智能?chē)娡繖C(jī)器人的研究與應(yīng)用

袁子祺，蘇煒斌，梅曉君，陳錢(qián)寶

（1.中鐵上海工程局集團(tuán)市政環(huán)保工程有限公司，上海 200436；2.中國(guó)中鐵雙碳專(zhuān)業(yè)研發(fā)中心建筑材料分中心，上海 200436）

1 研究背景

目前，大部分建筑墻體外立面噴涂作業(yè)還依賴(lài)于人工作業(yè)。然而，在噴涂過(guò)程中會(huì)釋放出大量苯、醛等有害物質(zhì)，這些物質(zhì)會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染，若長(zhǎng)時(shí)間處在高重復(fù)度噴涂工作環(huán)境下，會(huì)嚴(yán)重危害施工人員身體健康。另外，外界對(duì)人工噴涂的影響很大，可造成導(dǎo)致環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)未達(dá)標(biāo)，涂料利用率低下，噴涂質(zhì)量不夠穩(wěn)定，返修率較高等現(xiàn)象，從而限制了生產(chǎn)能力及產(chǎn)品質(zhì)量的提高[1-4]。

近年來(lái)，針對(duì)人工噴涂機(jī)器人所面臨的多種問(wèn)題，一些專(zhuān)家和學(xué)者在近幾年對(duì)噴涂機(jī)器人有關(guān)問(wèn)題做了一些相關(guān)研究。自1972 年起，意大利人開(kāi)始研究噴涂機(jī)器人，以機(jī)械工業(yè)化替代人工施工作業(yè)從而顯著降低了涂料對(duì)人體的潛在危害[5]。Asadi 等[6]研發(fā)了一款基于人機(jī)協(xié)作的噴涂機(jī)器人，其噴涂參數(shù)可由技術(shù)人員進(jìn)行精準(zhǔn)控制和調(diào)節(jié)，通過(guò)遙控方式實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人遠(yuǎn)程的高效操控。我國(guó)對(duì)建筑機(jī)器人研究的重視程度也很高，但在實(shí)踐中也存在不少問(wèn)題。榮易升[7]設(shè)計(jì)移動(dòng)式內(nèi)墻噴涂機(jī)器人及周?chē)h(huán)境建模、機(jī)器人路徑規(guī)劃設(shè)計(jì)和仿真實(shí)驗(yàn)。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，噴涂機(jī)器人處于一個(gè)非常復(fù)雜的施工環(huán)境，這會(huì)導(dǎo)致對(duì)于機(jī)器人的各個(gè)方面的條件都有很高的要求。但該文獻(xiàn)對(duì)機(jī)器人的逆運(yùn)動(dòng)學(xué)求解并沒(méi)有進(jìn)行較為深入的分析。為了解決這一現(xiàn)狀，本文研發(fā)了一種自動(dòng)化噴涂機(jī)器人設(shè)備，在兼顧安全性和穩(wěn)定性的條件下，以自動(dòng)化噴涂機(jī)器人來(lái)代替人工施工，降低了高空作業(yè)的風(fēng)險(xiǎn)，避免了涂料對(duì)于噴涂施工人員身心健康的傷害，提高了施工作業(yè)效率。與此同時(shí)，也降低了施工作業(yè)成本。

2 硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 總體結(jié)構(gòu)概述

噴涂機(jī)器人設(shè)備主要由3 部分組成：機(jī)械臂、升降平臺(tái)、麥克納母輪小車(chē)。噴涂機(jī)器人各項(xiàng)指標(biāo)如下（圖1）。

圖1 噴涂機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)

有效載荷(kg) 5

最大工作半徑(mm) 1 000

關(guān)節(jié)數(shù)（個(gè)）6

關(guān)節(jié)活動(dòng)范圍 ±360°可持續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)

最大移動(dòng)速度(m/s) 1

重復(fù)定位精度(mm) ±0.02

機(jī)械臂自重(kg) ≤25

工作溫度(℃) 0～50

防護(hù)等級(jí) IP54

軟件能力 自行開(kāi)發(fā)、模塊化

2.2 機(jī)械臂

為適應(yīng)噴涂過(guò)程中可能出現(xiàn)的復(fù)雜噴涂軌跡的要求，該機(jī)器人可實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂均勻擺動(dòng)，通過(guò)對(duì)機(jī)械臂各部分元件的組合控制，控制噴涂距離、速度和噴涂角度等參數(shù)，使得機(jī)械臂可以呈現(xiàn)出各種姿態(tài)以滿足各種軌跡的需求，不僅可以大幅增加機(jī)器人噴涂過(guò)程中靈活性，保證良好的噴涂質(zhì)量，還可以實(shí)現(xiàn)對(duì)外墻的噴涂，工作效率高、安全系數(shù)高，噴涂更均勻。機(jī)械臂布局外形圖如圖2 所示，機(jī)械臂相關(guān)參數(shù)設(shè)置細(xì)節(jié)如表1 所示。

