第一章 绪论

1.1 研究背景与意义

在制造业智能化升级与环保政策趋严的双重驱动下，自动喷涂技术已成为提升生产效率、保障喷涂质量、降低环境影响的核心支撑，场地地面喷涂作为喷涂领域的重要分支，广泛应用于建筑场馆、工业厂房、仓储物流中心等场景，其技术水平直接影响场地使用寿命与美观度。传统场地地面喷涂主要依赖人工操作，存在效率低下、涂层均匀性差、人工成本高、作业人员易受挥发性有机物（VOCs）危害等突出问题，已难以满足现代场地建设规模化、精细化、绿色化的发展需求。

近年来，全球及中国自动喷涂机器人市场呈现高速增长态势，为场地地面喷涂机器人的研发与应用提供了良好的产业环境。据行业调研数据显示，全球自动喷涂机器人市场规模持续扩张，2025年全球销售额已达44.89亿美元，预计到2032年将攀升至89.95亿美元，2026-2032年期间年复合增长率（CAGR）稳定在10.6%，远超全球制造业平均增长水平。中国作为全球最大的工程机械市场和自动喷涂机器人核心增长极，市场发展势头尤为突出，2025年市场规模达16.16亿美元，约占全球市场的36%，预计到2032年将增至37.78亿美元，全球占比将提升至42%。

场地地面喷涂作为自动喷涂的重要应用场景，其机器人渗透率仍处于较低水平，传统人工喷涂与自动化喷涂的效率、质量差异显著，具体数据对比见表1-1。

表1-1 传统人工喷涂与自动化喷涂的效率对比

由表1-1可知，自动化喷涂机器人在施工效率、涂层质量、成本控制及环保性能上均远超传统人工喷涂，能够有效解决人工喷涂的痛点问题。因此，开展场地地面喷涂机器人设计研究，不仅能够填补场地地面自动化喷涂领域的技术空白，推动喷涂机器人在地面作业场景的拓展应用，还能助力制造业智能化升级与环保目标实现，具有重要的理论意义与工程应用价值。

1.2 国内外研究现状

目前，国内外学者与企业已围绕喷涂机器人开展了大量研究，聚焦于移动底盘、执行机构、轨迹规划等核心技术，形成了一批具有代表性的研究成果，但针对场地地面喷涂场景的专用机器人研究仍处于不断完善阶段，国内外研究侧重点存在一定差异。

国外在喷涂机器人领域起步较早，技术成熟度较高，尤其在移动稳定性与智能化控制方面优势突出。美国佐治亚大学Marcelo Rodrigues Barbosa júnior团队于2025年研发了一种地面机器人平台，用于支持喷涂无人机作业，该平台集成了水箱、化学药剂储备罐、混合器及无人机充电设备，可通过移动APP实现喷涂参数的精准控制，为地面喷涂与无人机协同作业提供了新方案，其核心优势在于多设备协同与自动化控制的一体化设计，适配大型场地的高效喷涂需求。此外，欧洲企业在建筑喷涂机器人领域也取得显著进展，意大利某知名建筑企业引入中国大方智能DF033建筑喷涂机器人，该机器人通过CE认证，集成高精度感知与智能路径规划技术，可实现复杂场地的均匀喷涂，24小时不间断作业，极大提升了施工效率与安全性，体现了国外对地面喷涂机器人实用性与合规性的高度重视。

国内近年来在喷涂机器人领域发展迅猛，本土企业与科研机构加速技术突破，逐步打破国际垄断，在地面喷涂机器人的场景适配性上形成了自身特色。合肥工业大学与西安电子科技大学团队于2025年提出一种移动缆索驱动喷涂机器人，采用两个麦克纳姆轮移动底盘与八根缆索结合的结构，定义了移动稳定性指数（MSI），有效解决了垂直面喷涂的稳定性问题，其核心技术可迁移应用于场地地面喷涂机器人的移动底盘设计，为地面作业的稳定性提供了理论支撑。南京埃斯顿等本土企业在2025年实现市场突破，其研发的喷涂机器人在中低端市场占据主导地位，针对场地地面喷涂场景，优化了移动底盘的适应性，可应对不同平整度的地面作业，涂料利用率提升至90%以上。此外，领鹊科技研发的第三代全特征面连续喷涂机器人，日均施工面积突破3000平方米，较传统人工提升5倍以上，其高效喷涂技术为场地地面大规模喷涂提供了成熟的工程方案。

