基于计算的工业喷涂机器人基本参数设计方法

０引言
现代 汽车 工业 的迅速 发展带来 汽车 型号 的迅速 变化和 车体 设计 的不 断调整 ，只有 采用机 器人 才能
标 型 的臂 部 能 回转 、俯 仰 和 伸 缩 ；关 节 型 的 臂 部
有 多 个 转 动 关 节 。多 自 由度 机 器 人 关 节 的种 类 如
下 ：
适应 这种 频繁变 化 的生产要 求 ，同时与传 统 的机械 喷涂 相 比，采用机 器人喷 涂可 以减少大 约３ ％ ０ ０ ￣４ ％ 的喷 枪 数 量 ； 提 高 了喷 枪 运 动 的 速度 。 工业 喷 涂 机器 人 中六 自由度机 器人 具有结 构简单 、紧 凑 ，工 作 空问大 ，灵活 性 高， 占地 面积 小 ，安 装方便 等特 点，因此 应用 最为广 泛 。喷涂机 器人 主要 由主体 、 驱动 系统 和控制 系 统三个 基本部 分组 成 ，其 中主体 部 分包括 机座 和执 行机构 （ 臂部 、腕 部和手 部 ）。 主 体部 分是机 器人 的基础 ，关 系到整 个机器 人 的各 项 性能尤 其是 工作 空 间特 性 。机 器人 工作 空间是 指 机 器人在 工 作时 ，其手腕 中心或工 具安装 点能够 到 达 的所有 空 间区域 ，是衡 量机器 人性 能 的重 要指标 之 一 。本文 主要 以机器人 的工 作空 间特性来 设计 、 优化机器人 的各个基本参数 。
关节最为适合。
Ｔ ｃｎｑｅａｄＡｐｌｃｔｏ ｅｈｉｕ ｎ ｐｉａｉｎ
贝：
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２ 关 节 布 局
喷涂工艺 对机 器人 的灵活 性有较 高 的要求 ，机 器 人应 能 以某 种姿态 到达 空 间的某个 位置 ， 因此 机
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Ｐ ＝ａ（Ｏ ｃ ３ ｅ ２Ｏｓ ３一 ４ Ｏｓ ３ Ｃｔ Ｏｓ ２ ｘ ３ｃ ２Ｏ 一 ｌ ｓ２Ｏ ） ｄ （ ２ ＋ Ｇ ｃ ３ ） ｌ ｃ Ｏ ２ Ｏ
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器 人至 少需要 六个 自由度 一调 节空 间姿态 的三个 自 由度 和控 制 空间位置 的三 个 自由度 。对 于全部采 用 回转关节 的机器 人其坐 标系 ｛） 对于 坐标系 ｛－ ） ｉ相 ｉ１ 的齐 次变换矩阵矩阵为…：
长 分 别为 ６ ０ ｍ ６ ０ ｍ ： ５ｒ和 ８ｒ ） ａ ａ
图 ｌ机 器 人 连 杆 参 数
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转传 ： ｆ 飙构
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副Ｉ 驱动形式：电机驱动 （ 伺服、步进）；直驱力矩电机
移动 副 关 节 螺旋副 驱 动形式
ｊ 机：轮条 丝 ‘ 或珠 传 构 齿齿；杠 滑 滚 动 动
：
直线 电机或音 圈电机 ： 液压缸 ： 气缸
坚 ｛ 机构 接驱 咖 传动 ：直 动
技术应ｉａｉｎ
基 于计算 的工业喷涂机器 人基本参数设 计方法
徐科 明 杨文 玉
（ 中科技大 学 数字制造装 备与技术 国家重点实验室 ，湖北 武汉 ４ ０ ７ ） 华 ３ ０ ４
摘 要 ：设计与确定机器人参数 需要在各项性能之间进行折衷 ，常 常是一个耗时 的迭代过程。本文提出了一种 工业 喷涂机器人基本参数确定 的一般方法 。通过喷涂机器人 的设计与开发过程 ，基 于机器人建模 方法 ，归纳 出机器 人基 本参数对各项性能尤其是工作空 间特性 的影响 因素与规律 ，并在此过程 中上分析 了其结构参数对机器人工作 空间和 性能 的影响 ，从而得出了机器人工作空间特性与结构参 数之 问的内在联系 ，为工业机器人的设计提供依据 。 关键词 ：喷涂机器 人；关节形式 ；工作空问；连杆 参数 ；转角范 围
副 Ｌ驱动形式： 三 自由度球形电机
１关节 形 式
喷涂 机器 人 按臂 部 的运 动形 式 分为 四种 。 直 角坐 标 型 的臂 部 可 沿 三 个 直 角坐 标 移 动 ； 圆柱 坐标 型 的臂 部 可 作 升 降 、 回转 和伸 缩 动 作 ；球 坐
回 转 关 节 是连 接 相 邻 杆 件 ，如 手 臂 与 机 座 ， 手臂 与手腕 ，并 实现相 对 回转 或摆 动 的关节机 构 ， 由驱动 器 、回转轴 和轴 承组成 。电机能 直接产 生旋 转运动 ，但 常 需各种齿 轮 、链 、皮带传 动或 其他减 速装置 ，以获取 较大 的转矩 。现有 的 回转 关 节一般 都是减 速机 （ 波 、Ｒ ）加 连杆 的形 式 ，具 有 同轴 谐 Ｖ 线 ，结构 紧凑 ，效率高 ，刚 性好 ，转动 惯量 小 ，固 有频率 高 ，振动 小 的特 点 ，有 利 于机器 人高 精高 刚 度的实现。 工 业 喷 涂 机 器 人 要 求 大 力矩 、 快 响 应 、 高精 度 、工作 空 间大 、高可靠 和便于 维修 等 ，因此 回转
作 者 简 介 ：徐 科 明 （ ９ ５ ）， 男 ，河 北 邢 台人 ，硕 士 ，研 究 方 向 为机 器人 技术 １８ 一
基金项 目：１ｋ 喷 涂机器人成套设备 （０ ０ ｘ ４ ０ — ４ ） ５ｇ ２ １ ｚ ０ ０ ８０ １
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《 机器人技术与应用 》双月刊 第 １期
技 术应 用
Ｐ ｙ＝ｄ３ａ２ ｃ ＋ｄ４Ｇ２Ｏ ＋ａ ｓ ｓ ３ Ｓｔｃ ３ ３％ Ｏ
Ｐ ：ｄ （Ｏｓ ３ ｃ ２Ｏｃ ３ 一 ３ Ｏｓ ２ ｃ ２Ｏ ｓ３ ｚ ４ ２Ｏ 一 ｃ ２Ｏ ） ａ （ ３ ＋ ｎ ｃ ２ ） ｓ ｃ Ｏ Ｏ
一
ａ ｓ ２＋ｄ３ Ｏ２ Ｏ２ ２Ｏ Ｓｔｃ
ｏ荨 ０ ｝ 其中： Ｒ为转换矩阵 ； Ｐ 为手腕基点位置 。 当后两 个关 节角 ｎ取不 同值 时 ，手腕 中心 点所 能到达 的位置所 组成 的平面 如图２ 所示 （ 暂取两连杆