[发明专利]一种巷道薄喷机器人的机械臂及使用机械臂的喷涂方法

权利要求书

1.一种巷道薄喷机器人机械臂的喷涂方法，具体步骤操作如下：

（1）、设置喷枪嘴与巷道内壁的距离满足喷涂工艺的理想目标距离D；将左激光发射器、右激光发射器分别安装在Ⅰ臂的末端两侧，Ⅰ臂设计长度为l₁,并定位保证激光源反射面所发射的激光射线与Ⅰ臂轴向上有夹角θ，发射激光束沿着此夹角方向射向巷道内壁；

（2）、机器人进入巷道内的中间位置后，设置初始状态，根据巷道现场实际工况要求和场地布置决定初始状态机械臂Ⅰ臂摆动至左侧或右侧水平位置，基座上对称固定的两个限位开关保证机械臂初始左/右水平位置,并与信号转换器通过信号连接, 计算出激光发射器激光源到反射光点的距离，接收器接收到计算出的数据后，通过RS485总线传输至控制器，同时根据算法对测量距离进行修正；

（3）、Ⅰ臂上面布置角度检测传感器将检测摆动液压缸的实时摆动角度α(t_n)，并传输给控制器，控制器首先将实时摆动角度α(t_n)通过PID控制算法计算出摆动角速度ω；

（4）、在控制器编程程序中设定喷枪嘴与巷道内壁理想目标距离为D，采集计算激光源到反射光点的实时距离为L，根据夹角θ修正沿着臂轴线的距离为L/cosθ；喷枪嘴沿着伸缩臂轴线方向实时相对内壁的距离为l（t_n）即伸缩液压缸需运动的实时伸缩位移l(t_n)=（L/cosθ）-（D/∣cosα(t_n)∣）=（L/cosθ）-（D/∣cosωΔt∣），保证了喷枪嘴沿着初始设置的理想目标距离进行喷涂作业；

（5）、将机械臂摆动角速度ω值送入摆动液压缸4的非线性限制曲线，若ω值大于非线性曲线的工作范围，则实际输出控制角速度ω_actual=ω_MAX,其中ω_MAX为液压系统所能供给的最大角速度；若ω不超出工作范围，则ω_actual=ω；将ω_actual作为PWM占空比，从而得到控制电压信号U；

液压系统中的比例流量阀驱动电路接收到控制电压信号U后，驱动Y型比例电磁换向阀工作，比例换向阀向伸缩臂内的伸缩液压缸提供匹配实时的摆动角速度ω的伸缩位移l(t_i)的流量，

l(t_i)=（L(t_i)/cosθ）-（D/∣cosωΔt∣），完成喷枪嘴沿着理想目标距离运动；

（6）、巷道为矩形巷道，实际设计宽度为L₀、高度为H₀；

自动避障：若机械臂从初始位置最左侧水平向右摆动，当遇到巷道内壁凸起障碍物高度h超过了理想目标距离D，此时机械臂右侧激光测距传感器开启扫描测量，由于θ夹角右侧激光发射器采集的数据必定能提前检测到激光源距内壁反射点的距离L(t_i)，此时利用L(t_i)跟预设距离值判断出下一时刻机械臂摆动伸展是否会遇到较大障碍物，根据障碍出现在巷道横截面不同的位置，分两种情况进行判断伸缩液压缸所需的执行动作：

A、L_ref1=(H₀-l₁-D)cosθ

情况A：机械臂在巷道横向截面中轴线左右两侧θ角范围内进行施工作业时，伸缩臂的伸缩位移预设值，此时实时摆动角度α(tn)值的取值范围为：

π/2﹣θα(t_n)π/2＋θ；

B、L_ref2=［(L₀/2-D)/∣cosα(t_n)∣-l₁］cosθ

情况B：机械臂在巷道横向截面中轴线左右两侧θ角以外的范围进行施工作业时，伸缩臂的伸缩位移预设值，此时实时摆动角度α(tn)值的取值范围为：0α(t_n)π/2﹣θ 或π/2＋θα(t_n)π；

根据实际激光传感器采集计算的距离L(t_i)与预设值L_ref1，L_ref2进行比较判断后在时间间隔Δt=θ/ω内伸缩液压缸缩回的位移、即喷枪嘴沿着伸缩臂轴向运动的位移为：

a、L_ref1-L(t_i)；L_ref1L(t_i)；

情况a：机械臂在巷道横向截面中轴线左右两侧θ角范围内进行施工作业时；

b、L_ref2-L(t_i)；L_ref2L(t_i)；

情况b：机械臂在巷道横向截面中轴线左右两侧θ角以外的范围进行施工作业时；

避开凸起障碍下一时刻，根据比较｛L_ref1，L_ref2｝_max≤L(t_i+1)，选取预设值中最大值执行伸缩油缸位移，机械臂末端即喷枪嘴继续根据预设值进行正常喷涂施工作业

所述的机械臂，包括基座、固定支架、伸缩臂，其特征是：基座通过螺栓固定在机器人上，在基座的上部安装有回转液压缸，回转角度为沿水平面0°-360°回转，回转液压缸上部座上安装有摆动液压缸，摆动液压缸沿巷道垂直截面内摆动，摆动角度范围为0-180°，固定支架呈n形，分别固定在摆动液压缸两端的输出轴上，伸缩臂固定在固定支架的横向板上；

伸缩臂包括从下至上依次套接的Ⅰ臂、Ⅱ臂、Ⅲ臂，在Ⅱ臂、Ⅰ臂之间连接有位移传感器和伸缩液压缸，Ⅲ臂、Ⅱ臂之间采用钢丝绳索滑轮连接，Ⅲ臂、Ⅱ臂的长度相等且联动设置，其中Ⅱ臂的伸缩速度为V2，Ⅲ臂的伸缩速度为V3，2V2=V3，同一时间段，Ⅱ臂沿伸缩臂的轴线伸缩位移为Ⅲ臂的一半；在Ⅰ臂的末端固定有环形的激光发射器支架，在激光发射器支架的两侧分别设有拆卸充电式的左激光发射器、右激光发射器，且激光源与Ⅰ臂的末端断面共面，激光射线与轴线之间设有夹角θ，其中θ角小于30°；

在Ⅰ臂的外部与Ⅲ臂的上端部之间固定有管路拖链，管路拖链内安装有材料管路，材料管路的上端口安装有喷枪嘴。