CN107414859A - 基于机械臂的爬壁喷涂机器人 - Google Patents
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Abstract
基于机械臂的爬壁喷涂机器人，涉及喷涂设备领域。包括：爬壁单元，在工作面上进行爬行；机械臂，连接在爬壁单元上；油漆喷头，连接在机械臂的终端；控制系统，用于控制爬壁喷涂装置自动完成喷涂作业。本发明以自动喷涂为目的，结合物联网无线通讯技术，配合无线通信模块、电磁吸附驱动装置、机械臂喷涂装置，以及喷头反冲力分解算法，实现稳定吸附、均匀喷涂，有助于减少人员接触有毒喷漆材料的时间、提高生产效率、增强自动化水平，具有理论与实际应用上的意义。
Description
技术领域
本发明涉及喷涂设备领域，具体为一种基于机械臂的爬壁喷涂机器人。
背景技术
船舶喷漆是一项复杂的工艺，通常要依次喷涂3~5层不同的漆料。传统喷漆工作通常是由工人操作喷枪进行作业，这种方式需要工人在船体表面上上下下反复喷涂。这种喷涂方式不仅劳动强度大，而且工人长期处在布满油漆微粒的有毒空间中，对身体隐性伤害极大。此外，对于大型船舶，船体喷漆属于高空作业，危险性较大，人工喷涂时需要安装额外的防护措施，加大了工程难度，并且喷漆效果易受人为因素的干扰，漆面质量不一，最重要的是人工喷涂耗时较长，效率低下。
随着机器人技术的出现、自动化控制技术的发展、工人自我安全保护意识的增强，船舶领域迫切希望能用一种设备代替人工进行这类作业，从而把人从危险、恶劣、繁重的劳动环境中解放出来。因此，开发能在金属船舶的船体自动运行的清洗喷涂类机器人，具有极其重要的理论研究与实际应用意义，具有良好的经济价值和社会效益。
发明内容
本发明的目的是基于机械臂的爬壁喷涂机器人，可以实现油漆的自动喷涂，有助于减少人员接触有毒喷漆材料的时间、提高生产效率、增强自动化水平。
实现上述目的的技术方案是：基于机械臂的爬壁喷涂机器人，其特征在于，包括：
爬壁单元，在工作面上进行爬行；
机械臂，连接在爬壁单元上；
油漆喷头，连接在机械臂的终端；
控制系统，用于控制爬壁喷涂装置自动完成喷涂作业。
进一步地，所述爬壁单元包括底盘，底盘的四角安装有呈对角设置的电动推杆，电动推杆的输出端朝外、并连接有电磁铁。
进一步地，所述机械臂安装在底盘的中部，机械臂的各关节均采用伺服电机控制，伺服电机的转轴上均对应安装有编码器。
进一步地，所述控制系统包括第一九轴传感器、第二九轴传感器、控制器、摄像头以及机械臂的伺服电机所对应的编码器；
编码器与控制器连接，用于采集机械臂各关节的角度信息、并将采集的信息发送至控制器；
第一九轴传感器安装在底盘的中心位置、第二九轴传感器安装在机械臂的终端，第一九轴传感器、第二九轴传感器分别与控制器连接，第一九轴传感器用于检测底盘的加速度、重力及磁场信息，第二九轴传感器用于检测油漆喷头的加速度、重力及磁场信息，所述控制器根据第一九轴传感器、第二九轴传感器发送的信息调整油漆喷头的角度，使油漆喷头与目标喷漆面垂直；
摄像头安装在底盘上，并与控制器连接，用于采集目标喷漆面的图像信息并发送至所述控制器，控制器根据图像信息输出计算出待喷漆目标位的空间坐标，并控制机械臂调整各关节角度，使油漆喷头移动至目标空间坐标位置。
进一步地，所述控制系统还包括编码模块、无线通信模块、解码模块、上位机；
编码模块分别与第一九轴传感器、第二九轴传感器、以及摄像头连接，用于将第一九轴传感器、第二九轴传感器、以及摄像头发出的信息编码成二进制的码元信息；
无线通信模块分别与编码模块、上位机连接，用于将码元信息传送至上位机；
解码模块分别与无线通信模块、控制器连接，用于对上位机发出的信息进行信息解调、还原出上位机的指令，再将这些传输至控制器，控制器根据解码模块输送的指令，控制爬壁单元、机械臂完成相应动作。
