龍騰，李恩，方灶軍，趙偉青，梁自澤

（中國(guó)科學(xué)院自動(dòng)化研究所復(fù)雜系統(tǒng)管理與控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100190）

0 引言

隨著社會(huì)的飛快發(fā)展，許多手工勞動(dòng)逐漸被機(jī)器人所替代。機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，不僅大大解放了勞動(dòng)力，并且使工作效率得到了很大提升。在如今蓬勃發(fā)展的建筑行業(yè)中，墻面抹灰這道工序大部分由手工完成，這道工序占據(jù)了整個(gè)建筑工程總工期的30%～40%，耗費(fèi)資金多且質(zhì)量難以達(dá)到高標(biāo)準(zhǔn)的要求。墻面抹灰機(jī)將有助于節(jié)省將近85%的勞動(dòng)力成本，提高10～15倍的生產(chǎn)力，能在較短的時(shí)間內(nèi)完成作業(yè)任務(wù)，減少寶貴的時(shí)間和項(xiàng)目成本［1－2］。所以，使用機(jī)器人代替手工進(jìn)行高質(zhì)量的墻面抹灰尤為重要。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)抹灰機(jī)進(jìn)行了大量的研究，已經(jīng)制造出成品并在市場(chǎng)上銷售，但是由于功能不完善還達(dá)不到滿意的抹灰效果，故目前還未能大面積推廣［3－4］。文章對(duì)智能抹灰機(jī)的研究現(xiàn)狀和發(fā)展過程進(jìn)行綜述，闡述抹灰機(jī)的種類，綜合分析了抹灰機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)，提出每個(gè)技術(shù)要點(diǎn)所存在的問題，并提出改進(jìn)建議。

1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

目前，國(guó)內(nèi)外的研究中出現(xiàn)了三種樣式的抹灰機(jī)，分別是噴涂抹灰機(jī)、半自動(dòng)抹灰機(jī)和全自動(dòng)抹灰機(jī)。

1.1 噴涂抹灰機(jī)

噴涂抹灰機(jī)是將已經(jīng)配置好的灰漿利用輸送泵輸送到噴頭。噴涂裝置的設(shè)計(jì)一般都會(huì)增設(shè)加壓裝置，使得噴出的灰漿更加有力，更容易吸附在墻面上，以此來保證噴涂抹灰的質(zhì)量。

機(jī)械噴涂抹灰機(jī)在我國(guó)應(yīng)用已經(jīng)有50年的歷史，國(guó)外應(yīng)用的更早。早在1934年，Cormack即發(fā)表專利介紹了噴涂抹灰機(jī)［5］。他的設(shè)計(jì)中利用電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)螺桿泵，將已經(jīng)配置好的灰漿壓入軟管，到達(dá)噴頭后噴出（如圖 1所示）。Mccaughey等和Mccallum也在相同的年代分別設(shè)計(jì)出不同結(jié)構(gòu)的墻面噴涂抹灰機(jī)［6－7］。但在應(yīng)用初期，機(jī)械設(shè)備存在著技術(shù)性能較差，且易發(fā)生故障及壽命較短等缺點(diǎn)，所以一直沒有得到廣泛的應(yīng)用。

圖1 噴涂抹灰機(jī)示意圖［1］

李永江等設(shè)計(jì)了一種噴涂抹灰機(jī)［8］。設(shè)計(jì)的噴涂抹灰機(jī)將噴槍固定于支架上，通過手工搖動(dòng)卷筒，使噴槍在鋼絲繩的牽引下水平或者豎直運(yùn)動(dòng)，相對(duì)于手持式噴頭，減輕了手臂的勞動(dòng)強(qiáng)度。通過噴涂抹灰機(jī)的應(yīng)用，使得抹灰的速度有了顯著地提高，完成質(zhì)量也比手工抹灰更加均勻，且節(jié)省了材料。

隨著技術(shù)的革新，噴涂抹灰機(jī)的種類逐漸增多，但是噴涂抹灰機(jī)在使用過程中，只能完成灰漿的噴涂，刮平這道工序還是需要手工來完成。噴涂抹灰機(jī)對(duì)噴射灰漿的質(zhì)量要求高，也是其未能推廣應(yīng)用的原因。用于噴涂抹灰機(jī)使用的灰漿，其含沙量嚴(yán)格限制在一定的范圍內(nèi)，但是國(guó)內(nèi)灰漿的配比難以嚴(yán)格保證，所以有的灰漿無法滿足噴涂要求。國(guó)外的灰漿都是統(tǒng)一配比，而且嚴(yán)格執(zhí)行，保證了質(zhì)量。

