十三自由度大型船体外表面喷涂机器人

技术领域

本发明具体涉及一种十三自由度大型船体外表面喷涂机器人。

背景技术

随着机电系统和机器人技术的发展，高现代化的数控和机器人技术已经在逐步替代原 始的人力劳动。船舶的分段船体体积巨大，需要喷涂的范围广，而国内大型船舶喷涂行业 仍采用工作落后的、传统的人工作业方式，工人操作时需要在阴暗封闭的喷涂车间里长时 间工作，劳动强度大、工作条件差，在此过程中产生大量有害气体，影响到操作工人的身 体健康及劳动情绪，而且喷涂质量受员工的技术水平、情绪等影响较大，造成喷涂工序的 反喷率较高，制约了生产力。国内外许多研究机构研制了喷涂机器人来解决船舶等大型工 件的喷涂问题，例如申请公布号CN105149148A的发明专利“大型复杂工件表面多机器 人自动喷涂系统”，采用龙门式三坐标式移动机构，虽然解决了大型工件的喷涂工作，但 需要对分段船体的喷涂车间进行改造，成本高，而且三坐标直线移动机构灵活性差，曲面 适应灵活性差，不适应于用复杂、形状多变曲面。授权公告号CN204866301U的实用新 型专利“船舶自动喷涂机器人”中，机器人依靠磁吸附的方式通过在船体表面的爬行实现 喷涂，这种方式的缺点是工作效率低，灵活性差，可靠性差，对船体表面的光滑度要求高， 并且附着在船体表面，影响船体喷涂质量。为实现船舶分段自动涂装工艺，解决船舶分段 外立面涂装效率低、喷涂质量不稳定等问题，急需设计出一种多自由度大型船舶喷涂机器 人，提升船舶分段制造工艺与自动化水平。

发明内容

本发明的目的是提供一种十三自由度大型船体外表面喷涂机器人，以解决现有设备分 为船体表面吸附式和框架移动式，前者对船体表面光滑度要求高，可靠性差，后者灵活性 差，导致喷涂的反喷率高，喷涂质量低下的问题。

本发明为解决上述技术问题采取的技术方案是：

一种十三自由度大型船体外表面喷涂机器人，它包括移动车体、七自由度液压展臂和 六自由度轻量化机械手，所述移动车体靠近分段船体设置，所述七自由度液压展臂设置在 移动车体上，所述六自由度轻量化机械手设置在七自由度液压展臂上；

所述七自由度液压展臂包括配重转盘、第一大臂、辅臂、主臂、伸缩臂、短臂、旋转 支撑连接件、第一液压缸、第二液压缸、第三液压缸、第四液压缸、第五液压缸、第六液 压缸、第一连接件、第二连接件和第三连接件，所述配重转盘设置在移动车体上并与移动 车体转动配合，所述第一液压缸设置在配重转盘内，所述第一大臂的一端与配重转盘内的 第一液压缸相连接，所述第一大臂的另一端铰接在第一连接件上，所述第一大臂在第一液 压缸的驱动下作出抬升和下落动作，所述辅臂设置在第一连接件和第二连接件之间，所述 第二液压缸设置在配重转盘上，所述辅臂与第二液压缸相连接并在第二液压缸的驱动下作 出抬升或下落动作，所述主臂的一端铰接在第二连接件上，所述第三液压缸设置在第二连 接件和主臂之间，所述主臂在第三液压缸的驱动下作出抬升或下落动作，所述主臂内设置 有第四液压缸，所述伸缩臂的一端套装在主臂内并与第四液压缸相连接，所述伸缩臂在第 四液压缸的驱动下作出沿主臂长度方向伸出或缩回的动作，所述伸缩臂的另一端通过第三 连接件与短臂相连接，伸缩臂和第三连接件相铰接且二者之间设置有第五液压缸，第三连 接件在第五液压缸的驱动下作出摆动动作，所述短臂铰接在第三连接件和旋转支撑连接件 之间，所述短臂和第三连接件之间设置有第六液压缸，所述短臂在第六液压缸的驱动下作 出抬升或下落动作；

