高層建筑外墻噴涂機器人的結構設計與仿真分析

李永鑫 郭安福 李俊頡 盧紅梅

（1.聊城大學 機械與汽車工程學院，聊城 252059；2.聊城大學圖書館，聊城 252059）

目前，我國房地產市場的總體發展依然較為年輕，20多年的發展自房改之后也獲得了不錯的發展機會，我國的房地產相關政策正在推動樓市朝著穩定的方向發展，樓房的發展對粉刷工的需求大大增加。當前國內外墻粉刷主要有吊板方式和吊籃方式兩種方式。吊板方式是用吊繩、吊板將人吊到工作位置進行粉刷。一般的大樓都可以用這種方式進行粉刷，但是這種方式的操作必須安全措施到位，否則危險性很大。吊籃方式是用吊繩、吊籃將人吊到工作位置進行粉刷，但大部分吊籃都非常笨重，近些年，吊籃高空墜落傷及生命的新聞屢見不鮮。

爬壁機器人[1-7]的發展歷史比較悠久，早在20世紀初，日本設計了一臺簡單的爬壁機器人樣機，此樣機所采用的原理是利用電風扇旋轉在墻壁附近產生低壓，然后再由低壓產生的負壓作為吸附力，使爬壁機器人吸附在墻壁表面，這被認為爬壁機器人領域的研究鼻祖。自此以后，爬壁機器人技術在世界范圍內得到了迅猛發展，而在這個領域，日本取得成績最為突出，美國、英國等多個國家也相繼取得了不小的成就[1-7]。

在國內，對爬壁機器人最早的研究是在1988年由哈爾濱工業大學率先進行，經過十幾年的發展，隨著一些高等學府和研究所的加入到目前為止，國內的爬壁機器人也取得了很大的成就。目前，在國內市場上現有的高空外墻噴涂裝置[8-16]，絕大多數是依靠外部作業平臺，主要有以下蜘蛛式高空作業車、車載式高空作業平臺、自行剪叉式升降平臺3種形式。但是，我國的高空作業車對國外進口依賴性比較強，國內許多城市近些年進口高空作業車的花費也與日俱增。所以，研發一種新型集攀爬、噴涂為一體的智能機器具有極其重要的意義[17]。

本次研究擬采用真空負壓吸附的原理，通過真空泵和風機造成的負壓力，使噴涂裝置吸附在高層建筑外墻上，并利用兩側輪履在外墻上移動，使得噴涂機器人能夠穩定地在高層外墻上移動，并完成高層外墻的粉刷工作。

1 整體結構與工作原理分析

1.1 整體結構

噴涂機器人整體結構如圖1所示。整個噴涂機器人采用輪履車式，主要包括驅動裝置、吸附裝置、噴涂裝置、控制裝置4個部分。驅動部分由電機、差速器、雙用可變爬行輪等裝配而成。吸附部分包括水環真空泵、整流器、電動推桿、海綿柱等。噴涂部分由噴槍主體、軟管、螺旋擠壓裝置、固定支座組成，單支噴槍包含多個自由度，4支噴槍獨立的裝配在外殼上。控制裝置部分采用單片機智能控制，通過終端遙控控制裝置的行走及涂料的噴涂。

圖1 整體結構

1.2 工作原理

噴涂機器人的噴涂流程如圖2所示，工人將裝置移動至工作區域，按下遙控裝置上的車輪變形按鈕，通過裝置內的液控系統，車輪由圓狀變成三角狀，將裝置過渡至墻壁表面，檢測裝置吸附面是否有異物，裝置安放是否符合吸附的要求，若有異物影響裝置的吸附效果，噴涂裝置將會強制停止并報警提醒，等待工人將裝置取下，重新過渡到墻壁表面；若無異物，啟動噴涂系統，檢測噴槍是否可以正常噴出，噴涂效果是否均勻，若噴涂不均勻，裝置指示燈亮起，提醒工人檢修噴涂系統；若噴涂均勻，裝置開始在墻壁正常行走，往復運動，完成噴涂作業。

圖2 噴涂過程流程圖

2 主要系統的設計

2.1 驅動系統的設計

2.1.1 驅動系統的整體設計

驅動系統主要用于保證裝置的運動及在墻壁上的平穩運行。電機提供動力輸出，通過差速器帶動兩側的輪子，輪軸處裝有帶輪，依靠皮帶，帶動前面轉動軸的轉動。驅動系統的三維模型如圖3所示。

圖3 驅動系統三維模型

2.1.2 雙用可變爬行輪的設計

整個噴涂裝置的重量較重，在運輸過程中非常困難，因此輪子設計為輪履式。但是，當噴涂裝置在墻壁上工作時，圓形輪子與墻壁的接觸面積過小，很容易導致裝置吸附的不穩定，因此本設計采用了雙用可變爬行輪，如圖4所示。當裝置運動到工作點，圓形輪胎內部支撐裝置發生變化，3個頂點處的桿件伸出，兩側的桿件收縮，使得圓形輪子可以輕松變化為三角狀輪子，增加輪子與墻壁的接觸面積，裝置的附著點由線變化為面，提升裝置在墻壁工作時的穩定性。

