基于四軸機械臂的室內粉刷機設計

趙興棟，趙 琛，侯榮飛

（武漢理工大學，湖北 武漢 430000）

目前，我國的墻壁主體粉刷基本全部是由人工來完成，不僅費時長，粉刷質量也不易得到保證。在精裝修工期中，墻體粉刷和裝修占定額工期的50%，因此提高效率和質量是縮短工期、保證施工質量的有效措施。同時，在粉刷對人體有害的涂料時，許多防護措施并不能保證人體的健康和安全。如何將粉刷者從繁重的粉刷任務中解脫出來，遠離有害的粉刷物質成為當下需要解決的問題。本文設計制造的墻壁粉刷機可以使得目前的粉刷狀況得到明顯的改善。

1 項目實施方案

1.1 實施方案

該項目主要由機械運動部分、控制驅動部分和電源模塊3大部分組成。

1.2 機械運動部分

機械運動部分主要包括機械臂、安裝底盤、麥克納姆輪、直流電機及聯軸器、推桿電機。本項目使用一組麥克納姆輪來實現不同方向的組合運動。另外，根據項目的研究目標，本項目粉刷機需要在2個墻體的弧線形轉角處進行均勻的粉刷。因此，需要對運動底盤以上的整個機械臂增加一個轉向機構。

1.2.1 麥克納姆輪運動部分

麥克納姆輪運動部分由麥克納姆輪、聯軸器、高減速比直流電機組成。麥克納姆輪的運動受STC89C52型單片機控制并由藍牙APP實現人機信息交互。

1.2.1.1 麥克納姆輪的選型

項目選用一組直徑162 mm的麥克納姆輪，左旋和右旋的輪胎各2只。單個麥克納姆輪承重能力為15～20 kg。

1.2.1.2 直流電機的選型

根據設計要求，粉刷機單向移動速度設計為200～300 cm/min。計算電機轉速范圍為3.93～5.89 r/min。

1.2.1.3 運動底盤設計

采用普通鋁材質地的圓盤，尺寸：直徑d＝1 000 mm，厚度B1＝7 mm。計算底盤質量m1＝14.84 kg。

1.2.2 四軸機械臂運動部分

機械臂運動部分由回轉齒輪、臂架、推桿電機、粉刷頭組成。回轉齒輪帶動整個機械臂系統做回轉運動，推桿電機推動三支臂架做繞鉸合點做旋轉運動，粉刷頭由墻壁刷和低速直流電機組成。

1.2.2.1 機械臂臂架選型

臂架選用3支75 mm×75 mm×1 500 mm，65 mm×65 mm×1 200 mm，75 mm×75 mm×1 000 mm的鋁方管，壁厚2.5 mm。根據普通鋁板的密度ρ＝2.7×103kg/m3，粗略計算總重：m2=ρ×v＝6.91 kg（不計銷連接處的材料損失）。

1.2.2.2 推桿電機和粉刷頭電機選型

電動機根據機械臂運動的選型如表1所示。

表1 推桿電機數據

選擇2個推桿電機，工作行程分別為300 mm和550 mm（當S＜300 mm時，L＝100 mm；S＞300 mm時，L＝148 mm；安裝距離指推桿全部收回后，頭、尾兩端固定點的距離）。

1.3 控制驅動部分

使用最小單片機系統，控制芯片選用STC89C52單片機芯片。驅動電機的模塊采用L298N雙H橋電機驅動板，包括大電流驅動板1個和小電流驅動板3個。

1.3.1 高減速比直流電機的控制

采用小電流的L298N雙H橋電機驅動板，可同時驅動2個直流電機，完成底盤、回轉齒輪以及粉刷頭的運動。單個L298N雙H橋電機驅動板的單橋驅動最大電流為2A，邏輯電壓為5 V，邏輯電流范圍0～35 mA，驅動電壓范圍5～35 V，最大功率25 W。

1.3.2 推桿電機的控制

采用大電流的L298N雙H橋電機驅動板，可同時驅動2個直流電機，完成電動推桿的推、拉運動。單個L298N雙H橋電機驅動板的單橋驅動最大電流為7A，邏輯電壓可接5 V或3.3 V，邏輯電流范圍0～40 mA，驅動電壓范圍6.5～27 V，最大功率160 W。考慮到推桿電機負重較大，啟動電流較高（4/A），反復啟動會燒毀小電流的L298N雙H橋電機驅動板，因此采用大電流的驅動板。

1.4 電源模塊

1.4.1 邏輯電壓電源

采用額定電壓4.8 V、容量1 800 mAh的可充電普通電池，可持續提供單片機和電機驅動板持續工作35 h以上，滿足工作時間要求。

1.4.2 電機驅動電源

選用額定電壓12 V、容量7Ah的鉛酸蓄電池。

1.4.3 電源功率核算

6個高減速比直流電機和2個電動推桿，按照額定功率估算電流約為I總＝3.98A。考慮到底盤運動電機實際工作負載接近于空載，支持臂架回轉的電機只在圓弧形墻壁結合處工作，支持臂架運動的推桿電機只在改變粉刷高度時才工作，將改變粉刷高度的工作時間估計為粉刷時間的50%，使用加權的方法重新估算工作時的持續電流約為I總＝0.90A。由此可知，使用7 Ah的蓄電池可以持續工作將近7.8 h。因此，所選的蓄電池具有足夠長的工作續航時間。

2 結束語

投入半自動化的墻壁粉刷機將大大提高墻壁的粉刷效率，減輕工人們的勞動負擔；在進行有害涂料粉刷時，可以有效維護作業工人的身體健康。同時，隨著我國城鎮化步伐的進一步加快，樓房會持續增多，房屋的粉刷工作也會進一步增多，結合粉刷機的各種優點看來，室內粉刷機具有較好的發展前景。

參考文獻：

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