高層建筑外墻智能噴涂機器人的設計

梁渝普，劉瀟翔，李俊楠，肖紹裕，王玉琳

（合肥工業(yè)大學 機械工程學院，合肥 230009）

0 引言

隨著我國城鎮(zhèn)化進程的快速發(fā)展，城鄉(xiāng)新建的高層建筑越來越多[1]。為了解決建筑安全隱患和提高城市生態(tài)質量[2]，《建筑裝飾裝修工程質量驗收標準》[3]規(guī)定，禁止高層建筑外墻使用瓷磚、馬賽克等容易脫落的材料進行裝飾[4]，提倡應用仿真石涂料及乳膠漆等進行涂覆[5]。目前，針對高層建筑外墻的噴涂，國內市場尚無自動噴涂裝置銷售[6]，行業(yè)主要采用傳統(tǒng)的吊籃作業(yè)模式[7-9]，噴涂人員搭乘吊籃進行高空作業(yè)，人身安全系數低，勞動強度大，噴涂效率低，噴涂質量差，人工成本高，二次噴涂施工繁瑣，且涂料有毒、有害[10-12]。

近幾年，國內雖有學者提出了一些噴涂機器人，但多停留在設計思路上，且有不少欠缺。沈庫[13]提出了一種高層建筑外墻噴涂機器人，工作時僅僅依賴吸附機構吸附在建筑物的外墻，當風速較大時容易從高空跌落。郭朝連[14]等設計的高層建筑外墻噴涂智能機器人，機體沒有墻面吸附裝置，其吊籃僅由吊索與樓頂連接，防風性能差，且當噴槍垂直墻面噴涂時，吊籃會受到遠離墻面的反作用力，將會產生晃動。陶民[15]提出的外墻面刮灰、噴涂、清洗機器人，在工作過程與墻面也無吸附動作，所以也無抗風能力，且機器人與墻面間沒有支撐，風吹或者噴涂產生反作用力時，機器人會與墻面發(fā)生碰撞。

為了彌補上述現有技術所存在的不足之處，本文設計了一種適應能力強、自動化程度高、噴涂質量好、噴涂效率高、抗風能力強、安全系數高，無需工人進入吊籃的高層樓宇外墻智能噴涂機器人。

1 噴涂機器人的結構組成

如圖1所示，高層建筑外墻智能噴涂機器人由上機體1和下機體2組成。上機體1固定于建筑物4的頂部，下機體2吸附于建筑物4的外墻壁3上，其中上機體1和下機體2通過繩索24進行連接。下面分別介紹噴涂機器人的結構設計。

圖1 噴涂機器人的安裝布局

1.1 機器人上機體

如圖2所示，上機體1通過兩根軌道23固定在樓頂17上，軌道23之上安裝有一套卷揚機構，帶有編碼器9的卷揚電動機8通過聯(lián)軸器1帶動減速機6旋轉，減速機6的輸出軸帶動卷筒16和12旋轉，卷筒16、12上纏繞有繩索并分別通過定滑輪5、13與下機體2進行連接，定滑輪5、13分別固定在滑動架15的兩端，滑動架15安裝于固定架14上并可在固定架14上產生前后移動。卷揚電動機8、減速機6、軸承座11和固定架14均固定在平臺77上，平臺77通過4只螺栓10和滑動塊76可實現在軌道23上的移動。

1.2 機器人下機體

如圖2和圖3所示，噴涂機器人的下機體2由噴槍20、四軸工作臺19、殼體18、中間板21和底板22組成。其中，噴槍20固接在四軸工作臺19上，四軸工作臺19固接在殼體18的上表面，底板22固接在殼體18的下表面。圖3中，殼體18的外表面采用減小風阻的流線型設計，其4個角落分布有風速檢測儀29～32；殼體18的頂部安裝有激光傳感器27和28，其底部也裝有2只相應的激光傳感器。圖4中，中間板21與底板22之間通過絲杠-螺母機構進行連接，伺服電動機45可以帶動中間板21在殼體18與底板22之間運動。

圖2 噴涂機器人的三維外觀

圖3 噴涂機器人的下機體機構

1.3 行走機構

如圖4所示，噴涂機器人的行走機構51由中間板21、底板22和行走滑臺78組成。中間板21的外側安裝有控制箱42、陀螺儀43和蓄電池44，其內側固接有4只吸附足37～40。中間板21與行走滑臺78的螺母座固接，伺服電動機45經聯(lián)軸器46驅動滑動絲杠49轉動，滑動絲杠49的一端安裝在支承座50上，行走滑臺78的基座固接在底板22上。當伺服電動機45旋轉時，中間板21即可實現在直線導軌47、48上的直線運動。底板22的頂部分別固接有吊耳25和26，兩只吊耳與樓頂卷揚機構的繩索24相連；底板22的底部固接有4只吸附足33～36。吸附足由電動推桿和真空吸盤組成，推桿電動機控制推桿的伸縮，真空泵控制真空吸盤產生負壓。

