CN105908953A - 建筑外墙墙面抹平、喷涂装置 - Google Patents

Abstract

本发明的建筑外墙墙面抹平、喷涂装置，通过姿态调整单元将自身调整为竖直状态，使用三维扫描装置获取墙面的三维点云数据并从中计算出要作业的目标面，控制运动机构驱动工作头对墙面进行抹平作业或者喷涂作业。采用本发明，只需人工少量配合工作，能实现墙面抹平、喷涂作业的自动化。

Description

建筑外墙墙面抹平、喷涂装置

技术领域

本发明属于建筑装修自动化设备，具体涉及一种建筑外墙墙面抹平、喷涂装置。

背景技术

墙面抹平、喷涂是在建筑装修工程中应用非常广泛的工作，目前墙面抹平、喷涂主要是由人工进行，因此需要一种能自动进行墙面抹平、喷涂的机器以代替人工施工，必然会在效率、质量和安全性等方面有显著的改善。墙面抹平、喷涂必须要解决的关键问题是找到抹平、喷涂的目标面，并调整机器使其能在该目标面内作业。目前的抹墙机大多采用人工的方式来调整机器，这样精度和效率就会受到影响。另外如专利文献201510466530.X所示的采用激光水平仪方式，虽然产生的激光面是精确的平面，但是水平仪本身有精度的限制，以及相关的调整操作仍需较多的人工。另外这类抹墙机由于精度限制，对于像室内装修中的墙面抹腻子等精度要求较高的作业是很难完成的。目前，机器视觉技术已经被广泛用于各种行业，尤其是作为视觉检测应用。其中的三维扫描技术，是在特定光源（激光/结构光）的照射下拍摄目标物体的图像，然后通过拍摄的图像重建出目标物体三维模型，进一步的可从中提取出目标物体的相关特征。

发明内容

本发明所述建筑外墙墙面抹平、喷涂装置正是针对解决这一问题而提出的，使用三维重建技术来寻找墙面抹平、喷涂作业所需的目标面，以进行高精度的墙面抹平、喷涂作业，其结构简单易于使用并具有很高的精度、效率。

首先对要抹平的墙面的基本模型进行说明。通常墙面都是垂直于水平面呈竖直状态的，在抹平前其表面是凹凸不平的，但是从整体上看墙面基本呈一个平面形状。对墙面的抹平处理就是用抹平料将这些凹凸不平覆盖，从整体上形成一个平整的面。这里称抹平后的平整的墙表面为目标平面，其是垂直于水平面呈竖直状态的。

另外有时墙面会有较明显的凹凸区域，如果将墙面抹平成整体的一个平面则会导致某些区域需要过厚的抹平料，这时对于大部分区域按照平面处理，对小部分凹凸区域进行缓和过渡的曲面处理，但从视觉上看到的还是呈平面效果。为方便讨论这里统称为目标平面，并且主要以平面的情况来阐述本发明的原理，同时对于这些特殊情况从本文后续描述中可以看到本发明显然也是可以处理的。

本发明提供一种建筑外墙墙面抹平、喷涂装置，使用三维重建技术寻找所需的作业目标平面，并控制执行机构对墙面进行抹平作业或者喷涂作业，包括：主体机构，用于承载并安装其他各部件单元；姿态调整单元，用于支撑主体机构并将主体机构调整为竖直状态；工作头，用于对墙面进行抹平作业和喷涂作业；运动机构，用于驱动工作头沿墙面移动；三维扫描装置，用于获取包含墙面三维信息的点云数据；控制单元，从使用者的设置信息以及三维扫描装置获取的点云数据中计算出要作业的目标面，发出控制信号给运动机构和工作头对墙面进行抹平或者喷涂作业。

其中姿态调整机构包括三个可控的伸缩支腿(例如，直线电机)，以及测量主体机构倾角的传感器。可控支腿适当间隔地安装在主体机构的最下方，可以在控制单元的控制下进行伸缩，当支腿伸长适当长度时可以支撑起整个机器，并能将其调整为竖直状态。倾角传感器与主体机构有可确定的位置关系，通过其数据可获得主体相对于水平面的倾角。

