CN106020095A - 一种基于全自动墙体材料施工机器人的控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于全自动墙体材料施工机器人的控制系统，包括嵌入式工控机、总线型运动控制器、PLC、断路器和打印板卡，所述嵌入式工控机、总线型运动控制器和PLC之间通过内置总线通讯模块相互通讯；与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：采用数控的控制理念，通过嵌入式工控机、总线型运动控制器、PLC和打印板卡共同实现对伺服系统的控制，使机器人完成行走、喷涂、2D打印、3D打印和喷墨打印的工作，在墙面形成立体彩色模型的造型，对图案多样化的选定，绘画的品质，喷绘的工作效率和人工成本是其他方法难以所取代的。

Description

一种基于全自动墙体材料施工机器人的控制系统

技术领域

本发明是一种基于全自动墙体材料施工机器人的控制系统，属于建筑家装机器人设备领域。

背景技术

机器人是自动执行工作的机器装置。它既可以接受人类指挥，又可以运行预先编排的程序，也可以根据以人工智能技术制定的原则纲领行动。它的任务是协助或取代人类工作的工作，例如生产业、建筑业，或是危险的工作。现有技术中的机器人多数为工业现场使用的机械手或按着固定轨道移动的机器人。

现有的墙面施工技术是人工徒手施工，工人劳动强度大，且由于工人施工工艺水平高低，施工后的效果很难保证。对于复杂3D模型人工施工根本无法完成。模型的上色更是人工施工的短板。如果采用拼接墙砖的形式来拼接图案，一是，人工劳动强度大，耗时耗材。二是，更改或变化图案很难完成，是一个较大的工程，成本非常高。三是，图案没活力，单调，色彩没打印的立体、逼真。

通过嵌入式工控机、总线型运动控制器、PLC和打印板卡共同实现对伺服系统的控制，使机器人完成行走、2D打印、3D打印和喷墨打印的工作，在墙面形成立体彩色模型的造型。这一技术是人工无法实现的。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明目的是提供一种基于全自动墙体材料施工机器人的控制系统，以解决上述背景技术中提出的问题,本发明使用方便，便于操作，稳定性好，可靠性高。

为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：一种基于全自动墙体材料施工机器人的控制系统，包括嵌入式工控机、总线型运动控制器、PLC、断路器和打印板卡，所述嵌入式工控机、总线型运动控制器和PLC之间通过内置总线通讯模块相互通讯；所述PLC的输入端与行程开关的输出端、倾角传感器的输出端、激光传感器的输出端以及摇杆的输出端连接，所述断路器与外部电路电性连接，所述断路器的输出端通过电缆与嵌入式工控机的输入端、总线型运动控制器的输入端、PLC的输入端以及逆变器的输入端连接；所述PLC通过电缆与Z方向控制轴驱动器、水平调节轴R驱动器、水平调节轴T驱动器、刀库进退轴Q驱动器、以及主体旋转轴K驱动器电性连接，所述Z方向控制轴驱动器、水平调节轴R驱动器、水平调节轴T驱动器、刀库进退轴Q驱动器、以及主体旋转轴K驱动器分别与Z方向控制轴伺服电机、水平调节轴R伺服电机、水平调节轴T伺服电机、主体旋转轴K伺服电机以及刀库进退轴Q伺服电机电性连接；所述总线型运动控制器和PLC通过电缆与底盘运动轴M驱动器以及底盘运动轴N驱动器电性连接，所述底盘运动轴M驱动器以及底盘运动轴N驱动器分别与底盘运动轴M伺服电机以及底盘运动轴N伺服电机电性连接；总线型运动控制器与打印头上下移动I轴驱动器、墨盒旋转B轴驱动器、打印头旋转A轴驱动器以及墨盒前后移动J轴驱动器电性连接；所述总线型运动控制器和打印卡板通过电缆与X方向控制轴驱动器、Y方向Y轴驱动器、Y方向控制C轴驱动器以及Y方向控制K轴驱动器电性连接。

进一步地，所述逆变器通过电缆与蓄电池电性连接，逆变器输出端通过电缆分别与电葫芦的输入端和PLC的输入端连接，向其提供220V电源，蓄电池输出端设置有电压表，电压表将蓄电池电压值传输给PLC，所述逆变器将蓄电池的48V直流电转换成220V交流电，向PLC、底盘运动轴M伺服电机和底盘运动轴N伺服电机。

