专利名称：多重四连杆机械臂机构的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种多重四连杆组成的机械臂机构。它主要可用于煤矿巷道、遂道、建筑装修及一般机械行业等工程的喷涂作业上。
目前，用于喷涂作业的专用机械手或工业机器人一般都是关节型机构，有的带有部分移动机构。其典型结构如图1所示，其中a为大臂，b为小臂。
与焊接、搬运等作业机械手不同的是，喷涂机械手的工作区域或运动范围往往以平面或柱面为主，而且有其自身的运动规律。以喷浆作业为例在诸多需要进行喷浆作业的工程中，如水利隧道、铁路隧道、煤矿巷道等，虽然它们的断面大小各有差异，但其作业的原理与要求基本上是一致的。如，在煤矿巷道的喷浆作业中，一般其喷浆工艺要求先下后上，先邦后拱；在喷浆过程中，喷枪的枪口要与受喷面保持垂直、等距的关系；要求喷枪一面沿工作规迹运行，一面要自身作划圆运动，其规迹如图2所示，其中c为喷枪自身的划圆运动与纵向进给运动耦合出的运动轨迹，b为喷枪沿邦或拱做工作运行时其中心的运动轨迹。这样才能使喷浆获得最佳的喷浆质量、最少的回弹量和高的作业效率。
对于以关节型为主要机构的喷浆机械手或机器人来讲，若要保持在喷浆过程中，喷枪沿一条近似铅垂线起落的同时，又要保持喷枪的枪口对受喷面垂直等距的关系，最少要调整两个、甚至两个以上关节的运动才能实现，如图3所示。当操作者对机器进行主从式控制(这无论对机械手或机器人都是一种必要的控制方式)时，操作者首先要调整一个关节的动作，再调整另一个关节的动作，而后观察二个关节的运动合成情况，看其是否满足了工艺要求。这时，往往会出现位姿超调或不到位的情况，需要反复多次调整才能达到较理想的状态。若要对三个关节进行调整，过程会更加复杂。由于喷浆过程中，浆流输送的很快，局部不许长时间停留，而且回弹的泥浆与弥漫的粉尘造成环境的可视度下降，这样会使操作者感到十分紧张，而且很难保证几个方面的协调动作，顾此失彼，不能保证喷浆工艺最佳参数的实现。因此文献[1]认为“所有能将操作者控制的运动数量减到最少的措施都将是有意义的改进。”(Allsteps which minimize the number of control movements by theoperator will be significant improvements)。
本实用新型的目的是提供一种能在喷涂过程中以最少的控制动作，保持喷头获得最佳的工艺参数(即垂直、等距)的，可用于喷涂作业机器人或机械手的多重四连杆机械臂机构。
本实用新型的实现方法如图4、图5所示。它主要由行走组件，大臂组件，平衡拉杆组件，小臂组件通过机械联接而组成。
大臂组件主要由摇杆、大臂、摆杆与机架组成。将其各部分的尺寸设计成AB∶BC＝1∶1.1～1∶1.7AB∶CF＝1∶1.8～1∶2.4AB∶CD＝1∶0.8～1∶1.3AB∶L1＝1∶1.5～1∶2.0AB∶H1＝1∶0.8～1∶1.3各杆件通过转动副联接之后，在油缸的驱动之下，大臂前端的F点可沿一条近似的铅垂线运动。这样，本机构只需控制大臂一个动作，就可完成关节型机构要两个以上关节动作才能完成的沿铅垂线起落的运动。
平衡拉杆组件主要由两个拉杆与一个过渡杆组成。两个拉杆通过过渡杆相联，其中一个拉杆与机架相联，一个拉杆与小臂组件中的立板相联。平衡拉杆组件中的有关构件与大臂组件中的有关构件构成两组平行四连杆机构，其中AH＝BIHI＝ABBJ＝FKBF＝JK这样，当大臂在上下起落过程中，由于平衡拉杆组件的作用，大臂前端所带的小臂组件将作平动运动，维持原有姿态不变，而不用增加任何其它驱动装置。而在关节型机构中，必需要有两个关节动作才能实现同样的运动。
小臂组件主要由立板、小臂右杆、小臂左杆、旋转头、横向移动杆及喷枪组成。其中立板、小臂右杆、小臂左杆、旋转头组成一平行四连杆机构，即LL’＝MM’LM ＝ L’M’这样，当小臂组件的前端在水平面内做摆动运动时，旋转头所带的横向移动杆及喷枪都将做平动运动，维持原有的姿态不变。小臂组件与平衡拉杆组件的组合，克服了在关节型机构中，随大、小臂的运动，喷枪姿态会发生变化这一缺点。旋转头还可带动横向移动杆及喷枪在横向面内做旋转运动，并能使喷枪相对受喷拱顶处保持垂直、等距的关系。
