CN109499799A - 一种全向移动式机器人喷涂系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种全向移动式机器人喷涂系统，包括全向移动喷涂单元、与其数据连接的测量标定系统，以及用于全向移动喷涂单元充电的充电站，其特征在于：所述全向移动喷涂单元包括全向移动车、Z轴升降机构、机器人、控制与供漆单元，所述Z轴升降机构固定于全向移动车的一侧，全向移动车的另一侧固定有控制与供漆单元，机器人安装在Z轴升降机构上；本发明由“全向移动平台+大范围冗余自由度机器人”组成，采用全向移动式设计可实现平台在平面内任意方向的平移、自转以及平移自转的耦合运动，方便系统在不同站位之间的位置调整。

Description

一种全向移动式机器人喷涂系统
技术领域
本发明属于喷涂设备领域，尤其是涉及一种面向大尺寸复杂型面工件的全向移动式机器人喷涂系统。
背景技术
目前，喷涂作业时，传统的手工喷涂方式效率及质量均较低，且对人体健康危害较大；采用机器人自动喷涂系统代替人工作业，可以大幅度缩短喷涂作业周期，提高喷涂效率；且自动喷涂速度及位置容易控制，因此喷涂均匀性更好，可提高涂层质量；避免了喷涂工人作业时直接接触毒性涂料，降低漆雾对操作工人身体的危害。然而，针对于尺寸庞大、结构复杂工件的喷涂作业，一般喷涂机器人系统也无法适用。
面向大尺寸复杂型面工件喷涂的机器人系统，将关节式机器人搭载于移动平台上完整覆盖大尺度、复杂结构的喷涂对象，并采用多台喷涂机器人组成多机器人喷涂系统以提高系统工作效率是最具效率和成本优势的方案。目前，移动平台的设计主要包括：导轨式、三坐标式以及AGV小车式。
对于尺寸庞大、结构复杂工件，要完全覆盖整个工件的表面并且可以在狭小空间中进行喷涂作业，以上平台设计仍存在如下问题
(1)导轨式移动平台自由度较低，灵活度不高，为满足站位需求需要在不同方位布置多个大型移动平台，对占地面积要求大。
(2)三坐标式移动平台占用场地空间较大，且大跨度横梁很难保证具有较好的刚度，同时为实现全覆盖，三坐标结构的X、Y和Z向都有运动要求，在机器人及供漆系统的大负载作用下各轴控制难度大，不可避免地会产生振动，影响喷涂质量及效率
(3)全向移动车式喷涂系统不固定占用地面空间，不仅适用于内场工作，也可以在外场进行作业，因此对场地空间及要求较小，其自由度更高，运动更加灵活，改变运动路径较容易，弥补了前两种方式的不足，具有明显的优势。
目前，全方位移动车式平台设计存在如下问题：
(1)“CN201711963U-移动机械手臂平台”，所述方案作业空间较小，适用于小型工件的作业，不适合大尺寸复杂型面工件的作业；
(2)“CN206334799U的专利-一种船体外壁自动喷涂系统”所述方案工作范围较大，但伸缩臂及旋转机构自由度较低，只适合大尺寸简单型面工件的喷涂，无法满足复杂型面工件的喷涂要求；
(3)“CN205495900U的专利-船舶喷涂机器人”所述方案通过垂直升降杆、水平移动杆将机械手运送到指定位置，但未考虑机械手移动到全向移动车之外时发生侧翻的情况，且移动装置只具有升降机构及伸缩机构，不具有旋转机构；
(4)“CN108161889A-一种基于AGV的工业机器人”所述方案的机械臂可进行升降和伸缩运动，实现目标物体的夹取。但机械臂的前端直接连接夹取机构，与机器人相比自由度较低。
发明内容
有鉴于此，本发明旨在提出一种全向移动式机器人喷涂系统，以克服现有技术的不足。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种全向移动式机器人喷涂系统，包括全向移动喷涂单元、与其数据连接的测量标定系统，以及用于全向移动喷涂单元充电的充电站，其特征在于：所述全向移动喷涂单元包括全向移动车、Z轴升降机构、机器人、控制与供漆单元，所述Z轴升降机构固定于全向移动车的一侧，全向移动车的另一侧固定有控制与供漆单元，机器人安装在Z轴升降机构上；所述测量标定系统包括激光跟踪仪和T-Probe测量辅助件，T-Probe测量辅助件安装于Z轴升降机构的顶端，激光跟踪仪设置在全向移动车的外部。
