CN113117942B - 一种刚柔耦合并联机器人多色喷涂实验装置及喷涂方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种刚柔耦合并联机器人多色喷涂实验装置及喷涂方法，包括刚性支架、对拉式驱动组件、末端执行器、刚性弹簧伸缩杆组件、360°旋转接头组件、多色矩形喷枪组件和机电控制系统部分；刚性支架为机器人提供整体支撑；对拉式驱动组件为末端执行器提供驱动力，末端执行器的上端通过刚性弹簧伸缩杆组件与刚性支架的顶部十字万向节连接，刚性弹簧伸缩杆组件通过弹簧和伸缩杆实现末端执行器的被动张紧，360°旋转接头组件为末端执行器增加一个转动自由度，其包括有末端旋转接头，末端旋转接头的底端安装有多色矩形喷枪组件，喷枪组件可进行多色喷涂并防止油漆过喷。本发明可以完成三维工件表面多色图案自动喷涂，并实时监测喷涂质量。

Description

一种刚柔耦合并联机器人多色喷涂实验装置及喷涂方法

技术领域：

本发明涉及喷涂机器人领域，主要涉及一种刚柔耦合并联机器人多色喷涂实验装置及喷涂方法。

背景技术：

喷涂作业广泛应用于卫浴、家具、汽车、船舶、航空航天等领域。传统喷涂作业需工人手持喷涂设备完成作业，具有喷涂效率低、质量不稳定、有害健康等缺点。由于喷涂机器人具有喷涂效率高、质量稳定、油漆利用率高、柔性大、工作范围广等优点，人工喷涂已逐步被机器人喷涂所替代。现阶段喷涂机器人多为刚性串联构型，其运动惯量大、能耗高、工作空间小等缺点限制了在喷涂领域的应用。相较于传统串联机器人，柔索驱动并联机器人通过钢丝绳将驱动电机的动力传递至末端执行器，具有负载大、惯量小、工作空间大、运动速度快等优点，在喷涂领域具有广阔的应用前景。目前喷枪多为空气喷枪和旋杯喷枪，通过空气或静电场将油漆充分雾化，有效解决了单色喷涂的涂层均匀性问题。当待喷图案为多种颜色或特定形状时，需要在工件表面进行手动遮蔽或用薄膜包裹，大大降低了喷涂效率，并且造成资源浪费。

现有柔索并联驱动的喷涂机器人多为悬垂或者对拉式，在高速运动时会造成末端执行器抖动，无法应对精细化喷涂的工艺需求。例如，授权公告号为CN 109395938 B的中国发明专利：一种柔索并联驱动的喷涂机器人机构。该机器人采用八根绳索上下对拉的驱动形式，每根绳索与对应的滚珠丝杠联动，末端采用传统喷枪实施喷涂任务。这种喷涂机器人在沿末端执行器z轴方向无法旋转，并且末端较易抖动，无法应对多种颜色的精细化自动喷涂。再如，申请公开号为CN 111360793 A的中国发明专利：一种柔索驱动混联喷涂机器人机构及其操作方法。同样采用八根绳索对拉的方式驱动末端执行器，可以实现末端喷枪三个平动和两个转动自由度，但是仍然无法实现绕z轴方向的转动，并且无法实现精细化多色自动喷涂。因此研发一款柔性驱动同时具有刚性约束的可进行多色自动化喷涂的并联机器人尤为重要。

发明内容：

本发明目的就是为了弥补已有技术的缺陷，提供一种刚柔耦合并联机器人多色喷涂实验装置及喷涂方法，可以完成工件表面多色喷涂，并实时监测喷涂质量，尤其是可以完成三维工件表面的彩色图案自动化喷涂，具有较好的喷涂质量稳定性和喷涂色彩多样性，同时具有较高的自动化的程度。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种刚柔耦合并联机器人多色喷涂实验装置，包括有刚性支架、对拉式驱动组件、末端执行器、刚性弹簧伸缩杆组件、360°旋转接头组件、多色矩形喷枪组件和机电控制系统部分；

所述刚性支架为机器人提供整体支撑，保证机器人具有足够的工作空间和结构刚度，其呈长方体空间框架结构，包括有上部框架、下部框架以及顶部十字万向节；所述对拉式驱动组件为末端执行器提供驱动力，其包括有八根呈上下对称分布的钢丝绳，所述钢丝绳的一端与末端执行器连接，另一端分别绕制在刚性支架下部框架内的伺服电机驱动的绕线器上，所述末端执行器的上端通过刚性弹簧伸缩杆组件与刚性支架的顶部十字万向节连接，所述刚性弹簧伸缩杆组件通过弹簧和伸缩杆实现末端执行器的被动张紧，配合对拉钢丝绳的柔性驱动，实现末端执行器的刚柔耦合运动，增强机器人运动过程中的稳定性，所述360°旋转接头组件为末端执行器增加一个转动自由度，其包括有安装在末端执行器底端的末端旋转接头，所述末端旋转接头的转动通过钢丝绳带动，所述钢丝绳的伸缩通过电机驱动的绕线器驱动，所述末端旋转接头的底端安装有多色矩形喷枪组件。