通常，一段巷道前后断面的理想轮廓是相同的，它是一种柱体结构。机器人将运行于与巷道柱面平行的轨道上。使用前，首先调整小臂组件的前端左右摆动，使旋转头的旋转中心位于巷道理想轮廓的对称面内，将横向移动杆旋转成水平位置，并调整横向移动杆，使喷枪口相对理想壁面保持1000mm的距离，如图6所示。采用光面爆破的巷道表面相对理想轮廓有±200mm的公差，这个范围(即1000±200mm)仍可使喷头对壁面保持在喷浆工艺要求的最佳作业距离内。由于小臂组件是平行四连杆机构，所以在上述的调整过程中，总能保持喷头相对壁面理想轮廓的垂直关系。
工作中，若要使喷枪的运行实现图2所示的轨迹，喷邦时，只需控制大臂的上下起落和小车的前后移动；喷拱时，只需控制旋转头的转动和小车的前后移动即可。由于小车的运行易于实现自动行程控制，在实际操作时，适时只需控制大臂或旋转头其中一个的运动即可。
本实用新型的优特点在于1.多重四连杆机构可使喷枪在按预定工作轨迹运行时，只需控制大臂或旋转头其中一个的运动，就能保持喷枪口相对理想壁面轮廓垂直、等距的关系。如，它在喷邦过程中，只需操作大臂的起落即可；喷拱时，只需控制旋转头转动即可。
2.在主从式控制时，可以极大的减少操作者同时要控制的运动数量，将人的操作动作降低到最少限度，从而极大的缓解操作者的工作紧张程度，使控制方便、简单。操作者可抽出更多的精力观察壁面的情况。
3.对自动控制系统，可极大的简化控制系统的结构与算法，降低控制系统的成本。
4.采用该机构工作时，容易保证工艺参数的实现，从而降低材料的回弹率，节约材料，降低施工成本。
5.其结构简单、合理，适应面广，有广阔的应用前景。
图1是常见的关节型喷浆机械手的结构原理图。
图2是喷浆工艺的喷射轨迹图。
图3是关节型机械手工作运动过程图。
图4是多重四连杆机械臂机构的机械原理图。
图5是多重四连杆机械臂机构的小臂俯视图，即W向视图。
图6是多重四连杆机械臂机构的工作空间示意图。
图中符号各表示1-车轮；1’-车轮；2-车架；3-转动副；4-转动副；5-拉杆；6-转动副；7-转动副；8-摇杆；9-转动副；10-过渡杆；11-转动副；12-大臂；13-拉杆；14-转动副；15-摆杆；16-转动副；17-油缸；18-转动副；19-转动副；20-转动副；21-立板；22-转动副；23-小臂右杆；23’-小臂 左杆；24-转动副；24’-转动副；25-旋转头；26-转动副；27-喷枪；28-转动副；29-移动副构件；30-移动副；31-横向移动杆。
a-关节型机构的大臂；b-关节型机构的小臂；c-喷枪自身的划圆运动与纵向进给运动耦合出的运动轨迹；d-喷枪沿邦或拱做工作运行时其中心运动轨迹；e-巷道的邦；f-巷道的拱；g-浆料涂层。
图4、图5、图6是本实用新型的一个实施例。
本实用新型主要是由行走组件I、大臂组件II、平衡拉杆组件III、小臂组件IV以机械联接而组成。其中
行走组件I由车轮1、1’、车架2组成。
大臂组件II由转动副6、摇杆8、转动副9、大臂12、转动副14、摆杆15、转动副19组成。而且AB∶BC＝1∶1.33AB∶CF＝1∶2.21AB∶CD＝1∶0.98AB∶L1＝1∶1.81AB∶H1＝1∶0.98平衡拉杆组件III由转动副4、拉杆5、转动副7、过渡杆10、拉杆13、转动副20组成。平衡拉杆组件III与大臂组件II中的有关构件组成两组平行四连杆机构，其中AH＝BIHI＝ABBJ＝FKBF＝JK小臂组件IV由立板21、转动副22、转动副22’、小臂右杆23、小臂左杆23’、转动副24、转动副24’、旋转头25、转动副26、喷枪27、转动副28、移动副构件29、移动副30、横向移动杆31组成。其中，立板21、小臂右杆23、小臂左杆23’、旋转头25构成一组平行四连杆机构，即LL’＝MM’LM＝L’M’在大臂组件II(见图4)中摇杆8通过转动副6与机架2相联接；摇杆8通过转动副9与大臂12相联接；大臂12通过转动副14与摆杆15相联接；大臂12通过转动副19与小臂组件IV中的立板21相联接；摆杆15通过转动副18与机架2相联接。
