王宏哲 楊 川

（廣東博智林機(jī)器人有限公司，廣東 佛山 528000）

0 引言

在建筑裝修階段，室內(nèi)裝修收口位置的涂膠工作都需要人工處理，缺少自動(dòng)化的涂膠設(shè)備。人工涂膠對(duì)施工人員有較高的要求，需要一定的經(jīng)驗(yàn)和技能水準(zhǔn)，因此，不僅難以保證收口位置的涂膠質(zhì)量，而且還可能存在涂膠效率低的問題。該文設(shè)計(jì)了一款建筑打膠機(jī)器人，其主要工作流程如下：工人將膠筒放在儲(chǔ)料倉內(nèi)，機(jī)械臂從儲(chǔ)料倉內(nèi)抓取膠筒，機(jī)械臂按照BIM和視覺識(shí)別系統(tǒng)提供的數(shù)據(jù)移動(dòng)至施工位置，將視覺傳感器坐標(biāo)系中的打膠軌跡轉(zhuǎn)換為機(jī)械臂坐標(biāo)系下的最終打膠軌跡，從而對(duì)建筑收口位置進(jìn)行涂膠。

1 總體結(jié)構(gòu)

如圖1所示[1]，建筑收口打膠機(jī)器人的結(jié)構(gòu)主要分為3個(gè)部分，第一部分為移動(dòng)底盤，第二部分為打膠實(shí)施區(qū)，第三部分為控制單元及物料儲(chǔ)存區(qū)。

移動(dòng)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(dá)，防止在行駛過程中發(fā)生碰撞，使打膠機(jī)器人可以在施工房間內(nèi)自由穿梭。

打膠實(shí)施區(qū)主要由自動(dòng)打膠槍、機(jī)械臂升降機(jī)構(gòu)組成。自動(dòng)打膠槍安裝在機(jī)械臂末端，機(jī)械臂安裝在升降機(jī)構(gòu)上。施膠時(shí)，自動(dòng)打膠槍隨著機(jī)械臂末端的運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行打膠。

控制單元和物料存儲(chǔ)區(qū)主要包括電器柜、儲(chǔ)料箱和安全激光掃描儀。打膠機(jī)器人頂部安裝的激光掃描儀可以檢測(cè)障礙物，避免發(fā)生碰撞。所有電器元件和硬件都安裝在電器柜內(nèi)。

采用該布局方式主要考慮的是設(shè)備載荷的平衡分布，保證打膠機(jī)器人在行走過程和打膠過程中能穩(wěn)定運(yùn)行。

2 打膠機(jī)器人的移動(dòng)底盤

如圖2所示[2]，移動(dòng)底盤是打膠機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，既要承擔(dān)整機(jī)質(zhì)量，又要適應(yīng)不同的路況，在建筑機(jī)器人中，移動(dòng)底盤主要有以下4種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方式：1）舵輪+萬向從動(dòng)輪結(jié)構(gòu)。2）全舵輪結(jié)構(gòu)。3）普通驅(qū)動(dòng)輪結(jié)構(gòu)。4）麥克納姆輪結(jié)構(gòu)。

該文所設(shè)計(jì)的打膠機(jī)器人的移動(dòng)底盤采用雙舵輪+雙萬向輪的對(duì)角布置結(jié)構(gòu)。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(shí)現(xiàn)原地回轉(zhuǎn)和平移等功能。移動(dòng)底盤前后安裝有避障雷達(dá)，可以在行進(jìn)過程中發(fā)現(xiàn)障礙物并進(jìn)行預(yù)警，防止發(fā)生碰撞。舵輪是移動(dòng)底盤的驅(qū)動(dòng)部分，舵輪的選擇尤為重要。

舵輪的選型計(jì)算如下。如圖3所示，對(duì)打膠機(jī)器人的運(yùn)行工況進(jìn)行模擬。打膠機(jī)器人的整機(jī)質(zhì)量m=460 kg，在只有3 個(gè)輪子著地的情況下，每個(gè)輪子需要承載153.3 kg。工地房間的門檻高度為30 mm，室外轉(zhuǎn)場(chǎng)的路面坡度θ=10°，選用橡膠輪輪徑D=200 mm，F(xiàn)0如公式（1）所示。