综合来看，国外喷涂机器人技术聚焦于多设备协同与智能化升级，国内则侧重场景适配性与成本控制，但现有研究仍存在不足：多数喷涂机器人主要针对垂直面或零部件喷涂设计，难以完全适配场地地面的大面积、多平整度作业需求；部分机器人移动稳定性不足，在复杂地面环境下易出现打滑、倾覆问题；同时，针对地面喷涂的专用轨迹规划算法与工艺参数优化研究仍需完善。因此，本文基于现有研究基础，结合场地地面喷涂的实际需求，开展专用机器人设计研究，弥补现有技术的不足。

1.3 研究内容与技术路线

本文围绕场地地面喷涂机器人的设计与验证展开研究，结合场地地面喷涂的实际需求，重点解决机器人移动稳定性、喷涂均匀性及结构合理性等核心问题，具体研究内容如下：第一，明确场地地面喷涂机器人的设计需求与技术指标，结合国内外研究成果，完成机器人整体构型、驱动系统与喷涂系统的方案选型，确定总体结构布局；第二，针对移动底盘、喷涂执行机构、升降调节机构等关键部件，开展结构设计，并通过力学校验、强度校核与稳定性分析，确保部件满足作业要求；第三，利用三维建模软件，完成机器人整机及关键零部件的三维模型构建、细化设计与虚拟装配，进行干涉检查，优化结构布局；第四，基于无样机的设计场景，通过有限元仿真、运动学仿真及喷涂工艺参数模拟，对设计方案进行全面验证，评价方案可行性；第五，总结研究成果，分析设计创新点与不足，提出未来优化与研究方向。

本文的技术路线如下：首先，通过文献调研与市场分析，明确研究背景、意义及国内外研究现状，确定研究内容与技术难点；其次，开展总体方案设计，完成构型选型与布局设计；再次，进行关键部件结构设计与校验，构建三维模型并完成虚拟装配；然后，通过仿真分析对设计方案进行验证，优化设计参数；最后，总结研究成果，提出未来研究展望，形成完整的设计研究流程，确保研究工作有序推进，最终实现场地地面喷涂机器人的合理设计。

第二章 总体方案设计

2.1 设计需求与技术指标

场地地面喷涂机器人的总体方案设计，需以实际作业场景需求为核心，结合行业标准与技术发展趋势，明确设计需求与量化技术指标，为后续结构设计、部件选型及方案验证提供依据。结合建筑场馆、工业厂房等场地地面喷涂的实际场景，综合分析作业环境、施工要求及用户需求，确定本机器人的核心设计需求的核心为：适配大面积场地地面喷涂作业，具备良好的移动灵活性与地面适应性，可应对不同平整度、不同材质的地面；喷涂过程自动化程度高，能够实现均匀喷涂，减少涂料浪费；结构设计紧凑、轻量化，便于运输与调试；具备安全可靠的运行性能，降低作业过程中的故障发生率；兼顾环保要求，减少VOCs排放，符合国家环保标准。

基于上述设计需求，结合国内外同类产品技术水平及相关行业标准，制定本场地地面喷涂机器人的具体技术指标，涵盖移动性能、喷涂性能、结构性能、控制性能及环保性能五大类，确保机器人能够满足实际作业需求，具体技术指标如下：移动速度可实现0.5-2m/s无级调节，转向半径不大于0.8m，能够实现原地转向，适配狭窄场地作业；爬坡能力不低于15°，可平稳通过高度不超过50mm的障碍物，适应不同平整度地面；喷涂宽度可调节范围为0.8-1.5m，涂层厚度误差不超过±0.03mm，与第一章自动化喷涂标准保持一致；涂料利用率不低于90%，日均施工面积不低于2500㎡；机器人整机重量不超过300kg，外形尺寸控制在2000mm×1200mm×1000mm以内，便于运输与现场调试；采用PLC控制系统，响应时间不超过0.5s，可实现自动路径规划与手动操作双重模式；VOCs排放量不超过30mg/m³，符合《挥发性有机物无组织排放控制标准》（GB 37822-2019）要求；连续运行时间不低于8小时，故障率不高于2%，确保作业连续性。

