Robopainter-一个详细的室内墙壁喷涂机器人设计外文翻译资料

 2022-01-19 10:01

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Robopainter-一个详细的室内墙壁喷涂机器人设计

Mohamed Sorour

摘要：当今社会，无论是对于对于发达国家还是发展中国家来说，需要对喷涂有很高的需求。为了满足这种需求，本文设计了用于室内装饰的功能强大的喷涂机器人的详细计算机辅助设计（CAD）模型。 除装饰墙图纸外，还能够进行全尺寸墙面涂刷。 8自由度移动机器人结构由安装在2自由度差动驱动移动基座上的6自由度喷涂臂组成。 与现有文献相比，所提出的设计在总机器人质量和涂装率方面具有多项成果。 提出了详细的动态模型参数，以允许进一步增强机器人运动控制的内容。

  1. 导言
    手动墙体涂漆是重复的，耗时的，并且是危险的。一方面，人工操作的缺点有利于机器人化应用。另一方面，根据美国劳工统计局的统计，从2012年到2022年，喷涂的就业人数预计将增长20％，这需要在美国这一期间喷涂人数增加62,600人。 在人口密集的发展中国家和出生率较高的地区，可以得到相同的数字; 例如北非地区，印度，中国和南美洲。 尽管存在这些事实，但在撰写本文时，没有（据作者所知）喷涂机器人装置已在市场上出售。
    尽管有环境（节省人力和健康）和商业意义，但在文献中很少有关于室内装饰涂饰的研究工作。Kahane等人开发了一种用于墙壁喷涂的小型机器人装置以及多色喷枪。开发的机器人“Pollock＃1”由固定底座和6自由度的手臂组成，这限制了它的便携性和可操作性。据报道，机器人工作范围为84 x 72 X122平方厘米，同时改善了墙壁喷涂时间和成本，其中46 平方米的墙壁在3.5小时内涂漆。据报道，该玻璃涂装率比手工涂装快1.5倍。不幸的是，开发系统并没有给出关于其移动性的数据。 Teoh等人开发了一种用于内外墙涂装的电缆驱动机器人底盘“PAINTbot”，使用固定在墙上的两个枢轴的电缆悬挂的机器人。它可能适用于外墙涂装，但不适用于室内装饰。 Sorour等人开发了一款5自由度滚涂移动机器人，由一个装在3自由度移动平台上的2自由度绘画臂组成。报告称总系统重量35千克，喷涂速度10平方米/小时。 Abdellatif 进一步提供了机器人设计考虑作为所做工作的可能扩展。
    对于画家来说，最繁琐和耗时的任务是墙壁喷涂（涂上一层或几层油漆），这是本研究活动的主要目标。在这项工作中，通过图1所示的详细RoboPainter CAD设计，对最近提出的概念设计进行了初步验证。基于喷涂的移动机器人总共有8自由度，由安装在二维差分驱动移动基座上的6自由度喷漆臂组成。 该机器人除了能够进行装饰性绘制以及壁式涂漆外，机器人质量更低，涂装率更高，占用体积更小等。确保稳定性使用4自由度轮式移动机器人（WMR），采用差动驱动系统降低成本。为了开发一个功能齐全，可靠的墙壁喷涂系统，作者以详细的机器人惯性参数提供了动态模型。
    本文的结构如下：第二节介绍了设计的喷涂机器人和预设的技术数据。第三部分介绍了动态模型。第四部分介绍了自我定位，导航和墙壁喷涂以及操作方式。结论见第五节。
  2. 系统描述
    RoboPainter是一个8自由度移动喷漆机器人，其设计的技术数据在表I中给出。喷涂臂在其尖端带有喷漆枪（其额定功率在表I的功耗表中）。由于其通用的固定组件，可以将几种市售的喷枪连接到臂尖，例如，对于使用220V电源电压的喷雾器。对于采用110V电源的喷雾器。在其设计中，注意选择市面通用的的组件，以缩短开发时间，并在发生故障时实现简单，快速的组件更换。
    RoboPainter的关节由“maxon”直流减速电机驱动（除了手臂的第二个关节由“max BLDC”齿轮电机驱动），所有这些都由位置编码器配备，并使用ESCON伺服控制器进行扭矩控制。机械臂运动横向限制在从机器人中心线的任一方向上最多2个喷涂条的宽度。在喷枪路径的运动规划阶段，墙壁被分成两部分：核心和分支部分。图2.c显示了核心部分绘画中最大允许的绘画工作空间。这种限制的目的是双重的： 1）它降低了每个关节的最大扭矩要求，因此我们可以使用更便宜的电机。2）它通过减少机器人结构占用的空间体积来增强人体机器人的安全性。该涂装臂能够在平均时间为10秒的情况下以2.45米的高度喷涂0.25米宽的涂料。它被设计成具有2.7米高的最大喷涂范围（如图2.b所示），这是通常的房间高度。 RoboPainter应该可以通过将图片转换为油漆路径来执行装饰墙图，同时使用较小的喷嘴。2自由度移动底座由2个驱动的固定轮和2个被动脚轮组成，以提供基本稳定性。 固定轮是20BMX气动型，非常常见，具有成本效益，可作为振动阻尼器（正常喷枪操作时的振动水平可达10m/s2 ）。基于铝基结构，基重13 kg 并且能够支持100kg的额外载荷。它配有10个声纳传感器（超声波测距仪），其中6个（图2.d中的蓝色锥体）明确用于障碍物避免，其余4个声纳（同一图中的黄色和灰色锥体）主要用于定位和导航。此外，移动基座还嵌入了一个惯性测量单元（IMU）来监控结构振动。