进一步地，嵌入式工控机的内部设置有4G无线网卡，嵌入式工控机通过内置的4G无线网卡接收WIFI信号，与服务器双向连接，远程接收设备控制文件。

进一步地，所述总线型运动控制器与行程开关信号连接。

进一步地，所述底盘运动轴M伺服电机和底盘运动轴N伺服电机安装在履带底盘内部，PLC通过AB项脉冲格式控制履带底盘上的底盘运动轴M伺服电机和底盘运动轴N伺服电机的速度，以AB项脉冲的相位差控制底盘运动轴M伺服电机和底盘运动轴N伺服电机的方向，以实现履带底盘前进、后退、左转和右转四个方向的动作。

进一步地，所述水平调节轴R驱动器、水平调节轴R伺服电机、水平调节轴T驱动器和水平调节轴T伺服电机用于调节水平调节轴运动，水平调节轴上设置有工作平台，所述工作平台上设置有墨盒和打印头，所述墨盒旋转B轴驱动器以及墨盒前后移动J轴驱动器用于调节墨盒运动，所述打印头上下移动I轴驱动器和打印头旋转A轴驱动器用于调节打印头运动，所述激光传感器设置在打印头的前方，刀库进退轴Q驱动器以及刀库进退轴Q伺服电机用于调节刀库进退轴运动，主体旋转轴K驱动器以及主体旋转轴K伺服电机用于调节主体旋转轴运动，X方向控制轴驱动器用于调节X方向控制轴运动，Y方向Y轴驱动器、Y方向控制C轴驱动器以及Y方向控制K轴驱动器用于调节Y方向控制轴运动。

本发明的有益效果：本发明的一种基于全自动墙体材料施工机器人的控制系统，采用数控的控制理念，通过嵌入式工控机、总线型运动控制器、PLC和打印板卡共同实现对伺服系统的控制，使机器人完成行走、喷涂、2D打印、3D打印和喷墨打印的工作，在墙面形成立体彩色模型的造型，对图案多样化的选定，绘画的品质，喷绘的效果及效率都是人工施工等其他方法难以取代的。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明一种基于全自动墙体材料施工机器人的控制系统的结构示意图；

具体实施方式

为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。

请参阅图1，本发明提供一种技术方案：一种基于全自动墙体材料施工机器人的控制系统，包括嵌入式工控机、总线型运动控制器、PLC、断路器和打印板卡，嵌入式工控机、总线型运动控制器和PLC之间通过内置总线通讯模块相互通讯。

PLC的输入端与行程开关的输出端、倾角传感器的输出端、激光传感器的输出端以及摇杆的输出端连接，断路器与外部电路电性连接，断路器的输出端通过电缆与嵌入式工控机的输入端、总线型运动控制器的输入端、PLC的输入端以及逆变器的输入端连接。

PLC通过电缆与Z方向控制轴驱动器、水平调节轴R驱动器、水平调节轴T驱动器、刀库进退轴Q驱动器、以及主体旋转轴K驱动器电性连接，Z方向控制轴驱动器、水平调节轴R驱动器、水平调节轴T驱动器、刀库进退轴Q驱动器、以及主体旋转轴K驱动器分别与Z方向控制轴伺服电机、水平调节轴R伺服电机、水平调节轴T伺服电机、主体旋转轴K伺服电机以及刀库进退轴Q伺服电机电性连接。

总线型运动控制器和PLC通过电缆与底盘运动轴M驱动器以及底盘运动轴N驱动器电性连接，底盘运动轴M驱动器以及底盘运动轴N驱动器分别与底盘运动轴M伺服电机以及底盘运动轴N伺服电机电性连接。

总线型运动控制器与打印头上下移动I轴驱动器、墨盒旋转B轴驱动器、打印头旋转A轴驱动器以及墨盒前后移动J轴驱动器电性连接。

总线型运动控制器和打印卡板通过电缆与X方向控制轴驱动器、Y方向Y轴驱动器、Y方向控制C轴驱动器以及Y方向控制K轴驱动器电性连接。

逆变器通过电缆与蓄电池电性连接，逆变器输出端通过电缆分别与电葫芦的输入端和PLC的输入端连接，向其提供220V电源，蓄电池输出端设置有电压表，电压表将蓄电池电压值传输给PLC，逆变器将蓄电池的48V直流电转换成220V交流电，向PLC、底盘运动轴M伺服电机和底盘运动轴N伺服电机提供电源。