2.2 机器人整体构型方案确定

机器人整体构型的合理性直接影响其移动性能、喷涂效果及作业灵活性，结合场地地面喷涂的作业特点，对比分析三种主流机器人构型方案的优缺点，结合设计需求与技术指标，确定最优整体构型方案。目前，地面喷涂机器人主流构型主要分为轮式构型、履带式构型及多足式构型，三种构型的性能对比及适用性分析如下：轮式构型具有移动速度快、能耗低、结构简单、维护方便等优势，但其地面适应性较差，在凹凸不平的地面易出现打滑现象，适用于平整度较高的场地；履带式构型接地面积大、抓地力强，地面适应性好，可应对复杂地面环境，但存在移动速度慢、能耗高、结构复杂、成本较高等缺点，适用于恶劣地面环境；多足式构型灵活性强，可跨越较大障碍物，但结构极其复杂、控制难度高、成本昂贵，且移动效率低，不适用于大面积场地地面喷涂作业。

结合本机器人“大面积、高效率、适配一般场地地面”的核心需求，综合权衡三种构型的优缺点，确定采用轮式构型作为本场地地面喷涂机器人的整体构型。为提升轮式构型的地面适应性，优化设计为四轮麦克纳姆轮构型，麦克纳姆轮具备全方位移动能力，可实现前进、后退、侧移、原地转向等多种运动模式，无需调整车身姿态即可完成方向切换，极大提升了机器人在狭窄场地、复杂布局场地的作业灵活性，同时其轮面采用橡胶材质，增加与地面的摩擦力，减少打滑现象，适配不同平整度的地面。此外，机器人整体采用模块化设计，将移动底盘、喷涂执行机构、控制系统、动力系统等分为独立模块，便于后期维护、调试及部件更换，同时可根据不同喷涂需求，灵活更换喷涂执行模块，提升机器人的通用性。

2.3 驱动与喷涂系统方案选型

驱动系统与喷涂系统是场地地面喷涂机器人的核心组成部分，驱动系统为机器人移动提供动力，喷涂系统直接决定喷涂质量与效率，需结合设计需求与技术指标，完成两大系统的方案选型与参数确定。

驱动系统方案选型：结合机器人整体构型与移动性能指标，对比分析直流电机驱动、交流电机驱动及液压驱动三种方案。液压驱动具有动力大、负载能力强的优势，但存在结构复杂、能耗高、维护成本高、响应速度慢等缺点，不适用于轻量化、高效率的地面喷涂机器人；交流电机驱动运行稳定、寿命长，但调速性能较差，难以实现无级调速，且启动转矩小，无法满足机器人爬坡、启停的动力需求；直流电机驱动具有调速性能好、启动转矩大、响应速度快、结构简单、成本较低等优势，可实现0.5-2m/s的无级调速，能够满足机器人移动性能要求，且能耗较低，符合轻量化设计需求。因此，驱动系统采用直流电机驱动方案，每个麦克纳姆轮配备独立的直流减速电机，实现四轮独立驱动，提升机器人移动的灵活性与稳定性，电机功率选用1.5kW，转速范围为0-1500r/min，通过减速器将转速降至合适范围，确保机器人移动速度与动力输出匹配。