表1 機(jī)械臂相關(guān)參數(shù)設(shè)置細(xì)節(jié)

圖2 機(jī)械臂布局外形圖

2.3 升降平臺(tái)

機(jī)器人在進(jìn)行噴涂工作時(shí)，會(huì)面臨工作區(qū)域空間狹窄，施工環(huán)境復(fù)雜的問(wèn)題。而機(jī)器人的部分裝置重量較重，要頻繁移動(dòng)來(lái)改變施工的位置，易于組裝的升降平臺(tái)通過(guò)升高或降低沿垂直軸移動(dòng)來(lái)增加協(xié)作機(jī)器人的可達(dá)范圍，以使其始終處于最佳工作位置。這樣不僅能夠保障工人的人身安全，還能節(jié)省完工時(shí)間和加工成本、減輕工人的勞動(dòng)強(qiáng)度、提高工作效率。

升降平臺(tái)主要由電機(jī)、內(nèi)外絲桿、導(dǎo)軌、殼體、控制元器件等組成，布局外形圖如圖3 所示。依據(jù)實(shí)際情況，所需升降平臺(tái)需要適應(yīng)不平整路面環(huán)境，且轉(zhuǎn)運(yùn)能力要求較高，具體基本參數(shù)如表2 所示。

表2 升降平臺(tái)基本參數(shù)

圖3 升降平臺(tái)布局外形圖

2.4 鋰電池選擇

麥克納姆輪小車(chē)電池選用48V/15Ah 的鋰電池，該電池的容量可以保證小車(chē)的運(yùn)行時(shí)間在3～5h 之間，具體工作時(shí)間視實(shí)際工況來(lái)決定。

2.5 電路設(shè)計(jì)

為了保證硬件電路系統(tǒng)的安全、可靠和高效，在整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中以單片機(jī)為核心，嚴(yán)格按照規(guī)范進(jìn)行設(shè)計(jì)制作。

1）系統(tǒng)擴(kuò)展和外設(shè)配置水平應(yīng)充分滿足應(yīng)用系統(tǒng)的功能要求，并為二次開(kāi)發(fā)留出適當(dāng)?shù)目臻g。

2）硬件結(jié)構(gòu)應(yīng)與應(yīng)用軟件方案綜合考慮。硬件結(jié)構(gòu)和軟件方案會(huì)產(chǎn)生交互作用，所以軟件所能實(shí)現(xiàn)的功能盡可能通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)，以簡(jiǎn)化硬件結(jié)構(gòu)。

3）可靠性及抗干擾設(shè)計(jì)，包括通道隔離、印刷電路板布線、印刷電路板布線、花片、去耦濾波器件選擇等。

4）單片機(jī)外圍電路較多時(shí)，其驅(qū)動(dòng)能力是必須考慮的因素之一。使電路設(shè)計(jì)盡量簡(jiǎn)潔，盡量減少元器件使用數(shù)量，縮小電路板面積，使電路部分重量輕，易于安裝。

通過(guò)比較和測(cè)試，選擇線性穩(wěn)壓芯片TS5430，AS015，TPS333Q為各模塊供電。此供電系統(tǒng)中使用的電壓分別為19V、12V、24V，對(duì)電池電壓要求較高，因此選用了24V-4500mAh 無(wú)人機(jī)電池加24V 轉(zhuǎn)19V 降壓模塊給PC 端供電。主控及驅(qū)動(dòng)統(tǒng)一用24V 供電，電磁鐵使用12V供電，電磁繼電器、編碼器、D 觸發(fā)器使用24V轉(zhuǎn)5V 供電，單片機(jī)、陀螺儀、串口通信使用TPS7333Q3.3V 供電。使用可調(diào)AS1015 模塊給舵機(jī)供電，采用了單個(gè)獨(dú)立的電源分配電路板，其余設(shè)備均從電源分配板上采電。

主板采用24V 直接供電，用開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓芯片TPS5430 把24V 降到5V，經(jīng)TPS7333 把5V 降到3.3V 從而給各需要的部分供電。

