冗余机器人及机器人喷漆系统的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种冗余机器人及机器人喷漆系统，冗余机器人用于在喷漆间里对工件进行操作，其包括：基底，邻近所述工件通过所述喷漆间的行进路线的一侧安装在一固定位置中；以及铰接的冗余机械臂，附接至所述基底，用于在所述工件上进行操作。冗余旋转轴线在避免障碍物并达到工件内部对其喷漆方面为机械臂提供额外的挠性。机器人设备可以是七轴式机械臂或者是用于打开和/或关闭面板的五轴式平行连杆面板开启机械臂。机械臂安装在至少一个竖直定向的立柱上，该立柱邻近穿过喷漆间的工件行进路径，并且，该机械臂能够安装在公共基底上。
【专利说明】冗余机器人及机器人喷漆系统
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请要求于2012年9月10日提交的美国临时申请序列号61/698，952的优先权，其整体内容通过引用结合于此。该申请也要求于2012年10月5日提交的美国临时申请序列号61/710，096的优先权，其整体内容通过引用结合于此。
【技术领域】
[0003]本发明涉及一种喷漆(喷涂,paint)的机器人,更具体地说,涉及一种在喷漆间(喷漆橱)中使用的机器人。
【背景技术】
[0004]现有技术的喷漆间是已知的。用于在连续运输和停留站两个系统中给车身外表面喷漆的典型现有技术的喷漆间包括封壳，该封壳容纳有设置在其周边的多个喷漆和开启机器人(painting and opener robot,喷漆和开门机器人)。这些机器人可以安装在地面、墙壁或者轨道上。喷漆机器人带有喷枪或者旋转式涂覆器(钟形机器，bell machine)，用于将雾化漆引向车身。
[0005]新制造的车身通常与安装着的门一起被喷漆。在喷漆过程中，门可以从关闭位置运动到打开位置，以便于对车身内部进行喷漆。喷完车身内部时，门返回到关闭位置。开启机器人包含有设置在关节臂端部的特别适配的工具，在打开和关闭过程中，该机器人通常用于抓握并移动门。车辆引擎罩和后挡板/后备箱盖也可以安装在车身上，同样地，与门相似，在喷涂过程中必须打开和关闭。
[0006]现有技术喷漆及开启机器人本身成本非常高，并且，对于喷漆间的视觉访问也受限。例如，现有技术的安装在地面的机器人安装在目前的喷漆间时还需要对喷漆间进行很多改进，这增加了安装时间和成本，并且需要更长更宽的喷漆间。安装在地面上的机器人需要经常地打扫，这是由于过喷漆雾的向下气流使得漆料积聚在机械臂和基座上，这导致了较高的维护和清洁成本。而且，由于一个喷漆机器人不能充分到达物体一侧上的所有适于喷涂的表面并且一个开启器也不能达到所有待打开的区域，因此，通常需要另外的机器人区域，从而，它们缺少对无法运转的机器人的任何备份能力。如果一个机器人无法运转，那么整个喷漆间都无法运转，这会产生延迟和停工成本。
[0007]现有技术的安装在地面的机器人也缺少挠性(flexibility)。挠性的缺少通常会使现有的安装在地面的机器人具有被分段以仅围绕六个不同转动轴线旋转的机械臂。设在这些六轴式机器人端部的端部执行工具仅能使用有限数量的机械臂分段结构在工作包络线(envelope)范围内达到某些位置，在许多情况下，仅仅一个结构允许端部执行工具达到指定位置和结构。如果端部执行工具的期望位置和定向导致现有技术的六轴式机器人与包含在喷漆间内的其他机器人或部件相干扰，则这些受限结构将会出问题。为了解决缺少挠性的问题，许多现有技术的喷漆间通过将六轴式机器人放置在线性轨道系统上来为它们增加额外的自由度。这些轨道系统可能非常昂贵的并且空间受限。现有技术的轨道安装(安装在轨道上)机器人还需要轨道，机器人可以沿着该轨道行进以跟着传送带移动。机器人的轨道轴线在喷漆间的每一端都需要通道。机器人的腰轴线(waist axis)在喷漆间端部需要额外的安全区，并且，在地面安装的机器人的轨道座侵占走道空间，并增加大量的成本。
[0008]因此，期望的是，提供一种以有效且经济的方式利用机器人的喷漆设备和喷漆系统，其使得漆料浪费最小化，在喷漆间里占用很少的空间(长度和宽度)，并且能够安装在现有喷漆间中而不需要对喷漆间进行很多修改。
[0009]在美国专利号7，650，852中公开了对上述喷漆系统的改进。该专利描述了一种用于对物体喷漆的包括提升的管状框架轨道(安装有带有漆料喷涂器的四轴机械臂)的设备。该机器人附接至沿着轨道移动的安装基座，从而允许对车身的顶部和/或侧部喷漆。电源和流体管线可以通过轨道行进至机器人。可以将这样的两个轨道以及多个机器人结合成模块安装在新的或现有喷漆间。
