CN109227565A - 一种具备全方位移动功能的双臂地砖铺设机器人系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种具备全方位移动功能的双臂地砖铺设机器人系统，其中：机器人总基座为一个刚体平台，双自由度移动轮、铺砖机械臂、喷砂浆机械臂、电控系统、地砖固定平台以及激光测距仪设于机器人总基座上；地砖固定平台用于摆放和固定地砖；激光测距仪测量需铺设地砖的角度和位置，测量值发给电控系统；每一个双自由度移动轮均包括轴向旋转和径向旋转自由度；电控系统根据接收到的测量值控制双自由度移动轮进行轴向和/或径向旋转，以及控制喷砂浆机械臂将砂浆喷涂到地面上，和控制铺砖机械臂将地砖搬运到需铺设的位置。本发明操作便捷，可快速移动到地砖铺设场地，通过喷砂浆机械臂进行砂浆喷射，通过铺砖机械臂将地砖铺设在砂浆表面。

Description

一种具备全方位移动功能的双臂地砖铺设机器人系统

技术领域

本发明涉及工业以及建筑技术领域，具体地，涉及一种具备全方位移动功能的双臂地砖铺设机器人系统。

背景技术

地砖铺设是建筑以及装修工程中的常规工序，现有的地砖铺设方式，通常采用人工铺设，利用铺设工人的经验完成地砖铺设工序。这种人工方式通常存在如下缺陷：

1、工人经验不同，铺设水平参差不齐，对于同一铺设场地，不同工人铺设的结果不同，影响整体效果；

2、对于特殊环境，人工铺设存在困难时，造成工程进度拖延；

3、对于危险环境，人工铺设过程中无法保障铺设工人的人身安全，也存在工程施工的安全隐患。

发明内容

针对现有技术中存在的上述不足，本发明的目的是提供一种具备全方位移动功能的双臂地砖铺设机器人系统，该机器人系统通过喷砂浆机械臂进行砂浆喷射，并通过铺砖机械臂将运载的地砖铺设在砂浆表面，铺设结果统一、适用环境广。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种具备全方位移动功能的双臂地砖铺设机器人系统，包括：机器人总基座、双自由度移动轮、铺砖机械臂、喷砂浆机械臂、电控系统、地砖固定平台以及激光测距仪；其中：

机器人总基座为一个刚体平台，双自由度移动轮、铺砖机械臂、喷砂浆机械臂、电控系统、地砖固定平台以及激光测距仪分别设置于机器人总基座上；

地砖固定平台用于摆放地砖，并将摆放后的地砖进行位置固定；

激光测距仪测量需铺设地砖的角度和位置，并将测量值发送给电控系统；

双自由度移动轮至少为三个，其中每一个双自由度移动轮均包括轴向旋转和径向旋转两个自由度；

电控系统根据接收到的测量值控制双自由度移动轮进行相应的轴向和/或径向旋转，以及控制喷砂浆机械臂在铺设地砖前将砂浆喷涂到地面上，和控制铺砖机械臂将地砖从地砖固定平台搬运到需铺设的位置以完成地砖铺设动作。

优选地，电控系统包括电机驱动控制器、铺砖机械臂和喷砂浆机械臂的电机驱动器、铺砖机械臂和喷砂浆机械臂的运动控制器以及总控制器；其中：

总控制器根据用户的指令发送控制指令给电机驱动控制器驱动控制双自由度移动轮的旋转速度以及旋转角度；以及发送控制指令给铺砖机械臂和喷砂浆机械臂的运动控制器，由铺砖机械臂和喷砂浆机械臂的运动控制器通过铺砖机械臂和喷砂浆机械臂的电机驱动器驱动控制铺砖机械臂和喷砂浆机械臂的旋转速度和旋转角度。

优选地，铺砖机械臂、喷砂浆机械臂设有若干关节，每个关节设有关节电机，关节电机连接铺砖机械臂和喷砂浆机械臂的电机驱动器，铺砖机械臂和喷砂浆机械臂的运动控制器向铺砖机械臂和喷砂浆机械臂的电机驱动器发送指令，铺砖机械臂和喷砂浆机械臂的电机驱动器驱动铺砖机械臂和喷砂浆机械臂的关节电机按照要求的运动轨迹运动。

