CN104763160B - 一种高空幕墙安装机器人 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高空幕墙安装机器人，包括底座、旋转机架、大臂平行四边形机构、末端姿态调整装置、末端执行器和小臂平行四边形机构，所述底座、旋转机架、大臂平行四边形机构、小臂平行四边形机构、末端姿态调整装置和末端执行器依次连接；其特征在于所述末端姿态调整装置包括电动推杆组件、俯仰用固定支架、六轴电机‑RV减速器组件、四轴电机‑RV减速器组件和摆动用固定支架；所述四轴电机‑RV减速器组件中部通过螺栓固定于摆动用固定支架上，四轴电机‑RV减速器组件下部与俯仰用固定支架的上端相连，六轴电机‑RV减速器组件的左端与俯仰用固定支架的右端固定连接，所述俯仰用固定支架和六轴电机‑RV减速器组件的下端分别与电动推杆组件通过销轴相连。

Description

一种高空幕墙安装机器人

技术领域

本发明属于建筑辅助设备及建筑板材自动化安装技术领域，尤其是涉及一种高空幕墙安装机器人。

背景技术

目前，对高层建筑的幕墙安装主要是由人工完成，并且需要搭建脚手架或借助高空作业平台完成幕墙的安装。该种方式完全依赖人工，而且劳动强度大，施工安全性差，幕墙安装质量难以保证。为提高建筑自动化水平，国内外均致力于建筑机器人的研究并取得了一系列的成就，国内对建筑机器人的研究主要集中于高层建筑清洁，喷涂等，对于板材的自动化安装尚处于起步阶段。例如，板材安装机器人的研究成果主要有：板材干挂工艺安装机器人(申请号CN200910070741.6)，天津筑高机器人技术有限公司的大型板材搬运安装机械手，日本的天花板安装机器人(CFR-1),韩国的玻璃壁板安装机器人。上述研究成果由于其工作臂长及移动平台限制，所针对的作业环境多为室内或低层建筑，但对于高层建筑的作业环境尚未涉及到。另外上述研究成果的机械结构不能解决高空环境中的大风，振动等影响。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题是，提供一种高空幕墙安装机器人。该机器人适用于高空作业环境的室外板材安装，具有工作效率高，幕墙安装质量可靠，安全系数高，劳动强度低，承载能力高等优点，尤其适用于大尺寸、大重量的建筑或装饰板材的机械化自动化安装施工。

本发明解决所述技术问题所采用的技术方案是，设计一种高空幕墙安装机器人，包括底座、旋转机架、大臂平行四边形机构、末端姿态调整装置、末端执行器和小臂平行四边形机构，所述底座、旋转机架、大臂平行四边形机构、小臂平行四边形机构、末端姿态调整装置和末端执行器依次连接；其特征在于所述末端姿态调整装置包括电动推杆组件、俯仰用固定支架、六轴电机-RV减速器组件、四轴电机-RV减速器组件和摆动用固定支架；所述四轴电机-RV减速器组件中部通过螺栓固定于摆动用固定支架上，四轴电机-RV减速器组件下部与俯仰用固定支架的上端相连，六轴电机-RV减速器组件的左端与俯仰用固定支架的右端固定连接，所述俯仰用固定支架和六轴电机-RV减速器组件的下端分别与电动推杆组件通过销轴相连。

