建筑收口打膠機器人的設計與研究

王宏哲 楊 川

（廣東博智林機器人有限公司，廣東 佛山 528000）

0 引言

在建筑裝修階段，室內裝修收口位置的涂膠工作都需要人工處理，缺少自動化的涂膠設備。人工涂膠對施工人員有較高的要求，需要一定的經驗和技能水準，因此，不僅難以保證收口位置的涂膠質量，而且還可能存在涂膠效率低的問題。該文設計了一款建筑打膠機器人，其主要工作流程如下：工人將膠筒放在儲料倉內，機械臂從儲料倉內抓取膠筒，機械臂按照BIM和視覺識別系統提供的數據移動至施工位置，將視覺傳感器坐標系中的打膠軌跡轉換為機械臂坐標系下的最終打膠軌跡，從而對建筑收口位置進行涂膠。

1 總體結構

如圖1所示[1]，建筑收口打膠機器人的結構主要分為3個部分，第一部分為移動底盤，第二部分為打膠實施區，第三部分為控制單元及物料儲存區。

移動底盤主要采用鋼板焊接而成，鋰電池安裝在底盤上。底盤的長為600 mm，寬為550 mm，前后安裝避障雷達，防止在行駛過程中發生碰撞，使打膠機器人可以在施工房間內自由穿梭。

打膠實施區主要由自動打膠槍、機械臂升降機構組成。自動打膠槍安裝在機械臂末端，機械臂安裝在升降機構上。施膠時，自動打膠槍隨著機械臂末端的運動軌跡進行打膠。

控制單元和物料存儲區主要包括電器柜、儲料箱和安全激光掃描儀。打膠機器人頂部安裝的激光掃描儀可以檢測障礙物，避免發生碰撞。所有電器元件和硬件都安裝在電器柜內。

采用該布局方式主要考慮的是設備載荷的平衡分布，保證打膠機器人在行走過程和打膠過程中能穩定運行。

2 打膠機器人的移動底盤

如圖2所示[2]，移動底盤是打膠機器人的運動執行機構，既要承擔整機質量，又要適應不同的路況，在建筑機器人中，移動底盤主要有以下4種結構設計方式：1）舵輪+萬向從動輪結構。2）全舵輪結構。3）普通驅動輪結構。4）麥克納姆輪結構。

該文所設計的打膠機器人的移動底盤采用雙舵輪+雙萬向輪的對角布置結構。該布置方式靈活性和越障能力較高，可以通過狹窄的通道，實現原地回轉和平移等功能。移動底盤前后安裝有避障雷達，可以在行進過程中發現障礙物并進行預警，防止發生碰撞。舵輪是移動底盤的驅動部分，舵輪的選擇尤為重要。

舵輪的選型計算如下。如圖3所示，對打膠機器人的運行工況進行模擬。打膠機器人的整機質量m=460 kg，在只有3 個輪子著地的情況下，每個輪子需要承載153.3 kg。工地房間的門檻高度為30 mm，室外轉場的路面坡度θ=10°，選用橡膠輪輪徑D=200 mm，F0如公式（1）所示。

式中：μ為滾動阻力系數μ=0.001 5 m；r為車輪半徑r=0.100 0 m；g為重力加速度，g=9.8 m/s2。

底盤采用雙舵輪驅動，取n=2（n為驅動輪數量）；考慮現場惡劣的環境和連續運轉的情況，取安全系數K=1.3，傳動效率η=0.92，底盤最大的運行速度V0=1 m/s。功率P0、輸出轉速n1和減速比i如公式（2）～公式（4）所示。

式中：n電為電機額定轉速，n電=3 000 r/min。

通過分析底盤的運動狀態可以計算額定轉矩M0、坡道起步時的轉矩M1以及越障時的轉矩M2，如公式（5）～公式（7）所示。

式中：a為移動底盤的坡道加速度，a=1 m/s2；y為總輪子數量，y=4；H為越障高度，H=0.03 m。

根據上述計算參數可以選取舵輪型號。

2 打膠機器人的升降機構

如圖4所示，打膠機器人的升降機構由伺服電機提供驅動動力，通過同步帶輪將動力傳給絲杠[3]，以直線導軌作為導向機構。當打膠位置處于高位時，升降機構可先按需升高機械臂整體，再由機械臂進行打膠作業，完成高位打膠后升降機構恢復到初始位置。作為升降機構驅動動力的來源，可以通過計算選取伺服電機的型號。

升降機構伺服電機的選型計算如下。伺服電機與大同步帶輪（齒數Z1=40）相連，帶動小同步帶輪（齒數Z2=26）旋轉。升降機構的升降速度Vt=18 m/min，升降距離LB=0.79 m，加速度a=0.5 m/s2，絲杠導程PB=10.00 mm。可以計算減速比i和伺服電機的轉速n，如公式（8）和公式（9）所示。

