劉先明，陳 偉

（深圳職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，廣東 深圳 518055）

一種室內(nèi)刷墻機(jī)器人的研發(fā)*

劉先明，陳 偉

（深圳職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，廣東 深圳 518055）

目前我國建筑行業(yè)室內(nèi)粉飾工程主要采用依靠腳手架的傳統(tǒng)人工作業(yè)方式，勞動(dòng)強(qiáng)度大、工作環(huán)境惡劣．鑒于此，作者利用真空液體增壓技術(shù)、光電技術(shù)、伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)、混合及過濾技術(shù)，研發(fā)了一種建筑室內(nèi)刷墻機(jī)械人，其主要組構(gòu)有車載機(jī)構(gòu)、串聯(lián)式四軸坐標(biāo)模組等．采用PID控制器，實(shí)現(xiàn)對(duì)墻面自動(dòng)檢測(cè)，并驅(qū)動(dòng)機(jī)器進(jìn)行運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償，在有效的作業(yè)范圍內(nèi)使機(jī)器人自動(dòng)升降，保證建筑物室內(nèi)粉刷的質(zhì)量和安全性．

刷墻機(jī)器人；自動(dòng)噴刷；增壓技術(shù)

1 刷墻機(jī)器人系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

筆者研發(fā)的室內(nèi)刷墻機(jī)器人采用坐標(biāo)式機(jī)器人串聯(lián)組合結(jié)構(gòu)，主要由電動(dòng)牽引車、噴涂機(jī)[1]及噴搶機(jī)構(gòu)、攪拌器、串聯(lián)式鋼模組等構(gòu)成．依據(jù)施工作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)為模塊化的機(jī)構(gòu)，承載平臺(tái)主要由蓄電池、直流電機(jī)、車架、驅(qū)動(dòng)軸及軸承組成；抹頭提升機(jī)構(gòu)主要由鋼模組、伺服電機(jī)、減速器構(gòu)成；漿料噴刷裝置主要由噴涂機(jī)、噴搶、伺服電機(jī)、減速器構(gòu)成；混合攪拌過濾裝置主要由過濾器、攪拌器、步進(jìn)電機(jī)、減速器構(gòu)成；墻面的檢測(cè)裝置主要由傳感器組及控制電路組成；噴涂補(bǔ)償系統(tǒng)主要由坐標(biāo)式機(jī)器人模組及傳感器組成；功能切換裝置主要由液流閥和換向閥組成．其整體結(jié)構(gòu)如圖1所示．

圖1 機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)

該刷墻機(jī)器人設(shè)計(jì)的作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)如下：

1）噴搶距墻面保持在300～350mm內(nèi)；

2）噴涂運(yùn)動(dòng)為水平的平行運(yùn)動(dòng)，且線與線之間有一定重合度，噴一段后，機(jī)器向上平移一段距離再重復(fù)上述噴涂運(yùn)動(dòng)．噴刷石灰水與噴涂油漆工藝方法相同，只需將作業(yè)材料進(jìn)行切換即可滿足施工要求；

3）抹頭至墻面的距離保持在2～5mm之間，泥槳厚度3～6mm；

4）抹刷與噴刷兩功能分開，按作業(yè)要求選用．

2 運(yùn)動(dòng)控制

圖2為機(jī)器人控制圖，主要由位置傳感器、自動(dòng)補(bǔ)償伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、涂料澆注混合系統(tǒng)、液體控制系統(tǒng)、抹頭提升驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、機(jī)器人行走驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)等組成．在控制器控制下，可根據(jù)作業(yè)的不同要求，切換到不同的作業(yè)方案，即可實(shí)施諸如對(duì)墻面的清洗、噴漆、抹泥漿等作業(yè)．車載機(jī)構(gòu)由蓄電池為動(dòng)力源，上方承載刷墻裝置和噴涂及攪拌機(jī)構(gòu)，下方由車輪驅(qū)動(dòng)，具有前后移動(dòng)和轉(zhuǎn)向功能，其移動(dòng)功能可以手動(dòng)推動(dòng)或由電機(jī)驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)．其轉(zhuǎn)向功能由安裝在該車載機(jī)構(gòu)上的機(jī)械方向盤或機(jī)械手柄操控．采用兩組二軸模組，第一組二軸模組與第二組二軸模組串聯(lián)，實(shí)現(xiàn)機(jī)器的上升與下降的功能，并在機(jī)座底部設(shè)置的二軸模組中由一軸模組是沿著墻面垂直方向運(yùn)動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)墻面運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償．在控制器的作用下，實(shí)現(xiàn)對(duì)墻壁的準(zhǔn)確定位，噴涂、抹刷等過程，形成一個(gè)自動(dòng)循環(huán)的往復(fù)運(yùn)動(dòng)．為方便操控和簡化其結(jié)構(gòu)，車載機(jī)構(gòu)的移動(dòng)及轉(zhuǎn)向功能可以由遙控器操控．

圖2 機(jī)器人控制圖

攪拌機(jī)構(gòu)的攪拌桶固定于車載機(jī)構(gòu)上，攪拌電機(jī)通過一個(gè)固定于車載機(jī)構(gòu)1或攪拌桶上的支撐架來固定，攪拌槳伸入攪拌桶內(nèi)部并由攪拌電機(jī)驅(qū)動(dòng)噴涂機(jī)的進(jìn)料口管道，連通攪拌桶的出料口在攪拌桶的出料口處設(shè)置過濾網(wǎng)，以防止結(jié)塊或自身體積較大的涂料或油漆進(jìn)入噴涂機(jī)內(nèi)影響后續(xù)刷墻質(zhì)量．可根據(jù)不同的物料，在操作面板上選擇攪拌速度，分為快、中、慢3檔，以保證噴涂物的均勻和細(xì)膩．噴涂機(jī)采用增壓技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)高壓，使噴涂的物料在進(jìn)入到墻面時(shí)呈霧狀噴物，使墻面達(dá)到光滑，不留任何流痕．在電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下使噴槍組件實(shí)現(xiàn)向上或向下的仰角，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)墻面的死角或天花板部位的噴刷．

