CN110792247A - 一种智能刷墙机器人 - Google Patents

Abstract

本发明属于刷墙作业的技术领域，公开了一种智能刷墙机器人，包括能够移动的小车，所述小车上设置有第一旋转机构，所述第一旋转机构与第一伸缩机构的一端相连，所述第一伸缩机构的另一端通过第二旋转机构与第二伸缩机构的一端相连，所述第二伸缩机构的另一端与刷具相连，所述第一旋转机构用于控制第一伸缩机构在水平面上的转动，所述第二旋转机构用于控制第二伸缩机构在竖直面上的转动，所述第一伸缩机构用于控制刷具在竖直方向上的运动，所述第二伸缩机构用于控制刷具在水平方向上的运动，从而借助第一伸缩机构结合第二旋转机构，完成上下刷墙，借助第一旋转机构结合第二伸缩机构、第二旋转机构，完成左右刷墙。

Description

一种智能刷墙机器人

技术领域

本发明属于刷墙设备的技术领域，具体涉及一种智能刷墙机器人。

背景技术

在建筑物装修方面，为了满足美观、防蛀等需求，需要在墙壁上刷上一层涂层。但传统的粉刷过程，多由人工完成，且粉刷动作机械重复，效率低下，粉刷液对人体皮肤也造成一定损害等，因而需要一种自动化粉刷器械，将工人从枯燥危险的粉刷工作中解放出来，实现高效、高度自动化刷墙作业。

发明内容

本发明提供了一种智能刷墙机器人，解决了传统的粉刷过程，多由人工完成，且粉刷动作机械重复，效率低下等问题。

本发明可通过以下技术方案实现：

一种智能刷墙机器人，包括能够移动的小车，所述小车上设置有第一旋转机构，所述第一旋转机构与第一伸缩机构的一端相连，所述第一伸缩机构的另一端通过第二旋转机构与第二伸缩机构的一端相连，所述第二伸缩机构的另一端与刷具相连，所述第一旋转机构用于控制第一伸缩机构在水平面上的转动，所述第二旋转机构用于控制第二伸缩机构在竖直面上的转动，所述第一伸缩机构用于控制刷具在竖直方向上的运动，所述第二伸缩机构用于控制刷具在水平方向上的运动，从而借助第一伸缩机构结合第二旋转机构，完成上下刷墙，借助第一旋转机构结合第二伸缩机构、第二旋转机构，完成左右刷墙。

进一步，所述第二伸缩机构包括伸缩机械臂，所述第一伸缩机构包括与第一旋转机构相连的第一机械臂，所述第一机械臂通过滑动机构与第二机械臂的一端嵌套配合，所述第二机械臂的另一端通过第二旋转机构与伸缩机械臂的一端相连；所述伸缩机械臂的另一端与刷具相连，所述滑动机构用于控制第二机械臂嵌套进入第一机械臂的深度。

进一步，所述第一机械臂呈筒状，所述第二机械臂呈L形，其一端嵌套进入第一机械臂，所述滑动机构包括丝杠，所述丝杠的一端与第一舵机相连，另一端穿过第二机械臂一端的端面进入其内部，所述第二机械臂与第一机械臂通过多个滑轨相接触，多个所述滑轨对称设置。

进一步，所述第一机械臂和第二机械臂均呈方形结构，所述第二机械臂的另一端设置有摄像头，所述摄像头用于对粉刷墙面进行摄像。

进一步，所述伸缩机械臂包括底座，所述底座的一侧与第二旋转机构相连，相对的一侧上设置有多个连接成直线的弹簧，相邻弹簧之间通过档片相连，每个档片均通过一组线绳连接到绕线器上，一组线绳包括多条线绳，均匀连接到档片上，且每条线绳上均设置有拉力传感器，所述拉力传感器用于检测每条线绳所受的拉力，所述绕线器设置在底座内部。

进一步，所述第一旋转机构包括设置在小车上的第一转盘，所述第一转盘一侧的中心通过齿轮传动机构与第二舵机相连，相对的一侧与第一机械臂的一端相连，所述第二旋转机构包括与第二机械臂的另一端相连的第三舵机，所述第三舵机的输出轴与第二转盘一侧的中心相连，所述第二转盘相对的一侧与底座的一侧相连。