与现有技术相比，本发明高空幕墙安装机器人经过结构优化及有限元分析，其设计结构更合理，采用多个电机-RV减速器组件和电动推杆联合作用实现了对末端执行器的摆动、俯仰及转动等动作的控制，同时本发明机器人小臂采用平行四边形并联结构，由电机带动丝杠转动从而实现机器人小臂的俯仰动作，三轴电机-RV减速器-丝杠组件作为机器人小臂的驱动部件通过轴连接的形式安装与机器人底座上；通过采用RV减速器可以减小机器人的体积，采用丝杠机构在保证机器人小臂的工作空间的同时可以将机器人小臂所需的旋转动作变为直线动作，从而可以把较重的驱动电机固定于机器人底座上以降低机器人小臂的重量。本发明中的机器人采用板材焊接而成，从而降低了机器人单件生产的成本及机器人的重量。该机器人实现了建筑板材的自动化安装或由操作人员通过操纵安装于机器人上的六维力传感器完成板材的辅助安装，提高了生产效率，施工过程中仅需一名操作人员辅助机器人安装板材从而降低了工人的劳动强度，提高了施工安全性。因此，本发明具有结构强度大，能重比高，外观大方美观等优点，更能满足建筑行业的需求，非常适用于高层建筑的作业环境。

附图说明

图1为本发明高空幕墙安装机器人一种实施例的整体装配结构示意图；

图2为本发明高空幕墙安装机器人一种实施例的大臂平行四边形机构3的结构示意图；

图3为本发明高空幕墙安装机器人一种实施例的末端姿态调整装置4的结构示意图；

图4为本发明高空幕墙安装机器人一种实施例的小臂平行四边形机构6的结构示意图；

图5为本发明高空幕墙安装机器人一种实施例的三轴电机-RV减速器-丝杠组件62的结构示意图；

图6为本发明高空幕墙安装机器人一种实施例的末端执行器5的结构示意图；

图7为本发明高空幕墙安装机器人一种实施例的施工示意图；

图中，1-底座、2-旋转机架、3-大臂平行四边形机构、4-末端姿态调整装置5-末端执行器、6-小臂平行四边形机构、7-板材，31-大臂基座、32-二轴电机-RV减速器组件、33-机器人大臂、34-大臂拉杆、35-三角形构件、41-电动推杆组件、42-俯仰用固定支架、43-六轴电机-RV减速器组件、44-摆动用固定支架、45-四轴电机-RV减速器组件、51-吸盘架、52-六维力传感器、53-吸盘、61小臂基座、62-三轴电机-RV减速器-丝杠组件、63-机器人小臂、64-小臂拉杆、621-电机安装支架、622-电机、623-三轴RV减速器、624-丝杠、625-丝杠螺帽、626-丝杠螺帽固定杆。

具体实施方式

下面结合实施例及其附图详细叙述本发明，但并不以此限制本申请权利要求的保护范围。

本发明高空幕墙安装机器人(简称机器人，参见图1-6)包括底座1、旋转机架2、大臂平行四边形机构3、末端姿态调整装置4、末端执行器5和小臂平行四边形机构6；所述底座1、旋转机架2、大臂平行四边形机构3、小臂平行四边形机构6、末端姿态调整装置4和末端执行器5依次连接；

所述末端姿态调整装置4包括电动推杆组件41、俯仰用固定支架42、六轴电机-RV减速器组件43、四轴电机-RV减速器组件45和摆动用固定支架44；所述四轴电机-RV减速器组件45中部通过螺栓固定于摆动用固定支架44上，四轴电机-RV减速器组件45下部与俯仰用固定支架42的上端相连，六轴电机-RV减速器组件43的左端与俯仰用固定支架42的右端固定连接，所述俯仰用固定支架42和六轴电机-RV减速器组件43的下端分别与电动推杆组件41通过销轴相连。

本发明的进一步特征在于所述大臂平行四边形机构3(参见图2)包括大臂基座31、二轴电机-RV减速器组件32、机器人大臂33、大臂拉杆34和三角形构件35，所述大臂基座31与旋转机架2相连，所述二轴电机-RV减速器组件32安装在大臂基座31上，二轴电机-RV减速器组件32的RV减速器与机器人大臂33固定连接；所述机器人大臂33和大臂拉杆34的下端通过轴与大臂基座31相连，机器人大臂33和大臂拉杆34的上端分别与三角形构件35的两个顶点相连。