进一步地，控制器为单片机。
本发明的有益效果：
本发明以自动喷涂为目的，结合物联网无线通讯技术，配合无线通信模块、电磁吸附驱动装置、机械臂喷涂装置，以及喷头反冲力分解算法，实现稳定吸附、均匀喷涂，有助于减少人员接触有毒喷漆材料的时间、提高生产效率、增强自动化水平，具有理论与实际应用上的意义。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为机械臂的结构示意图；
图3为控制系统的结构示意图；
图4为油漆喷头反冲力的分解示意图；
图5为图4中c向力的分解示意图；
图6为图4中a向力的分解示意图；
图7为图4中b向力的分解示意图。
具体实施方式
如图1、2、3所示，本发明包括爬壁单元1、机械臂2、油漆喷头3以及控制系统4。
爬壁单元1包括底盘11，底盘11的四角安装有呈对角设置的第一电动推杆121、第二电动推杆122、第三电动推杆123和第四电动推杆124，第一电动推杆121的输出端连接有第一电磁铁131，第二电动推杆122的输出端连接有第二电磁铁132，第三电动推杆123的输出端连接有第三电磁铁133，第四电动推杆124的输出端连接有第四电磁铁134。
爬行单元1的工作原理：
纵向上移时，第一电磁铁131、第四电磁铁134上电吸附，第二电磁铁132和第三电磁铁133断电移动；第一电动推杆121和第四电动推杆124保持不动，第二电动推杆122向外伸出d增量长度，带动第二电磁铁132向上移动d的长度，同时第三电动推杆123回缩d增量长度，带动第三电磁铁133也向上移动d的长度；再控制第二电磁铁132和第三电磁铁133上电吸附，第一电磁铁131、第四电磁铁134断电移动，第二电动推杆122回缩d增量长度，第四电动推杆124向外伸出d增量长度，从而带动底盘11向上移动，实现整体上移。
纵向下移、横向右移、横向左移的工作原理相同，在此不再赘述。
机械臂2安装在底盘31的中部，机械臂2为公知技术，下面对其结构作简要说明，机械臂2包括回转底座21、大臂22、小臂23、手腕24、驱动回转底座21转动的第一伺服电机25、驱动大臂22绕回转底座21转动的第二伺服电机26、驱动小臂23绕大臂22回转的第三伺服电机27、驱动小臂23旋转的第四伺服电机28，驱动手腕24绕小臂23回转的第五伺服电机29、驱动手腕24旋转的第六伺服电机30。第一伺服电机25、第二伺服电机26、第三伺服电机27、第四伺服电机28、第五伺服电机29、第六伺服电机30的转轴上均对应安装有编码器49。
油漆喷头3连接机械臂2的终端、并且油漆喷头3与手腕24的轴线垂直。
控制系统4包括第一九轴传感器41、第二九轴传感器42、控制器43、摄像头48以及编码器49，其中摄像头48采用48ov7725数字摄像头，控制器43采用现有技术中常用的单片机。
编码器49与控制器43连接，用于采集机械臂2各关节的角度信息、并将采集的信息发送至控制器43；
第一九轴传感器41安装在底盘11的中心位置、第二九轴传感器42安装在机械臂2的终端，第一九轴传感器41、第二九轴传感器42分别与控制器43连接，第一九轴传感器41用于检测底盘的加速度、重力及磁场信息，第二九轴传感器42用于检测油漆喷头3的加速度、重力及磁场信息，控制器43根据第一九轴传感器41、第二九轴传感器42发送的信息调整油漆喷头3的角度，使油漆喷头3与目标喷漆面垂直；
摄像头48安装在底盘11上，并与控制器43连接，用于采集目标喷漆面的图像信息并发送至所述控制器43，控制器43根据图像信息输出计算出待喷漆目标位的空间坐标，并控制机械臂2调整各关节角度，使油漆喷头3移动至目标空间坐标位置。
在本实施例中，控制系统4还包括编码模块45、无线通信模块46、解码模块47、上位机44。
