CN115741735A - 一种多维度刚柔耦合智能机器人及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种多维度刚柔耦合智能机器人及其控制方法，本发明通过利用2‑4个串联模块、一个末端执行器以及底部导轨组成，通过底部导轨动态调整机器人为双立柱、三立柱以及四立柱模式，以应对不同的工作场景，且可便于机器人的后期检修以及非工作时空间的节省，由柔索连接末端执行器，通过改变每一个串联模块中出索点的位置，实现定平台长宽夹角的改变，进而实现机器人性能的改善，针对不同的工作情形，选择最合适的夹角，实现更好的运动与工作性能，串联模块中液压缸的上下移动可以实现机器人竖直方向的移动，帮助机器人在最佳的工作性能中工作，同时末端连杆机构在更大程度上提高机器人的工作质量。

Description

一种多维度刚柔耦合智能机器人及其控制方法

技术领域

本发明涉及机器人领域，主要涉及一种多维度刚柔耦合智能机器人及其控制方法。

背景技术

随着科技的进步，机器人得到了极大的发展，现有机器人大致可分为两种，串联机器人和并联机器人。串联机器人虽然可以较为复杂的零件的外表面和内表面，但运动范围小，易产生动态误差积累。而并联机器人虽然结构紧凑稳定、精度高，但只能简单零件的外表面。所以需要设计一款结合串联与并联优点的一种可变工作空间刚柔耦合混联机器人。

中国文献专利号“CN2020102435751”提出了一种柔索驱动混联喷涂机器人机构及其操作方法，但是这种机器人不适用于大型零件的，同时其末端执行器的三自由度的平动只能依靠八根绳索实现，导致末端执行器位置精度不高，且无法避免在过程中产生的反力。

中国文献专利号“CN2018217605109”提出了一种大表面喷涂柔索机器人，但是这种机器人末端执行器的前后位移依赖于机架的长度，机架越长系统的刚度就越差，所以此机器人难以适用于曲率变化比较大的曲面喷涂，而且没有考虑绳索牵引过程中的振动问题。

中国文献专利号“CN104057442A”提出了一种五自由度混联机器人，虽然以串并联混联的方式，将机器人的自由度增加到5自由度，但是其并联机构结构复杂、运动学求解繁琐、安装调试困难，且串联机构只能实现一个旋转和一个摆动自由度，无法满足复杂零件的喷涂加工。

发明内容

因此需要一款结合了串并联优点，而且工作稳定、适应性强、工作空间大、质量高的机器人。本发明设计的一种可变工作空间刚柔耦合混联机器人，通过使用串并联复合结构改变静平台长宽比，进而改变机器人的工作空间，使用柔索驱动平台的移动，使得机器人有更高的响应速度，提升了的效率能，末端通过设计的末端连杆机构多给予末端执行器一个自由度，使得末端执行器除了依靠柔索移动，也可依靠自身结构实现伸缩。

本发明目的就是为了弥补已有技术的缺陷，提供一种多维度刚柔耦合智能机器人及其控制方法，本发明通过利用2-4个串联模块、一个末端执行器以及底部导轨组成，通过底部导轨动态调整机器人为2立柱、3立柱以及4立柱模式，以应对不同的工作场景，且可便于机器人的后期检修以及非工作时空间的节省，由柔索连接末端执行器，通过改变每一个串联模块中出索点的位置，实现定平台长宽夹角的改变，进而实现机器人性能的改善，针对不同的工作情形，选择最合适的夹角，实现更好的工作性能，串联模块中液压缸的上下移动可以实现机器人竖直方向的移动，帮助机器人在最佳的工作性能中工作，同时末端连杆机构在更大程度上提高机器人的工作质量。机器人的控制方法有效保证了机器人的高效精准作业。本机器人可以实现在自动化工厂内的物体喷涂、组装、搬运、吊运等功能。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

一种多维度刚柔耦合智能机器人，包括吊臂、柔索、液压缸、支柱、末端连杆机构、工作部件、柔索驱动机构以及底部导轨。吊臂通过伺服电机、电机支座、液压缸和支柱相连，通过伺服电机实现吊臂的旋转运动，通过液压缸实现机器人竖直方向的移动，丝杆螺母安装在吊臂内部，用于改变出索点的位置，末端连杆机构和工作部件相连，工作部件可以是喷嘴也可以是多维度机械手等智能工作部件，并通过末端连杆机构多给予一个上下移动的自由度，柔索则连接末端连杆机构顶部四角位置并跨过吊臂上的两个滑轮与柔索驱动机构相连，柔索由柔索驱动机构来控制长度，底部导轨则用于移动支柱，使用时移动至所需位置，通过调节吊臂的出索点位置和柔索长度达到最佳的位置，不使用时，则可将支柱聚集在一起，便于储存和检修。

