CN110154045B - 一种柔索驱动串联四自由度喷涂机械臂 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种柔索驱动串联四自由度喷涂机械臂，包括基座、腰部单元、大臂单元、小臂单元以及末端执行单元，所述的腰部单元通过腰部驱动电机及与腰部驱动电机相连的第一同步带传动机构实现腰部单元相对于基座的转动，所述的大臂单元通过大臂驱动电机及与大臂驱动电机相连的第二同步带传动机构实现大臂单元相对于腰部单元的转动，所述的小臂单元通过小臂驱动电机以及与小臂驱动电机相连的第一柔索传动机构实现小臂单元相对于大臂单元的转动，所述的末端执行单元通过末端驱动电机以及与末端驱动电机相连的第二柔索传动机构实现末端执行单元相对于小臂单元的转动。本发明的机械臂质量体积小，抗震缓冲能力强，同时也能提高负载质量。

Description

一种柔索驱动串联四自由度喷涂机械臂

技术领域

本发明涉及自动喷涂机器人领域，具体涉及一种柔索驱动串联四自由度喷涂机械臂。

背景技术

面对日益丰富的物质文化要求，我们对各类产品精密性、复杂性的要求不断提高，而这就要求加工设备不断革新改进，机械手则成为大规模高精度加工的完美选择。尽管传统工业机器人具有精度高、速度快、效率高等优点，其在制造、物流、医疗，甚至家庭娱乐等领域都广泛应用。但是，传统工业机器人也存在很多不足，现有的串联机器人是由刚度很大的杆通过关节连接起来的，关节有转动和移动两种，前者为旋转副，后者为棱柱关节。并且，这些结构是杆之间串联，形成一个开运动链，除了两端的杆只能和前或后连接外，每一个杆的前面和后面的杆通过关节连接在一起。现有串联机器人有以下几个缺点：1）现有串联机器人的传动基本都是直接在关节处安装电机，这样会使得整个机械臂的质量很大，尤其是在每个关节部位，运动时惯性会较大，导致稳定性不足; 2）现有串联机器人的负载能力受到本身质量的限制，由于电机安装位置导致质量大，从而串联机器人进行负载运作时，负载能力有限。

发明内容

本发明的目的在于提供一种柔索驱动串联四自由度喷涂机械臂，该机械臂质量体积小，抗震缓冲能力强，同时也能提高负载质量。

为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：包括基座、设置在基座上的腰部单元、与腰部单元相连的大臂单元、与大臂单元通过连杆相连的小臂单元以及设置在小臂单元端部的末端执行单元，所述的腰部单元通过腰部驱动电机及与腰部驱动电机相连的第一同步带传动机构实现腰部单元相对于基座的转动，所述的大臂单元通过大臂驱动电机及与大臂驱动电机相连的第二同步带传动机构实现大臂单元相对于腰部单元的转动，所述的小臂单元通过小臂驱动电机以及与小臂驱动电机相连的第一柔索传动机构实现小臂单元相对于大臂单元的转动，所述的末端执行单元通过末端驱动电机以及与末端驱动电机相连的第二柔索传动机构实现末端执行单元相对于小臂单元的转动，所述腰部单元、大臂单元、小臂单元以及末端执行单元的转动分别对应腰关节、肩关节、肘关节及腕关节的转动，且腰部驱动电机、大臂驱动电机、小臂驱动电机及末端驱动电机均设置在腰部单元上，所述的大臂单元里设有定滑轮组，所述的小臂单元里设有动滑轮组，第一柔索传动机构中的第一柔索绕经定滑轮组、动滑轮组后与定滑轮组相连形成闭环传动，第二柔索传动机构中的第二柔索绕经定滑轮组、动滑轮组后与末端执行单元相连形成闭环传动；

所述的小臂单元包括对称且呈镜像分布的小臂左侧板与小臂右侧板，所述的小臂左侧板与小臂右侧板相靠近的板面贴合并通过螺钉固定，小臂左侧板与小臂右侧板之间形成容纳动滑轮组及末端执行单元的空腔；

所述的动滑轮组包括位于小臂单元下部的第一动滑轮以及布置在第一动滑轮周向的左动滑轮、中动滑轮及右动滑轮，所述的第一动滑轮、左动滑轮、中动滑轮及右动滑轮分别通过第一动滑轮轴、左动滑轮轴、中动滑轮轴及右动滑轮轴与小臂左侧板及小臂右侧板连接，且上述各定滑轮与各自的轮轴之间分别设有轮轴套，所述的第一动滑轮轴与大臂单元中的第二定滑轮轴之间通过连杆连接，所述的左动滑轮、中动滑轮及右动滑轮分别距离第一动滑轮的轴距与左定滑轮、中定滑轮、右定滑轮分别距离第二定滑轮的轴距相等，且左动滑轮、中动滑轮、右动滑轮、第一动滑轮分别与左定滑轮、中定滑轮、右定滑轮、第二定滑轮沿小臂单元与大臂单元的贴合面镜像对称设置，所述的小臂驱动电机通过第一柔索传动机构驱使小臂单元绕大臂单元的第二定滑轮轴转动。