1.2 半自動(dòng)抹灰機(jī)

半自動(dòng)抹灰機(jī)是在手工抹灰和噴涂抹灰機(jī)的基礎(chǔ)上進(jìn)行發(fā)展而來?；覞{通過軟管或管道輸送到抹灰頭，通過人工來移動(dòng)抹灰頭位置，抹灰頭到達(dá)之處，即可將灰漿抹好，達(dá)到快速抹灰的目的。

陸龍福等設(shè)計(jì)了一種半自動(dòng)抹灰機(jī)［9］。抹灰頭采用扇葉狀螺旋片結(jié)構(gòu)（如圖2所示），利用扇葉狀螺旋片的斜面具有雙向作用力的原理完成作業(yè)［10－11］。在抹灰的同時(shí)，可完成對(duì)墻體的噴漿、壓實(shí)、抹光等粉刷作業(yè)。薛奎設(shè)計(jì)出不同形狀的抹灰頭，可以對(duì)陰、陽角等部位進(jìn)行抹灰［12］。但是由于半自動(dòng)抹灰機(jī)的抹灰頭面積較小，效率難以得到大幅提高。

圖2 半自動(dòng)抹灰機(jī)的示意圖［5］

1.3 全自動(dòng)抹灰機(jī)

目前有很多全自動(dòng)抹灰機(jī)的設(shè)計(jì)方案。早在20世紀(jì)90年代，國(guó)內(nèi)就出現(xiàn)一批關(guān)于墻面抹灰機(jī)的專利，近年來，抹灰機(jī)的設(shè)計(jì)也沒有中斷過。墻面抹灰機(jī)的設(shè)計(jì)方案一般包括傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、抹灰機(jī)構(gòu)、移動(dòng)機(jī)構(gòu)等，有的設(shè)計(jì)中還包括灰漿的傳送機(jī)構(gòu)，比如利用傳送帶、加壓泵等機(jī)構(gòu)進(jìn)行灰漿的傳送，免去了人工不斷添加灰漿的工序。傳動(dòng)機(jī)構(gòu)負(fù)責(zé)將抹灰機(jī)構(gòu)提升，使抹灰裝置勻速運(yùn)動(dòng)上升或者下降；抹灰機(jī)構(gòu)主要是對(duì)抹灰的壓力和抹灰平整度進(jìn)行調(diào)整，保證抹灰的質(zhì)量；在一次抹灰完成后，通過移動(dòng)機(jī)構(gòu)將抹灰機(jī)移動(dòng)到另外一個(gè)作業(yè)點(diǎn)，便捷省力，大多數(shù)設(shè)計(jì)中移動(dòng)機(jī)構(gòu)用到的是萬向輪。

孫世哲設(shè)計(jì)了一種自動(dòng)抹灰機(jī)，這種全自動(dòng)抹灰機(jī)增設(shè)了翻轉(zhuǎn)抹灰刀（如圖3所示），翻轉(zhuǎn)抹灰刀設(shè)有大小兩個(gè)工作面和臥式、立式兩種工作位，臥位時(shí)與其下方的底層抹灰刀構(gòu)成階梯形復(fù)合抹灰機(jī)構(gòu)，這種復(fù)合抹灰機(jī)構(gòu)，加大了對(duì)灰漿對(duì)墻面的壓力，能有效的防止空鼓開裂的現(xiàn)象［13］。其直立位是用來為墻頂抹灰。

圖3 雙工作面抹灰機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖［13］

羅永彬等發(fā)明了一種建筑用抹灰機(jī)［14］。整個(gè)機(jī)構(gòu)由抹灰裝置和移動(dòng)裝置組成，其中抹灰裝置包括灰斗、抹灰板、轉(zhuǎn)動(dòng)頭以及動(dòng)力裝置。移動(dòng)裝置有橫向滑軌和縱向滑軌（如圖4所示）。抹灰裝置可在滑軌上水平、垂直移動(dòng)，帶動(dòng)抹灰裝置完成抹灰作業(yè)。此種抹灰機(jī)采用獨(dú)特的齒條升降機(jī)構(gòu)，使得抹灰機(jī)在作業(yè)過程中更加的穩(wěn)定，抹灰裝置能實(shí)現(xiàn)整個(gè)墻面的無死角粉刷，并且粉刷的墻面平整無裂縫。但是設(shè)計(jì)的支架過于龐大，可能導(dǎo)致作業(yè)過程中無法保持重心穩(wěn)定，而且大支架不便于安裝和運(yùn)輸。