所述吊臂是由吊架、丝杆螺母、丝杆电机、滑轮、配重块、配重块导路、滑轮吊件、滑块、滑块导路等结构组成，所述吊架与伺服电机的转轴相连，所述吊架置于四个环形滑块上，所述伺服电机旋转，带动所述吊臂旋转，此功能是由环形滑块在环形导路上移动实现的。所述丝杆螺母置于吊架内部右侧，通过联轴器以及轴承与所述丝杆电机相连，丝杆电机旋转则带动所述丝杆转动以实现所述螺母在丝杆上的移动。所述滑轮吊件与螺母同轴相连至丝杆上，滑轮吊件用螺栓与移动滑块固定置于移动导路上，移动导路通过螺栓固定于所述吊架上。刚性支撑体通过螺栓以直角三角形固定于所述吊架上，并将电机盖板通过螺栓固定于吊架上，避免电机暴露在外。所述吊架左端凹槽放置两根所述圆柱形配重块导路，所述配重块下方打孔穿过两导路，通过移动所述配重块位置，以此保证吊臂的平衡，所述液压缸通过四角的六角螺栓螺母固定在支柱上，通过控制其活塞杆的伸缩，推动上方的电机支座，进而实现所述吊臂的上升下降。

所述柔索由柔索驱动电机驱动，其主要功能是实现对末端连杆机构的上下左右移动，2—4根柔索有效的保证了有足够的力和强度吊起末端连杆机构，分散的布置使所述末端连杆机构有效抵御各方向力的干扰。所述柔索通过跨过吊臂上的可动滑轮，实现了对工作空间的调整，大大提升机器人的适应性。

所述末端连杆机构由绳索连接件、连杆机构基座、动力传输件、连接架、圆柱齿轮、连杆、内螺纹型带肩销轴、挡圈型带肩销轴、工作部件、小容量伺服马达以及锥齿轮等组成。所述绳索连接件通过轴承座和轴承座转轴安装在所述连杆机构基座的四角位置，用于将所述末端连杆机构连接所述柔索。所述小容量伺服马达固定在所述连杆机构基座的下方，通过所述锥齿轮将所述小容量伺服马达的输出传递到所述动力传输件，进而带动所述圆柱齿轮旋转，实现所述末端连杆机构的伸缩。所述连接架与所述连杆之间通过所述内螺纹型带肩销轴连接，所述连杆之间通过所述挡圈型带肩销轴连接。

所述的连杆部分由六根两孔连杆、九根三孔连杆、四个连接架以及销轴等组成。所述连杆机构基座上第一个孔位放置所述圆柱齿轮和所述两孔连杆并通过销轴连接在一起，所述两孔连杆另一个孔则与所述三孔连杆其中一端的孔相连，所述三孔连杆的中间孔位则用销轴与连接架相连，依次再连接两个所述三孔连杆以及连接架，剩余的孔位则再连接一个所述两孔连杆，所述两孔连杆的剩余孔位则与最后一个安装了工作部件的连接架相连，所述连杆部分一共有三组，本发明利用设计出的这种新型连杆机构实现了末端执行器的伸缩功能，不仅结构简单，而且运行稳定。

所述末端连杆机构中的动力传输件的特点在于其凹槽的设计，将凹槽设计成螺旋状，随着所述小容量伺服马达带动锥齿轮的旋转，所述动力传输件也随之旋转，所述圆柱齿轮的轮齿则在螺旋凹槽内运动，进而带动连杆部分伸缩，实现了末端执行器的上下运动。

所述柔索驱动机构是由电机、斜齿轮减速电机、绕线筒以及绕线机底座等组成。所述柔索驱动机构的作用是驱动柔索的回收和释放，在本发明中共有四个柔索驱动机构，柔索驱动机构是由电机连接减速器驱动电机通过联轴器带动柔索卷筒来实现驱动功能。

本发明的控制部分包括对所述吊臂旋转、所述液压缸、所述丝杆螺母机构、所述末端连杆机构以及所述柔索驱动机构的控制，通过上位机实现工作指令和程序的编写，利用plc运动控制器控制各个机构驱动电机的驱动器，从而使各个机构执行所需的运动指令。机器人的传感器系统用于对运动过程的反馈及修正，通过信息采集卡实现信息收集，并传递至运动控制器进行运动反馈。

本发明的运动控制方法，按如下步骤进行：

步骤一：控制系统初始化，驱动电机及传感器复位。

步骤二：确认本机器人的工作任务，通过上位pc机对根据所需任务分析规划执行过程及轨迹，编写相应执行程序。

步骤三：运动程序输入传递至plc运动控制器，plc运动控制器分别向吊臂旋转伺服电机、液压缸电机、丝杆螺母机构电机、末端连杆机构小容量伺服马达、柔索驱动电机驱动器发送指令。

步骤四：各个执行部分的驱动电机根据驱动器的指令执行对应操作，本机器人通过控制吊臂旋转和利用柔索运动到所需位置，再通过末端连杆机构4精调最终的位置从而达到目标的精确位置。

