高层建筑外墙智能喷涂机器人的设计

梁渝普，刘潇翔，李俊楠，肖绍裕，王玉琳

（合肥工业大学 机械工程学院，合肥 230009）

0 引言

随着我国城镇化进程的快速发展，城乡新建的高层建筑越来越多[1]。为了解决建筑安全隐患和提高城市生态质量[2]，《建筑装饰装修工程质量验收标准》[3]规定，禁止高层建筑外墙使用瓷砖、马赛克等容易脱落的材料进行装饰[4]，提倡应用仿真石涂料及乳胶漆等进行涂覆[5]。目前，针对高层建筑外墙的喷涂，国内市场尚无自动喷涂装置销售[6]，行业主要采用传统的吊篮作业模式[7-9]，喷涂人员搭乘吊篮进行高空作业，人身安全系数低，劳动强度大，喷涂效率低，喷涂质量差，人工成本高，二次喷涂施工繁琐，且涂料有毒、有害[10-12]。

近几年，国内虽有学者提出了一些喷涂机器人，但多停留在设计思路上，且有不少欠缺。沈库[13]提出了一种高层建筑外墙喷涂机器人，工作时仅仅依赖吸附机构吸附在建筑物的外墙，当风速较大时容易从高空跌落。郭朝连[14]等设计的高层建筑外墙喷涂智能机器人，机体没有墙面吸附装置，其吊篮仅由吊索与楼顶连接，防风性能差，且当喷枪垂直墙面喷涂时，吊篮会受到远离墙面的反作用力，将会产生晃动。陶民[15]提出的外墙面刮灰、喷涂、清洗机器人，在工作过程与墙面也无吸附动作，所以也无抗风能力，且机器人与墙面间没有支撑，风吹或者喷涂产生反作用力时，机器人会与墙面发生碰撞。

为了弥补上述现有技术所存在的不足之处，本文设计了一种适应能力强、自动化程度高、喷涂质量好、喷涂效率高、抗风能力强、安全系数高，无需工人进入吊篮的高层楼宇外墙智能喷涂机器人。

1 喷涂机器人的结构组成

如图1所示，高层建筑外墙智能喷涂机器人由上机体1和下机体2组成。上机体1固定于建筑物4的顶部，下机体2吸附于建筑物4的外墙壁3上，其中上机体1和下机体2通过绳索24进行连接。下面分别介绍喷涂机器人的结构设计。

图1 喷涂机器人的安装布局

1.1 机器人上机体

如图2所示，上机体1通过两根轨道23固定在楼顶17上，轨道23之上安装有一套卷扬机构，带有编码器9的卷扬电动机8通过联轴器1带动减速机6旋转，减速机6的输出轴带动卷筒16和12旋转，卷筒16、12上缠绕有绳索并分别通过定滑轮5、13与下机体2进行连接，定滑轮5、13分别固定在滑动架15的两端，滑动架15安装于固定架14上并可在固定架14上产生前后移动。卷扬电动机8、减速机6、轴承座11和固定架14均固定在平台77上，平台77通过4只螺栓10和滑动块76可实现在轨道23上的移动。

1.2 机器人下机体

如图2和图3所示，喷涂机器人的下机体2由喷枪20、四轴工作台19、壳体18、中间板21和底板22组成。其中，喷枪20固接在四轴工作台19上，四轴工作台19固接在壳体18的上表面，底板22固接在壳体18的下表面。图3中，壳体18的外表面采用减小风阻的流线型设计，其4个角落分布有风速检测仪29～32；壳体18的顶部安装有激光传感器27和28，其底部也装有2只相应的激光传感器。图4中，中间板21与底板22之间通过丝杠-螺母机构进行连接，伺服电动机45可以带动中间板21在壳体18与底板22之间运动。

图2 喷涂机器人的三维外观

图3 喷涂机器人的下机体机构

1.3 行走机构

如图4所示，喷涂机器人的行走机构51由中间板21、底板22和行走滑台78组成。中间板21的外侧安装有控制箱42、陀螺仪43和蓄电池44，其内侧固接有4只吸附足37～40。中间板21与行走滑台78的螺母座固接，伺服电动机45经联轴器46驱动滑动丝杠49转动，滑动丝杠49的一端安装在支承座50上，行走滑台78的基座固接在底板22上。当伺服电动机45旋转时，中间板21即可实现在直线导轨47、48上的直线运动。底板22的顶部分别固接有吊耳25和26，两只吊耳与楼顶卷扬机构的绳索24相连；底板22的底部固接有4只吸附足33～36。吸附足由电动推杆和真空吸盘组成，推杆电动机控制推杆的伸缩，真空泵控制真空吸盘产生负压。

