一种平面线轨迹机器人的制作方法

本发明涉及机器人领域，具体涉及一种平面线轨迹机器人。

背景技术：

机器人可以分为并联机器人和串联机器人，其中，串联机器人常见的类型有关节机器人。常见的关节机器人，其每一臂的驱动元件安装于与前臂连接的关节上，随着臂数量的增多，每一臂的负载会相应增加，导致臂的驱动动力元件体积增加、臂的运动速度减慢、臂的精度减少等问题，不利于关节机器人的高速化和微型化。

利用机器人进行喷漆作业在机器人应用较为常见，在喷漆过程中，如果发生断料等意外导致漆料断供，作业中的零部件即使再进行喷漆作业，由于漆料晾干时间不同，新漆料和旧漆料交界处会产生不均匀过渡痕迹，零部件只能进行报废或二次处理，较为浪费成本。

技术实现要素：

为了实现机器人高速运动以及进行可靠的喷漆作业，本发明提供了一种平面线轨迹机器人，该平面线轨迹机器人将驱动元件设置于底部的平台上，第一臂和第二臂除了自身重量以及配套的连杆重量外，没有额外的重量，末端移动速度较快；喷漆模块的驱动元件设置于夹爪本体外，基于软轴进行动力输入，第二臂末端只安装有夹爪本体，重量较轻，可进一步减轻机械臂负担，减少其运动惯性。

相应的，本发明提供了一种一种平面线轨迹机器人，所述平面线轨迹机器人包括机械臂模块和喷漆模块；

所述机械臂模块包括平台、第一臂、第二臂、第一连杆、第二连杆、第一臂驱动组件、第一连杆驱动组件；

所述平台与xy平面平行，在所述平台x正向上，设置有y向相对的第一基转轴连接件和第二基转轴连接件；一圆柱形的第一基转轴固定在所述第一基转轴连接件上；一圆柱形的第二基转轴固定在所述第二基转轴连接件上；

所述第一基转轴轴线和所述第二基转轴轴线分别与y轴平行；

所述第一臂始端铰接于所述第二基转轴上，末端与所述第二臂始端铰接；

所述第一连杆始端铰接于所述第一基转轴上，末端与所述第二连杆始端铰接；

所述第二连杆末端铰接与所述第二臂中部或末端上；

所述第一臂、第二臂、第一连杆和第二连杆构成一四连杆机构；

所述第一臂驱动组件安装于所述平台上，用于驱动所述第一臂绕所述第二基转轴转动；

所述第一连杆驱动组件安装于所述平台上，用于驱动所述第一连杆绕所述第一基转轴转动；

所述喷漆模块包括喷漆头，所述喷漆头安装于所述第二臂末端。

优选的实施方式，所述喷漆头设置有一个漆料腔和气体腔；

所述漆料腔连通有一个用于高压漆料进入的进料孔、至少一个用于高压液体进入的保压孔和用于雾化高压漆料的出料孔，所述保压孔内设置有用于隔绝漆料的液压活塞；

所述气体腔连通有一个用于高压气体进入的进气孔和一个出气孔。

优选的实施方式，所述漆料腔位于所述喷漆头中央；所述气体腔呈圆筒状，位于所述漆料腔外周。

优选的实施方式，所述漆料腔外设置有用于高压漆料加热的加热环。

优选的实施方式，所述喷漆模块还包括用于输送高压漆料的输料装置、用于输送高压气体的输气装置和用于输送高压液体的保压装置；

所述输料装置与所述进料孔连接，所述输气装置与所述进气孔连接，所述保压装置与所述保压孔连接。

优选的实施方式，所述输料装置为柱塞泵；所述输气装置为空压机；所述保压装置为液压泵。

优选的实施方式，所述第一基转轴轴线与所述第二基转轴轴线共线。

优选的实施方式，所述第一臂与所述第二连杆平行且长度相等；所述第一连杆平行于所述第二臂。

优选的实施方式，所述第一臂驱动组件包括第一臂驱动底座、第一臂驱动电机、第一臂驱动丝杆、第一臂驱动滑块和第一臂驱动连接件；

所述第一臂驱动底座铰接在所述平台的x负向上；

所述第一臂驱动丝杆和第一臂驱动滑块安装于一第一臂驱动外壳内，所述第一臂驱动滑块套在所述第一臂驱动丝杆上，所述第一臂驱动连接件与所述第一臂驱动滑块连接固定；所述第一臂驱动连接件与所述第一臂始端连接固定，并与所述丝杆同轴；