圖4 齒輪齒條提升抹灰機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖［14］

沈孝芹等設(shè)計(jì)了一種墻面抹灰機(jī)，張幫振在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)［15－16］。改進(jìn)的全自動(dòng)墻面抹灰機(jī)由底盤、支架、刷斗及傳動(dòng)裝置組成（如圖5所示），這種機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是通過一個(gè)電動(dòng)機(jī)來實(shí)現(xiàn)抹灰和提升兩種作業(yè)［17－18］。由人工將灰漿裝入存灰斗中，啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)，其帶動(dòng)刷斗沿支架由下往上運(yùn)動(dòng)，完成粉刷作業(yè)，當(dāng)?shù)竭_(dá)限位高度時(shí)，電機(jī)停止后反轉(zhuǎn)，依靠刷斗自身的重力下落到最低處，即完成一次作業(yè)。

全自動(dòng)抹灰機(jī)是市場(chǎng)上比較完善的一種抹灰機(jī)，它能自動(dòng)的完成粉刷、抹平等一系列工序，不需要人工參與，有的設(shè)計(jì)能自動(dòng)的傳送灰漿。對(duì)于大面積的抹灰作業(yè)，抹灰質(zhì)量基本上能保證。但是全自動(dòng)抹灰機(jī)還存在一些問題未能解決。首先，在抹灰機(jī)構(gòu)上升過程中，無法保證整個(gè)作業(yè)部分的粉刷厚度一致，很容易造成下厚上薄的問題；其次，安裝測(cè)量繁瑣，使得作業(yè)人員不易接受，在完成一次作業(yè)后，需要移動(dòng)抹灰機(jī)并進(jìn)行支架的垂直度的測(cè)量和抹灰機(jī)與墻面距離等參數(shù)的測(cè)量；而且抹灰機(jī)目前只針對(duì)整面需要抹灰的墻面，遇到有門窗等不需要抹灰的地方仍然需要進(jìn)行人工抹灰。

圖5 全自動(dòng)墻面抹灰機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖［16］

2 墻面抹灰機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)研究進(jìn)展

目前對(duì)于智能抹灰機(jī)的研究很多，文章從傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、支架垂直度、抹灰機(jī)與作業(yè)墻面之間的距離、抹灰機(jī)的粉刷位置以及抹灰板與墻面的偏轉(zhuǎn)角等方面，介紹了墻面抹灰機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)研究進(jìn)展，并對(duì)一些關(guān)鍵技術(shù)所存在的問題提出解決方法。

2.1 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)

傳動(dòng)機(jī)構(gòu)是抹灰機(jī)保證質(zhì)量的關(guān)鍵機(jī)構(gòu)，它與刷斗上升的穩(wěn)定性和抹灰的均勻性等因素有密切關(guān)系。劉維忠等利用卷揚(yáng)機(jī)進(jìn)行傳動(dòng)，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單平穩(wěn)，但是在刷斗的往復(fù)運(yùn)動(dòng)中鋼絲繩容易磨損，需要及時(shí)做好維護(hù)保養(yǎng)工作［17，19－20］。而且在設(shè)計(jì)卷揚(yáng)機(jī)時(shí)，需要對(duì)鋼絲繩的張力、滾筒強(qiáng)度、卷筒與繩輪的允許偏轉(zhuǎn)角進(jìn)行精確的計(jì)算，留出充足的余量［21－23］。張宏濤的設(shè)計(jì)中采用傳統(tǒng)的蝸桿裝置進(jìn)行升降，由于刷斗質(zhì)量大，上升過程中易對(duì)蝸桿裝置發(fā)生形變，且需要根據(jù)蝸桿裝置的規(guī)格，限定刷斗的最大質(zhì)量［24－25］。陳萬強(qiáng)等的設(shè)計(jì)中利用液壓傳動(dòng)方式，液壓傳動(dòng)相對(duì)于其他傳動(dòng)方式來說功率質(zhì)量比較大，更能提高效率，但是在設(shè)計(jì)中需要考慮到液壓裝置在運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)問題［10］。由于上述傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的平穩(wěn)性和精度都不高，可以考慮為采用齒輪傳動(dòng)方式進(jìn)行傳動(dòng)提升，這樣的設(shè)計(jì)可大大提升控制精度［26－27］。由于采用齒輪傳動(dòng)方式，需要在左右兩根撐桿上加裝齒條，上升過程由電機(jī)帶動(dòng)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，使抹灰機(jī)順著固定的齒條上升并進(jìn)行抹灰。采用齒輪傳動(dòng)，最重要的是必須保證齒輪齒條的清潔度，一旦有水泥沙石卡在齒條中，齒輪很有可能脫軌，造成抹灰機(jī)從撐桿上墜落，發(fā)生安全事故。為了防止事故的發(fā)生，可將撐桿改為槽鋼或者C型鋼材，將齒條固定于內(nèi)部，做成半封閉模式。另外，還可以在齒輪的周圍加上刷子，將齒輪即將到達(dá)的位置提前刷干凈，保證抹灰機(jī)能順利上升。