图4 喷涂机器人的行走机构

1.4 四轴工作台

如图5所示，喷涂机器人的四轴工作台19具有4个自由度，分别由X轴伺服电动机52、Y轴伺服电动机63、Z轴伺服电动机69和C轴伺服电动机57控制。喷枪20固接在由C轴伺服电动机57驱动的蜗杆-蜗轮减速机59的输出转轴67上，可以实现绕Z轴的C向转动。

图5 喷涂机器人的四轴工作台

图5中，蜗杆-蜗轮减速机59的基座固接在Z向滑台68的上表面，Z轴伺服电动机69驱动垂向丝杠72旋转，喷枪20可在Z向滑台68上实现Z向运动。Z向滑台68的基座固接在X轴线性模组71的滑块66上，滑块66固接在同步带机构53的皮带上，同步带机构53由X轴伺服电动机52驱动，喷枪20由X轴伺服电动机52驱动可在X轴线性模组71的滑块66上实现X向运动。在X轴线性模组71的基座两端分别固接有滑块54和62，滑块54和62分别固接在Y轴线性模组56和60的皮带上，Y轴伺服电动机63通过转轴65可以同时驱动同步带机构64和70旋转，从而实现喷枪20在相互平行的线轨55和61上的Y向运动。

2 喷涂机器人的控制方法

2.1 总体方案

如图3所示，喷涂机器人的控制基于控制箱42，操作者位于楼顶或地面手持操作盒通过有线或无线通信方式与控制箱42传递信息。喷涂环境由全景摄像头41进行反馈，下机体2的位姿由陀螺仪43进行检测，风速由风速检测仪29～32进行感知。壳体18顶部安装的激光传感器27和28用以检测下机体2上方有无障碍物，壳体18底部安装的2只激光传感器用以检测下机体2的下方有无障碍物或离开地面的距离。控制箱42通过两台真空泵，分别控制中间板21底部4只吸附足和底板22底部4只吸附足与外墙壁3之间的吸合或松开。8只吸附足与外墙壁吸合时均由负压传感器进行检测，并向控制箱42反馈吸附情况。

2.2 无风状态快速移动

如图3所示，当控制系统感知风速很小时，松开中间板21和和底板22上的所有吸附足，下机体2便与外墙壁3脱开连接，此时开启图2中的卷扬电动机8即可通过绳索24实现喷涂机器人下机体2沿建筑物外墙的上下连续快速移动。其中，卷扬电动机8装有编码器9，其转角与转速均可测量，基于控制箱42通过绳索24即可对下机体2进行升降位移和升降速度的控制。

2.3 有风状态向下移动

如图3和图4所示，在风大的状态下，控制底板22上的所有吸附足与外墙壁3处于吸合状态，控制中间板21上的所有吸附足与外墙壁3处于松开状态，开启伺服电动机45使其顺时针旋转（已知滑动丝杠49为右旋螺纹），则中间板21产生下移动作，直至运动到对应的极限位置。之后，控制底板22上的所有吸附足与外墙壁3处于松开状态，控制中间板21上的所有吸附足与外墙壁3处于吸合状态，控制伺服电动机45使其逆时针旋转，则底板22产生下移动作，直至运动到对应的极限位置。在启动伺服电动机45逆时针旋转的同时，同步控制图2中卷扬电动机8逆时针旋转，使得绳索24的下降速度与底板22的下降速度完全一致，如此便可实现机器人下机体2沿建筑物外墙向下移动。

2.4 有风状态向上移动

如图3和图4所示，当控制系统感知风大时，让底板22上的吸附足与外墙壁吸合，让中间板21上的吸附足与外墙壁松开，使伺服电动机45逆时针旋转，则中间板21上移，直至极限位置。然后，让底板22上的吸附足与外墙壁松开，中间板21上的吸附足与外墙壁吸合，伺服电动机45顺时针转动，则底板22上移，直至极限位置。当伺服电动机45顺时针转动时，同步控制图2中卷扬电动机8顺时针旋转，使得绳索24的上升速度与底板22的上升速度完全一致，即可实现机器人下机体2沿建筑物外墙向上移动。