六自由度轻量化机械手包括载重平台和机械手本体，所述机械手本体为轻量化机械本 体，所述机械手本体固定安装在载重平台上，所述载重平台与旋转支撑连接件相连接。

机械手本体包括第一防爆伺服电机、第二防爆伺服电机、第三防爆伺服电机、旋转底 座、外部连杆、肘部支撑件、防爆外壳、小臂用连接件、小臂、手腕中段、手腕末端、喷 枪连接件、喷枪和第二大臂，所述第一防爆伺服电机通过电机法兰连接在载重平台的下端 面，所述旋转底座设置在载重平台的上端面且其底部与第一防爆伺服电机的输出轴相连 接，所述第二大臂的底部铰接在旋转底座上，所述第二防爆伺服电机和第三防爆伺服电机 分别位于第二大臂的两侧且均固定安装在旋转底座上，所述第二大臂的顶部与肘部支撑件 相铰接，肘部支撑件的顶部设置有小臂用连接件，所述小臂用连接件的一端设置有防爆外 壳，所述小臂用连接件的另一端通过手腕中段与手腕末端相连接，手腕末端上设置有喷枪， 喷枪上设置有喷枪连接件，所述外部连杆设置在旋转底座和防爆外壳之间。

机械手本体还包括第一RV减速器，所述第一RV减速器设置在第一防爆伺服电机和 旋转底座之间。

所述小臂包括第一圆锥齿轮、第二圆锥齿轮、手腕中段传动杆、第一圆柱齿轮、第二 圆柱齿轮、第三圆柱齿轮、第四圆柱齿轮、第五圆柱齿轮、第一行星减速器、第一伺服电 机、第二行星减速器、第二伺服电机、第三伺服电机、第三行星减速器、第六圆柱齿轮、 手腕接口法兰、第三圆锥齿轮、手腕末端外壳、第四圆锥齿轮、第五圆锥齿轮和第六圆锥 齿轮，所述手腕中段传动杆的一端依次设置有第一圆柱齿轮、第二圆柱齿轮和第三圆柱齿 轮，所述第一伺服电机设置在第二行星减速器上，所述第二行星减速器的输出轴上套装有 第五圆柱齿轮，所述第一行星减速器通过第五圆柱齿轮与第三圆柱齿轮相啮合；所述第二 伺服电机设置在第一行星减速器上，所述第一行星减速器的输出轴上套装有第四圆柱齿 轮，所述第一行星减速器通过第四圆柱齿轮与第二圆柱齿轮相啮合；所述第三伺服电机设 置在第三行星减速器上，所述第三行星减速器的输出轴上套装有第六圆柱齿轮，所述第三 行星减速器通过第六圆柱齿轮与第一圆柱齿轮相啮合，所述述手腕中段传动杆的另一端依 次设置有第一圆锥齿轮和第二圆锥齿轮，所述第六圆锥齿轮和第五圆锥齿轮相连接且同轴 设置，所述第六圆锥齿轮与第二圆锥齿轮相啮合，所述第五圆锥齿轮与第一圆锥齿轮相啮 合，所述第四圆锥齿轮与第六圆锥齿轮相连接且同轴设置，所述第四圆锥齿轮与第三圆锥 齿轮相啮合，所述第三圆锥齿轮外罩有手腕末端外壳，所述手腕接口法兰处于手腕末端外 壳外且与第三圆锥齿轮相连接。

所述小臂还包括手腕末端传动杆和手腕接口法兰传动杆，所述手腕接口法兰传动杆、 手腕末端传动杆和手腕中段传动杆由内至外依次同轴设置，所述手腕接口法兰传动杆的两 端分别与第五圆柱齿轮和第二圆锥齿轮相连接，所述手腕末端传动杆的两端分别与第二圆 柱齿轮和第一圆锥齿轮相连接。

本发明具有以下有益效果：

1、本发明采用移动车体、七自由度液压展臂与六自由度机械手结合的方式，在喷涂 过程中，本发明整体在水平面上移动，实现多定点喷涂，通过七自由度液压展臂的伸展， 提高了本发明整体的喷涂范围。