本发明的进一步特征在于所述小臂平行四边形机构6(参见图4)包括小臂基座61、三轴电机-RV减速器-丝杠组件62、机器人小臂63和小臂拉杆64，所述小臂基座61通过螺栓固定于旋转机架2上，所述三轴电机-RV减速器-丝杠组件62一端与小臂基座61相连，另一端与机器人小臂63相连；所述机器人小臂63的另一端通过销轴与摆动用固定支架44相连，机器人小臂63靠近三轴电机-RV减速器-丝杠组件62端的中部通过三角形构件35的一个顶点与机器人大臂33相连；所述小臂拉杆64的两端分别通过销轴与摆动用固定支架44及三角形构件35的第三个顶点相连。

本发明的进一步特征在于所述机器人大臂33和机器人小臂63均采用镂空板材制成；所述镂空的形状为三角形、具有倒角的三角形、圆形、椭圆形或矩形。

本发明的进一步特征在于所述三轴电机-RV减速器-丝杠组件62(参见图5)包括电机安装支架621、电机622、三轴RV减速器623、丝杠624、丝杠螺帽625和丝杠螺帽固定杆626；所述电机安装支架621下部通过销轴固定于小臂基座61上，所述电机622和三轴RV减速器623依次通过螺栓固定在电机安装支架621上，所述丝杠624一端与三轴RV减速器623相连，另一端通过丝杠螺帽625与丝杠螺帽固定杆626下部相连；丝杠螺帽固定杆626上部与机器人小臂63的一端相连。

本发明的进一步特征在于所述末端执行器5(参见图6)包括吸盘架51、吸盘53和六维力传感器52，所述吸盘架51的每个角上均安装有吸盘53，吸盘53与吸盘架51通过螺栓相连，在吸盘架51的中心一侧安装有六维力传感器52，吸盘架51的中心另一侧与末端姿态调整装置4的六轴电机-RV减速器组件43的右端相连。

本发明的进一步特征在于所述吸盘架51为梯子型、工字型或放射型。

本发明采用串并联结合结构，其中机器人小臂63的动作是由三轴电机-RV减速器-丝杠组件62驱动，小臂平行四边形机构6为并联机构，通过采用该机构可以将机器人小臂63的驱动系统安装于旋转机架2上从而减轻了机器人小臂63的重量，提高了机器人的负载能力。本发明共有六个自由度，可以显著增大机器人的工作空间，提高机器人的工作能力，实现六自由度的调整定位。二轴电机-RV减速器组件32中的电机带动旋转机架2转动以实现末端执行器5绕竖直方向的转动，大臂平行四边形机构3的摆动实现末端执行器5的水平方向的移动，小臂平行四边形机构6的摆动实现末端执行器5的竖直方向的运动，末端姿态调整装置4通过四轴电机-RV减速器组件45、电动推杆组件41及六轴电机-RV减速器组件43可以实现末端执行器5的摆动、俯仰及转动动作，从而可以调整末端执行器5的姿态。本发明中吸盘架51的形状可以根据现场需要采用梯子型、工字型或放射型等形状，以保证吸盘53能牢固、稳定、准确地抓取板材7为准。

本发明高空幕墙安装机器人的施工现场(参见图7)包括高空作业平台Ⅰ，高空幕墙安装机器人Ⅱ，操作人员Ⅲ，导靴Ⅳ，吊绳Ⅴ，墙体Ⅵ及扶墙机构Ⅶ。高空幕墙安装机器人Ⅱ的底座1通过螺栓固定于高空作业平台Ⅰ上，操作人员Ⅲ站于高空作业平台Ⅰ上，以辅助高空幕墙安装机器人Ⅱ完成幕墙的安装工作。高空作业平台Ⅰ通过吊绳Ⅴ实现其上下动作，安装于墙体Ⅵ上的导靴Ⅳ保证高空作业平台Ⅰ的运动轨迹。扶墙机构Ⅶ固定于高空作业平台Ⅰ上，工作时其吸附于墙体Ⅵ上，从而保证了高空作业平台Ⅰ的平稳性。高空幕墙安装机器人Ⅱ工作时，由预先编写的机器人控制程序控制机器人大臂33及机器人小臂63动作，从而带动末端执行器5动作以抓取板材7，安装板材7时，由末端姿态调整装置4调整板材7的姿态，操作人员Ⅲ通过安装于吸盘架51上的六维力传感器52可以辅助高空幕墙安装机器人Ⅱ完成板材7的抓取、姿态调整及安装。

本发明在理想状态下，认为待需安装板材7的墙壁与水平面垂直，墙壁的倾斜误差不允许超过板材安装的允许误差范围，机器人高空作业平台Ⅰ通过吊绳Ⅴ调节与水平面平行。另外，根据现有板材干挂工艺，安装好的板材7要与水平面垂直，板材7上边缘要与水平面平行，且板材间要相互对齐、共面及间隔一致。本发明机器人采用电力及气动作为动力来源，机器人所需电源通过电缆传输，电源安装在地面上，以减轻高空作业平台重量，机器人所需气源由安装在高空作业平台提供。

本发明机器人的工作原理及工作过程是：

(1)首先抓取板材7：需要操作人员一名，六维力传感器52可以检测板材的力反馈信息，操作人员通过安装于末端执行器5上的六维力传感器52辅助机器人完成板材7的抓取及定位工作。末端姿态调整装置4可以实现末端执行器5的摆动、俯仰及转动动作，四轴电机-RV减速器组件45驱动末端执行器5实现摆动动作，电动推杆组件41驱动末端执行器5的俯仰动作，六轴电机-RV减速器组件43可以驱动末端执行器5进行转动动作；通过末端调整装置4最终自动将板材调整至适合板材安装的姿态。

(2)其次搬运板材：由旋转机架2，大臂平行四边形机构3及小臂平行四边形机构6协调动作，即二轴电机-RV减速器组件32的RV减速器固定连接在机器人大臂33上，电机通过RV减速器减速后带动机器人大臂33转动，从而实现末端执行器5的水平移动动作。电机622经三轴RV减速器623减速后带动丝杠624转动，从而将电机622的旋转运动变为丝杠螺帽固定杆626的直线运动，以带动小臂平行四边形机构6动作，最终带动板材7至合适位置，板材搬运过程中，由操作人员对机器人进行辅助，以保证机器人在工作工程中，避开障碍物，预防危险发生。

(3)最后安装板材：待板材被搬运至合适位置后，由末端调整装置4进一步微调板材姿态，使板材与墙体保持平行，板材上下边缘与水平面平行，然后安装板材。安装完成后，吸盘53释放板材，安装过程中，由操作人员观察机器人的工作情况，并对机器人进行辅助动作。末端执行器5回到起始位置，准备下一块板材的安装工作。板材安装过程中，由六维力传感器52实时传递机器人小臂63末端的力反馈信息，以保证板材的可靠安装。

本发明机器人实施例重量约为400kg，其负载可达80kg左右。与传统铸造而成的机器人相比，本发明中机器人的大臂及小臂均采用镂空板材焊接而成，镂空的形状可以为三角形、具有倒角的三角形、圆形、椭圆形或矩形等，镂空形状的选择必须保证机器人自身强度和刚度的要求，同时每块板材外形由线切割加工而成，大大降低了机器人单件生产的成本及本身的重量。本发明机器人在设计阶段，通过三维软件进行了三维虚拟设计，以保证机器人的整体外观的美观性，缩短机器人设计时间及设计成本，另外利用有限元分析软件对机器人整体性能进行了分析，降低机器人重量，进而提高机器人工作能力。本发明机器人具有较高的刚度，并经过轻量化处理，采用镂空板材焊接制成，克服了高空环境中的大风及振动等影响，能很好地适应高空作业中的低重量、高刚度、低风阻等要求。该机器人实现了建筑板材的自动化安装或由操作人员通过操纵安装于机器人上的六维力传感器52以完成板材的辅助安装，提高了生产效率；在施工过程中，仅需一名操作人员辅助机器人安装板材，从而降低了工人的劳动强度，提高了施工安全性。

