具体实施方式

传统的喷浆机器人的机械臂相对比较长，并且关节比较多，其目的在于喷浆机器人停靠在某个位置后，可以对较大范围的受喷面进行喷浆作业，由此带来的技术问题是，因受喷面面积比较大，也就是在喷浆机器人行进方向上的纵深比较大，一方面会导致建模难度变大，另一方面会导致机械臂完全展开时，其与例如底盘1间连接结构的负荷比较大，且喷头与受喷面间的夹角不容易控制。

作为进一步延伸的问题，为适应较长的机械臂，适配于喷头的管路相对较长，而对工作压力有更高的要求。同时，机械臂关节多，且整体相对较长时，考虑到可通过性，需应对机械臂的收纳问题。

有鉴于此，在本发明的实施例中，侧重于使用相对紧凑的机械臂，以降低扫描、建模，以及控制难度，借以提高喷浆机器人的可靠性，以及喷浆质量。

在本发明的实施例中，除非单独说明，以底盘1为基准的参考系，其具有确定的前、后、左和右，以及上下，本发明实施例中的前、后、左和右，以及上下即以底盘1为参考系。

有鉴于机械臂为建模模型所驱动，且机械臂通常具有多自由度，其关节空间的运动轨迹，以及级联输出末端位姿属于本领域的一般常识，在此不再赘述。但可以理解的是，机械臂关节越多，自由度越多，其控制难度也就越大。因而，在本发明的实施例中，所配机械臂关节相对较少，运动形式相对简单，扫描、建模的采样精度相对较高，且难度相对较低，尤其相对而言，控制的可靠性相对较好。

基于本发明实施例的喷浆机器人应用于具有桥隧巷道等大致具有边墙和拱顶或平顶的设施的喷浆施工，也可以应用于纯拱形设施的喷浆施工，显然，其应用并不受施工对象的限制，而是受其自身机械结构的限制，因此，施工领域并不对其保护范围形成限制。

基于本发明的基本构思可知，其第一构思是臂部具有第一摆转自由度，用以实现断面喷浆，这里的断面是例如隧道在喷浆机器人行进方向上一段，臂部摆转一个周期完成一个断面的喷浆。

摆转副是转动副的一种，其只有一个自由度，在预定的转角范围内摆动。相对而言，其并没有俯仰的自由度。

另外作为基础的构成，喷浆机器人所配机械臂，其基本作用是用于喷浆机器人喷头位姿的控制，一般传统的喷浆机器人通常以喷浆机器人所配底盘1的某个位置为0点，适配三维坐标，在三维空间内控制喷头的位姿，因而传统的喷浆机器人具有俯仰和转动两个基础自由度。在本发明的实施例中则以喷浆机器人的行进方向为基准方向，即基础的参考系相当于二维，前述的断面喷浆即适配于该要点，具体是，在每次扫描后的喷浆作业，例如大臂5不做俯仰运动。

但需注意的是，基础的参考系采用二维，但并不排除机械臂在三个维度上的调整，尤其是例如喷头，其基本动作可以是直喷、斜喷或者划圈运动形式的喷浆，但这种喷浆的姿态与机械臂自身的调整无关，而是末端载置总成9的基本动作。对于喷浆过程中喷头的位姿调整，除了前述的摆转运动形式外，还可以附加的引入例如机械臂某个关节的摆转或俯仰，这里的俯仰相对于臂部的摆转属于次级运动，不是主运动。

在本发明的第一实施例中，机械臂包括第一摆转装置，该第一摆转装置例如与机械臂的臂部如图1中所示的大臂5配合形成摆转副，通过限制转动副的转角范围，而形成摆转结构。

适配于例如巷道的形状，巷道具有边墙和拱顶，前述的转角范围约在180度~200度。

另需说明的是，前述的转角范围可以由强耦合的臂部在整体上来实现，如图1中所示的大臂5和小臂7构成的总成，大臂5具有一个子转角范围，小臂7具有一个子转角范围，两个子转角范围基于模型的运动耦合形成前述的转角范围，单就大臂5而言，其子转角范围可以是前述180~200度，也可以是小于该转角范围的角度，例如为了避免运动干涉，大臂5的转角范围以不大于180度为宜。而例如底盘1，通常具有一定的高度，为了能够对边墙底部进行喷浆，小臂7需要在大臂5转角相对较小时进一步下延，而需小臂7也有摆转自由度，以在整体上能够对一个断面进行全方位的喷浆。