优选地，电控系统采用蓄电池或外部电源供电。

优选地，双自由度移动轮包括：移动轮、轴向旋转电机、L型支架、径向旋转电机、移动轮支撑板、径向缓冲和挂载缓冲；其中：

轴向旋转电机的定子固定在L型支架的一边，轴向旋转电机的转子连接移动轮，带动移动轮进行轴向旋转动作；

L型支架将移动轮和移动轮支撑板连接，L型支架的另一边固定径向旋转电机的转子；

径向旋转电机提供移动轮的径向旋转，径向旋转电机的定子连接移动轮支撑板；

移动轮支撑板为一个绕机器人总基座伸出的旋转轴旋转的支撑板，移动轮支撑板通过径向缓冲与L型支架连接；

径向缓冲通过弹簧或气压的方式将运动过程中因为地面不平整造成的移动轮径向的振动进行缓冲隔离；

挂载缓冲的一端连接移动轮支撑板，挂载缓冲的另一端连接机器人总基座；挂载缓冲通过弹簧或气压的方式将运动过程中因为地面不平整造成的移动轮轴向的振动进行缓冲隔离；

至少三个双自由度移动轮进行配合，当需要转弯时，所有双自由度移动轮的径向旋转电机旋转到转弯角度，之后通过所有双自由度移动轮的轴向旋转电机的协调旋转，实现无转弯半径的转弯动作。

优选地，轴向旋转电机和径向旋转电机采用交流伺服电机、直流永磁电机、直流无刷电机、直流步进电机中的任意一种；

轴向旋转电机和径向旋转电机直接输出旋转扭矩，或采用行星齿轮、谐波减速器、RV减速器、摆线轮减速器、齿轮减速器中的任意一种将扭矩进行发大后输出旋转扭矩；

轴向旋转电机和径向旋转电机采用光电编码器、磁编码器、电位器、旋转变位器中的任意一种进行电机旋转速度的位置的检测。

优选地，铺砖机械臂采用多自由度串联机械臂，铺砖机械臂的工具末端为启动吸附爪子，将地砖固定平台上叠加的地砖最上面一块吸附并铺设到指定位置。

优选地，喷砂浆机械臂采用多自由度串联机械臂，喷砂浆机械臂的工具末端为梳状砂浆喷涂口，向地面喷射砂浆。

优选地，铺砖机械臂和喷砂浆机械臂：

喷砂浆阶段，铺砖机械臂运行到地砖固定平台的上方，喷砂浆机械臂在需要喷射砂浆的地方通过喷砂浆机械臂的运动轨迹，和/或，双自由度移动轮的运动轨迹，将需要铺设地砖的位置喷射砂浆；

铺地砖阶段，喷砂浆机械臂运动到一个指定位置，铺砖机械臂将地砖固定平台叠加的地砖最上面一块进行吸附，根据激光测距仪测量的距离计算地砖铺设的位置并将地砖进行摆放、下压。

优选地，地砖固定平台设有X方向固定机构和Y方向固定机构，其中：

X方向固定机构向所有地砖固定平台累加的地砖施加一个X方向的力，使得所有地砖的X方向对齐；

Y方向固定机构向所有地砖固定平台累加的地砖施加一个Y方向的力，使得所有地砖的Y方向对齐。

优选地，X方向固定机构和Y方向固定机构采用如下任意一种结构施加力：

-旋转电机带动丝杠或蜗轮蜗杆的结构；

-液压直线运动的结构；

-直线气缸进行运动输出的结构。

与现有技术相比，本发明具有以下的有益效果：

本发明填补了现有技术中的空白，具有结构简单，操作便捷的特点，可以快速移动到地砖铺设场地，通过喷砂浆机械臂进行砂浆喷射，并通过铺砖机械臂将运载的地砖铺设在砂浆表面，实现地砖的自动铺设，自动化程度高，具有很好的实用价值和商业前景。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明一较优实施例的结构示意图；