所述第一臂驱动外壳与所述第一臂驱动电机并排固定于所述第一臂驱动底座上；所述第一臂驱动电机的转轴和所述第一臂驱动丝杆的一端在所述第一臂驱动底座内基于齿轮连接传动；

所述第一臂驱动连接件驱动所述第一臂绕所述第二基转轴转动。

优选的实施方式，所述第一连杆驱动组件包括第一连杆驱动底座、第一连杆驱动电机、第一连杆驱动丝杆、第一连杆驱动滑块和第一连杆驱动连接件；

所述第一连杆驱动底座铰接在所述平台的x负向上；

所述第一连杆驱动丝杆和第一连杆驱动滑块安装于第一连杆驱动外壳内，所述第一连杆驱动滑块套在所述第一连杆驱动丝杆上，所述第一连杆驱动连接件与所述第一连杆驱动滑块连接固定；所述第一连杆驱动连接件与所述第一连杆始端连接固定，并与所述丝杆同轴；

所述第一连杆驱动外壳与所述第一连杆驱动电机并排固定于所述第一连杆驱动底座上；所述第一连杆驱动电机的转轴和所述第一连杆驱动丝杆的一端在所述第一连杆驱动底座内基于齿轮连接传动；

所述第一连杆驱动连接件驱动所述第一连杆绕所述第一基转轴转动。

本发明提供了一种平面线轨迹机器人，该平面线轨迹机器人将驱动元件设置于底部的平台上，第一臂和第二臂除了自身重量以及配套的连杆重量外，没有额外的重量，末端移动速度较快；喷漆模块的驱动元件设置于夹爪本体外，基于软轴进行动力输入，第二臂末端只安装有夹爪本体，重量较轻。该平面线轨迹机器人运动速度快，可快速进行夹持作业，具有良好的实用性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1示出了本发明实施例平面线轨迹机器人的三维结构示意图；

图2示出了本发明实施例平面线轨迹机器人的正视图；

图3示出了本发明实施例的第一臂正视图；

图4示出了本发明实施例的第一连杆正视图；

图5示出了本发明实施例平面线轨迹机器人的运动简图；

图6示出了本发明实施例第一连杆驱动组件的透视图；

图7示出了本发明实施例喷漆头的三维结构示意图；

图8示出了本发明实施例喷漆头在进料孔方位的全剖视图；

图9示出了本发明实施例喷漆头在进气孔方位的全剖视图；

图10示出了本发明实施例喷漆头在保压孔方位的全剖视图；

图11示出了本发明实施例的进料管道和保压管道的连接结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例提供了一种平面线轨迹机器人，该平面线轨迹机器人将机械臂模块的第一臂和第二臂的动力元件安装于平台上，第一臂和第二臂上没有重量较重的驱动元件和复杂的传动机构，工作末端的运动速度较快；基于四连杆机构原理控制该平面线轨迹机器人的运动，平面线轨迹机器人的末端轨迹计算较为简单，软件控制更为容易；喷漆设备的喷漆头具有保压措施，可针对意外断料等情况，继续喷漆一段时间，避免因断料造成的喷漆停止等意外；喷漆头具有加热功能，可将漆料进行加热，使漆料具有更高的动力和压力，在增加漆料的雾化效果的同时，可以使气温升高，加快漆料晾干速度。

图1示出了本发明实施例平面线轨迹机器人的三维结构示意图，图2示出了本发明实施例平面线轨迹机器人的前视图。

本发明实施例提供的平面线轨迹机器人，包括机械臂模块和喷漆模块，所述机械臂模块包括平台101、第一臂102、第二臂103、第一连杆105、第二连杆104、第一臂驱动组件107、第一连杆106驱动组件和喷漆模块。