同样地，如果底盘1相对较高，对于大臂5而言，可以有更大的转角，例如270度。

机械臂的固有属性是强耦合性，可以通过各个关节的运动，复合成机械臂末端位姿。同样地，对于基础的摆转运动，也可以在一些实施例中采用级联的能够输出摆转运动的复合装置，该复合装置为次之选择，前述的臂部与第一摆转装置间配合形成的摆转副为优选的结构。

第一摆转装置与臂部配合所形成的摆转副，其在优选的实施例中在竖直面内摆转，该竖直面与底盘1的行进方向垂直。

对于摆转副，其摆转平面或者说对应臂部的扫掠平面可以是前倾的平面，以使喷头相对远离底盘1，减少溅落的物料在底盘1上的沉积。

前倾的平面或者说扫掠平面与基准方向，也就是底盘的前进方向的夹角不宜过大，否则机械臂会对底盘产生比较大的翻转力矩，在一些实施例中，扫掠平面前倾，相对于基准方向的夹角不宜小于60度。

扫掠平面在此处的前倾角度为设计角度，非机械臂多输入多输出对应的角度。不过在一些实施例中，可以将前述的前倾角度作为机械臂多输入多输出对应的角度，但仅可用作扫描喷浆前的固定角度，而非机械臂多输入多输出的调整角度。

例如第一摆转装置，其可以理解成机械臂的座部，而用于机械臂在底盘1上的安装。如前所述，一般而言，传统机械臂与座部间通过一个轴线竖直的转动副连接。加以对应的，在本发明的实施例中，实质不包含机械臂与座部间形成的轴线竖直的转动副，而是前述的轴线水平或者与水平面间不大于30度夹角的摆转副。

机械臂最终用于控制喷头的位姿，机械臂的末端需要具有或者独立装配有末端载置总成9，因喷头连同管路（包括物料）重量比较大，喷头一般通过例如螺栓装配在末端载置总成9上。

图5~7例示了一种第一摆转装置，相对于传统的机械臂座部回转支承轴线竖直的实现，在图中例示的结构中，如图中所示的齿圈33，其轴线是水平的。需知，齿圈33只是例示的一种结构，而非唯一的结构，齿圈33可以易于为齿轮所取代，构成相对于输出齿轮32的从动大齿轮，以获得期望的传动比。

图5~7中例示的结构中，第一摆转装置包括基座31，基座31上具有座孔，座孔内装有例如轴承，以构建回转支承，以及用于驱动例如齿圈33旋转的第一驱动总成。

基座31上所装或一体成型（例如铸造）出的壳体38可以构建例如剖分式轴承座，所适配轴承采用例如滑动轴承，例如大臂5可以适配一轴，轴通过滑动轴承安装在基座31上，轴端配设输入齿轮。

对于如图5中所示的齿圈33，齿圈33通过滑动轴承或者滚动轴承安装在基座31上，齿圈33与大臂5间固定连接。

基座31如果配设轴，轴与臂部间可以通过例如键进行连接；而如齿圈33，其与臂部间可以采用例如法兰连接的方式进行装配。

基座31作为基础的基体部件时，其构建出座孔，座孔用于配装例如轴瓦或者滚动轴承，以用于轴类件的装配，该轴类件可以是适配于齿圈33的轴，也可以是直接与例如大臂5间装配的轴。

图5~7中为第一摆转装置的简图，如图中所示的用于构建例如轴承座的壳体38，用于支撑壳体38的立板等，可以是整体铸造的部件，再例如立板，其本体上可以是块体。

图5中基座31，在图中表现为座板+立板，以及加强板的结构，整体上可以铸造成型，也可以是板体焊接件。

其中的座板上开有固定孔，以通过例如螺栓而固定在底盘1上。

关于回转支承的构件，受前文中例如座孔或者说轴承的装配结构的限制，在优选的实施例中，座孔的轴线为水平轴线，并且座孔的轴线与基准方向平行。

而在一些实施例中，回转支承需要适配特定的摆转平面，如前倾的摆转平面，在此条件下，该回转支承的轴线与所述基准方向成不大于30度的夹角。

前倾的摆转平面在采用水平的座孔轴线的情况下，可以直接由例如大臂5自身的结构所确定，大臂5采用拐臂，其包括水平的例如轴或者轴套，以与座孔或者配置在基座31上的固定轴配合，大臂5的主体部分前倾，据此结构也可以实现前倾的摆转平面。

