高層建筑外墻智能噴涂機(jī)器人的設(shè)計

梁渝普，劉瀟翔，李俊楠，肖紹裕，王玉琳

（合肥工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，合肥 230009）

0 引言

隨著我國城鎮(zhèn)化進(jìn)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(zhì)量[2]，《建筑裝飾裝修工程質(zhì)量驗收標(biāo)準(zhǔn)》[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(jìn)行裝飾[4]，提倡應(yīng)用仿真石涂料及乳膠漆等進(jìn)行涂覆[5]。目前，針對高層建筑外墻的噴涂，國內(nèi)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(jìn)行高空作業(yè)，人身安全系數(shù)低，勞動強度大，噴涂效率低，噴涂質(zhì)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(nèi)雖有學(xué)者提出了一些噴涂機(jī)器人，但多停留在設(shè)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(jī)器人，工作時僅僅依賴吸附機(jī)構(gòu)吸附在建筑物的外墻，當(dāng)風(fēng)速較大時容易從高空跌落。郭朝連[14]等設(shè)計的高層建筑外墻噴涂智能機(jī)器人，機(jī)體沒有墻面吸附裝置，其吊籃僅由吊索與樓頂連接，防風(fēng)性能差，且當(dāng)噴槍垂直墻面噴涂時，吊籃會受到遠(yuǎn)離墻面的反作用力，將會產(chǎn)生晃動。陶民[15]提出的外墻面刮灰、噴涂、清洗機(jī)器人，在工作過程與墻面也無吸附動作，所以也無抗風(fēng)能力，且機(jī)器人與墻面間沒有支撐，風(fēng)吹或者噴涂產(chǎn)生反作用力時，機(jī)器人會與墻面發(fā)生碰撞。

為了彌補上述現(xiàn)有技術(shù)所存在的不足之處，本文設(shè)計了一種適應(yīng)能力強、自動化程度高、噴涂質(zhì)量好、噴涂效率高、抗風(fēng)能力強、安全系數(shù)高，無需工人進(jìn)入吊籃的高層樓宇外墻智能噴涂機(jī)器人。

1 噴涂機(jī)器人的結(jié)構(gòu)組成

如圖1所示，高層建筑外墻智能噴涂機(jī)器人由上機(jī)體1和下機(jī)體2組成。上機(jī)體1固定于建筑物4的頂部，下機(jī)體2吸附于建筑物4的外墻壁3上，其中上機(jī)體1和下機(jī)體2通過繩索24進(jìn)行連接。下面分別介紹噴涂機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計。

圖1 噴涂機(jī)器人的安裝布局

1.1 機(jī)器人上機(jī)體

如圖2所示，上機(jī)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(jī)構(gòu)，帶有編碼器9的卷揚電動機(jī)8通過聯(lián)軸器1帶動減速機(jī)6旋轉(zhuǎn)，減速機(jī)6的輸出軸帶動卷筒16和12旋轉(zhuǎn)，卷筒16、12上纏繞有繩索并分別通過定滑輪5、13與下機(jī)體2進(jìn)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(chǎn)生前后移動。卷揚電動機(jī)8、減速機(jī)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(xiàn)在軌道23上的移動。

1.2 機(jī)器人下機(jī)體

如圖2和圖3所示，噴涂機(jī)器人的下機(jī)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(fēng)阻的流線型設(shè)計，其4個角落分布有風(fēng)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(yīng)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(jī)構(gòu)進(jìn)行連接，伺服電動機(jī)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(jī)器人的三維外觀

圖3 噴涂機(jī)器人的下機(jī)體機(jī)構(gòu)

1.3 行走機(jī)構(gòu)