所述的腰部单元包括水平方向设置的腰部平台，所述腰部平台的上表面在相对应的两个边侧设有竖直方向平行设置的平台左侧板及平台右侧板，所述腰部平台的下表面与第一同步带传动机构中的第一大带轮固连，所述的腰部平台与基座之间通过第一大带轮的轮轴相连，所述腰部平台的上表面还固定有腰部驱动电机，所述腰部驱动电机的输出轴垂直于腰部平台，所述平台右侧板的外侧板面上固定有大臂驱动电机，所述平台左侧板的外侧板面上固定有小臂驱动电机及末端驱动电机。

所述的第一同步带传动机构包括第一大带轮、第一小带轮以及与两者相配合的第一同步带，所述的第一小带轮与腰部驱动电机的输出轴同轴设置，所述的第一大带轮固定在腰部单元的底部且第一大带轮的轮轴两端分别与腰部单元及基座通过轴承连接，所述的腰部驱动电机通过第一同步带传动机构驱使腰部单元绕第一大带轮的轮轴转动；

所述的第二同步带传动机构包括第二大带轮、第二小带轮以及与两者相配合的第二同步带，所述的第二小带轮与大臂驱动电机的输出轴同轴设置，所述的第二大带轮与大臂单元相固定且第二大带轮与大臂单元中的第一定滑轮轴同轴连接，所述的大臂驱动电机通过第二同步带传动机构驱使大臂单元绕第一定滑轮轴转动。

所述的大臂单元包括对称且呈镜像布置的大臂左侧板及大臂右侧板，所述的大臂左侧板与大臂右侧板相靠近的板面贴合并通过螺钉固定，大臂左侧板与大臂右侧板之间形成容纳定滑轮组的空腔；

所述的定滑轮组包括位于大臂单元下部的第一定滑轮、位于大臂单元上部的第二定滑轮以及布置在第二定滑轮周向的左定滑轮、中定滑轮、右定滑轮，所述的左定滑轮、中定滑轮、右定滑轮整体呈L形布置，所述的第一定滑轮、第二定滑轮、左定滑轮、中定滑轮、右定滑轮分别通过第一定滑轮轴、第二定滑轮轴、左定滑轮轴、中定滑轮轴、右定滑轮轴与大臂左侧板及大臂右侧板相固定，且上述各定滑轮与各自的轮轴之间分别设有轮轴套，所述第一定滑轮轴的两端还分别与腰部单元中的平台左侧板及平台右侧板相固定，所述的第二定滑轮轴与小臂单元中的第一动滑轮轴通过连杆连接。

所述大臂单元的下端呈圆形，所述大臂单元的上端与小臂单元的下端均设有四分之一圆弧段，所述的小臂驱动电机通过第一柔索传动机构带动小臂单元绕大臂单元的第二定滑轮轴转动时，小臂单元下方的四分之一圆弧段与大臂单元上方的四分之一圆弧段实现贴合转动。

所述的第一柔索传动机构包括第一柔索绞盘及第一柔索，所述的第一柔索绞盘与小臂驱动电机的输出轴同轴设置，所述的第一柔索为闭环传动，所述第一柔索的一端依次绕经第一柔索绞盘、第一定滑轮的中间轮槽、中定滑轮的右轮槽、左定滑轮、左动滑轮后与左定滑轮的左定滑轮轴相固定，第一柔索的另一端依次绕经第一定滑轮的左轮槽、中定滑轮的左轮槽、右定滑轮、右动滑轮后与右定滑轮的右定滑轮轴相固定。

所述的第二柔索传动机构包括第二柔索绞盘及第二柔索，所述的第二柔索绞盘与末端驱动电机的输出轴同轴设置，所述的第二柔索为闭环传动，所述第二柔索的一端依次绕经第二柔索绞盘、第一定滑轮的中间轮槽、中定滑轮的中间轮槽、第二定滑轮、第一动滑轮、中动滑轮、柱状主体后与柱状主体上的线槽通过螺钉相固定；所述第二柔索的另一端依次绕经第一定滑轮的右轮槽、中定滑轮的中间轮槽、第二定滑轮、第一动滑轮、中动滑轮、柱状主体后与柱状主体上的线槽通过螺钉相固定。

所述的末端执行单元设置在小臂单元的上部，所述的末端执行单元包括连接轴、与连接轴同轴设置的柱状主体以及设置在柱状主体上用来夹持喷头的夹具，所述连接轴的两端与小臂左侧板及小臂右侧板相连，所述的柱状主体与连接轴之间设有轴承，所述柱状主体的中间位置沿其周向设有与第二柔索相配合的线槽，线槽的旁侧设有用来固定第二柔索的螺钉，所述的末端驱动电机通过第二柔索传动机构驱使柱状主体绕末端执行单元的连接轴转动。