2、本发明中七自由度液压展臂与六自由度机械手的十三个自由度采用串联的方式， 提高了整个机械臂的灵活性，本发明既能够实现定点喷涂还可以实现移动喷涂，在移动车 体固定的定点喷涂过程中，提高了整个设备的操作范围，最大喷涂高度可达到15m。

3、采用七自由度液压展臂与六自由度机械手相结合的方式，分别采用液压驱动和电 机驱动，能够在保证大负载的同时又不失灵活性。

4、本发明中设置的六自由度轻量化机械手重量轻，自重110KG，工作范围大，工作 半径可达1.8m，采用三自由度斜交手腕，提高了整个机械臂喷涂过程中的灵活性。

5、相比现有技术中的爬壁式的喷涂机器人，本发明的十三自由度大型船体外表面喷 涂机器人在完成喷涂10m*20m的船体时，仅需要25分钟，从而高效率地完成船体喷涂；

6、本发明在工作时，依靠移动车体中驱动轮的驱动，实现发明整体的水平移动，最 大移动速度100m/min，依靠配重转盘的旋转，实现发明整体的转动，依靠七自由度液压 展臂的伸展，实现末端轻量化的六自由度轻量化机械手在垂直方向的移动，末端轻量化机 械臂的灵活运动，通过上述各个运动的组合，实现一段船体外表面的多种喷涂顺序方式， 在喷涂过程中无需与喷涂面接触，从而摆脱了喷涂对象表面状况的限制。

附图说明

图1为本发明的使用状态图；

图2为本发明的主视结构示意图；

图3为本发明的立体结构示意图；

图4为六自由度轻量化机械手的第一立体结构示意图；

图5为六自由度轻量化机械手的第二立体结构示意图；

图6为小臂27的内部立体结构示意图；

图7为小臂27、手腕中段外壳310、小臂用外壳313和小臂用连接件28之间连接关 系的剖面图；

图8是旋转底座23、第二大臂215和肘部支撑件25之间连接关系的立体结构示意图；

图9为第三防爆伺服电机213、第二防爆伺服电机21、第二RV减速器45、第三RV 减速器42、驱动连杆41和减速器输出法兰43之间连接关系的剖面图；

图10是第一RV减速器47、电机法兰46、载重平台12和第二防爆伺服电机22之间 连接关系的剖面图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1、图2和图3说明本实施方式，本实施方式包括移动车体、 七自由度液压展臂和六自由度轻量化机械手，所述移动车体靠近分段船体2设置，所述七 自由度液压展臂设置在移动车体上，所述六自由度轻量化机械手设置在七自由度液压展臂 上；

所述七自由度液压展臂包括配重转盘18、第一大臂19、辅臂110、主臂112、伸缩臂 113、短臂116、旋转支撑连接件117、第一液压缸、第二液压缸13、第三液压缸111、第 四液压缸、第五液压缸114、第六液压缸115、第一连接件51、第二连接件52和第三连 接件53，所述配重转盘18设置在移动车体上并与移动车体转动配合，所述第一液压缸设 置在配重转盘18内，所述第一大臂19的一端与配重转盘18内的第一液压缸相连接，所 述第一大臂19的另一端铰接在第一连接件51上，所述第一大臂19在第一液压缸的驱动 下作出抬升和下落动作，所述辅臂110设置在第一连接件51和第二连接件52之间，所述 第二液压缸13设置在配重转盘18上，所述辅臂110与第二液压缸13相连接并在第二液 压缸13的驱动下作出抬升或下落动作，所述主臂112的一端铰接在第二连接件52上，所 述第三液压缸111设置在第二连接件52和主臂112之间，所述主臂112在第三液压缸111 的驱动下作出抬升或下落动作，所述主臂112内设置有第四液压缸，所述伸缩臂113的一 端套装在主臂112内并与第四液压缸相连接，所述伸缩臂113在第四液压缸的驱动下作出 沿主臂112长度方向伸出或缩回的动作，所述伸缩臂113的另一端通过第三连接件53与 短臂116相连接，伸缩臂113和第三连接件53相铰接且二者之间设置有第五液压缸114， 第三连接件53在第五液压缸114的驱动下作出摆动动作，所述短臂116铰接在第三连接 件53和旋转支撑连接件117之间，所述短臂116和第三连接件53之间设置有第六液压缸 115，所述短臂116在第六液压缸115的驱动下作出抬升或下落动作；

