基于四轴机械臂的室内粉刷机设计

赵兴栋，赵 琛，侯荣飞

（武汉理工大学，湖北 武汉 430000）

目前，我国的墙壁主体粉刷基本全部是由人工来完成，不仅费时长，粉刷质量也不易得到保证。在精装修工期中，墙体粉刷和装修占定额工期的50%，因此提高效率和质量是缩短工期、保证施工质量的有效措施。同时，在粉刷对人体有害的涂料时，许多防护措施并不能保证人体的健康和安全。如何将粉刷者从繁重的粉刷任务中解脱出来，远离有害的粉刷物质成为当下需要解决的问题。本文设计制造的墙壁粉刷机可以使得目前的粉刷状况得到明显的改善。

1 项目实施方案

1.1 实施方案

该项目主要由机械运动部分、控制驱动部分和电源模块3大部分组成。

1.2 机械运动部分

机械运动部分主要包括机械臂、安装底盘、麦克纳姆轮、直流电机及联轴器、推杆电机。本项目使用一组麦克纳姆轮来实现不同方向的组合运动。另外，根据项目的研究目标，本项目粉刷机需要在2个墙体的弧线形转角处进行均匀的粉刷。因此，需要对运动底盘以上的整个机械臂增加一个转向机构。

1.2.1 麦克纳姆轮运动部分

麦克纳姆轮运动部分由麦克纳姆轮、联轴器、高减速比直流电机组成。麦克纳姆轮的运动受STC89C52型单片机控制并由蓝牙APP实现人机信息交互。

1.2.1.1 麦克纳姆轮的选型

项目选用一组直径162 mm的麦克纳姆轮，左旋和右旋的轮胎各2只。单个麦克纳姆轮承重能力为15～20 kg。

1.2.1.2 直流电机的选型

根据设计要求，粉刷机单向移动速度设计为200～300 cm/min。计算电机转速范围为3.93～5.89 r/min。

1.2.1.3 运动底盘设计

采用普通铝材质地的圆盘，尺寸：直径d＝1 000 mm，厚度B1＝7 mm。计算底盘质量m1＝14.84 kg。

1.2.2 四轴机械臂运动部分

机械臂运动部分由回转齿轮、臂架、推杆电机、粉刷头组成。回转齿轮带动整个机械臂系统做回转运动，推杆电机推动三支臂架做绕铰合点做旋转运动，粉刷头由墙壁刷和低速直流电机组成。

1.2.2.1 机械臂臂架选型

臂架选用3支75 mm×75 mm×1 500 mm，65 mm×65 mm×1 200 mm，75 mm×75 mm×1 000 mm的铝方管，壁厚2.5 mm。根据普通铝板的密度ρ＝2.7×103kg/m3，粗略计算总重：m2=ρ×v＝6.91 kg（不计销连接处的材料损失）。

1.2.2.2 推杆电机和粉刷头电机选型

电动机根据机械臂运动的选型如表1所示。

表1 推杆电机数据

选择2个推杆电机，工作行程分别为300 mm和550 mm（当S＜300 mm时，L＝100 mm；S＞300 mm时，L＝148 mm；安装距离指推杆全部收回后，头、尾两端固定点的距离）。

1.3 控制驱动部分

使用最小单片机系统，控制芯片选用STC89C52单片机芯片。驱动电机的模块采用L298N双H桥电机驱动板，包括大电流驱动板1个和小电流驱动板3个。

1.3.1 高减速比直流电机的控制

采用小电流的L298N双H桥电机驱动板，可同时驱动2个直流电机，完成底盘、回转齿轮以及粉刷头的运动。单个L298N双H桥电机驱动板的单桥驱动最大电流为2A，逻辑电压为5 V，逻辑电流范围0～35 mA，驱动电压范围5～35 V，最大功率25 W。

1.3.2 推杆电机的控制

采用大电流的L298N双H桥电机驱动板，可同时驱动2个直流电机，完成电动推杆的推、拉运动。单个L298N双H桥电机驱动板的单桥驱动最大电流为7A，逻辑电压可接5 V或3.3 V，逻辑电流范围0～40 mA，驱动电压范围6.5～27 V，最大功率160 W。考虑到推杆电机负重较大，启动电流较高（4/A），反复启动会烧毁小电流的L298N双H桥电机驱动板，因此采用大电流的驱动板。

1.4 电源模块

1.4.1 逻辑电压电源

采用额定电压4.8 V、容量1 800 mAh的可充电普通电池，可持续提供单片机和电机驱动板持续工作35 h以上，满足工作时间要求。

1.4.2 电机驱动电源

选用额定电压12 V、容量7Ah的铅酸蓄电池。

1.4.3 电源功率核算

6个高减速比直流电机和2个电动推杆，按照额定功率估算电流约为I总＝3.98A。考虑到底盘运动电机实际工作负载接近于空载，支持臂架回转的电机只在圆弧形墙壁结合处工作，支持臂架运动的推杆电机只在改变粉刷高度时才工作，将改变粉刷高度的工作时间估计为粉刷时间的50%，使用加权的方法重新估算工作时的持续电流约为I总＝0.90A。由此可知，使用7 Ah的蓄电池可以持续工作将近7.8 h。因此，所选的蓄电池具有足够长的工作续航时间。

2 结束语

投入半自动化的墙壁粉刷机将大大提高墙壁的粉刷效率，减轻工人们的劳动负担；在进行有害涂料粉刷时，可以有效维护作业工人的身体健康。同时，随着我国城镇化步伐的进一步加快，楼房会持续增多，房屋的粉刷工作也会进一步增多，结合粉刷机的各种优点看来，室内粉刷机具有较好的发展前景。

参考文献：

［1］霍雯.机械臂运动控制系统设计与实现［D］.银川：宁夏大学，2014.

［2］韩有泉.自动粉墙机的优化设计［D］.天津：河北工业大学，2015.

［3］周保根.多自由度液压臂液压系统的研究与开发［D］.合肥：合肥工业大学，2012.