在平衡拉杆组件III(见图4)中拉杆5通过转动副4与机架2相联接；拉杆5通过转动副7与过渡杆10相联接；过渡杆10通过转动副9与摇杆8及大臂12相联接；过渡杆10通过转动副11与拉杆13相联接；拉杆13通过转动副20与小臂组件IV中的立板21相联接。
在小臂组件IV(见图4、图5)中，小臂右杆23、小臂左杆23’分别通过转动副22、22’与立板21相联接；小臂右臂23、小臂左臂23’分别通过转动副24、24’与旋转头25相联接；移动副构件29通过转动副28与旋转头25相联接；横向移动杆31可在移动副构件29上的移动副30中做横向移动；横向移动杆31通过转动副26与喷枪27相联接。
参考文献1.Kar ppanen，T.M.；Koskinen，M.K.Shotcreting automation.21st，International Symposium-Application of Computers and OperationsResearch in the Mineral Industry.Littleton，CO，USA.1989。1019-1032。
权利要求1.一利用于煤矿巷道、隧道、室内墙壁及一般机械行业喷涂工艺的多重四连杆机械臂机构，它包含有行走组件I、大臂组件II、平衡拉杆组件III、小臂组件IV四大部分，它们通过机械联接构成一体，其主要特征在于大臂组件II各 部分的尺寸关系按如下范围构成AB∶BC＝1∶1.1～1∶1.7AB∶CF＝1∶1.8～1∶2.4AB∶CD＝1∶0.8～1∶1.3AB∶L1＝1∶1.5～1∶2.0AB∶H1＝1∶0.8～1∶1.3当油缸(17)伸缩时，大臂前端的F点可沿一条近似的铅垂线运动。
2.根据权利要求1所述的多重四连杆机械臂机构，其特征在于平衡拉杆组件III中的部分构件与大臂组件II中的部分构件组成两组平行四连杆机构，且满足如下关系AH＝BIHI＝ABBJ＝FKBF＝JK
3.根据权利要求1或权利要求2所述的多重四连杆机械臂机构，其特征在于当大臂上下起落时，由于平衡拉杆组件III的作用，大臂前端所带的小臂组件IV始终作平动运动，维持原有姿态不变。
4.根据权利要求1或权利要求2所述的多重四连杆机械臂机构，其特征在于小臂组件IV中的平行四连杆机构满足如下关系LL’＝MM’LM＝L’M小臂组件IV做摆动运动时，旋转头(25)所带的横向移动杆(31)与喷枪(27)都将作平动运动，维持原有姿态不变。
5.根据权利要求1或权利要求2所述的多重四连杆机械臂机构，其特征在于小臂组件IV中的移动副构件(29)通过转动副(28)围绕旋转头(25)的轴线作0°～220°旋转。
6.根据权利要求1或权利要求2所述的多重四连杆机械臂机构，其特征在于小臂组件IV中的横向移动杆(31)相对于移动副(30)能作位置调整。
专利摘要本实用新型属于一种多重四连杆机械臂机构,主要应用于煤矿巷道、隧道、建筑装修、机械行业等工程的喷涂作业中。该机构主要包含行走组件Ⅰ、大臂组件Ⅱ、平衡拉杆组件Ⅲ、小臂组件Ⅳ四大部分,其中又包含四组按一定比例关系构成的四连杆机构,它能使喷枪(27)在喷涂过程中,容易实现垂直起落,并始终保持对受喷面垂直、等距的关系。使用本机构具有操作简单、易实现工艺要求动作的特点。施工中可降低涂料的回弹率,从而降低施工成本。
文档编号B25J3/00GK2274117SQ9624855
公开日1998年2月11日 申请日期1996年12月5日 优先权日1996年12月5日
发明者樊炳辉, 逄振旭, 李贻斌, 苏学成, 杨明 申请人:山东矿业学院济南分院