圖4 雙用可變爬行輪

當雙用可變爬行輪由圓形輪子變為三角狀輪子后，中軸心距離地面的距離減小，如圖5所示。設定變化值為h，本設計中圓形輪胎底部距離裝置吸附平面為H，在實際裝配中，使H=h，當變形三角狀輪子后，裝置吸附平面與三角狀底面恰好重合，實現整體裝置緊貼墻壁，提高設備的吸附性與穩定性。

圖5 距離地面高度

2.2 吸附系統的設計

2.2.1 吸附系統的整體設計

吸附系統是整個裝置的核心點，由1個風機、2個轉動軸、3個真空泵、4個海綿柱組成。系統的核心吸附為可調節滾動密封式，通過真空泵連接上下兩部分的氣體，真空泵吸進下部分的氣體，形成局部真空狀態，與外界大氣壓產生壓力差，將裝置緊緊吸附在墻壁上。裝置并不是固定在墻壁上不動，需要根據噴涂的面積來移動，因此吸附產生的力并不能一成不變，需要依據工作狀態來調整，常見的調整方式為改變電機的輸出功率，本設計中可以通過改編海綿柱的位置來調整吸附力大小。除了控制泵的輸出功率來決定吸附力大小，移動4個海綿柱的位置也可輕松實現。吸附系統的三維模型如圖6所示。

圖6 吸附裝置三維模型

2.2.2 可調節式滾動密封設計

如圖7所示，3處吸附口緊貼墻壁，4處通口保證上下可以有選擇地通氣或關閉。

圖7 吸附腔剖視圖

因此，海綿柱位置的多種可能下，裝置產生的吸附力調控范圍會更大，大致的可分為4種狀態，如圖8所示。

圖8 海綿柱位置

如圖8（a）所示，當吸附系統處于此狀態，中間通道被海綿柱堵住，此時上部分裝置內部與大氣相通，下部分氣體被壓縮，此時系統提供的吸附力中等，用于裝置在墻壁面行走時。如圖8（b）所示，當吸附系統處于此狀態，此時上下兩空腔導通，壓縮空氣值最大，提供的吸附力也最大，用于裝置停留在墻壁不移動。如圖8（c）所示，當吸附系統處于此狀態，上部分裝置與大氣相通，下部分裝置后輪處沒有吸附力，此時所受的阻力小，因此用于裝置的轉彎。如圖8（d）所示，當裝置處于此狀態，整個裝置中不提供壓力差，裝置在地面行走或不工作時，處在此狀態。

以上4種狀態的轉換依靠電動推桿來實現。如圖9所示，推桿裝有電磁鐵，4種狀態的任意切換依賴于電動推桿的設計，電磁鐵內嵌在推板內部，當海綿柱需要移動時，其中一個電磁鐵得電，當海綿柱運動到拐角處時，通過電路的設計，兩處電磁鐵不會同時得電，保證整個推桿機構的正常運行。

圖9 推桿機構

整個吸附裝置密封性要求較高，推桿機構需要采用焊接工藝，導致蓄電池不能經常性的更換，因此本設計在推桿機構外接發電機與整流器，發電機安裝在轉動軸上，皮帶帶動轉動軸上的發電機產生交流電，利用整流器的整流作用將交流電轉變為直流電儲存在蓄電池中，保證推桿的正常使用。

2.3 噴涂系統的設計

2.3.1 噴涂系統的整體設計

噴涂系統整體由4個轉動的機械臂組成，每個機械臂之間互不干涉，獨立工作，可以很好地增加噴涂范圍，提高工作效率。噴涂系統的三維模型如圖10所示。

圖10 噴涂系統三維模型

2.3.2 螺旋擠壓裝置的設計

為了減輕裝置本身的重量，涂料一般放置在樓頂，并通過軟管輸送到噴槍，但是室外作業樓層普遍偏高，當涂料到達噴槍時，無法保證有足夠的力量將涂料噴出，也就無法保障噴涂的質量。因此，本設計在噴槍內部裝有螺旋擠壓裝置，當涂料運輸到擠壓裝置的后端，通過螺旋桿件的擠壓，涂料便能均勻地噴出。另外，必須保證兩根桿件必須同時反向等速轉動，才能起到擠壓的作用，要想達到這種效果，可采用兩個馬達的設計，但由于噴槍能承受的重量有限，本設計用到8字型皮帶，這樣只需要一個馬達，一根桿件作為主動軸，另一根桿件作為從動軸，便可實現兩根軸同時反向等速轉動。螺旋擠壓裝置的三維模型如 圖11所示。

圖11 螺旋擠壓裝置

2.3.3 涂料與噴涂力

涂料的選擇對噴涂質量和環境污染影響較大，目前市面上多采用水性防腐涂料，以水性樹脂為粘合劑，水作為分散劑，涂層緊密，防水防腐，無任何VOC揮發產物，可以達到環境要求。

