CN104563469A - 一种用于墙面抹灰机器人的垂直度测量与补偿系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于墙面抹灰机器人的垂直度测量与补偿系统，该系统包括：墙面抹灰机器人、第一撑杆和第二撑杆，其中：第一撑杆和第二撑杆放置在作业空间中的天花板与地面之间；墙面抹灰机器人放置在第一撑杆和第二撑杆之间，沿着第一撑杆和第二撑杆形成的轨道进行墙面抹灰作业；其中，墙面抹灰机器人朝向墙面的一侧安装有抹灰板，抹灰板的后端连接有可伸缩调节的丝杠，可根据丝杠的伸缩而伸缩；垂直于墙面的两侧面安装有两个激光测距传感器；一侧面上安装有磁编码器。本发明在抹灰作业过程中，能够实时控制抹灰板后端的丝杆的伸缩速度，使抹灰板的运动轨迹与待刷墙面平行，从而达到了测量撑杆垂直度并消除其带来的误差影响的目的。

Description

一种用于墙面抹灰机器人的垂直度测量与补偿系统及方法

技术领域

本发明属于建筑机器人领域，尤其涉及一种用于墙面抹灰机器人的垂直度测量与补偿系统及方法，其能够精确的测量墙面抹灰机器人与竖直方向的偏差，并根据测量结果，规划抹灰机器人的运动路径，达到补偿垂直度偏差的目的。

背景技术

目前，刷墙机或者墙面抹灰机是利用两根平行的撑杆，将墙面抹灰机轨道固定于天花板与地面之间，抹灰机顺着撑杆由下往上进行抹灰，到达顶部之后抹灰板翻转，再由上往下进行抹平抹光。所以，两平行撑杆固定的空间位置，决定了墙面抹灰的上下厚度是否均匀。但是由于地面不平整或者撑杆连接处不紧密，就有可能导致撑杆不是完全竖直，即两撑杆构成的平面不能完全平行于待粉刷的墙面。若测量不准确或者没有进行处理，就有可能导致粉刷后的墙面达不到厚度均匀的要求，造成返工的后果。

目前对于垂直度的测量，可采用直接测量的方法，直接测量方法一般采用倾角仪、陀螺仪、加速度传感器等传感器进行测量，但这些垂直度测量的传感器精度都较低，而且随着精度要求的提高，传感器的成本也会随之增加。另外，还可以采用基于图像处理技术的间接测量垂直度的方法，该方法需要在测量机构上增加摄像头，对于处理器的处理速度要求较高，而且整个系统的成本也较高。

墙面抹灰机器人抹灰作业环境非常恶劣，充满了灰尘、砂浆以及抹灰过程中电动机运转带来的振动，这使得对于检测传感器的抗干扰能力以及检测方法的有效性都有着很高的要求，比如倾角仪、陀螺仪都无法在这些环境中直接应用；对于基于图像处理的方法，振动对于摄像头的干扰以及灰浆和灰尘对于采集图像的污染无法避免且难以处理。按照《抹灰工程施工质量验收规范》的要求并考虑墙面抹灰机器人实际应用情况，以高度为三米的墙面计算，垂直度的最低检测要求是在0.001°之内，这是普通传感器无法达到的。

发明内容

为了尽可能的减小机器抹灰过程中由于两平行撑杆固定位置造成的误差，降低测量成本，本发明提供一种用于墙面抹灰机器人的垂直度测量与补偿系统及方法，本发明不仅能够精确测量抹灰机器人撑杆的垂直度，而且还能够基于测量结果，进行补偿调整，以减小垂直度偏差所带来的影响，并且本发明仅仅只需要两个激光测距传感器，将测量成本降到了最低。