步骤五：若机器人执行相同工位重复任务，则继续步骤四，否则进入步骤六。

步骤六：机器人整体回到初始位置，若进入下个任务，返回步骤二。

本发明的优点与积极效果为：

1.本发明通过结合串并联结合的方式相对于传统机器人有更大的工作空间，且底部导轨的存在使得机器人具有多种组合方式，适合大工作空间作业，且结构简单，控制不复杂，在吊臂处的可变出索点位置，给予出索点三个自由度，提高了机器人的适应性。

2.本发明的末端执行器姿态通过柔索驱动来实现，使得机器人末端执行器在调整工作部件时具有更高的响应速度，提升了喷涂的效率。

3.本发明通过对末端执行器的优化设计，提高了末端执行器的自由度，由吊臂处的上下移动以及柔索驱动实现快速接近喷涂目标，再由末端执行器的末端连杆机构微调工作部件位置，实现精准、稳定、高效的喷涂。

4.本发明对吊臂部分进行了全新设计，使其拥有上下移动以及360°旋转的能力，并且通过可移动的配重块设计，实现了只需移动配重块位置，利用杠杆原理便可保证吊臂平衡稳定。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图。

图2为本发明处于双立柱状态下工作时的结构示意图。

图3为本发明处于三立柱状态下工作时的结构示意图。

图4为本发明中吊臂的爆炸示意图。

图5为本发明中吊臂的整体结构示意图。

图6为本发明中丝杆螺母传动部分的结构示意图。

图7为本发明中末端连杆机构的结构示意图。

图8为本发明中末端连杆机构的传动部分示意图。

图9为本发明中末端连杆机构的动力传输件结构示意图。

图10为本发明中支柱、液压缸以及吊臂电机支座的连接示意图。

图11为本发明中柔索驱动机构的结构示意图。

图12为本发明中柔索的结构布置示意图。

图13为本发明中控制系统的示意框图。

图14为本发明中运动控制方法的流程图。

图15为本发明增设有底部导轨8的整体结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、技术方案和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实例做详细的说明。

如图1、2、3和15所示，一种多维度刚柔耦合智能机器人，包括吊臂1、液压缸2、支柱3、末端连杆机构4、柔索驱动机构5、柔索7。其中，

吊臂1和支柱3活动相连。吊臂1相对支柱3旋转运动，并沿支柱3的竖直方向的移动。

柔索驱动机构5设置在支柱3的附近。柔索7的一端与末端连杆机构4连接。柔索7的另一端跨过吊臂1与柔索驱动机构5相连接。柔索7由柔索驱动机构5来控制长度。机器人包含固定或活动两种组合方式：固定组合方式包括2立柱(图2)、3立柱(图3)和4立柱方式(图4)，此时立柱位置固定、不可变动。活动组合方式，还设有底部导轨8(图15)，立柱3可在底部导轨8上移动并锁定。根据实际应用场景，通过在底部导轨8上移动所需数量的支柱以达到合适位置，组成适合当前应用场景的机器人。而当当机器人不工作时，支柱3则可沿着所述底部导轨8滑动到一起，便于存储以及检修，减少占用空间。

本机器人中具有四个自由度，分别是丝杆螺母机构1中的可动滑轮部分沿着导路方向的平动自由度、吊臂1绕支柱竖直轴线的旋转自由度、液压缸2中活塞杆沿竖直方向的上下移动自由度以及末端连杆机构4沿竖直方向上下移动的自由度，此外末端连杆机构4还可以通过自身的伸缩实现在竖直方向的上升与下降。吊臂1中螺母在丝杆导路上的平动由丝杆电机进行控制，吊臂1的旋转功能则由安装在液压缸上方电机支座里的伺服电机控制，吊臂1的上下移动则由液压缸中活塞杆的伸缩控制，末端连杆机构4整体的上下移动则由柔索7通过柔索驱动机构4控制，末端连杆机构4自身的伸缩则由马达带动锥齿轮，进而通过动力传输件的螺旋凹槽设计，由连杆部分伸缩实现，本机器人的吊臂1下端安装有两个滑轮，靠近支柱的为固定滑轮，另一个为可动滑轮，可动滑轮作为出索点，连接末端连杆机构4的四角位置。

如图2所示，本机器人设有2根支柱3。在每个支柱3上设有一个液压缸2。通过液压缸2将支柱3的顶部与一个吊臂1活动连接在一起。相邻的吊臂1、支柱3、柔索驱动机构5、液压缸2、柔索7为一组。在同组内，通过柔索7将支柱3、柔索驱动机构5连接在一起。

使用时，将工作部件6安装在末端连杆机构4上，工作部件6为喷涂、焊接、测量、夹持、搬运或/和切割装置。并按如下步骤操作：

步骤一：控制系统初始化，驱动电机及传感器复位。

步骤二：确定末端连杆机构4所连接的工作部件6的任务后，通过上位pc机根据所需进行的工作任务进行分析，规划出末端连杆机构4的运动轨迹和工作部件6的运动轨迹，编写相应运动执行程序。