进一步的，所述机器人为大范围冗余自由度喷涂机器人。
进一步的，所述全向移动车包括车体和驱动轮，所述驱动轮为麦克纳姆式驱动轮，用于实现车体在平面内任意方向的平移、自转以及平移自转的耦合运动，保证喷涂机器人能够顺利到达各个预定的喷涂工位。
进一步的，所述Z轴升降机构包括升降立柱、配重块护栏、移动配重块、第一滑轮、第二滑轮、转座以及升降滑台；所述升降立柱通过螺钉固定安装于全向移动车的一侧，所述升降滑台固定安装于升降立柱的一侧；所述配重块护栏固定安装于升降立柱的另一侧，其用于移动配重块的防护；
所述升降立柱有一直线导轨滑块副，其安装于配重块护栏的内侧，所述移动配重块可沿导轨进行移动，从而实现配重块的高度调节；
所述第一滑轮、第二滑轮分别通过螺钉固定安装于升降立柱上；所述转座通过螺钉固定安装于升降立柱顶部，其可绕自身轴线进行旋转；所述T-Probe测量辅助件固定安装于转座上。
进一步的，所述大范围冗余自由度喷涂机器人为9自由度喷涂机器人，包括旋转机构、伸缩机构、七自由度机械臂以及激光测距仪，所述旋转机构为一单自由度旋转关节机构，通过螺栓固定安装于升降滑台上，从而实现绕轴线的水平偏转转动；
所述伸缩机构为单自由度直线运动机构，其通过螺栓与旋转机构固定连接，从而实现通过伸缩运动将机械臂运动到指定位置；
所述七自由度机械臂通过螺钉与伸缩机构连接，机械臂末端的安装有喷枪及激光测距仪，从而实现通过关节的俯仰运动、偏转运动进行喷涂作业，激光测距仪用于测量喷枪到工件的距离而定位。
进一步的，所述全向移动车上还固定一固定配重装置，所述固定配重装置和控制与供漆单元同侧，用于防止在大倾覆力矩作用下发生侧翻。
进一步的，所述充电站可设置于移动喷涂单元作业范围内或外场角落。
进一步的，所述控制与供漆单元包括电气控制盒、喷涂柜，所述电气控制盒分别与全向移动车、Z轴升降机构、喷涂机器人以及喷涂柜线路连接。
相对于现有技术，本发明所述的一种全向移动式机器人喷涂系统具有以下优势：
(1)本发明由“全向移动平台+大范围冗余自由度机器人”组成，采用全向移动式设计可实现平台在平面内任意方向的平移、自转以及平移自转的耦合运动，方便系统在不同站位之间的位置调整。
(2)本发明所述大范围冗余自由度机器人采用“七自由度曲臂+伸缩机构+旋转机构+升降机构”设计，具有多个自由度，机器人工作范围大，灵活度高，且外径尺寸小，适合大尺寸复杂型面工件及狭窄空间条件下的喷涂作业。
(3)本发明采用移动式配重防倾覆设计，克服了安装于全向移动车体之外的长悬臂机器人产生的较大倾覆力矩，防止喷涂工作过程中全向移动车发生倾覆或晃动。
(4)本发明采用“激光跟踪仪+T-Probe”测量标定系统，解决了全向移动喷涂单元在作业过程中精确定位的问题，提高了全向移动喷涂单元到达各站位时的位姿精度，且有效提高了喷涂区域间搭接区域的喷涂质量。
附图说明
构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明所述全向移动式机器人喷涂系统结构示意图。
图2为本发明中全向移动喷涂单元结构示意图。
附图标记说明：
1全向移动喷涂单元；2、激光跟踪仪；3、电池充电室；4、充电站；5、全向移动车；6、电器控制柜；7、正压防爆柜及电磁柜；8、喷涂柜；9-空压机；10、第一配重块；11、第二配重块；12、升降立柱；13、配重块护栏；14、移动配重块；15、第一滑轮；16、第二滑轮；17、转座；18、T-Probe测量辅助件；19、升降滑台；20、旋转机构；21、伸缩机构；22、七自由度机械臂；23、激光测距仪。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