所述的柱状体为采用3D方式打印的圆柱体，所述的夹具包括对合设置的左夹头与右夹头，所述的左夹头与右夹头之间形成用于夹持喷头的空间。

本发明的有益效果在于：1）本发明的小臂驱动电机及末端驱动电机安装在远离关节的腰部平台上，通过第一柔索及第二柔索连接各关节与驱动电机，传递运动与力，改变了传统机械臂将减速装置、驱动装置安装在各关节处导致机械臂整体质量大、惯量大的不足，减小了机械臂伸展部分的质量体积，降低了驱动电机的负载，有利于整个机械臂的运动性能及动态响应的提升；2）本发明在末端执行机构上设置了夹持喷涂装置的夹具，由于本发明采用柔索传动，各驱动电机全都布置在腰部平台上，因此可以提高一定的负载能力，可以使得机械臂的喷涂速度以及喷涂量有更大的参数范围；3）本发明的腰部单元以及大臂单元的运动传动控制采用同步带传动，而不是采用和小臂单元及末端执行单元一样的柔索传动控制，减小了整个机械臂基座的尺寸，也减少了对于布线的设计难度；4）本发明的第一柔索及第二柔索采用闭环柔索传动技术，运动单元可以正反双向运动，同时响应速度相对较快；5）通过对机械臂肘关节和腕关节柔索控制的解耦，使得两关节的柔索控制可以互不干扰，从而提高末端执行机构的运动精度和位置精度。

附图说明

图1是本发明的立体结构示意图一；

图2是本发明的立体结构示意图二；

图3是本发明腰部单元和基座的结构示意图；

图4是本发明第一同步带传动机构的结构示意图；

图5是本发明第二同步带传动机构的结构示意图；

图6是本发明的连杆与大臂单元及小臂单元的连接示意图；

图7是本发明大臂单元的结构示意图；

图8是本发明小臂单元及末端执行单元的结构示意图；

图9是本发明的第一柔索传动机构的结构示意图；

图10是本发明的第二柔索传动机构的结构示意图；

图11是本发明的使用状态图一；

图12是本发明的使用状态图二；

图13是本发明解耦机制的原理图一；

图14是本发明解耦机制的原理图二；

图15是本发明解耦机制的原理图三。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明：

如图1、图2所示的一种柔索驱动串联四自由度喷涂机械臂，包括基座1、设置在基座1上的腰部单元2、与腰部单元2相连的大臂单元3、与大臂单元3通过连杆4相连的小臂单元5以及设置在小臂单元5端部的末端执行单元6，腰部单元2通过腰部驱动电机20及与腰部驱动电机20相连的第一同步带传动机构实现腰部单元2相对于基座1的转动，大臂单元3通过大臂驱动电机30及与大臂驱动电机30相连的第二同步带传动机构实现大臂单元3相对于腰部单元2的转动，小臂单元5通过小臂驱动电机50以及与小臂驱动电机50相连的第一柔索传动机构实现小臂单元5相对于大臂单元3的转动，末端执行单元6通过末端驱动电机60以及与末端驱动电机60相连的第二柔索传动机构实现末端执行单元6相对于小臂单元5的转动，且腰部驱动电机20、大臂驱动电机30、小臂驱动电机50及末端驱动电机60均设置在腰部单元2上。本发明中的腰部单元2、大臂单元3、小臂单元5以及末端执行单元6的转动分别对应腰关节、肩关节、肘关节及腕关节的转动，即分别通过四个驱动电机可实现喷涂机械臂四个关节自由度的运动控制，进而使本机械臂的末端执行单元6达到所需的位置，从而能够精确地执行工作任务；大臂单元3里设有定滑轮组，小臂单元5里设有动滑轮组，第一柔索传动机构中的第一柔索82绕经定滑轮组、动滑轮组后与定滑轮组相连形成闭环传动，第二柔索传动机构中的第二柔索84绕经定滑轮组、动滑轮组后与末端执行单元6相连形成闭环传动。

进一步的，如图3所示，腰部单元2包括水平方向设置的腰部平台21，腰部平台21的上表面在相对应的两个边侧设有竖直方向平行设置的平台左侧板22及平台右侧板23，腰部平台21的下表面与第一同步带传动机构中的第一大带轮71固连，腰部平台21与基座1之间通过第一大带轮71的轮轴相连，腰部平台21的上表面还固定有腰部驱动电机20，腰部驱动电机20的输出轴垂直于腰部平台21，平台右侧板23的外侧板面上固定有大臂驱动电机30，平台左侧板22的外侧板面上固定有小臂驱动电机50及末端驱动电机60。具体的，大臂驱动电机30的输出轴垂直于平台右侧板23，小臂驱动电机50及末端驱动电机60的输出轴垂直于平台左侧板22，腰部平台、平台左侧板及平台右侧板在相应位置分别开设有供驱动电机输出轴通过的缺口。本发明中的小臂驱动电机50及末端驱动电机60均设置在远离各关节的腰部单元2上，这种设置方式避免了传统机械臂将减速装置、驱动装置安装在各关节处导致机械臂整体质量大、惯量大的缺陷，减小了机械臂伸展部分的质量体积，降低了驱动电机的负载，有利于整个机械臂的运动性能及动态响应的提升。