[0010]然而，仍然希望通过不用线性轨道系统以将机器人送到期望位置和定向来进一步减少喷漆间的尺寸。
【发明内容】
[0011]与本发明一致协调的是，已经惊奇地发现一种能相当大程度地减少喷漆间尺寸的机器人喷漆系统中的冗余机器人(redundant robot)。根据本发明，冗余轴式喷漆机器人能通过增加机器人可使用的包络线减少喷漆间尺寸。冗余轴线用于避免喷漆机器人操作过程中的障碍物、车身和开启机器人。
[0012]本发明的一个实施例涉及一种用于在喷漆间对工件进行操作的冗余机器人，其包括:基底，邻近工件穿过喷漆间的行进路线的一侧安装在一固定位置；以及铰接的冗余机械臂，附接至基底，用于对工件进行操作。基底可以安装在邻近行进路线的该侧定位的竖直柱。冗余机械臂可以是七轴式喷漆机械臂，七轴式喷漆机械臂包括位于肩部旋转轴线和肘部旋转轴线之间的冗余旋转轴线，其中，第一旋转轴线和肩部旋转轴线垂直并相交。七轴式喷漆机械臂包括外臂部，外臂部包括第一外延伸部和第二外延伸部，其中，第一外延伸部的第一端与七轴喷漆机械臂的内臂部耦接，第一外延伸部的第二端与第二外延伸部的第一端可调节地耦接，用于选择性地调节第一外延伸部和第二外延伸部之间的角定向并且将所选的角定向固定为第一外延伸部和第二外延伸部之间的静态连接。第一外延伸部和第二外延伸部之间的可调节连接允许第二外延伸部的纵向轴线偏离内臂部的纵向轴线。七轴式喷漆机械臂的内臂部可具有成角度的纵向轴线。七轴式喷漆机械臂可包括喷漆线路软管梁(loom)，喷漆线路软管梁具有与七轴喷漆机械臂脱离的跨越七轴式喷漆机械臂的两个轴线的一部分，这两个轴线是腰部轴线和肩部轴线或者冗余轴线和肘部轴线。软管梁可具有在肩部轴线和冗余轴线之间穿过七轴式喷漆机械臂的内部的一部分，并且可以由以螺旋盘绕(helix twist)方式一起行进的多个喷漆线路形成。
[0013]冗余机械臂是五轴式开启机械臂，该五轴式开启机械臂包括可旋转地连接的三个平行连杆和用于打开工件的至少一个开口面板的附接开启工具。三个平行连杆在连杆的旋转轴线方向上相互偏移。冗余机器人可包括用于安装一个或多个机械臂或者开启装置的公共基底。
[0014]在一个实施例中，用于对具有敞开的门、引擎罩以及板面板的车身进行喷漆的机器人喷漆系统包括设置在穿过喷漆间的车身行进路径的相对侧上的多个竖直立柱。该系统进一步包括:第一对六轴或七轴式喷漆机械臂，附接至第一对立柱，用于在车身上喷涂第一外涂层；四个七轴式喷漆机械臂，每个均附接至四个立柱中的一个，用于喷涂车身内部；以及第二对六轴式或七轴式喷漆机械臂，附接至第二对立柱，用于对车身喷涂第二外涂层。
【专利附图】
【附图说明】
[0015]从以下结合附图给出的优选实施例的详细描述，本领域普通技术人员能够容易地明白本发明的以上以及其他优点，在附图中:
[0016]图1是示出了根据本发明的冗余轴线(redundant axis)喷漆机器人的正视图。
[0017]图2A是图1的冗余轴线喷漆机器人的左手构造的正视图。
[0018]图2B是图1的冗余轴线喷漆机器人的右手构造的正视图。
[0019]图3A是图1的喷漆机器人的具有第一能调节构造的外臂部分的正视图。
[0020]图3B是图1的喷漆机器人的具有第二能调节构造的外臂部分的正视图。
[0021]图3C是图1的喷漆机器人的具有第三能调节构造的外臂部分的正视图。
[0022]图4A是图1的喷漆机器人的立体图，示出了跨越喷漆机器人的腰部轴线和肩部轴线的软管梁(hose loom)。
[0023]图4B是图1的喷漆机器人的立体图，示出了图4A的软管梁的第一附接点和第二附接点。
[0024]图4C是图1的喷漆机器人的立体图，示出了图4A的软管梁的第三附接点和第四附接点。
[0025]图4D是图4A的软管梁的一部分的放大立体图，示出了该软管梁具有螺旋盘绕布置。
[0026]图5是根据本发明的门开启装置机器人的立体图。
[0027]图6是根据本发明的引擎罩板开启装置机器人的立体图。
[0028]图7A是平面图，示出了现有技术3-联杆机械臂与机动车的干涉情形。
[0029]图7B是平面图，示出了图5的门开启装置机器人，该机器人避免了与机动车的干涉情形。
[0030]图8A是利用轨道系统的现有技术喷漆间的平面图。
[0031]图8B是根据本发明的喷漆间的平面图，示出了与图8A的现有技术喷漆间相比尺寸减小。
[0032]图9是图8B喷漆间的不同构造的立体图。
[0033]图10是包括图6的引擎罩板开启装置机器人和图1的冗余轴线喷漆机械臂的双臂式公共基座机器人的立体图。
【具体实施方式】
