一种五自由度喷涂机器人的制作方法

本发明涉及喷涂机器人技术领域，具体地，涉及一种五自由度喷涂机器人。

背景技术：

随着机器人技术的不断发展，越来越多的机器人被应用于各行各业。喷涂机器人作为工业机器人的一种，由于其恶劣的使用环境，除了具备一般工业机器人的特征外，还得具备防爆密封等性能。而现有的喷涂机器人，综合考虑运动空间、负载、精度、密封、防爆、成本等因素的少之又少。

经对现有技术的文献检索发现，中国专利CN105798887A提供了一种六自由度喷涂机器人，其可以提供较大的工作空间，但由于该机器人大臂和小臂的电机负载需要承受后面结构的自重力矩，所以其末端有效负载有限，否则就需要更大功率的电机，增加成本，才能达到较大的末端有效负载。

而一般的工业机器人，例如中国专利CN104690722A提供的一种五自由度机器人，若用于喷涂作业环境，则不具备防爆密封等特殊要求。

技术实现要素：

针对现有技术中的缺陷，本发明提供了一种五自由度喷涂机器人，所述机器人除了具备结构简单、工作空间大、灵活性较高、末端定位精度高等优点，还具有走线方便、密封可靠、防爆性能优良的特点，能很好地运用于对一般零部件表面的喷涂作业。

为实现以上目的，本发明提供一种五自由度喷涂机器人，包括：基座、升降臂、大臂、小臂、腕部和输出轴，其中：

所述升降臂安装在所述基座上，且所述升降臂相对于所述基座做上下升降平移运动；所述大臂的一端安装在所述升降臂的下端，且所述大臂相对于所述升降臂做旋转运动；所述小臂的一端连接所述大臂的另一端，且所述小臂绕所述大臂做旋转运动；所述腕部安装在所述小臂的另一端，且所述腕部相对于所述小臂做旋转运动；所述输出轴安装在所述腕部上，所述输出轴上安装喷头，所述输出轴相对于所述腕部做旋转运动，从而带动喷头相对于所述腕部做旋转运动，即实现所述机器人的五自由度运动；

所述大臂相对于所述升降臂的旋转轴线、所述小臂相对于所述大臂的旋转轴线与所述腕部相对于所述小臂的旋转轴线方向相同，且均平行于所述升降臂相对于所述基座平移的轴线方向；所述输出轴相对于所述腕部的旋转轴线与所述腕部相对于所述小臂的旋转轴线垂直且相交；

所述小臂、腕部和输出轴，它们的驱动部件均安装于大臂的前端，驱动部件通过一级或多级同步带传递到小臂、腕部和输出轴。

优选地，所述基座上安装有升降电机、涡轮蜗杆减速器以及滑块安装架，所述升降臂的下端安装有升降臂底部件，该部件与升降臂一起上下运动，所述升降臂的一侧安装有齿条、另外三侧安装有滑轨；其中：所述升降电机连接涡轮蜗杆减速器的输入端；涡轮蜗杆减速器的输出轴上安装有齿轮，齿轮与升降臂一侧的齿条配合；滑块安装架上安装有滑块，滑块与升降臂上的滑轨配合；

所述升降电机驱动蜗轮蜗杆减速器，通过蜗轮蜗杆输出轴上的齿轮与升降臂一侧的齿条配合，从而驱动升降臂上下运动，即实现所述升降臂相对于所述基座做上下升降平移运动，同时通过滑块安装架上的滑块与升降臂上的滑轨配合，以保证所述升降臂沿竖直方向位移并承受弯矩。

更优选地，在所述基座上还安装有基座密封罩，用于罩住升降电机和涡轮蜗杆减速器，以形成一密闭空间；所述蜗轮蜗杆减速器的输出轴与基座密封罩间安装有密封轴承以实现动密封。

更优选地，在所述基座密封罩的上端安装有密封电缆接头和气门嘴，分别用于密封进入密闭空间的电缆以及向密闭空间充入惰性气体，以增加密封和防爆性能；所述基座密封罩的侧端安装有重载连接器，用于输出线缆，使所述机器人具有良好的密封防爆性能。