进一步的，如图4所示，第一同步带传动机构包括第一大带轮71、第一小带轮72以及与两者相配合的第一同步带73，第一小带轮72与腰部驱动电机20的输出轴同轴设置，第一大带轮71固定在腰部单元2的底部且第一大带轮71的轮轴两端分别与腰部单元2及基座1通过轴承连接，腰部驱动电机20通过第一同步带传动机构驱使腰部单元2绕第一大带轮71的轮轴转动。具体的，腰部驱动电机20转动，带动第一小带轮72同步转动，通过第一同步带73使第一大带轮71带动与之固连的腰部平台21转动，最后达到腰部平台21所需要的转动角度，也就是实现腰关节的转动。

进一步的，如图5所示，第二同步带传动机构包括第二大带轮74、第二小带轮75以及与两者相配合的第二同步带76，第二小带轮75与大臂驱动电机30的输出轴同轴设置，第二大带轮74与大臂单元3相固定且第二大带轮74与大臂单元3中的第一定滑轮轴331同轴连接，大臂驱动电机30通过第二同步带传动机构驱使大臂单元3绕第一定滑轮轴331转动。具体的，大臂驱动电机30转动，带动第二小带轮75同步转动，通过第二同步带76使第二大带轮74带动与之固连的大臂单元3转动，最后达到大臂单元3所需要的转动角度，也就是实现肩关节的转动。本发明中，腰部平台2及大臂单元3可实现45度～135度的转动角度。

进一步的，如图7所示，大臂单元3包括对称且呈镜像布置的大臂左侧板31及大臂右侧板32，大臂左侧板31与大臂右侧板32相靠近的板面贴合并通过螺钉固定，大臂左侧板31与大臂右侧板32之间形成容纳定滑轮组的空腔；

具体的，定滑轮组包括位于大臂单元3下部的第一定滑轮33、位于大臂单元3上部的第二定滑轮34以及布置在第二定滑轮34周向的左定滑轮35、中定滑轮36、右定滑轮37，左定滑轮35、中定滑轮36、右定滑轮37整体呈L形布置，第一定滑轮33、第二定滑轮34、左定滑轮35、中定滑轮36、右定滑轮37分别通过第一定滑轮轴331、第二定滑轮轴341、左定滑轮轴351、中定滑轮轴361、右定滑轮轴371与大臂左侧板31及大臂右侧板32相固定，且上述各定滑轮与各自的轮轴之间分别设有轮轴套，第一定滑轮轴331的两端还分别与腰部单元2中的平台左侧板22及平台右侧板23相固定，第二定滑轮轴341与小臂单元5中的第一动滑轮轴531通过连杆4连接，也就是第一定滑轮轴331依次连接平台左侧板22、大臂左侧板31、第一定滑轮33、大臂右侧板32、第二大带轮74和平台右侧板23，大臂驱动电机30通过第二同步带传动机构驱使大臂单元3绕第一定滑轮轴331转动。更具体的，连杆4包括中间的杆体段以及两端的连接头，杆体段包括两根平行设置杆状本体，两端的连接头整体呈圆形，连接头套设在第二定滑轮34和第一动滑轮53上并与之形成转动配合。

进一步的，如图8所示，小臂单元5包括对称且呈镜像分布的小臂左侧板51与小臂右侧板52，小臂左侧板51与小臂右侧板52相靠近的板面贴合并通过螺钉固定，小臂左侧板51与小臂右侧板52之间形成容纳动滑轮组及末端执行单元6的空腔；

具体的，动滑轮组包括位于小臂单元5下部的第一动滑轮53以及布置在第一动滑轮53周向的左动滑轮54、中动滑轮55及右动滑轮56，第一动滑轮53、左动滑轮54、中动滑轮55及右动滑轮56分别通过第一动滑轮轴531、左动滑轮轴541、中动滑轮轴551及右动滑轮轴561与小臂左侧板51及小臂右侧板52连接，且上述各定滑轮与各自的轮轴之间分别设有轮轴套，第一动滑轮轴531与大臂单元中的第二定滑轮轴341之间通过连杆4连接，左动滑轮54、中动滑轮55及右动滑轮56分别距离第一动滑轮53的轴距与左定滑轮35、中定滑轮36、右定滑轮37分别距离第二定滑轮34的轴距相等，且左动滑轮54、中动滑轮55及右动滑轮56、第一动滑轮53分别与左定滑轮35、中定滑轮36、右定滑轮37、第二定滑轮34沿小臂单元5与大臂单元3的贴合面镜像对称设置，小臂驱动电机50通过第一柔索传动机构驱使小臂单元5绕大臂单元3的第二定滑轮轴341转动。

更进一步的，如图6所示，大臂单元3的下端呈圆形，大臂单元3的上端与小臂单元5的下端均设有四分之一圆弧段，小臂驱动电机50通过第一柔索传动机构带动小臂单元5绕大臂单元3的第二定滑轮轴341转动时，小臂单元5下方的四分之一圆弧段与大臂单元3上方的四分之一圆弧段实现贴合转动。