图中：010-机器人总基座，020-双自由度移动轮，030-铺砖机械臂，040-喷砂浆机械臂，050-电控系统，060-地砖固定平台，070-激光测距仪；

图2为本发明一较优实施例的双自由度移动轮的结构示意图；其中，(a)为主视图，(b)为立体图；

图中：021-移动轮，022-轴向旋转电机，023-L型支架，024-径向旋转电机，025-移动轮支撑板，026-径向缓冲，027-挂载缓冲；

图3为本发明一较优实施例的全方位转向的示意图；其中，(a)为原方向运动示意图，(b)为转向后运动示意图；

图4为本发明一较优实施例的铺设地砖的工作示意图；其中：(a)为喷砂浆阶段，(b)为铺地砖阶段；

图5为本发明一较优实施例的地砖固定平台的结构示意图；

图中：061-X方向固定机构，062-Y方向固定机构。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

如图1所示，本发明一较优实施例的具备全方位移动功能的双臂地砖铺设机器人结构示意图，其中包括：机器人总基座010、双自由度移动轮020、铺砖机械臂030、喷砂浆机械臂040、电控箱050、地砖固定平台060、激光测距仪070。其中：机器人总基座010为一个刚体平台，承载双自由度移动轮020、铺砖机械臂030、喷砂浆机械臂040、电控箱050、地砖固定平台060、激光测距仪070，其中双自由度移动轮020至少为三个，便于自由移动。双自由度移动轮020固定在机器人总基座010上，包含两个自由度，可以实现轮子的轴向旋转以及轮子的径向旋转；铺砖机械臂030位于机器人总基座010上，用于将一块地砖从地砖固定平台060累加的若干地砖中搬运到铺设的位置；喷砂浆机械臂040位于机器人总基座010上，用于在铺设地砖前将砂浆喷涂到地面上；电控箱050用于控制双自由度移动轮020的径向和轴向电机的旋转以及控制铺砖机械臂030和喷砂浆机械臂040的动作；地砖固定平台060用于摆放若干地砖并且将所有的地砖进行铺设后位置固定；激光测距仪070用于测量需铺设地砖的角度和位置并将测量值发送给铺砖机械臂030进行地砖铺设。

在优选实施例中，电控箱050可以包含电机驱动控制器、铺砖机械臂030和喷砂浆机械臂040的电机驱动器、铺砖机械臂030和喷砂浆机械臂040的运动控制器、总控制器，其中：总控制器根据用户的指令，发送控制指令给电机驱动控制器，电机驱动控制器分别驱动控制多个双自由度移动轮020的旋转速度以及旋转角度；总控制器根据用户的指令，还发送控制指令给铺砖机械臂030和喷砂浆机械臂040的运动控制器，由铺砖机械臂030和喷砂浆机械臂040的运动控制器控制铺砖机械臂030和喷砂浆机械臂040的电机驱动器驱动控制铺砖机械臂030和喷砂浆机械臂040的旋转速度和旋转角度。由此，总控制器根据用户的指令，实现驱动控制铺砖机械臂030和喷砂浆机械臂040的运动轨迹以及控制整个机器人的移动速度和移动轨迹。

进一步的，上述铺砖机械臂030、喷砂浆机械臂040可以设有若干关节，每个关节设有关节电机，所述关节电机连接所述铺砖机械臂和喷砂浆机械臂的电机驱动器，铺砖机械臂030和喷砂浆机械臂040的运动控制器，向铺砖机械臂030和喷砂浆机械臂040的电机驱动器发送指令，让铺砖机械臂030和喷砂浆机械臂040的关节电机按照一定的运动轨迹运动。

在优选实施例中，机器人总基座010可以包含蓄电池，给双自由度移动轮020、铺砖机械臂030、喷砂浆机械臂040、电控箱050、地砖固定平台060和激光测距仪070提供电能，当然，在其他实施例中，也可以通过外部电源给双自由度移动轮020、铺砖机械臂030、喷砂浆机械臂040、电控箱050、地砖固定平台060和激光测距仪070提供电能。