步骤三：运动执行程序经plc运动控制器传递至本智能机器人的各个驱动电机。所述驱动电机包括：吊臂旋转伺服电机、液压缸电机、丝杆螺母机构电机、末端连杆机构小容量伺服马达、柔索驱动电机驱动器。

步骤四：各个驱动电机根据plc运动控制器的指令执行对应操作：液压缸2控制吊臂1沿竖直方向上下运动，吊臂1与液压缸2旋转伺服电机控制吊臂1的旋转，喷涂机器人通过控制吊臂上下移动、旋转和利用柔索，运动到所需位置，再通过末端连杆机构4精调位置实现目标的作业。

步骤五：若机器人执行相同工位重复任务，则继续步骤四，否则进入步骤六。

步骤六：机器人整体回到初始位置，若需要进入下个工作任务，则返回步骤二。反之，继续等待指令。

如图3所示，相邻的吊臂1、支柱3、柔索驱动机构5、柔索7为一组。在同组内，通过柔索7将支柱3、柔索驱动机构5连接在一起。

设有3根支柱3。支柱3呈品字形布置。在每根支柱3上均配有一个吊臂1。

使用时，将工作部件6安装在末端连杆机构4上，工作部件6为喷涂、焊接、测量、夹持、搬运或/和切割装置。并按如下步骤操作：

步骤一：控制系统初始化，驱动电机及传感器复位。

步骤二：确定末端连杆机构4所连接的工作部件6的任务确定，通过上位pc机根据所需进行的工作任务进行分析，规划出末端连杆机构4的运动轨迹，编写相应运动执行程序。

步骤三：运动执行程序经plc运动控制器传递至本智能机器人的各个驱动电机。所述驱动电机包括：吊臂旋转伺服电机、液压缸电机、丝杆螺母机构电机、末端连杆机构小容量伺服马达、柔索驱动电机驱动器。

步骤四：各个执行部分的驱动电机根据plc运动控制器/驱动器的指令执行对应操作，机器人通过控制吊臂的上下移动、旋转和利用柔索：先在一个平面上平动到达指定位置正上方，再上下运动到所需位置，最后通过末端连杆机构4精调位置，从而确保工作部件6在指定的位置实现目标的作业。

步骤五：若机器人执行相同工位重复任务，则继续步骤四，否则进入步骤六。

步骤六：机器人整体回到初始位置，若进入下个喷涂任务，返回步骤二。反之，继续等待指令。

如图1所示，设有4根支柱3。在每根支柱3上均配有一个吊臂1。在每根支柱3的附近均设有一个柔索驱动机构5。每个柔索驱动机构5均与一根柔索相连接7。

相邻的吊臂1、支柱3、柔索驱动机构5、柔索7为一组。在同组内，通过柔索7将支柱3、柔索驱动机构5连接在一起。

如图1、2、3和15所示，在末端连杆机构4底部设有工作部件6。工作部件6为喷涂、焊接、测量、夹持、搬运或/和切割装置。

如图4和图5，吊臂1包括吊臂配重块201、配重块导路202、丝杆电机盖板203、刚性支撑部分204、移动滑块导路205、移动滑块206、丝杆207、丝杆螺母208、滑轮吊件209、滑轮210、伺服电机盖板211、伺服电机212、环形滑块213、丝杆电机214、吊架215、梅花形弹性联轴器216以及角接触球轴承217组成。吊架215通过六角螺栓与丝杆电机盖板203、刚性支撑部分204、移动滑块导路205连接，盖板203避免电机以及联轴器和轴承暴露在外，移动滑块导路205位于吊架215右侧中间，以实现滑块的直线移动，吊架215在尾部则设置有吊臂配重块201以及配重块导路202，吊架215在两个凹槽中间各放置一根圆柱导路，配重块201在下放打两个与圆柱导路直径相同的通孔，将配重块201套在两圆柱导路上，以此通过杠杆原理保证了一个配重块可以通过调整在导路上的位置来保证吊臂平衡，不需要频繁更换配重，显著优化了通用性，移动滑块205置于移动滑块导路上，滑轮吊件209通过六角螺栓与移动滑块206固定，一个滑轮210通过等长双头螺柱固定在吊架215上，另一个滑轮210通过等长双头螺柱与滑轮吊件209相连，通过滑轮吊件在丝杆上的运动改变出索点的位置，进而调整工作空间。吊架215的底座呈圆形、正方形或矩形。吊架215的圆形底座与环形滑块213固连，置于伺服电机盖板211上的环形导路上，通过控制伺服电机212旋转带动整个吊臂旋转，丝杆电机214置于吊架内部，并用丝杆电机盖板203盖住，丝杆电机214实现了滑轮吊件209沿丝杆207方向的移动。

