本發(fā)明屬于仿生機(jī)器人的設(shè)計(jì)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種可以完成對實(shí)體表面繪圖工作的伺服控制3D繪圖機(jī)器人。

背景技術(shù)：

繪圖機(jī)器人是指一種可以模擬人體手臂的繪圖和寫作過程獨(dú)立繪制人物肖像畫和書寫藝術(shù)字的機(jī)器人。在工業(yè)生產(chǎn)中，繪圖機(jī)器人主要完成對零件的型號、尺寸進(jìn)行編號、簡單雕刻等功能。當(dāng)今科技界對繪圖機(jī)器人的研究大體上是沿著三個(gè)方向前進(jìn)：一是讓繪圖機(jī)器人具有更強(qiáng)的智能和功能；二是讓繪圖機(jī)器人更具人性，也就是更像人；三是微型化，即讓繪圖機(jī)器人可以做更多細(xì)致的工作。

目前本領(lǐng)域公知的性能比較先進(jìn)的智能型繪圖機(jī)器人主要有Google公司生產(chǎn)的肖像畫機(jī)器人、德國BAHR公司出品的直角坐標(biāo)型寫字機(jī)器人、日本東京大學(xué)工業(yè)科學(xué)研究所研制的關(guān)節(jié)型機(jī)器人以及上海交通大學(xué)和ABB公司研發(fā)的“神筆馬良”肖像漫畫繪制機(jī)器人等，但上述繪圖機(jī)器人在實(shí)際應(yīng)用中不同程度地都還存在有結(jié)構(gòu)單一、自由度少、兼容性差、定位精度差以及不能同時(shí)適應(yīng)平面和空間繪圖要求等問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于對現(xiàn)有技術(shù)存在的問題加以解決，圍繞空間復(fù)雜曲線的繪制方式并運(yùn)用仿生學(xué)原理，提供一種結(jié)構(gòu)靈活、占用空間小、兼容性好、質(zhì)量輕、成本低且定位精度良好的伺服控制3D繪圖機(jī)器人。

為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)解決方案如下：

一種伺服控制3D繪圖機(jī)器人，由3-DOF并聯(lián)底座、腰部輔助裝置和五連桿機(jī)器人執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成，其中，

所述的3-DOF并聯(lián)底座(3自由度并聯(lián)底座)具有一個(gè)底座和一個(gè)位設(shè)于底座上方的上底板(并聯(lián)底座)，在底座和上底板間設(shè)置有三組周向彼此相距120°的直線電機(jī)滾珠絲杠副，各滾珠絲杠副的絲杠端由直線電機(jī)控制并鉸裝在底座上，各滾珠絲杠副的螺母端鉸裝在上底板的下面；

所述的腰部輔助裝置具有一個(gè)設(shè)置在上底板上的伺服電機(jī)，在伺服電機(jī)外罩配有帶散熱孔的電機(jī)罩，用于在保護(hù)電機(jī)同時(shí)避免伺服電機(jī)過熱，在電機(jī)罩的上端設(shè)有推力軸承和法蘭；

所述的五連桿機(jī)器人執(zhí)行機(jī)構(gòu)具有一副由機(jī)架、兩個(gè)大臂和兩個(gè)小臂組成的五連桿機(jī)構(gòu)，機(jī)架與腰部輔助裝置中伺服電機(jī)的電機(jī)軸相連，另外借助法蘭和推力軸承實(shí)現(xiàn)腰部輔助裝置對機(jī)架的輔助支撐，以確保電機(jī)的軸向力的安全和機(jī)架旋轉(zhuǎn)運(yùn)行的平穩(wěn)性，在機(jī)架與兩個(gè)大臂的相交連接位置處各設(shè)有一個(gè)用于控制大臂轉(zhuǎn)角的舵機(jī)，在兩個(gè)小臂的相交連接位置處裝配有用于夾持繪圖工具的夾具。

另外，為了執(zhí)行部運(yùn)行的穩(wěn)定性和伺服電機(jī)軸向受力的安全，在執(zhí)行部和腰部之間增加輔助裝置：利用電機(jī)罩上凹槽嵌入推力軸承，推力軸承上面嵌入機(jī)架下面法蘭里。最后，機(jī)架先與法蘭連接，再通過鍵傳遞扭矩實(shí)現(xiàn)控制機(jī)架的回轉(zhuǎn)