式中：μ為滾動(dòng)阻力系數(shù)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(qū)動(dòng)，取n=2（n為驅(qū)動(dòng)輪數(shù)量）；考慮現(xiàn)場(chǎng)惡劣的環(huán)境和連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的情況，取安全系數(shù)K=1.3，傳動(dòng)效率η=0.92，底盤最大的運(yùn)行速度V0=1 m/s。功率P0、輸出轉(zhuǎn)速n1和減速比i如公式（2）～公式（4）所示。

式中：n電為電機(jī)額定轉(zhuǎn)速，n電=3 000 r/min。

通過分析底盤的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)可以計(jì)算額定轉(zhuǎn)矩M0、坡道起步時(shí)的轉(zhuǎn)矩M1以及越障時(shí)的轉(zhuǎn)矩M2，如公式（5）～公式（7）所示。

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

根據(jù)上述計(jì)算參數(shù)可以選取舵輪型號(hào)。

2 打膠機(jī)器人的升降機(jī)構(gòu)

如圖4所示，打膠機(jī)器人的升降機(jī)構(gòu)由伺服電機(jī)提供驅(qū)動(dòng)動(dòng)力，通過同步帶輪將動(dòng)力傳給絲杠[3]，以直線導(dǎo)軌作為導(dǎo)向機(jī)構(gòu)。當(dāng)打膠位置處于高位時(shí)，升降機(jī)構(gòu)可先按需升高機(jī)械臂整體，再由機(jī)械臂進(jìn)行打膠作業(yè)，完成高位打膠后升降機(jī)構(gòu)恢復(fù)到初始位置。作為升降機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)動(dòng)力的來源，可以通過計(jì)算選取伺服電機(jī)的型號(hào)。

升降機(jī)構(gòu)伺服電機(jī)的選型計(jì)算如下。伺服電機(jī)與大同步帶輪（齒數(shù)Z1=40）相連，帶動(dòng)小同步帶輪（齒數(shù)Z2=26）旋轉(zhuǎn)。升降機(jī)構(gòu)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(dǎo)程PB=10.00 mm?？梢杂?jì)算減速比i和伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速n，如公式（8）和公式（9）所示。

在負(fù)載m總=35 kg的作用下，運(yùn)動(dòng)部件所受的力分解為穩(wěn)態(tài)拉力Fa，動(dòng)態(tài)拉力Fb和摩擦阻力Fc，摩擦系數(shù)μ=0.1，總拉力F，如公式（10）所示。

伺服電機(jī)的驅(qū)動(dòng)力一般由電機(jī)的額定扭矩決定，考慮懸臂彎矩效率η=90%，且還需要考慮設(shè)備連續(xù)運(yùn)行的穩(wěn)定性，因此選擇安全系數(shù)K=1.4，扭矩Ta如公式（11）所示。

當(dāng)伺服選型時(shí)，除考慮電機(jī)的扭矩和額定速度等因素外，還需要計(jì)算機(jī)械系統(tǒng)換算到電機(jī)軸的慣量。升降機(jī)構(gòu)中主要負(fù)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(jī)端所需的慣量與機(jī)械系統(tǒng)的總慣量和減速比有關(guān)，通過公式（14）可以計(jì)算電機(jī)端慣量JS=7.889×10-5kg·m2。

電機(jī)功率P如公式（15）所示。

根據(jù)上述計(jì)算參數(shù)可以選擇合適的伺服電機(jī)型號(hào)。

4 打膠機(jī)器人機(jī)械臂的選型

如圖5所示，打膠機(jī)器人的機(jī)械臂除了按照運(yùn)動(dòng)軌跡完成正常的打膠工作外，還需要自動(dòng)去料倉中取滿膠筒，當(dāng)膠筒內(nèi)膠料用完時(shí)，機(jī)械臂按照指令將空膠筒放進(jìn)回收料箱內(nèi)。要求機(jī)械臂的覆蓋范圍至少為800 mm，末端負(fù)載要求為5 kg。選擇協(xié)作機(jī)械臂AUBO-i5[4]可以滿足要求，AUBO協(xié)作機(jī)械臂質(zhì)量輕、精度高、安全性高且安裝方便，同時(shí)具備先進(jìn)的碰撞檢測(cè)功能，發(fā)生非預(yù)期碰撞會(huì)自動(dòng)停止運(yùn)行，保護(hù)操作人員及周圍設(shè)備不受傷害。AUBO-i5臂展為1 008 mm，定位精度（±0.02） mm。