[0034]以下的详细描述和附图描述且示出了本发明的多个示例性实施例。所述描述和附图用于使本领域普通技术人员制造和使用本发明，并不旨在以任何方式限制本发明的范围。对于所公开的方法，给出的步骤本质上是示例性的，因此所述步骤的顺序不是必需的或关键性的。[0035]图1是根据本发明的七轴式(seven-axis，七轴线)喷漆机器人20的正视图。七轴式喷漆机器人20包括冗余旋转轴线，其能够在无需使用轨道系统的情况下通过增加机器人的可用包络线而实现喷漆间尺寸减小。当七轴式喷漆机器人20被驱动至期望位置与定向时，该冗余轴线允许七轴式喷漆机器人20避免喷漆间中的障碍物，诸如工件和板开启装置。相似地，该冗余轴线允许在无需轨道的情况下使用五轴线开门装置和引擎板开启装置。
[0036]七轴式喷漆机器人20是安装在模块化基座21上的七轴式铰接机械臂，所述模块化基座适合于各种安装位置，诸如墙壁安装、高架安装等。在图1中，模块化基座21被定向成附接至竖直壁(未示出)，诸如喷漆间壁或喷漆间中使用的竖直柱或竖直立柱。图1中示出的七轴式喷漆机器人20的安装构造被认为是倒转的安装构造，因为该七轴式喷漆机器人20从模块化基座21处向下延伸。
[0037]如图1中所示的，七轴式喷漆机器人20旋转地耦接至模块化基座21，以便于所述七轴式喷漆机器人20围绕第一旋转轴线Al (也称作“腰部”旋转轴线)旋转。第一旋转轴线Al被示出为竖直对准的旋转轴线，允许机械臂20沿第一旋转方向Rl在水平对准的平面中旋转。第二旋转轴线A2 (也称作“肩部”旋转轴线)与所述第一旋转轴线Al垂直、相交且横断于所述第一旋转轴线延伸，允许机械臂20沿第二旋转方向R2在竖直平面进行旋转运动，如图1中所示的。应该理解的是，不同安装构造将导致第一和第二旋转轴线A1、A2具有与图1中所示的不同的空间定向。
[0038]七轴式喷漆机器人20的第一臂部分或内臂部分22在其第一端处旋转地耦接至模块化基座21，以便于围绕第二旋转轴线A2旋转。内臂部分22是大致弯曲或有角度的两部分结构，以提供左手和右手构造并且优化七轴式喷漆机器人的可达范围。如图1中所示的，内臂部分22包括第一内延伸部22A和第二内延伸部22B。第一内延伸部22A的第一端在第二旋转轴线A2处旋转地耦接至模块化基座21，而第一内延伸部22A的第二端静态地固定于第二内延伸部22B的第一端。第二内延伸部22B的纵向轴线相对于第一内延伸部22k的纵向轴线成角度，导致第二内延伸部22B相对于模块化基座21的偏移。第二内延伸部22B与模块化基座21之间的偏移允许内臂部分22覆盖围绕模块化基座21的更宽的范围或旋转，而内臂部分22不会与内臂部分22干涉或碰撞。
[0039]第二内延伸部22B的第二端围绕第三旋转轴线A3旋转地耦接至肘部部件23的第一端，允许沿第三旋转方向R3的旋转。如图1中所示的，第三旋转轴线A3在形成于内臂部分22与模块化基座21之间的可旋转的连接处与第一旋转轴线Al和第二旋转轴线A2两者相交。肘部部件23将内臂部分22连接至第二臂部分或外臂部分24。肘部部件23在内臂部分22与外臂部分24之间形成围绕第四旋转轴线A4 (也称作“肘部”旋转轴线)的可旋转的连接，允许沿第四旋转方向R4的旋转。肘部部件23与内臂部分22的第二内延伸部22B之间形成的第三旋转轴线A3横向于第四旋转轴线A4对准并与所述第四旋转轴线相交。
[0040]外臂部分24在其第一端处安装至肘部部件23的第二端以便围绕第四旋转轴线A4旋转。外臂部分24是模块化的并且包括第一外延伸部24A和第二外延伸部24B。第一外延伸部24A的第一端在第四旋转轴线A4处可旋转地耦接至肘部部件23的第二端，而第一外延伸部24A的第二端可调节地连接至第二外延伸部24B的第一端。第一外延伸部24A与第二外延伸部24B之间形成的可调节的连接允许第二外延伸部24B的纵向轴线相对于第一外延伸部24A的纵向轴线选择性地调节至各种角定向。应该理解的是，一旦已在第一和第二外延伸部24A、24B之间形成了可调节的连接，则该连接被固定以形成静态连接，并且使得第一和第二外延伸部24A、24B在七轴式喷漆机器人20的操作过程中一致地(in unison，和谐地)移动。例如，延伸部24A、24B能被可旋转地耦接以便于选择性地调节角度并且所述延伸部能够具有用于接收紧固装置的环形孔阵列以固定所选角度。