记驱动例如大臂5摆转的部件为第一驱动总成，将其安装在所述基座31或底盘上，并通过回转支承驱动所述臂部。

第一驱动总成的动力部件可以采用例如图7中所示的刹车电机37，还可以采用例如带有液压锁的摆动缸、液压马达等。

其中，例如刹车电机37在特定的应用中，例如煤矿巷道的施工中需要采用防爆型刹车电机。

作为另一种选择，刹车电机37可以为采用刹车液压马达所取代，液压马达本身具有防爆性，且可以整合入喷浆机器人的液压系统。

在一些实施例中，回转支承包括固定安装在基座31上的静圈和与该静圈滚动配合或滑动配合的动圈，借以构件滚动轴承或者滑动轴承。

图5中，动圈一端构建出齿圈33或者安装有齿圈33，且适配有与所述臂部连接的结构；

相应地，所述第一驱动总成包括与所述齿圈啮合的输出齿轮32。

如果第一驱动总成为例如液压摆动缸，其将液压缸的直线运动通过齿轮齿条机构转换成旋转运动，从而通过齿轮输出获得摆动。在此条件下，通过摆动液压缸的齿轮输出直连或者通过齿轮组驱动大臂5摆转。

关于第一驱动总成与臂部，例如与大臂5间的连接，从图5中可以看出，齿圈33的端面排布有固定孔，该端面为齿圈33位于臂部所在侧的端面，而大臂例示在图3中的结构设有一个大臂安装基板54，该大臂安装基板54上与齿圈33对位地开有装配孔，两者通过螺栓或者螺钉进行固定连接。

由于在本发明的实施例中，臂部相对于传统的机械臂，其与底盘1连接所形成的运动副是一个简单的运动副，而传统的机械臂在底盘1上的连接通常具有一个复合运动副，包括两个轴线相互垂直的转动副。因此关于臂部，其基于与底盘的连接只有一个摆转副，借此结构，对其在底盘1上的装配结构要求也相对较低。因此，由于机械臂的下部通常具有矩形截面，因此，在一些实施例中，例如齿圈33的齿轮轴或者壳体38上可以开矩形安装孔，机械臂插入矩形安装孔后使用例如紧定螺钉锁合。

在一些实施例中，如图3中所示的大臂安装基板54替换为一个齿轮，该齿轮与大臂5的下部固定连接，齿轮的齿轮通过轴承安装在第一摆转装置上，通过齿轮传动机构对该齿轮进行驱动。

关于喷浆作业，机械臂的控制精度相对要求不高，但仍需对其控制精度有所要求，在一些实施例中，机械臂单纯依靠控制元件的指令控制，而不做馈送监测。

在一些实施例中，指令控制配合前馈信号的调控以使机械臂具有相对较高的运动精度。

在又一些实施例中，则采用闭环控制的方式，以获得相对较高的机械臂控制精度。

进一步地，关于闭环控制，在一些实施例中，于基座31、回转支承或第一驱动总成上设有用于检测臂部转角的检测装置。

在图5所示的结构中于壳体38上装有一从动齿轮35，该从动齿轮35与齿圈33啮合，基于确定的传动比，对从动齿轮35采样的转动参数可以推知齿圈33的转动参数。

假定齿圈33适配有齿轮轴，在该齿轮轴轴端可以装例如旋转编码器；同样地，如图5中所示的从动齿轮35的齿轮轴所配编码器36也优选旋转编码器。

应知，对于传动系而言，因具有确定的运动关系，对传动系中的某个构件的监测数据可以适用于其他构件，因此，以示例的结构为基础，本领域的技术人员借此所作出的其他简单变换均落入本发明的保护范围之内。

关于前述的臂部与第一摆转装置与臂部间所形成的摆转副转角范围的控制，一方面可以采用软限位，以避免过行程；在一些实施例中还可以采用硬限位，例如图7中所示的行程开关39；在又一些实施例中还可以配设机械限位，形成硬止点。三种限位方式可以配合使用，例如软限位配合硬限位使用，机械限位作为辅助。在一些实施例中，软限位为主，硬限位和机械限位为辅。