如图1所示，该全向移动式机器人喷涂系统包括全向移动喷涂单元1、测量与标定系统、电池充电室3、充电站4，该系统可用于大尺寸复杂型面工件的室内或室外喷涂作业。
如图2所示，所述全向移动喷涂单元1包括全向移动车5、Z轴升降机构(包括升降立柱12、配重块护栏13、移动配重装置14、第一滑轮15、第二滑轮16、转座17、升降滑台19)、大范围冗余自由度喷涂机器人(包括旋转机构20、伸缩机构21、七自由度机械臂22、激光测距仪23)、控制与供漆单元(包括电器控制柜6、正压防爆柜及电磁柜7、喷涂柜8、空压机9)、固定配重装置(包括第一配重块10、第二配重块11)。所述全向移动车5放置于地面；所述Z轴升降机构固定安装在全向移动车5一侧；所述控制与供漆单元以及固定配重装置固定放置于全向移动车5另一侧；所述大范围冗余自由度喷涂机器人固定安装于Z轴升降机构上。所述测量与标定系统包括激光跟踪仪2以及T-Probe18(激光跟踪仪中用于测量被测对象位姿的附件)；所述激光跟踪仪2根据需求放置于地面相应位置，所述T-Probe18固定安装于升降立柱12顶部。所述全向移动车5可通过直接插线充电或更换备用电池的方式保证喷涂单元作业时的持续供电，所述充电站4可布置于厂房或外场的电池充电室3中。
所述全向移动车5为喷涂单元的移动平台，包括车体及四个驱动轮，驱动轮采用“麦克纳姆轮”，可实现平台在平面内任意方向的平移、自转以及平移自转的耦合运动，保证喷涂单元能够顺利到达各个预定的喷涂工位。
所述Z轴升降机构包括升降立柱12、配重块护栏13、移动配重装置14、第一滑轮15、第二滑轮16、转座17、升降滑台19。所述升降立柱12通过螺钉固定安装于全向移动车5一侧。所述配重块护栏13固定于升降立柱12的背部，用于配重移动装置的防护。所述升降立柱12背部安装于直线导轨滑块副，所述移动配重装置14可沿导轨移动，进行配重的高度调节。所述第一滑轮15、第二滑轮16通过螺钉固定安装于升降立柱12上。所述转座17通过螺钉固定安装于升降立柱12顶部，其可绕自身轴线进行旋转。所述T-Probe18固定安装于转座17上。
所述大范围冗余自由度喷涂机器人包括旋转机构20、伸缩机构21、七自由度机械臂22以及激光测距仪23，具有9自由度。所述旋转机构20为一单自由度旋转关节，通过螺栓固定安装于升降滑台19上，可实现绕轴线的水平偏转转动。所述伸缩机构21为单自由度直线运动机构，其通过螺栓与旋转机构20固定连接，通过伸缩运动将机械臂22运动到指定位置。所述七自由度机械臂22通过螺钉与伸缩机构21连接，机械臂22末端安装有喷枪及激光测距仪23，可通过关节的俯仰运动、偏转运动进行喷涂作业，激光测距仪23用于测量喷枪到工件的距离，方便定位。
所述移动配重装置的功能实现为：将两根缆绳的一端分别连接在安装于升降滑台19上部的两个滑台吊环螺钉上，经过安装于升降立柱12上的第一滑轮组16、第二滑轮组15，另一端分别连接在安装于移动配重装置14上的两个配重吊环螺钉上。升降滑台19沿着安装于升降立柱12前部的导轨移动，移动配重装置14沿着安装于升降立柱12背部的导轨移动。移动配重装置14始终克服升降滑台19及其承载的喷涂机器人的自重以及倾覆力矩作用，防止全向移动车5的侧翻。所述固定配重装置包括第一配重块10、第二配重块11，安装于全向移动车5的一侧，也用于防止全向移动车在大倾覆力矩作用下发生侧翻。
所述控制与供漆单元包括电气控制柜6、正压防爆柜及电磁柜7、喷涂柜8及空气压缩机9等，均放置于全向移动车5上，用于对喷涂机器人、升降机构以及全向移动车5进行控制，并为喷涂单元提供漆料。