进一步，所述刷具包括储料盒，所述储料盒的一侧与伸缩机械臂相连，其相对的一侧与连接筒相连，所述连接筒上均匀设置有多组刷毛，其内部设置多个与刷毛一一对应的连接管，所述连接管的一端与储料盒连通，另一端连接刷毛；

所述储料盒通过软管与涂料箱连通，所述涂料箱设置在称重器上，所述称重器用于对涂料箱进行称重。

进一步，所述小车底面的前端设置有两个转向轮，后端设置有两个驱动轮，各个侧面设置有三个不共线的距离传感器，其内部设置有控制单元，包括处理器、导航模块、避障模块、通讯模块、运动控制模块，所述处理器通过通讯模块与上位机相连，所述上位机包括监控模块，所述监控模块用于对刷墙机器人的刷墙状况进行监测，所述运动控制模块用于对刷墙机器人的移动，以及刷墙模式的实现进行控制。

本发明有益的技术效果在于：

通过第一伸缩机构控制刷具在竖直方向上的运动，实现上下刷墙，再通过第一旋转机构控制第一伸缩机构连带刷具在水平面上的转动，结合第二伸缩机构实时调节刷具与墙壁之间的距离，实现左右刷墙，完成刷墙的多模式作业。本发明的装置结构简单易组装，作业效率高，采用滚珠丝杠的传动机构具有自锁功能，磨损较少，同时上下与左右刷墙模式任意切换，可以设置粉刷连续的墙面，自动化程度高；可根据红外测距传感器避免装置与障碍物碰撞，具有一定的智能性，并且可以远程实时监测粉刷机作业进度。

附图说明

图1是本发明的总体结构示意图；

图2是本发明的第一机械臂的结构示意图；

图3是本发明的第二机械臂的结构示意图；

图4是本发明的伸缩机械臂中弹簧、档片和线绳的配合结构示意图；

图5是本发明的第一转盘的结构示意图；

图6是本发明的刷具的结构示意图；

其中，1-小车，2-刷具，201-储料盒，202-连接筒，203-刷毛，204-连接管，3-伸缩机械臂，301-底座，302-弹簧，303-档片，304-绕线器，305-线绳，4-第一机械臂，5-第二机械臂，6-丝杠，7-第一舵机，8-第一转盘，9-第二舵机，10-第三舵机，11-第二转盘，12-软管，13-涂料箱，14-称重器。

具体实施方式

下面结合附图及较佳实施例详细说明本发明的具体实施方式。

如图1所示，本发明提供了一种智能刷墙机器人，包括能够移动的小车1，在小车1上设置有第一旋转机构，该第一旋转机构与第一伸缩机构的一端相连，第一伸缩机构的另一端通过第二旋转机构与第二伸缩机构的一端相连，第二伸缩机构的另一端与刷具2相连，该第一旋转机构用于控制第一伸缩机构在水平面上的转动，该第二旋转机构用于控制第二伸缩机构在竖直面上的转动，该第一伸缩机构用于控制刷具2在竖直方向上的运动，该第二伸缩机构用于控制刷具2在水平方向上的运动。这样，借助第二伸缩机构调整刷具2与墙壁之间的距离，再通过第二旋转机构调整刷具2的姿态，然后通过第一伸缩机构带动刷具2在竖直方向上的上下移动，实现上下刷墙，同时，还可以通过第一旋转机构带动刷具2在水平面上的转动，并且实时通过第二伸缩机构调整刷具2与墙壁之间的距离，实现左右刷墙，完成刷墙的多模式作业，提高刷墙机器人的智能化水平，增加刷墙机器人模拟操作人员刷墙的真实度。