关于臂部，其在图1例示的结构中包括大臂5和小臂7，其中大臂5与第一摆转装置上输出构件的连接所形成的摆转副（下称第一摆转副）是本发明第一构思实现的基础，也是机械臂的主运动。而如大臂5和小臂7的伸缩运动属于常规的运动。小臂7与大臂5间所形成的第二摆转副则是辅助运动副，以减轻第一摆转副的负担，以及调整难度。

加以适配的，小臂7装配在大臂5的末端，且适配的用于小臂7与大臂5间装配的装配部具有一个转动副，即前述的第二摆转副，使小臂相对于大臂具有一个转动自由度；该第二摆转副的轴线与所述扫掠平面垂直，或者说第一摆转副与第二摆转副的轴线平行。

另需说明的是，有鉴于在一些实现中考虑喷浆作业时，涉及掉落的浆料可能会掉落在例如底盘1上的问题，而在一些实施例中使用例如第一摆转副相对前倾的扫掠平面。在另一些实施例中，前倾也可以表现在例如第二摆转副上，在此实施例中，第一摆转副的轴线水平。

第一摆转副与第二摆转副可以使机械臂的摆转控制更加灵活，尤其是大臂5的转角范围受装配结构的影响而受限时，可以使用小臂7的转角范围加以辅助。

在优选的实施例中，大臂5和/或小臂7具有伸缩的工作行程，以适应不同的工作面的喷浆作业。

为了获得较大的调整范围，大臂5和小臂7可以均具有伸缩能力；而为了降低控制难度，可以两者其一具有伸缩能力；若两者其一具有伸缩能力时，以大臂5具有伸缩能力为优选。

相应地，具有所述工作行程的大臂5和/或小臂7包括：

静臂，设有该静臂延伸方向的导引结构；

动臂，导引于所述导引结构。

以图3为例，图中，大臂5包括大静臂55，该大静臂55安装有大臂安装基板54，以用于与例如齿圈33装配。大静臂55自身可以构成导套结构，或者说其具有缸筒结构，大动臂56则与例如导套结构配合形成移动副。

关于静臂与动臂间的配合可以选用机械领域常见的缸体推杆结构，在此不再赘述。关于直线导线结构，属于机械领域的一般常识，其他如导轨导引，导杆辅助导引均可以参照适用。

在本发明的实施例中，以第一摆转副为中心，对于例如末端载置总成，大臂5和/或小臂7的伸缩结构并非是本发明的改进之处，均可采用现有的结构。尤其需要注意的是，对于例如末端载置总成，相对于现有技术加以改进的结构如果并不违背本发明实施例中机械臂的结构、运动形式，或采用本发明的基本构思、基本结构，则包含该末端总成的机械臂仍落入本发明的保护范围之内。

机械臂是喷浆机器人的核心构成，其依托于底盘1，在本发明的实施例中底盘1按照预定的步长每移动一次，例如前述的第一摆转副摆转一次，实现断面喷浆。在此过程中，以断面在基准方向上的幅宽为要件，在机械臂不做俯仰运动的条件下完成一次喷浆作业的范围。

图8中，扫描可以仅仅是一个断面的扫描，属于纯二维扫描，而对于喷浆机器人而言，根据扫描获得的二维模型为机械臂摆转的路径进行喷浆，首先喷浆本身会产生一定的幅宽，加之在更多的应用中，例如末端载置总成9可以使喷浆在机械臂运行过程中获得相对更大的幅宽，从而形成图9中所示的机械臂一次摆转获得给定幅宽的喷浆效果。

二维扫描的计算量明显相对于三维扫描大幅降低，参见图8示例的原理即可清楚的确认。同时二维也与机械臂的摆转运动相适配，一次扫描对应一次摆转，工作方式相对简练，喷浆效果也更容易控制。