更优选地，所述升降臂为中空结构用于走线，在升降臂的上端安装有密封电缆接头，用于密封穿出的线缆；在升降臂的下端与基座之间安装有防尘罩。

优选地，所述大臂的一端与升降臂下端的升降臂底部件连接，升降臂底部件的一侧平行安装有大臂电机、大臂RV减速器，大臂RV减速器的输出端带动大臂旋转，即实现所述大臂相对于所述升降臂的旋转运动。

更优选地，所述大臂电机设置有大臂密封罩，大臂密封罩罩住大臂电机并与升降臂的中空结构连通，以形成一密闭空间；大臂电机与升降臂底部件之间安装密封轴承实现动密封；在大臂密封罩的上端安装有密封电缆接头和气门嘴，分别用于密封进入的密闭空间的电缆以及向密闭空间充入惰性气体，以增加密封和防爆性能。

优选地，所述大臂为中空结构，内部贯穿小臂同步带、腕部前端同步带和输出轴前端同步带；大臂上安装有小臂电机、腕部电机和输出轴电机，小臂电机、腕部电机和输出轴电机的输出轴上均安装有同步带轮，用于分别连接大臂中空结构内的小臂同步带、腕部前端同步带和输出轴前端同步带以向后传递扭矩。

更优选地，所述大臂的下端安装有张紧轮，从而实现小臂同步带、腕部前端同步带和输出轴前端同步带的张紧。

更优选地，所述小臂电机、腕部电机和输出轴电机通过设置三轴密封罩罩住以形成一密封空间；小臂电机、腕部电机和输出轴电机的输出轴与大臂之间均安装密封轴承来实现动密封；在三轴密封罩的上端安装密封电缆接头和气门嘴，分别用于密封密封空间输出的电缆以及该密闭空间充入惰性气体，以增加密封和防爆性能。

优选地，所述小臂为中空结构，内部贯穿腕部后端同步带、输出轴后端同步带；小臂的一端与大臂的另一端连接，在小臂与大臂的相对转动处安装有三根转轴，分别为：最里层的小臂转轴、中间层的腕部过渡轴、外层的输出轴前端过渡轴，腕部过渡轴在小臂转轴上自由旋转，输出轴前端过渡轴在腕部过渡轴上自由旋转；其中：

所述小臂转轴上安装有同步带轮与大臂中空结构里的小臂同步带相连，小臂转轴一端连接小臂谐波减速器的输入端，小臂谐波减速器的输出端连接小臂一端上侧；

所述腕部过渡轴和输出轴前端过渡轴上均分别装有两个同步带轮，其中：腕部过渡轴上两同步带轮中的一个与大臂中空结构里的腕部前端同步带相连、另一个与腕部后端同步带相连；输出轴前端过渡轴上两同步带轮中一个与大臂中空结构里的输出轴前端同步带相连、另一个与输出轴后端同步带相连。

更优选地，所述小臂的下端安装有张紧轮，从而实现腕部后端同步带和输出轴后端同步带的张紧。

优选地，所述腕部与小臂的另一端连接，并在腕部与小臂的转动处安装有里、外两根轴，即腕部转轴、输出轴后端过渡轴，输出轴后端过渡轴在腕部转轴上自由转动；其中：

所述腕部转轴上安装有同步带轮与小臂中空结构内的腕部后端同步带相连，腕部转轴的一端连接腕部谐波减速器的输入端，腕部谐波减速器的输出端通过法兰连接腕部；

所述输出轴后端过渡轴上安装有与小臂中空结构内的输出轴后端同步带相连的同步带轮，以及用于向后传动的锥齿轮。

优选地，所述输出轴上安装有锥齿轮，用于与输出轴后端过渡轴上的锥齿轮配合；输出轴与输出谐波减速器的输入端相连，输出谐波减速器的输出端通过输出法兰安装喷头。

本发明中各个关节共同作用，即可驱动机器人末端的喷头沿预定的轨迹和姿态运动，从而完成相应零件表面的喷涂作业任务。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

本发明五自由度喷涂机器人，综合考虑了各方面因素，具有结构简单、成本较低、工作空间大、灵活性高、末端定位精度高、走线方便、密封可靠、防爆性能优良等特点。

本发明中，小臂电机、腕部电机和输出轴电机安装到大臂的前端，通过一级或多级同步带传递到小臂、腕部和输出轴，这种结构有效减小了末端结构的质量，继而减小了各关节带动的转动惯量，在相同功率和臂长的情况下可增大运行加速度和速度，缩短作业时间；同时，小臂电机、腕部电机和输出轴电机一起安装大臂前端，有利于电气密封和走线，同步带从大臂和小臂的中空结构内穿行，使得整个结构外形简介而美观。

