CN108104830A - 一种挖掘机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种挖掘机器人，包括机械臂和通过所述机械臂带动在空间内移动的切割机；所述机械臂包括机座、绕竖直方向单自由度转动连接于所述机座的内臂、绕竖直方向单自由度转动连接于所述内臂的外臂、用于驱动所述外臂相对于内臂转动的第一驱动装置以及用于驱动所述内臂相对于机座转动的第二驱动装置，因此，本挖掘机器人可以采用长度和自重较大的机械臂，避免机械臂的重力产生的弯矩对驱动装置(通常为减速电机)造成破坏，从而大幅度提高挖掘机器人的作业范围。

Description

一种挖掘机器人

技术领域

本发明涉及切割领域，具体是一种挖掘机器人。

背景技术

管廊(日本称“共同沟”、台湾地区称“共同管道”)，就是地下城市管道综合走廊。即在城市地下建造一个隧道空间，将电力、通信，燃气、供热、给排水等各种工程管线集于一体，设有专门的检修口、吊装口和监测系统，实施统一规划、统一设计、统一建设和管理，是保障城市运行的重要基础设施和“生命线”。其一般都呈“开”型，大型装置管道集中敷设的主要场所，它由钢结构或钢筋混凝土结构的立柱、横梁以及桁架所构成，按类型可分为单层或多层，可通行的或不可通行的等。

管廊的施工过程中，常常需要进行挖洞步骤，比如在山体或者其他岩石层中挖出洞穴进行后续施工，现有的挖洞步骤通常有两种方式：

第一种，工人手持常规的钻具，比如水钻或者筒钻等，将岩石钻成一段然后取出，继续钻下一段，这种方法在过程中耗时耗力，一个3m*3m见方的洞子，两个工人一天只能挖进 1-1.2m，效率非常低，影响工期；

第二种，采用盾构机进行挖掘，但是盾构机的造价过高，动辄几千万乃至上亿元的成本令很多施工方望而却步。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是克服现有技术中的缺陷，提供一种施工效率更高的挖掘机器人。

本发明的挖掘机器人，包括升降部与挖掘部；升降部包括自上而下依次设置的顶板、固定螺母、若干液压缸以及底板，其中液压缸的缸体均固定在底板上，液压缸的推杆上端设置有螺纹段，螺纹段穿过顶板且上下均通过固定螺母连接；其中挖掘部包括机械臂和通过所述机械臂带动在空间内移动的切割机；所述机械臂包括机座、绕竖直方向单自由度转动连接于所述机座的内臂、绕竖直方向单自由度转动连接于所述内臂的外臂、用于驱动所述外臂相对于内臂转动的第一驱动装置以及用于驱动所述内臂相对于机座转动的第二驱动装置；切割机包括转动连接于所述外臂外端的支架、用于驱动支架沿外臂轴向转动的转动马达、固定于所述支架的切割驱动装置以及传动连接于所述切割驱动装置输出轴的切割刀具，转动马达固定在外臂上，所述切割刀具至少为两个；其中机座通过螺栓连接固定在顶板上。

本发明的有益效果是：

本发明的挖掘机器人设置的升降部能够用于实现挖掘部的竖直位置调整，挖掘部则能够用于岩石或者土层进行挖掘，两者设置在一起能够对不同高度的岩石或者土层进行挖掘。

顶板、底板不仅能够用于安装液压缸而且还为液压缸提供了统一的承载平台，从而利于将液压缸的承载能力集中在所需之处，同时整个液压缸的动作更加一致协调，利于装置运行的稳定性，

本发明的挖掘机器人的机座与内臂之间、内臂与外壁之间均绕竖直方向单自由度可转动连接，因此，内臂和外臂的重力产生的弯矩作用将分别由机座和内臂所承担，而不会传递至第一或第二驱动装置(通常为减速电机)上，驱动装置的转轴仅仅为内臂相对于基座以及外臂相对于内臂的摆动提供转矩，因此，本挖掘机器人可以采用长度和自重较大的机械臂，避免机械臂的重力产生的弯矩对驱动装置(通常为减速电机)造成破坏，从而大幅度提高挖掘机器人的作业范围。