[0041]可调节的连接允许第二外延伸部24B以许多不同构造相对于第一外延伸部24A被附接或锁定，从而提供左手和右手构造(分别如图2A和2B中所示的)以及不同的动态构造和臂尺寸(如图3A、3B和3C所示的)。第一外延伸部24A相对于肘部部件23和内臂部分22与第二外延伸部24B形成偏移，提高了外臂部分24的“近距离触及”能力。外臂部分24的“近距离触及”能力是指外臂部分24的接触到七轴式喷漆机器人20的位于模块化基座21附近的工作包络线区域的能力。如以上参照图3A、3B和3C解释和示出的，七轴式喷漆机器人20的操作者可相对于第二外延伸部24B选择第一外延伸部24A的位置，以改变七轴式喷漆机器人20的总长度、外臂部分24相对于内臂部分22的运动范围、以及第二外延伸部24B相对于内臂部分22的偏移。外臂部分24的该可调节能力帮助操作者将七轴式喷漆机器人20构造成用于以下任务，所述任务可能要求可变臂长度或定向以便触及工作项目的特定部分或避免障碍物(包括七轴式喷漆机器人20本身的部件)，在试图执行特定任务时七轴式喷漆机器人20可能碰撞到所述障碍物。
[0042]腕部部件25在第五旋转轴线A5处旋转地耦接至外臂部分24的第四外延伸部24B的第二端，允许沿第五旋转方向R5旋转。第五旋转轴线A5平行于外臂部分24的第四外延伸部24B的纵向轴线而对准。腕部部件25由第一腕部区段25A、第二腕部区段25B以及第三腕部区段25C构成。第一腕部区段25A的第一端旋转地耦接至第四外延伸部24B的第二端以便围绕第五旋转轴线A5旋转，而第一腕部区段25A的第二端旋转地耦接至第二腕部区段25B的第一端以便围绕第六旋转轴线A6沿第六旋转方向R6旋转。第六旋转轴线A6相对于第五旋转轴线A5成角度，导致在第二腕部区段25B围绕第六旋转方向R6的旋转过程中，第二腕部区段25B和第三腕部区段25C相对于外臂部分24的第四外延伸部24B倾斜。为此原因，第六旋转轴线A6可被称作“倾斜”旋转轴线。
[0043]第二腕部区段25B的第二端围绕第七旋转轴线A7旋转地耦接至第三腕部区段25C的第一端，允许沿第七旋转方向R7的旋转。第七旋转轴线A7对准为相对于第六旋转轴线A6成角度并且平行于第五旋转轴线A5且相对于第五旋转轴线偏移。漆料涂覆器26附接至第三腕部区段25C的第二端。应理解的是，漆料涂覆器可为任何类型的适合的漆料涂覆器，包括圆形喷射式钟形涂覆器或传统喷枪等。应该理解的是，取决于七轴式喷漆机器人20的预期应用，任何数量的部件(诸如焊接工具、夹持工具、紧固工具等)均可取代漆料涂覆器26附接至第三腕部区段25C的第二端。因此，应理解的是，漆料涂覆器26或任何其他端部执行器(end effector)机器人式工具均能可移除地附接至第三腕部区段25C以适应由七轴式喷漆机器人20执行的不同可能任务。
[0044]如上文中所述的，七轴式喷漆机器人20具有七个不同的旋转轴线Al、A2、A3、A4、A5、A6、A7，用于沿七个旋转方向Rl、R2、R3、R4、R5、R6、R7旋转。由于七轴式喷漆机器人20仅需要六个旋转轴线来使得设置在七轴式喷漆机器人20的远端处的漆料涂覆器26触及七轴式喷漆机器人20的工作包络线内的预期位置和定向，因而附加的第七个旋转轴线使得七轴式喷漆机器人20具有冗余旋转轴线。由于在第二旋转轴线A2 (肩部旋转轴线)与第四旋转轴线A4 (肘部旋转轴线)之间添加了第三旋转轴线A3，因而七轴式喷漆机器人20与传统六轴式(six-axis，六轴线)机器人不同。因此，第三旋转轴线A3被认为是冗余旋转轴线。
[0045]具有冗余旋转轴线的机器人系统能够改变位于机械臂的原点与机械臂的端部执行器工具之间的机械臂部件的构造，而无需改变机械臂的端部执行器工具的位置和定向。因此，冗余旋转轴线(第三旋转轴线A3)的添加允许内臂部分22、肘部部件23、外臂部分24以及腕部部件25的可变定位，同时漆料涂覆器26保持在固定的位置和定向中。七轴式喷漆机器人20的部件22、23、24、25以多种不同构造定位和定向的能力允许七轴式喷漆机器人20被构造成避免障碍物并触及工件的用传统固定六轴式机器人不可能触及的部分。这种灵活性转而允许七轴式喷漆机器人20以缓和空间限制以及消除需要多个六轴机器人以实现特定任务的方式被安置。
[0046]图4A至4D示出了用于实现工作台尺寸减小的喷漆线路的方法。多个喷漆线路以螺旋盘绕方式一起行进以形成软管梁27，如图4D中所示的。形成软管梁27的喷漆线路的盘绕在七轴式喷漆机器人20的运动过程中保持喷漆线路聚集在一起。软管梁27在选定位置附接至七轴式喷漆机器人20以保持其全范围移动。软管梁27通常安装至模块化基座21并源于与模块化基座相邻的竖直布置的表面(诸如喷漆间或立柱的壁)。然而，应该理解的是，如果期望，软管梁27可源于模块化基座21或包含在喷漆间中的任何其他部件。如图4B中所示的，软管梁27与七轴式喷漆机器人20之间的第一附接点81位于七轴式喷漆机器人20的内壁部分22上。第一附接点81位置允许软管梁27与七轴式喷漆机器人20以及与竖直布置的表面(软管梁27源于所述竖直布置的表面)两者脱离，以跨越七轴式喷漆机器人20的两个旋转轴线，即，第一旋转轴线Al和第二旋转轴线A2。