本发明中，升降电机、大臂电机和小臂电机、腕部电机和输出轴电机分别被基座密封罩、大臂密封罩和三轴密封罩密封起来，形成三个电气密闭空间，之间的线缆通过密封电缆接头连接，每个电机的输出端均采用密封轴承实现动密封，同时在每个密封空间充入惰性气体使得三个电气空间完全与外界危险的易燃易爆气体隔绝，使所述机器人具有很好的防爆性能；

本发明中，小臂、腕部和输出轴的谐波减速器均安装在同步带传动后面，而不是直接安装在对应电机轴端，有效地减小由于同步带柔性带来的误差，使得末端定位更加精准可靠。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明一较优实施例的总体外观示意图；

图2为本发明一较优实施例的总体结构剖视图。

图中：

防尘罩1、升降臂底部件2、喷头3、腕部4、小臂5、大臂6、三轴密封罩7、三轴气门嘴8、三轴密封接头9、大臂密封罩10、大臂气门嘴11、大臂密封接头12、滑块安装架13、升降臂14、齿条15、滑轨16、升降密封接头17、基座气门嘴18、基座密封接头19、基座密封罩20、重载连接器21、基座22；

蜗轮蜗杆减速器23、升降电机密封轴承24、蜗轮蜗杆输出轴25、齿轮26、腕部电机密封轴承27、输出轴电机密封轴承28、小臂电机密封轴承29、腕部前端同步带30、输出轴前端同步带31、小臂同步带32、输出轴后端同步带33、腕部后端同步带34、锥齿轮35、输出轴36、输出谐波减速器37、输出轴后端过渡轴38、腕部转轴39、腕部谐波减速器40、腕部过渡轴41、输出轴前端过渡轴42、小臂转轴43、小臂谐波减速器44、小臂电机45、输出轴电机46、腕部电机47、大臂RV减速器48、大臂电机密封轴承49、大臂电机50、滑块51、升降电机52。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

如图1、图2所示，一种五自由度喷涂机器人，包括：喷头3、腕部4、小臂5、大臂6、升降臂14、基座22和输出轴36，其中：

所述升降臂14安装在所述基座22上，可相对于所述基座22做上下升降平移运动；所述大臂6头部安装在所述升降臂14的下端，可相对于所述升降臂14做旋转运动；所述小臂5的头部连接所述大臂6的尾部，可绕所述大臂6做旋转运动；所述腕部4安装在所述小臂5的尾部，可相对所述小臂5做旋转运动；所述输出轴36安装在所述腕部4上，可相对所述腕部4做回转运动；输出轴36上安装喷头3；

所述升降臂14与所述基座22之间有一个升降的平动自由度；所述大臂6与所述升降臂14之间有一个转动自由度；所述小臂5与所述大臂6之间有一个转动自由度；所述腕部4和所述小臂5之间有一个转动自由度；所述喷头3和所述腕部4之间有一个转动自由度；所述大臂6相对于所述升降臂14的转动轴线、所述小臂5相对于所述大臂6的转动轴线、所述腕部4相对于所述小臂5的转动轴线相互平行，同时也平行于所述升降臂14相对于所述基座22的平动轴线；所述喷头3相对于所述腕部4的转动轴线与所述腕部4相对于所述小臂5的转动轴线垂直相交。

作为一个优选实施方式，如图1、图2所示，所述基座22上安转有基座密封罩20和滑块安装架13，升降电机52和涡轮蜗杆减速器23安装在基座22上并由基座密封罩20罩起来以形成密闭空间，蜗轮蜗杆输出轴25与基座密封罩20间安装升降电机密封轴承24以实现动密封；基座密封罩20的上端安装基座密封接头19和基座气门嘴18，用于分别密封进入该密闭空间的电缆以及向该密闭空间充入惰性气体；基座密封罩20侧端安装重载连接器21，用于输出所有的线缆，使所述机器人具有良好的密封防爆性能。