以上对本发明的实施进行了详细说明，但所述内容为本发明的较佳实施过程，不能被认为用于限定本申请的保护范围。凡以本发明申请权利要求范围所做的均等变化与改进，均应归属于本申请权利要求的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种高空幕墙安装机器人，包括底座、旋转机架、大臂平行四边形机构、末端姿态调整装置、末端执行器和小臂平行四边形机构，所述底座、旋转机架、大臂平行四边形机构、小臂平行四边形机构、末端姿态调整装置和末端执行器依次连接；其特征在于所述末端姿态调整装置包括电动推杆组件、俯仰用固定支架、六轴电机-RV减速器组件、四轴电机-RV减速器组件和摆动用固定支架；所述四轴电机-RV减速器组件中部通过螺栓固定于摆动用固定支架上，四轴电机-RV减速器组件下部与俯仰用固定支架的上端相连，六轴电机-RV减速器组件的左端与俯仰用固定支架的右端固定连接，所述俯仰用固定支架和六轴电机-RV减速器组件的下端分别与电动推杆组件通过销轴相连。

2.根据权利要求1所述的高空幕墙安装机器人，其特征在于所述大臂平行四边形机构包括大臂基座、二轴电机-RV减速器组件、机器人大臂、大臂拉杆和三角形构件，所述大臂基座与旋转机架相连，所述二轴电机-RV减速器组件安装在大臂基座上，二轴电机-RV减速器组件的RV减速器与机器人大臂固定连接；所述机器人大臂和大臂拉杆的下端通过轴与大臂基座相连，机器人大臂和大臂拉杆的上端分别与三角形构件的两个顶点相连。

3.根据权利要求2所述的高空幕墙安装机器人，其特征在于所述小臂平行四边形机构包括小臂基座、三轴电机-RV减速器-丝杠组件、机器人小臂和小臂拉杆，所述小臂基座通过螺栓固定于旋转机架上，所述三轴电机-RV减速器-丝杠组件一端与小臂基座相连，另一端与机器人小臂相连；所述机器人小臂的另一端通过销轴与摆动用固定支架相连，机器人小臂靠近三轴电机-RV减速器-丝杠组件端的中部通过三角形构件的一个顶点与机器人大臂相连；所述小臂拉杆的两端分别通过销轴与摆动用固定支架及三角形构件的第三个顶点相连。

4.根据权利要求3所述的高空幕墙安装机器人，其特征在于所述机器人大臂或/和机器人小臂均采用镂空板材制成。

5.根据权利要求4所述的高空幕墙安装机器人，其特征在于所述镂空的形状为三角形、具有倒角的三角形、圆形、椭圆形或矩形。

6.根据权利要求3所述的高空幕墙安装机器人，其特征在于所述三轴电机-RV减速器-丝杠组件包括电机安装支架、电机、三轴RV减速器、丝杠、丝杠螺帽和丝杠螺帽固定杆；所述电机安装支架下部通过销轴固定于小臂基座上，所述电机和三轴RV减速器依次通过螺栓固定在电机安装支架上，所述丝杠一端与三轴RV减速器相连，另一端通过丝杠螺帽与丝杠螺帽固定杆下部相连；丝杠螺帽固定杆上部与机器人小臂的一端相连。

7.根据权利要求1-6任一所述的高空幕墙安装机器人，其特征在于所述末端执行器包括吸盘架、吸盘和六维力传感器，所述吸盘架的每个角上均安装有吸盘，吸盘与吸盘架通过螺栓相连，在吸盘架的中心一侧安装有六维力传感器，吸盘架的中心另一侧与末端姿态调整装置的六轴电机-RV减速器组件的右端相连。

8.根据权利要求7所述的高空幕墙安装机器人，其特征在于所述吸盘架为梯子型、工字型或放射型。