编码模块45分别与第一九轴传感器41、第二九轴传感器42、以及摄像头48连接，用于将第一九轴传感器41、第二九轴传感器42、以及摄像48头发出的信息编码成二进制的码元信息；
无线通信模块46分别与编码模块45、上位机44连接，用于将码元信息传送至上位44机；
解码模块47分别与无线通信模块46、控制器43连接，用于对上位机44发出的信息进行信息解调、还原出上位机44的指令，再将这些传输至控制器43，控制器43根据解码模块47输送的指令，控制爬壁单元1、机械臂2完成相应动作。
本发明的工作原理：
一、自动控制
1、编码器49采集机械臂2各关节的角度信息、并将发送至控制器43。
2、通过摄像头48对目标喷漆面进行图像处理和识别，摄像头48采用摄像头ov7725数字摄像头，ov7725数字摄像头在硬件上做了二值化处理，控制器43接收到的是一副黑白二值化图像，喷涂过的地方为黑色，未喷涂的地方为白色。控制器43根据图像信息输出计算出待喷漆目标位的空间坐标，并控制机械臂2调整各关节角度，使油漆喷头3移动至目标空间坐标位置。
3、控制器43根据第一九轴传感器41、第二九轴传感器42发送的信息调整油漆喷头3的角度，使油漆喷头3与目标喷漆面垂直，具体原理如下：
以图2中的三维坐标体系（xyz）为基准，第一九轴传感器41测得X和Y方向的加速度为X1和Y1；第二九轴传感器42测得X和Y方向的加速度为X2和Y2，设加速度与坐标轴同向时为正，逆向为负。
当底盘11处于水平位置时， X1和Y1为0，若X2>0，则说明油漆喷头3向右倾斜（从图2方向看），此时控制器43控制第五伺服电机29顺时针转动，通过闭环控制使X2=0，即可使油漆喷头3在X方向上水平；若X2<0，则说明油漆喷头3向左倾斜（从图2方向看），此时控制器43控制第五伺服电机29逆时针转动，通过闭环控制使X2=0，即可使油漆喷头3在X方向上水平；若Y2>0，则说明油漆喷头3向内倾斜（从图2方向看），此时控制器43控制第六伺服电机30顺时针转动，通过闭环控制使Y2=0，即可使油漆喷头3在Y方向上水平；若Y2<0，则说明油漆喷头3向外倾斜（从图2方向看），此时控制器43控制第六伺服电机30逆时针转动，通过闭环控制使Y2=0，即可使油漆喷头3在Y方向上水平。通过上述调整可使喷头所处平面与底盘平行。
当底盘11处于有弧度的壁面时X1和Y1不为0，若X2-X1>0，则说明油漆喷头3相对于底盘11向右倾斜（从图2方向看），此时控制器43控制第五伺服电机29顺时针转动，通过闭环控制使X2-X1=0，即可使油漆喷头3在X方向上与底盘保持水平；若X2-X1<0，则说明油漆喷头3相对于底盘11向左倾斜（从图2方向看），此时控制器43控制第五伺服电机29逆时针转动，通过闭环控制使X2-X1=0，即可使油漆喷头3在X方向上与底盘11水平；若Y2>0，则说明油漆喷头3相对于底盘11向内倾斜（从图2方向看），此时此时控制器43控制第六伺服电机30顺时针转动，通过闭环控制使Y2-Y1=0，即可使油漆喷头3在Y方向上与底盘水平；若Y2<0，则说明油漆喷头3相对于底盘11向外倾斜（从图2方向看），此时控制器43控制第六伺服电机30逆时针转动，，通过闭环控制使Y2-Y1=0，即可使喷头在Y方向上与底盘11水平。
4、油漆喷头3开始喷漆工作。
5、重复上述步骤，进行连续喷涂作业。
二、手动控制
操作人员通过上位机44发出指令，解码模块47对上位机44发出的信息进行信息解调、还原出上位机44的指令，再将这些传输至控制器43，控制器43根据解码模块47输送的指令，控制爬壁单元1、机械臂2完成相应动作。
在本实施例中，可以根据油漆喷头3喷漆形成的反冲击力，自动调节第一电磁铁131、第二电磁铁132、第三电磁铁13、第四电磁铁134的吸力，具体原理为：