[0047]一旦软管梁27在第一附接点81处与七轴式喷漆机器人20相遇，软管梁27就可穿过内臂部分22的内部行进直至其在第二附接点82处出现，如图4C中所示的。然后软管梁27延伸远离第二附接点82以再次自由地与七轴式喷漆机器人20脱离，以便跨越另外两个旋转轴线，即，第三旋转轴线A3和第四旋转轴线A4。然后，软管梁27又在位于外臂部分24上的第三附接点83处附接至七轴式喷漆机器人20。一旦在第三附接点83处附接至外臂部分24，则软管梁27可朝向腕部部件25穿过外臂部分24的内部。腕部部件25被构造成使得软管梁27能够穿过第一、第二和第三腕部区段25A、25B、25C的内部，允许软管梁27在七轴式喷漆机器人20内部穿过，同时跨越第五、第六和第七旋转轴线A5、A6、A7。然后软管梁27终止于漆料涂覆器26。
[0048]根据本发明的用于减少喷漆间尺寸的方法包括下面描述的特征中的一个或多个。作为系统，多个机器人对诸如车身的工件进行喷漆。例如，这个喷漆过程可以第一外部涂层、然后是内部涂层、然后是第二外部涂层来执行。在内部处理期间，第一外部涂层有时间闪镀(flash)。喷漆机器人包括七轴式喷漆机器人20，所述七轴式喷漆机器人倒置安装以用于内部喷漆过程。六轴式或七轴式壁式安装机器人用于外部喷漆。门或引擎罩板开启装置用于帮助喷漆机器人到达所喷漆的车辆的内部部分。
[0049]图5是根据本发明的门开启机器人50的透视图。门开启机器人50是三平行连杆机器臂，用于打开车辆的门板，以便通向车身内部从而对其进行喷漆。门开启机器臂具有用于附接至竖直表面(比如喷漆间的壁)或竖直布置立柱的基底51。内部连杆52具有可旋转地耦接至基底51以便绕第一竖直旋转轴线旋转的第一端。该第一竖直旋转轴线取代现有技术中的轨道。内部连杆52的第二端可旋转地耦接至中间连杆53的第一端以便绕第二竖直旋转轴线旋转。中间连杆53的第二端可旋转地耦接至外部连杆54的第一端，以便绕第三竖直旋转轴线旋转。如图5中所示的，中间连杆53在内部连杆52下方竖直偏移，而外部连杆54在中间连杆53下方竖直偏移。然而，应理解的是，连杆52、53、54之间的偏移的任何配置都可以用于更好地构造引擎罩板开启机器人50，以避免障碍物并且进而潜在地减小喷漆间的尺寸。外部连杆54的第二端耦接至门开启工具55，所述门开启工具用于穿过车辆31 (图7B)的门窗以打开门从而对车辆31的内部进行喷漆。门开启工具55进一步包括第四旋转轴线和第五旋转轴线，从而使门开启机器人50为五轴式机器人。
[0050]图6是根据本发明的引擎罩板开启机器人60的透视图。引擎罩板开启机器人60通常为三平行连杆机器人臂，其用于打开车身的引擎、板或行李箱中的一个，以便通向车身内部从而对其进行喷漆。引擎罩板开启机器人60具有用于附接至竖直布置表面(比如喷漆间的壁)或竖直布置立柱的基底61。第一连杆62具有可旋转地稱接至基底61以便绕第一竖直旋转轴线旋转的第一端。该第一旋转轴线取代现有技术中的轨道。第一连杆62的第二端可旋转地耦接至第二连杆63的第一端以便绕第二竖直旋转轴线旋转。第二连杆63的第二端附接至第三连杆64的第一端，以便绕第三旋转轴线旋转。第三连杆64沿着平行于第三竖直旋转轴线的方向竖直地向下延伸。第三连杆64的第二端可旋转地耦接至第四连杆65的第一端以便绕第四旋转轴线旋转，第四旋转轴线横向于第三竖直旋转轴线对准。第四连杆65的第二端绕第五旋转轴线可旋转地耦接至引擎罩板开启工具66，第五旋转轴线平行于第四旋转轴线并且自第四旋转轴线偏移。引擎罩板开启工具66包括设置在其远端的钩部67。引擎罩板开启工具66用来打开车辆的引擎罩或行李箱。
[0051]如图5和图6中所示的，门开启机器人50和引擎罩板开启机器人60各自均采用三个不同的竖直定向旋转轴线，以便将开启机器人50、60的端部执行工具55、56平移到沿着竖直布置平面的期望位置。这意味着开启机器人50、60中的每一个均具有三个自由度，以便沿着两个平面的横向维度来平移端部执行工具55、66。因此，门开启机器人50和引擎罩板开启机器人60中的每一个均包括冗余旋转轴线。该冗余允许避免障碍物而不会存在现有技术喷漆间的昂贵且笨重的轨道。门开启机器人50可以具有与传统的双连杆门开启机械臂70 (图7A)相同的触及范围，其中传统的双连杆门开启机器臂具有当车身31的门打开时竖直定向的两个旋转轴线。如图7B中所示，门开启机器臂50也避免与车身31发生干涉的情况，这种干涉情况在采用如图7A中所示的双连杆门开启机器臂70时是常见的。此外，消除了轨道允许在门开启臂50、60放置的位置方面具有更大的灵活性，包括在立柱上或者在公共模块化基底21上，并且可以提升到喷漆间中所包括的其他机器人上方、位于其他机器人下方或紧挨着其他机器人。应理解的是，除了门开启机器人50，所有这些相同的能力也适用于引擎罩板开启机器人60。
