新能源混凝土处理机器人及在线实时监控平台的研发

1 新能源动力系统改进

1.1 抹光机工作原理与技术演进

抹光机是一种专用于混凝土地面施工的高效机械设备，通过旋转抹刀对水泥地面进行抹平、磨光、收光和打磨的工业设备，广泛应用于地坪施工领域。

抹光机标准施工工艺流程：（1）将楼地面基层彻底清扫并清洗干净，确保无积水后，以素水泥浆均匀涂抹约2 mm厚度，作为结合层；（2）使用手推车将集中搅拌好的细石混凝土运至施工区域，倒于已处理基层表面，经小方铲摊铺并用2 m刮糙条找平，铺摊厚度控制在15~20 mm；（3）表面刮平后立即撒布约2 mm厚的干砂灰，待其吸水至湿润状态，即可进行第一次机械抹光；（4）第一遍抹光应按纵横两个方向反复压实和提光，若局部出现无浆或干裂现象，应及时补撒干砂灰并适量喷水后继续抹压，同时边角区域需辅以人工精修；（5）第二遍抹光自室内向门口方向进行，边退边收光，边角位置继续由人工辅助完成；（6）抹光完成后，待地面初凝，及时洒水养护。

当前主流抹光机按操作方式可分为手扶式、座驾式及遥控机器人三类，动力系统正由传统燃油驱动向锂电驱动逐步转型。抹光机设备技术的演进主要集中在材料升级、智能控制和绿色施工三个方向，抹光机设备也由单一功能工具向集成机械工程、材料科学与智能控制于一体的复合型系统转变，并日益成为推动建筑工业化进程的关键装备之一。

1.2 低压无刷直流调速驱动系统设计

1.2.1 汽油驱动系统技术瓶颈分析

当前主流机型大多采用汽油机驱动，虽然在动力输出和户外适用性上有显著优势（尤其适合无电源环境和大面积施工），但其存在以下几项缺点，需结合具体施工场景谨慎使用。

（1）高噪声污染：汽油机运行时因高速齿轮啮合和空气扰动产生强烈噪声。实测显示，其运行噪声普遍超过85 dB，长期作业易造成听力损伤并违反环保法规。相关研究指出，汽油机噪声呈宽频带特性，传统消声装置难以有效抑制。

（2）燃油经济性差与运行成本高：汽油机的燃油消耗率高，以每日工作8 h计算，燃油成本约为电动机的3~5倍。若误加柴油或劣质油品，还会导致化油器堵塞、发动机停机。

（3）负载敏感性强，易突发熄火：当抹光机刀片突遇混凝土阻力增大时，汽油机因转速骤降可能熄火。主要诱因包括油路不畅、缸压不足、点火故障等。

（4）维护复杂且故障率高：汽油机燃油系统、润滑系统、冷却系统皆需定期保养，否则故障率攀升。

（5）环保合规性受限：汽油机尾气含CO、HC等污染物，不符合排放标准。我国28省份已出台政策限制高排放燃油机械在城区使用，室内施工时，尾气积聚还可能引发中毒风险。

（6）重量大且操作灵活性低：汽油机因引擎结构，整机重量多在6~98 kg（手扶式）至296 kg（座驾式）。在边角区域转向笨拙，狭窄空间通过性差。

综上所述，汽油机驱动的抹光机存在高噪声污染、燃油经济性差、运行成本高、负载适应性差、易熄火、维护复杂、故障率高、环保合规性弱以及操作灵活性差等一系列问题，难以满足当前绿色、高效、智能化施工的发展需求，亟需更环保、经济、稳定的新型驱动方式予以替代。

1.2.2 无刷电机驱动器技术优势与应用分析

针对汽油机的缺点，为配合现代化工业自动控制领域，团队自主研发了DBLS–02–H–F无刷电机驱动器（图1），主要采用高性能专用无刷直流电机驱动芯片，组成具有集成度高、体积小、保护完善、接线简洁明了、可靠性高等一系列优点。该驱动器适合驱动额定功率在3 000 W以下的中小型无刷直流电机。

图1 DBLS–02–H–F无刷电机驱动器

（1）噪声污染降低：驱动器采用“20 kHZ斩波频率”和“新型PWM技术”，实现“振动小，噪声低”。实测噪声≤70 dB，符合国标GB 12523—2011《建筑施工场界环境噪声排放标准》室内施工≤75 dB要求。高频PWM技术消除机械换向噪声，电磁噪声集中于中低频，通过隔声材料即可高效吸收。

