CN109249407A - 一种具有连续体腕部关节的刚柔混合驱动喷涂机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有连续体腕部关节的刚柔混合驱动喷涂机器人，由柔性连续体腕关节和刚性机械臂串联组成。刚性机械臂的刚性腕部与柔性连续体腕关节装有驱动电机的一端相连接，柔性连续体腕关节另一端与喷头连接；应用在智能自动化喷涂行业。本发明具有连续体腕部关节的刚柔混合驱动喷涂机器人，有益的技术效果是将刚性机械臂与柔性连续体串联起来，充分发挥柔性连续体的优势；柔性连续体的中空设计可以放置喷涂液管道，提升了机械臂在狭小空间喷涂时的通过性能；喷涂机器人具有1个冗余自由度，能有效避开空间障碍物在复杂工况下对零件实施喷涂。

Description

一种具有连续体腕部关节的刚柔混合驱动喷涂机器人

技术领域

本发明涉及机器人领域，具体是一种具有连续体腕部关节的刚柔混合驱动喷涂机器人。

背景技术

随着工业自动化程度不断提高，传统工业中许多人工劳动环节被机器人所取代。喷涂车间工作环境差、劳动强度高，非常不适合工人长时间连续工作；喷涂机器人的出现解放了人工劳动，并且大幅度地提高生产效率、降低生产成本。目前大多数喷涂机器人都是采用纯刚性机械臂结构来完成喷涂任务。刚性机械臂具有位置精度高、控制简单等优点；但同样具有自身质量较大、运动灵活性较差、能耗大、运动空间受限等问题。随着仿生学的发展，科研工作者根据一些软体动物的运动机理研制出柔性运动机构，如仿象鼻机械臂。柔性机械臂能够基于弹性体弯曲变形而沿光滑的连续曲线运动，可以通过不断改变自身形状灵活地绕过各种障碍物、以及穿过狭小的孔洞。柔性机械臂还具有质量小、响应快、能耗低等优点，但现有的柔性机械臂存在精度不如刚性机械臂的问题。

发明内容 本发明的目的是提供一种具有连续体腕部关节的刚柔混合驱动喷涂机器人，以解决现有技术柔性机械臂精度不如刚性机械臂的问题。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：

一种具有连续体腕部关节的刚柔混合驱动喷涂机器人，包括多自由度的刚性机械臂，其特征在于：刚性机械臂前端连接有柔性连续体腕关节，柔性连续体腕关节前端连接有喷头，所述柔性连续体腕关节包括柔性传动箱、驱动模块和柔性连续体，其中：

驱动模块包括电机支架和设置在电机支架内的多个驱动电机，电机支架后端固定连接于刚性机械臂前端；

柔性传动箱后端固定连接于驱动模块中电机支架前端，柔性传动箱内设有数量与驱动电机数量相同的多个滚筒，驱动模块中各个驱动电机的输出轴分别穿入柔性传动箱中，多个滚筒一一对应固定于各个驱动电机的输出轴；

柔性连续体包括多个从后向前顺序排列在喷头和柔性传动箱之间的刚性支架，多个刚性支架中最后端的刚性支架固定于柔性传动箱前端，最前端的刚性支架作为柔性连续腕关节前端固定连接喷头，每个刚性支架中心分别设有通孔，所述喷头连接的用于引入喷涂液体的管道依次从各个刚性支架中心的通孔穿过后穿入柔性传动箱中，再从柔性传动箱穿出后与外部喷涂液体源连接，所述柔性传动箱内每个滚筒上分别缠绕有驱动柔索，每个驱动柔索的索端分别从柔性传动箱前端穿出，再分别各自依次穿过除最前端刚性支架外的其余各个刚性支架后，驱动柔索的索端分别固定连接于最前端的刚性支架，每相邻的两个刚性支架中同一个驱动柔索穿过的位置之间分别连接有弹簧。

所述的一种具有连续体腕部关节的刚柔混合驱动喷涂机器人，其特征在于：各个驱动柔索穿过每个刚性支架的位置均匀分布于该刚性支架的中心周围，各个驱动柔索索端在最前端刚性支架的连接位置均匀分布于最前端刚性支架的中心周围，使各个驱动柔索均匀分布于喷头连接的管道周围。