而切割刀具至少设置两个，则挖掘机器人能够同时对多个范围的岩石或者土层进行切割，从而保证切割效率，同时利用转动马达对支架进行转向，即可实现对切割机的角度调整，即可实现在沿竖直方向切割完成后，再沿着水平或者其他非竖直方向对岩石或者土层进行切割，从而将岩石或者土层切割为一块块的石块或者土层，不同于盾构机或者钻具挖掘的方式，这种方式制造出的石块或者土层能够用在铺路等工程上，不仅避免了盾构机或者钻具挖掘的方式带来的挖掘材料废置问题，还能够变废为宝，而且整个装置结构简单，效率高，成本低。

进一步，所述固定螺母为压板螺母；压板螺母工作面积大，使得顶板被固定时所受到的应力更加均衡适中，连接更加稳定。

进一步，所述液压缸设置有四个，且分布在底板的四个顶角处；液压缸的设置为四个，不仅利于顶板、底板的受力平衡，而且还利于增强整个装置的稳定性及负载能力。

进一步，还包括传动连接于所述切割驱动装置输出轴的固定轴、用于压紧切割刀具的压板和用于紧固压板的锁紧螺母，切割刀具设置于固定轴上且均匀分布，所述切割刀具与固定轴之间为键连接，压板设置在切割刀具两侧，锁紧螺母设置在压板外侧并与固定轴之间螺纹连接固定；同轴固定的切割刀具能够在相同转速下进行切割动作，保证切割效果的同时，还能够提高安装拆卸的便捷性；锁紧螺母的设置不仅方便安装、固定可靠而且还能够调整切割刀具的安装位置，而压板能够减小锁紧螺母拧紧时给切割刀具带来的局部应力集中，从而使本装置的切割刀具固定更加牢固、可靠。

进一步，所述内臂靠近其外端沿竖直方向设置有销轴；所述外臂靠近其内端设有与所述销轴对应的销孔；所述销孔内设有轴承并通过该轴承与销轴转动配合；如此设置更加利于。

进一步，所述第一驱动装置的机体固定于所述内臂，第一驱动装置的输出轴传动连接于所述外臂并驱动外臂转动；如此设置使得第一驱动装置的动力较为直接的作用在外臂上，简单直接有效。

进一步，所述外臂内端形成叉形结构，并通过叉形结构卡于内臂的上下表面；实现外臂与内臂的嵌合连接，不仅使连接更加牢固，而且增大了外臂与内臂的接合面积，限制了外臂的自由度，增强了稳定性。

进一步，所述机座沿竖直方向设有立柱；所述内臂的内端设有用于与所述立柱转动配合的通孔；所述第二驱动装置的机体固定于所述机座，第二驱动装置的输出轴传动连接于所述内臂并驱动所述内臂相对于机座绕立柱转动；本发明的挖掘机器人的机座与内臂之间、内臂与外壁之间均绕竖直方向单自由度可转动连接，因此，内臂和外臂的重力产生的弯矩作用将分别由机座和内臂所承担，而不会传递至第一或第二驱动装置(通常为减速电机)上，驱动装置的转轴仅仅为内臂相对于基座以及外臂相对于内臂的摆动提供转矩。

进一步，所述通孔与立柱之间通过至少两个对置的圆锥滚子轴承进行转动配合；多个圆锥滚子轴承的设置能够极大提高本方案对立柱乃至其带来的冲击的支撑，保证运行稳定性；圆锥滚子轴承属于分离型轴承，轴承的内、外圈均具有锥形滚道。该类轴承按所装滚子的列数分为单列、双列和四列圆锥滚子轴承等不同的结构型式。单列圆锥滚子轴承可以承受径向负荷和单一方向轴向负荷。当轴承承受径向负荷时，将会产生一个轴向分力，所以当需要另一个可承受反方向轴向力的轴承来加以平衡。

附图说明

图1为本发明的正视图；

图2为本发明的俯视图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式进一步详细的说明：

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

说明书附图中的附图标记包括：切割刀具1、压板2、切割驱动装置输出轴3、切割驱动装置4、机座5、外臂6、第一驱动装置7、销轴8、内臂9、第二驱动装置10、底板11、液压缸12、顶板13。

实施例基本如附图1所示：

本实施例中挖掘机器人，包括升降部与挖掘部；升降部包括自上而下依次设置的顶板 13、固定螺母、若干液压缸12以及底板11，其中液压缸12的缸体均固定在底板11上，液压缸12的推杆上端设置有螺纹段，螺纹段穿过顶板13且上下均通过固定螺母连接；固定螺母为压板螺母，液压缸12设置有四个，且分布在底板11的四个顶角处；

