建筑收口打胶机器人的设计与研究

王宏哲 杨 川

（广东博智林机器人有限公司，广东 佛山 528000）

0 引言

在建筑装修阶段，室内装修收口位置的涂胶工作都需要人工处理，缺少自动化的涂胶设备。人工涂胶对施工人员有较高的要求，需要一定的经验和技能水准，因此，不仅难以保证收口位置的涂胶质量，而且还可能存在涂胶效率低的问题。该文设计了一款建筑打胶机器人，其主要工作流程如下：工人将胶筒放在储料仓内，机械臂从储料仓内抓取胶筒，机械臂按照BIM和视觉识别系统提供的数据移动至施工位置，将视觉传感器坐标系中的打胶轨迹转换为机械臂坐标系下的最终打胶轨迹，从而对建筑收口位置进行涂胶。

1 总体结构

如图1所示[1]，建筑收口打胶机器人的结构主要分为3个部分，第一部分为移动底盘，第二部分为打胶实施区，第三部分为控制单元及物料储存区。

移动底盘主要采用钢板焊接而成，锂电池安装在底盘上。底盘的长为600 mm，宽为550 mm，前后安装避障雷达，防止在行驶过程中发生碰撞，使打胶机器人可以在施工房间内自由穿梭。

打胶实施区主要由自动打胶枪、机械臂升降机构组成。自动打胶枪安装在机械臂末端，机械臂安装在升降机构上。施胶时，自动打胶枪随着机械臂末端的运动轨迹进行打胶。

控制单元和物料存储区主要包括电器柜、储料箱和安全激光扫描仪。打胶机器人顶部安装的激光扫描仪可以检测障碍物，避免发生碰撞。所有电器元件和硬件都安装在电器柜内。

采用该布局方式主要考虑的是设备载荷的平衡分布，保证打胶机器人在行走过程和打胶过程中能稳定运行。

2 打胶机器人的移动底盘

如图2所示[2]，移动底盘是打胶机器人的运动执行机构，既要承担整机质量，又要适应不同的路况，在建筑机器人中，移动底盘主要有以下4种结构设计方式：1）舵轮+万向从动轮结构。2）全舵轮结构。3）普通驱动轮结构。4）麦克纳姆轮结构。

该文所设计的打胶机器人的移动底盘采用双舵轮+双万向轮的对角布置结构。该布置方式灵活性和越障能力较高，可以通过狭窄的通道，实现原地回转和平移等功能。移动底盘前后安装有避障雷达，可以在行进过程中发现障碍物并进行预警，防止发生碰撞。舵轮是移动底盘的驱动部分，舵轮的选择尤为重要。

舵轮的选型计算如下。如图3所示，对打胶机器人的运行工况进行模拟。打胶机器人的整机质量m=460 kg，在只有3 个轮子着地的情况下，每个轮子需要承载153.3 kg。工地房间的门槛高度为30 mm，室外转场的路面坡度θ=10°，选用橡胶轮轮径D=200 mm，F0如公式（1）所示。

式中：μ为滚动阻力系数μ=0.001 5 m；r为车轮半径r=0.100 0 m；g为重力加速度，g=9.8 m/s2。

底盘采用双舵轮驱动，取n=2（n为驱动轮数量）；考虑现场恶劣的环境和连续运转的情况，取安全系数K=1.3，传动效率η=0.92，底盘最大的运行速度V0=1 m/s。功率P0、输出转速n1和减速比i如公式（2）～公式（4）所示。

式中：n电为电机额定转速，n电=3 000 r/min。

通过分析底盘的运动状态可以计算额定转矩M0、坡道起步时的转矩M1以及越障时的转矩M2，如公式（5）～公式（7）所示。

式中：a为移动底盘的坡道加速度，a=1 m/s2；y为总轮子数量，y=4；H为越障高度，H=0.03 m。

根据上述计算参数可以选取舵轮型号。

2 打胶机器人的升降机构

如图4所示，打胶机器人的升降机构由伺服电机提供驱动动力，通过同步带轮将动力传给丝杠[3]，以直线导轨作为导向机构。当打胶位置处于高位时，升降机构可先按需升高机械臂整体，再由机械臂进行打胶作业，完成高位打胶后升降机构恢复到初始位置。作为升降机构驱动动力的来源，可以通过计算选取伺服电机的型号。

升降机构伺服电机的选型计算如下。伺服电机与大同步带轮（齿数Z1=40）相连，带动小同步带轮（齿数Z2=26）旋转。升降机构的升降速度Vt=18 m/min，升降距离LB=0.79 m，加速度a=0.5 m/s2，丝杠导程PB=10.00 mm。可以计算减速比i和伺服电机的转速n，如公式（8）和公式（9）所示。