（2）能耗成本优化：驱动器支持24~48VDC宽电压输入，电能转换效率远高于汽油机。8 h能耗仅8~10 kWh，较汽油机（12~15 L汽油/d）节省80 %以上。

（3）负载敏感性保护：驱动器支持24~48VDC宽电压输入，过载能力峰值电流100 A/3 s，通过电机控制器实现速度与扭矩精密调节。当混凝土阻力突增时，过流保护功能可自动降载维持转速稳定，杜绝汽油机负载突变熄火的问题。

（4）维保复杂度降低：驱动器基于直流无刷电机设计，维护仅需年度轴承注脂，无燃油、润滑、冷却系统保养需求，规避化油器堵塞风险。

（5）环保性合规：纯直流驱动实现零尾气排放，满足我国城区限排政策。室内施工无尾气中毒风险，符合北京、上海、广州、深圳等城市燃油设备禁用要求。

（6）轻量化与灵活性提升：整机含电池仅重8 kg，较汽油机减轻88 %以上，手柄采用铝合金伸缩杆，支持180°调节，适应狭窄空间操作。电气刹车系统实现脱手即时断电。

综上所述，相较于传统汽油机驱动的抹光机，新研发的DBLS–02–H–F无刷电机驱动器通过技术创新，在噪声控制、能效成本、负载适应性、维护便捷性、环保合规性及操作灵活性等方面展现出显著优势，契合当前绿色、智能、高效施工的核心发展方向。

2 无刷驱动器专用控制盒设计

2.1 现有控制盒技术瓶颈分析

作为无刷电机运行系统的核心组成，专用驱动控制盒在实现精准调速、故障保护、运行控制等方面起着至关重要的作用。然而，目前市面上主流的无刷驱动器控制盒产品在功能集成度、用户友好性、系统兼容性及工业适配性方面仍存在诸多不足。

（1）人机交互割裂，操作效率低：多数基础型控制盒（如ZM–6405系列）未集成转速显示模块，需额外接驳数码管进行监控，既提高系统成本，也增加潜在故障点。同时，标准产品普遍缺失启停与正反转的物理按键，用户只能依赖外部PLC或开关控制，紧急情况下反应滞后，存在操作安全隐患。

（2）兼容性差，二次开发门槛高：当前市售控制盒对脉冲信号的支持极为有限，常见型号仅兼容固定格式（如单脉冲/圈），切换驱动器型号需物理跳线或更换硬件模块，缺乏软件可调的柔性接口。同时，参数校准严重依赖外部示波器等测量设备，用户无法通过内部参数在线闭环调整，调试效率低，专业门槛高。

（3）接口配置单一，扩展性不足：部分控制盒仅提供电位器调速功能，未预留0~5 V模拟量输入接口，无法接入工业自动化系统的标准调速信号。同时，多数产品不具备故障报警输出（ALM端口），运行异常时无法提供实时反馈，延误设备排查和维护响应。

（4）安装部署烦琐，保护机制缺失：目前主流控制盒体积偏大，结构冗余，安装需定制支架，占用空间大且接线受限，尤其在狭窄柜体内部布线困难。此外，电气刹车功能配置普遍简陋，部分产品需外接继电器实现，甚至完全缺失刹车控制逻辑，造成急停时电机过流风险上升。

综上所述，目前主流无刷驱动器控制盒普遍存在“模块分离、功能割裂”的技术思维弊端，难以在工业现场实现高效、智能、低故障率的运行保障。从人机交互的低效到信号适配的僵化，从接口配置的单一到布设安装的复杂，这些问题不仅提高了用户的使用门槛，也增加了设备集成商在系统搭建过程中的隐性成本和风险。

2.2 控制盒技术突破与创新设计

本研究自主研发新一代无刷控制盒DBLS–KZH。该产品以“系统一体化集成设计”为核心理念，围绕操作便利性、参数灵活性、保护完备性及现场适配性，全面重构控制系统的功能布局与接口架构。

（1）优化人机交互：一体式交互终端，集成数码管实时显示转速（通过PG信号输入），缩短故障诊断时间。实体按键直接控制启停（EN端子）、正反转（F/R端子）、调速（电位器），紧急状况下一键响应，杜绝PLC控制链路的延迟风险。