进一步的，如图8所示，末端执行单元6设置在小臂单元5的上部，末端执行单元6包括连接轴61、与连接轴61同轴设置的柱状主体62以及设置在柱状主体62上用来夹持喷头的夹具63，连接轴61的两端与小臂左侧板51及小臂右侧板52相连，柱状主体62与连接轴之间设有轴承64，柱状主体62的中间位置沿其周向设有与第二柔索84相配合的线槽65，线槽65的旁侧设有用来固定第二柔索84的螺钉66，末端驱动电机60通过第二柔索传动机构驱使柱状主体62绕末端执行单元6的连接轴61转动。

更进一步的，柱状主体62为采用3D方式打印的圆柱体，夹具63包括对合设置的左夹头631与右夹头632，左夹头631与右夹头632之间形成用于夹持喷头的空间。

为方便清楚地看出第一柔索82及第二柔索84的缠绕方向，在图9、图10中将第一柔索82及第二柔索84的两端分别通过虚线及实线示意出来，具体说明如下：

进一步的，如图9所示，第一柔索传动机构包括第一柔索绞盘81及第一柔索82，第一柔索绞盘81与小臂驱动电机50的输出轴同轴设置，第一柔索82为闭环传动。第一柔索82的一端（见图9中的虚线段）依次绕经第一柔索绞盘81、第一定滑轮33的中间轮槽、中定滑轮36的右轮槽、左定滑轮35、左动滑轮54后与左定滑轮35的左定滑轮轴351相固定，第一柔索82的另一端（见图9中的实线段）依次绕经第一定滑轮33的左轮槽、中定滑轮36的左轮槽、右定滑轮37、右动滑轮56后与右定滑轮37的右定滑轮轴371相固定。

进一步的，如图10所示，第二柔索传动机构包括第二柔索绞盘83及第二柔索84，第二柔索绞盘83与末端驱动电机60的输出轴同轴设置，第二柔索84为闭环传动，第二柔索84的一端（见图10中的虚线段）依次绕经第二柔索绞盘83、第一定滑轮33的中间轮槽、中定滑轮36的中间轮槽、第二定滑轮34、第一动滑轮53、中动滑轮55、柱状主体后与柱状主体上的线槽通过螺钉相固定；第二柔索84的另一端（见图10中的实线段）依次绕经第一定滑轮33的右轮槽、中定滑轮36的中间轮槽、第二定滑轮34、第一动滑轮53、中动滑轮55、柱状主体62后与柱状主体62上的线槽65通过螺钉66相固定。

进一步的，本发明的第一柔索82和第二柔索84均采用闭环传动控制，通过在第一柔索绞盘81和第二柔索绞盘83上进行柔索缠绕，其产生的摩擦力可防止柔索在传动时打滑。

本发明中，第一柔索传动机构用于控制肘关节的运动，第一柔索82承载着肘关节自由度的旋转，并要保证这个自由度旋转的平滑及稳定性；同时第一柔索82在绕过关节后进行任意角度旋转时第一柔索82的长度不会随着转角的变化而发生变化，以避免对下个关节的运动产生误差。

由于一般的柔索绕过一个关节后，其长度往往会随着该关节的转动角度的变化而发生变化，本发明中的第一柔索82在绕过关节后其长度不会发生变化是因为大臂单元3中的第二定滑轮34、左定滑轮35、中定滑轮36、右定滑轮37与小臂单元5中的第一动滑轮53、左动滑轮54、中动滑轮55、右动滑轮56形成了一对张力放大机构。该张力放大机构是将大臂单元3上部的第二定滑轮34两侧的左定滑轮35、中定滑轮36、右定滑轮37放置在近端连杆的滚动表面的中心等距离点处，将小臂单元5下部的第一动滑轮53两侧的左动滑轮54、中动滑轮55、右动滑轮56放置在远端连杆等距的点上，也就是左动滑轮54、中动滑轮55及右动滑轮56分别距离第一动滑轮53的轴距与左定滑轮35、中定滑轮36、右定滑轮37分别距离第二定滑轮34的轴距相等，且左动滑轮54、中动滑轮55及右动滑轮56、第一动滑轮53分别与左定滑轮35、中定滑轮36、右定滑轮37、第二定滑轮34沿小臂单元5与大臂单元3的贴合面镜像对称设置；这种布置方式使第一柔索82的收缩和伸长运动均是对称的，不会发生柔索长度的变化。

本发明中，如图13所示，第二柔索传动机构用于控制腕关节的运动，由于第二柔索84在缠绕过程中会经过肘关节，引起与肘关节的联接运动，所以本发明设置了解耦机制用来避免第一柔索82与第二柔索84的相互干扰。解耦机制包括大臂单元3中的第二定滑轮34、中定滑轮36以及小臂单元5中的第一动滑轮53、中动滑轮55，第二定滑轮34与第一动滑轮53的轮轴中心线分别与连杆4两个端部的连接头的中心线同心设置，中定滑轮36及中动滑轮55沿大臂单元3与小臂单元5贴合圆弧接触点的切线镜像布置，这时可以保持大的运动空间的柔索路径；同时用于驱动腕关节的第二柔索84中的伸长线（图13中的实线部分）和收缩线（图13中的虚线部分）被用于横跨中定滑轮36及中动滑轮55，中定滑轮36与第二柔索84的相切点A以及中动滑轮55与第二柔索的相切点B根据肘部角度的变化而变化。

如图14所示，假设肘关节旋转的角度为θ，空转轮的半径为ridle，则出发点A的线长增加ridle×θ/ 2，到达点B减少ridle×θ/ 2。因此，通过肘关节的第二柔索84其长度在肘关节旋转至任意角度时都不发生改变。在解耦机制正常工作的情况下，可达到180°的最大弯角，图15所示。

本发明的工作原理如下：

1. 腰部单元（即腰关节）的转动原理：

腰部驱动电机20转动，带动第一小带轮72同步转动，通过第一同步带73使第一大带轮71带动与之固连的腰部平台21转动，最后达到腰部单元2所需要的转动角度，也就是实现腰关节的转动。

2. 大臂单元（即肩关节）的转动原理：

大臂驱动电机30转动，带动第二小带轮75同步转动，通过第二同步带76使第二大带轮74带动与之固连的大臂单元3转动，最后达到大臂单元3所需要的转动角度，也就是实现肩关节的转动。

3、小臂单元（即肘关节）的转动原理：

如图9所示，下面以小臂驱动电机50正转为例进行说明：

当小臂驱动电机50正转时，第一柔索绞盘81顺时针转动，第一柔索82的一端（见图9中虚线段所示意图的柔索）运动，第一柔索82首先引起第一定滑轮33中间轮槽的逆时针转动，再到中定滑轮36的逆时针转动，再接着经过左定滑轮35的顺时针转动，最后到左动滑轮54的顺时针转动，从而增大了左定滑轮35与左动滑轮54之间的距离；

第一柔索绞盘81顺时针转动时，第一柔索82的另一端（见图9中实线段所示意图的柔索）同时运动，第一柔索82首先引起第一定滑轮33左槽轮的逆时针转动，再到中定滑轮36的逆时针转动，再接着经过右定滑轮37的顺时针转动，最后到右动滑轮56的顺时针转动，从而减小了右定滑轮37与右动滑轮56之间的距离；

由于左动滑轮54和左定滑轮35之间的距离增加，右动滑轮56与右定滑轮37之间的距离减少一样的距离，如图11及图12所示，这会使得大臂单元3和小臂单元5通过连杆4沿着圆弧段贴合顺时针转动，从而达到所需要的角度。

4、末端执行单元（即腕关节）的转动原理：

如图12所示，下面以末端驱动电机60正转为例进行说明：

第二柔索绞盘83顺时针转动带动第二柔索84一端（见图10中虚线段所示意图的柔索）运动，第二柔索84首先引起第一定滑轮33中间槽轮逆时针转动，然后经过中定滑轮36，再到第二定滑轮34的顺时针转动，再到第一动滑轮53的逆时针转动，再接着到中动滑轮55的顺时针转动，最后到末端执行单元6的顺时针转动；

第二柔索绞盘83顺时针转动时，第二柔索84的另一端（见图10中虚线段所示意图的柔索）同时运动，第二柔索84首先引起第一定滑轮33右槽轮的逆时针转动，然后到中定滑轮36的逆时针转动，再到第二定滑轮34的顺时针转动，再到第一动滑轮53逆时针转动，再接着经过中动滑轮55的顺时针转动，最后到末端执行单元6的顺时针转动；

第二柔索84的两端分别固定在末端执行单元6的螺钉上，形成闭环传动，从而在第二柔索绞盘83的顺时针转动下而相应顺时针转动一定角度。

本发明的有益效果在于：

1）本发明肘关节及腕关节的驱动电机安装在远离关节的腰部平台上，通过第一柔索及第二柔索连接各关节与驱动电机，传递运动与力，改变了传统机械臂将减速装置、驱动装置安装在各关节处导致机械臂整体质量大、惯量大的不足，减小了机械臂伸展部分的质量体积，降低了驱动电机的负载，有利于整个机械臂的运动性能及动态响应的提升。

2）本发明在末端执行机构上设置了夹持喷涂装置的夹具，由于本发明采用柔索传动，各驱动电机全都布置在腰部平台上，因此可以提高一定的负载能力，可以使得机械臂的喷涂速度以及喷涂量有更大的参数范围。

3）本发明的腰部单元以及大臂单元的运动传动控制采用同步带传动，而不是采用和小臂单元及末端执行单元一样的柔索传动控制，减小了整个机械臂基座的尺寸，也减少了对于布线的设计难度。

4）本发明的第一柔索及第二柔索采用闭环柔索传动技术，运动单元可以正反双向运动，同时响应速度相对较快。

5）通过对机械臂肘关节和腕关节柔索控制的解耦，使得两关节的柔索控制可以互不干扰，从而提高末端执行机构的运动精度和位置精度。

以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (9)

1.一种柔索驱动串联四自由度喷涂机械臂，其特征在于：包括基座（1）、设置在基座（1）上的腰部单元（2）、与腰部单元（2）相连的大臂单元（3）、与大臂单元（3）通过连杆（4）相连的小臂单元（5）以及设置在小臂单元（5）端部的末端执行单元（6），所述的腰部单元（2）通过腰部驱动电机（20）及与腰部驱动电机（20）相连的第一同步带传动机构实现腰部单元（2）相对于基座（1）的转动，所述的大臂单元（3）通过大臂驱动电机（30）及与大臂驱动电机（30）相连的第二同步带传动机构实现大臂单元（3）相对于腰部单元（2）的转动，所述的小臂单元（5）通过小臂驱动电机（50）以及与小臂驱动电机（50）相连的第一柔索传动机构实现小臂单元（5）相对于大臂单元（3）的转动，所述的末端执行单元（6）通过末端驱动电机（60）以及与末端驱动电机（60）相连的第二柔索传动机构实现末端执行单元（6）相对于小臂单元（5）的转动，所述腰部单元（2）、大臂单元（3）、小臂单元（5）以及末端执行单元（6）的转动分别对应腰关节、肩关节、肘关节及腕关节的转动，且腰部驱动电机（20）、大臂驱动电机（30）、小臂驱动电机（50）及末端驱动电机（60）均设置在腰部单元（2）上，所述的大臂单元（3）里设有定滑轮组，所述的小臂单元（5）里设有动滑轮组，第一柔索传动机构中的第一柔索（82）绕经定滑轮组、动滑轮组后与定滑轮组相连形成闭环传动，第二柔索传动机构中的第二柔索（84）绕经定滑轮组、动滑轮组后与末端执行单元（6）相连形成闭环传动；

所述的小臂单元（5）包括对称且呈镜像分布的小臂左侧板（51）与小臂右侧板（52），所述的小臂左侧板（51）与小臂右侧板（52）相靠近的板面贴合并通过螺钉固定，小臂左侧板（51）与小臂右侧板（52）之间形成容纳动滑轮组及末端执行单元（6）的空腔；

所述的动滑轮组包括位于小臂单元（5）下部的第一动滑轮（53）以及布置在第一动滑轮（53）周向的左动滑轮（54）、中动滑轮（55）及右动滑轮（56），所述的第一动滑轮（53）、左动滑轮（54）、中动滑轮（55）及右动滑轮（56）分别通过第一动滑轮轴（531）、左动滑轮轴（541）、中动滑轮轴（551）及右动滑轮轴（561）与小臂左侧板（51）及小臂右侧板（52）连接，且上述各动滑轮与各自的轮轴之间分别设有轮轴套，所述的第一动滑轮轴（531）与大臂单元中的第二定滑轮轴（341）之间通过连杆（4）连接，所述的左动滑轮（54）、中动滑轮（55）及右动滑轮（56）分别距离第一动滑轮（53）的轴距与左定滑轮（35）、中定滑轮（36）、右定滑轮（37）分别距离第二定滑轮（34）的轴距相等，且左动滑轮（54）、中动滑轮（55）及右动滑轮（56）、第一动滑轮（53）分别与左定滑轮（35）、中定滑轮（36）、右定滑轮（37）、第二定滑轮（34）沿小臂单元（5）与大臂单元（3）的贴合面镜像对称设置，所述的小臂驱动电机（50）通过第一柔索传动机构驱使小臂单元（5）绕大臂单元（3）的第二定滑轮轴（341）转动。

2.根据权利要求1所述的柔索驱动串联四自由度喷涂机械臂，其特征在于：所述的腰部单元（2）包括水平方向设置的腰部平台（21），所述腰部平台（21）的上表面在相对应的两个边侧设有竖直方向平行设置的平台左侧板（22）及平台右侧板（23），所述腰部平台（21）的下表面与第一同步带传动机构中的第一大带轮（71）固连，所述的腰部平台（21）与基座（1）之间通过第一大带轮（71）的轮轴相连，所述腰部平台（21）的上表面还固定有腰部驱动电机（20），所述腰部驱动电机（20）的输出轴垂直于腰部平台（21），所述平台右侧板（23）的外侧板面上固定有大臂驱动电机（30），所述平台左侧板（22）的外侧板面上固定有小臂驱动电机（50）及末端驱动电机（60）。

3.根据权利要求1所述的柔索驱动串联四自由度喷涂机械臂，其特征在于：所述的第一同步带传动机构包括第一大带轮（71）、第一小带轮（72）以及与两者相配合的第一同步带（73），所述的第一小带轮（72）与腰部驱动电机（20）的输出轴同轴设置，所述的第一大带轮（71）固定在腰部单元（2）的底部且第一大带轮（71）的轮轴两端分别与腰部单元（2）及基座（1）通过轴承连接，所述的腰部驱动电机（20）通过第一同步带传动机构驱使腰部单元（2）绕第一大带轮（71）的轮轴转动；

所述的第二同步带传动机构包括第二大带轮（74）、第二小带轮（75）以及与两者相配合的第二同步带（76），所述的第二小带轮（75）与大臂驱动电机（30）的输出轴同轴设置，所述的第二大带轮（74）与大臂单元（3）相固定且第二大带轮（74）与大臂单元（3）中的第一定滑轮轴（331）同轴连接，所述的大臂驱动电机（30）通过第二同步带传动机构驱使大臂单元（3）绕第一定滑轮轴（331）转动。