对丝杆以及滑轮吊件部分的运动和结构进一步详细说明如图6，传动部分由丝杆电机214、梅花形弹性联轴器216以及角接触球轴承217等组成。丝杆电机与梅花形弹性联轴器216主动端相连，通过梅花形弹性联轴器216的被动端经由两个角接触球轴承217带动丝杆207旋转，滑轮吊件209则是通过固定在丝杆螺母208上与丝杆相连，随着丝杆207的旋转，丝杆螺母208在丝杆207上移动，进而带动滑轮吊件209在丝杆207上移动，以此实现了滑轮210的位置变化，改变了出索点位置，增加了喷涂机器人的适应性。如图7、8和9，末端连杆机构4包括绳索连接件301、连杆机构基座302、动力传输件303、连接架304、圆柱齿轮305、两孔连杆306、三孔连杆307、内螺纹型带肩销轴308、挡圈型带肩销轴309、工作部件310、小容量伺服马达311、小锥齿轮312、大锥齿轮313、轴承座314以及轴承座转轴315组成。轴承座314通过四根六角螺栓固定在连杆机构基座302上方的四角处，绳索连接件301通过销轴以及开口销与轴承座转轴315连接，轴承座转轴315通过轴承座组件与轴承座314连接在一起，通过这种连接方式组装成的绳索连接件部分足够灵活，保证了柔索7吊起末端执行器时，不会使柔索7承受其他的力影响，保证了吊起时的稳定性。小容量伺服马达311固定在连杆机构基座302的下方，并在马达转轴处固连一个小锥齿轮312，通过小锥齿轮312和大锥齿轮313组成齿轮组转换力矩方向，大锥齿轮313以及动力传输件303中间有一通孔，将大锥齿轮313以及动力传输件303通过通孔固连，从而实现马达驱动动力传输件303旋转，动力传输件303下方的螺旋凹槽则与圆柱齿轮配合，实现了随着动力传输件303的旋转驱动连杆部分伸缩。

连杆机构基座302下方的连杆部分，一共设计了三组，以保证伸缩运动的稳定性。连杆机构基座302用于与连杆相连的第一个孔位放置圆柱齿轮305和两孔连杆306并通过内螺纹型带肩销轴308将圆柱齿轮305和两孔连杆306连接在一起，两孔连杆306另一个孔则与三孔连杆307杆端的孔通过挡圈型带肩销轴309相连，三孔连杆307的中间孔位用挡圈型带肩销轴309与连接架304相连，依次再连接两个三孔连杆307以及连接架304，三孔连杆307剩余的孔位则再连接一个两孔连杆306。进一步说，两孔连杆306的剩余孔位则与连接架304相连，其中需要注意连杆部分的连接方式，连杆相连时是以图5图6中所示的折叠相连，第一根连杆向内偏则下一根向外偏，以此类推至最后一根连杆，第一个连接架突起部分朝下，第二个朝上，同样以此类推到最后一个，通过这样的设计使得末端连杆机构自身可以伸缩，并且有着良好的稳定性和刚度。工作部件310通过六角头螺栓以及六角法兰面锁紧螺母固定于整个末端连杆机构4的最下方。

如图10，支撑吊臂1的部分是由电机支座401、液压缸活塞杆402、液压缸403、六角螺栓404、六角螺母405以及支柱406组成。电机支座401起到支撑控制吊臂旋转的电机212的作用。电机支座401与伺服电机盖板211通过六角头螺柱固定，电机支座401下方与液压活塞杆402相连，液压活塞杆402与液压缸403配套使用，电机支座401的四根细柱穿过支柱406的四个通孔，从而保证了电机支座可以稳定的上升下降，液压缸403通过六角螺栓404和六角螺母405固定在支柱406上，液压缸活塞杆上下伸缩，驱动着整个吊臂1上下移动。

如图11，柔索驱动机构5的结构包括电机501、斜齿轮减速电机502、绕线机滚动体503、深沟球轴承504、绕线筒505以及绕线机底座506。机器人一共有四个柔索驱动机构4，结构布置都位于支柱一侧，柔索7绕在绕线筒505上，通过电机501驱动末端连杆机构4。绕线机滚动体503通过深沟球轴承504置于绕线机底座506上方，柔索穿过两个绕线机滚动体503之间的缝隙再跨过滑轮210与末端连杆机构4上的绳索连接件301相连，绕线机滚动体503的设计可以提高柔索驱动时的稳定性，减小振动。

如图12，每根柔索7均由各自的柔索驱动机构5驱动，实现末端执行器的上下、左右移动，而且通过可动的滑轮，改变了出索点位置，进而可以根据需要改变工作空间的大小，增加了机器人的适应性。柔索7通过吊住末端执行器对称四角的绳索连接件301，可以有效的驱动末端执行器，并在水平方向施加平衡力以提升末端执行器的稳定性，进而提高喷涂质量。

进一步的，本发明的控制系统情况如图13所示，本发明通过上位pc机处理各类任务，并进行执行程序的编写，利用plc运动控制器控制各个机构驱动电机的驱动器，从而使各个机构执行所需的运动指令。控制系统的执行机构包括对，吊臂旋转、液压缸、丝杆螺母机构、末端连杆机构以及柔索驱动机构，机器人的传感器系统用于对运动过程的反馈及修正，通过信息采集卡实现信息收集，并传递至上位机或者plc运动控制器进行运动反馈。