作为一个优选实施方式，如图1、图2所示，所述升降臂14的一面装有齿条15、另外三面装有滑轨16，其中：所述齿条15与蜗轮蜗杆输出轴25上设置的齿轮26配合，以实现所述升降臂14的升降功能；所述滑轨16与安装在滑块安装架13上的滑块51配合，以限制所述升降臂14沿竖直方向位移并能承受较大的弯矩；所述升降臂14为中空结构用于走线，所述升降臂14的顶端安装有升降密封接头17，用于密封穿出的线缆。

作为一个优选实施方式，如图1、图2所示，所述升降臂14的下端安装有升降臂底部件2，升降臂底部件2上侧安装有大臂电机50和大臂RV减速器48，大臂电机50的输出轴连接大臂RV减速器48的输入端，大臂RV减速器48的输出端连接大臂6的头部，从而驱动所述大臂6旋转。

进一步的，所述大臂电机50通过设置大臂密封罩10将其罩住，通过升降臂底部件2的中空结构与升降臂14的中空结构连通，从而形成一整体密闭空间，并在大臂电机50的输出轴与升降臂底部件2间安装有大臂电机密封轴承49来实现动密封；

所述大臂密封罩10的上端安装有大臂密封接头12和大臂气门嘴11，分别用于密封进入所述整体密闭空间的电缆以及向所述整体密闭空间内充入惰性气体。

进一步的，为了防尘，所述升降臂14的下端与基座22之间安装有防尘罩1(如图1所示)。

作为一个优选实施方式，如图1、图2所示，所述大臂6为中空结构，内部放置小臂同步带32、输出轴前端同步带31和腕部前端同步带30；所述大臂6的一侧安装有小臂电机45、输出轴电机46、腕部电机47，且小臂电机45、输出轴电机46、腕部电机47的输出轴与大臂6之间分别装有小臂电机密封轴承29、输出轴电机密封轴承28、腕部电机密封轴承27以实现之间的动密封；小臂电机45、输出轴电机46、腕部电机47通过设置三轴密封罩7将其罩住以形成密闭空间，并在三轴密封罩7的上端安装三轴密封接头9和三轴气门嘴8，分别用于密封该密闭空间输出的电缆以及向该密闭空间充入惰性气体；

所述小臂电机45、输出轴电机46、腕部电机47的输出轴上均安装有同步带轮，用于分别连接小臂同步带32、输出轴前端同步带31和腕部前端同步带30并向后传递扭矩。

进一步的，所述大臂6的下端安装有张紧轮，用于实现小臂同步带32、输出轴前端同步带31和腕部前端同步带30的张紧。

作为一个优选实施方式，如图1、图2所示，所述小臂5为中空结构，内部放置输出轴后端同步带33、腕部后端同步带34；所述小臂5与大臂6相对转动处安装有三根转轴，分别为：最里层的小臂转轴43、中间层的输出轴前端过渡轴42和外层的腕部过渡轴41，输出轴前端过渡轴42在小臂转轴43上自由旋转，腕部过渡轴41在输出轴前端过渡轴42上自由旋转；其中：

所述小臂转轴43上安装有同步带轮与小臂同步带32相连，小臂转轴43的上端连接小臂谐波减速器44的输入端，小臂谐波减速器44的输出端连接小臂5的头部上端；

所述腕部过渡轴41上安装有两同步带轮，用于分别连接腕部前端同步带30和腕部后端同步带34；所述输出轴前端过渡轴42上也安装有两个同步带轮，用于分别连接输出轴前端同步带31和输出轴后端同步带33；所述输出轴后端同步带33和腕部后端同步带34均在小臂5中空结构内部穿过，用于向后传递扭矩。

所述小臂5的力矩传动过程为：小臂电机45转动，小臂电机45输出轴上的同步带轮通过小臂同步带32传动、带动小臂转轴43上的同步带轮转动，从而带动小臂转轴43转动，小臂转轴43连接小臂谐波减速器44并带动其转动，从而实现连接于小臂谐波减速器44的输出端的小臂5转动。

进一步的，所述小臂5的下端安装有张紧轮，用于实现输出轴后端同步带33、腕部后端同步带34的张紧。

作为一个优选实施方式，如图1、图2所示，所述腕部4与小臂5转动连接处设置有里、外两根轴，分别为：里层的腕部转轴39、外层的输出轴后端过渡轴38，输出轴后端过渡轴38可以在腕部转轴39上自由转动，其中：