控制单元通过读取倾角传感器数据获取主体机构相对水平面的倾角，控制三个可控伸缩支腿的伸缩量来支撑起主体机构并将主体机构调整为竖直状态，这里的控制方法使用PID控制技术（PID控制是自动化控制领域所用技术）。为便于理解，以下描述均在主体机构调整为竖直状态下进行。

运动机构用于驱动工作头贴近墙面平行移动从而进行墙面抹平或者喷涂作业，包括两关节旋转臂和调距直线电机以及旋转座。旋转座呈水平状态安装在主体机构上，并能在水平面内旋转。

这里两关节旋转臂通过旋转运动产生的面称为旋转面，其第一旋转臂的一端旋转安装于旋转座上，使得旋转面呈竖直状态，另一端旋转安装有第二旋转臂。调距直线电机垂直于旋转面安装在第二旋转臂外侧自由端。

运动机构还包括编码器，安装在旋转臂驱动电机、调距直线电机和旋转座驱动电机上，用于将工作头的运动位置信息作为电信号传送给控制单元。

这里的旋转面是在不考虑厚度的情况下描述，实际旋转臂是有厚度的，沿厚度方向不同位置都能形成旋转面，工作头还会通过调距直线电机调整到不同位置，因此工作头最末端可在不同位置形成旋转面，显然这些旋转面是平行的，这里为简化讨论，统称为旋转面。

另外需要说明的是旋转面虽然是通过旋转臂的旋转运动产生的，但工作头的作业运动轨迹并非一定是圆弧，可以通过两个旋转臂的组合运动形成沿不同方向的直线轨迹或曲线轨迹。

上述的目标平面和旋转面均是垂直于水平面的，但在初始状态两者一般不会平行，因为机器是人为放置在墙面前的，很难做到精确对齐。这可以通过运动机构中的旋转座来进行调整，以使得旋转面在水平面内旋转到与目标平面平行的位置。

随后墙面抹平作业或者喷涂作业过程就是：控制单元控制运动机构驱动工作头使得其最末端贴合到目标平面的位置，并沿墙面左右上下进行移动，同时通过出料嘴向墙面输出抹平料并被抹平装置抹平整，或者通过喷嘴对墙面进行喷涂，反复多次即可完成对墙面的抹平或者喷涂。可见这里抹平作业或喷涂作业相当简单。

另外对于抹平作业，如前所述当墙面有明显的凹凸区域时，可以通过调距直线电机实时连续调整工作头距离目标平面的距离，实现对局部区域缓和渐进的曲面处理。

工作头包括：抹平装置，其具有出料嘴，用于将通过管路从外部输送的抹平料涂抹到墙面，以及抹平斜面，呈矩形状，用于将涂抹到墙面的料抹平，其中出料嘴是设置在抹平斜面上呈细长型的开口，抹平斜面两侧还设有挡板；喷嘴装置，用于对墙面进行喷涂作业，可以是各种喷涂设备常用的喷嘴装置；旋转座，用于安装抹平装置和喷嘴装置，其可绕旋转轴旋转，旋转轴沿调距直线电机运动方向。这里抹平装置安装在旋转座底部，喷嘴装置安装在旋转座一侧与抹平装置出料嘴方向相反的位置。旋转座安装在调距直线电机的自由端，可通过调距直线电机调整工作头与墙面的距离，并可带动安装在其上的各部件相对于墙面进行旋转。

如前所述当主体机构被调整为竖直状态，以及旋转面被调整与目标平面平行的状态后，抹墙、喷涂动作被简化为使用两关节旋转臂驱动抹平头沿墙面平行移动，同时通过调距直线电机来配合调整抹平头与墙面间的距离，以进行抹平、喷涂作业，可见其运动控制被分解，因而结构相对简单，易于实施。

采用上述建筑外墙墙面抹平、喷涂装置，目标平面是从三维扫描装置获取的点云数据中计算处理得到的。三维扫描装置由拍摄相机和激光器组成，通过底座安装在工作头旋转座的一侧和喷嘴装置相对的位置。其中拍摄相机垂直于旋转面安装在底座的一端，激光器安装在底座另外一端并偏向相机一侧，其发出一字线激光与相机和激光器之间的连线垂直。该装置可以随旋转座进行旋转，并且处于相对工作头最末端更靠后的位置。