[0052]图8A是采用轨道系统的典型现有技术喷漆间30的俯视图，图8B是示出了具有例如44%的长度减少的根据本发明的喷漆间40的俯视图。典型现有技术喷漆间30具有大约81英尺的长度。车身31在喷漆间30的左端处进入并且在内部和外部从与多个门和引擎罩板开启装置35配合操作的多个六轴和七轴式喷漆机器人34接收第一喷漆涂层，其都在喷漆间的第一区段32中安装在轨道36上。车身31在外部从另外的多个喷漆机器人34接收第二喷漆涂层，其中所述另外的多个喷漆机器人在喷漆间30的右端处在第二区段33中安装在轨道36上。应该理解的是，在可平移轨道上安装各种类型的机器人会增加机器人可以沿着其运动的额外轴线，从而为每个机器人增加额外的自由度。然而，增加轨道系统可能导致喷漆间30加长。发生这种情况是因为，在很多情况下，能够沿着轨道系统平移的其中一个机器人可能需要沿着轨道平移到各种位置，以便到达车身的多个部分。可替换地，机器人可能不得不沿着轨道平移到期望位置，以便设置在机器人臂的远端处的端部执行工具具有期望的位置和定向，而不会存在机器人与车身31或喷漆间30的其他部件的干涉。在任一种情况下，增加轨道系统都可能导致与沿着轨道系统可平移的每个机器人相关联的喷漆间30的长度更大，从而使得喷漆间30的总体长度增加。
[0053]根据本发明的长度减小的喷漆间40具有大约45英尺的长度，如图8B中所示的。车身31在喷漆间40的左端处进入，在喷漆间的左端或入口端处在第一区段42中从一对六轴式喷漆机器人6在外部接收第一喷漆涂层。六轴式喷漆机器人6与上述的七轴式喷漆机器人20类似，只是不包括冗余的第三旋转轴线A3。能够使用六轴式喷漆机器人6而非七轴式喷漆机器人20是因为车身31的门、引擎罩和行李箱尚未打开，这样会减少对于六轴式喷漆机器人6的潜在障碍，从而避免其他情况下仅能通过七轴式喷漆机器人20的附加灵活性而避免的情况。然而，应理解的是，如所期望的，对于需要附加灵活性以避免障碍的某些应用而言，七轴机器人20可以用来取代六轴式喷漆机器人6。
[0054]车身31随后运动到喷漆间40的第二或中间区段43，以便从多个七轴式喷漆机器人20接收内部喷漆涂层，所述多个七轴式喷漆机器人倒置地安装并且由多个罩板开启机器人60和门开启机器人50 (图SB中未示出)协助。优选地，七轴式喷漆机器人20用于喷涂车身31的内部涂层，因为七轴式喷漆机器人20在到达由打开的门、引擎罩和行李箱盖形成的开口方面允许更大的灵活性，同时避免了其他机器人6、20、50、60、车身31的部分、以及喷漆间40的任何其他部件。车身31在喷漆间40的右端处在第三或出口区段44中从另外的多个六轴式喷漆机器人6在外部上接收第二喷漆涂层。再次，应该理解的是，七轴式喷漆机器人20可以用来取代六轴式喷漆机器人6，如果需要的话。
[0055]图9是根据本发明的在图8B中所示的喷漆间40中使用的喷漆机器人系统10的透视图。多个竖直立柱28 (示出了八个立柱)在其上端处连接有水平梁29，以形成机器人支撑结构。如图9中所示，喷漆机器人系统10在喷漆间40的每个纵向侧上各包括四个竖直定向立柱28，这些立柱邻近车辆31经过喷漆间40时的行进路径。在喷漆间40的每个纵向侧上排列的立柱28总体上沿着平行于车身31的运动路径的直线布置。在喷漆间40的每个纵向侧上的四个立柱28中的每一个均通过其中一个水平梁29沿着喷漆间40的纵向方向连接至至少一个相邻的立柱28。在喷漆间40的一个纵向侧上的每个立柱28均具有在喷漆间40的第二纵向侧上的对应或相对的立柱28，以形成四对立柱28，并且每对立柱28通过其中一个水平梁29相互连接。立柱28具有这样的高度，使得连接立柱28的上端的水平梁29在车身31沿着形成在立柱28的纵向列之间形成的路径经过时布置在车身31的上部平面的上方。应该理解的是，竖直立柱28和水平梁29可以为管状的，其具有中空的内部以便将配线或供应线传送至机器人6、20、50、60，而不会与喷漆机器人系统10的剩余部分发生干涉。