圖4 噴涂機器人的行走機構

1.4 四軸工作臺

如圖5所示，噴涂機器人的四軸工作臺19具有4個自由度，分別由X軸伺服電動機52、Y軸伺服電動機63、Z軸伺服電動機69和C軸伺服電動機57控制。噴槍20固接在由C軸伺服電動機57驅動的蝸桿-蝸輪減速機59的輸出轉軸67上，可以實現繞Z軸的C向轉動。

圖5 噴涂機器人的四軸工作臺

圖5中，蝸桿-蝸輪減速機59的基座固接在Z向滑臺68的上表面，Z軸伺服電動機69驅動垂向絲杠72旋轉，噴槍20可在Z向滑臺68上實現Z向運動。Z向滑臺68的基座固接在X軸線性模組71的滑塊66上，滑塊66固接在同步帶機構53的皮帶上，同步帶機構53由X軸伺服電動機52驅動，噴槍20由X軸伺服電動機52驅動可在X軸線性模組71的滑塊66上實現X向運動。在X軸線性模組71的基座兩端分別固接有滑塊54和62，滑塊54和62分別固接在Y軸線性模組56和60的皮帶上，Y軸伺服電動機63通過轉軸65可以同時驅動同步帶機構64和70旋轉，從而實現噴槍20在相互平行的線軌55和61上的Y向運動。

2 噴涂機器人的控制方法

2.1 總體方案

如圖3所示，噴涂機器人的控制基于控制箱42，操作者位于樓頂或地面手持操作盒通過有線或無線通信方式與控制箱42傳遞信息。噴涂環(huán)境由全景攝像頭41進行反饋，下機體2的位姿由陀螺儀43進行檢測，風速由風速檢測儀29～32進行感知。殼體18頂部安裝的激光傳感器27和28用以檢測下機體2上方有無障礙物，殼體18底部安裝的2只激光傳感器用以檢測下機體2的下方有無障礙物或離開地面的距離。控制箱42通過兩臺真空泵，分別控制中間板21底部4只吸附足和底板22底部4只吸附足與外墻壁3之間的吸合或松開。8只吸附足與外墻壁吸合時均由負壓傳感器進行檢測，并向控制箱42反饋吸附情況。

2.2 無風狀態(tài)快速移動

如圖3所示，當控制系統(tǒng)感知風速很小時，松開中間板21和和底板22上的所有吸附足，下機體2便與外墻壁3脫開連接，此時開啟圖2中的卷揚電動機8即可通過繩索24實現噴涂機器人下機體2沿建筑物外墻的上下連續(xù)快速移動。其中，卷揚電動機8裝有編碼器9，其轉角與轉速均可測量，基于控制箱42通過繩索24即可對下機體2進行升降位移和升降速度的控制。

2.3 有風狀態(tài)向下移動

如圖3和圖4所示，在風大的狀態(tài)下，控制底板22上的所有吸附足與外墻壁3處于吸合狀態(tài)，控制中間板21上的所有吸附足與外墻壁3處于松開狀態(tài)，開啟伺服電動機45使其順時針旋轉（已知滑動絲杠49為右旋螺紋），則中間板21產生下移動作，直至運動到對應的極限位置。之后，控制底板22上的所有吸附足與外墻壁3處于松開狀態(tài)，控制中間板21上的所有吸附足與外墻壁3處于吸合狀態(tài)，控制伺服電動機45使其逆時針旋轉，則底板22產生下移動作，直至運動到對應的極限位置。在啟動伺服電動機45逆時針旋轉的同時，同步控制圖2中卷揚電動機8逆時針旋轉，使得繩索24的下降速度與底板22的下降速度完全一致，如此便可實現機器人下機體2沿建筑物外墻向下移動。

2.4 有風狀態(tài)向上移動

如圖3和圖4所示，當控制系統(tǒng)感知風大時，讓底板22上的吸附足與外墻壁吸合，讓中間板21上的吸附足與外墻壁松開，使伺服電動機45逆時針旋轉，則中間板21上移，直至極限位置。然后，讓底板22上的吸附足與外墻壁松開，中間板21上的吸附足與外墻壁吸合，伺服電動機45順時針轉動，則底板22上移，直至極限位置。當伺服電動機45順時針轉動時，同步控制圖2中卷揚電動機8順時針旋轉，使得繩索24的上升速度與底板22的上升速度完全一致，即可實現機器人下機體2沿建筑物外墻向上移動。