5 打膠機(jī)器人的自動(dòng)打膠槍機(jī)構(gòu)

如圖6所示[5]，自動(dòng)打膠槍采用氣動(dòng)推膠形式，壓縮空氣通過打膠槍的氣動(dòng)密封處進(jìn)入膠筒內(nèi)腔。氣動(dòng)密封機(jī)構(gòu)采用O型密封圈密封，由步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)氣動(dòng)密封機(jī)構(gòu)移動(dòng)實(shí)現(xiàn)打膠槍的封堵功能。

當(dāng)打膠機(jī)器人開始作業(yè)時(shí)，線激光將掃描出來的軌跡轉(zhuǎn)換成機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)軌跡，自動(dòng)打膠槍按照機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)軌跡完成打膠作業(yè)。當(dāng)打膠過程中遇到陰角或陽角位置時(shí)，可以通過膠嘴旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)將膠嘴位置旋轉(zhuǎn)到合適位置，實(shí)現(xiàn)打膠全覆蓋的目標(biāo)。

5.1 線激光的選擇

如圖7所示，線激光安裝位置應(yīng)距離檢測(cè)面125 mm～190 mm，重復(fù)定位精度應(yīng)為（±2.5） μm。

5.2 步進(jìn)電機(jī)的選擇

自動(dòng)打膠槍氣動(dòng)密封裝置采用貫穿式步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，速度V=0.1 m/s，絲杠導(dǎo)程PB=5 mm，電機(jī)轉(zhuǎn)速n，如公式（16）所示。

電機(jī)的驅(qū)動(dòng)力一般由電機(jī)的額定扭矩決定，考慮存在連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的情況，取總體機(jī)構(gòu)的效率η=90%，選擇安全系數(shù)K=1.5，因?yàn)槭请姍C(jī)直連，所以減速比i=1，摩擦系數(shù)μ=0.69[6]，滑動(dòng)部分負(fù)載的質(zhì)量m=1 kg，計(jì)算得轉(zhuǎn)矩TL，如公式（17）所示。

當(dāng)步進(jìn)電機(jī)選型時(shí)，除考慮電機(jī)的扭矩和額定速度等因素外，還需要計(jì)算機(jī)械系統(tǒng)換算到電機(jī)軸的慣量。主要計(jì)算負(fù)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(jù)上述計(jì)算參數(shù)可以選擇合適的步進(jìn)電機(jī)型號(hào)。

5.3 膠嘴旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的計(jì)算

膠嘴旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)主要是將打膠槍膠嘴的角度旋轉(zhuǎn)到合適的位置，在打膠槍膠嘴出膠時(shí)能保證膠料不外溢，從而保證打膠的質(zhì)量。膠嘴旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)主要通過電機(jī)帶動(dòng)大同步帶輪（Z1=60）和小同步帶輪（Z2=32）旋轉(zhuǎn)，使負(fù)載質(zhì)量m=0.12 kg的膠嘴轉(zhuǎn)動(dòng)，負(fù)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(zhuǎn)機(jī)構(gòu)長度，h=0.08 m。

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

根據(jù)上述計(jì)算參數(shù)可以選擇合適的電機(jī)型號(hào)。

6 結(jié)語

該文對(duì)建筑收口打膠機(jī)器人整機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)，結(jié)果表明，該技術(shù)可以應(yīng)用到科技建筑領(lǐng)域。該文對(duì)AGV底盤、升降機(jī)構(gòu)、機(jī)械臂及自動(dòng)打膠槍進(jìn)行設(shè)計(jì)，并對(duì)底盤爬坡和越障能力進(jìn)行論證，可以確保打膠機(jī)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(jī)器人通過視覺引導(dǎo)系統(tǒng)結(jié)合BIM系統(tǒng)和路徑規(guī)劃系統(tǒng)進(jìn)行施工，可以提高打膠效率和打膠質(zhì)量。該文的設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果為建筑機(jī)器人的發(fā)展提供了新的思路和參考價(jià)值。