多自由度喷涂机器人.doc

多自由度墙体喷涂机器人机构设计摘要：房屋装修过程中墙体涂料的喷涂主要由人工粉刷完成，劳动强度大，工作环境恶劣，喷涂机器人能够代替人在房屋装修过程中进行建筑墙面自动喷涂各种涂料整个机构采用5 个自由度的开放关节型机械臂完成，移动小车作为基座并完成机构的整体水平移动，腰部关节、大臂、小臂及粉刷头在运动控制卡及步进电机的控制下，使得粉刷头始终紧贴墙壁做上下往复运动完成粉刷动作，并获得持续的涂料供给关键词：机器人；机构设计；墙体喷涂0 引言自动墙体喷涂机器人是进行建筑墙面自动喷涂的机械，具有自动上料、自动喷涂的功能，及操作方便、效率较高、涂料使用率高等特点故对多自由度墙体喷涂机器人机构进行设计，以减轻施工者的劳动强度，防止化学涂料对工作人员产生伤害1 机构整体设计综合考虑喷涂机器人的作业任务和作业环境，采用了5 个自由度的关节型机器人整个机构的水平运动采用小车来实现，即整个机构装在一个小车上整个执行机构是一个4 自由度的串行机构，且大臂与小臂关节的轴线相互平行这种结构动作灵活，结构紧凑，工作空间大，占地面积小，在作业空间内手臂的干涉最小，关节需要的驱动力矩小，能量消耗较少，关节相对运动部位容易密封防尘。

喷涂机器人部件组成由小车、立柱回转部件、大臂、小臂、末端执行器（喷涂头）组成，其结构简图如图1该机器人的5 个自由度分别为：小车的移动、立柱回转、大臂回转、小臂肘部回转、腕部仰俯（喷涂头部分的仰俯）各部分的功能如下：1) 小车是行走机构，是机器人的基础部分，整个执行机构和驱动系统都安装在小车的基座上2) 立柱是手臂的支撑部分，通过安装在小车底座上的步进电机驱动，立柱可以在机座上转动3) 手臂包括大臂和小臂，是执行机构中的主要运动部件，以实现空间位置的3 个坐标分量的要求，用来支承腕关节，并使其在工作空间内运动为了使末端执行器能达到工作空间的任意位置，手臂和腰部的运动设计上具有4 个自由度4) 腕关节是连接手臂与末端执行器的部件，用于调整末端执行器的方向和姿态手部一般是夹持装置，主要用来夹紧作业工具—喷涂头2 立柱回转关节设计立柱的回转关键由基座、带减速装置的步进电机、回转轴组成，如图2执行机构在基座上回转由于机器人为开链结构，整个大臂、小臂、手腕、喷涂头的重量均由肩关节承担，因此肩关节所受的驱动力矩较大手腕由转轴、壳体部、减速器、电机驱动轴等组成通过连轴器、驱动轴来带动手腕工作机器人在整个运动过程中，除了小车的运动和腰部的回转运动外，其他的运动是相互耦合的。

大臂和小臂回转关节设计如图31、带减速装置的电机；2、联轴器；3、转动轴；4、螺钉连接；5、卡环；6、闷盖；7、键连接；8、轴承连接图3 大臂和小臂回转关节装配图大臂和小臂回转通过带有减速装置的电机直接驱动来实现除立柱回转关节之外的3 个回转关节的设计思路一致，整个墙体喷涂机器人的结构设计如图44 结束语该喷涂机器人具有自动上料、自动喷涂的功能，能用于不同楼层和房屋结构但在设计中，应控制墙体喷涂机器人的重量应尽可能轻，操作空间尽可能大，及工作稳定性好、控制维修方便、易于拆装图4 总装配图参考文献：[1] 成大先. 机械设计手册[M]. 北京: 化学工业出版社,2005.[2] 蔡自兴. 机器人学[M]. 北京: 清华大学出版社, 2000.[3] 孟宪员源, 姜琪. 机构构型与应用[M]. 北京: 机械工业出版社, 2004. 于静, 吴进煌. 导弹武器装备备件数量计算方法研究[J].战术导弹技术, 2003(2): 56-60.[4] 李瑾, 宋建社, 王正元, 等. 备件消耗预测仿真方法研究[J]. 计算机仿真, 2006, 23(12): 306-309.[5] Craig C, Sherbrooke. Optimal Inventory Modeling ofSystems: Multi-Echelon Techniques[M]. Boston: KluwerAcademic Pub, 2004.[6] 左召军, 钟新辉. 航材消耗的时间序列分析[J]. 长沙:航空职业技术学院学报, 2004, 4(3): 29-32.[7] 黄秀琴, 高志坚. 备件消耗预测与备件储备定额的确定[J]. 真空, 2002(4): 49-52.[8] S.L.Ho, M.Xie. The use of ARIMA Models for ReliabilityForecasting and Analysis[J]. Computers IndustryEngineering, 1998, 35(1): 213-216.[9] N.Singh. Stochastic Modeling of Aggregates & Productsof Variable Failure Rates[J]. IEEE Transaction onReliability, 1995, 44(2): 279-284.[10] Iyad A Salman. Forecasting Models for MaintenanceWork Load With Seasonal Components[C]. Reliabilityand Maintainability. 2004 Annual Symposium-RAMS,2004: 514-520.[11] George E.P.Box, Gwilym M.Jenkins. 时间序列分析—预测与控制[M]. 北京: 中国统计出版社, 1997: 101-149.[12] 张树京, 齐立心. 时间序列分析简明教程[M]. 北京:北方交通大学出版社, 2003: 24-59.[13] 王炜炘, 杜金观, 伍尤桂, 等. 应用时间序列分析[M].桂林: 广西师范大学出版社, 1999: 102-183.。