（2）动态参数适配：脉冲信号智能识别通过面板直改P001（极对数）与P002（脉冲倍率），无缝切换三种主流信号模式：P002=0F：适配DBLS–02（单脉冲/圈），P002=5：适配BLS–01S/02S/03S/06S/07S（3脉冲/圈），P002=3+P003=13：适配DBLS–01（6脉冲/圈）解决同类产品需硬跳线或更换硬件的沉没成本。

（3）全链路保护：设置闭环安全系统，ALM报警接口实时反馈ERR信号，异常状态主动警示，比无报警接口方案减少50 %故障排查时间；BK电气刹车端口直接驱动刹车电路，消除开源方案因缺失保护导致的过流烧毁风险；独立GND端子设计，抗干扰能力达到工业EMC三级标准。

（4）极简工程整合：开口尺寸仅50 mm×80 mm，500 mm超长引线解决狭窄机柜布线难题。双模调速兼容：同时支持电位器无级调速与0~5 V模拟量输入（SV端口），打通自动化系统信号壁垒，竞品仅支持单一调速的缺陷被彻底弥补。

综上所述，新研发的DBLS–KZH通过“集成+智能+轻量+开放”设计理念，在功能集成、操作便捷性、系统兼容性与工业适配性等方面实现了多项突破，全面克服了传统控制盒存在的人机交互割裂、信号僵化、接口单一与安装烦琐等技术瓶颈。重构了无刷控制盒的系统架构和用户体验，显著提升了工业现场的控制效率、适配能力与安全保障，具备广阔的应用前景与替代价值。

2.3 监测数据体系与通信机制

在现代工业控制系统中，控制盒已从单一的电机驱动器演化为集成感知、控制与通信于一体的核心节点，尤其在智能制造、远程调度与预测性维护等多场景融合背景下，其数据交互与控制能力直接影响系统的响应效率与运行安全。

基于此需求，自主研发的DBLS–KZH控制盒实现了与上位系统及驱动器的全功能对接，不仅支持本地手动操作，更具备远程自动化控制能力。控制盒通过标准端子接口、双向通信机制与开放API协议，构建了稳定、高效的智能协同控制平台。

在信号采集方面，DBLS–KZH控制盒在传统电机控制基础上集成了多路运行状态检测与实时上传功能。通过PG端子采集脉冲并转换为RPM，实现转速显示与节拍分析；通过ALM端子实时监测故障状态，在过流、过热等异常情况下触发ERR信号并推送预警；F/R端子识别旋转方向，用于运动轨迹分析。这些关键参数经标准化API封装后上传至上位机系统，构建了底层感知层的数据可视化基础，支撑上层的状态评估与智能决策。

在下行指令执行方面，控制盒通过EN、F/R、SV、BK等端子，实现了对电机启停、方向切换、模拟调速与紧急制动等控制操作的闭环响应。控制盒既可本地操作，也可接受上位系统指令，实现感知–响应–调整的完整控制逻辑。与之配套的DBLS–02–H–F驱动器具备双环PID控制、电流限制与RS–485通信功能，所有控制寄存器已在上位系统中实现映射，支持运行模式切换、转速设定、报警读取等指令交互，确保指令传输准确、反馈实时。上位机系统与建筑机器人协议交互如图2所示。

图2 上位机系统与建筑机器人协议交互

DBLS–KZH控制盒通过上下位系统的协同集成，实现了数据采集、远程通信与控制执行的双向闭环。借助OpenAPI与心跳机制，该系统具备良好的实时性与可靠性，成为具备感知、判断与反馈能力的“微型智能节点”，为工业设备的远程协同、自适应调度与智能维护提供了强有力的技术支撑。

3 上位机系统架构与协同控制机制

在现代智能建造装备中，无刷直流电机因其高效率、低噪声、易控制等特性，被广泛集成至建筑机器人系统中。电机本体的稳定运行离不开对其转速、方向、故障等状态的精确感知与灵活调控。为此，本研究中提出的DBLS–KZH控制盒通过集成PG、F/R、ALM、SV等功能接口，构建了完整的下位信号采集体系，成为连接执行层（电机）与指令层（上位系统）的关键中间环节，承担着信号采集、反馈、执行与保护的任务。为了实现设备层与决策层之间的高效协同，本研究进一步提出与之配套的建筑机器人上位机系统设计框架，以数据感知–任务调度–状态回传三位一体的结构，构建建筑机器人作业系统的智能控制中枢。