所述的一种具有连续体腕部关节的刚柔混合驱动喷涂机器人，其特征在于：所述喷头前端连接有环绕在出液口周围的喷液扇面。

所述的一种具有连续体腕部关节的刚柔混合驱动喷涂机器人，其特征在于：所述刚性机械臂包括基座、刚性手腕、腰部和多个臂段，多个臂段依次通过由伺服电机驱动的旋转关节顺序转动连接，实现相邻两个臂段在竖直面内的相对转动；腰部通过由伺服电机驱动的旋转关节转动安装于基座上，实现腰部自身的旋转；多个臂段中始端的臂段通过由伺服电机驱动的旋转关节转动连接于腰部，实现始端的臂段相对于腰部在竖直面内的转动；刚性手腕转动连接于多个臂段中末端的臂段并由伺服电机驱动刚性手腕，实现刚性手腕自身的旋转，刚性手腕前端作为刚性机械臂前端固定连接柔性连续体腕关节中的驱动模块。

所述的一种具有连续体腕部关节的刚柔混合驱动喷涂机器人，其特征在于：设刚性机械臂的自由度为M，,柔性连续体腕关节中驱动电机、滚筒和驱动柔索的数量均为N，则柔性连续体腕关节的自由度为N-1，整个喷涂机器人的自由度为M+N-1，冗余自由度为1。

本发明将柔性连续体腕关节引入喷涂机器人中，使得新型刚柔混合喷涂机器人同时具备刚性机械臂的高精度和柔性机械臂的灵活性。柔性连续体腕关节采用刚性支架和螺旋弹簧相组合的结构，基于作为驱动柔索的柔性钢索驱动，可以在空间中做多自由度运动，刚性机械臂也具有多个自由度，因此具有连续体腕部关节的刚柔混合驱动喷涂机器人的自由度有多个，为刚性机械臂和柔性连续体腕关节自由度之和。

本发明喷涂机器人是由柔性连续体腕关节和刚性机械臂串联组成的新型喷涂机器人，弥补了纯刚性机械臂运动惯量大、运动空间受限等不足，使得在复杂工况和狭小空间中的高效率喷涂成为可能。

与现有技术相比，本发明的优点为：

1、将刚性机械臂与柔性连续体腕关节串联起来，弥补了纯刚性机械臂运动惯量大、运动空间受限等不足，充分发挥柔性连续体的优势，能够在复杂工况和狭小空间中高效率喷涂。2、柔性连续体腕关节中，柔性连续体的中空设计可以放置喷涂液管道，避免管道外置占用空间，进而提升了机械臂在狭小空间喷涂时的通过性能。

3、喷涂机器人具有冗余自由度，能有效避过空间障碍物在复杂工况下对零件实施喷涂。4、使用柔性钢索驱动柔性连续体腕关节，机械传动简单。5、柔性连续体本体由刚性支架和弹簧组成。

附图说明

图1为刚柔混合机器人整体结构立体示意图。

图2为柔性机械臂结构示意图。

图3为连续体腕部三维结构图。

图4为连续体腕部支架和弹簧安装示意图。

图5为连续体驱动模块示意图。

图6为连续体驱动电机和电机支架安装示意图。

图7为刚性机械臂结构示意图。

各图中标号说明如下：

图1中：1—柔性连续体腕关节，2—四自由度的刚性机械臂。

图2中：1100—喷液扇面，1200—喷头，1300—柔性连续体，1400—柔索传动箱，1500—柔索驱动模块。

图3中：1310—刚性支架，1320—弹簧，1330—管道，1340—驱动柔索。

图4中：1310—刚性支架，1311—圆孔，1312—柔索通道孔，1320—弹簧。

图5中：1500—驱动模块。

图6中：1510—驱动电机，1520—电机支架。

图7中：2100—刚性手腕，2110—驱动电机1，2120—紧固螺钉，2200—小臂，2210—驱动电机2，2300—大臂，2310—驱动电机3，2400—腰部，2410—驱动电机4，2420—紧固螺钉，2500—基座，2510—电路接口面板，2511—电缆接口。