4.根据权利要求1所述的柔索驱动串联四自由度喷涂机械臂，其特征在于：所述的大臂单元（3）包括对称且呈镜像布置的大臂左侧板（31）及大臂右侧板（32），所述的大臂左侧板（31）与大臂右侧板（32）相靠近的板面贴合并通过螺钉固定，大臂左侧板（31）与大臂右侧板（32）之间形成容纳定滑轮组的空腔；

所述的定滑轮组包括位于大臂单元（3）下部的第一定滑轮（33）、位于大臂单元（3）上部的第二定滑轮（34）以及布置在第二定滑轮（34）周向的左定滑轮（35）、中定滑轮（36）、右定滑轮（37），所述的左定滑轮（35）、中定滑轮（36）、右定滑轮（37）整体呈L形布置，所述的第一定滑轮（33）、第二定滑轮（34）、左定滑轮（35）、中定滑轮（36）、右定滑轮（37）分别通过第一定滑轮轴（331）、第二定滑轮轴（341）、左定滑轮轴（351）、中定滑轮轴（361）、右定滑轮轴（371）与大臂左侧板（31）及大臂右侧板（32）相固定，且上述各定滑轮与各自的轮轴之间分别设有轮轴套，所述第一定滑轮轴（331）的两端还分别与腰部单元（2）中的平台左侧板（22）及平台右侧板（23）相固定，所述的第二定滑轮轴（341）与小臂单元（5）中的第一动滑轮轴（531）通过连杆（4）连接。

5.根据权利要求1所述的柔索驱动串联四自由度喷涂机械臂，其特征在于：所述大臂单元（3）的下端呈圆形，所述大臂单元（3）的上端与小臂单元（5）的下端均设有四分之一圆弧段，所述的小臂驱动电机（50）通过第一柔索传动机构带动小臂单元（5）绕大臂单元（3）的第二定滑轮轴（341）转动时，小臂单元（5）下方的四分之一圆弧段与大臂单元（3）上方的四分之一圆弧段实现贴合转动。

6.根据权利要求1所述的柔索驱动串联四自由度喷涂机械臂，其特征在于：所述的第一柔索传动机构包括第一柔索绞盘（81）及第一柔索（82），所述的第一柔索绞盘（81）与小臂驱动电机（50）的输出轴同轴设置，所述的第一柔索（82）为闭环传动，所述第一柔索（82）的一端依次绕经第一柔索绞盘（81）、第一定滑轮（33）的中间轮槽、中定滑轮（36）的右轮槽、左定滑轮（35）、左动滑轮（54）后与左定滑轮（35）的左定滑轮轴（351）相固定，第一柔索（82）的另一端依次绕经第一定滑轮（33）的左轮槽、中定滑轮（36）的左轮槽、右定滑轮（37）、右动滑轮（56）后与右定滑轮（37）的右定滑轮轴（371）相固定。

7.根据权利要求1所述的柔索驱动串联四自由度喷涂机械臂，其特征在于：所述的第二柔索传动机构包括第二柔索绞盘（83）及第二柔索（84），所述的第二柔索绞盘（83）与末端驱动电机（60）的输出轴同轴设置，所述的第二柔索（84）为闭环传动，所述第二柔索（84）的一端依次绕经第二柔索绞盘（83）、第一定滑轮（33）的中间轮槽、中定滑轮（36）的中间轮槽、第二定滑轮（34）、第一动滑轮（53）、中动滑轮（55）、柱状主体（62）后与柱状主体（62）上的线槽（65）通过螺钉相固定；所述第二柔索（84）的另一端依次绕经第一定滑轮（33）的右轮槽、中定滑轮（36）的中间轮槽、第二定滑轮（34）、第一动滑轮（53）、中动滑轮（55）、柱状主体（62）后与柱状主体（62）上的线槽（65）通过螺钉相固定。

8.根据权利要求1所述的柔索驱动串联四自由度喷涂机械臂，其特征在于：所述的末端执行单元（6）设置在小臂单元（5）的上部，所述的末端执行单元（6）包括连接轴（61）、与连接轴（61）同轴设置的柱状主体（62）以及设置在柱状主体（62）上用来夹持喷头的夹具（63），所述连接轴（61）的两端与小臂左侧板（51）及小臂右侧板（52）相连，所述的柱状主体（62）与连接轴之间设有轴承（64），所述柱状主体（62）的中间位置沿其周向设有与第二柔索（84）相配合的线槽（65），线槽（65）的旁侧设有用来固定第二柔索（84）的螺钉（66），所述的末端驱动电机（60）通过第二柔索传动机构驱使柱状主体（62）绕末端执行单元（6）的连接轴（61）转动。

9.根据权利要求8所述的柔索驱动串联四自由度喷涂机械臂，其特征在于：所述的柱状主体（62）为采用3D方式打印的圆柱体，所述的夹具（63）包括对合设置的左夹头（631）与右夹头（632），所述的左夹头（631）与右夹头（632）之间形成用于夹持喷头的空间。

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