嵌入式工控机的内部设置有4G无线网卡，嵌入式工控机通过内置的4G无线网卡接收WIFI信号，与服务器双向连接，远程接收设备控制文件。

总线型运动控制器与行程开关信号连接，底盘运动轴M伺服电机和底盘运动轴N伺服电机安装在履带底盘内部，PLC通过AB项脉冲格式控制履带底盘上的底盘运动轴M伺服电机和底盘运动轴N伺服电机的速度，以AB项脉冲的相位差控制底盘运动轴M伺服电机和底盘运动轴N伺服电机的方向，以实现履带底盘前进、后退、左转和右转四个方向的动作。

水平调节轴R驱动器、水平调节轴R伺服电机、水平调节轴T驱动器和水平调节轴T伺服电机用于调节水平调节轴运动，水平调节轴上设置有工作平台，工作平台上设置有墨盒和打印头，墨盒旋转B轴驱动器以及墨盒前后移动J轴驱动器用于调节墨盒运动，打印头上下移动I轴驱动器和打印头旋转A轴驱动器用于调节打印头运动，激光传感器设置在打印头的前方，刀库进退轴Q驱动器以及刀库进退轴Q伺服电机用于调节刀库进退轴运动，主体旋转轴K驱动器以及主体旋转轴K伺服电机用于调节主体旋转轴运动，X方向控制轴驱动器用于调节X方向控制轴运动，Y方向Y轴驱动器、Y方向控制C轴驱动器以及Y方向控制K轴驱动器用于调节Y方向控制轴运动。

做为本发明的一个实施例：PLC根据工作形式不同分为蓄电池供电和市电供电两种方式，在转运过程中，启用蓄电池供电模式，蓄电池供电的方式由蓄电池和逆变器实现，逆变器将蓄电池的48V直流电转换成220V交流电，摇杆输出±5V的电压模拟量信号到PLC，PLC将不同的电压值转换成相应的脉冲信号和开关量信号。PLC通过脉冲信号控制履带底盘上底盘运动轴M伺服电机和底盘运动轴N伺服电机的速度，通过开关量信号控制底盘运动轴M伺服电机和底盘运动轴N伺服电机的方向，以实现前进、后退、左转和右转四个方向的动作。转运过程还辅以专用的小型电动升降平台，将设备装卸于普通货车，实现长距离的转运。该平台的电葫芦由逆变器提供220V电源。机器人在施工过程中，系统连接到市电，逆变器停止220V电压输出，仅对蓄电池充电。

断路器在连接外部电路之后，整个施工控制过程分为准备阶段、基材打印阶段、喷墨着色阶段、设备移动阶段和收工阶段。

准备阶段，通过嵌入式工控机选择手动模式，嵌入式工控机将手动信号发送到PLC，首先，PLC控制将刀库进退轴Q驱动器继而控制刀库进退轴Q伺服电机，从而将刀库进退轴推出；其次，通过摇杆控制履带底盘移动到预定位置；再次，通过嵌入式工控机启动调平功能，此时，倾角传感器将电流模拟信号传送到PLC，PLC通过计算后，向水平调节轴T驱动器发送脉冲信号和开关量信号，以控制水平调节轴T伺服电机的旋转圈数和方向，使工作平台达到水平状态；最后嵌入式工控机将点动信号发送给总线型运动控制器，总线型运动控制器脉冲信号和开关量信号发送给X方向控制轴驱动器、Y方向Y轴驱动器、Y方向控制C轴驱动器以及Y方向控制K轴驱动器，驱动X方向控制轴和Y方向控制轴到达原点位置；机器人达到工作准备状态。