所述刚性支架的上部框架为由铝合金型材梁通过三角紧固件连接而成的框架，框架的底端部通过平板紧固件安装有用于将驱动空间和运动空间隔绝开的隔离板；所述下部框架作为机构的底部支撑和驱动空间，其为由方钢管焊接而成的框体，位于上部框架的底端，所述下部框架的中部安装有用于固定驱动电机的电机支架；所述顶部十字万向节由顶部万向节座、旋转内环和连接圆板构成，所述万向节座通过圆管杆件连接于刚性支架顶部；所述旋转内环通过旋转轴安装于顶部十字万向节内部，连接圆板通过旋转轴安装于中间旋转环内部，并且旋转轴与旋转内环的转轴垂直，所述连接圆板的上面设有两个用于安装定滑轮的螺纹盲孔，下面设有四个用于连接刚性弹簧伸缩杆件的螺纹盲孔。

所述的对拉式驱动组件的八根呈上下对称分布的钢丝绳包括有四根上拉钢丝绳和四根下拉钢丝绳，所述四根上拉钢丝绳的一端分别固定于末端执行器上部，另一端绕过顶部滑轮，穿过中部滑轮底座，绕过上拉绳滑轮，最终绕制于驱动部件上的绕线器；所述顶部滑轮分别固定安装在对应的铝合金型材梁的顶部，所述铝合金型材梁的内侧分别设置有与其并列转动设置的丝杠，所述丝杠的上旋合有与其配合的可升降的丝杠滑块，所述丝杠滑块上安装有中部滑轮底座，所述丝杠的一侧架设有与其并列的导向杆，所述丝杠滑块上设有与导向杆导向配合的导向孔，所述丝杠的底端分别安装有驱动其转动的同步带传动齿轮，所述上拉绳滑轮固定安装在铝合金型材梁的底部；所述四根下拉钢丝绳的一端分别固定于末端执行器的下部，绕过中部滑轮，接着绕过下拉绳滑轮，另一端绕制于驱动部件上的绕线器，所述中部滑轮固定安装在丝杠滑块上的中部滑轮底座上，所述下拉绳滑轮也固定安装在铝合金型材梁的底部，所述驱动部件固定安装在下部框架的电机支架上。

所述的丝杠的转动通过垂直驱动电机驱动，所述垂直驱动电机的输出轴端也安装有同步带传动齿轮，同时带动4根丝杠的转动，所述同步带传动齿轮结构相同，均由四节在水平方向呈垂直分布，在竖直方向上由上到下依次排布的齿轮组成，所述垂直驱动电机的同步带传动齿轮通过四根上下并列错位设置的同步带与丝杠底端的同步带传动齿轮传动连接；所述驱动部件包括有上拉绳驱动电机和下拉绳驱动电机，所述上拉绳驱动电机和下拉绳驱动电机分别为四个，分上下两层对应分布安装在电机支架上，所述绕线器分别固定在上拉绳驱动电机和下拉绳驱动电机的电机输出轴上，所述垂直驱动电机安装于电机支架的中部。

所述的末端执行器由上部安装板、连接立柱和下部安装板构成，所述上部安装板通过连接立柱与下部安装板固连，所述上部安装板和下部安装板的四角分别设有用于固定钢丝绳的通孔，且上部安装板和下部安装板上分别加工有用于钢丝绳通过和安装滑轮组的螺纹孔和通孔，所述末端执行器上端连接刚性弹簧伸缩杆，下端连接多色矩形喷枪组件。

所述的刚性弹簧伸缩杆组件包括有多节伸缩杆，所述伸缩杆由上到下依次套装，管径依次增大，其第一节伸缩杆固定在顶部十字万向节下方，最后一节伸缩杆固定在伸缩杆底座上，所述伸缩杆两头分别设有卡环，防止伸缩杆在拉伸过程中脱杆，所述伸缩杆底端设有伸缩杆底座，所述伸缩杆底座铰接在底部万向节内环上，所述底部万向节内环转动安装在底部万向节座内，且底部万向节座与末端执行器铰接；所述弹簧位于伸缩杆的外侧，且至少为两根对称分布，其一端分别固定在伸缩杆顶部顶板上的紧固螺栓上，另一端分别固定在伸缩杆底座上的螺栓上。

所述的360°旋转接头组件包括有固定在末端执行器底部中心位置的末端旋转接头、钢丝绳以及滑轮组件，所述滑轮组件包括有滑轮组一、滑轮组二、滑轮组三、滑轮组四、滑轮组五，所述滑轮组一通过螺栓固定在顶部十字万向节的连接圆板上端中心位置，滑轮组二通过螺栓固定在顶部十字万向节的连接圆板的上端面靠近绕线器的一侧，滑轮组三通过螺栓固定在伸缩杆底座上端面，滑轮组四固定在末端执行器的上端面，滑轮组五固定在末端执行器的下端面，所述钢丝绳一端绕过绕线器，所述绕线器安装在电机的输出轴端，所述电机通过电机座固定在其一侧的刚性支架的上部框架上，另一端首先水平绕过滑轮组一，接着绕过滑轮组二后向下穿过连接圆板，接着绕过滑轮组三，接着绕过滑轮组四后向下穿过末端执行器，接着绕过滑轮组五后绕制在末端旋转接头上。

所述的末端旋转接头包括有转盘座、扭簧和绕线转盘，所述转盘座通过螺栓固定在末端执行器底部中心位置上，所述绕线转盘通过转轴安装在转盘座上，所述转轴的上端安装有转轴卡帽，中部开有固定扭簧的通孔，所述转轴上套装有扭簧，所述扭簧通过转轴中部通孔和转盘座限位卡在转盘座内。