舵機(jī)部分電源，先用LB2596 模塊把24V 轉(zhuǎn)到12V 然后經(jīng)可調(diào)AS1015 模塊降到合適的電壓來(lái)給舵機(jī)供電。AS1015 模塊輸出電壓穩(wěn)定，輸出功率高，用D1015 給2 臺(tái)舵機(jī)供電。

驅(qū)動(dòng)模塊的好壞直接影響到電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的能力，進(jìn)而影響到的速度。MOS 管驅(qū)動(dòng)IPD034NMOS 管理論能最大產(chǎn)生大電流，并具有極低內(nèi)阻，采用4 塊 HIP4082 驅(qū)動(dòng)8 個(gè)PD034N-MOS組成全橋用于麥輪小車(chē)的驅(qū)動(dòng)，輸出功率能達(dá)到很高，對(duì)于麥輪的前進(jìn)、后退、左右平移及固定角度等都有很大的優(yōu)勢(shì)。

3 軟件功能設(shè)計(jì)

小車(chē)控制系統(tǒng)由3 部分組成：運(yùn)動(dòng)控制、升降平臺(tái)運(yùn)行、機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)，三者相互配合。操作人員通過(guò)手柄控制麥輪小車(chē)的前后左右運(yùn)行，根據(jù)工況升降平臺(tái)自動(dòng)上下，機(jī)械臂帶動(dòng)噴嘴在設(shè)定的區(qū)域內(nèi)工作。軟件設(shè)計(jì)流程圖如圖4、圖5 所示。

圖4 下位機(jī)軟件流程圖

3.1 速度控制

PID 控制器是一個(gè)三項(xiàng)控制器，也是一種線性控制器。PID 將偏差的比例（P）、（I）和微分（D）通過(guò)線性組合構(gòu)成控制量，對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行控制，根據(jù)給定值與實(shí)際輸出值構(gòu)成控制偏差，解決了自動(dòng)控制中系統(tǒng)的穩(wěn)定性、快速性和準(zhǔn)確性的相關(guān)性問(wèn)題。原理框圖如圖6 所示。

3.2 陀螺儀

采用了六軸陀螺儀加速度計(jì)MPU6050，該模塊內(nèi)部集成了姿態(tài)解算器，配合動(dòng)態(tài)卡爾曼濾波算法，能夠在動(dòng)態(tài)情況下輸出模塊當(dāng)前的姿態(tài)，進(jìn)行角度測(cè)量，使用UART 模塊采集車(chē)的車(chē)身姿態(tài)角度。在實(shí)際運(yùn)動(dòng)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，由于麥克納姆輪運(yùn)動(dòng)時(shí)，只使用編碼器在快速直線或斜線移動(dòng)時(shí)車(chē)身姿態(tài)會(huì)偏斜，且距離越長(zhǎng)，偏斜角度越大，使用陀螺儀能始終保證車(chē)身姿態(tài)穩(wěn)定。

3.3 通信協(xié)議

RS-232 也稱(chēng)標(biāo)準(zhǔn)串口，是最常用的一種串行通訊接頭。RS-232 采用不平衡傳輸方式，即所謂的單端通訊。

4 結(jié)語(yǔ)

為了解決人工噴涂普遍存在效率低下、均勻性欠佳、材料浪費(fèi)耗損嚴(yán)重、工作人員在戶(hù)外作業(yè)環(huán)境差、勞動(dòng)強(qiáng)度大且安全系數(shù)低的問(wèn)題，研發(fā)了一種自動(dòng)化噴涂機(jī)器人設(shè)備，可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)人工施工帶來(lái)的缺陷，與其相比該設(shè)備具有以下特點(diǎn)。

1）精準(zhǔn)的噴涂質(zhì)量 噴涂機(jī)器人采用高精度的噴涂控制系統(tǒng)和先進(jìn)的噴涂技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)高質(zhì)量的噴涂效果。

2）高效的生產(chǎn)效率 噴涂機(jī)器人具有高速運(yùn)動(dòng)和快速?lài)娡康哪芰?，可以大大提高生產(chǎn)效率，減少人工操作的繁瑣和風(fēng)險(xiǎn)。

3）良好的適應(yīng)性 噴涂機(jī)器人可以適應(yīng)各種材料和形狀的噴涂需求。

4）操作簡(jiǎn)單方便 噴涂機(jī)器人采用智能化的控制系統(tǒng)和人機(jī)交互界面，操作簡(jiǎn)單方便，易于使用和維護(hù)。

綜上所述，該噴涂機(jī)器人是一款性能優(yōu)異、適應(yīng)性強(qiáng)、操作簡(jiǎn)單方便的自動(dòng)化涂設(shè)備，具有廣闊的應(yīng)用前景。