为了解决上述技术问题，根据本发明的一方面，提出了一种用于墙面抹灰机器人的垂直度测量与补偿系统，该系统包括：墙面抹灰机器人、第一撑杆和第二撑杆，其中：

所述第一撑杆和第二撑杆放置在作业空间中的天花板与地面之间，用于固定工作过程中的墙面抹灰机器人；

所述墙面抹灰机器人放置在所述第一撑杆和第二撑杆之间，沿着所述第一撑杆和第二撑杆形成的轨道进行墙面抹灰作业；

其中，所述墙面抹灰机器人朝向墙面的一侧安装有抹灰板，所述抹灰板的后端连接有可伸缩调节的丝杠，所述抹灰板可根据丝杠的伸缩而伸缩；

所述墙面抹灰机器人垂直于墙面的两侧面分别安装有第一激光测距传感器和第二激光测距传感器；

所述墙面抹灰机器人的一侧面上安装有磁编码器。

根据本发明的另一方面，还提出一种用于墙面抹灰机器人的垂直度测量与补偿方法，该方法包括以下步骤：

步骤1，在作业空间中的天花板与地面之间固定放置第一撑杆和第二撑杆，将墙面抹灰机器人放置在所述第一撑杆和第二撑杆之间的初始作业点处；

步骤2，所述墙面抹灰机器人沿着所述第一撑杆和第二撑杆形成的轨道第一次由地面上升到天花板，进行待刷墙面抹灰作业，并在第一次上升过程中，利用第一激光测距传感器和第二激光测距传感器分别测量两个处于不同高度位置的标记点处所述墙面抹灰机器人与待刷墙面之间的距离，同时利用磁编码器分别检测两标记点在第一撑杆和第二撑杆长度方向上的距离l以及所述墙面抹灰机器人沿所述第一撑杆和第二撑杆上升的总高度h；

步骤3，根据所述步骤2的测量结果，计算得到所述第一撑杆和第二撑杆的垂直度，即所述第一撑杆和第二撑杆与竖直方向之间的夹角θ；

步骤4，根据所述墙面抹灰机器人沿所述第一撑杆和第二撑杆上升的总高度h以及第一撑杆和第二撑杆的垂直度θ，计算得到墙面抹灰机器人与待刷墙面的最大距离偏差d_max；

步骤5，根据所述最大距离偏差d_max以及所述墙面抹灰机器人沿所述第一撑杆和第二撑杆上升的总高度h，计算得到所述墙面抹灰机器人的上升速度与连接抹灰板的丝杆的调节速度之间的关系；

步骤6，墙面抹灰机器人回到初始位置装入灰浆，沿着所述第一撑杆和第二撑杆形成的轨道再次上升进行抹灰作业，作业过程中，基于所述步骤5的计算结果，根据墙面抹灰机器人的上升速度来调节抹灰板的伸缩速度，使得抹灰板的运动路径与墙面保持平行，补偿垂直度的偏差。

本发明的有益效果是，能够在机器人执行抹灰作业的过程中，自动精确的测量抹灰机器人撑杆与竖直方向上的夹角。此种测量方式，相比于直接进行角度测量，能够大大提高测量精度，且能为后续的自动补偿调整直接提供参数。

附图说明

图1是本发明用于墙面抹灰机器人的垂直度测量与补偿系统的组成示意图；

图2是本发明墙面抹灰机器人的基本结构示意图；

图3是根据本发明一实施例的用于墙面抹灰机器人的垂直度测量与补偿方法的流程图。

主要附图标记说明：

1：墙面抹灰机器人

2：抹灰板

3：第一激光测距传感器

4：第一撑杆

5：待刷墙面

6：丝杆

15：第二激光测距传感器

16：第二撑杆

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

图1是本发明用于墙面抹灰机器人的垂直度测量与补偿系统的组成示意图，图1中，5表示待抹灰墙面，12表示抹灰区域厚度，13表示调节过程中抹灰板的移动路径，14表示墙面抹灰机器人的移动轨迹。如图1所示，所述用于墙面抹灰机器人的垂直度测量与补偿系统包括：墙面抹灰机器人1、第一撑杆4和第二撑杆6，其中：

所述第一撑杆4和第二撑杆6放置在作业空间中的天花板与地面之间，用于固定工作过程中的墙面抹灰机器人1；

所述墙面抹灰机器人1放置在所述第一撑杆4和第二撑杆6之间，沿着所述第一撑杆4和第二撑杆6形成的轨道进行墙面抹灰作业；

图2是本发明墙面抹灰机器人的基本结构示意图，如图2所示，所述墙面抹灰机器人1朝向墙面的一侧安装有抹灰板2，所述抹灰板2的后端连接有可伸缩调节的丝杠6，所述抹灰板2可根据丝杠6的伸缩而伸缩；所述墙面抹灰机器人1垂直于墙面的两侧面分别安装有第一激光测距传感器3和第二激光测距传感器15，所述第一激光测距传感器3和第二激光测距传感器15处于同一水平面上，且测量方向均与撑杆垂直；所述墙面抹灰机器人1的一侧面上安装有磁编码器17。