基于PCI總線[2]的伺服/步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制卡控制4個(gè)旋轉(zhuǎn)軸電機(jī)的運(yùn)動(dòng)，機(jī)器人的相對(duì)運(yùn)動(dòng)位置模式[3]是一種增量運(yùn)動(dòng)，即每次運(yùn)動(dòng)的位移量是相對(duì)于前一次運(yùn)動(dòng)的終點(diǎn)，而絕對(duì)運(yùn)動(dòng)位置模式[4]是一種相對(duì)于機(jī)器人零位位置的運(yùn)動(dòng)．系統(tǒng)的控制量為關(guān)節(jié)的位置量，執(zhí)行部分是直流旋轉(zhuǎn)電機(jī)，傳感器采用旋轉(zhuǎn)式光電編碼器，反饋信號(hào)為光電編碼器的脈沖信號(hào)（A，B兩相），以PCIl04嵌入式計(jì)算機(jī)以及ADT652擴(kuò)展卡為計(jì)算控制單元，輸出脈寬調(diào)制（PWM）波，通過放大器電路驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)，設(shè)定控制程序的采樣周期．在此使用0.2 ms采樣周期在每個(gè)采樣周期內(nèi)，計(jì)算機(jī)讀取編碼器反饋的脈沖狀態(tài)．通過比較A，B兩相脈沖狀態(tài)的變化計(jì)數(shù)脈沖數(shù)，計(jì)算出電機(jī)的運(yùn)動(dòng)絕對(duì)位置量，并通過離散微分器計(jì)算出當(dāng)前速度值，再與目標(biāo)位置數(shù)據(jù)一起，經(jīng)過離散PID調(diào)解器計(jì)算出下一步的控制量，并輸出相對(duì)應(yīng)的PWM波，實(shí)現(xiàn)控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)的有效電壓，達(dá)到調(diào)速的目的．

運(yùn)動(dòng)控制可在控制界面進(jìn)行設(shè)置，設(shè)置分為：① 自動(dòng)模式，即由預(yù)先設(shè)置好的動(dòng)作指令自動(dòng)進(jìn)行操作，如人工倒入涂料，上蓋，開啟攪拌機(jī)，噴涂機(jī)啟動(dòng)，真空抽料并過濾，調(diào)整噴搶與墻面角度，打開噴搶，模組運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)噴搶均勻噴涂，沿水平方向運(yùn)動(dòng)一段行程并返回，機(jī)構(gòu)提升一跨度又重復(fù)上次動(dòng)作，完成一段作業(yè)后，小車向前移動(dòng)一行程，依次循環(huán)作業(yè)；② 手動(dòng)模式，運(yùn)動(dòng)的速度及行程，可在控制面板上設(shè)置并保存，再按開啟，機(jī)器就會(huì)按照新設(shè)置的指令進(jìn)行操作機(jī)器的操控，可在距機(jī)器20 m以外的地方進(jìn)行操作，施工作業(yè)時(shí)，人工不需要跟隨機(jī)器行進(jìn)，減少了人工輔助作業(yè)的時(shí)間，作業(yè)安全、可靠、高效．

[1] 劉先明．鋰電池自動(dòng)拋投機(jī)構(gòu)及檢測(cè)的設(shè)計(jì)[J]．鄖陽師范高等?？茖W(xué)校學(xué)報(bào)，2009，29（3）：58-59．

[2] 劉先明．鋰電池撞擊自動(dòng)檢測(cè)機(jī)構(gòu)的研究[J]．廣東教育學(xué)院學(xué)報(bào)，2010，30（3）：35-37．

[3] 劉先明．鋰電池半自動(dòng)套殼機(jī)構(gòu)的研究[J]．廣東第二師范學(xué)院學(xué)報(bào)，2009，29（3）：59-61．

[4] 劉先明．一種雙臂機(jī)器人的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]．深圳職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2016，20（9）：13-16．

The Development of An Indoor Wall Robot

LIU Xianming, CHEN Wei

（School of Mechanical and Electrical Engineering, Shenzhen Polytechnic, Shenzhen, Guangdong 518055, China）

The interior decoration project of China’s construction industry relies mainly on the traditional way of labor-intensified manual work in a poor work environment. By using the technology of vacuum liquid booster, electro-optical technology, servo drive technology, mixing and filtering technology, the authors develop an indoor wall robot, whose main structure is composed of the vehicle mounted mechanism, the series of four axis coordinate module, etc. PID controller is adopted to realize the automatic detection and driving mechanism of motion compensation, which can ensure the robot’s up and down automatically in an effective operating range, and the quality and safety of indoor painting.

indoor wall robot; automatic spray brush; pressurized technique

TP216

：A

：1672-0318（2017）01-0026-03

10.13899/j.cnki.szptxb.2017.01.006

2016-04-20

*項(xiàng)目來源：深圳職業(yè)技術(shù)學(xué)院自然科學(xué)研究重點(diǎn)資助項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：601622K21004）

劉先明（1959-），男，湖北十堰人，碩士，高級(jí)工程師，研究領(lǐng)域?yàn)闄C(jī)械工程及工程材料．