优选的方案是：设有2个以上的底部导轨8。在底部导轨8上设有滑块。支柱3的底部与滑块固定连接。滑块上设有锁紧装置，通过锁紧装置将滑块与底部导轨8固定在一起。

通过底部导轨8、滑块、锁紧装置的配合使用，使得本机器人在待用转态及搬运大型待加工物件时，支柱3收拢在一起，节约空间、方便待加工物件的搬运。在使用前，将安装有滑块的支柱3移到对应的位置后，通过锁紧装置将滑块相对底部导轨8固定住。

如图15所示，设有3个底部导轨8。在底部导轨8上设有滑块。支柱3的底部与滑块固定连接。滑块上设有锁紧装置，通过锁紧装置将滑块与底部导轨8固定在一起。即在此情况下，一个立柱是直接固定在地基上的。余下三个通过滑块与底部导轨8可锁死地活动连接在一起。补充地说，柔索驱动机构5安装在滑块上。

通过底部导轨8、滑块、锁紧装置的配合使用，使得本机器人在待用转态及搬运大型待加工物件时，可活动的3个支柱3均收拢与地基固定连接的支柱3的附近，节约空间、方便待加工物件的搬运。而在使用前，将安装有滑块的支柱3沿着底部导轨8移到对应的位置后，通过锁紧装置将滑块相对底部导轨8固定住。

参见图14，本发明所述的一种可变工作空间刚柔耦合混联喷涂机器人的运动控制方法，按如下步骤进行：

步骤一：控制系统初始化，驱动电机及传感器复位。

判断是否设有底部导轨8：

如本机器人包含底部导轨8，则通过人工或自动控制的方式，获取配有滑块的支柱3的位置信息。此时，若配有滑块的支柱3的位置信息符合设置的要求，则进入步骤二。反之，提示人工或自控的方式，将配有滑块的支柱3沿底部导轨8运行到预先设定的位置后，通过锁紧装置锁死，随后进入步骤二。所述锁紧装置为由插座、插销、即配套支撑座与气缸构成的机械组件。

如本机器人不包含底部导轨8，则直接进入步骤二。

步骤二：喷涂任务确定，通过上位pc机对根据所需任务分析规划喷涂执行过程及轨迹，编写相应执行程序。

步骤三：运动执行程序经plc运动控制器传递至本智能机器人的各个驱动电机。所述驱动电机包括：吊臂旋转伺服电机、液压缸电机、丝杆螺母机构电机、末端连杆机构小容量伺服马达和/或柔索驱动电机驱动器。

步骤四：

各个执行部分的驱动电机根据plc运动控制器/驱动器的指令执行对应操作，机器人通过控制吊臂旋转和利用柔索运动到所需位置，再通过末端连杆机构4精调最终的位置实现对目标的作业。

步骤五：若机器人执行相同工位重复任务，则继续步骤四，否则进入步骤六。

步骤六：机器人整体回到初始位置，若进入下个喷涂任务，返回步骤二。反之，继续等待指令。

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 (10)

1.一种多维度刚柔耦合智能机器人，其特征在于：包括吊臂(1)、液压缸(2)、支柱(3)、末端连杆机构(4)、柔索驱动机构(5)、柔索(7)；其中，

吊臂(1)和支柱(3)活动相连；吊臂(1)相对支柱(3)旋转运动，并沿支柱(3)的竖直方向的移动；

柔索驱动机构(5)设置在支柱(3)的附近；柔索(7)的一端与末端连杆机构(4)连接；柔索(7)的另一端跨过吊臂(1)与柔索驱动机构(5)相连接；柔索(7)由柔索驱动机构(5)来控制长度。

2.根据权利要求1所述的多维度刚柔耦合智能机器人，其特征在于：设有2根支柱(3)；在每个支柱(3)上设有一个液压缸(2)；通过液压缸(2)将支柱(3)的顶部与一个吊臂(1)活动连接在一起；相邻的吊臂(1)、支柱(3)、柔索驱动机构(5)、液压缸(2)、柔索(7)为一组；在同组内，通过柔索(7)将支柱(3)、柔索驱动机构(5)连接在一起；

使用时，将工作部件(6)安装在末端连杆机构(4)上；并按如下步骤操作：

步骤一：控制系统初始化，驱动电机及传感器复位；

步骤二：确定末端连杆机构(4)所连接的工作部件(6)的任务后，通过上位pc机根据所需进行的工作任务进行分析，规划出末端连杆机构(4)的运动轨迹和工作部件(6)的运动轨迹，编写相应运动执行程序；

步骤三：运动执行程序经plc运动控制器传递至本智能机器人的各个驱动电机；所述驱动电机包括：吊臂旋转伺服电机、液压缸电机、丝杆螺母机构电机、末端连杆机构小容量伺服马达、柔索驱动电机驱动器；