当进行墙面作业需要获取目标平面时，控制单元打开激光器发出激光照射墙面，拍摄相机拍摄墙面的图像并发送给控制单元，运动机构驱动三维扫描装置沿墙面移动到不同位置，对墙面进行上下左右的三维扫描，控制单元使用图像处理技术得到墙面的三维点云数据，进一步从中计算出进行墙面作业所需要的目标平面，以便将旋转面调整与目标平面至平行状态。

进一步由于三维扫描装置相对于主体机构的运动位置信息可以由运动机构中的编码器确定，这里为便于讨论选择固定在主体机构上的参考坐标系来表达（例如参考坐标系可选主体机构上旋转臂安装轴中心为原点，向右为X正，向上为Y正，向前为Z正）。因此从墙面三维点云数据中获取的目标平面可在参考坐标系中被表达，这样可计算出旋转面和目标平面间的偏转角度，从而驱动旋转座进行调整。

本发明所述建筑外墙墙面抹平、喷涂装置还包括顶杆机构，用于向上伸长顶住建筑物顶部，以保持整体的稳定。

控制单元还包括用于接受用户输入信息的设备（例如鼠标、键盘或者触摸屏）以及显示装置。

上述建筑外墙墙面抹平、喷涂装置的底部还安装有用于移动的轮子，当需要移动到某个施工位置时，将支腿收回，轮子起支撑作用并能进行移动。

综上所述，本发明所述建筑外墙墙面抹平、喷涂装置使用姿态调整单元将自身调整为竖直状态，通过三维扫描装置获取墙面的点云数据重建墙面模型，并进一步提取出目标平面和控制信息，使用运动机构驱动工作头对墙面进行抹平作业和喷涂作业。可见其能实现对墙面进行自动抹平、喷涂的目的，并具有很高的精度和效率，使用简单。

附图说明

通过在附图中示出的本发明的示例性实施例的更加具体的描述，本发明的各个实施例的上述和其它目的、特点和优点将会变得清楚。附图不必要按比例绘制，重点落在示出本发明的原理。

图1是根据本发明的示例性实施例的建筑外墙墙面抹平、喷涂装置的整体视图；

图2是省略了部分结构的运动机构的示意图；

图3是旋转面和目标平面示意图；

图4是抹平装置和三维扫描装置的示意图；

图5是喷嘴装置示意图；

图6是控制单元及相关部件的结构示意框图。

具体实施方式

以下，基于说明书附图，对本发明的最佳实施方式进行描述。

参照图1，根据本发明的示例性实施例的建筑外墙墙面抹平、喷涂装置包括主体机构100、姿态调整单元200、工作头300、运动机构400、三维扫描装置500、控制单元600。

继续参照图1，在上述主体机构100的底部安装有姿态调整单元200，用于在工作时将主体机构100调整为竖直状态。

具体包括在主体机构100下方位置安装的三个可控伸缩支腿210，以及与主体机构100有可确定安装位置关系的倾角传感器220。其中主体机构100前侧最左和最右位置分别安装一个可控伸缩支腿210，后侧中间位置安装一个可控伸缩支腿210，这样形成的三点结构可以提供稳定的支撑。通过控制三个可控伸缩支腿210的伸缩量就可以实现调整主体机构100在水平面上姿态的目的。 进一步可控伸缩支腿210包括直线电机211和安装在其上的编码器212，通过控制电路连接到控制单元600。控制单元600通过读取倾角传感器220的数据，确定当前主体机构100相对水平面的倾斜状态，再根据要调整到的目标状态（竖直），计算出要调整的偏差，通过使用PID控制技术控制三个可控伸缩支腿210的伸缩量将主体机构100的姿态调整到目标状态。接下来，参照图1和图2，主体机构100，其前方位置为需要进行抹平作业或者喷涂作业的墙面。运动机构400安装在主体机构100上，可以在主体机构100前方位置驱动工作头300沿墙面移动进行抹平作业和喷涂作业。进一步，运动机构400包括：两关节旋转臂410、调距直线电机420。两关节旋转臂410由第一旋转臂411和第二旋转臂412构成，第一旋转臂411一端通过旋转座430安装在主体机构100上，另一端旋转安装有第二旋转臂412，两者配合进行旋转运动就可以实现对工作头300在竖直平面内的位移控制。调距直线电机420垂直于旋转面安装在第二旋转臂412的外侧自由端。此外，两关节旋转臂410还包括第一旋转臂411的驱动电机411a；第二旋转臂412的驱动电机412a；调距直线电机420可以沿着水平方向调整工作头300与墙面的距离。电机411a和电机412a以及调距直线电机420可分别包括用于识别工作头300的运动位置信息的编码器440。运动机构400还包括旋转座430，用于调整两关机旋转臂在水平面内的偏转角度，包括运动机构旋转座驱动电机431、底座432以及编码器440。

