一种室内刷墙机器人的研发*

刘先明，陈 伟

（深圳职业技术学院 机电工程学院，广东 深圳 518055）

一种室内刷墙机器人的研发*

刘先明，陈 伟

（深圳职业技术学院 机电工程学院，广东 深圳 518055）

目前我国建筑行业室内粉饰工程主要采用依靠脚手架的传统人工作业方式，劳动强度大、工作环境恶劣．鉴于此，作者利用真空液体增压技术、光电技术、伺服驱动技术、混合及过滤技术，研发了一种建筑室内刷墙机械人，其主要组构有车载机构、串联式四轴坐标模组等．采用PID控制器，实现对墙面自动检测，并驱动机器进行运动补偿，在有效的作业范围内使机器人自动升降，保证建筑物室内粉刷的质量和安全性．

刷墙机器人；自动喷刷；增压技术

1 刷墙机器人系统结构设计

笔者研发的室内刷墙机器人采用坐标式机器人串联组合结构，主要由电动牵引车、喷涂机[1]及喷抢机构、搅拌器、串联式钢模组等构成．依据施工作业现场特点，设计为模块化的机构，承载平台主要由蓄电池、直流电机、车架、驱动轴及轴承组成；抹头提升机构主要由钢模组、伺服电机、减速器构成；浆料喷刷装置主要由喷涂机、喷抢、伺服电机、减速器构成；混合搅拌过滤装置主要由过滤器、搅拌器、步进电机、减速器构成；墙面的检测装置主要由传感器组及控制电路组成；喷涂补偿系统主要由坐标式机器人模组及传感器组成；功能切换装置主要由液流阀和换向阀组成．其整体结构如图1所示．

图1 机器人整体结构

该刷墙机器人设计的作业标准如下：

1）喷抢距墙面保持在300～350mm内；

2）喷涂运动为水平的平行运动，且线与线之间有一定重合度，喷一段后，机器向上平移一段距离再重复上述喷涂运动．喷刷石灰水与喷涂油漆工艺方法相同，只需将作业材料进行切换即可满足施工要求；

3）抹头至墙面的距离保持在2～5mm之间，泥桨厚度3～6mm；

4）抹刷与喷刷两功能分开，按作业要求选用．

2 运动控制

图2为机器人控制图，主要由位置传感器、自动补偿伺服驱动系统、涂料浇注混合系统、液体控制系统、抹头提升驱动系统、机器人行走驱动系统等组成．在控制器控制下，可根据作业的不同要求，切换到不同的作业方案，即可实施诸如对墙面的清洗、喷漆、抹泥浆等作业．车载机构由蓄电池为动力源，上方承载刷墙装置和喷涂及搅拌机构，下方由车轮驱动，具有前后移动和转向功能，其移动功能可以手动推动或由电机驱动实现．其转向功能由安装在该车载机构上的机械方向盘或机械手柄操控．采用两组二轴模组，第一组二轴模组与第二组二轴模组串联，实现机器的上升与下降的功能，并在机座底部设置的二轴模组中由一轴模组是沿着墙面垂直方向运动，以实现对墙面运动补偿．在控制器的作用下，实现对墙壁的准确定位，喷涂、抹刷等过程，形成一个自动循环的往复运动．为方便操控和简化其结构，车载机构的移动及转向功能可以由遥控器操控．

图2 机器人控制图

搅拌机构的搅拌桶固定于车载机构上，搅拌电机通过一个固定于车载机构1或搅拌桶上的支撑架来固定，搅拌桨伸入搅拌桶内部并由搅拌电机驱动喷涂机的进料口管道，连通搅拌桶的出料口在搅拌桶的出料口处设置过滤网，以防止结块或自身体积较大的涂料或油漆进入喷涂机内影响后续刷墙质量．可根据不同的物料，在操作面板上选择搅拌速度，分为快、中、慢3档，以保证喷涂物的均匀和细腻．喷涂机采用增压技术，可实现高压，使喷涂的物料在进入到墙面时呈雾状喷物，使墙面达到光滑，不留任何流痕．在电机的驱动下使喷枪组件实现向上或向下的仰角，从而实现对墙面的死角或天花板部位的喷刷．

基于PCI总线[2]的伺服/步进电机的运动控制卡控制4个旋转轴电机的运动，机器人的相对运动位置模式[3]是一种增量运动，即每次运动的位移量是相对于前一次运动的终点，而绝对运动位置模式[4]是一种相对于机器人零位位置的运动．系统的控制量为关节的位置量，执行部分是直流旋转电机，传感器采用旋转式光电编码器，反馈信号为光电编码器的脉冲信号（A，B两相），以PCIl04嵌入式计算机以及ADT652扩展卡为计算控制单元，输出脉宽调制（PWM）波，通过放大器电路驱动直流电机，设定控制程序的采样周期．在此使用0.2 ms采样周期在每个采样周期内，计算机读取编码器反馈的脉冲状态．通过比较A，B两相脉冲状态的变化计数脉冲数，计算出电机的运动绝对位置量，并通过离散微分器计算出当前速度值，再与目标位置数据一起，经过离散PID调解器计算出下一步的控制量，并输出相对应的PWM波，实现控制驱动电机的有效电压，达到调速的目的．

运动控制可在控制界面进行设置，设置分为：① 自动模式，即由预先设置好的动作指令自动进行操作，如人工倒入涂料，上盖，开启搅拌机，喷涂机启动，真空抽料并过滤，调整喷抢与墙面角度，打开喷抢，模组运动，带动喷抢均匀喷涂，沿水平方向运动一段行程并返回，机构提升一跨度又重复上次动作，完成一段作业后，小车向前移动一行程，依次循环作业；② 手动模式，运动的速度及行程，可在控制面板上设置并保存，再按开启，机器就会按照新设置的指令进行操作机器的操控，可在距机器20 m以外的地方进行操作，施工作业时，人工不需要跟随机器行进，减少了人工辅助作业的时间，作业安全、可靠、高效．

[1] 刘先明．锂电池自动抛投机构及检测的设计[J]．郧阳师范高等专科学校学报，2009，29（3）：58-59．

[2] 刘先明．锂电池撞击自动检测机构的研究[J]．广东教育学院学报，2010，30（3）：35-37．

[3] 刘先明．锂电池半自动套壳机构的研究[J]．广东第二师范学院学报，2009，29（3）：59-61．

[4] 刘先明．一种双臂机器人的设计与实现[J]．深圳职业技术学院学报，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

*项目来源：深圳职业技术学院自然科学研究重点资助项目（项目编号：601622K21004）

刘先明（1959-），男，湖北十堰人，硕士，高级工程师，研究领域为机械工程及工程材料．