心最远的两个点与轴心的距离。

(2)以三轴的运动轴线及四轴的运动轴线为基础，进行双向放量。其放量示意图见图3，放量大小计算公式为d₃＝10％×(D_3i+D_3i+1)，其中，d₃为三轴轴向上两端的松量大小，D_3i、D_3i+1为三轴轴向上离轴心最远的两个点与轴心的距离。

(3)中间连杆部分以二轴和三轴的运动轴心连线，沿其所在的、与外轮廓面相垂直的截面，进行双向放量。具体设计见图4，放量大小计算公式为d_连＝18％×D_连，其中，d_连为连杆各轴向上的松量大小，D_连为正视图下连杆部分宽度的平均值。

(4)结合运动的曲面变化特点，确定二轴运动补偿(即下段补偿)的高度。结合上仰下俯的两种状态(取运动极限为上仰60°，下俯76°，图示见图5)，将下俯运动中上端的二轴包覆运动缺口点向外移动一个单位的二轴基本松量形成小斜面。再通过下俯运动中的几何关系确定风琴的高度(见图6)；

(5)确定风琴个数。选取工业设计中普遍采用的标准：一个梯度的风琴垂直高度为60mm，风琴结构的完全展开尺寸：静态尺寸(未拉伸展开的尺寸)约为6:1。在设计中利用上述的风琴静态高度确定风琴个数；

(6)在连接部分的基本松量线上取一点Q，使点Q到点S的距离满足

其中，点Q'为二轴做下俯运动后点Q的位置，点S为外扩松量线与二轴关节包覆线的交点，点O为二轴运动圆心，r₁为点O到点S的距离。

(7)利用对称性找到点Q的对称点P，在点N和点S所在直线上找一点M，使点N 到点M的距离满足

点N为下段外扩松量线与风琴结构交点，点P'为二轴做上仰运动后点P的位置，r₂为点O到点P的距离，其中，二轴上仰运动中几何关系如图7所示。

(8)连接点N和点P，并过点N画水平线使与二轴包覆结构相交，最终得到二轴运动补偿结构，见图8。

(9)在原有运动接口的位置再外放两个单位的三轴横向松量，以确定三轴与连接部分的外扩松量点的位置(见图9)。

(10)计算三轴运动所需总的补偿量。选取工业生产中普遍使用的极限运动角度：上仰76°、下俯60°，进行说明(见图10)。根据上仰和下俯的运动状态，选取上仰状态进行分析。如图11所示，通过几何演算得到松紧结构补偿量

点A 为外扩松量下连接部位与三轴左侧交点，点A'为三轴做上仰运动后点A的位置，O'为三轴运动圆心。

(11)根据近似原理，认为松紧结构补偿量即为松紧结构纵向变化量。选取外扩松量线上左端(靠近四轴的一侧)最高点和最低点的曲线的二分点作为松紧带的起点，以松紧结构补偿量作为偏移量向下移动，过该点画一水平线使与连接部分基本松量线相交(见图12)。

(12)连接两端的外扩点与各边交点，形成上段防护服外轮廓线(见图13)。

(13)取水平线段的两侧四分点与上端的两点相连，得到松紧结构的位置线(见图14)。

(14)将松紧结构位置线绕其中点旋转至与边缘线基本平行，同时删去水平线，得到三轴运动补偿最终效果图(见图15)。

(15)根据穿脱便利性设计分割线(见图16中的浅色线迹)。

(16)沿分割线通过投影映射法将其展开(见图17～图19)。

Claims (2)

1.一种六轴工业机器人防护服“弯-弯”关节运动补偿方法，其特征在于，首先通过以运动关节的运动轴心为中心进行双向放量，将二轴和三轴作简单包覆；之后通过松量的转移，将二轴和三轴的运动松量转移到连杆部分的包覆中，结合二轴和三轴的运动依次进行分段式的运动补偿设计和绘制，其中，上段为三轴运动补偿，中段为基本松量，下段为二轴运动补偿；根据穿脱便利性设计分割线，沿分割线通过投影映射法将其展开得到版样图；

所述二轴运动补偿包括以下步骤：

结合运动的曲面变化特点，确定二轴运动补偿的高度：结合上仰下俯的两种状态，将下俯运动中拉伸端的二轴包覆运动缺口点向外移动一个单位的二轴基本松量，得到S点，并在该侧形成小斜面，再通过下俯运动中的几何关系确定风琴结构的高度h；

利用所述风琴结构的高度h，通过经验公式

确定风琴结构的折叠个数n；

在连接部分的中段下端的基本松量线上取一点Q，作为中段和下段的分割点，使点Q到点S的距离满足

其中，点Q'为二轴作下俯运动后点Q的位置，点S为外扩松量线与二轴关节包覆线的交点，点O为二轴运动圆心，r₁为点O到点S的距离；

利用对称性找到点Q的对称点P，在点N和点S所在直线上找一点M，使点N到点M的距离满足

点N为下段外扩松量线与风琴结构交点，点P'为二轴做上仰运动后点P的位置，r₂为点O到点P的距离；

连接点N和点P，并过点N画水平线使与二轴包覆结构相交，最终得到二轴运动补偿结构。

2.根据权利要求1所述的六轴工业机器人防护服“弯-弯”关节运动补偿方法，其特征在于，所述双向放量具体包括以下步骤：

以二轴的运动轴线及一轴的运动轴线为基础，进行双向放量；

以三轴的运动轴线及四轴的运动轴线为基础，进行双向放量；

中间连杆部分以二轴和三轴的运动轴心连线，沿其所在的并与外轮廓面相垂直的截面，进行双向放量。

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