参照图3，由于机器是由人工移动至墙面前的，因此很难做到与墙面平行的状态，会与墙面有一定的夹角，如图3中a所示，显然两关节旋转臂410旋转运动产生的旋转面也就与目标平面有一定的夹角。这可以通过运动机构400中的旋转座430来进行调整，其可通过旋转运动来驱动两关节旋转臂410在水平面内旋转从而将旋转面调整到与目标平面平行的状态，如图3中b所示，这里工作头300的最末端已经与目标平面重合。

接下来参照图4，工作头300安装在调距直线电机420的自由端，包括抹平装置310、喷嘴装置320以及旋转座330，其上还安装有三维扫描装置500。抹平装置310包括出料嘴311和抹平斜面312，出料嘴311设置在抹平斜面312上，呈细长开口状，抹平斜面312两端设有防止抹平料外溢的挡板313，通过管路和控制阀与外部供料机构连接，控制单元600通过控制阀控制对出料嘴311的供料，以进行对墙面的抹平作业。抹平装置310安装在旋转座330的底部，并能随旋转座330进行旋转，以调整方向对墙面不同位置进行抹平作业。抹平装置310的抹平斜面312在运动机构400的驱动下将出料嘴311输出到墙面的料抹平整。这里工作头300的旋转座330进一步包括工作头旋转座驱动电机331、底座332，还包括安装在电机上的编码器。这样在控制单元600的控制下，工作头300被移动到墙面前并使抹平装置310的底部与目标平面贴合。控制单元600控制出料嘴311以可控的速率输出抹平料到墙面上，同时在运动机构400的驱动下抹平斜面312向出料嘴311一侧连续移动，将输出的抹平料抹平。通过旋转座330的旋转可以调整抹平斜面312和出料嘴311的朝向，以便来回反复进行涂抹作业，将所作业区域涂抹上平整的抹平料。三维扫描装置500也安装在工作头300上，用于获取墙面作业时所需的目标平面信息，包括拍摄相机510和激光器520，通过基座530安装在旋转座350的侧面、抹平装置310出料嘴311开口方向侧位置，并且其处于相对于工作头300末端更靠后的位置。拍摄相机510安装在基座530的一端，镜头方向沿调距直线电机420运动方向指向工作头300末端；激光器520安装在基座530的另外一端，偏向拍摄相机510一侧倾斜，其发出的线状激光与拍摄相机510和激光器之间的连线垂直。控制单元600通过电路连接到三维扫描装置500，在进行墙面三维扫描时，控制单元600控制运动机构400驱动三维扫描装置500移动到墙面前方约200mm处位置。打开激光器520发出直线状激光照射到墙面，拍摄被激光照射的墙面图像，随着三维扫描装置500被运动机构400驱动沿墙面连续移动到不同位置就可以完成对墙面的三维扫描拍摄。控制单元600根据拍摄的图像计算出包含墙面三维信息的点云数据，并根据这些点云数据进一步提取出要进行墙面作业的目标平面。