所述的多色矩形喷枪组件包括有空气喷枪和矩形喷嘴板，所述空气喷枪通过螺栓固定在矩形喷嘴板上，矩形喷嘴板通过上部支架固定在绕线转盘上，视觉检测传感器和测距传感器固定在传感器支架上，并通过螺栓固定在喷嘴板一侧，所述喷嘴板的另一侧连接有负压回收管，所述负压回收管的另一端连接负压回收装置，所述喷嘴板底部安装有用于密封底部回收孔的橡胶密封圈和垫片。

所述的刚柔耦合并联机器人多色喷涂实验装置的喷涂方法，具体方法步骤如下：

(1)图像预处理：采集平面待喷图案，使用Shi-Tomasi角点检测算法提取转弯角点；

(2)平面路径规划：使用生物激励神经网络全覆盖路径规划算法进行平面喷涂路径规划；

(3)三维路径规划：导入待喷工件CAD模型，使用坐标转换的方法，将上一步规划好的平面路径点转换成具有姿态信息的一一对应的三维路径点；

(4)通PC机、运动控制器以及驱动器驱动伺服电机，在控制系统中输入规划好的三维路径，电机开始转动，带动连在电机上的绕线器转动，使钢丝绳拉动末端执行器按照三维路径进行运动，同时通过PLC的脉冲指令，开启和关闭末端喷枪，控制不同颜色涂料的开关，实现不同颜色图案的切换，完成多色喷涂；

(5)在喷涂的过程中，视觉检测传感器获取已喷区域图像，接着将图像输入实时检测系统进行图像质量缺陷检测，将检测结果反馈给上位机，如无缺陷，机器人继续喷涂任务；如有缺陷，将缺陷位置、类型和图像直接显示在喷涂系统中，并发出机器人停止运动的指令；

(6)在喷涂过程中，测距传感器实时检测末端喷枪与待喷工件表面的距离，如喷距超过误差范围时，将数据反馈至控制系统，实时调整末端执行器的运动轨迹，以保证漆膜厚度的均匀性；

(7)完成A颜色图案喷涂后，机器人移动至换色位姿进行换色，换色后继续喷涂B颜色图案，同理，换色后完成C颜色图案喷涂后，关闭喷漆系统，并将喷枪移动至废料桶位置，对供料系统进行清洗、吹干，完成上述工序后，机器人复位，整个喷涂任务完成。

其原理是：本申请采用八根绳索上下对拉，末端执行器通过万向节与刚性伸缩杆连接，并且通过拉簧将末端执行器与机器人刚性支架连接，使驱动钢丝绳被动张紧，保证了运动过程中末端执行器的稳定性；末端执行器连接360°旋转接头，该接头由一根钢丝绳驱动，旋转接头连接多色矩形喷枪。工作时伺服电机通过钢丝绳驱动末端的多色矩形喷抢实现空间6个自由度的运动，无需手动遮蔽工件表面，即可实现多色自动喷涂；对三维工件表面实施多色精细化喷涂，无需手动遮蔽，即可实现简单多色图案的自动喷涂，并且实时监测喷涂表面漆膜质量，可以实现三维工件表面简单多色图案的精细化自动喷涂。

本发明的优点是：

1、本发明设计的矩形喷枪可喷涂三种颜色的漆雾，且喷出的漆雾呈矩形状，具有较为锐利的边缘，有效减少了油漆过喷，可实现简单图案的喷绘。

2、本发明的矩形喷抢安装有视觉检测传感器和测距传感器，可实时监控喷涂质量以及末端行走路径，提高了喷涂质量的可控性和稳定性。

3、本发明设计的刚性弹簧伸缩杆可以利用弹簧使柔性驱动绳被动张紧，实现刚柔耦合驱动，降低了末端执行器运动过程中的抖动现象，提高了机器人运动稳定性。

4、本发明设计的末端旋转机构，为末端执行器增加了一个转动自由度，增强了机器人末端执行器的灵活性，使其适用于多色图案的喷涂。

5、本发明采用的对拉式绳驱动系统中增加了滚珠丝杠模块，可根据不同尺寸的待喷工件调整竖直方向机器人的工作空间，有效防止运动过程中钢丝绳与工件产生干涉。

6、本发明将驱动组件放置在机器人底部，并通过隔离板与工作空间进行隔离，防止漆雾进入电机驱动系统，并且便于电机的集中维护。

附图说明：

图1为刚柔耦合并联机器人多色喷涂实验装置总装图；

图2为刚性支架结构图；

图3为顶部十字万向节示意图；

图4为对拉式驱动组件结构图；

图4a为图4中A处的局部结构放大图；

图4b为图4中B处的局部结构放大图；

图4c为图4中C处的局部结构放大图；

图5为驱动部件爆炸图；

图6为末端执行器示意图；

图7为刚性弹簧伸缩杆结构图；

图8为360°旋转接头组件示意图；

图8a为图8中D处的结构放大图；

图9为末端旋转接头的爆炸结构图；

图10为多色矩形喷枪组件爆炸图；

图11为矩形喷嘴板的轴测图；

图11a为图11的仰视图；

图11b为图11a中的A-A的剖视图；

图11c为图11中的B-B的剖视图；

图12为喷嘴板内部涂料回收流向示意图；

图13为涂料沉积模型示意图；

图13a为图13的俯视图；

图14为多色喷涂方法流程图。

图中标记：

图1：刚性支架-1、对拉式驱动组件-2、末端执行器-3、刚性弹簧伸缩杆组件-4、360°旋转接头组件-5、多色矩形喷枪组件-6；

图2：圆管杆件-1001、顶部V型紧固件-1002、顶部十字万向节-1003、铝合金型材梁-1004、三角紧固件-1005、隔离板-1006、平板紧固件-1007、方钢管-1008、电机支架-1009；