基材打印阶段，由嵌入式工控机、总线型运动控制器和PLC共同控制。嵌入式工控机远程接收设备控制文件。文件接收完毕之后，嵌入式工控机通将控制命令发送给总线型运动控制器，总线型运动控制器根据控制命令首先将打印头上下移动I轴驱动器、打印头旋转A轴驱动器、墨盒旋转B轴驱动器以及墨盒前后移动J轴驱动器旋转一个角度，同时，为保证墨盒始终保持水平，总线型运动控制器控制打印头上下移动I轴驱动器、打印头旋转A轴驱动器、墨盒旋转B轴驱动器以及墨盒前后移动J轴驱动器同步反向转动相同角度。旋转到位后，总线型运动控制器根据控制命令控制X方向控制轴驱动器、Y方向Y轴驱动器、Y方向控制C轴驱动器以及Y方向控制K轴驱动器的运动距离和方向；安装在打印头上的激光传感器实时检测打印头和墙面的距离，并将电流模拟量信号传送给PLC，PLC通过计算后，控制履带底盘的运动距离和方向；以此多轴联动，从而控制墨盒中的颜料通过打印头喷射出来，共同完成一个平面内的基材打印工作。完成一个幅面的一层打印之后，小车移动到下一幅面准备开始进行下一幅面的第一层打印。上一幅面的第一条轨迹的终点即为下一幅面的第一条轨迹的起点，如此才能保证两个幅面的对接。当系统在执行上一幅面第一条轨迹的运动指令时，到达该轨迹的终点时，系统记录在此点激光传感器反馈回来的数据，即为该点的三维坐标，系统参照此坐标，调整确定下一幅面的工作起点。当全部幅面的第一层打印完成后，小车回到起始位置，进入喷墨着色阶段。

喷墨着色阶段，总线型运动控制器先控制命令控制打印头上下移动I轴驱动器继而控制打印头向上移动，到位后总线型运动控制器控制墨盒前后移动J轴驱动器继而控制墨盒向墙面方向移动，到位后总线型运动控制器向PLC和打印板卡发送指令，启动喷墨程序。总线型运动控制器控制X方向控制轴驱动器、Y方向Y轴驱动器、Y方向控制C轴驱动器以及Y方向控制K轴驱动器继而控制X方向控制轴和Y方向控制轴的运动距离和方向，打印板卡控制色彩和墨盒中墨的流量；PLC控制履带底盘的运动距离和方向。以此多轴联动，共同完成全部幅面喷墨着色工作。此过程中履带底盘的移动以及两幅面间的定位方式，与上述基材打印阶段的方式一致。完成喷墨着色之后，打印板卡向总线型运动控制器发送指令，总线型运动控制器控制墨盒移动轴退回起始位置，到位后总线型运动控制器控制打印头上下移动I轴驱动器向下移动至起始位，到位后进入下一个平面的基材打印和喷墨着色阶段，直至完成一个施工幅面的全部工作，进入设备移动阶段。

设备移动阶段，完成了一个施工幅面的全部工作之后，总线型运动控制器控制控制履带底盘上的底盘运动轴M伺服电机以及底盘运动轴N伺服电机的转速和转向，控制履带底盘从第一个幅面的位置移动到第二个幅面的预定位置，此时，PLC根据激光传感器反馈的数据进行判断，若机器人没有移动到预定位置，或没有平行墙面，则PLC控制履带底盘上的底盘运动轴M伺服电机以及底盘运动轴N伺服电机转动的圈数和方向，使履带底盘移动到预定的位置。到达预定位置后，倾角传感器通过电缆将电流模拟信号传送到PLC，PLC通过计算后，向水平调节轴R驱动器以及水平调节轴T驱动器发送脉冲信号和开关量信号，以控制水平调节轴R伺服电机以及水平调节轴T伺服电机的旋转圈数和方向，使整个工作平台达到水平状态，达到水平状态后，总线型运动控制器和PLC共同控制机器人重复进行下一个施工幅面的工作，直至全部的施工完成，系统切换成手动状态，进入收工阶段。

收工阶段，通过嵌入式工控机控制，嵌入式工控机向PLC发送信号，PLC控制将刀库进退轴推出，到位后主体旋转轴逆时针旋转180度，到位后刀库进退轴退回起点位。至此，机器人达到收工转运状态。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点,对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (6)