本發(fā)明進(jìn)一步的技術(shù)解決方案還在于：在3-DOF并聯(lián)底座上底板的下面設(shè)置有三個(gè)周向彼此相距120°的U型座，三個(gè)滾珠絲杠副的螺母端分別鉸裝在一個(gè)對應(yīng)的U型座上。

本發(fā)明進(jìn)一步的技術(shù)解決方案還在于：腰部輔助裝置中的伺服電機(jī)通過電機(jī)基座設(shè)置在上底板上。

本發(fā)明進(jìn)一步的技術(shù)解決方案還在于：在腰部輔助裝置中電機(jī)罩的圈壁上開有多個(gè)散熱孔。

本發(fā)明進(jìn)一步的技術(shù)解決方案還在于：五連桿機(jī)器人執(zhí)行機(jī)構(gòu)中的大臂和小臂間通過關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)相連，其中的關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)由連接在大臂上的軸承套、配置在軸承套內(nèi)的滾動(dòng)軸承以及與小臂連接的螺紋軸組成，螺紋軸下部軸桿的外圈與滾動(dòng)軸承基孔制過盈配合，滾動(dòng)軸承的外圈與軸承套基軸制過盈配合，大臂和小臂的軸向由螺栓固定。其中過盈配合有效的控制徑向誤差。

本發(fā)明所述的伺服控制3D繪圖機(jī)器人在實(shí)際工作中能以較小的驅(qū)動(dòng)力矩來實(shí)現(xiàn)平面和空間繪圖操作。其中，五連桿機(jī)器人執(zhí)行機(jī)構(gòu)利用五連桿結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)二維平面復(fù)雜曲線繪制且易于控制，同時(shí)在五連桿結(jié)構(gòu)中利用軸承和軸適當(dāng)?shù)倪^盈配合，讓動(dòng)力傳動(dòng)累積誤差得到有效降低，讓繪圖更加平穩(wěn)，從而使繪圖過程便于精確穩(wěn)定的控制；機(jī)器人腰部輔助裝置采用了嵌入式的結(jié)構(gòu)，通過加裝伺服電機(jī)的形式增加機(jī)器人執(zhí)行機(jī)構(gòu)的工作空間；而仿人體肩部運(yùn)動(dòng)模式設(shè)計(jì)的3-DOF并聯(lián)底座使繪圖機(jī)器人能實(shí)現(xiàn)三自由度的空間繪圖操作，最終完成了3D繪圖機(jī)器人的本體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

附圖說明

圖1是本發(fā)明一個(gè)具體實(shí)施例的主視向結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是本發(fā)明中機(jī)器人腰部輔助裝置部分的剖面結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3是本發(fā)明中五連桿機(jī)器人執(zhí)行機(jī)構(gòu)部分的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖4是五連桿機(jī)器人執(zhí)行機(jī)構(gòu)中大臂與小臂連接的剖視結(jié)構(gòu)示意圖。

圖5是本發(fā)明的立體結(jié)構(gòu)示意圖。

附圖中各數(shù)字標(biāo)號的名稱分別是：1－滾珠絲杠副；2－U型座；3－銷軸；4－電機(jī)罩；5－推力軸承；6－螺栓；7－舵機(jī)；8－法蘭；9－螺栓；10－機(jī)架；11－螺栓；12－螺母；13－墊圈；14－軸承套；15－夾具；16－小臂；17－大臂；18－螺紋軸；19－圓螺母；20－電機(jī)基座；21－上底板；22－伺服電機(jī)；23－底座；24－直線電機(jī)；25－銷；26－電機(jī)絲杠；27－滾動(dòng)軸承；28－圓螺母；29－螺栓；30－散熱孔。

具體實(shí)施方式

為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，以下將結(jié)合附圖及實(shí)施例對本發(fā)明實(shí)施方式作進(jìn)一步地詳細(xì)說明。