参照图5，喷嘴装置320垂直于旋转面安装在旋转座330的一侧，相对处于抹平装置310背面与三维扫描装置500相对的位置，喷嘴方向朝向工作头300的末端，用于向墙面进行喷涂作业。喷嘴装置320可以是常用喷涂设备的喷嘴装置，通过管路和控制阀与外部喷涂供料源连接，并可被控制单元600控制。 接着参照图6，对本实施的控制系统进行说明。 控制单元600设置在主体机构100内部的适当区域，主要包括一台具有图像处理能力的主控计算机610以及安装于其中的处理控制程序。 另外，控制单元600还包括电机控制器620、电机驱动器630、激光器控制器640、喷嘴控制装置650以及抹平控制装置660。 在上述主控计算机610上还连接有显示装置670，用于显示机器的运行状态信息，以及为使用者提供人机操作界面。 电机控制器620和电机驱动器630用于对上述两关节旋转臂电机411a和412a、调距直线电机420、运动机构旋转座驱动电机431、可控伸缩支腿电机210以及工作头旋转座驱动电机331进行控制。 喷嘴控制装置650和抹平控制装置660分别用于控制喷嘴模块310以及抹平装置320。 主控计算机610还对拍摄相机510进行拍摄控制，以及通过激光器控制器640控制激光器520在对墙面进行三维扫描时发出激光照射到墙面。

参照图1，主体机构100底部安装有用于移动的轮子W，分别安装在主体机构100的四个角部位置。当可控伸缩支腿210呈收起状态时处于比轮子高的位置，此时轮子W支撑整个机器并可以进行移动。另外参照图1，本发明所述建筑外墙墙面抹平、喷涂装置还包括顶杆机构700，用于向上伸长顶住建筑物顶部，以保持整体的稳定。

下面将描述根据本发明的示例性实施例的建筑外墙墙面抹平、喷涂装置的操作流程。

参照图1，使用者确定要对某个墙面区域进行抹平或喷涂作业，将机器移动到墙面前，并尽量使机器的左右方向与墙面平齐。

接着，控制单元600发出控制信息给姿态调整单元200将所述建筑外墙墙面抹平、喷涂装置调整到竖直状态。此时两关机旋转臂410运动产生的旋转面与水平面垂直，但与目标平面会有夹角，参照3中a所示，这是因为机器是人为放置在墙面前，无法做到与墙面平行，需要通过三维扫描装置500获取目标平面参数并计算出这一夹角，再通过运动机构400的旋转座430将两者调整到平行状态。然后需要对墙面进行三维扫描以获得要作业的目标平面，使用者通过控制单元600的操作界面控制运动机构400驱动工作头300移动到需要进行墙面作业区域的左上角位置，并在控制单元600中记录此位置信息，继续将工作头300移动至右下角位置，同样在控制单元600中记录该位置信息，这样通过这两个点的位置就确定了一个矩形的作业区域（这里通过矩形的作业区域来说明本发明的原理，具体作业时可通过控制单元600的操作界面进行灵活的作业区域设置）。接着控制单元600就会自动驱动工作头300沿墙面对这一矩形区域进行三维扫描，并从扫描得到的点云数据中计算出目标平面，进一步计算就得到了旋转面和目标平面之间的夹角，通过运动机构400的旋转座430将旋转面调整到与目标平面平行的状态，参照图3中b所示。此时墙面抹平、喷涂作业的准备工作完成，控制单元600驱动工作头300的抹平装置310贴合到目标平面位置，打开出料嘴320对墙面输出抹平料并驱动工作头300沿墙面移动将输出的抹平料在墙面上抹平，或者打开喷嘴对墙面进行喷涂。控制单元600控制运动机构400驱动工作头300沿墙面从左到右进行作业，到达最右端后向下移动一段距离并通过工作头300的旋转座使抹平装置310改变抹平方向朝左，进行从右到左的墙面作业。也可以按其他不同的运动方向进行具体的抹平、喷涂作业。反复进行上述操作过程，即可完成对所有墙面区域的抹平、喷涂工作。从以上描述可以看出本发明所涉及的建筑外墙墙面抹平、喷涂装置的使用相当简单，仅需要少量简单的人工操作，可以实现自动墙面抹平、喷涂的目的。

这里所述系统可在任何形式的计算机上执行，或在客户机-服务器系统(基于网络的系统)中被实现。任何计算机可包括处理器、用于存储程序数据并使其执行的存储器、永久存储器(例如硬盘)、用于与外部装置进行通信的通信端口、用户接口装置(包括显示器、键盘、鼠标等)。当涉及软件模块时，这些软件模块是被存储在计算机可读介质(例如，硬盘、光盘、SSD)上的可执行的程序指令或者计算机可读代码。计算机可读介质还可分布在与联网的计算机系统上，使得计算机可读代码按照分布的方式被存储和执行。