如图1、2和3所示，该第一伸缩机构包括与第一旋转机构相连的第一机械臂4，该第一机械臂4通过滑动机构与第二机械臂5的一端嵌套配合，该第二机械臂5的另一端通过第二旋转机构与第二伸缩机构的一端相连，当然也可以采用其他类型的伸缩机构实现，比如电动伸缩杆等等。具体地，第一机械臂4呈筒状，第二机械臂5呈L形，采用中空结构，均呈方形结构，该第二机械臂5的一端嵌套进入第一机械臂4，另一端与第二旋转机构相连；第一机械臂4的底面与第一旋转机构相连，顶面上设置有端盖，该端盖的中部设置与第二机械臂5配合的开口，边缘与第一机械臂4配合，可以在两者之间安装密封圈，避免灰尘、涂层液等进入机械臂，提高机械臂寿命。在第二机械臂5上还可以开设观望孔501，便于安装丝杠机构，还可以给滚珠丝杠添加润滑油，提高滚珠丝杠使用寿命。

该滑动机构用于控制第二机械臂5嵌套进入第一机械臂4的深度，具体包括丝杠6，该丝杠6采用滚柱丝杠，其一端与第一舵机7相连，两者之间也可以通过联轴器进行转接，另一端穿过第二机械臂6一端的端面进入其内部，该第二机械臂5与第一机械臂4通过多个滑轨相接触，多个滑轨对称设置，可以设置四个，分别设置在第二机械臂5与第一机械臂4的四个侧面上，这样，当第一舵机7带动丝杠6转动时，带动第二机械臂5沿滑轨上下运动，完成对第二机械臂5嵌入第一机械臂4内部的深度调节，从而带动与第二机械臂5相连的第二伸缩机构和刷具2上下运动，实现上下刷墙。

如图1和4所示，该第二伸缩机构包括伸缩机械臂3，具体包括底座301，在底座301的一侧与第二旋转机构相连，相对的一侧上设置有多个连接成直线的弹簧302，相邻弹簧302之间通过档片303相连，第一个档片303与底座301相连，最后一个档片303与刷具2相连，每个档片303均通过一组线绳连接到绕线器304上，一组线绳包括多条线绳305，均匀连接到档片303上，且每条线绳305上均设置有拉力传感器，该拉力传感器用于检测每条线绳304所受的拉力，该绕线器305设置在底座301内部。可以在每个档片303上均匀设置多个通孔，如四个，对应一组线绳包括四条线绳305，其每条线绳305的一端连到档片303的通孔上，另一端穿过后面档片303上对应的通孔连接到绕线器304上，该绕线器304可以采用包括多个转盘的结构，每个转盘对应一组线绳。这样，就可以通过绕线器304调节每组线绳的长度，从而调节对应弹簧302的伸长和压缩，完成对整个伸缩机械臂3的伸长和压缩，由于每条线绳305均设置有拉力传感器，在进行刷墙时，先通过绕线器304的调节，使刷具2接触墙壁，记录此时拉力传感器的示值，然后再调节绕线器304使线绳305伸长，拉力传感器的示值开始减少，即整个伸缩机械臂3伸长，使刷具2压向墙壁，记录此时拉力传感器的示值，再调节第一伸缩机构进行上下刷墙，重复上述过程，通过实际刷墙效果，选择粉刷效果最好时对应拉力传感器的示值，作为上下刷墙或者左右刷墙时的调节标准。

该第一旋转机构包括设置在小车1上的第一转盘8，该第一转盘8一侧的中心通过齿轮传动机构与第二舵机9相连，相对的一侧与第一机械臂4的一端相连。该齿轮传动机构可以采用两个锥齿轮相互啮合的形式。这样，第二舵机9通过齿轮传动机构带动第一转盘8转动，从而带动第一转盘8上的第一伸缩机构、第二伸缩机构和刷具2转动，此时刷具2以第一转盘8为中心做圆周运动，实现左右刷墙。该第一转盘8可以设计成如图5所示的结构，包括圆盘和设置在其中心的连杆，圆盘作为机械臂的安装平台，连杆通过滑动轴承穿过小车的顶面与齿轮传动机构相连。