其中，所述第一激光测距传感器3和第二激光测距传感器15使用激光三角测距法中的直射式测距，测量量程在80mm～230mm之间，分辨率在量程范围内能达到1mm以内。

图3是根据本发明一实施例的用于墙面抹灰机器人的垂直度测量与补偿方法的流程图，请同时参考图1和图3，所述用于墙面抹灰机器人的垂直度测量与补偿方法包括以下步骤：

步骤1，在作业空间中的天花板与地面之间固定放置第一撑杆4和第二撑杆6，将墙面抹灰机器人1放置在所述第一撑杆4和第二撑杆6之间的初始作业点处；

在抹灰作业之前，需撑紧所述第一撑杆4和第二撑杆6，使得墙面抹灰机器人1在作业过程中保持位置稳定。

步骤2，所述墙面抹灰机器人1沿着所述第一撑杆4和第二撑杆6形成的轨道第一次由地面上升到天花板，进行待刷墙面5抹灰作业，并在第一次上升过程中，利用第一激光测距传感器3和第二激光测距传感器15分别测量两个处于不同高度位置的标记点处所述墙面抹灰机器人1与待刷墙面之间的距离(如图1中附图标记9和10所示)，同时利用磁编码器17分别检测两标记点在所述第一撑杆4和第二撑杆6长度方向上的距离l以及所述墙面抹灰机器人1沿所述第一撑杆4和第二撑杆6上升的总高度h；

其中，所述两个标记点可分别取为待刷墙面高度的1/3高度位置处和2/3高度位置处，如图1中附图标记7和8所示。当然，所述两个标记点的位置也可取为其他高度值，只要这两个标记点的高度位置相差一定的距离(比如待刷墙面高度的1/3)即可。

在抹灰作业之前，首先设定抹灰高度，所述墙面抹灰机器人1可自动计算两个标记点的位置。

其中，在第一标记点7处，第一激光测距传感器3和第二激光测距传感器15测得的墙面抹灰机器人1与待刷墙面之间的距离分别记为d₁和d₂，在第二标记点8处，第一激光测距传感器3和第二激光测距传感器15测得的墙面抹灰机器人1与待刷墙面之间的距离分别记为d₃和d₄。

步骤3，根据所述步骤2的测量结果，计算得到所述第一撑杆4和第二撑杆6的垂直度，即所述第一撑杆4和第二撑杆6与竖直方向之间的夹角θ；

其中，所述第一撑杆4和第二撑杆6的垂直度θ表示为：

$\mathrm{\θ}={\tan }^{-1}\frac{\mathrm{\Δd}}{l}---\left(1\right)$

其中：

$\mathrm{\Δd}=\frac{(d_1-d_3)+(d_2-d_4)}{2}---\left(2\right)$

为上下两个标记点在第一撑杆4和第二撑杆6长度方向上的距离。

上文提及，所述激光测距传感器在量程范围内的精度为1mm，通过本发明方法在墙高为3m的条件下可分辨0.0003°的垂直度偏差。

步骤4，根据所述墙面抹灰机器人1沿所述第一撑杆4和第二撑杆6上升的总高度h以及第一撑杆4和第二撑杆6的垂直度θ，计算得到墙面抹灰机器人1与待刷墙面5的最大距离偏差d_max：

d_max＝h·tanθ   (3)

步骤5，根据所述最大距离偏差d_max以及所述墙面抹灰机器人1沿所述第一撑杆4和第二撑杆6上升的总高度h，计算得到所述墙面抹灰机器人1的上升速度与连接抹灰板2的丝杆6的调节速度之间的关系：

Δx＝|d_max|·Δh/h    (4)

其中，Δx表示丝杆6单位时间内的调节变化量，Δh表示墙面抹灰机器人1单位时间内上升的高度。

此式表明，墙面抹灰机器人1每上升1mm，连接抹灰板2的丝杆6就要伸长或者缩短Δx mm。根据这个关系，由抹灰机器人1上升抹灰作业时的速度，来调节丝杆6伸长或者缩短的速度，从而达到补偿撑杆垂直度的目的，使得抹灰板2的运动路径13与待粉刷墙面5完全平行，抹灰厚度12上下基本一致，消除机器人撑杆垂直度的偏差造成的影响。

步骤6，墙面抹灰机器人1回到初始位置装入灰浆，沿着所述第一撑杆4和第二撑杆6形成的轨道再次上升进行抹灰作业，作业过程中，基于所述步骤5的计算结果，根据墙面抹灰机器人1的上升速度来调节抹灰板2的伸缩速度，使得抹灰板2的运动路径与墙面保持平行，补偿垂直度的偏差。