所述腕部转轴39上安装有同步带轮与腕部后端同步带34配合，腕部转轴39的顶端连接腕部谐波减速器40的输入端，腕部谐波减速器40的输出端通过法兰连接到腕部4；

所述输出轴后端过渡轴38上安装有与输出轴后端同步带33配合的同步带轮，以及用于向后传递扭矩的锥齿轮35。

所述腕部4力矩的传动过程为：腕部电机47转动，腕部电机47输出轴上的同步带轮通过腕部前端同步带30传动、带动腕部过渡轴41上的同步带轮转动，从而带动腕部过渡轴41转动；腕部过渡轴41上的同步带轮随之转动并通过腕部后端同步带34传动、带动腕部转轴39上的同步带轮转动，从而使腕部转轴39转动；腕部转轴39连接腕部谐波减速器40并带动其转动，从而实现连接于腕部谐波减速器40的输出端的腕部4转动。

作为一个优选实施方式，如图1、图2所示，所述输出轴36上安装有锥齿轮，该锥齿轮与输出轴后端过渡轴38上的锥齿轮35配合；输出轴36与输出谐波减速器37的输入端相连，输出谐波减速器37的输出端通过过渡零件安装有喷头3；

所述输出轴36力矩的传动过程为：输出轴电机46转动，输出轴电机46输出轴上的同步带轮通过输出轴前端同步带31传动、带动输出轴前端过渡轴42上的同步带轮转动，从而带动输出轴前端过渡轴42转动，输出轴前端过渡轴42上的同步带轮通过输出轴后端同步带33传动、带动输出轴后端过渡轴38上的同步带轮转动，从而带动输出轴后端过渡轴38转动；输出轴后端过渡轴38通过锥齿轮组(包括输出轴后端过渡轴38上的锥齿轮35及与其啮合的输出轴36上的锥齿轮)带动输出轴36转动，输出轴36连接输出谐波减速器37并带动其转动，从而实现安装在输出谐波减速器37的输出端的喷头3的转动。

所述机器人的工作过程如下：

所述升降电机52驱动所述升降臂14相对于所述基座22进行上下平动，所述大臂电机50驱动所述大臂6相对于所述升降臂14旋转，所述小臂电机45驱动所述小臂5相对于所述大臂6旋转，所述腕部电机47驱动所述腕部4相对于所述小臂5旋转，所述输出轴电机46驱动所述输出轴36带动所述喷头3相对于所述腕部4旋转；升降电机52、大臂电机50、小臂电机45、腕部电机47、输出轴电机46共同作用，即可驱动所述机器人末端的所述喷头3沿预定的轨迹和姿态运动，从而完成对相应零件表面的喷涂作业。

本发明中，小臂电机45、腕部电机47和输出轴电机46安装到大臂6的前端，通过一级或多级同步带传递到小臂5、腕部4和输出轴36，这种结构有效减小了末端结构的质量，继而减小了各关节带动的转动惯量，在相同功率和臂长的情况下可增大运行加速度和速度，缩短作业时间；

本发明中，小臂电机45、腕部电机47和输出轴电机46一起安装大臂6前端，有利于电气密封和走线，同步带从大臂6和小臂5的中空结构内穿行，使得整个结构外形简介而美观。

本发明中，五台电机被隔离于三个密闭空间，每个密闭空间均采用动静密封策略，保证电气与外界易燃易爆气体隔绝，具有良好的防爆性能：升降电机52、大臂电机50和小臂电机45、腕部电机47和输出轴电机46分别被基座密封罩20、大臂密封罩10和三轴密封罩7密封起来，形成三个电气密闭空间，之间的线缆通过密封电缆接头连接，每个电机的输出端均采用密封轴承实现动密封，同时在每个密封空间充入惰性气体使得三个电气空间完全与外界危险的易燃易爆气体隔绝，使所述机器人具有很好的防爆性能；

本发明中，小臂谐波减速器44、腕部谐波减速器40、输出谐波减速器37均安装在同步带传动后面，而不是直接安装在对应电机轴端，有效地减小由于同步带柔性带来的误差，使得末端定位更加精准可靠。

本发明通过上述各种结构优化设计，具有结构简单、成本低、工作空间大、灵活性高、末端定位精度高、走线方便、密封可靠，防爆性能优良的特点。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。