[0056]形成在喷漆间40的入口(左端)处的喷漆间40的第一区段包括第一对立柱28。两个六轴式外部喷漆机器人6各自安装在位于第一区段中的相关联的一个立柱28上，以便喷涂待施加至车身31的第一外部涂层。形成在喷漆间40的出口(右端)处的喷漆间40的第三区段包括第二对立柱28。两个或更多个六轴外部喷漆机器人6安装在位于第三区段中的相关联的一个立柱28上，以便喷涂第二外部涂层。七轴式喷漆机器人20也可以用来取代六轴式喷漆机器人6来在喷漆间40的第一和第三区段中进行外部喷漆，如果需要的话。如图9中所示，六轴式喷漆机器人6安装至立柱28，以使得每个六轴式喷漆机器人6的腰部旋转轴线平行于喷漆间40的纵向轴线水平地定向。
[0057]喷漆间40的第二区段形成在喷漆间40的位于其入口与出口之间的中央部分中。喷漆间的第二区段包括形成两对立柱28的四个立柱28。在喷漆间40的第二区段中，四个立柱28中的每个立柱上均安装有一个七轴式内部喷漆机器人20和五轴式门开启机器人50。五轴门开启机器人50在倒置安装的七轴式喷漆机器人20下方安装至立柱28，以防止七轴式喷漆机器人20与五轴式门开启机器人50之间的干涉。此外，如图9中所示，使用连接门开启机器人50的连杆52、53、54的三个竖直定向旋转轴线，允许每个门开启机器人50在不使用时朝向每个关联的立柱28收回，以便进一步防止七轴式喷漆机器人20与五轴式门开启机器人50之间的干涉。在系统10的中央部分的右端处的其中一个立柱28以及在中央部分的左端处的其中一个立柱28各自上面均安装有五轴式引擎罩板开启机器臂60。系统10不需要在图8A中所示的现有技术喷漆间30中使用的轨道36，因为所有的机器人6、20、50、60都安装在立柱28上以使得每个机器人6、20、50、60均安装至固定基底，从而减少喷漆间40的长度。
[0058]图10是根据本发明的包括七轴式喷漆机器人20和五轴式引擎罩板开启机器人60的双臂公共基底机器人的透视图。机械臂20和60在公共基底12的相对端处可旋转地安装在公共基底12上，使得机器人20、60中的每一个共用一个公共“腰部”旋转轴线，该公共“腰部”旋转轴线被指示为第一旋转轴线Al，如图10中所示。以这种配置，七轴式喷漆机器人20倒置地安装至竖直定向表面(比如壁)或竖直立柱28，而五轴式引擎罩板开启机器人60在竖立位置中安装。然而，应该理解的是，六轴式喷漆机器人6、七轴式喷漆机器人20、五轴式门开启机器人50、以及五轴式引擎罩板开启机器人60的任何组合可以可旋转地耦接至公共基底12的相对端，包括两个相同类型的机器人6、20、50、60耦接至公共基底12的每个端部的情况，如果需要的话。此外，应该理解的是，公共基底12可以以任何定向安装，包括水平安装定向，使得共用公共基座12的机器人6、20、50、60的任一个共用水平“腰部”旋转轴线。此外，额外的机械臂和/或打开装置能够被添加至竖直安装结构。用于双机械臂的公共基底12具有这样的优点:两个喷漆机械臂6、20进行共同清洁、具有紧凑的包络线、以及减少加工成本。
[0059]如图9中所示，每个引擎罩板开启机器人60均直立地安装在其中一个公共基底12的一端上，而其中一个七轴式喷漆机器人20倒置地安装至该一个公共基底12的第二端。公共基底12然后安装至设置在喷漆间40的中央部分中的其中一个立柱28。引擎罩板开启机器人60安装至公共基底12，以使得每个引擎罩板开启机器人60可以沿着在竖直梁29下方的水平平面旋转，其中所述竖直梁将设置在喷漆间40的相对纵向侧上的每对立柱28相连。当引擎罩板开启机器人60在公共基底12上安装在七轴式喷漆机器人20上方时(如图9和图10中所示)，优化引擎罩板开启机器人60的放置以避免与七轴式喷漆机器臂20的干涉。并且，该放置优化为使得引擎罩板开启机器人60与七轴式喷漆机器人20共用公共工作包络线。此外，形成在引擎罩板开启机器人60内的冗余轴线可以帮助引擎罩板开启机器人60在引擎罩板开启机器人60不使用时朝向相关联的一个立柱28收回，从而进一步避免与在喷漆间40中使用的其他机器人6、20、50的干涉。
[0060]根据专利法的规定，已经在本发明的优选实施方式中对本发明进行了描述。然而，应注意的是，在不背离本发明的精神和范围的情况下，本发明也可以以不同于具体示出和描述的方式实施。
【权利要求】
1.一种冗余机器人，用于在喷漆间里对工件进行操作，所述冗余机器 人包括: 基底，邻近所述工件通过所述喷漆间的行进路线的一侧安装在一固定位置中；以及 铰接的冗余机械臂，附接至所述基底，用于在所述工件上进行操作。
2.根据权利要求1所述的冗余机器人，其中，所述基底安装在邻近所述行进路线的所述一侧而定位的竖直立柱上。
3.根据权利要求1所述的冗余机器人，其中，所述冗余机械臂是七轴式喷漆机械臂，所述七轴式喷漆机械臂包括位于肩部旋转轴线与肘部旋转轴线之间的冗余旋转轴线。
4.根据权利要求3所述的冗余机器人，其中，第一旋转轴线和所述肩部旋转轴线垂直并相交。