在負載m總=35 kg的作用下，運動部件所受的力分解為穩態拉力Fa，動態拉力Fb和摩擦阻力Fc，摩擦系數μ=0.1，總拉力F，如公式（10）所示。

伺服電機的驅動力一般由電機的額定扭矩決定，考慮懸臂彎矩效率η=90%，且還需要考慮設備連續運行的穩定性，因此選擇安全系數K=1.4，扭矩Ta如公式（11）所示。

當伺服選型時，除考慮電機的扭矩和額定速度等因素外，還需要計算機械系統換算到電機軸的慣量。升降機構中主要負載慣量JL和滾珠絲杠慣量JB如公式（12）和公式（13）所示。

式中：ρ為絲杠密度；ρ=7 900 kg/m3；DB為絲杠直徑，DB=0.02 m。

電機端所需的慣量與機械系統的總慣量和減速比有關，通過公式（14）可以計算電機端慣量JS=7.889×10-5kg·m2。

電機功率P如公式（15）所示。

根據上述計算參數可以選擇合適的伺服電機型號。

4 打膠機器人機械臂的選型

如圖5所示，打膠機器人的機械臂除了按照運動軌跡完成正常的打膠工作外，還需要自動去料倉中取滿膠筒，當膠筒內膠料用完時，機械臂按照指令將空膠筒放進回收料箱內。要求機械臂的覆蓋范圍至少為800 mm，末端負載要求為5 kg。選擇協作機械臂AUBO-i5[4]可以滿足要求，AUBO協作機械臂質量輕、精度高、安全性高且安裝方便，同時具備先進的碰撞檢測功能，發生非預期碰撞會自動停止運行，保護操作人員及周圍設備不受傷害。AUBO-i5臂展為1 008 mm，定位精度（±0.02） mm。

5 打膠機器人的自動打膠槍機構

如圖6所示[5]，自動打膠槍采用氣動推膠形式，壓縮空氣通過打膠槍的氣動密封處進入膠筒內腔。氣動密封機構采用O型密封圈密封，由步進電機帶動氣動密封機構移動實現打膠槍的封堵功能。

當打膠機器人開始作業時，線激光將掃描出來的軌跡轉換成機械臂運動軌跡，自動打膠槍按照機械臂運動軌跡完成打膠作業。當打膠過程中遇到陰角或陽角位置時，可以通過膠嘴旋轉機構將膠嘴位置旋轉到合適位置，實現打膠全覆蓋的目標。

5.1 線激光的選擇

如圖7所示，線激光安裝位置應距離檢測面125 mm～190 mm，重復定位精度應為（±2.5） μm。

5.2 步進電機的選擇

自動打膠槍氣動密封裝置采用貫穿式步進電機驅動，速度V=0.1 m/s，絲杠導程PB=5 mm，電機轉速n，如公式（16）所示。

電機的驅動力一般由電機的額定扭矩決定，考慮存在連續運轉的情況，取總體機構的效率η=90%，選擇安全系數K=1.5，因為是電機直連，所以減速比i=1，摩擦系數μ=0.69[6]，滑動部分負載的質量m=1 kg，計算得轉矩TL，如公式（17）所示。

當步進電機選型時，除考慮電機的扭矩和額定速度等因素外，還需要計算機械系統換算到電機軸的慣量。主要計算負載慣量JL和滾珠絲杠的慣量JB，如公式（18）和公式（19）所示。

式中：ρ為絲杠密度，ρ=7 900 kg/m3[7]；LB為絲杠長度LB=0.135 m；DB為絲杠直徑，DB=0.01 m。

總慣量JA如公式（20）所示。

根據上述計算參數可以選擇合適的步進電機型號。

5.3 膠嘴旋轉機構的計算

膠嘴旋轉機構主要是將打膠槍膠嘴的角度旋轉到合適的位置，在打膠槍膠嘴出膠時能保證膠料不外溢，從而保證打膠的質量。膠嘴旋轉機構主要通過電機帶動大同步帶輪（Z1=60）和小同步帶輪（Z2=32）旋轉，使負載質量m=0.12 kg的膠嘴轉動，負載慣量JA如公式（21）所示。

式中：R為同步帶輪半徑，R=0.022 m；h為旋轉機構長度，h=0.08 m。

電機端所需的慣量與機械系統的總慣量和減速比有關，電機端慣量J電如公式（22）所示。

根據上述計算參數可以選擇合適的電機型號。

6 結語

該文對建筑收口打膠機器人整機進行設計，結果表明，該技術可以應用到科技建筑領域。該文對AGV底盤、升降機構、機械臂及自動打膠槍進行設計，并對底盤爬坡和越障能力進行論證，可以確保打膠機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。

打膠機器人通過視覺引導系統結合BIM系統和路徑規劃系統進行施工，可以提高打膠效率和打膠質量。該文的設計計算結果為建筑機器人的發展提供了新的思路和參考價值。