图3：顶部万向节座-1101、旋转内环-1102、连接圆板-1103；

图4-图4c：上拉钢丝绳-2001、丝杠-2002、导向杆-2003、下拉钢丝绳-2004、同步带-2005、驱动部件-2006、顶部滑轮螺纹杆-2007、顶部滑轮支架-2008、顶部滑轮-2009、轴承-2010、轴承盖-2011、丝杠滑块-2012、中部滑轮-2013、中部滑轮底座-2014、中部滑轮支架-2015、丝杠底部固定件-2016、底部V型紧固件-2017、上拉绳滑轮-2018、底部滑轮支架-2019、下拉绳滑轮-2020；

图5：同步带传动齿轮-2101、上拉绳驱动电机-2102、绕线器-2103、下拉绳驱动电机-2104、电机支架-2105、滚珠丝杠驱动电机-2106；

图6：上部安装板-3001、连接立柱-3002、下部安装板-3003；

图7：紧固螺栓-4001、第一节伸缩杆-4002、拉簧-4003、中间伸缩杆-4004、最后一节伸缩杆-4005、伸缩杆底座-4006、底部万向节内环-4007、底部万向节座-4008；

图8和图8a：电机-5001、电机座-5002、绕线器-5003、钢丝绳-5004、轮组一-5005、滑轮组二-5006、滑轮组三-5007、滑轮组四-5008、滑轮组五-5009、末端旋转接头-5010；

图9：螺栓-5101、转轴卡帽-5102、转盘座-5103、扭簧-5104、卡帽螺栓-5105、绕线转盘-5106；

图10：空气喷枪-6001、矩形喷嘴板-6002、传感器支架-6003、视觉检测传感器-6004、测距传感器-6005、负压回收管-6006、橡胶密封圈-6007、垫片-6008

图11：水平短回流孔-6101、水平长回流孔6102、垂直回流孔6103；

具体实施方式：

下面给出本发明的具体实施方法，并结合附图加以说明。

结合图1，一种刚柔耦合并联机器人多色喷涂实验装置由刚性支架1、对拉式驱动组件2、末端执行器3、刚性弹簧伸缩杆组件4、360°旋转接头组件5、多色矩形喷枪组件6以及机电控制系统部分构成。

进一步说明，刚性支架1整体呈长方体空间框架，可底部通过地脚螺栓与地面固定；对拉式驱动组件2为八根钢丝绳呈上下对称分布，钢丝绳通过固定在刚性支架1顶部和滚珠丝杠上的滑轮与其连接，九个伺服电机通过螺栓安装在框架底部，并通过同步带和钢丝绳为机器人提供驱动力；末端执行器3由两个孔板和四根短杆连接，八个通孔分别与钢丝绳末端固连；刚性弹簧伸缩杆组件4通过十字万向节分别与刚性支架1和末端执行器3连接，其作用是为机器人提供被动刚性约束，提高机器人运动过程中的稳定性；360°旋转接头组件5通过扭簧与末端执行器3底部相连，扭簧提供被动张力；末端转盘以绕过滑轮的钢丝绳为驱动力实现其绕z轴的360°旋转；多色矩形喷枪组件6通过螺栓与360°旋转接头组件5的末端转盘连接，三把不同颜色的喷枪分别通过矩形喷嘴板喷出矩形漆雾，可以通过控制电磁阀的开关进行多色漆面的喷涂作业。

结合图2、3，刚性支架1由圆管杆件1001、顶部V型紧固件1002、顶部十字万向节1003、铝合金型材梁1004、三角紧固件1005、隔离板1006、平板紧固件1007、方钢管1008和电机支架1009构成，整体可分为顶部十字支架、上部框架和下部框架三部分。顶部十字万向节1003由顶部万向节座1101、旋转内环1102和连接圆板1103构成。刚性支架1的作用是为机器人提供整体支撑，保证机器人具有足够的工作空间和结构刚度。

进一步说明，刚性支架1由四根圆管杆件1001和顶部十字万向节1003连接而成，并通过顶部V型紧固件1002与上部框架连接；其作用是用来连接刚性伸缩杆，并用于安放末端旋转机构的滑轮组，使末端运动更为稳定。上部框架由铝合金型材梁1004通过三角紧固件1005连接，隔离板1007通过平板紧固件1006安装于框架底部；隔离板的作用是将驱动空间和运动空间隔绝开；下部框架由方钢管1008焊接而成，电机支架1009一端与方钢管1008连接，另一端打有通孔，用于安装电机支架；下部框架的作用是用于固定驱动电机，并作为机构的底部支撑和驱动空间。万向节座1101与圆管杆件1001连接，固定于机器人顶部；旋转内环1102通过旋转轴安装于顶部十字万向节1003内部，连接圆板1103通过旋转轴安装于中间旋转环1102内部，并且旋转轴与旋转内环的转轴垂直。连接圆板的上面设有两个用于安装定滑轮的螺纹盲孔，下面设有四个用于连接刚性弹簧伸缩杆件的螺纹盲孔。