3.1 系统功能定位与目标

本系统面向以抹光机、破碎机、清扫机为代表的中小型建筑机器人群体，针对其动力电动化改造后的控制需求，设计一套集数据采集、人机交互、远程控制与运行监测于一体的上位机系统。其主要功能目标包括：（1）实现施工机器人运行状态、传感器信息及位置信息的实时采集与展示；（2）支持远程的参数设定、任务调度与控制指令下发；（3）构建多维度数据分析与报表生成机制，辅助决策优化；（4）实现运行故障检测、报警与状态反馈机制；（5）与控制盒（DBLS–KZH）及无刷电机驱动器（DBLS–02–H–F）进行高效、标准化通信；（6）具备与物联网、BIM平台和数字孪生模型联动扩展的系统架构。

3.2 上位机技术架构

上位机技术架构是机器人现场作业的的技术底座，它基于现有微服务的架构基础上融入物联网网关、BIM引擎、DataView、DataService、计算平台等成熟的服务组件，为业务快速构建进行赋能。其中物联网网关是用于对接现场机器人的统一入口网关，为机器人的任务调度、状态监测提供支撑。BIM引擎是为现场监控大屏的BIM模型展示提供统一的轻量化工具。DataView和DataService是用于支撑快速实现大屏的统一展示。计算平台和核心算法则为最后的任务调度、指标分析等提供技术支撑。

3.3 实时监控与状态展示

系统首页展示所有接入机器人设备的运行状态，包括启停状态、作业位置、运行时间、速度、电流等参数，并实时更新施工进度、运行负载与异常报警信息。支持多终端多视角展示，适配移动端与调度中心大屏联动。用户可通过Web界面对每台设备进行参数配置（如调速比、电流限值、刹车强度等），该配置可通过控制盒写入无刷驱动器寄存器，实现对DBLS–02驱动器运行逻辑的远程设定。同时，系统支持将工单任务下发至具体设备，并追踪执行状态直至闭环完成。

系统内置报表中心模块，按日/周/项目维度统计机器人运行时间、故障记录、作业效率等关键指标，自动生成PDF或图形化分析结果。预警模块基于故障码、心跳中断及异常信号触发报警，及时推送至管理终端。

结合控制盒回传数据与驱动器PG、ALM信号，上位机系统以固定周期发起设备状态心跳轮询机制，持续维护设备在线状态表与工作状态映射关系，为远程调度与维护策略优化提供支撑。

基于DBLS–KZH控制盒无刷电机控制系统，通过其对电机转速、方向、报警等状态的高精度实时采集，为上位机系统提供稳定、可靠的数据基础。而上位机系统则以多模块协同的微服务架构为支撑，完成任务调度、状态监测、数据分析与预警反馈等核心功能，构建从数据感知到任务控制的完整闭环控制链条。

4 结论

本研究面向中小型混凝土施工设备在节能减排、智能控制与远程运维方面的技术短板，系统提出并构建了“DBLS–02无刷驱动器–KZH专用控制盒–上位机系统”三位一体的新能源混凝土处理机器人体系，形成从动力源升级到数据平台接入的完整技术闭环。

针对传统中小型混凝土处理设备存在的高能耗、高噪声、环境适应性差及智能化水平低等问题，提出了将传统汽油发动机替换为自主研发的DBLS–02–H–F无刷直流驱动系统，成功降低了设备运行过程中的噪声与能耗，实现了零排放与轻量化目标，显著提升了设备的环保性能、经济性和施工灵活性。

通过自主设计的DBLS–KZH无刷驱动器专用控制盒，解决了现有控制盒在功能集成度、接口兼容性、用户操作体验及系统可扩展性方面的关键技术瓶颈，实现了高精度调速控制、实时故障反馈和工业级电气保护机制，为无刷驱动系统在施工装备中的规模化应用提供了技术支撑。

构建的上位机系统融合实时监测、远程调度、数据分析与报警预警等功能，实现对机器人群体的远程调度、状态监测与任务管理功能，打通“设备–平台–管理”链条，为建筑施工装备的智能建造、可视化运维与数据驱动优化提供了关键技术支撑与标准接口。

整体来看，本研究提出的“驱动器–控制盒–上位机”三位一体系统为施工装备的电动化改造与智能化升级提供了系统性解决方案，具有良好的通用性、拓展性与应用推广前景。后续研究将进一步拓展该系统在边缘计算、BIM协同与AI辅助调度方面的功能，以适应更复杂场景下的施工机器人智能控制需求。