其中挖掘部包括机械臂和通过所述机械臂带动在空间内移动的切割机；机械臂包括机座5、绕竖直方向单自由度可转动连接与机座5的內臂9以及绕竖直方向单自由度转动连接于所述内臂9的外臂，机座通过螺栓连接固定在顶板上，本实施例的挖掘机器人，机械臂的机座5与内臂9之间，内臂9与外臂6之间均绕竖直方向可转动配合，因此，内臂9和外臂6的重力产生的弯矩作用将完全分别由机座5和内臂9所承担，而不会传递至第一驱动装置7或第二驱动装置10(通常为减速电机)上，第一驱动装置7或第二驱动装置10的转轴为外臂6相对于内臂9以及内臂9相对于机座5的摆动提供转矩，切割机包括转动连接于所述外臂外端的支架、用于驱动支架沿外臂轴向转动的转动马达、固定于所述支架的切割驱动装置以及传动连接于所述切割驱动装置输出轴的切割刀具1，转动马达固定在外臂上，所述切割刀具1为四个；其中机座通过螺栓连接固定在顶板上。因此，本挖掘机器人可以采用长度和自重较大的机械臂，避免机械臂的重力产生的弯矩对驱动装置(通常为减速机)造成破坏，从而大幅度提高挖掘机器人的作业范围；还包括传动连接于所述切割驱动装置输出轴3的固定轴、用于压紧切割刀具的压板2和用于紧固压板2的锁紧螺母，切割刀具设置于固定轴上且均匀分布，所述切割刀具与固定轴之间为键连接，压板设置在切割刀具两侧，锁紧螺母设置在压板外侧并与固定轴之间螺纹连接固定；同轴固定的切割刀具能够在相同转速下进行切割动作，保证切割效果的同时，还能够提高安装拆卸的便捷性；锁紧螺母的设置不仅方便安装、固定可靠而且还能够调整切割刀具的安装位置，而压板能够减小锁紧螺母拧紧时给切割刀具带来的局部应力集中，从而使本装置的切割刀具固定更加牢固、可靠。

如图2所示，本实施例中，内臂9靠近其外端沿竖直方向设置有销轴8；外臂6靠近其内端设有与销轴8配合的销孔；销孔内设有轴承并通过该轴承与销轴8转动配合，外臂6的自重通过轴承传递至销轴8，再通过销轴8传递至内臂9，销轴8的尺寸可根据外臂6的自重而定，这种连接方式一方面能够减小外臂6与内臂9相对转动产生的阻力，另一方面提高了外臂6与内臂9连接处的强度。

本实施例中，第一驱动装置7的机体固定于内臂9，其输出轴与销轴8同轴设置；同时，第一驱动装置7的输出轴传动连接于外臂6并驱动外臂6转动，摆动驱动装置7为减速电机，减速电机的输出轴上固定一连接盘；连接盘上开设安装孔，利用螺栓将连接盘与外臂6固定，使摆动驱动电机输出的动力能够传递至外臂6上。

本实施例中，外臂6内端形成叉形结构，并通过叉形结构卡于内臂9的上下表面，叉形结构包括上下两个叉体，销孔设置在叉体上，内臂9可插入上下叉体之间，再将销轴8穿入销孔中，这种结构能够有效减小销轴8受到的载荷，进一步提高内臂9与外臂6连接处的强度。

本实施例中；机座5沿竖直方向设有立柱；内臂9的内端设有用于与立柱转动配合的通孔；第二驱动装置10用于驱动内臂9相对于机座5绕立柱转动，机座5可固定于地面，立柱通过圆锥滚子轴承与通孔配合，使内臂9可绕立柱转动，立柱外圆和通孔内圆上设有对圆锥滚子轴承进行轴向限位的定位轴肩，使通孔与立柱之间保持相对固定，内臂9和外臂6共同产生的扭矩作用在立柱上，通孔与立柱之间通过圆锥滚子轴承以轴向固定的方式进行转动配合，圆锥滚子轴承能够承载内臂9竖直向下的作用力，旋转驱动装置10也为一减速电机，其机体通过一固定架同轴设置在立柱上方，旋转驱动装置10的输出轴上固定一连接盘，连接盘下端与内臂9内端相互固定。