如圖4所示，噴涂機(jī)器人的行走機(jī)構(gòu)51由中間板21、底板22和行走滑臺78組成。中間板21的外側(cè)安裝有控制箱42、陀螺儀43和蓄電池44，其內(nèi)側(cè)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(jī)45經(jīng)聯(lián)軸器46驅(qū)動滑動絲杠49轉(zhuǎn)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(dāng)伺服電動機(jī)45旋轉(zhuǎn)時，中間板21即可實現(xiàn)在直線導(dǎo)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(jī)構(gòu)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(jī)控制推桿的伸縮，真空泵控制真空吸盤產(chǎn)生負(fù)壓。

圖4 噴涂機(jī)器人的行走機(jī)構(gòu)

1.4 四軸工作臺

如圖5所示，噴涂機(jī)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(jī)52、Y軸伺服電動機(jī)63、Z軸伺服電動機(jī)69和C軸伺服電動機(jī)57控制。噴槍20固接在由C軸伺服電動機(jī)57驅(qū)動的蝸桿-蝸輪減速機(jī)59的輸出轉(zhuǎn)軸67上，可以實現(xiàn)繞Z軸的C向轉(zhuǎn)動。

圖5 噴涂機(jī)器人的四軸工作臺

圖5中，蝸桿-蝸輪減速機(jī)59的基座固接在Z向滑臺68的上表面，Z軸伺服電動機(jī)69驅(qū)動垂向絲杠72旋轉(zhuǎn)，噴槍20可在Z向滑臺68上實現(xiàn)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(jī)構(gòu)53的皮帶上，同步帶機(jī)構(gòu)53由X軸伺服電動機(jī)52驅(qū)動，噴槍20由X軸伺服電動機(jī)52驅(qū)動可在X軸線性模組71的滑塊66上實現(xiàn)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(jī)63通過轉(zhuǎn)軸65可以同時驅(qū)動同步帶機(jī)構(gòu)64和70旋轉(zhuǎn)，從而實現(xiàn)噴槍20在相互平行的線軌55和61上的Y向運動。

2 噴涂機(jī)器人的控制方法

2.1 總體方案

如圖3所示，噴涂機(jī)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(jìn)行反饋，下機(jī)體2的位姿由陀螺儀43進(jìn)行檢測，風(fēng)速由風(fēng)速檢測儀29～32進(jìn)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(jī)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(jī)體2的下方有無障礙物或離開地面的距離?？刂葡?2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(fù)壓傳感器進(jìn)行檢測，并向控制箱42反饋吸附情況。

2.2 無風(fēng)狀態(tài)快速移動

如圖3所示，當(dāng)控制系統(tǒng)感知風(fēng)速很小時，松開中間板21和和底板22上的所有吸附足，下機(jī)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(jī)8即可通過繩索24實現(xiàn)噴涂機(jī)器人下機(jī)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(jī)8裝有編碼器9，其轉(zhuǎn)角與轉(zhuǎn)速均可測量，基于控制箱42通過繩索24即可對下機(jī)體2進(jìn)行升降位移和升降速度的控制。

2.3 有風(fēng)狀態(tài)向下移動

如圖3和圖4所示，在風(fēng)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(jī)45使其順時針旋轉(zhuǎn)（已知滑動絲杠49為右旋螺紋），則中間板21產(chǎn)生下移動作，直至運動到對應(yīng)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(jī)45使其逆時針旋轉(zhuǎn)，則底板22產(chǎn)生下移動作，直至運動到對應(yīng)的極限位置。在啟動伺服電動機(jī)45逆時針旋轉(zhuǎn)的同時，同步控制圖2中卷揚電動機(jī)8逆時針旋轉(zhuǎn)，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(xiàn)機(jī)器人下機(jī)體2沿建筑物外墻向下移動。

2.4 有風(fēng)狀態(tài)向上移動

如圖3和圖4所示，當(dāng)控制系統(tǒng)感知風(fēng)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(jī)45逆時針旋轉(zhuǎn)，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(jī)45順時針轉(zhuǎn)動，則底板22上移，直至極限位置。當(dāng)伺服電動機(jī)45順時針轉(zhuǎn)動時，同步控制圖2中卷揚電動機(jī)8順時針旋轉(zhuǎn)，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(xiàn)機(jī)器人下機(jī)體2沿建筑物外墻向上移動。