结合图4、5所示，对拉式驱动组件2由上拉钢丝绳2001、丝杠2002、导向杆2003、下拉钢丝绳2004、同步带2005、驱动部件2006、顶部滑轮螺纹杆2007、顶部滑轮支架2008、顶部滑轮2009、轴承2010、轴承盖2011、丝杠滑块2012、中部滑轮2013、中部滑轮底座2014、中部滑轮支架2015、丝杠底部固定件2016、底部V型紧固件2017、上拉绳滑轮2018、底部滑轮支架2019和下拉绳滑轮2020构成。驱动部件2006由同步带传动齿轮2101、上拉绳驱动电机2102、绕线器2103、下拉绳驱动电机2104、电机支架2105和滚珠丝杠驱动电机2106构成。对拉式驱动组件2的作用是为末端执行器提供驱动力，为其提供三个平动和两个转动的自由度。

进一步说明，4根上拉钢丝绳2001分别一端固定于末端执行器3上部，绕过顶部滑轮2009，穿过中部滑轮底座2014，绕过上拉绳滑轮2018，另一端绕制于驱动部件2006上的绕线器；其作用是通过驱动电机拉动钢丝绳，使末端执行器运动。4个丝杠2002分别竖直安装于铝合金型材梁1004内侧，上端安装轴承2010，轴承2010通过轴承盖2011固定于顶部V型紧固件1002上，丝杠2002下端固定于丝杠底部固定件2016，并且下端为同步带齿轮；其通过驱动部件2006的垂直伺服电机的转动使4个丝杠滑块2016同时上下移动，从而改变末端执行器3的工作空间。导向杆2003上下两端分别安装于顶部V型紧固件1002和丝杠底部固定件2016上，为丝杠滑块2012提供导向作用。4根下拉钢丝绳2004分别一端固定于末端执行器3下部，绕过中部滑轮2013，接着绕过下拉绳滑轮2020，另一端绕制于驱动部件2006上的绕线器；其作用是通过驱动电机拉动钢丝绳，配合上拉钢丝绳完成末端执行器5个自由度的运动。同步带2005分别绕过丝杠下端的齿轮和驱动部件2006上端的齿轮形成驱动闭环，4根同步带在水平方向呈垂直分布，在竖直方向由上到下依次排布；其作用是通过垂直驱动电机的转动，同时带动4根丝杠的转动。驱动部件2006通过螺栓与电机支架1009连接，固定在对拉式驱动组件底部中心位置，为整个机器人的运动提供动力。顶部滑轮螺纹杆2007固定于顶部V型紧固件1002上，另一端穿过顶部滑轮支架2008，滑轮支架上安装有顶部滑轮2009。轴承2010通过轴承盖2011固定在顶部V型紧固件1002上。丝杠滑块2012穿过丝杠和导向杆，其上安装有中部滑轮底座2014，底座通过转轴安装中部滑轮支架2015，中部滑轮2013安装在支架上。上拉绳滑轮2018和下拉绳滑轮2020分别安装在底部滑轮支架2019上，支架固定在底部V型紧固件2017上。上拉绳驱动电机2102和下拉绳驱动电机2104通过螺栓分别固定在电机支架2105展开的四个安装板上，分上下两层分布，上层四个电机驱动上拉绳，下层四个电机驱动下拉绳。绕线器2103分别固定在电机输出轴上。滚珠丝杠驱动电机2106通过螺栓固定在电机支架中心，输出轴上安装同步带传动齿轮2101，齿轮由四节组成，由上到下依次与四根丝杠上的齿轮通过同步带连接；其作用是同时带动丝杠转动，从而改变机器人工作空间。

结合图6，末端执行器3由上部安装板3001、连接立柱3002和下部安装板3003构成。末端执行器3的作用是为喷枪和末端旋转接头提供安装平台，并且便于排布油漆管、空气管、涂料回收管等管线。

进一步说明，上部安装板3001通过连接立柱3002与下部安装板3003固连。其中八个角上留有通孔，用于固定钢丝绳。安装板上分别加工有螺纹孔和通孔，用于钢丝绳通过和安装滑轮组。末端执行器3上端连接刚性弹簧伸缩杆4，下端连接多色矩形喷枪组件6。

结合图7，刚性弹簧伸缩杆4由紧固螺栓4001、第一节伸缩杆4002、拉簧4003、中间伸缩杆4004、最后一节伸缩杆4005、伸缩杆底座4006、底部万向节内环4007和底部万向节座4008构成。刚性弹簧伸缩杆4的作用是将末端执行器与机器人支架刚性连接，并且通过弹簧和伸缩杆实现末端执行器的被动张紧，配合对拉钢丝绳的柔性驱动，实现末端执行器的刚柔耦合运动，增强机器人运动过程中的稳定性。

进一步说明，伸缩杆由上到下依次套装，管径依次增大。第一节伸缩杆4001通过紧固螺栓4001固定在顶部十字万向节1003下方。中间伸缩杆4004依次套在第一节伸缩杆上，伸缩杆两头设有卡环，防止伸缩杆在拉伸过程中脱杆。最后一节伸缩杆4005套在中间伸缩杆上，另外一端通过螺栓固定在伸缩杆底座4006上。伸缩杆底座4006与底部万向节内环4007铰接，接着与底部万向节座4008铰接。底部万向节座4008与末端执行器3铰接。弹簧4003一端固定在顶部的紧固螺栓，另一端固定在伸缩杆底座上的螺栓。