2.2 支架的垂直度

利用抹灰機(jī)進(jìn)行墻面粉刷時(shí)，支架的垂直度是決定粉刷厚度均勻性的關(guān)鍵因素。目前全自動(dòng)抹灰機(jī)的支架垂直度需要靠人工利用吊垂線的方法來測(cè)量，安裝抹灰機(jī)時(shí)就不能完全保證絕對(duì)的垂直，而且在刷斗的上升過程中，由于重力的作用，可能導(dǎo)致支架垂直度發(fā)生改變，影響施工質(zhì)量?？梢钥紤]在原有抹灰機(jī)上增加支架垂直度的檢測(cè)裝置，監(jiān)測(cè)支架的垂直度，及時(shí)在抹灰過程中進(jìn)行補(bǔ)償。目前的研究中對(duì)支架垂直度檢測(cè)用到的傳感器一般有傾角儀、陀螺儀、加速度傳感器，或者利用紅外線進(jìn)行檢測(cè)等，也可通過間接的方式來獲得支架與墻面的夾角［28］。這些垂直度檢測(cè)方式都可以直接應(yīng)用，考慮到檢測(cè)的精度以及傳感器的成本，故利用間接的方式來獲得支架的垂直度。具體實(shí)現(xiàn)是用測(cè)距傳感器，在抹灰機(jī)上升過程中選取在同一豎直線上的兩個(gè)點(diǎn)，測(cè)量抹灰機(jī)與粉刷墻面之間的距離，利用三角形計(jì)算出撐桿與豎直方向的角度，即可得到支架的垂直度。根據(jù)測(cè)量到的偏差，由控制器計(jì)算絲桿伸縮量大小，并在抹灰機(jī)上升抹灰過程中，調(diào)節(jié)絲桿伸縮，進(jìn)而進(jìn)行支架垂直度的補(bǔ)償。

2.3 抹灰機(jī)與作業(yè)墻面的距離

抹灰機(jī)與作業(yè)墻面的距離是保證粉刷厚度的決定性因素，調(diào)整這個(gè)距離就可以調(diào)整灰漿粉刷的厚度。這個(gè)距離由兩個(gè)方面的因素來決定：一是抹灰機(jī)的基座與墻角之間的距離；二是刷斗與墻面的距離。目前在抹灰機(jī)的使用中，這些距離主要靠人工測(cè)量，有的更是單純依賴目測(cè)。要解決這個(gè)問題，就需要通過傳感器檢測(cè)抹灰機(jī)與墻面之間的距離。目前可以應(yīng)用在抹灰機(jī)上的有光電測(cè)距和超聲波測(cè)距，通過測(cè)量反饋控制等方式，保證抹灰機(jī)與作業(yè)墻面的距離保持恒定［29］。改進(jìn)的設(shè)計(jì)中可以在基座加裝初定位裝置，保證基座與墻角的距離，再利用測(cè)距傳感器精確測(cè)量灰斗與墻面的距離，根據(jù)測(cè)量偏差進(jìn)行微調(diào)。考慮到抹灰機(jī)工作環(huán)境充滿灰塵以及振動(dòng)，選用的傳感器必須有良好的抗干擾性能。Amann在2001年提出了激光測(cè)距的方法，用到的激光測(cè)距傳感器抗干擾性能良好，可應(yīng)用于墻面抹灰機(jī)的距離測(cè)量［30］。

