一種室內刷墻機器人的研發*

劉先明，陳 偉

（深圳職業技術學院 機電工程學院，廣東 深圳 518055）

一種室內刷墻機器人的研發*

劉先明，陳 偉

（深圳職業技術學院 機電工程學院，廣東 深圳 518055）

目前我國建筑行業室內粉飾工程主要采用依靠腳手架的傳統人工作業方式，勞動強度大、工作環境惡劣．鑒于此，作者利用真空液體增壓技術、光電技術、伺服驅動技術、混合及過濾技術，研發了一種建筑室內刷墻機械人，其主要組構有車載機構、串聯式四軸坐標模組等．采用PID控制器，實現對墻面自動檢測，并驅動機器進行運動補償，在有效的作業范圍內使機器人自動升降，保證建筑物室內粉刷的質量和安全性．

刷墻機器人；自動噴刷；增壓技術

1 刷墻機器人系統結構設計

筆者研發的室內刷墻機器人采用坐標式機器人串聯組合結構，主要由電動牽引車、噴涂機[1]及噴搶機構、攪拌器、串聯式鋼模組等構成．依據施工作業現場特點，設計為模塊化的機構，承載平臺主要由蓄電池、直流電機、車架、驅動軸及軸承組成；抹頭提升機構主要由鋼模組、伺服電機、減速器構成；漿料噴刷裝置主要由噴涂機、噴搶、伺服電機、減速器構成；混合攪拌過濾裝置主要由過濾器、攪拌器、步進電機、減速器構成；墻面的檢測裝置主要由傳感器組及控制電路組成；噴涂補償系統主要由坐標式機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．其整體結構如圖1所示．

圖1 機器人整體結構

該刷墻機器人設計的作業標準如下：

1）噴搶距墻面保持在300～350mm內；

2）噴涂運動為水平的平行運動，且線與線之間有一定重合度，噴一段后，機器向上平移一段距離再重復上述噴涂運動．噴刷石灰水與噴涂油漆工藝方法相同，只需將作業材料進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，按作業要求選用．

2 運動控制

圖2為機器人控制圖，主要由位置傳感器、自動補償伺服驅動系統、涂料澆注混合系統、液體控制系統、抹頭提升驅動系統、機器人行走驅動系統等組成．在控制器控制下，可根據作業的不同要求，切換到不同的作業方案，即可實施諸如對墻面的清洗、噴漆、抹泥漿等作業．車載機構由蓄電池為動力源，上方承載刷墻裝置和噴涂及攪拌機構，下方由車輪驅動，具有前后移動和轉向功能，其移動功能可以手動推動或由電機驅動實現．其轉向功能由安裝在該車載機構上的機械方向盤或機械手柄操控．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，實現機器的上升與下降的功能，并在機座底部設置的二軸模組中由一軸模組是沿著墻面垂直方向運動，以實現對墻面運動補償．在控制器的作用下，實現對墻壁的準確定位，噴涂、抹刷等過程，形成一個自動循環的往復運動．為方便操控和簡化其結構，車載機構的移動及轉向功能可以由遙控器操控．

圖2 機器人控制圖

攪拌機構的攪拌桶固定于車載機構上，攪拌電機通過一個固定于車載機構1或攪拌桶上的支撐架來固定，攪拌槳伸入攪拌桶內部并由攪拌電機驅動噴涂機的進料口管道，連通攪拌桶的出料口在攪拌桶的出料口處設置過濾網，以防止結塊或自身體積較大的涂料或油漆進入噴涂機內影響后續刷墻質量．可根據不同的物料，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膩．噴涂機采用增壓技術，可實現高壓，使噴涂的物料在進入到墻面時呈霧狀噴物，使墻面達到光滑，不留任何流痕．在電機的驅動下使噴槍組件實現向上或向下的仰角，從而實現對墻面的死角或天花板部位的噴刷．

基于PCI總線[2]的伺服/步進電機的運動控制卡控制4個旋轉軸電機的運動，機器人的相對運動位置模式[3]是一種增量運動，即每次運動的位移量是相對于前一次運動的終點，而絕對運動位置模式[4]是一種相對于機器人零位位置的運動．系統的控制量為關節的位置量，執行部分是直流旋轉電機，傳感器采用旋轉式光電編碼器，反饋信號為光電編碼器的脈沖信號（A，B兩相），以PCIl04嵌入式計算機以及ADT652擴展卡為計算控制單元，輸出脈寬調制（PWM）波，通過放大器電路驅動直流電機，設定控制程序的采樣周期．在此使用0.2 ms采樣周期在每個采樣周期內，計算機讀取編碼器反饋的脈沖狀態．通過比較A，B兩相脈沖狀態的變化計數脈沖數，計算出電機的運動絕對位置量，并通過離散微分器計算出當前速度值，再與目標位置數據一起，經過離散PID調解器計算出下一步的控制量，并輸出相對應的PWM波，實現控制驅動電機的有效電壓，達到調速的目的．

運動控制可在控制界面進行設置，設置分為：① 自動模式，即由預先設置好的動作指令自動進行操作，如人工倒入涂料，上蓋，開啟攪拌機，噴涂機啟動，真空抽料并過濾，調整噴搶與墻面角度，打開噴搶，模組運動，帶動噴搶均勻噴涂，沿水平方向運動一段行程并返回，機構提升一跨度又重復上次動作，完成一段作業后，小車向前移動一行程，依次循環作業；② 手動模式，運動的速度及行程，可在控制面板上設置并保存，再按開啟，機器就會按照新設置的指令進行操作機器的操控，可在距機器20 m以外的地方進行操作，施工作業時，人工不需要跟隨機器行進，減少了人工輔助作業的時間，作業安全、可靠、高效．

[1] 劉先明．鋰電池自動拋投機構及檢測的設計[J]．鄖陽師范高等專科學校學報，2009，29（3）：58-59．

[2] 劉先明．鋰電池撞擊自動檢測機構的研究[J]．廣東教育學院學報，2010，30（3）：35-37．

[3] 劉先明．鋰電池半自動套殼機構的研究[J]．廣東第二師范學院學報，2009，29（3）：59-61．

[4] 劉先明．一種雙臂機器人的設計與實現[J]．深圳職業技術學院學報，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

*項目來源：深圳職業技術學院自然科學研究重點資助項目（項目編號：601622K21004）

劉先明（1959-），男，湖北十堰人，碩士，高級工程師，研究領域為機械工程及工程材料．