所述测量与标定系统包括激光跟踪仪2及T-Probe18，所述激光跟踪仪2放置于地面，所述T-Probe18安装在转座17上，转座17具有旋转自由度。测量与标定的具体过程为：
(1)将激光跟踪仪测量系统连接好，将靶球放置于工件的标志点上，采用激光跟踪仪测得各个标志点的坐标值；
(2)完成标志点坐标的测量后，控制系统内的工件标定模块自动解算工件位姿，实现工件位姿的标定；
(3)完成工件位姿标定后，再用激光跟踪仪测量喷涂单元顶部的T-Probe位姿，作为喷涂单元位姿数据。该数据结合工件位姿便可作为机器人喷涂单元路径规划及轨迹规划依据。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，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 (8)

1.一种全向移动式机器人喷涂系统，其特征在于：包括全向移动喷涂单元、与其数据连接的测量标定系统，以及用于全向移动喷涂单元充电的充电站，其特征在于：所述全向移动喷涂单元包括全向移动车、Z轴升降机构、机器人、控制与供漆单元，所述Z轴升降机构固定于全向移动车的一侧，全向移动车的另一侧固定有控制与供漆单元，机器人安装在Z轴升降机构上；所述测量标定系统包括激光跟踪仪和T-Probe测量辅助件，T-Probe测量辅助件安装于Z轴升降机构的顶端，激光跟踪仪设置在全向移动车的外部。
2.根据权利要求1所述的一种全向移动式机器人喷涂系统，其特征在于：所述机器人为大范围冗余自由度喷涂机器人。
3.根据权利要求1所述的一种全向移动式机器人喷涂系统，其特征在于：所述全向移动车包括车体和驱动轮，所述驱动轮为麦克纳姆式驱动轮，用于实现车体在平面内任意方向的平移、自转以及平移自转的耦合运动，保证喷涂机器人能够顺利到达各个预定的喷涂工位。
4.根据权利要求1所述的一种全向移动式机器人喷涂系统，其特征在于：所述Z轴升降机构包括升降立柱、配重块护栏、移动配重块、第一滑轮、第二滑轮、转座以及升降滑台；所述升降立柱通过螺钉固定安装于全向移动车的一侧，所述升降滑台固定安装于升降立柱的一侧；所述配重块护栏固定安装于升降立柱的另一侧，其用于移动配重块的防护；
所述升降立柱有一直线导轨滑块副，其安装于配重块护栏的内侧，所述移动配重块可沿导轨进行移动，从而实现配重块的高度调节；
所述第一滑轮、第二滑轮分别通过螺钉固定安装于升降立柱上；所述转座通过螺钉固定安装于升降立柱顶部，其可绕自身轴线进行旋转；所述T-Probe测量辅助件固定安装于转座上。
5.根据权利要求4所述的一种全向移动式机器人喷涂系统，其特征在于：所述大范围冗余自由度喷涂机器人为9自由度喷涂机器人，包括旋转机构、伸缩机构、七自由度机械臂以及激光测距仪，所述旋转机构为一单自由度旋转关节机构，通过螺栓固定安装于升降滑台上，从而实现绕轴线的水平偏转转动；
所述伸缩机构为单自由度直线运动机构，其通过螺栓与旋转机构固定连接，从而实现通过伸缩运动将机械臂运动到指定位置；
所述七自由度机械臂通过螺钉与伸缩机构连接，机械臂末端的安装有喷枪及激光测距仪，从而实现通过关节的俯仰运动、偏转运动进行喷涂作业，激光测距仪用于测量喷枪到工件的距离而定位。
6.根据权利要求1所述的一种全向移动式机器人喷涂系统，其特征在于：所述全向移动车上还固定一固定配重装置，所述固定配重装置和控制与供漆单元同侧，用于防止在大倾覆力矩作用下发生侧翻。
7.根据权利要求1所述的一种全向移动式机器人喷涂系统，其特征在于：所述充电站可设置于移动喷涂单元作业范围内或外场角落。
8.根据权利要求1所述的一种全向移动式机器人喷涂系统，其特征在于：所述控制与供漆单元包括电气控制盒、喷涂柜，所述电气控制盒分别与全向移动车、Z轴升降机构、喷涂机器人以及喷涂柜线路连接。
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