2.4 抹灰機(jī)粉刷位置

目前抹灰機(jī)對(duì)大面積的粉刷墻面能應(yīng)對(duì)自如，但是對(duì)于墻角以及出現(xiàn)有門窗的位置是無法使用抹灰機(jī)進(jìn)行抹灰。在作業(yè)過程中，這些位置還是需要人工抹灰，甚至于還要搭腳手架，這極大的限制了抹灰機(jī)效率的提高。另外，對(duì)于墻頂?shù)哪ɑ?，一般抹灰機(jī)也無法完成，主要原因在于灰漿的輸送以及抹灰板對(duì)天花板的壓力無法解決。目前可以結(jié)合噴涂抹灰機(jī)和全自動(dòng)抹灰機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，在現(xiàn)有全自動(dòng)抹灰機(jī)的基礎(chǔ)上加上噴涂抹灰頭，在抹灰板不能達(dá)到的位置直接進(jìn)行噴涂抹灰。再進(jìn)一步的改進(jìn)可以為抹灰頭增加伸縮關(guān)節(jié)，使抹灰頭自主移動(dòng)，最終實(shí)現(xiàn)抹灰頭在待刷墻面自動(dòng)規(guī)劃路徑，智能的完成待刷墻面的抹灰工作［31］。

2.5 抹灰板與墻面偏轉(zhuǎn)角

刷斗與墻面之間的夾角對(duì)抹灰機(jī)工作有兩個(gè)方面的影響：（1）影響刷斗對(duì)墻面的壓力 當(dāng)刷斗對(duì)墻面壓力過大時(shí)，可能將灰漿擠出刷斗外，造成效率低下；當(dāng)壓力過小時(shí)抹上去的灰漿容易掉下來，質(zhì)量達(dá)不到要求；（2）影響刷斗左側(cè)和右側(cè)抹灰厚度的均勻性 目前的全自動(dòng)抹灰機(jī)刷斗與墻面的水平夾角都是固定的，既不能控制對(duì)墻面的壓力，左右兩側(cè)的抹灰厚度也難以保證一致。在原有全自動(dòng)抹灰機(jī)上，可以適當(dāng)?shù)脑黾訖z測(cè)刷斗與墻面偏轉(zhuǎn)角的傳感器來檢測(cè)偏轉(zhuǎn)角，并實(shí)時(shí)進(jìn)行補(bǔ)償來減緩由偏角產(chǎn)生的誤差［32－33］。刷斗與墻面的偏轉(zhuǎn)角的檢測(cè)可以通過間接的方式進(jìn)行。利用測(cè)距傳感器測(cè)量墻面上在同一水平線上兩個(gè)點(diǎn)與刷斗之間的距離，通過計(jì)算可得到刷斗的水平偏轉(zhuǎn)角?？刂破鞯玫狡菂?shù)后，計(jì)算左右驅(qū)動(dòng)電機(jī)的推進(jìn)量，推動(dòng)絲桿，使得抹灰板與待粉刷墻面平行，即達(dá)到整補(bǔ)償?shù)哪康摹?/p>

3 展望

建筑行業(yè)的持續(xù)火熱，更快的工程進(jìn)度和更高效益的投資是這個(gè)行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)的必備武器。目前市場(chǎng)上的抹灰機(jī)還有很大的改進(jìn)空間，可以更快、更好的完成墻面的粉刷工程，使得效益最大化。在智能抹灰機(jī)的改進(jìn)過程中，會(huì)出現(xiàn)許多潛在的問題有待解決。智能抹灰機(jī)要進(jìn)行廣泛推廣，有兩個(gè)值得關(guān)注的趨勢(shì)：

（1）更簡(jiǎn)潔、方便 在技術(shù)方面做到簡(jiǎn)單易操作，這包括組裝拆卸要簡(jiǎn)單、使用過程要方便、粉刷一步到位等。這樣才有機(jī)會(huì)突破使用者的使用手工抹灰的習(xí)慣，快速被基層的建設(shè)者們所接受。

（2）更智能、完善 隨著社會(huì)的不斷發(fā)展，人們對(duì)于墻面粉刷的質(zhì)量也會(huì)變得越來越高。只有更加智能化，更加完善的抹灰機(jī)才能滿足人們對(duì)抹灰機(jī)械的要求實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)粉刷墻面的厚度、平整度、垂直度并及時(shí)自動(dòng)的做出調(diào)整，智能識(shí)別不需要粉刷的區(qū)域如窗戶、門、插座口、水管口等，通過開機(jī)前設(shè)置可粉刷出具有個(gè)性化的墻面等。

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