2.5 机器人的喷涂路径

如图1所示，当下机体2在外墙壁3上不断间歇移动，最终完成一个竖面的喷涂任务后，松开下机体2上所有吸附足且松开上机体1上螺栓10，将平台77沿着轨道23推移一定距离，再紧固螺栓10，吸牢所有吸附足，即为下一个外墙竖面的喷涂做好了准备。

如图4和图5所示，当中间板21和底板22上的所有吸附足均与外墙壁3处于吸合状态时，即可开启喷枪20进行外墙壁3的喷涂作业。喷枪20在控制箱42的控制下可以获得4个自由度：在X轴伺服电动机52的驱动下，喷枪20可以实现X向运动，从而完成喷枪20在外墙壁3的水平喷涂；在Y轴伺服电动机63的驱动下，喷枪20可以实现Y向运动，从而完成喷枪20在外墙壁3的竖直喷涂；在Z轴伺服电动机69的驱动下，喷枪20可以实现Z向运动，从而调节喷枪20与外墙壁3之间的距离；在C轴伺服电动机57的驱动下，喷枪20可以实现绕Z轴的C向转动，从而完成喷枪20在外墙壁3的旋转喷涂。

综上所述可知，喷涂机器人在控制箱42 的控制下，下机体2在建筑物外墙壁3上可以从上往下或从下往上进行往复运动，其运动轨迹如图6所示；喷枪20在建筑物外墙壁3上可以从左往右或从右往左进行往复喷涂，其喷涂轨迹如图7所示。

图6 喷涂机器人在外墙竖面上的运动轨迹

图7 喷枪的喷涂路径

3 喷涂机器人的有益效果

与现有技术相比，本文所提出的高层建筑外墙喷涂机器人的有益效果体现在：1）机器人上机体的卷扬机构通过两根绳索同步牵引下机体，可以保证机器人稳定运行、不会倾覆；2）机器人无论是在爬壁过程还是喷涂过程，其下机体一方面有足够多的吸附足吸牢在墙壁，另一方面被楼顶的两条绳索牵引，从而保证了下机体的绝对稳定；3）当机器人遇到窗台、阳台等墙面突起物时，上机体的滑动架可以在固定架上自由滑动，从而自动适应下机体与突起物表面之间的距离；4）在有风状态下，机器人下机体在上升或下降的过程中，中间板底部的所有吸附足总是与墙面处于吸合状态，与此同时，下机体还被绳索牵引，因此下机体具有抗风能力；5）喷枪在喷涂过程中，中间板和底板上的两组吸附足同时与墙面吸合，且下机体还被绳索牵引，因此下机体既可以抗风，又可以防止喷枪垂直墙面喷涂所产生的反冲力，保证下机体不会晃动，大大提高安全性，同时提高喷涂质量；6）机器人下机体中间板和底板上两组吸附足与墙面之间交替吸附，不仅提高了抗风能力，还具备一定的越障能力；7）当风速很小时，下机体所有吸附足可与墙面脱开，卷扬电动机可通过绳索实现下机体沿建筑物外墙壁的上下快速连续移动；8）喷枪受控于四轴工作台，具有4个自由度，喷涂灵活，作业空间大；9）下机体的外表面采用减小风阻的流线型设计，可以抵抗横向来风，提高下机体的平稳性；10）下机体安装有全景摄像头、陀螺仪、激光传感器、风速检测仪、负压传感器等，大大提高了机器人的可靠性、稳定性、安全性和智能性。

4 结语

本文所提出的高层建筑外墙喷涂机器人已经申请国家发明专利并已进入实审阶段，目前，样机试制工作正在开展。该机器人适应能力强、自动化程度高、喷涂质量好、喷涂效率高、抗风能力强、安全系数高，无需工人进入吊篮；不仅可用于高层建筑外墙的喷涂作业，还可用于高层建筑外墙的清洗作业或外墙的检测作业等，应用前景广阔，经济效益和社会效益明显。