此外，应知，由于二维扫描和计算所需时间更短，在前一幅宽的浆料失水相对较少时，后一幅宽的浆料即可叠加起来，不容易产生分层，确保整体喷浆的质量。

加以对应的，在例如底盘1上安装对工作面进行扫描的扫描装置，该扫描装置每次扫描的范围为前述的断面，范围相对较小，建模速度快，因整体上类同于二维，算法相对简单。

基于本发明的构思，每次扫描的范围适配于前述的断面，范围比较小，大致在基座31所处位置的例如巷道断面，因此可用的扫描装置相对于传统的喷浆机器人有更多的选择，在一些实施例中可以选用传统的雷达扫描装置，也可以选择超声扫描装置，还可以选择光学扫描装置。

在一些实施例中，扫描装置为对机械臂当前扫略对应的喷浆界面扫描的二维扫描装置。

用于喷浆作业的机器人，其底盘1多采用履带式底盘，该类底盘1支撑稳定性相对较好，但也因机械臂对不同位置进行喷浆时，导致喷浆机器人整体重心发生变化而影响喷浆精度，为此，为底盘1设置辅助支撑总成，以在机械臂作业时，提高底盘的支撑能力。

关于辅助支撑总成，在一些实施例中可以采用例如液压支脚，在喷浆机器人到位后，液压支脚下放。

在一些实施例中，辅助支撑总成可以是驻锄，在喷浆机器人到位后，下放驻锄，以支撑底盘1的前部。

在一些实施例中，辅助支撑总成还可以是安装在底盘1前部的液压推铲，在喷浆机器人到位后，液压推铲下放，以提高底盘1的支撑稳定性。

关于适配的喷浆工法，首先符合湿喷的一般要求，在本发明的实施例中，所适配的喷浆工法表现在每次扫描的范围相对较小，从而减小单次建模工作量，以及减轻单次喷浆的机械臂工作强度。

所述喷浆工法包括以下步骤：

1）待喷浆机器人停靠平稳后，启动扫描装置对喷浆机器人行进方向预定幅宽的受喷表面进行扫描，获得扫描数据；其中，预定幅宽不大于150cm，以100cm为宜，满足机械臂摆转过程中，在不产生俯仰运动条件下的最大喷浆幅宽。

有鉴于例如喷头，其喷浆方式可能含有例如划圈运动，会产生相对较大的喷浆幅宽，但考虑到喷浆角度不宜过大的问题，划圈运动的范围通常也不大，一般划圈运动结合机械臂摆转，复合成在摆转方向上的螺旋线喷浆方式。

在一些实施例中，喷浆时并不包含前述的喷头划圈运动，喷头跟随机械臂做简单的摆转运动。有鉴于本发明实施例中，每次扫描伴随着底盘1的一次移动，前述的预定幅宽不宜过小，以减轻底盘1的移动次数；尤其是在每次移动后需要打开例如辅助支撑的情况下。因此，前述的预定幅宽不宜小于50cm。

螺旋线前进时，采用一圈压半圈的方式进行。

2）进而，喷浆机器人根据扫描数据进行建模，喷浆作业为机械臂根据所建模型所驱动。此为本领域的一般常识，在此不再赘述。

3）相应地，喷浆机器人根据建模，对受喷表面进行喷浆。

4）臂部摆转一个周期完成当前受喷表面的喷浆，喷浆机器人前进一步，步长与所述预定幅度相等，进行下一幅宽的受喷表面喷浆。

循环以上步骤，完成当前工作面的喷浆作业。

在优选的实施例中，在步骤1）中，进行第一次扫描前，包括确定臂部基础数据的步骤，该步骤为：

在喷浆机器人到达作业初始位置后，控制臂部的末端依次到达对第一预定幅宽喷浆时的起点和终点，记录臂部各关节对应于前述起点和终点的工作参数，以根据所述扫描数据拟合臂部的运动路径，降低整体的计算量。

确定臂部基础数据时，对臂部的控制可以由人工完成，以应对复杂的受喷面。

喷浆作业时，喷头与受喷面的距离为0.8~2m，以获得较佳的回弹率。

对挂有钢筋网的受喷面，相对于未挂钢筋网的受喷面在喷浆时喷头偏斜1~10度，或者说若受喷面挂网，喷头应该相对更加倾斜，以提高喷浆质量。

在优选的实施例中，喷浆时对受喷表面不同位置采用不同风压送料，其中对拱部喷浆相对于对边墙喷浆的风压大。

作为优选，对拱部喷浆比对边墙喷浆的风压大0.1~0.15MPa。