具体实施方式

为了更好地理解刚柔混合喷涂机器人的技术特点，下面结合附图做进一步说明。

具有连续体腕部关节的刚柔混合喷涂机器人，由柔性连续体腕关节1和刚性机械臂2串联组成的新型喷涂机器人，弥补了纯刚性机械臂运动惯量大、运动空间受限等不足，使得在复杂工况和狭小空间中的高效率喷涂成为可能。

具有连续体腕关节的刚柔混合喷涂机器人，包括柔性连续体腕关节1和刚性机械臂2两大部分。

结合图1、2、3、4进一步说明，所述柔性连续体1300由弹簧1320和刚性支架1310组成，通过柔索1340驱动，具有三个自由度。柔性连续体1300本体，由9片圆形刚性支架1310、32根弹簧1320、4根用于传动的柔性钢索构成的驱动柔索1340组成。圆形刚性支架1310中间具有一个较大的圆孔1311，用于穿过喷涂液体的管道1330，从而不必在机械臂外围布置喷涂液管道，减小了机械臂运动时占用的空间，提高了狭小空间机械臂的通过性能；圆形刚性支架1310四周均匀分布四个柔索通道孔1312，用于穿过驱动柔索1340。四根驱动柔索1340的一端与第一片圆形刚性支架1310固定连接，用于将驱动柔索1340拉力传递到刚性支架1310和弹簧1320组成的柔性连续体1300本体上。驱动柔索1340另一端穿过各圆形刚性支架1310分布在四周的圆形柔索通道孔1312连接到柔索传动箱1400中，使得驱动电机1510的动力得以输出到柔性连续体1300本体上。相邻两刚性支架1310之间安装四根弹簧1320，弹簧1320螺旋轴线与刚性支架1310四周均匀分布的柔索通道孔1312轴线重合。通过控制4个驱动电机1510的运动从而实现驱动柔索1340的拉紧和放松，被拉紧的一侧各小节的弹簧1340均被压缩，由于另一侧的弹簧1340没有被压缩所以柔性连续体1300向绳索拉紧的一侧弯曲。柔性连续体1300弯曲的曲率通过驱动柔索1340拉紧的程度来控制，驱动柔索1340拉的越紧柔性连续体1300弯曲曲率越大。如此便可实现柔性连续体1300腕部在空间三自由度的运动。

其中，柔索传动箱1400，用以将驱动电机1510的旋转运动转换为柔索1340的拉紧和放松，内部具有四个由驱动电机1510驱动的滚筒，滚筒上缠绕驱动柔索1340。

进一步说明，柔性连续体1300前端直接与喷头1200固定连接，后端通过柔索传动箱1400、驱动模块1500和刚性手腕2100固定连接。

结合图5、6说明，其中，驱动模块1500由电机支架1520和驱动电机1510组成，四个驱动电机1510阵列布置在电机支架1520中。

结合图7进一步说明，刚性机械臂2位于机械臂前端，具体结构包括基座2500、腰部2400、大臂2300、小臂2200和刚性手腕2100，共有四个旋转关节，具有四个自由度。其中基座2500用于固定和支撑机械臂2，基座2500内部中空，可用于放置各关节的驱动电机的电缆和传感器信号线。基座2500侧面有电路接口面板2510，通过电路接口2511可将电动机和各钟传感器线路连接到机器人控制柜中。腰部2400与基座2500之间的旋转关节为机械臂2提供沿水平方向上的旋转运动，由固定在腰部2400上的伺服电动机4 2410驱动。大臂2300与腰部2400之间的旋转关节可以使大臂2300沿竖直平面摆动，由固定在腰部2400上的伺服电动机3 2310驱动。小臂2200与大臂2300之间的旋转关节可以让小臂2200沿竖直平面摆动，由固定在小臂2200上的伺服电动机2 2210驱动。刚性手腕2100与小臂2200之间的旋转关节可以使刚性手腕2100绕小臂2200中心轴线做旋转运动，由固定在小臂上的伺服电动机1 2110驱动。通过四个旋转关节可以将机械臂刚性手腕2100定位到需要喷涂的位置。