＃1”由固定底座和6自由度的手臂组成，这限制了它的便携性和可可操作性。据报道，机器人工作范围为84 x 72 X122平方厘米，同时改善了墙壁喷涂时间和成本，其中46 平方米的墙壁在3.5小时内涂漆。据报道，该玻璃涂装率比手工涂装快1.5倍。不幸的是，开发系统并没有于墙壁喷涂的小型机器人装置以及多色喷枪。开发的机器人“Pollock＃1”由固定底座和6自由度的手臂组成，这限制了它的便携性和可操作性。据报道，机器人工作范围为84 x 72 X122平方厘米，同时改善了墙壁喷涂时间和成本，其中46 平方米的墙壁在3.5小时内涂漆。据报道，该玻璃涂装率比手工涂装快1.5倍。不幸的是，开发系统并没有于墙壁喷涂的小型机器人装置以及多色喷枪。开发的机器人“Pollock＃1”由固定底座和6自由度的手臂组成，这限制了它的便携性和可操作性。据报道，机器人工作范围为84 x 72 X122平方厘米，同时改善了墙壁喷涂时间和成本，其中46 平方米的墙壁在3.5小时内涂漆。据报道，该玻璃涂装率比手工涂装快1.5倍。不幸的是，开发系统并没有于墙壁喷涂的小型机器人装置以及多色喷枪。开发的机器人“Pollock＃1”由固定底座和6自由度的手臂组成，这限制了它的便携性和可操作性。据报道，机器人工作范围为84 x 72 X122平方厘米，同时改善了墙壁喷涂时间和成本，其中46 平方米的墙壁在3.5小时内涂漆。据报道，该玻璃涂装率比手工涂装快1.5倍。不幸的是，开发系统并没有于墙壁喷涂的小型机器人装置以及多色喷枪。开发的机器人“Pollock＃1”由固定底座和6自由度的手臂组成，这限制了它的便携性和可操作性。据报道，机器人工作范围为84 x 72 X122平方厘米，同时改善了墙壁喷涂时间和成本，其中46 平方米的墙壁在3.5小时内涂漆。据报道，该玻璃涂装率比手工涂装快1.5倍。不幸的是，开置以及多色喷枪。开发的机器人“Pollock＃1”由固定底座和6自由度的手臂组成，这限制了它的便携性和可操作性。据报道，机器人工作范围为84 x 72 X122平方厘米，同时改善了墙壁喷涂时间和成本，其中46 平方米的墙壁在3.5小时内涂漆。据报道，该玻璃涂装率比手工涂装快1.5倍。不幸的是，开发系统并没有于墙壁喷涂的小型机器人装置以及多色喷枪。开发的机器人“Pollock＃1”由固定底座和6自由度的手臂组成，这限制了它的便携性和可操作性。据报道，机器人工作范围为84 x 72 X122平方厘米，同时改善了墙壁喷涂时间和成本，其中46 平方米的墙壁在3.5小时内涂漆。据报道，该玻璃涂装率比手工涂装快1.5倍。不幸的是，开发系统并没有