2.5 機器人的噴涂路徑

如圖1所示，當下機體2在外墻壁3上不斷間歇移動，最終完成一個豎面的噴涂任務后，松開下機體2上所有吸附足且松開上機體1上螺栓10，將平臺77沿著軌道23推移一定距離，再緊固螺栓10，吸牢所有吸附足，即為下一個外墻豎面的噴涂做好了準備。

如圖4和圖5所示，當中間板21和底板22上的所有吸附足均與外墻壁3處于吸合狀態(tài)時，即可開啟噴槍20進行外墻壁3的噴涂作業(yè)。噴槍20在控制箱42的控制下可以獲得4個自由度：在X軸伺服電動機52的驅動下，噴槍20可以實現X向運動，從而完成噴槍20在外墻壁3的水平噴涂；在Y軸伺服電動機63的驅動下，噴槍20可以實現Y向運動，從而完成噴槍20在外墻壁3的豎直噴涂；在Z軸伺服電動機69的驅動下，噴槍20可以實現Z向運動，從而調節(jié)噴槍20與外墻壁3之間的距離；在C軸伺服電動機57的驅動下，噴槍20可以實現繞Z軸的C向轉動，從而完成噴槍20在外墻壁3的旋轉噴涂。

綜上所述可知，噴涂機器人在控制箱42 的控制下，下機體2在建筑物外墻壁3上可以從上往下或從下往上進行往復運動，其運動軌跡如圖6所示；噴槍20在建筑物外墻壁3上可以從左往右或從右往左進行往復噴涂，其噴涂軌跡如圖7所示。

圖6 噴涂機器人在外墻豎面上的運動軌跡

圖7 噴槍的噴涂路徑

3 噴涂機器人的有益效果

與現有技術相比，本文所提出的高層建筑外墻噴涂機器人的有益效果體現在：1）機器人上機體的卷揚機構通過兩根繩索同步牽引下機體，可以保證機器人穩(wěn)定運行、不會傾覆；2）機器人無論是在爬壁過程還是噴涂過程，其下機體一方面有足夠多的吸附足吸牢在墻壁，另一方面被樓頂的兩條繩索牽引，從而保證了下機體的絕對穩(wěn)定；3）當機器人遇到窗臺、陽臺等墻面突起物時，上機體的滑動架可以在固定架上自由滑動，從而自動適應下機體與突起物表面之間的距離；4）在有風狀態(tài)下，機器人下機體在上升或下降的過程中，中間板底部的所有吸附足總是與墻面處于吸合狀態(tài)，與此同時，下機體還被繩索牽引，因此下機體具有抗風能力；5）噴槍在噴涂過程中，中間板和底板上的兩組吸附足同時與墻面吸合，且下機體還被繩索牽引，因此下機體既可以抗風，又可以防止噴槍垂直墻面噴涂所產生的反沖力，保證下機體不會晃動，大大提高安全性，同時提高噴涂質量；6）機器人下機體中間板和底板上兩組吸附足與墻面之間交替吸附，不僅提高了抗風能力，還具備一定的越障能力；7）當風速很小時，下機體所有吸附足可與墻面脫開，卷揚電動機可通過繩索實現下機體沿建筑物外墻壁的上下快速連續(xù)移動；8）噴槍受控于四軸工作臺，具有4個自由度，噴涂靈活，作業(yè)空間大；9）下機體的外表面采用減小風阻的流線型設計，可以抵抗橫向來風，提高下機體的平穩(wěn)性；10）下機體安裝有全景攝像頭、陀螺儀、激光傳感器、風速檢測儀、負壓傳感器等，大大提高了機器人的可靠性、穩(wěn)定性、安全性和智能性。

4 結語

本文所提出的高層建筑外墻噴涂機器人已經申請國家發(fā)明專利并已進入實審階段，目前，樣機試制工作正在開展。該機器人適應能力強、自動化程度高、噴涂質量好、噴涂效率高、抗風能力強、安全系數高，無需工人進入吊籃；不僅可用于高層建筑外墻的噴涂作業(yè)，還可用于高層建筑外墻的清洗作業(yè)或外墻的檢測作業(yè)等，應用前景廣闊，經濟效益和社會效益明顯。