所述平台101与xy平面平行，具体实施中，平台101顶面为一平面，该平面与xy平面平行，形状不唯一。

在所述平台x正向上，设置有y向相对的第一基转轴连接件109和第二基转轴连接件111；一圆柱形的第一基转轴固定在所述第一基转轴连接件109上；一圆柱形的第二基转轴固定在所述第二基转轴连接件111上。第一基转轴和第二基转轴的轴线分别于y轴平行，为了工作末端运动轨迹计算的便利性，通常将第一基转轴和第二基转轴的轴线设置为共线，具体实施中，还可以将第一基转轴和第二基转轴设置为一个整体，一体加工与安装。由于视角的关系，第一基转轴和第二基转轴在附图中并没有完全显示，但由于该部件的结构以及设置形式较为容易理解，因此不另外设置附图对其进行介绍。

第一基转轴和第二基转轴主要用于将第一臂102始端和第一连杆105始端悬空至设定的高度上，使第一基转轴和第二基转轴与平台之间留有空间供第一臂102和第一连杆105运动，避免第一臂102和第一连杆105与平台101产生干涉。

图1示出了本发明实施例的第一臂三维结构示意图，图3示出了本发明实施例第一臂结构正视图。具体实施中，第一臂102可采用空心柱状结构，在减轻其自重的同时，维持一定的刚性。所述所述第一臂102始端铰接于所述第二基转轴110上，末端与所述第二臂103始端铰接；为了供第一臂驱动组件107安装连接，第一臂102在始端背离末端的方向上，延伸出第一臂连接件，第一臂连接件与第一臂驱动组件的输出端铰接。需要说明的是第一臂连接件和第一臂是相对固定的，且第一臂连接件的轴向长度小于第一臂的轴向长度，基于杠杆原理，可以使第一臂连接件的微小位移，经第二基转轴110支点后，放大至第一臂末端的大距离位移，有利于第一臂末端的快速运动。

图1示出了本发明实施例的第一连杆三维结构示意图，图4示出了本发明实施例第一连杆结构正视图。第一连杆105始端铰接于所述第一基转轴108上，末端与所述第二连杆104始端铰接；为了供第一连杆驱动组件103安装连接，第一连杆105在始端背离末端的方向上，延伸出第一连杆连接件，第一连杆连接件与第一连杆驱动组件106的输出端铰接。需要说明的是第一连杆连接件和第一连杆是相对固定的，且第一连杆连接件的轴向长度小于第一连杆的轴向长度，基于杠杆原理，可以使第一连杆连接件的微小位移，经第一基转轴108支点，放大至第一连杆末端的大距离位移，有利于第一连杆末端的快速运动。

图1示出了本发明实施例的第二臂三维结构示意图。第二臂103始端铰接在第一臂102末端上。具体实施中，为了第二臂103的轻量化，第二臂103可采用以下结构：第二臂103由两块第二臂盖板137组成，两块第二臂盖板137始端分别y向相对的铰接在第一臂102末端的y正向面和y负向面上；两块第二臂盖板137之间通过第二臂固定件139连接固定。

第二连杆104始端铰接在第一连杆105末端上，末端铰接在第二臂103的中部或第二臂103的末端上。具体实施中，第二连杆104常采用空心连杆以减轻其重量。

进一步的，第一臂102、第二臂103、第一连杆105和第二连杆104可采用密度较小的铝或铝合金作为材料，以进一步减轻其重量。

图5示出了该平面线轨迹机器人的运动简图，结合图2示出的平面线轨迹机器人实物正视图，分别用直线代替第一臂、第二臂、第一连杆、第二连杆，分别用圆圈代替各个铰接点，其中，各铰接点的命名如下：第一基转轴和第二基转轴设置在同一直线上，该位置概括为第一铰接点121，第一连杆105末端与第二连杆104始端的铰接点为第二铰接点122，第一臂102末端与第二臂103始端的铰接点为第三铰接点123，第二连杆104末端与第二臂103的铰接点为第四铰接点124；由该运动简图可得出，第一臂102、第二臂103、第一连杆105和第二连杆104构成一四连杆机构。

具体实施中，可将第二臂103的末端设置在第四铰接点124上，由于此时第二臂103的末端距离第四铰接点124较近，基于杠杆原理可知，第二臂103的末端相对于第二臂103的始端的位移呈缩小作用，有利于提高第二臂103的末端控制精度；但基于四连杆机构的结构限制，该设置方式会导致第二臂103末端的活动范围较小。