1.一种基于全自动墙体材料施工机器人的控制系统，包括嵌入式工控机、总线型运动控制器、PLC、断路器和打印板卡，其特征在于：所述嵌入式工控机、总线型运动控制器和PLC之间通过内置总线通讯模块相互通讯；

所述PLC的输入端与行程开关的输出端、倾角传感器的输出端、激光传感器的输出端以及摇杆的输出端连接，所述断路器与外部电路电性连接，所述断路器的输出端通过电缆与嵌入式工控机的输入端、总线型运动控制器的输入端、PLC的输入端以及逆变器的输入端连接；

所述PLC通过电缆与Z方向控制轴驱动器、水平调节轴R驱动器、水平调节轴T驱动器、刀库进退轴Q驱动器、以及主体旋转轴K驱动器电性连接，所述Z方向控制轴驱动器、水平调节轴R驱动器、水平调节轴T驱动器、刀库进退轴Q驱动器、以及主体旋转轴K驱动器分别与Z方向控制轴伺服电机、水平调节轴R伺服电机、水平调节轴T伺服电机、主体旋转轴K伺服电机以及刀库进退轴Q伺服电机电性连接；

所述总线型运动控制器和PLC通过电缆与底盘运动轴M驱动器以及底盘运动轴N驱动器电性连接，所述底盘运动轴M驱动器以及底盘运动轴N驱动器分别与底盘运动轴M伺服电机以及底盘运动轴N伺服电机电性连接；

所述总线型运动控制器与打印头上下移动I轴驱动器、墨盒旋转B轴驱动器、打印头旋转A轴驱动器以及墨盒前后移动J轴驱动器电性连接；

所述总线型运动控制器和打印卡板通过电缆与X方向控制轴驱动器、Y方向Y轴驱动器、Y方向控制C轴驱动器以及Y方向控制K轴驱动器电性连接。

2.根据权利要求1所述的一种基于全自动墙体材料施工机器人的控制系统，其特征在于：所述逆变器通过电缆与蓄电池电性连接，逆变器输出端通过电缆分别与电葫芦的输入端和PLC的输入端连接，向其提供220V电源，蓄电池输出端设置有电压表，电压表将蓄电池电压值传输给PLC，所述逆变器将蓄电池的48V直流电转换成220V交流电，向PLC、底盘运动轴M伺服电机和底盘运动轴N伺服电机提供电源。

3.根据权利要求1所述的一种基于全自动墙体材料施工机器人的控制系统，其特征在于：嵌入式工控机的内部设置有4G无线网卡，嵌入式工控机通过内置的4G无线网卡接收WIFI信号，与服务器双向连接，远程接收设备控制文件。

4.根据权利要求1所述的一种基于全自动墙体材料施工机器人的控制系统，其特征在于：所述总线型运动控制器与行程开关信号连接。

5.根据权利要求1所述的一种基于全自动墙体材料施工机器人的控制系统，其特征在于：所述底盘运动轴M伺服电机和底盘运动轴N伺服电机安装在履带底盘内部，PLC通过AB项脉冲格式控制履带底盘上的底盘运动轴M伺服电机和底盘运动轴N伺服电机的速度，以AB项脉冲的相位差控制底盘运动轴M伺服电机和底盘运动轴N伺服电机的方向，以实现履带底盘前进、后退、左转和右转四个方向的动作。

6.根据权利要求1所述的一种基于全自动墙体材料施工机器人的控制系统，其特征在于：所述水平调节轴R驱动器、水平调节轴R伺服电机、水平调节轴T驱动器和水平调节轴T伺服电机用于调节水平调节轴运动，水平调节轴上设置有工作平台，所述工作平台上设置有墨盒和打印头，所述墨盒旋转B轴驱动器以及墨盒前后移动J轴驱动器用于调节墨盒运动，所述打印头上下移动I轴驱动器和打印头旋转A轴驱动器用于调节打印头运动，所述激光传感器设置在打印头的前方，刀库进退轴Q驱动器以及刀库进退轴Q伺服电机用于调节刀库进退轴运动，主体旋转轴K驱动器以及主体旋转轴K伺服电机用于调节主体旋转轴运动，X方向控制轴驱动器用于调节X方向控制轴运动，Y方向Y轴驱动器、Y方向控制C轴驱动器以及Y方向控制K轴驱动器用于调节Y方向控制轴运动。