噴涂力由旋轉馬達和螺旋擠壓裝置提供，旋轉馬達帶動8字型皮帶傳動，螺旋擠壓裝置的工作能力取決于擠壓直徑、螺旋的螺距和轉速，可用式（1）計算：

式（1）中，D為筒體半徑，單位為m；d為螺旋軸直徑，單位為m；s為螺距，單位為m；δ為螺旋葉片厚度，單位 為m；n為螺旋轉速，單位為r/min；k為有效利用系數，k值受流體性質、外界溫度、維溫時間等多種因素影響，通過實驗求得，在估計工作能力時，k值一般可取0.25～0.40。

2.4 控制系統的設計

本裝置中心控制系統為STC89C52RC系列單片機[9]。電子控制系統是協調各組件工作的重要組件，中央控制芯片的功能應足夠強大和穩定。STC89C52RC是STC公司生產的一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K字節系統可編程Flash存儲器。STC89C52使用經典的MCS-51內核，并做了很多的改進使得芯片具有傳統的方法51單片機不具備的功能。在單芯片上，擁有靈巧的8位CPU和在系統可編程Flash，使得STC89C52為眾多嵌入式控制應用系統提供高靈活、超有效的解決方案。另外，STC89C52RC可降至0Hz靜態邏輯操作，支持兩種軟件可選擇節電模式。空閑模式下，CPU停止工作，允許RAM、定時器/計數器、串口、中斷繼續工作。最高運作頻率35MHz，6T/12T可選。如此豐富的資源，足夠完成高空噴涂機器所需要的功能。

3 關鍵部件有限元分析

噴涂裝置的吸附系統是該裝置能否穩定工作的核心，該部分除了保證能穩固地吸附在墻壁上，還要實現在墻壁上行走及轉向的功能，其受外界影響因素大，最容易出現變形等問題。因此，筆者對吸附裝置底板進行有限元分析。

運用SolidWorks軟件的Simulation功能對吸附裝置的底板進行有限元分析，真空泵施加300N吸附力、豎直向下的引力，墻壁的摩擦力、驅動系統提供的驅動力，算例結果如圖12所示，兩者的材質均為鋼。

一般結構強度條件：

式（2）中，σmax為最大應力，單位為N/m2；[σ]為許用應力，單位為N/m2；N為載荷，單位為N；A為截面面積，單位為m2。

由公式（2）可知，當物體受到的最大應力σmax≤[σ]時，滿足強度第一準則。當載荷N不變時，截面面積A越大，物體受到的應力越小，則越安全。因此吸附裝置底板的設計采取較大的橫截面積，橫截面積為3m2。

圖12 有限元分析結果

由圖12（a）可知，吸附裝置底板向上行走所受的最大應力σmax1=1.591×102N/m2，最小米塞斯應力[σ]min=4.842× 10-4N/m2；由圖12（b）可知，吸附裝置底板向下行走最大米塞斯應力σmax2=1.756×102N/m2，最小米塞斯應力[σ]min= 4.892×10-4N/m2。

吸附裝置底板無論向上行走還是向下行走，最大應力均小于許用應力，屬于彈性應力應變階段，理想上滿足安全性能的要求因此，吸附裝置底板滿足強度要求。

4 仿真算例

爬壁機器人沿墻壁向上做直線運動時，通過兩側爬行輪克服運動過程中的重力、摩擦阻力，驅動機器人運動。平行于壁面方向，進行機器人的受力分析，如圖13所示，定義xp、yp為體坐標系，xp為機器人運動方向，yp垂直于機器人運動方向。

圖13 機器人受力模型

建立機器人運動的動力學方程：

假設機器人在理想狀態下，解式（3）得：

實驗得爬壁機器人相關參數見表1。

其中，驅動輪摩擦力：

式（5）中，摩擦系數取1，FN=764.4N，因此驅動輪摩擦力RL、RR為764.4N。

若實現噴涂機器人正常在墻面行走，兩驅動輪的牽引力需滿足大于0（取重力的反方向為正方向），將以上參數代入式（4）得：

因此，只需要每個驅動輪提供179.9N的驅動力，爬壁機器人便可在墻壁正常行走。驅動力與電機功率之間的關系：

公式（6）中，η為傳動效率，η＝0.72；Pm為電機功率，單位為kW；v為爬壁機器人速度，單位為m/s。

將F=179.9N代入（6）式中，得機器人運行中速度v=0.72m/min。

運用ADAMS進行運動仿真，不同壁面下的運動情況見表2。

5 結論

首先，分析了高空噴涂作業的工作要求，提出了一種高層建筑外墻壁噴涂裝置的設計方案。其次，利用SolidWorks軟件繪制了噴涂裝置的三維模型，對驅動、吸附、噴涂等關鍵部件進行設計，并對裝置吸附底板進行有限元分析，分析結果表明構件滿足強度要求，符合使用要求。

表1 爬壁機器人相關參數（g=9.8N/m2）

表2 仿真結果

本噴涂裝置具有結構可靠、使用范圍廣等優點，為解決城市中高層建筑外墻壁人工噴涂困難及危險提供了解決方案，具有重要的現實意義和較高的推廣價值。