发系统并没有

  1. 动态模型
    在本节中，我们简要介绍了用于移动基座和喷涂臂的动态模型。在[9]中提出了RoboPainter的完整运动模型。
    A.移动基础模型
    图3.b显示了分配给构成移动基站的链路的帧;即基础链接，可固定轮毂连杆（脚轮组件的可定向连杆），脚轮连杆和固定轮连杆，分别给出下标b，o，c和f。移动基础主体的动态模型使用欧拉 - 拉格朗日形式推导得出，并给出为（1）：
    мb（qь）qь Сb（qь，qь）qb =Гь JT（qь）lambda;（1）
    其中мb（qь）和Сb（qь，qь）表示惯性矩阵，表示科里奥利和离心效应的矩阵，

qb = [Хь szlig;Tc phi;Tf phi;Tc]T是9х1广义坐标Xb= [Xob Yob phi;b]T根据基础框架的位置和方向，szlig;Tc= [szlig;1c szlig;2c]是脚轮方向的向量，фTf= [ф1f ф2f]是固定轮方向的向量。Гь是与由致动器提供的扭矩相关联的广义力矢量.JT（qb）lambda;表示与运动约束相关的广义力，J（qb）是运动约束的矩阵，lambda;是拉格朗日乘子的矢量。配置运动模型由（2）给出如下：

qb = Sb（qb）u b,（2）
这里ub= [xbob phi;bb]T是可直接控制的自由度的向量（这些速度是相对于基座的，如上标b所示），详述的矩阵Sb跨越J（qb）的零空间满足（3）中的关系：
J（qb）Sb（qb）= 0.（3）
从（3）我们可以消除（1）中的拉格朗日乘数，方法是将两边乘以（4）中提供的STb（qb）：
STb（qb）Mb（qb）qb STb（qb）Cb（qb，qb）qb=STb（qb）Гь（4）
用（2）中的（4）代替我们最终在可控的自由度空间（5）中获得移动基的动态模型：
Mb（qb）ugrave;b Cb（qb）ub= STb（qb）Гь,（5）
根据Mb（qb）= STb（qb）Mb（qb）Sb（qb）和Cb（qb）=STb（qb）Mb（qb）STb（qb） STb（qb）Cb（qь，qь）Sb（qb）.
惯性矩阵Mb（qb）从（6）中使用（7）提供的总动能Et的表达式获得：
,（6）
其中Eb和Ea分别表示基础连杆和涂装臂的动能，而Efi和Eoi以及Eci分别表示第ith个固定轮，可定向轮毂和脚轮的动能。
,(7)
在（7）中，Mbij表示惯性矩阵的ij元素。 使用符号Cijk评估科里奥利矩阵和离心效应Cb（qb，qb）：
,(8)


B.机械喷涂臂模型
图3.a显示了根据Khalil-Kleinfinger符号分配给喷涂的帧以及臂几何参数的定义。 以与上述方法类似的方式，机械喷涂臂的动态模型可以表达为：
Ma（qa）qa Ca（qa，qa）qa Q（qa） Гfr Гex = Г<s

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资料编号：[830]

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