为了提高刷墙的均匀性和质量，在进行左右刷墙时，需要通过第二伸缩机构实时调整刷具2与墙壁之间的距离，确保刷具2与墙壁之间的压力，本发明的第二伸缩机构采用该弹簧式的伸缩机构，可以借助其上的拉力传感器间接反映刷具2与墙壁之间的压力，因此，只要按照上文所述的方法，获取拉力传感器的调节标准，根据此时拉力传感器的示值，在刷具2转动时，通过绕线器305调整线绳304的长度，始终保持拉力传感器的示值在该示值左右，就可以保障刷具2与墙壁之间的压力，提高左右刷墙的均匀性和质量。

该第二旋转机构包括与第二机械臂5的另一端相连的第三舵机10，该第三舵机10的输出轴与第二转盘11一侧的中心相连，该第二转盘11相对的一侧与底座31的一侧相连。这样，在上下刷墙或者左右刷墙时，通过第三舵机10控制第二转盘11转动，带动伸缩机械臂转动，从而实现对刷具2的姿态调整，以适应不同刷墙模式下对刷具2的方向要求。

如图6所示，该刷具2包括储料盒201，该储料盒201的一侧与伸缩机械臂3相连，其相对的一侧与连接筒202相连，在连接筒202上均匀设置有多组刷毛203，其内部设置多个与刷毛203一一对应的连接管204，该连接管204的一端与储料盒201连通，另一端连接刷毛203；该储料盒201还通过软管12与涂料箱13连通，该涂料箱13设置在称重器14上，该称重器14用于对涂料箱13进行称重。这样，涂料箱13内部的液体涂料可以借助泵等动力器件通过软管12进入储料盒201，再通过连接管204流到每组刷毛203上，将人为从涂料箱13中沾料变为自动化，同时通过实验验证，可以计算出每次沾料的粉刷面积，再根据称重器14得到涂料箱13内部的液体涂料总重量，就可以计算出总的粉刷面积，从而合理安排涂料使用，并且可以称重器14的测试结果，向涂料箱13及时填料。

在小车1底面的前端设置有两个转向轮，后端设置有两个驱动轮，各个侧面均设置有三个不共线的距离传感器，如红外测距传感器，在其内部设置有控制单元，包括处理器、导航模块、避障模块、通讯模块、运动控制模块等等，该运动控制模块用于对刷墙机器人的移动，以及刷墙模式的实现进行控制，包括第一舵机、第二舵机、第二舵机、绕线器、驱动轮的控制模块等等。还可以在第二机械臂5的另一端设置有摄像头，该摄像头用于对粉刷墙面进行摄像，采集的图像数据可以通过控制单元里面的无线通讯设备，传输到上位机进行数据处理，将图像呈现在客户端，供客户进行实时有效的可视化监测。

为提高自动刷墙机装置的自动化水平，上位机控制部分由计算机承担。为了便于通过底层处理器如PLC读取红外传感器的数值以及控制底层电机工作，采用OPC技术作为上位机与PLC通信基础，由于OPC服务器如KEPServer中的变量值与PLC中的DB块存在映射关系，上位机可通过读写OPC服务器上的变量值，达到监测位置信息与控制整个机械臂动作目的。

上位机开发一套监控系统，负责与OPC服务器交互，以及接收客户端如Web、窗体程序等的指令，向客户端实时推送当前作业进度信息。读取OPC服务器上的变量数值，经过处理后推送到客户端，便于客户实时了解当前粉刷完成进度、预计完成时间等。在此基础上根据逻辑判断，上位机自动向OPC服务器写控制参数，由OPC服务器与PLC交互，控制相应步进电机工作；可通过客户端设置自动刷墙机需要粉刷的面积与位置，上位机接收客户需求，实时生成整个机械臂控制指令，直至完成作业。

该监控系统里面包括警报系统，当机器出现故障时，警报系统就会启动，将故障信号传送到控制系统，控制系统一方面将故障信息发送到服务器客户端，另一方面通过控制系统直接关闭机器，防止造成其他故障的发生。如根据称重器14的测试结果，当涂料缺少和低于需要的最低值，警报系统发出警报，告知客户添加涂料，及时有效的保证工作的连续性和完整性。

本发明的控制单元里有导航避障的功能，通过GPS定位导航系统，将自动刷墙机的位置反映到客户端的地图上，客户可通过操作客户端，给自动刷墙机发出出发到达目的地的信号，控制自动刷墙机，到达指定刷墙点。自动刷墙机内部设有避障算法，通过对前方障碍物的检测，规划出合适路线，安全到达指定刷墙点。

在工作过程中，处理器读取车身朝墙一面即小车工作面的红外测距传感器的数据，并将其发送到上位机。根据小车工作面上三个传感器数值的平均值大小，判断小车工作面与墙面之间的距离，当检测到平均值超出预定的范围时，通过驱动小车的四个轮子来调整小车工作面与墙面之间的距离，直至控制在预定范围时，才允许其上的机械臂开始作业。主要是根据三点确定一个平面定理，快速判断当前小车的工作面是否与待刷墙面平行，当检测到三个传感器数值差超过允许范围时，通过调整小车的行走方向，缩小工作面上三个红外传感器数值偏差，达到控制小车工作面与墙面保持相对平行的目的。

当需要自动粉刷一墙面时，可以根据墙面的实际情况，结合本发明的刷墙机器人的实际情况，如可以达到的最高上升高度、最长水平长度等等，设置粉刷墙壁面积、粉刷模式，点击执行任务，上位机将自动通过OPC服务器向底端PLC发送命令，通过红外测距仪实时获取当前小车位姿信息并通过OPC服务器上传到上位机，上位机再根据既定算法产生调整数据，再次返回给底端PLC，从而改变车身位姿，尽可能保证粉刷质量；在工作时，底端PLC通过控制伸缩机械臂的伸缩、旋转，保证平面的粉刷质量，上位机负责接收工人操作指令并转化为PLC控制参数下发到PLC，还负责实时接收PLC的位置信息并反馈控制等。当需要自动刷墙机粉刷一片连续带拐角墙面时，原理与粉刷一面墙壁时类似，只是在不同的墙面切换时，需要保证墙面拐角为90度或270度，当小车1需要转弯时，根据设定的左转与右转，底端PLC自动调用内部转弯程序，完成转弯动作，实现工作墙面的切换。由于整个软件系统是基于Web开发，可以通过HTTP远程实时获取当前刷墙机器人进度信息，避免工人长时间待在粉刷环境下。

当采用上下刷墙模式时，先确定拉力传感器的调节标准，再借助第二旋转机构调整刷具2的姿态，再通过小车运动配合第二机械臂5的上下移动，完成整个区域的刷墙动作。

当采用左右刷墙模式时，首先，确定拉力传感器的调节标准，再借助第二旋转机构调整刷具2的姿态，其次，第一旋转机构控制第一机械臂4、第二机械臂5及刷具2做旋转运动，并且根据调节标准，通过伸缩机械臂实时调整刷具2与墙面之间距离，确保两者之间的压力，完成整个区域的刷墙动作。

具体如下：

当待粉刷区域为柱体结构时，优先采用上下刷墙模式，首先控制小车1到达指定位置，确定拉力传感器的调节标准，再借助第二旋转机构调整刷具2的姿态，然后控制第二机械臂5上下移动，从而带动刷具2上下移动，当该部分面积粉刷完毕后，控制小车1移动到下一个位置，若拉力传感器的示值与调节标准有偏差，该偏差大于设置误差，可以重新调节绕线器304，使拉力传感器的示值回复到误差范围之内，其重复以上动作，完成对柱体结构的粉刷。

当待粉刷区域为横梁结构时，优先采用左右刷墙模式，首先控制小车1到达指定的位置，确定拉力传感器的调节标准，再借助第二旋转机构调整刷具2的姿态，然后控制第一机械臂4进行左右转动，带动刷具2左右移动，控制小车1移动到下一个位置，其重复以上动作，完成对横梁结构的粉刷。由于此过程中，刷具2与墙面的距离并不是固定值，需要伸缩机械臂3实时补偿长度，保证刷具2与墙面有一定的压力，提高刷墙质量，如当刷具2在向左极限移动时，由于刷具2的运动轨迹呈弧形，刷具2具有渐渐脱离墙面的趋势，依靠伸缩机械臂3中绕线器304控制线绳305的长度，控制弹簧向外扩张，直到拉力传感器的示值回复到调节标准，保证墙刷紧贴墙面。

虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这些仅是举例说明，在不背离本发明的和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，因此，本发明的保护范围由所附权利要求书限定。

Claims (8)

1.一种智能刷墙机器人，其特征在于：包括能够移动的小车，所述小车上设置有第一旋转机构，所述第一旋转机构与第一伸缩机构的一端相连，所述第一伸缩机构的另一端通过第二旋转机构与第二伸缩机构的一端相连，所述第二伸缩机构的另一端与刷具相连，所述第一旋转机构用于控制第一伸缩机构在水平面上的转动，所述第二旋转机构用于控制第二伸缩机构在竖直面上的转动，所述第一伸缩机构用于控制刷具在竖直方向上的运动，所述第二伸缩机构用于控制刷具在水平方向上的运动，从而借助第一伸缩机构结合第二旋转机构，完成上下刷墙，借助第一旋转机构结合第二伸缩机构、第二旋转机构，完成左右刷墙。

2.根据权利要求1所述的智能刷墙机器人，其特征在于：所述第二伸缩机构包括伸缩机械臂，所述第一伸缩机构包括与第一旋转机构相连的第一机械臂，所述第一机械臂通过滑动机构与第二机械臂的一端嵌套配合，所述第二机械臂的另一端通过第二旋转机构与伸缩机械臂的一端相连；所述伸缩机械臂的另一端与刷具相连，所述滑动机构用于控制第二机械臂嵌套进入第一机械臂的深度。

3.根据权利要求2所述的智能刷墙机器人，其特征在于：所述第一机械臂呈筒状，所述第二机械臂呈L形，其一端嵌套进入第一机械臂，所述滑动机构包括丝杠，所述丝杠的一端与第一舵机相连，另一端穿过第二机械臂一端的端面进入其内部，所述第二机械臂与第一机械臂通过多个滑轨相接触，多个所述滑轨对称设置。

4.根据权利要求3所述的智能刷墙机器人，其特征在于：所述第一机械臂和第二机械臂均呈方形结构，所述第二机械臂的另一端设置有摄像头，所述摄像头用于对粉刷墙面进行摄像。

5.根据权利要求3所述的智能刷墙机器人，其特征在于：所述伸缩机械臂包括底座，所述底座的一侧与第二旋转机构相连，相对的一侧上设置有多个连接成直线的弹簧，相邻弹簧之间通过档片相连，每个档片均通过一组线绳连接到绕线器上，一组线绳包括多条线绳，均匀连接到档片上，且每条线绳上均设置有拉力传感器，所述拉力传感器用于检测每条线绳所受的拉力，所述绕线器设置在底座内部。

6.根据权利要求5所述的智能刷墙机器人，其特征在于：所述第一旋转机构包括设置在小车上的第一转盘，所述第一转盘一侧的中心通过齿轮传动机构与第二舵机相连，相对的一侧与第一机械臂的一端相连，所述第二旋转机构包括与第二机械臂的另一端相连的第三舵机，所述第三舵机的输出轴与第二转盘一侧的中心相连，所述第二转盘相对的一侧与底座的一侧相连。

7.根据权利要求1所述的智能刷墙机器人，其特征在于：所述刷具包括储料盒，所述储料盒的一侧与第二伸缩机构相连，其相对的一侧与连接筒相连，所述连接筒上均匀设置有多组刷毛，其内部设置多个与刷毛一一对应的连接管，所述连接管的一端与储料盒连通，另一端连接刷毛；

所述储料盒通过软管与涂料箱连通，所述涂料箱设置在称重器上，所述称重器用于对涂料箱进行称重。

8.根据权利要求1所述的智能刷墙机器人，其特征在于：所述小车底面的前端设置有两个转向轮，后端设置有两个驱动轮，各个侧面设置有三个不共线的距离传感器，其内部设置有控制单元，包括处理器、导航模块、避障模块、通讯模块、运动控制模块，所述处理器通过通讯模块与上位机相连，所述上位机包括监控模块，所述监控模块用于对刷墙机器人的刷墙状况进行监测，所述运动控制模块用于对刷墙机器人的移动，以及刷墙模式的实现进行控制。

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