六自由度轻量化机械手包括载重平台12和机械手本体，所述机械手本体为轻量化机 械本体，所述机械手本体固定安装在载重平台12上，所述载重平台12与旋转支撑连接件 117相连接。

本发明能够实现一段船体外表面的多种喷涂顺序方式，多种喷涂顺序方式包括七自由 度液压展臂不动，移动车体移动，实现一段水平喷涂；七自由度液压展臂运动，移动车体 不动，实现一段定点喷涂。

本实施方式中分段船体2的底部设置有多个船体工装3以辅助本发明进行喷涂工作。

本实施方式中七自由度液压展臂中的“七自由度”分别指的是：配重转盘18与移动 车体转动配合、第一大臂19在第一液压缸的驱动下作出抬升和下落动作、辅臂110在第 二液压缸13的驱动下作出抬升或下落动作、主臂112在第三液压缸111的驱动下作出抬 升或下落动作、伸缩臂113在第四液压缸的驱动下作出沿主臂112长度方向伸出或缩回的 动作、短臂116在第六液压缸115的驱动下作出抬升或下落动作以及旋转支撑连接件117 和第三连接件53在第五液压缸114的驱动下作出同步的水平前移和后退的动作。其中第 五液压缸114为调平液压缸，载重平台12通过该调平液压缸进行水平位置的调节。短臂 116为现有的四连杆机构。

具体实施方式二：结合图2、图3、图4、图5、图8和图9说明本实施方式，本实施 方式中机械手本体包括第一防爆伺服电机22、第二防爆伺服电机21、第三防爆伺服电机 213、旋转底座23、外部连杆24、肘部支撑件25、防爆外壳26、小臂用连接件28、小臂 27、手腕中段29、手腕末端210、喷枪连接件212、喷枪211和第二大臂215，所述第一 防爆伺服电机22通过电机法兰46连接在载重平台12的下端面，所述旋转底座23设置在 载重平台12的上端面且其底部与第一防爆伺服电机22的输出轴相连接，所述第二大臂 215的底部铰接在旋转底座23上，所述第二防爆伺服电机21和第三防爆伺服电机213分 别位于第二大臂215的两侧且均固定安装在旋转底座23上，所述第二大臂215的顶部与 肘部支撑件25相铰接，肘部支撑件25的顶部设置有小臂用连接件28，所述小臂用连接 件28的一端设置有防爆外壳26，所述小臂用连接件28的另一端通过手腕中段29与手腕 末端210相连接，手腕末端210上设置有喷枪211，喷枪211上设置有喷枪连接件212， 所述外部连杆24设置在旋转底座23和防爆外壳26之间。

本实施方式中所述爆伺服电机22驱动旋转底座23旋转。

外部连杆24的底端与旋转底座23相连接，外部连杆24的顶端与防爆外壳26的外壁 相铰接。

机械手本体还包括驱动连杆41，驱动连杆41与减速器输出法兰43固定；驱动连杆 41经一个轴承与外部连杆24连接，该轴承上设置有轴承盖44；外部连杆24经另一个轴 承与肘部支撑件25连接。其它未提及的结构及连接关系与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：结合图8、图9和图10说明本实施方式，本实施方式中机械手本 体还包括第一RV减速器47，所述第一RV减速器47设置在第二防爆伺服电机22和旋 转底座23之间。

本实施方式中机械手本体还包括第二RV减速器45和第三RV减速器42，所述第二 RV减速器45设置在第二防爆伺服电机22和旋转底座23之间；所述第三RV减速器42 设置在第三防爆伺服电机213和旋转底座23之间。

本实施方式中第三防爆伺服电机213安装在电机座214上，经过第三RV减速器42 的减速，驱动第二大臂215旋转，减速比110∶1；第一防爆伺服电机21的安装方式同上， 经过第二RV减速器45的减速与减速器输出法兰43固定连接，减速比110∶1。第二防爆 伺服电机22通过电机法兰46连接到载重平台12上，经过第一RV减速器47与旋转底座 23连接，减速比81∶1。

本实施方式中机械手本体上也设置有四连杆机构，该四连杆机构为连杆41、外部连 杆24、第二大臂215和肘部支撑件25组成。

具体实施方式四：结合附图6和图7说明本实施方式，本实施方式所述小臂27包括 第一圆锥齿轮311、第二圆锥齿轮312、手腕中段传动杆314、第一圆柱齿轮317、第二圆 柱齿轮318、第三圆柱齿轮319、第四圆柱齿轮320、第五圆柱齿轮321、第一行星减速器 323、第一伺服电机324、第二行星减速器325、第二伺服电机326、第三伺服电机327、 第三行星减速器328、第六圆柱齿轮329、手腕接口法兰31、第三圆锥齿轮32、手腕末端 外壳33、第四圆锥齿轮34、第五圆锥齿轮38和第六圆锥齿轮39，所述手腕中段传动杆 314的一端依次设置有第一圆柱齿轮317、第二圆柱齿轮318和第三圆柱齿轮319，所述 第一伺服电机324设置在第二行星减速器325上，所述第二行星减速器325的输出轴上套 装有第五圆柱齿轮321，所述第一行星减速器323通过第五圆柱齿轮321与第三圆柱齿轮 319相啮合；所述第二伺服电机326设置在第一行星减速器323上，所述第一行星减速器 323的输出轴上套装有第四圆柱齿轮320，所述第一行星减速器323通过第四圆柱齿轮320 与第二圆柱齿轮318相啮合；所述第三伺服电机327设置在第三行星减速器328上，所述 第三行星减速器328的输出轴上套装有第六圆柱齿轮329，所述第三行星减速器328通过 第六圆柱齿轮329与第一圆柱齿轮317相啮合，所述述手腕中段传动杆314的另一端依次 设置有第一圆锥齿轮311和第二圆锥齿轮312，所述第六圆锥齿轮39和第五圆锥齿轮38 相连接且同轴设置，所述第六圆锥齿轮39与第二圆锥齿轮312相啮合，所述第五圆锥齿 轮38与第一圆锥齿轮311相啮合，所述第四圆锥齿轮34与第六圆锥齿轮39相连接且同 轴设置，所述第四圆锥齿轮34与第三圆锥齿轮32相啮合，所述第三圆锥齿轮32外罩有 手腕末端外壳33，所述手腕接口法兰31处于手腕末端外壳33外且与第三圆锥齿轮32相 连接。

本实施方式中第一伺服电机324、第二伺服电机326、第三伺服电机327分别通过第 二行星减速器325、第一行星减速器323、第三行星减速器328驱动第五圆柱齿轮321、 第四圆柱齿轮320、第六圆柱齿轮329，减速比均为16∶1。通过上述构件之间的相互配合 实现三自由手腕的驱动运动，即为六自由度轻量化机械手中的三个自由度，六自由度轻量 化机械手中另外三个自由度分别为第一RV减速器47驱动旋转底座23转动；第二大臂 215与肘部支撑件25相铰接；小臂27作出俯仰运动。

本实施方式中所述小臂27还包括小臂用外壳313，小臂用外壳313内设置有手腕中 段传动杆314，小臂用连接件28内设置有第一圆柱齿轮317、第二圆柱齿轮318和第三圆 柱齿轮319，防爆外壳26内设置有第一行星减速器323、第一伺服电机324、第二行星减 速器325、第二伺服电机326、第三伺服电机327和第三行星减速器328。

本实施方式中所述小臂27还包括手腕中段外壳310，所述第一圆锥齿轮311、第二圆 锥齿轮312、第五圆锥齿轮38和第六圆锥齿轮39均设置在手腕中段外壳310内。

本实施方式中所述小臂27还包括轴承挡圈35、轴承套杯36和垫圈37，所述轴承挡 圈35、轴承套杯36和垫圈37均位于手腕中段外壳310内，轴承挡圈35、轴承套杯36 和垫圈37通过轴承依次套装在第五圆锥齿轮38上。

本发明中自由度轻量化机械手通过手腕部各个构件之间相互配合形成三自由度斜交 手腕，三自由度斜交手腕中的三自由度指的是：手腕中段传动杆314带动整个腕部实现 360°的转动，即三自由度斜交手腕中的第一自由度；手腕接口法兰31和第五圆锥齿轮 38之间相互配合实现沿第五圆锥齿轮38圆周方向360°的转动，即三自由度斜交手腕中 的第二自由度；第二圆锥齿轮312、第六圆锥齿轮39、第四圆锥齿轮34和第三圆锥齿轮 32之间相互配合实现沿第四圆锥齿轮34圆周方向360°的末端转动，即三自由度斜交手 腕中的第三自由度。三自由度斜交手腕与直交式的手腕相比，作用空间大且更加灵活。

具体实施方式五：结合附图7说明本实施方式，本实施方式中所述小臂27还包括手 腕末端传动杆315和手腕接口法兰传动杆316，所述手腕接口法兰传动杆316、手腕末端 传动杆315和手腕中段传动杆314由内至外依次同轴设置，所述手腕接口法兰传动杆316 的两端分别与第五圆柱齿轮321和第二圆锥齿轮312相连接，所述手腕末端传动杆315 的两端分别与第二圆柱齿轮318和第一圆锥齿轮311相连接。

具体实施方式六：结合附图1、图2和图3说明本实施方式，本实施方式中所述移动 车体包括车本体16、电池箱15、液压驱动单元、两个转向轮14和两个驱动轮17，所述 车本体16内设置有液压驱动单元，车本体16的前端设置有两个转向轮14，车本体16的 后端设置有两个驱动轮17，所述电池箱15设置在车本体16上。

本实施方式中通过配重转盘18与车本体16连接，实现整个机械臂的旋转，车本体 16下安装两个转向轮14和两个驱动轮17，实现整个机械臂水平面的移动。本发明中整个 机械臂指的是七自由度液压展臂和六自由度轻量化机械手的组合体。本发明中第一大臂 19指的是自由度液压展臂中的机械大臂，第二大臂215指的是机械手本体中的支撑大臂。

本发明的工作原理：

配重转盘18与车本体16相连接，实现七自由度液压展臂整体的旋转，车本体16上 设置的两个转向轮14和两个驱动轮17，实现七自由度液压展臂水平面的移动。第一大臂 19通过配重转盘18内的第一液压缸驱动实现抬升动作，辅臂110通过第二液压缸13驱 动实现抬升动作，主臂112通过第三液压缸111的驱动实现抬升动作，伸缩臂113通过主 臂112内的第四液压缸驱动实现伸缩动作，短臂116为四连杆机构，通过第六液压缸115 实现短臂116的抬升动作，载重平台12通过旋转支撑连接117实现旋转，载重平台12 的水平位置调节依靠第五液压缸114。第一防爆伺服电机22通过电机法兰46连接到载重 平台12上，经过RV减速器47驱动旋转底座23，第三防爆伺服电机213通过电机座214 固定在旋转底座23上，经过RV减速器42的减速，驱动第二大臂215旋转，第二防爆伺 服电机21的安装方式同上，经过RV减速器45的减速与减速器输出法兰43固定连接， 驱动连杆41与减速器输出法兰43固定，第二大臂215与旋转底座23铰连接，连杆24、 第二大臂215与肘部支撑件25铰连接，小臂27与小臂连接件28通过螺钉固定，小臂连 接件28固定在肘部支撑件25上，手腕中段29与手腕末端210与小臂24连接，喷枪211 通过喷枪连接件212固定在机械手末端，由连杆41、外部连杆24、第二大臂215和肘部 支撑件25组成的四连杆机构带动整个小臂27和手腕完成俯仰运动。第一伺服电机324、 第二伺服电机326、第二伺服电机326分别通过第二行星减速器325、第一行星减速器323、 第三行星减速器328驱动第五圆柱齿轮321、第四圆柱齿轮320和第六圆柱齿轮329，通 过各个齿轮的啮合与各个传动杆的连接实现三自由度手腕的驱动。