如图4所述，首先计算油漆喷头3的反冲力：因为油漆喷头3是始终垂直于机体，所以机械臂前端在空间里任意一点所受的喷头反冲力都可以等效为在底盘11所在平面且垂直于该平面的力。设油漆喷头3内部压强为P，大气压P0，则内外压强差为：ΔP=P-P0，油漆喷头3受到的反冲力为：（其中R为油漆喷头3的孔径）。
如图5所示，由图4的c向看，第一电磁铁131、第二电磁铁132合成力Fa，第三电磁铁13、第四电磁铁134合成力Fb，由力矩平衡原理得：，。
计算可得：，
如图6所示，由图4的a向看，第一电磁铁131、第二电磁铁132合成力Fa
由力矩平衡原理得：，。
计算可得：，
如图6所示，由图4的b向看，第三电磁铁13、第四电磁铁134合成力Fb
由力矩平衡原理得：， 。
计算可得：，
综上可以分别求出F1、F2、F3、F4的大小，又因为电磁铁吸力与电流大小有关，其中u为导磁率，N为线圈匝数，I为线圈电流，S为铁心截面积，L为气隙长度。因此根据求得的力按比例调节各电磁铁电流，即可将喷头反冲力分解到各个电磁吸盘。
Claims (6)
1.基于机械臂的爬壁喷涂机器人，其特征在于，包括：
爬壁单元，在工作面上进行爬行；
机械臂，连接在爬壁单元上；
油漆喷头，连接在机械臂的终端；
控制系统，用于控制爬壁喷涂装置自动完成喷涂作业。
2.根据权利要求1所述的基于机械臂的爬壁喷涂机器人，其特征在于，所述爬壁单元包括底盘，底盘的四角安装有呈对角设置的电动推杆，电动推杆的输出端朝外、并连接有电磁铁。
3.根据权利要求2所述的基于机械臂的爬壁喷涂机器人，其特征在于，所述机械臂安装在底盘的中部，机械臂的各关节均采用伺服电机控制，伺服电机的转轴上均对应安装有编码器。
4.根据权利要求3所述的基于机械臂的爬壁喷涂机器人，其特征在于：所述控制系统包括第一九轴传感器、第二九轴传感器、控制器、摄像头以及机械臂的伺服电机所对应的编码器；
编码器与控制器连接，用于采集机械臂各关节的角度信息、并将采集的信息发送至控制器；
第一九轴传感器安装在底盘的中心位置、第二九轴传感器安装在机械臂的终端，第一九轴传感器、第二九轴传感器分别与控制器连接，第一九轴传感器用于检测底盘的加速度、重力及磁场信息，第二九轴传感器用于检测油漆喷头的加速度、重力及磁场信息，所述控制器根据第一九轴传感器、第二九轴传感器发送的信息调整油漆喷头的角度，使油漆喷头与目标喷漆面垂直；
摄像头安装在底盘上，并与控制器连接，用于采集目标喷漆面的图像信息并发送至所述控制器，控制器根据图像信息输出计算出待喷漆目标位的空间坐标，并控制机械臂调整各关节角度，使油漆喷头移动至目标空间坐标位置。
5.根据权利要求4所述的基于机械臂的爬壁喷涂机器人，其特征在于：所述控制系统还包括编码模块、无线通信模块、解码模块、上位机；
编码模块分别与第一九轴传感器、第二九轴传感器、以及摄像头连接，用于将第一九轴传感器、第二九轴传感器、以及摄像头发出的信息编码成二进制的码元信息；
无线通信模块分别与编码模块、上位机连接，用于将码元信息传送至上位机；
解码模块分别与无线通信模块、控制器连接，用于对上位机发出的信息进行信息解调、还原出上位机的指令，再将这些传输至控制器，控制器根据解码模块输送的指令，控制爬壁单元、机械臂完成相应动作。
6.根据权利要求4所述的基于机械臂的爬壁喷涂机器人，其特征在于：控制器为单片机。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20171201 |
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| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |