CN114856131B - 一种室内墙体智能喷涂机器人 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种室内墙体智能喷涂机器人，包括机器人本体、舵轮底盘、升降机构、机械臂组件、喷涂机构、供料组件、传感器系统、底盘控制器八个系统。机器人本体可灵活执行活动路径；升降机构带动机械臂组件沿竖直方向移动，完成喷涂机构的竖直方向以及墙角拐弯处的完整喷涂；机械臂组件保证了更大范围角度的喷涂，机械臂末端采用模块化设计；机械臂末顶端置有传感器，以解决现有技术中的喷涂机器人自动化程度低的问题；喷涂机构位于机械臂末端。本发明具有移动式喷涂装置操作简便、对涂料适应性强、工作范围广、喷涂精度高、自动化程度高等特点，可实现竖直墙体的喷涂作业，室内墙体的高质量装修喷涂作业。

Description

一种室内墙体智能喷涂机器人

技术领域

本发明涉及建筑喷涂和机器人技术领域，具体为一种室内墙体智能喷涂机器人。

背景技术

在商品房的建设流程中，室内装饰装修工程作为最后一个环节，决定着房屋的实用性和美观性，在整个房屋建设周期中占据较大的比重。然而在引进机电设备和普及自动化技术以提高施工效率方面，室内装修工程严重落后于其他建设工程。尤其是室内精装修作业中任务量大且质量要求高的墙面喷涂工艺目前大多依赖人工实现，墙面处理作为室内装修工作流程中最重要的一环，具有劳动强度大、工艺标准不统一、对工人技术要求高等特点。

目前国内的装修工作大都以作坊式的工作环境为主，其自动化程度极低，重要的工作步骤均依赖人工完成，但是人工喷涂有着劳动强度大、作业环境差、喷涂质量不稳定的缺陷，而且人工的粉刷效率低、成本高，对操作人员有一定的技术要求，同时费时长，粉刷时间不易保证。在人口红利衰减和工作环境恶劣的背景下，建筑装饰装修行业面临用工成本提高和施工低效浪费等诸多问题，急需应用和发展相关自动化技术来改善和转变施工模式。现在市面上的粉刷机多为大型，价格昂贵，使用费用高。以上问题均制约着室内装修行业的发展。因此，墙壁粉刷行业急需一种结构简单，高效便利的全自动墙面喷涂机器人，来改善目前室内墙面喷涂低自动化的现状。

目前，国际上喷涂机器人技术基本成熟，侧重研究喷枪的建模分析和轨迹优化。目前国内的墙面喷涂机器人已开展实验室规模的前期探索研究，主要为滚轮机构粉刷机和丝杆机构粉刷机，普遍具有结构复杂、拆装麻烦、需要人工辅助补料、有粉刷死角等缺点。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明旨在提供一种室内墙体智能喷涂机器人，代替传统人工喷涂，解决传统喷涂方式危害人体健康、效率低、成本高等问题，同时解决现有技术中的喷涂机器人的智能化程度低的问题，助力提高建筑精装行业的自动化作业水平。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种室内墙体智能喷涂机器人，包括机器人本体、升降机构、机械臂组件、喷涂机构、供料组件、传感器系统、底盘和控制器；

所述升降机构的底板安装在机器人本体上，升降机构可实现喷涂机构沿竖直方向移动以及沿机器人本体中心轴旋转；

所述机械臂组件安装在升降机构升降平台上，机械臂组件为二自由度机械臂，可调整喷涂方向的朝向，加上升降底座转向组件的旋转，用于拓展机械臂组件的活动范围，调整末端执行器的姿态；

所述喷涂机构安装在机械臂组件上，以通过机械臂组件带动喷涂机构移动以进行喷涂；通过升降机构配合机械臂组件调整姿态，实现竖直运动以及沿轴横向转动，实现不同工作面的喷涂；通过升降机构的竖直运动，喷涂机构喷涂较高位置以及较低位置；

所述供料组件安装在底盘底板上，包括移动式气泵出气口、压力表、移动式气泵、储料罐、涂料出口；移动式气泵为喷涂作业提供压缩气体，从而实现涂料的雾化；

所述底盘作为车载设备的载体，由底盘底板、底盘框架、舵轮组成；

所述控制器安装在机器人本体外壳上，包括车载处理器、控制面板、电池；通过按动控制面板上的操作按钮，实现不同涂料料种的灵活转换以及喷涂量的调节，以适应不同料种以及不同粗糙程度的墙面。

进一步地，所述升降机构还包括：升降底座转向组件，安装在机器人本体上；型材，安装在升降机构底座上；升降底座转向组件包括动力轴、底板安装孔、第二步进电机、螺栓；第一推力轴承安装在升降机构底座的下表面，与机器人本体用螺栓固定；升降机构还包括齿条、齿轮滑车、末端执行器底座；末端执行器底座通过齿轮滑车连接到齿条上，通过齿轮的旋转，带动末端执行器底座沿齿条齿面竖直运动，进而实现机械臂组件和喷涂机构的竖直运动；齿条与型材配对，通过螺栓以及船型螺母连接；齿条与型材共分为3组，其中两组齿面平行，另一组与前两组垂直，确保稳定性；齿条与型材可通过快拆组件进行拓展，满足喷涂较高位置的要求。

进一步地，所述机械臂组件还包括舵机、动力轴和保护壳。

进一步地，所述喷涂机构还包括喷头、阀门控制开关、雾化调节旋钮、涂料量调节旋钮、进气口、涂料入口组成；通过旋转雾化调节旋钮调节涂料喷出时的雾化程度，从而适应不同种类的涂料；通过电路控制阀门控制开关，实现喷头的开启与关闭，控制喷涂作业进行与否；雾化调节旋钮可手动调节喷头作业时的雾化程度，满足不同料种的喷涂雾化需求。

进一步地，所述舵轮还包括舵轮本体、动力组件、连接件、舵轮底盘组成；所述动力组件包括同步轮、同步带、动力轴、舵机、行走轮、直流电机、带铝座轴承和第二推力轴承；所述舵机作为转向的动力，直流电机作为前进的动力，通过同步轮使得动力轴的转速与连接件实现转速相同，从而使得轮本体以连接件为轴旋转，实现舵轮的转向功能。

本技术与现有技术相比的优点在于：

1.利用本发明的室内墙体智能喷涂机器人，能够自动执行喷涂操作，避免当前需要工人在喷涂现场手工操作对工人健康带来的伤害，并且喷涂更加均匀快速，避免介质浪费，避免了由于工人个人施工水平低下对施工效果的影响。

2.本发明采用的控制器控制不同涂料料种的灵活转换以及喷涂量的调节，以适应不同料种以及不同粗糙程度的墙面。

3.本发明在升降机构上以通过升降机构带动机械臂组件沿竖直方向移动；喷涂机构安装在机械臂组件上，以通过机械臂组件带动喷涂机构移动以进行喷涂。这样设置能够通过升降机构配合机械臂组件调整姿态，实现不同工作面的可达性，升降机构可以带动机械臂组件实现整体移动，以对较高的喷涂表面进行喷涂，升降装置采用齿条，可根据作业墙面高度选择齿条长度，适用范围广，提高了对室内墙体智能喷涂机器人的自动化控制。

附图说明

图1示出了本发明的室内墙体智能喷涂机器人的实施例的结构示意图；

图2示出了本发明的室内墙体智能喷涂机器人的实施例的第二状态图；

图3示出了本发明的室内墙体智能喷涂机器人的升降机构的结构示意图；

图4示出了本发明的室内墙体智能喷涂机器人的升降机构的旋转装置结构示意图；

图5示出了本发明的室内墙体智能喷涂机器人的喷涂机构结构示意图；

图6示出了本发明的室内墙体智能喷涂机器人的供料组件结构示意图；

图7示出了本发明的室内墙体智能喷涂机器人的传感器系统结构示意图；

图8示出了本发明的室内墙体智能喷涂机器人的底盘结构示意图；

图9示出了本发明的室内墙体智能喷涂机器人的舵轮结构示意图；

图10示出了本发明的室内墙体智能喷涂机器人的控制器结构示意图；

图11示出了本发明的室内墙体智能喷涂机器人的机械臂组件结构示意图。

其中，上述附图包括以下附图标记：

1-机器人本体；

2-升降机构：20-型材；21-齿条；22-快拆组件；23-齿轮滑车；230-滑车底板；24-末端执行器底座；25-升降机构底座；26-升降底座转向组件；27-第一推力轴承；260-动力轴；261-底板安装孔；262-第二步进电机；263-螺栓；涨紧轮28

3-机械臂组件：30-机械臂本体；31-舵机；32-动力轴；33-保护壳；

4-喷涂机构：40-喷头；41-阀门控制开关；42-雾化调节旋钮；43-涂料量调节旋钮；44-进气口；45-涂料进口；

5-供料组件：50-出气口；51-气压表；52-移动式气泵；53-储料罐；54-涂料出口；

6-传感器系统：60-视觉识别模块；61-红外距离传感器；62-限位开关；

7-底盘：70-底盘底板；71-底盘框架；72-舵轮；721-舵轮本体；722-动力组件；7220-同步轮；7221-同步带；7222-动力轴；7223-舵机；7224-行走轮；7225-直流电机；7226-铝座轴承；7227-第二推力轴承；723-连接件；724-舵轮底座；

8-控制器：80-车载处理器；81-控制面板；82-电池。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

本发明提供了一种室内墙体智能喷涂机器人，请参考图1，2所示，其包括机器人本体1、升降机构2、机械臂组件3、喷涂机构4、供料组件5、传感器系统6、底盘7、控制器8八大系统。

所述升降机构2，安装在机器人本体1上，升降机构2可实现喷涂机构4沿竖直方向移动以及沿机器人本体1中心轴旋转；机械臂组件3安装在升降机构2上；喷涂机构4安装在机械臂组件3上，以通过机械臂组件3带动喷涂机构4移动以进行喷涂。这样设置能够通过升降机构2配合机械臂组件3调整姿态，实现竖直运动以及横向转向，实现不同工作面的喷涂。通过升降机构2的竖直运动，喷涂机构4可以喷涂较高位置以及较低位置，适用范围广。

在这里需要说明的是，机械臂组件3为二自由度机械臂，可调整喷涂方向的朝向，加上升降底座转向组件26的旋转，可拓展机械臂组件3的活动范围，调整末端执行器的姿态。

如图2，3所示，升降机构2还包括齿条21、齿轮滑车23、末端执行器底座24。所述齿轮滑车23包括滑车底板230、涨紧轮28、齿轮29、动力轴32和第一步进电机30。末端执行器底座24通过齿轮滑车23连接到齿条21上，通过齿轮的旋转，带动末端执行器底座24沿齿条21齿面竖直运动，进而实现机械臂组件3和喷涂机构4的竖直运动。齿条21与型材20配对，通过螺栓以及船型螺母连接。齿条21与型材20共分为3组，其中两组齿面平行，另一组与前两组垂直，确保稳定性。齿条21与型材20可通过快拆组件22进行拓展，满足喷涂较高位置的要求。

由快拆组件22完成机器喷涂高度的变化，快拆组件22每组为由三根长度约为1m的型材20与齿条21结合的快拆杆件，6个连接金属片，12套螺丝螺母构成。使用时，将待连接的组件与车辆上已连接的组件轴向对齐，每根采用2个金属片和4个螺丝螺母固定，必须安装在齿条相邻侧，每次安装必须为整套3根同时安装。最后加上顶部的盖板方可使用。

具体地，如图4所示，升降机构2包括：升降底座转向组件26，安装在机器人本体1上；型材20，安装在升降机构底座25上；升降底座转向组件26包括动力轴260、底板安装孔261、第二步进电机262、螺栓263；第一推力轴承27安装在升降机构底座25的下表面，与机器人本体1用螺栓固定。

如图5所示，喷涂机构4有喷头40、阀门控制开关41、雾化调节旋钮42、涂料量调节旋钮43、进气口44、涂料进口45组成。通过电路控制阀门控制开关41，可实现喷头40的开启与关闭，控制喷涂作业进行与否。雾化调节旋钮42可手动调节喷头40作业时的雾化程度，满足不同料种的喷涂雾化需求。

如图6所示，供料组件5安装在底盘底板70上，包括移动式气泵52的出气口50、压力表51、移动式气泵52、储料罐53、涂料出口54。移动式气泵52为喷涂作业提供压缩气体，从而实现涂料的雾化。

如图7所示，所述传感器系统6包括视觉识别模块60、红外距离传感器61、限位开关62。

如图8所示，底盘7作为车载设备的载体，由底盘底板70、底盘框架71、舵轮72组成。如图9所示，所述舵轮72由舵轮本体721、动力组件722、连接件723、舵轮底座724组成。动力组件722由同步轮7220、同步带7221、动力轴7222、舵机7223、行走轮7224、直流电机7225、带铝座轴承7226、第二推力轴承7227组成。舵机7223作为转向的动力，直流电机7225作为前进的动力。通过同步轮7220使得动力轴7222的转速与连接件723实现转速相同，从而使得轮本体721以连接件723为轴旋转，实现舵轮的转向功能。

如图10所示，控制器8安装在机器人本体1外壳上，包括车载处理器80、控制面板81、电池82。通过按动控制面板81上的操作按钮，可实现不同涂料料种的灵活转换以及喷涂量的调节，以适应不同料种以及不同粗糙程度的墙面。

如图11所示，所述机械臂组件3包括机械臂本体30、舵机31、动力轴32、保护壳33。

在具体实施时，将机器人放置在房间内，最好靠近墙角，根据房间高度安装合适高度的快拆组件22，连接型材20和齿条21。

开机启动，机器人通过1机器人本体外壳上的超声波传感器测得房间大致高度，并提示检查快拆组件22的合适高度，和机器现有电量预估的喷涂面积。人工核对高度无误以防止高度不足喷不到或移动过程触碰房顶、电量无误后按确认键。随后设备将自行喷涂室内墙面。

在具体实施中，开机并确认快拆组件22高度无误后，设备默认前往左前方的墙角，先向左平移移动，直到机器左侧的限位开关62被触发，设备停车并向右退约2cm防止与左侧墙面摩擦，随后向前移动直到前方限位开关被触发，设备停车并向后退约2cm防止与前方墙面摩擦。

机器将从初始化位置开始向右侧平行于墙面缓慢移动，移动过程中移动式气泵52将会把储料罐53中的涂料送往喷头40上进行喷涂，直到车辆与右侧墙面接触触发右侧限位开关后，先将带有机械臂组件3的喷涂高度平台上升一个单位后向左原路返回，直到车辆与左侧墙面接触触发左侧的限位开关62后，将带有机械臂组件3的喷涂高度平台上升一个单位后向右原路返回，如此往复。直到最终喷涂高度平台与机器顶部的限位开关碰撞后再进行最后一个方向的横向移动为止。此时机器应完成整面墙除墙角外的主体喷涂。

设备停在墙角后，使用视觉识别模块60确认墙角为未喷涂墙角后，第二推力轴承7227中心的直流电机7225将平台旋转45度以对准墙角，机械臂组件3水平伸长以补偿与喷涂墙面时的距离差距，移动式气泵52将会把储料罐53中的涂料送往喷头40上进行喷涂，同时喷涂高度平台同步上升，竖直完成墙角喷涂，随后第二推力轴承7227中心的直流电机7225将平台分别向左向右旋转20度并使机械臂组件3半缩以补偿距离差距后，移动式气泵52将会把储液罐中的涂料送往喷头40上进行喷涂，同时喷涂高度平台同步上升，竖直完成墙角与墙面连接处的喷涂。至此完成一个墙角的完整喷涂。

喷头40处有红外距离传感器61和视觉识别模块60，同时检测，当红外距离传感器61和视觉识别模块60检测到窗户或者门框，移动式气泵52将停止工作直到红外距离传感器61和视觉识别模块60再次识别到墙面。

在具体实施过程中，采用蓄电池作为动力，当前使用的电池的电量会以指示灯形式体现，电量不足20％时，会发出警告，电量不足5％时将自动停机暂停工作以保护电池组件，此时可原地充电或更换电池，机器在操作完成后将从断点处继续工作。

从以上的描述中，可以看出，本发明上述的实施例实现了如下技术效果：

根据本发明提供的一种室内墙体智能喷涂机器人，包括，机器人本体1；升降机构2，安装在机器人本体1上，升降机构2可实现喷涂机构4沿竖直方向移动以及沿机器人本体1中心轴旋转；机械臂组件3安装在升降机构2上；喷涂机构4安装在机械臂组件3上，以通过机械臂组件3带动喷涂机构4移动以进行喷涂。这样设置能够通过升降机构2配合机械臂组件3调整姿态，实现竖直运动以及横向转向，实现不同工作面的喷涂。通过升降机构2的竖直运动，喷涂机构4可以喷涂较高位置以及较低位置，适用范围广。

需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施方式例如能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种室内墙体智能喷涂机器人，其特征在于：包括机器人本体（1）、升降机构（2）、机械臂组件（3）、喷涂机构（4）、供料组件（5）、传感器系统（6）、底盘（7）和控制器（8）；

所述升降机构（2）的底板安装在机器人本体（1）上，升降机构（2）实现喷涂机构（4）沿竖直方向移动以及沿机器人本体（1）中心轴旋转；

所述机械臂组件（3）安装在升降机构（2）升降平台上，机械臂组件（3）为二自由度机械臂，用于调整喷涂方向的朝向，加上升降底座转向组件（26）的旋转，用于拓展机械臂组件（3）的活动范围，调整末端执行器的姿态；

所述喷涂机构（4）安装在机械臂组件（3）上，以通过机械臂组件（3）带动喷涂机构（4）移动以进行喷涂；通过升降机构（2）配合机械臂组件（3）调整姿态，实现竖直运动以及沿轴横向转动，实现不同工作面的喷涂；通过升降机构（2）的竖直运动，喷涂机构（4）喷涂较高位置以及较低位置；

所述供料组件（5）安装在底盘底板（70）上，包括移动式气泵出气口（50）、压力表（51）、移动式气泵（52）、储料罐（53）、涂料出口（54）；移动式气泵（52）为喷涂作业提供压缩气体，从而实现涂料的雾化；

所述底盘（7）作为车载设备的载体，由底盘底板（70）、底盘框架（71）、舵轮（72）组成；

所述控制器（8）安装在机器人本体（1）外壳上，包括车载处理器（80）、控制面板（81）、电池（82）；通过按动控制面板（81）上的操作按钮，实现不同涂料料种的灵活转换以及喷涂量的调节，以适应不同料种以及不同粗糙程度的墙面；

所述升降机构（2）还包括：升降底座转向组件（26），安装在机器人本体（1）上；型材（20），安装在升降机构底座（25）上；升降底座转向组件（26）包括动力轴（260）、底板安装孔（261）、第二步进电机（262）、螺栓（263）；第一推力轴承（27）安装在升降机构底座（25）的下表面，与机器人本体（1）用螺栓固定；升降机构（2）还包括齿条（21）、齿轮滑车（23）、末端执行器底座（24）；末端执行器底座（24）通过齿轮滑车（23）连接到齿条（21）上，通过齿轮（29）的旋转，带动末端执行器底座（24）沿齿条（21）齿面竖直运动，进而实现机械臂组件（3）和喷涂机构（4）的竖直运动；齿条（21）与型材（20）配对，通过螺栓以及船型螺母连接；齿条（21）与型材（20）共分为3组，其中两组齿面平行，另一组与前两组垂直，确保稳定性；齿条（21）与型材（20）通过快拆组件（22）进行拓展，满足喷涂较高位置的要求。

2.根据权利要求1所述的室内墙体智能喷涂机器人，其特征在于：所述机械臂组件（3）还包括舵机（31）、动力轴（32）和保护壳（33）。

3.根据权利要求1所述的室内墙体智能喷涂机器人，其特征在于：所述喷涂机构（4）还包括喷头（40）、阀门控制开关（41）、雾化调节旋钮（42）、涂料量调节旋钮（43）、进气口（44）、涂料入口（45）组成；通过旋转雾化调节旋钮（42）调节涂料喷出时的雾化程度，从而适应不同种类的涂料；通过电路控制阀门控制开关（41），实现喷头的开启与关闭，控制喷涂作业进行与否；雾化调节旋钮（42）可手动调节喷头作业时的雾化程度，满足不同料种的喷涂雾化需求。

4.根据权利要求1所述的室内墙体智能喷涂机器人，其特征在于：所述舵轮（72）还包括舵轮本体（721）、动力组件（722）、连接件（723）、舵轮底盘（724）组成；所述动力组件（722）包括同步轮（7220）、同步带（7221）、动力轴（7222）、舵机（7223）、行走轮（7224）、直流电机（7225）、带铝座轴承（7226）和第二推力轴承（7227）；所述舵机（7223）作为转向的动力，直流电机（7225）作为前进的动力，通过同步轮（7220）使得动力轴（7222）的转速与连接件（723）实现转速相同，从而使得舵轮本体（721）以连接件（723）为轴旋转，实现舵轮（72）的转向功能。