2.5 機(jī)器人的噴涂路徑

如圖1所示，當(dāng)下機(jī)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(wù)后，松開下機(jī)體2上所有吸附足且松開上機(jī)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(zhǔn)備。

如圖4和圖5所示，當(dāng)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(jìn)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(jī)52的驅(qū)動下，噴槍20可以實現(xiàn)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(jī)63的驅(qū)動下，噴槍20可以實現(xiàn)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(jī)69的驅(qū)動下，噴槍20可以實現(xiàn)Z向運動，從而調(diào)節(jié)噴槍20與外墻壁3之間的距離；在C軸伺服電動機(jī)57的驅(qū)動下，噴槍20可以實現(xiàn)繞Z軸的C向轉(zhuǎn)動，從而完成噴槍20在外墻壁3的旋轉(zhuǎn)噴涂。

綜上所述可知，噴涂機(jī)器人在控制箱42 的控制下，下機(jī)體2在建筑物外墻壁3上可以從上往下或從下往上進(jìn)行往復(fù)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(jìn)行往復(fù)噴涂，其噴涂軌跡如圖7所示。

圖6 噴涂機(jī)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(jī)器人的有益效果

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本文所提出的高層建筑外墻噴涂機(jī)器人的有益效果體現(xiàn)在：1）機(jī)器人上機(jī)體的卷揚機(jī)構(gòu)通過兩根繩索同步牽引下機(jī)體，可以保證機(jī)器人穩(wěn)定運行、不會傾覆；2）機(jī)器人無論是在爬壁過程還是噴涂過程，其下機(jī)體一方面有足夠多的吸附足吸牢在墻壁，另一方面被樓頂?shù)膬蓷l繩索牽引，從而保證了下機(jī)體的絕對穩(wěn)定；3）當(dāng)機(jī)器人遇到窗臺、陽臺等墻面突起物時，上機(jī)體的滑動架可以在固定架上自由滑動，從而自動適應(yīng)下機(jī)體與突起物表面之間的距離；4）在有風(fēng)狀態(tài)下，機(jī)器人下機(jī)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(jī)體還被繩索牽引，因此下機(jī)體具有抗風(fēng)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(jī)體還被繩索牽引，因此下機(jī)體既可以抗風(fēng)，又可以防止噴槍垂直墻面噴涂所產(chǎn)生的反沖力，保證下機(jī)體不會晃動，大大提高安全性，同時提高噴涂質(zhì)量；6）機(jī)器人下機(jī)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(fēng)能力，還具備一定的越障能力；7）當(dāng)風(fēng)速很小時，下機(jī)體所有吸附足可與墻面脫開，卷揚電動機(jī)可通過繩索實現(xiàn)下機(jī)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(jī)體的外表面采用減小風(fēng)阻的流線型設(shè)計，可以抵抗橫向來風(fēng)，提高下機(jī)體的平穩(wěn)性；10）下機(jī)體安裝有全景攝像頭、陀螺儀、激光傳感器、風(fēng)速檢測儀、負(fù)壓傳感器等，大大提高了機(jī)器人的可靠性、穩(wěn)定性、安全性和智能性。

4 結(jié)語

本文所提出的高層建筑外墻噴涂機(jī)器人已經(jīng)申請國家發(fā)明專利并已進(jìn)入實審階段，目前，樣機(jī)試制工作正在開展。該機(jī)器人適應(yīng)能力強、自動化程度高、噴涂質(zhì)量好、噴涂效率高、抗風(fēng)能力強、安全系數(shù)高，無需工人進(jìn)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(yīng)用前景廣闊，經(jīng)濟(jì)效益和社會效益明顯。