喷涂系统方案选型：喷涂系统主要由涂料供给装置、喷枪、雾化装置及调节机构组成，结合喷涂性能指标，对比分析空气喷涂、无气喷涂及静电喷涂三种方案。空气喷涂设备简单、成本低，但涂料利用率低、涂层均匀度差，不符合环保与高效需求；静电喷涂涂层附着力强、均匀度好，涂料利用率高，但设备复杂、成本高，且不适用于导电性较差的地面材质；无气喷涂采用高压泵将涂料加压，通过喷枪雾化喷出，具有涂料利用率高、涂层均匀、施工效率高、无空气污染等优势，适配大面积场地地面喷涂，且可适配不同类型的涂料，符合本机器人的设计需求。因此，喷涂系统采用高压无气喷涂方案，涂料供给装置选用柱塞式高压泵，工作压力调节范围为10-25MPa，可根据涂料类型与涂层厚度灵活调节；喷枪选用扇形喷枪，喷涂宽度可调节，雾化效果好，确保涂层均匀；配备涂料过滤装置，防止杂质堵塞喷枪，提升喷涂质量；设置涂料回收装置，回收多余涂料，进一步提高涂料利用率，减少浪费。

2.4 总体结构布局设计

基于机器人整体构型、驱动与喷涂系统方案，结合技术指标要求，进行总体结构布局设计，核心原则是：布局紧凑、重心合理、操作便捷、维护方便，确保机器人运行稳定，同时满足运输与作业需求。本场地地面喷涂机器人的总体结构主要分为四大模块：移动底盘模块、喷涂执行模块、控制系统模块及动力系统模块，各模块布局合理，相互配合，实现机器人的自动化喷涂作业。

移动底盘模块作为机器人的承载基础，布局在整机底部，采用矩形框架结构，选用高强度铝合金材质，既保证结构强度，又实现轻量化设计。四个麦克纳姆轮均匀分布在底盘四角，每个车轮配备独立的直流减速电机与制动器，制动器可实现机器人紧急制动，防止作业过程中滑动。底盘中部预留安装空间，用于布置动力系统与涂料供给装置，底盘底部安装减震装置，减少机器人移动过程中的振动，避免影响喷涂均匀度。

喷涂执行模块安装在移动底盘的上方前端，主要包括喷枪、升降调节机构与横向调节机构。升降调节机构采用电动推杆驱动，可实现喷枪高度0.3-0.8m的调节，适配不同厚度的涂层需求；横向调节机构采用滚珠丝杠驱动，可实现喷枪横向移动，调节喷涂宽度，确保大面积喷涂的连续性。喷枪安装在调节机构的末端，可实现多角度调节，确保喷涂无死角。喷涂执行模块一侧设置涂料回收槽，回收喷涂过程中多余的涂料，实现资源回收利用。

控制系统模块安装在移动底盘上方后端，采用封闭式箱体结构，防止灰尘、涂料污染，确保控制系统稳定运行。箱体内布置PLC控制器、触摸屏、无线通信模块及传感器模块，触摸屏用于手动操作与参数设置，无线通信模块可实现远程控制，传感器模块用于采集机器人移动速度、喷涂厚度、地面平整度等参数，反馈给PLC控制器，实现自动化调节。

动力系统模块布置在移动底盘中部，与涂料供给装置并排安装，主要包括蓄电池组与电源管理系统。蓄电池组选用锂电池，容量为200Ah，可满足机器人8小时连续运行需求，电源管理系统用于控制电源输出，保护蓄电池，延长使用寿命，同时为各模块提供稳定的电力供应。此外，在整机侧面设置检修门，便于对各模块进行维护与调试；顶部设置扶手，便于搬运与移动机器人，整体布局紧凑，重心居中，确保机器人移动过程中的稳定性，同时满足外形尺寸与重量要求。

图2-1 总体设计图

第三章 关键部件的结构设计与校验

3.1 带菱形座轴承的结构设计与力学校验

带菱形座轴承是涂装机器人升降模块的核心支撑部件，主要作用为支撑升降丝杆、承受径向载荷与轴向载荷、保证丝杆旋转精度，限制丝杆径向跳动与轴向窜动，是保障升降运动平稳性与涂装精度的关键部件。