结合图8、9，360°旋转接头组件5由电机5001、电机座5002、绕线器5003、钢丝绳5004、滑轮组一5005、滑轮组二5006、滑轮组三5007、滑轮组四5008、滑轮组五5009和末端旋转接头5010构成。末端旋转接头5010由螺栓5101、转轴卡帽5102、转盘座5103、扭簧5104、卡帽螺栓5105和绕线转盘5106构成。360°旋转接头组件5的作用是为末端执行器增加一个转动自由度，可以使喷枪绕竖直方向进行转动喷涂，可以灵活的实现多色图案的喷涂。

进一步说明，电机5001通过螺栓固定在电机座5002上，绕线器5003与电机5001的输出轴连接。滑轮组一5005通过螺栓固定在连接圆板1103上端中心位置，滑轮组二5006通过螺栓固定在连接圆板1103的上端面靠近绕线器的一侧，滑轮组三5006通过螺栓固定在伸缩杆底座4006上端面，滑轮组四5008固定在末端执行器3的上端面，滑轮组五5009固定在末端执行器3的下端面。末端旋转接头5010通过螺栓固定在末端执行器3底部中心位置。钢丝绳5004一端绕过绕线器5003并固定在电机座5002上，另一端首先水平绕过滑轮组一5005，接着绕过滑轮组二5006后向下穿过连接圆板1103，接着绕过滑轮组三5007，接着绕过滑轮组四5008后向下穿过末端执行器3，接着绕过滑轮组五5009后绕制在末端旋转接头5010上。转盘座5103通过螺栓5101固定在末端执行器3底部中心位置。扭簧5104卡在转盘座内，绕线转盘5106的转轴穿过转盘座和卡在其中的扭簧，并通过转轴卡帽5102和卡帽螺栓5105卡在转轴座上。

结合图10、11、12、13，多色矩形喷枪组件6由空气喷枪6001、矩形喷嘴板6002、传感器支架6003、视觉检测传感器6004、测距传感器6005、负压回收管6006、橡胶密封圈6007和垫片6008构成。矩形喷嘴板6002分别在侧面和底面开有涂料回收孔6101、6102和6103，通过垫片和螺栓的密封，形成内部涂料回收回路。多色矩形喷枪组件6设计了三个矩形漆雾喷出口，可以实现三种颜色的喷涂。并且通过矩形喷嘴板喷出的漆雾呈长方形，图案具有锐利边缘，有效防止了油漆过喷现象。在其上的多传感系统，可以实时监控喷涂质量和机器人运动路径，有效降低了废件率，节约成本。

进一步说明，空气喷枪6001通过螺栓固定在矩形喷嘴板6002上，矩形喷嘴板通过上部支架固定在绕线转盘5106上。视觉检测传感器6004和测距传感器6005固定在传感器支架6003上，并通过螺栓固定在喷嘴板一侧。负压回收管6006一端连接到喷嘴板另一侧，另一端连接负压回收装置。橡胶密封圈6007和垫片6008通过螺栓固定在喷嘴板底部，用于密封底部回收孔。水平短回流孔6101是开在矩形喷嘴板6002正面的12个盲孔，水平长回流孔6102是开在矩形喷嘴板6002侧面的4个通孔，垂直回流孔6103是开在矩形喷嘴板6002底面的30个盲孔。这些孔通过螺栓、密封圈、垫片等零件进行封堵，最终形成如图12所示的内部油漆回收回路。在喷涂过程中，空气喷枪6001喷出的漆雾呈锥状体，在经过矩形喷嘴板时，外围的漆雾撞至喷嘴板内腔，经由油漆回收回路，并通过负压回收管回收至涂料桶中。此后，如图13所示，从喷嘴板喷出的漆雾便呈矩形状，涂料厚度更为均匀，且不存在边缘过喷现象。

结合图1至图14，对本发明功能进行总体说明。本发明由刚性支架1、对拉式驱动组件2、末端执行器3、刚性弹簧伸缩杆组件4、360°旋转接头组件5、多色矩形喷枪组件6以及机电控制系统部分组成。

使用上述一种刚柔耦合并联机器人多色喷涂实验装置，喷涂方法步骤如下：

(1)图像预处理：采集平面待喷图案，使用Shi-Tomasi角点检测算法提取转弯角点；

(2)平面路径规划：使用生物激励神经网络全覆盖路径规划算法进行平面喷涂路径规划；

(3)三维路径规划：导入待喷工件CAD模型，使用坐标转换的方法，将上一步规划好的平面路径点转换成具有姿态信息的一一对应的三维路径点；

(4)通过“PC-控制器-驱动器-伺服电机”驱动伺服电机。在控制系统中输入规划好的三维路径。电机开始转动，带动连在电机上的绕线器转动，使钢丝绳拉动末端执行器按照三维路径进行运动。同时，通过PLC的脉冲指令，开启和关闭末端喷枪，控制不同颜色涂料的开关，实现不同颜色图案的切换，完成多色喷涂；

(5)在喷涂的过程中，视觉检测传感器获取已喷区域图像，接着将图像输入实时检测系统进行图像质量缺陷检测，将检测结果反馈给上位机。如无缺陷，机器人继续喷涂任务；如有缺陷，将缺陷位置、类型和图像直接显示在喷涂系统中，并发出机器人停止运动的指令；