因此，具体实施中，亦可延长第二臂103的长度，使末端外伸出第四铰接点124，该设置方式有利于增加第二臂103的活动范围，使其能适合更多的工作环境。

具体实施中，虽然任意结构的四连杆机构均可实现第二臂末端的相应位移控制，但为了使第二臂末端的控制计算更为方便，本发明实施例的四连杆机构的各边长可设置为如下参数：所述第一臂102与所述第二连杆104平行且长度相等；所述第一连杆105平行于所述第二臂103；此时，本发明实施例的四连杆机构呈平行四边形，第一臂102和第二连杆104的姿态相同，第二臂103和第一连杆105的姿态相同，末端的计算可基于第一连杆长度、第一臂长度、第二臂长度、第一连杆与第一臂之间夹角快速得出，使软件的设计和控制更为简单。

以上为本发明实施例的平面线轨迹机器人的机械臂部分的物理结构介绍，在本发明实施例中，该四连杆机构具有两个动连杆，分别为第一臂102和第一连杆105，通过控制第一臂102和第一连杆105的运动，可实现第二臂103末端的运动，以下对第一臂和第一连杆的驱动进行介绍。

需要说明的是，第一臂始端和第一连杆始端分别铰接于第二基转轴和第一基转轴上，当第一基转轴和第二基转轴一体加工时，第一臂和第一连杆以一体加工的基转轴作为回转支点，但二者之间的运动是相对独立的，相互间不干扰。

图6示出了本发明实施例的第一连杆驱动组件的局部放大图。所述第一连杆驱动组件包括第一连杆驱动底座130、第一连杆驱动电机131、第一连杆驱动连接件133、第一连杆驱动丝杆134和第一连杆驱动滑块135；

所述第一连杆驱动底座130铰接所述平台的x负向上，铰接点为第一连杆驱动底座铰接点120。第一连杆驱动电机131固定于所述第一连杆驱动底座130上；第一连杆驱动电机131的转轴伸入第一连杆驱动底座130内；所述第一连杆驱动丝杆134和第一连杆驱动滑块135安装于第一连杆驱动外壳136内，所述第一连杆驱动滑块135套在所述第一连杆驱动丝杆134上，所述第一连杆驱动连接件133与所述第一连杆驱动滑块135连接固定；所述第一连杆驱动连接件133与所述第一连杆驱动丝杆134同轴，并与所述第一连杆105始端连接固定；

所述第一连杆驱动外壳136与所述第一连杆驱动电机131并排固定于所述第一连杆驱动底座130上；所述第一连杆驱动电机131的转轴和所述第一连杆驱动丝杆134的一端在所述第一连杆驱动底座130内基于齿轮连接并进行传动。

具体实施中，通过第一连杆驱动电机131驱动第一连杆驱动丝杆134转动，并带动第一连杆驱动滑块135沿第一连杆驱动丝杆134的轴向运动；第一连杆驱动连接件133受到第一连杆驱动滑块135驱动并绕第一基转轴转动，通过杠杆原理带动第一连杆绕第一基转轴转动。

同理，第一臂驱动组件结构与第一连杆驱动组件结构相同，其中，第一连杆驱动底座铰接点129和第一连杆驱动底座铰接点120常设置于一平行于y轴的直线上，并采用一体加工的方式设置，其余结构部件相同，不再重复进行介绍。

需要说明的是，第一连杆驱动丝杆与第一连杆轴线处于同一直线时，或第一臂驱动丝杆与第一臂处于同一直线时，本发明实施例的平面线轨迹机器人会具有一个运动死区，第一连杆或第一臂无法有效的受到控制并进行运动；因此，具体实施中，第一连杆连接件和第一臂连接件通常设置为分别于第一连杆和第一臂不在同一直线上，以避免发生该情况。

实际运行中，将本发明实施例的平台固定于一平面上，并根据实际所需的工作末端运动范围，设计第一臂、第二臂、第一连杆、第二连杆的长度，通过控制第一驱动组件和第二驱动组件，对第一臂、第二臂、第一连杆、第二连杆组成的四连杆机构进行控制。由于本发明实施例提供的平面线轨迹机器人将驱动元件设置于底部的平台上，第一臂和第二臂除了自身重量以及配套的连杆重量外，没有额外的重量，具有末端移动速度快等特点，尤其适用于平面运动轨迹的工作末端快速作业运动；采用形状为平行四边形的四连杆机构，第二臂的末端位置计算较为容易，大大降低了控制软件的编写难度。