步骤四：各个驱动电机根据plc运动控制器的指令执行对应操作：液压缸(2)控制吊臂(1)沿竖直方向上下运动，吊臂(1)与液压缸(2)旋转伺服电机控制吊臂(1)的旋转，本机器人通过控制吊臂上下移动、旋转和利用柔索，运动到所需位置，再通过末端连杆机构(4)精调位置实现目标的作业；

步骤五：若机器人执行相同工位重复任务，则继续步骤四，否则进入步骤六；

步骤六：机器人整体回到初始位置，若需要进入下个工作任务，则返回步骤二；反之，继续等待指令。

3.根据权利要求1所述的多维度刚柔耦合智能机器人，其特征在于：相邻的吊臂(1)、支柱(3)、柔索驱动机构(5)、柔索(7)为一组；在同组内，通过柔索(7)将支柱(3)、柔索驱动机构(5)连接在一起；

设有3根支柱(3)；支柱(3)呈品字形布置；在每根支柱(3)上均配有一个吊臂(1)；

使用时，将工作部件(6)安装在末端连杆机构(4)上；并按如下步骤操作：

步骤一：控制系统初始化，驱动电机及传感器复位；

步骤二：确定末端连杆机构(4)所连接的工作部件(6)的任务确定，通过上位pc机根据所需进行的工作任务进行分析，规划出末端连杆机构(4)的运动轨迹，编写相应运动执行程序；

步骤三：运动执行程序经plc运动控制器传递至本智能机器人的各个驱动电机；所述驱动电机包括：吊臂旋转伺服电机、液压缸电机、丝杆螺母机构电机、末端连杆机构小容量伺服马达、柔索驱动电机驱动器；

步骤四：各个执行部分的驱动电机根据plc运动控制器/驱动器的指令执行对应操作，机器人通过控制吊臂的上下移动、旋转和利用柔索：先在一个平面上平动到达指定位置正上方，再上下运动到所需位置，最后通过末端连杆机构(4)精调位置，从而确保工作部件(6)在指定的位置实现目标的作业；

步骤五：若机器人执行相同工位重复任务，则继续步骤四，否则进入步骤六。

步骤六：机器人整体回到初始位置，若进入下个任务，返回步骤二；反之，继续等待指令。

4.根据权利要求1所述的多维度刚柔耦合智能机器人，其特征在于：设有4根支柱(3)；在每根支柱(3)上均配有一个吊臂(1)；在每根支柱(3)的附近均设有一个柔索驱动机构(5)；每个柔索驱动机构(5)均与一根柔索(7)相连接；相邻的吊臂(1)、支柱(3)、柔索驱动机构(5)、柔索(7)为一组；在同组内，通过柔索(7)将支柱(3)、柔索驱动机构(5)连接在一起。

5.根据权利要求1所述的多维度刚柔耦合智能机器人，其特征在于：在末端连杆机构(4)底部设有工作部件(6)；工作部件(6)为喷涂、焊接、测量、夹持、搬运或/和切割装置。

6.根据权利要求2至5任一所述的多维度刚柔耦合智能机器人，其特征在于：本机器人中具有四个自由度，分别是：丝杆螺母机构中的可动滑轮部分沿着导路方向的平动自由度、吊臂(1)绕支柱竖直轴线的旋转自由度、液压缸(2)中活塞杆沿竖直方向的上下移动自由度以及末端连杆机构(4)沿竖直方向上下移动的自由度；此外，末端连杆机构(4)还可以通过自身的伸缩实现工作部件(6)在竖直方向的上升与下降。

7.根据权利要求2至5任一所述的多维度刚柔耦合智能机器人，其特征在于：吊臂(1)包括吊臂配重块(201)、配重块导路(202)、丝杆电机盖板(203)、刚性支撑部分(204)、移动滑块导路(205)、移动滑块(206)、丝杆(207)、丝杆螺母(208)、滑轮吊件(209)、滑轮(210)、伺服电机盖板(211)、伺服电机(212)、环形滑块(213)、丝杆电机(214)和吊架(215)；其中，

吊架(215)通过六角螺栓与丝杆电机盖板(203)、刚性支撑部分(204)、移动滑块导路(205)连接；

移动滑块导路(205)位于吊架(215)右侧中间，以实现滑块的直线移动；吊架(215)在尾部则设置有吊臂配重块(201)以及配重块导路(202)，吊架(215)在两个凹槽中间各放置一根圆柱导路，吊臂配重块(201)在下放打两个与圆柱导路直径相同的通孔，将配重块201套在两圆柱导路上；移动滑块(206)置于移动滑块导路(205)上，滑轮吊件(209)通过六角螺栓与移动滑块(206)固定；

在吊架(215)上设有一个滑轮(210)，且该滑轮(210)与吊架(215)之间通过等长双头螺柱相固定；另一个滑轮(210)通过等长双头螺柱与滑轮吊件(209)上设有另一个滑轮(210)，且该滑轮(210)与滑轮吊件(209)之间通过另一个等长双头螺柱相固定；通过滑轮吊件(209)在丝杆(207)上的运动改变出索点的位置，进而调整工作空间；丝杆(207)丝杆螺母(208)相配合；