所述方法还包括对水平偏转角偏差进行补偿调整的步骤：

首先计算距离差：

$\mathrm{\Δ}{d}^{\′}=\frac{(d_1-d_2)+(d_3-d_4)}{2}---\left(4\right)$

然后结合两激光测距传感器在墙面抹灰机器人1上的水平距离L，可精确测量抹灰板2与待刷墙面5之间的水平偏转角：

进而根据计算得到的水平偏转角可对水平偏转角偏差进行补偿调整。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种用于墙面抹灰机器人的垂直度测量与补偿系统，其特征在于，该系统包括：墙面抹灰机器人、第一撑杆和第二撑杆，其中：

所述第一撑杆和第二撑杆放置在作业空间中的天花板与地面之间，用于固定工作过程中的墙面抹灰机器人；

所述墙面抹灰机器人放置在所述第一撑杆和第二撑杆之间，沿着所述第一撑杆和第二撑杆形成的轨道进行墙面抹灰作业；

其中，所述墙面抹灰机器人朝向墙面的一侧安装有抹灰板，所述抹灰板的后端连接有可伸缩调节的丝杠，所述抹灰板可根据丝杠的伸缩而伸缩；

所述墙面抹灰机器人垂直于墙面的两侧面分别安装有第一激光测距传感器和第二激光测距传感器；

所述墙面抹灰机器人的一侧面上安装有磁编码器。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第一激光测距传感器和第二激光测距传感器处于同一水平面上，且测量方向均与撑杆垂直。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第一激光测距传感器和第二激光测距传感器的测量量程在80mm～230mm之间，分辨率在量程范围内能达到1mm以内。

4.一种用于墙面抹灰机器人的垂直度测量与补偿方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤1，在作业空间中的天花板与地面之间固定放置第一撑杆和第二撑杆，将墙面抹灰机器人放置在所述第一撑杆和第二撑杆之间的初始作业点处；

步骤2，所述墙面抹灰机器人沿着所述第一撑杆和第二撑杆形成的轨道第一次由地面上升到天花板，进行待刷墙面抹灰作业，并在第一次上升过程中，利用第一激光测距传感器和第二激光测距传感器分别测量两个处于不同高度位置的标记点处所述墙面抹灰机器人与待刷墙面之间的距离，同时利用磁编码器分别检测两标记点在第一撑杆和第二撑杆长度方向上的距离l以及所述墙面抹灰机器人沿所述第一撑杆和第二撑杆上升的总高度h；

步骤3，根据所述步骤2的测量结果，计算得到所述第一撑杆和第二撑杆的垂直度，即所述第一撑杆和第二撑杆与竖直方向之间的夹角θ；

步骤4，根据所述墙面抹灰机器人沿所述第一撑杆和第二撑杆上升的总高度h以及第一撑杆和第二撑杆的垂直度θ，计算得到墙面抹灰机器人与待刷墙面的最大距离偏差d_max；

步骤5，根据所述最大距离偏差d_max以及所述墙面抹灰机器人沿所述第一撑杆和第二撑杆上升的总高度h，计算得到所述墙面抹灰机器人的上升速度与连接抹灰板的丝杆的调节速度之间的关系；

步骤6，墙面抹灰机器人回到初始位置装入灰浆，沿着所述第一撑杆和第二撑杆形成的轨道再次上升进行抹灰作业，作业过程中，基于所述步骤5的计算结果，根据墙面抹灰机器人的上升速度来调节抹灰板的伸缩速度，使得抹灰板的运动路径与墙面保持平行，补偿垂直度的偏差。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述两个标记点分别取为待刷墙面高度的1/3高度位置处和2/3高度位置处。

6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述第一撑杆和第二撑杆的垂直度θ表示为：

$\mathrm{\θ}={\tan }^{-1}\frac{\mathrm{\Δd}}{l},$

其中：d₁和d₂分别为在第一标记点处，第一激光测距传感器和第二激光测距传感器测得的墙面抹灰机器人与待刷墙面之间的距离，d₃和d₄分别为在第二标记点处，第一激光测距传感器和第二激光测距传感器测得的墙面抹灰机器人与待刷墙面之间的距离，l为两个标记点在第一撑杆和第二撑杆长度方向上的距离。

7.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述最大距离偏差d_max表示为：

d_max＝h·tanθ。

8.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述墙面抹灰机器人的上升速度与连接抹灰板的丝杆的调节速度之间的关系表示为：

Δx＝|d_max|·Δh/h，

其中，Δx表示丝杆单位时间内的调节变化量，Δh表示墙面抹灰机器人单位时间内上升的高度。

9.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，还包括对水平偏转角偏差进行补偿调整的步骤：

首先计算距离差然后结合两激光测距传感器在墙面抹灰机器人上的水平距离L，得到抹灰板与待刷墙面之间的水平偏转角：根据计算得到的水平偏转角对水平偏转角偏差进行补偿调整。