參見附圖，本發(fā)明所述的伺服控制3D繪圖機(jī)器人由自下而上依次設(shè)置的3-DOF并聯(lián)底座、腰部輔助裝置和五連桿機(jī)器人執(zhí)行機(jī)構(gòu)三部分具有獨(dú)立功能的構(gòu)件組成。

3-DOF并聯(lián)底座的結(jié)構(gòu)參見圖1、圖5，由滾珠絲杠副1、U型座2、銷軸3、上底板(并聯(lián)底座)21、底座23、直線電機(jī)24、銷25、電機(jī)絲杠26(直線電機(jī)24的輸出軸，主要用于與滾珠絲杠副1形成具有反向自鎖性的絲杠副)等組成。其中上底板21與底座23按上下位設(shè)置，在上底板21與底座23之間設(shè)置有三組周向彼此相距120°的直線電機(jī)滾珠絲杠副1，在上底板21的下面設(shè)置有三個(gè)周向彼此相距120°的U型座2，各滾珠絲杠副1的絲杠端均由直線電機(jī)24控制并鉸裝在底座23上，各滾珠絲杠副1的螺母端則分別通過一個(gè)對應(yīng)的U型座2鉸裝在上底板21的下面。以上結(jié)構(gòu)中，3—DOF并聯(lián)底座內(nèi)的底座23主要功能是保持重心的穩(wěn)定，工作時(shí)借助U型座2和直線電機(jī)滾珠絲杠副1將上底板21與底座23連接起來，通過控制直線電機(jī)使底座的上底板21進(jìn)行角度的調(diào)整。

腰部輔助裝置位于3-DOF并聯(lián)底座之上，其結(jié)構(gòu)參見圖1、圖2和圖5。它由電機(jī)基座20、伺服電機(jī)22、電機(jī)罩4、推力軸承5、法蘭8、螺栓29等組成。電機(jī)基座20設(shè)置在上底板21上，伺服電機(jī)22通過螺栓29連裝在電機(jī)基座20上，在伺服電機(jī)22外罩配有電機(jī)罩4，伺服電機(jī)22的電機(jī)軸穿過電機(jī)罩4和推力軸承5中心孔與機(jī)架10相連；為了保護(hù)伺服電機(jī)22同時(shí)避免伺服電機(jī)22過熱，在腰部輔助裝置中電機(jī)罩4的圈壁上開有多個(gè)散熱孔30。工作中，通過對伺服電機(jī)22的控制，可使腰部輔助裝置進(jìn)行回轉(zhuǎn)。

五連桿機(jī)器人執(zhí)行機(jī)構(gòu)位于腰部輔助裝置之上，其結(jié)構(gòu)參見圖1、圖3、圖4及圖5。它由舵機(jī)7、機(jī)架10、墊圈13、軸承套14、夾具15、小臂16、大臂17、螺紋軸18、圓螺母19、28、滾動(dòng)軸承27等組成。其中機(jī)架10、兩個(gè)大臂17和兩個(gè)小臂16依序相連組成一副五連桿機(jī)構(gòu)，在機(jī)架10與兩個(gè)大臂17的相交連接位置處各設(shè)有一個(gè)用于控制大臂17轉(zhuǎn)角的舵機(jī)7，在兩個(gè)小臂16的相交連接位置處裝配有用于夾置繪圖工具的夾具15。五連桿機(jī)器人執(zhí)行機(jī)構(gòu)的具體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，大臂17和小臂16之間通過關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)相連，所述的關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)由連接在大臂17上的軸承套14、配置在軸承套17內(nèi)的滾動(dòng)軸承27以及與小臂16連接的螺紋軸18組成，螺紋軸18下部軸桿的外圈與滾動(dòng)軸承27基孔制過盈配合，滾動(dòng)軸承27的外圈與軸承套14基軸制過盈配合，組成高精度的徑向傳動(dòng)。大臂17和小臂16的軸向由螺栓11固定。結(jié)構(gòu)裝配時(shí)先用螺母28夾緊滾動(dòng)軸承27的內(nèi)圈，再用螺母12和螺栓11將軸承套14固定在大臂17上；最后，通過圓螺母19和墊圈13夾緊將小臂16固定在關(guān)節(jié)上。實(shí)際工作中，通過與大臂相連的兩個(gè)舵機(jī)7準(zhǔn)確地控制兩個(gè)大臂17的轉(zhuǎn)角，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)夾具15上的繪圖工具準(zhǔn)確定位，最終保證復(fù)雜曲線繪制的精度。另為了五連桿機(jī)器人執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)行的穩(wěn)定性和伺服電機(jī)22軸向受力的安全，在五連桿機(jī)器人執(zhí)行機(jī)構(gòu)和腰部輔助裝置之間增加輔助裝置：即在電機(jī)罩4上凹槽內(nèi)嵌入推力軸承5，并使推力軸承5的上面嵌入在機(jī)架10下面法蘭8里，以此使機(jī)架10先與法蘭8連接，再通過鍵傳遞扭矩實(shí)現(xiàn)控制機(jī)架10的回轉(zhuǎn)。工作中，通過對伺服電機(jī)22的控制，進(jìn)而可使機(jī)架10回轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)腰部輔助裝置調(diào)節(jié)的功能。