吊架(215)的底座呈圆形、正方形或矩形；吊架(215)与环形滑块(213)固连，置于伺服电机盖板(211)上的环形导路上，通过控制伺服电机(212)旋转带动整个吊臂旋转，丝杆电机(214)置于吊架内部，并用丝杆电机盖板(203)盖住，丝杆电机(214)实现了滑轮吊件(209)沿丝杆(207)方向的移动。

8.根据权利要求2至5任一所述的多维度刚柔耦合智能机器人，其特征在于：末端连杆机构(4)包括绳索连接件(301)、连杆机构基座(302)、动力传输件(303)、连接架(304)、圆柱齿轮(305)、两孔连杆(306)、三孔连杆(307)、内螺纹型带肩销轴(308)、挡圈型带肩销轴(309)、喷头(310)、小容量伺服马达(311)、小锥齿轮(312)、大锥齿轮(313)、轴承座(314)以及轴承座转轴(315)组成；

其中，轴承座(314)通过螺栓固定在连杆机构基座(302)上方，绳索连接件(301)与轴承座转轴(315)连接，轴承座转轴(315)与轴承座(314)连接在一起；小容量伺服马达(311)固定在连杆机构基座(302)的下方，并在马达转轴处固连一个小锥齿轮(312)，通过小锥齿轮(312)和大锥齿轮(313)组成齿轮组转换力矩方向，大锥齿轮(313)以及动力传输件(303)中间有一通孔，将大锥齿轮(313)以及动力传输件(303)通过通孔固连，从而实现马达驱动动力传输件(303)旋转，动力传输件(303)下方的螺旋凹槽则与圆柱齿轮配合，实现了随着动力传输件(303)的旋转驱动连杆部分伸缩。

连杆机构基座(302)用于与连杆相连的第一个孔位放置圆柱齿轮(305)和两孔连杆(306)并通过内螺纹型带肩销轴(308)将圆柱齿轮(305)和两孔连杆(306)连接在一起，两孔连杆(306)另一个孔则与三孔连杆(307)杆端的孔通过挡圈型带肩销轴(309)相连，三孔连杆(307)的中间孔位用挡圈型带肩销轴(309)与连接架(304)相连，依次再连接两个三孔连杆(307)以及连接架(304)，三孔连杆(307)剩余的孔位则再连接一个两孔连杆(306)。

9.根据权利要求4所述的多维度刚柔耦合智能机器人，其特征在于：设有2个以上的底部导轨(8)；在底部导轨(8)上设有滑块；支柱(3)的底部与滑块固定连接；滑块上设有锁紧装置，通过锁紧装置将滑块与底部导轨(8)固定在一起；

通过底部导轨(8)、滑块、锁紧装置的配合使用，使得本机器人在待用转态及搬运大型待加工物件时，支柱(3)收拢在一起，节约空间、方便待加工物件的搬运；在使用前，将安装有滑块的支柱(3)移到对应的位置后，通过锁紧装置将滑块相对底部导轨(8)固定住。

10.根据权利要求5或9所述的多维度刚柔耦合智能机器人的控制方法，其特征在于：按如下步骤进行：

步骤一：控制系统初始化，驱动电机及传感器复位；

判断是否设有底部导轨(8)：

如本机器人包含底部导轨(8)，则通过人工或自动控制的方式，获取配有滑块的支柱(3)的位置信息；此时，若配有滑块的支柱(3)的位置信息符合设置的要求，则进入步骤二；反之，提示人工或自控的方式，将配有滑块的支柱(3)沿底部导轨(8)运行到预先设定的位置后，通过锁紧装置锁死，随后进入步骤二；所述锁紧装置为由插座、插销、即配套支撑座与气缸构成的机械组件；

如本机器人不包含底部导轨(8)，则直接进入步骤二；

步骤二：确定末端连杆机构(4)所连接的工作部件(6)的工作任务，通过上位pc机根据所需的工作进行任务分析，规划出末端连杆机构(4)的运动轨迹，编写相应运动执行程序；

步骤三：运动执行程序经plc运动控制器传递至本智能机器人的各个驱动电机；所述驱动电机包括：吊臂旋转伺服电机、液压缸电机、丝杆螺母机构电机、末端连杆机构小容量伺服马达和/或柔索驱动电机驱动器；

步骤四：各个执行部分的驱动电机根据plc运动控制器/驱动器的指令执行对应操作，机器人通过控制吊臂旋转和利用柔索运动到所需位置，再通过末端连杆机构(4)精调最终的位置实现对目标的作业；

步骤五：若机器人执行相同工位重复任务，则继续步骤四，否则进入步骤六。

步骤六：机器人整体回到初始位置，若进入下个任务，返回步骤二；反之，继续等待指令。

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