(6)在喷涂过程中，测距传感器实时检测末端喷枪与待喷工件表面的距离。如喷距超过误差范围时，将数据反馈至控制系统，实时调整末端执行器的运动轨迹，以保证漆膜厚度的均一性；

(7)完成A颜色图案喷涂后，机器人移动至换色位姿进行换色，换色后继续喷涂B颜色图案，同理，换色后完成C颜色图案喷涂后，，关闭喷漆系统，并将喷枪移动至废料桶位置，对供料系统进行清洗、吹干。完成上述工序后，机器人复位，整个喷涂任务完成。

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

Claims (7)

1.一种刚柔耦合并联机器人多色喷涂实验装置，其特征在于：包括刚性支架、对拉式驱动组件、末端执行器、刚性弹簧伸缩杆组件、360°旋转接头组件、多色矩形喷枪组件和机电控制系统部分；

所述刚性支架为机器人提供整体支撑，保证机器人具有足够的工作空间和结构刚度，其呈长方体空间框架结构，包括有上部框架、下部框架以及顶部十字万向节；所述对拉式驱动组件为末端执行器提供驱动力，其包括有八根呈上下对称分布的钢丝绳，所述钢丝绳的一端与末端执行器连接，另一端分别绕制在刚性支架下部框架内的伺服电机驱动的绕线器上，所述末端执行器的上端通过刚性弹簧伸缩杆组件与刚性支架的顶部十字万向节连接，所述刚性弹簧伸缩杆组件通过弹簧和伸缩杆实现末端执行器的被动张紧，配合对拉钢丝绳的柔性驱动，实现末端执行器的刚柔耦合运动，增强机器人运动过程中的稳定性，所述360°旋转接头组件为末端执行器增加一个转动自由度，其包括有安装在末端执行器底端的末端旋转接头，所述末端旋转接头的转动通过钢丝绳带动，所述钢丝绳的伸缩通过电机驱动的绕线器驱动，所述末端旋转接头的底端安装有多色矩形喷枪组件；

所述的刚性弹簧伸缩杆组件包括有多节伸缩杆，所述伸缩杆由上到下依次套装，管径依次增大，其第一节伸缩杆固定在顶部十字万向节下方，最后一节伸缩杆固定在伸缩杆底座上，所述伸缩杆两头分别设有卡环，防止伸缩杆在拉伸过程中脱杆，所述伸缩杆底端设有伸缩杆底座，所述伸缩杆底座铰接在底部万向节内环上，所述底部万向节内环转动安装在底部万向节座内，且底部万向节座与末端执行器铰接；所述弹簧位于伸缩杆的外侧，且至少为两根对称分布，其一端分别固定在伸缩杆顶部顶板上的紧固螺栓上，另一端分别固定在伸缩杆底座上的螺栓上；

所述的360°旋转接头组件包括有固定在末端执行器底部中心位置的末端旋转接头、钢丝绳以及滑轮组件，所述滑轮组件包括有滑轮组一、滑轮组二、滑轮组三、滑轮组四、滑轮组五，所述滑轮组一通过螺栓固定在顶部十字万向节的连接圆板上端中心位置，滑轮组二通过螺栓固定在顶部十字万向节的连接圆板的上端面靠近绕线器的一侧，滑轮组三通过螺栓固定在伸缩杆底座上端面，滑轮组四固定在末端执行器的上端面，滑轮组五固定在末端执行器的下端面，所述钢丝绳一端绕过绕线器，所述绕线器安装在电机的输出轴端，所述电机通过电机座固定在其一侧的刚性支架的上部框架上，另一端首先水平绕过滑轮组一，接着绕过滑轮组二后向下穿过连接圆板，接着绕过滑轮组三，接着绕过滑轮组四后向下穿过末端执行器，接着绕过滑轮组五后绕制在末端旋转接头上；

所述的末端旋转接头包括有转盘座、扭簧和绕线转盘，所述转盘座通过螺栓固定在末端执行器底部中心位置上，所述绕线转盘通过转轴安装在转盘座上，所述转轴的上端安装有转轴卡帽，中部开有固定扭簧的通孔，所述转轴上套装有扭簧，所述扭簧通过转轴中部通孔和转盘座限位卡在转盘座内。

2.根据权利要求1所述的刚柔耦合并联机器人多色喷涂实验装置，其特征在于：所述刚性支架的上部框架为由铝合金型材梁通过三角紧固件连接而成的框架，框架的底端部通过平板紧固件安装有用于将驱动空间和运动空间隔绝开的隔离板；所述下部框架作为机构的底部支撑和驱动空间，其为由方钢管焊接而成的框体，位于上部框架的底端，所述下部框架的中部安装有用于固定驱动电机的电机支架；所述顶部十字万向节由顶部万向节座、旋转内环和连接圆板构成，所述顶部万向节座通过圆管杆件连接于刚性支架顶部；所述旋转内环通过转轴安装于顶部万向节内部，连接圆板通过旋转轴安装于中间旋转环内部，并且旋转轴与旋转内环的转轴垂直，所述连接圆板的上面设有两个用于安装定滑轮的螺纹盲孔，下面设有四个用于连接刚性弹簧伸缩杆件的螺纹盲孔。