图7示出了本发明实施例喷漆头的三维结构示意图，图8示出了本发明实施例喷漆头在进料孔方位的全剖视图，图9示出了本发明实施例喷漆头在进气孔方位的全剖视图，图10示出了本发明实施例喷漆头在保压孔方位的全剖视图。

喷漆模块包括喷漆头1300，本发明实施例的喷漆头内部设置有漆料腔1308和气体腔1309，其中漆料腔1308设置所述喷漆头中央；所述气体腔1309呈圆筒状，位于所述漆料腔外周；气体腔和漆料舱之间互不连通。

漆料腔1308上方，分别设置有进料孔1301和保压孔1303，其中，保压孔1303通过一长管与漆料腔1308连通，在长管上设置有液压活塞1311。实际工作时，进料孔1301连接有用于输送高压漆料的输料装置，如柱塞泵；保压孔1303连接有用于输送高压液体的保压装置，如液压泵，为了节省成本，可在液压泵与保压孔1303之间接入一单向阀，避免高压液体回流；同理，为了避免漆料回流，在进料孔和柱塞泵之间也可接入一单向阀。由于以上零部件并非本发明的发明内容，在附图中并未示出，具体的结构可参照现有技术。

需要说明的是，为了在容纳足够体积的高压漆料的同时，避免保压孔1303的长管长度过长，可设置一个以上的保压孔1303。

在漆料舱1308外周，设置有加热环1307，加热环1307实际上可有电阻丝缠绕组成或由弧线状的电阻金属嵌套而成。加热环1307可用于加热漆料，是漆料温度升高，雾化时具有更大的动能；在漆雾喷出时，动能一部分转化为空气中的热能，使漆料附着面的温度升高，漆料的晾干或烘干速度更短。

气体腔1309上方设置有进气孔1302，进气孔1302与空压机相连通，用以提供高压空气，增强漆料雾化效果。

漆料的输出和气体的输出通常是由喷嘴1306进行控制的，通过更换不同的喷嘴1306，可实现不同的喷漆效果和喷漆面积。由以上介绍可知，喷嘴1306和喷漆头1300的接触面由两部分组成，分别用于与漆料腔1308和气体腔1309连接。在喷漆头1300中轴线上，设置有一顶针1310，顶针1310上部伸出喷漆头1300，中部与喷漆头1300螺接，底部顶在喷嘴1306的雾化孔上。本发明实施例只对设计改进的具体结构做详细介绍，其余更多的结构可参照现有技术。

图11示出了本发明实施例的进料管道和保压管道的连接结构图。在正常工作时，保压装置和输料装置同时运作，输料装置将高压漆料输入至漆料腔中，保压装置将液压活塞抵住，在液压活塞朝向漆料腔一侧的管道中填充有高压漆料，考虑到液压活塞的限位，可以在管道中增设台阶用于液压活塞的限位。此时，高压漆料经喷嘴雾化喷出；气体腔中基于输气装置经喷嘴喷射高压气体，可进一步增强高压漆料的雾化效果。

当漆料突然断料时，为了捕抓这一信息，可以在进料孔上安装液压传感器，通过液压传感器捕抓到漆料供料的压力信息，当断料时，液压传感器捕抓到进料管道的压力下降消息，然后发送信号至液压泵，液压泵压力增加，推动保压孔中的液压活塞运动，喷漆头中漆料腔内的高压漆料在压力作用下继续雾化，完成喷漆工作。

需要注意的是，保压孔管道的长度设计应尽可能满足单件工件的喷涂需要，使发生断料时，依靠保压孔管道中的漆料，可完成至少一件工件的喷漆工作。

本发明实施例提供的一种平面线轨迹机器人，包括机械臂模块和喷漆模块。该平面线轨迹机器人将机械臂模块的驱动元件设置于底部的平台上，第一臂和第二臂除了自身重量以及配套的连杆重量外，没有额外的重量、末端移动速度较快；喷漆设备的喷漆头具有保压措施，可针对意外断料等情况，继续喷漆一段时间，避免因断料造成的喷漆停止等意外；喷漆头具有加热功能，可将漆料进行加热，使漆料具有更高的动力和压力，在增加漆料的雾化效果的同时，可以使气温升高，加快漆料晾干速度。

以上对本发明实施例所提供的一种平面线轨迹机器人进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。