刚柔混合喷涂机器人柔性连续体腕关节1和刚性机械臂2共有7个自由度，冗余自由度为1。

在刚柔混合喷涂机器人工作过程中，刚性机械臂2的4个旋转关节的旋转运动将柔性连续体手腕部分1300定位到距喷涂工件的一定距离处，然后开启喷涂液管道阀门使喷涂液从喷头1200呈雾状喷出，然后控制柔性机械臂1300的空间三维运动，实现工件局部表面的喷涂。

Claims (5)

1.一种具有连续体腕部关节的刚柔混合驱动喷涂机器人，包括多自由度的刚性机械臂，其特征在于：刚性机械臂前端连接有柔性连续体腕关节，柔性连续体腕关节前端连接有喷头，所述柔性连续体腕关节包括柔性传动箱、驱动模块和柔性连续体，其中：

驱动模块包括电机支架和设置在电机支架内的多个驱动电机，电机支架后端固定连接于刚性机械臂前端；

柔性传动箱后端固定连接于驱动模块中电机支架前端，柔性传动箱内设有数量与驱动电机数量相同的多个滚筒，驱动模块中各个驱动电机的输出轴分别穿入柔性传动箱中，多个滚筒一一对应固定于各个驱动电机的输出轴；

柔性连续体包括多个从后向前顺序排列在喷头和柔性传动箱之间的刚性支架，多个刚性支架中最后端的刚性支架固定于柔性传动箱前端，最前端的刚性支架作为柔性连续腕关节前端固定连接喷头，每个刚性支架中心分别设有通孔，所述喷头连接的用于引入喷涂液体的管道依次从各个刚性支架中心的通孔穿过后穿入柔性传动箱中，再从柔性传动箱穿出后与外部喷涂液体源连接，所述柔性传动箱内每个滚筒上分别缠绕有驱动柔索，每个驱动柔索的索端分别从柔性传动箱前端穿出，再分别各自依次穿过除最前端刚性支架外的其余各个刚性支架后，驱动柔索的索端分别固定连接于最前端的刚性支架，每相邻的两个刚性支架中同一个驱动柔索穿过的位置之间分别连接有弹簧。

2.根据权利要求1所述的一种具有连续体腕部关节的刚柔混合驱动喷涂机器人，其特征在于：各个驱动柔索穿过每个刚性支架的位置均匀分布于该刚性支架的中心周围，各个驱动柔索索端在最前端刚性支架的连接位置均匀分布于最前端刚性支架的中心周围，使各个驱动柔索均匀分布于喷头连接的管道周围。

3.根据权利要求1所述的一种具有连续体腕部关节的刚柔混合驱动喷涂机器人，其特征在于：所述喷头前端连接有环绕在出液口周围的喷液扇面。

4.根据权利要求1所述的一种具有连续体腕部关节的刚柔混合驱动喷涂机器人，其特征在于：所述刚性机械臂包括基座、刚性手腕、腰部和多个臂段，多个臂段依次通过由伺服电机驱动的旋转关节顺序转动连接，实现相邻两个臂段在竖直面内的相对转动；腰部通过由伺服电机驱动的旋转关节转动安装于基座上，实现腰部自身的旋转；多个臂段中始端的臂段通过由伺服电机驱动的旋转关节转动连接于腰部，实现始端的臂段相对于腰部在竖直面内的转动；刚性手腕转动连接于多个臂段中末端的臂段并由伺服电机驱动刚性手腕，实现刚性手腕自身的旋转，刚性手腕前端作为刚性机械臂前端固定连接柔性连续体腕关节中的驱动模块。

5.根据权利要求1所述的一种具有连续体腕部关节的刚柔混合驱动喷涂机器人，其特征在于：设刚性机械臂的自由度为M，,柔性连续体腕关节中驱动电机、滚筒和驱动柔索的数量均为N，则柔性连续体腕关节的自由度为N-1，整个喷涂机器人的自由度为M+N-1，冗余自由度为1。