5.根据权利要求3所述的冗余机器人，其中，所述七轴式喷漆机械臂的冗余旋转轴线横向于所述七轴式喷漆机械臂的肩部旋转轴线和肘部旋转轴线定向并且与所述肩部旋转轴线和所述肘部旋转轴线相交。
6.根据权利要求3所述的冗余机器人，其中，所述七轴式喷漆机械臂包括外臂部，所述外臂部包括第一外延伸部和第二外延伸部，其中，所述第一外延伸部的第一端耦接至所述七轴式喷漆机械臂的内臂部，并且所述第一外延伸部的第二端能调节地耦接至所述第二外延伸部的第一端，以选择性地调节所述第一外延伸部与所述第二外延伸部之间的角定向并且将所选的角定向 固定为所述第一外延伸部和所述第二外延伸部之间的静态连接。
7.根据权利要求4所述的冗余机器人，其中，所述第一外延伸部与所述第二外延伸部之间的能调节的连接允许所述第二外延伸部的纵向轴线偏离所述内臂部的纵向轴线。
8.根据权利要求1所述的冗余机器人，其中，所述七轴式喷漆机械臂的内臂部具有成角度的纵向轴线。
9.根据权利要求1所述的冗余机器人，其中，所述七轴式喷漆机械臂包括喷漆线路软管梁，所述喷漆线路软管梁具有与所述七轴式喷漆机械臂脱离且跨越所述七轴式喷漆机械臂的两个轴线的一部分，所述两个轴线是腰部轴线和肩部轴线或者是冗余轴线和肘部轴线。
10.根据权利要求1所述的冗余机器人，其中，所述七轴式喷漆机械臂包括喷漆线路软管梁，所述喷漆线路软管梁附接至所述七轴式喷漆机械臂并且所述喷漆线路软管梁由以螺旋盘绕件形式一起行进的多个喷漆线路形成。
11.根据权利要求1所述的冗余机器人，其中，所述冗余机械臂是五轴式开启机械臂，所述五轴式开启机械臂包括能旋转地连接的三个平行连杆以及用于打开所述工件的至少一个开口面板的附接式开启工具。
12.根据权利要求10所述的冗余机器人，其中，所述三个平行连杆在这些连杆的旋转轴线的方向上相互偏移。
13.根据权利要求1所述的冗余机器人，包括用于安装一个或多个机械臂或者开启装置的公共基底。
14.根据权利要求13所述的冗余机器人，其中，所述机械臂或开启装置共用一公共净化装置。
15.一种机器人喷漆系统，用于对工件进行喷漆，所述机器人喷漆系统包括:多个竖直立柱，位于所述工件穿过喷漆间的行进路径的相对侧上； 至少一个喷漆机械臂，附接至所述多个立柱中的一个，以在所述工件上喷涂外部涂层，其中，所述至少一个喷漆机械臂是六轴式喷漆机械臂或七轴式喷漆机械臂； 至少另一个喷漆机械臂，附接至所述立柱中的另一个，以在所述工件的开口面板处于打开位置时对车身的内部喷漆，其中，所述另一个喷漆机械臂是七轴式喷漆机械臂。
16.根据权利要求15所述的机器人喷漆系统，其中，所述至少一个立柱在所述喷漆间的入口处定位于所述喷漆间的第一区段中，所述至少另一个立柱定位于所述喷漆间的第二区段中。
17.根据权利要求15所述的机器人喷漆系统，进一步包括五轴式开启机械臂，所述五轴式开启机械臂具有用于打开所述工件的至少一个开口面板的三个平行连杆，其中，所述开启机械臂附接至附接有所述七轴式喷漆机械臂的所述立柱中的一个立柱。
18.根据权利要求15所述的机器人喷漆系统，进一步包括五轴式开启机械臂，所述五轴式开启机械臂具有用于打开所述工件的至少一个开口面板的三个平行连杆，其中，所述开启机械臂与所述七轴式喷漆机械臂中的一个共用一公共基底。
19.根据权利要求15所述的机器人喷漆系统，进一步包括用于对具有开口面板的车身进行喷漆的机器人喷漆系统，所述机器人喷漆系统包括: 多个竖直立柱，位于所述车身穿过喷漆间的行进路径的相对侧上； 第一对六轴式或七轴式喷漆机械臂，附接至所述路径的相对侧上的所述立柱中的第一对立柱，以在所述车身上喷涂第一外涂层；` 四个七轴式喷漆机械臂，每个均附接至四个所述立柱中的一个立柱，以在所述开口面板打开时对所述车身的内部喷漆，该四个所述立柱被设置成在所述路径的每一侧上有两个立柱；以及 第二对六轴式或七轴式喷漆机械臂，附接至所述路径的相对侧上的所述立柱中的第二对立柱，以在所述车身上喷涂第二外涂层。
20.根据权利要求19所述的机器人喷漆系统，进一步包括多个五轴式开启机械臂，所述多个五轴式开启机械臂附接至附接有所述七轴式喷漆机械臂的所述立柱，所述多个五轴式开启机械臂中的每一个均与附接至所述立柱的所述七轴式喷漆机械臂中的相关的一个七轴式喷漆机械臂共用一公共基底。
【文档编号】B05C13/00GK103769332SQ201310410117
【公开日】2014年5月7日 申请日期:2013年9月10日 优先权日:2012年9月10日
【发明者】安杰伊·格尔泽戈茨·巴尼亚, 迈克尔·G·比姆, 詹姆斯·布里翁·耶兹二世, 马尔金·戈拉, 斯坦·亨利·麦克洛斯基, 戴维·迈克尔·穆尔, 马修·雷·西科夫斯基 申请人:发纳科机器人美国公司