3.根据权利要求1所述的刚柔耦合并联机器人多色喷涂实验装置，其特征在于：所述的对拉式驱动组件的八根呈上下对称分布的钢丝绳包括有四根上拉钢丝绳和四根下拉钢丝绳，所述四根上拉钢丝绳的一端分别固定于末端执行器上部，另一端绕过顶部滑轮，穿过中部滑轮底座，绕过上拉绳滑轮，最终绕制于驱动部件上的绕线器；所述顶部滑轮分别固定安装在对应的铝合金型材梁的顶部，所述铝合金型材梁的内侧分别设置有与其并列转动设置的丝杠，所述丝杠的上旋合有与其配合的可升降的丝杠滑块，所述丝杠滑块上安装有中部滑轮底座，所述丝杠的一侧架设有与其并列的导向杆，所述丝杠滑块上设有与导向杆导向配合的导向孔，所述丝杠的底端分别安装有驱动其转动的同步带传动齿轮，所述上拉绳滑轮固定安装在铝合金型材梁的底部；所述四根下拉钢丝绳的一端分别固定于末端执行器的下部，绕过中部滑轮，接着绕过下拉绳滑轮，另一端绕制于驱动部件上的绕线器，所述中部滑轮固定安装在丝杠滑块上的中部滑轮底座上，所述下拉绳滑轮也固定安装在铝合金型材梁的底部，所述驱动部件固定安装在下部框架的电机支架上。

4.根据权利要求3所述的刚柔耦合并联机器人多色喷涂实验装置，其特征在于：所述的丝杠的转动通过垂直驱动电机驱动，所述垂直驱动电机的输出轴端也安装有同步带传动齿轮，同时带动4根丝杠的转动，所述同步带传动齿轮结构相同，均由四节在水平方向呈垂直分布，在竖直方向上由上到下依次排布的齿轮组成，所述垂直驱动电机的同步带传动齿轮通过四根上下并列错位设置的同步带与丝杠底端的同步带传动齿轮传动连接；所述驱动部件包括有上拉绳驱动电机和下拉绳驱动电机，所述上拉绳驱动电机和下拉绳驱动电机分别为四个，分上下两层对应分布安装在电机支架上，所述绕线器分别固定在上拉绳驱动电机和下拉绳驱动电机的电机输出轴上，所述垂直驱动电机竖直安装于电机支架的中部。

5.根据权利要求1所述的刚柔耦合并联机器人多色喷涂实验装置，其特征在于：所述的末端执行器由上部安装板、连接立柱和下部安装板构成，所述上部安装板通过连接立柱与下部安装板固连，所述上部安装板和下部安装板的四角分别设有用于固定钢丝绳的通孔，且上部安装板和下部安装板上分别加工有用于钢丝绳通过和安装滑轮组的螺纹孔和通孔，所述末端执行器上端连接刚性弹簧伸缩杆，下端连接多色矩形喷枪组件。

6.根据权利要求1所述的刚柔耦合并联机器人多色喷涂实验装置，其特征在于：所述的多色矩形喷枪组件包括有空气喷枪和矩形喷嘴板，所述空气喷枪通过螺栓固定在矩形喷嘴板上，矩形喷嘴板通过上部支架固定在绕线转盘上，视觉检测传感器和测距传感器固定在传感器支架上，传感器支架通过螺栓固定在喷嘴板一侧，所述喷嘴板的另一侧连接有负压回收管，所述负压回收管的另一端连接负压回收装置，所述喷嘴板底部安装有用于密封底部回收孔的橡胶密封圈和垫片。

7.一种基于权利要求1所述的刚柔耦合并联机器人多色喷涂实验装置的喷涂方法，其特征在于，具体方法步骤如下：

(1)图像预处理：采集平面待喷图案，使用Shi-Tomasi角点检测算法提取转弯角点；

(2)平面路径规划：使用生物激励神经网络全覆盖路径规划算法进行平面喷涂路径规划；(3)三维路径规划：导入待喷工件CAD模型，使用坐标转换的方法，将上一步规划好的平面路径点转换成具有姿态信息的一一对应的三维路径点；

(4)通过PC机、运动控制器以及驱动器驱动伺服电机，在控制系统中输入规划好的三维路径，电机开始转动，带动连在电机上的绕线器转动，使钢丝绳拉动末端执行器按照三维路径进行运动，同时通过PLC的脉冲指令，开启和关闭末端喷枪，控制不同颜色涂料的开关，实现不同颜色图案的切换，完成多色喷涂；

(5)在喷涂的过程中，视觉检测传感器获取已喷区域图像，接着将图像输入实时检测系统进行图像质量缺陷检测，将检测结果反馈给上位机，如无缺陷，机器人继续喷涂任务；如有缺陷，将缺陷位置、类型和图像直接显示在喷涂系统中，并发出机器人停止运动的指令；

(6)在喷涂过程中，测距传感器实时检测末端喷枪与待喷工件表面的距离，如喷距超过误差范围时，将数据反馈至控制系统，实时调整末端执行器的运动轨迹，以保证漆膜厚度的均匀性；

(7)完成A颜色图案喷涂后，机器人移动至换色位姿进行换色，换色后继续喷涂B颜色图案，同理，换色后完成C颜色图案喷涂后，关闭喷漆系统，并将喷枪移动至废料桶位置，对供料系统进行清洗、吹干，完成上述步骤后，机器人复位，整个喷涂任务完成。

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