本發(fā)明的工作過程是：首先，在面對平面繪圖要求時(shí)，3-DOF并聯(lián)底座相對獨(dú)立的進(jìn)行位姿調(diào)整，到達(dá)指定位置，即比如：通過在底座中加裝的傳感器反饋，人們通過手動(dòng)或自動(dòng)控制實(shí)現(xiàn)三個(gè)直線電機(jī)軸的長短，類似于人的肩部運(yùn)動(dòng)，快速的達(dá)到傾斜和豎直；在這個(gè)過程中，通過控制機(jī)器人腰部輔助裝置中伺服電機(jī)360度的回轉(zhuǎn)，使五連桿機(jī)器人執(zhí)行機(jī)構(gòu)迅速到達(dá)工作區(qū)域上方，這時(shí)五連桿機(jī)器人執(zhí)行機(jī)構(gòu)已經(jīng)由兩個(gè)舵機(jī)控制準(zhǔn)備好了，等待平面繪圖指令；由于實(shí)際電機(jī)指令和電機(jī)回轉(zhuǎn)較快，這三個(gè)部分的運(yùn)動(dòng)很連貫，類似于人拿起筆根據(jù)大腦的想法進(jìn)行書寫，具有很好的擬人性；另外，在操作過程中，由于是模塊化設(shè)計(jì)，它能夠同時(shí)兼容手動(dòng)控制和程序控制兩種任務(wù)，而且可以根據(jù)使用者的水平自行選擇手動(dòng)控制部分，從而具有很好的控制性和通用性；最后，由于三個(gè)部分既能相互協(xié)作，也能獨(dú)立的進(jìn)行簡單工作，故而能有很好的穩(wěn)定性和智能架構(gòu)基礎(chǔ)。該3D繪圖機(jī)器人的工作過程與空間繪圖任務(wù)和功耗較大的雕刻任務(wù)的工作過程基本一致，其主要區(qū)別在于：3—DOF底座的位姿調(diào)整和三個(gè)部分的協(xié)作更加緊密。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是：該伺服控制3D繪圖機(jī)器人通過模塊化設(shè)計(jì)，模擬人手臂的繪圖過程，合理的找到實(shí)現(xiàn)其相應(yīng)功能的結(jié)構(gòu)。在保證精度和質(zhì)量的前提下，結(jié)合關(guān)節(jié)型機(jī)器人和并聯(lián)型機(jī)器人結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)，在目前繪圖機(jī)器人的功能的基礎(chǔ)上，增加了自由度，模塊化的設(shè)計(jì)減少了系統(tǒng)反饋能有效的克服累計(jì)誤差對繪圖效果的影響，也增加了程序的可實(shí)現(xiàn)性。3D繪圖機(jī)器人的三部分功能獨(dú)立，面對立體圖時(shí)，三個(gè)部分相互支撐，互為基點(diǎn)，既可以實(shí)現(xiàn)現(xiàn)在的繪圖功能，也可以實(shí)現(xiàn)對機(jī)器人結(jié)構(gòu)要求高的雕刻工作。在人工智能不斷發(fā)展的今天，3D繪圖機(jī)器人混聯(lián)結(jié)構(gòu)具有很好擬人性、控制性、穩(wěn)定性以及通用性。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。