可按照功能块组件和各种处理步骤对本发明进行描述。通过被构造成执行特定功能的任何数量的硬件和/或软件组件实现这些功能性模块。例如，本发明可使用各种集成电路组件(例如，存储器元件、处理元件、逻辑元件等)，所述集成电路组件可在一个或者多个微处理器或者其它控制装置的控制下执行各种功能。类似地，本发明涉及的软件使用任何编程或者脚本语言(例如C、C++、Java、汇编语言等)以及通过利用任何数据结构、对象、处理过程、程序或者其它编程组件的组合而实施的各种方法被实现。

这里显示和描述的具体的实施是本发明的示例性的示例，并不以任何方式限制本发明的范围。为了简洁起见，没有详细描述系统的传统的电子方面、控制系统、软件开发和其它功能方面。此外，给出的各个附图中示出的连接线和连接器用于表示示例性功能关系和/或各种元件之间的物理或者逻辑结合。应该理解，在实际的装置中可存在可选的或者另外的功能性关系、物理连接器或者逻辑连接器。

为了加深对本发明的原理的理解，已经对附图中示出的优选实施例进行了描述，并使用特定的词语对这些实施例进行了描述。然而，这些特定的词语不用于限制本发明的范围，本发明应该被解释为包括本领域普通技术人员通常能够想到的所有实施例，各种对本方案的同等替换，应该都是在本专利的保护范围内。

Claims (4)

1.一种建筑外墙墙面抹平、喷涂装置，其特征在于，包括：

主体机构，所述主体机构底部安装有用于移动的轮子，用于承载并安装其它各部件单元；

姿态调整单元，用于支撑主体机构并将主体机构调整为竖直状态；

工作头，用于对墙面进行抹平作业和喷涂作业；

运动机构，用于驱动工作头沿墙面移动；

三维扫描装置，用于获取包含墙面三维信息的点云数据；

控制单元，包括用于接受用户输入信息的设备以及显示装置，从使用者的设置信息以及三维扫描装置获取到的墙面点云数据中计算出要作业的目标面，发出控制信号给运动机构和工作头对墙面进行抹平或者喷涂作业，控制方法使用PID控制；

所述姿态调整单元包括：

倾角传感器，用于测量主体机构相对于水平面的倾斜角度；

安装在主体机构底部的可控伸缩支腿，用于支撑主体机构并将主体机构调整为竖直状态；

所述工作头包括：

抹平装置，用于将通过管路从外部输送的抹平料输出到墙面并抹平；

喷嘴装置，用于对墙面进行喷涂作业；

旋转座，其可绕旋转轴旋转，安装有上述抹平装置和喷嘴装置；

所述运动机构包括：

旋转座，安装在主体机构上，可在水平面内旋转；

两关节旋转臂，能通过旋转运动产生竖直的旋转面，用于使工作头沿墙面发生位移，其中，第一旋转臂的一端旋转连接于上述旋转座上，另一端旋转连接有第二旋转臂；

调距直线电机，垂直于旋转面安装在第二旋转臂外侧自由端，用于调整工作头与墙面间的距离；

编码器，安装在旋转座、两关节旋转臂和调距直线电机中，用于将工作头的位置信息作为电信号传送给控制单元；

所述三维扫描装置包括：

激光器，用于发出呈直线状的激光照射墙面；

拍摄相机，用于拍摄被激光照射的墙面的图像，并将所拍摄的图像传输给控制单元。

2.根据权利要求1所述的建筑外墙墙面抹平、喷涂装置，其特征在于，

所述旋转座，通过带动两关节旋转臂在水平面内旋转，从而将前述旋转面调整为与目标面大致平行的状态。

3.根据权利要求2所述的建筑外墙墙面抹平、喷涂装置，其特征在于，

所述用于接受用户输入信息的设备为鼠标、键盘或者触摸屏，控制单元在进行墙面作业前，控制三维扫描装置扫描墙面，从获取的墙面三维点云数据中进一步计算出墙面作业目标面和作业控制信息。

4.根据权利要求3所述的建筑外墙墙面抹平、喷涂装置，其特征在于，

还包括顶杆机构，用于向上伸长顶住建筑物顶部，以保持整体的稳定。