在负载m总=35 kg的作用下，运动部件所受的力分解为稳态拉力Fa，动态拉力Fb和摩擦阻力Fc，摩擦系数μ=0.1，总拉力F，如公式（10）所示。

伺服电机的驱动力一般由电机的额定扭矩决定，考虑悬臂弯矩效率η=90%，且还需要考虑设备连续运行的稳定性，因此选择安全系数K=1.4，扭矩Ta如公式（11）所示。

当伺服选型时，除考虑电机的扭矩和额定速度等因素外，还需要计算机械系统换算到电机轴的惯量。升降机构中主要负载惯量JL和滚珠丝杠惯量JB如公式（12）和公式（13）所示。

式中：ρ为丝杠密度；ρ=7 900 kg/m³；DB为丝杠直径，DB=0.02 m。

电机端所需的惯量与机械系统的总惯量和减速比有关，通过公式（14）可以计算电机端惯量JS=7.889×10-5kg·m2。

电机功率P如公式（15）所示。

根据上述计算参数可以选择合适的伺服电机型号。

4 打胶机器人机械臂的选型

如图5所示，打胶机器人的机械臂除了按照运动轨迹完成正常的打胶工作外，还需要自动去料仓中取满胶筒，当胶筒内胶料用完时，机械臂按照指令将空胶筒放进回收料箱内。要求机械臂的覆盖范围至少为800 mm，末端负载要求为5 kg。选择协作机械臂AUBO-i5[4]可以满足要求，AUBO协作机械臂质量轻、精度高、安全性高且安装方便，同时具备先进的碰撞检测功能，发生非预期碰撞会自动停止运行，保护操作人员及周围设备不受伤害。AUBO-i5臂展为1 008 mm，定位精度（±0.02） mm。

5 打胶机器人的自动打胶枪机构

如图6所示[5]，自动打胶枪采用气动推胶形式，压缩空气通过打胶枪的气动密封处进入胶筒内腔。气动密封机构采用O型密封圈密封，由步进电机带动气动密封机构移动实现打胶枪的封堵功能。

当打胶机器人开始作业时，线激光将扫描出来的轨迹转换成机械臂运动轨迹，自动打胶枪按照机械臂运动轨迹完成打胶作业。当打胶过程中遇到阴角或阳角位置时，可以通过胶嘴旋转机构将胶嘴位置旋转到合适位置，实现打胶全覆盖的目标。

5.1 线激光的选择

如图7所示，线激光安装位置应距离检测面125 mm～190 mm，重复定位精度应为（±2.5） μm。

5.2 步进电机的选择

自动打胶枪气动密封装置采用贯穿式步进电机驱动，速度V=0.1 m/s，丝杠导程PB=5 mm，电机转速n，如公式（16）所示。

电机的驱动力一般由电机的额定扭矩决定，考虑存在连续运转的情况，取总体机构的效率η=90%，选择安全系数K=1.5，因为是电机直连，所以减速比i=1，摩擦系数μ=0.69[6]，滑动部分负载的质量m=1 kg，计算得转矩TL，如公式（17）所示。

当步进电机选型时，除考虑电机的扭矩和额定速度等因素外，还需要计算机械系统换算到电机轴的惯量。主要计算负载惯量JL和滚珠丝杠的惯量JB，如公式（18）和公式（19）所示。

式中：ρ为丝杠密度，ρ=7 900 kg/m³[7]；LB为丝杠长度LB=0.135 m；DB为丝杠直径，DB=0.01 m。

总惯量JA如公式（20）所示。

根据上述计算参数可以选择合适的步进电机型号。

5.3 胶嘴旋转机构的计算

胶嘴旋转机构主要是将打胶枪胶嘴的角度旋转到合适的位置，在打胶枪胶嘴出胶时能保证胶料不外溢，从而保证打胶的质量。胶嘴旋转机构主要通过电机带动大同步带轮（Z1=60）和小同步带轮（Z2=32）旋转，使负载质量m=0.12 kg的胶嘴转动，负载惯量JA如公式（21）所示。

式中：R为同步带轮半径，R=0.022 m；h为旋转机构长度，h=0.08 m。

电机端所需的惯量与机械系统的总惯量和减速比有关，电机端惯量J电如公式（22）所示。

根据上述计算参数可以选择合适的电机型号。

6 结语

该文对建筑收口打胶机器人整机进行设计，结果表明，该技术可以应用到科技建筑领域。该文对AGV底盘、升降机构、机械臂及自动打胶枪进行设计，并对底盘爬坡和越障能力进行论证，可以确保打胶机器人行走速度大于或等于1 m/s，爬坡角度小于或等于10 °，越障能力小于或等于30 mm。

打胶机器人通过视觉引导系统结合BIM系统和路径规划系统进行施工，可以提高打胶效率和打胶质量。该文的设计计算结果为建筑机器人的发展提供了新的思路和参考价值。