使用方法，该方法包括如下步骤：步骤1，将挖掘部的基座固定在升降部上，然后控制机械臂前伸从而使得多个锯片同时切割石块；

步骤2，机械臂收回，锯片复位，控制升降部实现挖掘部上升或者下降，机械臂再次前伸，直至锯片将A方向将石块切割完成；

步骤3，收回机械臂，通过将锯片转动90度至B方向，然后机械臂前伸，锯片沿B方向切割石块；

步骤4，机械臂收回，锯片复位，控制升降部实现挖掘部下降或者上升，机械臂再次前伸，直至锯片沿B方向将石块切割完成，如此多次即可将管廊内的岩石切割为方形石块，然后将方形石块根部打断取出即可。

A方向为水平方向，B方向为竖直方向或者A方向为竖直方向，B方向为水平方向；两种方式都可以完美实现对石块的切割，从而实现管廊的快速挖掘。

步骤4中可使用裂石棒或者裂石片将方形石块根部打断；如此能够提高整体效率。

步骤2或步骤4中挖掘机器人每次下降或者上升的距离为方形石块高度的n倍，n为正整数；n的选择可依据锯片的个数而定，本实施例中，n可为4，保证方形石块的规格统一且符合要求。

以上所述的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体结构及特性等常识在此未作过多描述，所属领域普通技术人员知晓申请日或者优先权日之前发明所属技术领域所有的普通技术知识，能够获知该领域中所有的现有技术，并且具有应用该日期之前常规实验手段的能力，所属领域普通技术人员可以在本申请给出的启示下，结合自身能力完善并实施本方案，一些典型的公知结构或者公知方法不应当成为所属领域普通技术人员实施本申请的障碍。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。本申请要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。

Claims (9)

1.一种挖掘机器人，其特征在于：包括升降部与挖掘部；升降部包括自上而下依次设置的顶板、固定螺母、若干液压缸以及底板，其中液压缸的缸体均固定在底板上，液压缸的推杆上端设置有螺纹段，螺纹段穿过顶板且上下均通过固定螺母连接；

其中挖掘部包括机械臂和通过所述机械臂带动在空间内移动的切割机；

所述机械臂包括机座、绕竖直方向单自由度转动连接于所述机座的内臂、绕竖直方向单自由度转动连接于所述内臂的外臂、用于驱动所述外臂相对于内臂转动的第一驱动装置以及用于驱动所述内臂相对于机座转动的第二驱动装置；

切割机包括转动连接于所述外臂外端的支架、用于驱动支架沿外臂轴向转动的转动马达、固定于所述支架的切割驱动装置以及传动连接于所述切割驱动装置输出轴的切割刀具，转动马达固定在外臂上，所述切割刀具至少为两个；

其中机座通过螺栓连接固定在顶板上。

2.根据权利要求1所述的挖掘机器人，其特征在于：所述固定螺母为压板螺母。

3.根据权利要求1所述的挖掘机器人，其特征在于：所述液压缸设置有四个，且分布在底板的四个顶角处。

4.根据权利要求1-3任一项所述的挖掘机器人，其特征在于：还包括传动连接于所述切割驱动装置输出轴的固定轴、用于压紧切割刀具的压板和用于紧固压板的锁紧螺母，切割刀具设置于固定轴上且均匀分布，所述切割刀具与固定轴之间为键连接，压板设置在切割刀具两侧，锁紧螺母设置在压板外侧并与固定轴之间螺纹连接固定。

5.根据权利要求1-3任一项所述的挖掘机器人，其特征在于：所述内臂靠近其外端沿竖直方向设置有销轴；所述外臂靠近其内端设有与所述销轴对应的销孔；所述销孔内设有轴承并通过该轴承与销轴转动配合。

6.根据权利要求4所述的挖掘机器人，其特征在于：所述第一驱动装置的机体固定于所述内臂，第一驱动装置的输出轴传动连接于所述外臂并驱动外臂转动。

7.根据权利要求5所述的挖掘机器人，其特征在于：所述外臂内端形成叉形结构，并通过叉形结构卡于内臂的上下表面。

8.根据权利要求6所述的挖掘机器人，其特征在于：所述机座沿竖直方向设有立柱；所述内臂的内端设有用于与所述立柱转动配合的通孔；所述第二驱动装置的机体固定于所述机座，第二驱动装置的输出轴传动连接于所述内臂并驱动所述内臂相对于机座绕立柱转动。

9.根据权利要求7所述的挖掘机器人，其特征在于：所述通孔与立柱之间通过至少两个对置的圆锥滚子轴承进行转动配合。