如图2中(a)和(b)所示，在图中所示较优实施例中，双自由度移动轮020包含：移动轮021、轴向旋转电机022、L型支架023、径向旋转电机024、移动轮支撑板025、径向缓冲026和挂载缓冲027，其中：轴向旋转电机022的定子固定在L型支架023的一边，轴向旋转电机022的转子连接移动轮021，带动移动轮021进行轴向旋转动作；L型支架023用于将移动轮021和移动轮支撑板025连接，L型支架023的一边固定轴向旋转电机022的定子，一边固定径向旋转电机024的转子；径向旋转电机024用于提供移动轮021的径向旋转，径向旋转电机024的定子连接移动轮支撑板025，径向旋转电机024的转子连接L型支架023的一边；移动轮支撑板025为一个绕机器人总基座010伸出的旋转轴旋转的支撑板，移动轮支撑板025通过径向缓冲026与L型支架023连接；径向缓冲026将L型支架023和移动轮支撑板025连接，并通过弹簧或气压的方式将运动过程中因为地面不平整造成的移动轮021径向的振动进行缓冲隔离；挂载缓冲027一端连接移动轮支撑板025，一端连接机器人总基座010，并通过弹簧或气压的方式将运动过程中因为地面不平整造成的移动轮021轴向的振动进行缓冲隔离。

如图3中(a)和(b)所示，轴向旋转电机022、径向旋转电机024均连接电机驱动控制器，由电机驱动控制器分别驱动控制各双自由度移动轮020的旋转速度以及旋转角度。通过几组双自由度移动轮020的配合，可以实现全方位移动，无转弯半径。当需要转弯时，所有双自由度移动轮020的径向旋转电机024旋转到转弯的角度，之后通过所有双自由度移动轮020的轴向旋转电机022的协调旋转即可实现无转弯半径的转弯动作。

在一些实施例中，双自由度移动轮020的轴向旋转电机022和径向旋转电机024可以采用交流伺服电机、直流永磁电机、直流无刷电机、直流步进电机中的一种。

在一些实施例中，轴向旋转电机022和径向旋转电机024可以直接输出旋转扭矩，也可以采用行星齿轮、谐波减速器、RV减速器、摆线轮减速器、齿轮减速器中的一种，将扭矩进行发大后输出旋转扭矩。

在一些实施例中，轴向旋转电机022和径向旋转电机024的编码器可以采用光电编码器、磁编码器、电位器、旋转变位器中的一种进行电机旋转速度的位置的检测。

如图4中(a)和(b)所示，在优选实施例中，铺砖机械臂030为一种多自由度串联机械臂，包括但不限于：4自由度SCARA型机器人、4自由度串联型机器人、6自由度串联型机器人、7自由度串联型机器人。铺砖机械臂030的工具末端为一种启动吸附爪子，用于将地砖固定平台060上叠加的地砖最上面一块吸附并铺设到指定位置。喷砂浆机械臂040为一种多自由度串联机械臂，包括但不限于：4自由度SCARA型机器人、4自由度串联型机器人、6自由度串联型机器人、7自由度串联型机器人。喷砂浆机械臂040的工具末端为一种梳状的砂浆喷涂口，每个梳子末端都是一个喷口用于向地面喷射砂浆。

上述实施例中铺砖机械臂030和喷砂浆机械臂040的工作流程为：

第一步喷砂浆阶段，铺砖机械臂030运行到地砖固定平台060的上方，喷砂浆机械臂040在需要喷射砂浆的地方通过喷砂浆机械臂040的运动轨迹，和/或，双自由度移动轮020运动轨迹，将需要铺设地砖的位置喷射砂浆；

第二部铺地砖阶段，喷砂浆机械臂040运动到一个指定位置，铺砖机械臂030将地砖固定平台060叠加的地砖最上面一块进行吸附，根据激光测距仪070测量的距离计算地砖铺设的位置并将地砖进行摆放，下压；

如图5所示，在一优选实施例中，地砖固定平台060包括X方向固定机构061和Y方向固定机构062，其中：X方向固定机构061给所有地砖固定平台060累加的地砖一个X方向的力，使得所有地砖的X方向对齐；Y方向固定机构062给所有地砖固定平台060累加的地砖一个Y方向的力，使得所有地砖的Y方向对齐；X方向固定机构和Y方向固定机构062可以采用旋转电机带动丝杠或蜗轮蜗杆的方式，也可以采用液压直线运动的方式，也可以采用直线气缸的方式进行运动输出。

本发明上述实施例提供的具备全方位移动功能的双臂地砖铺设机器人系统，其结构简单，操作便捷，可以快速移动到地砖铺设场地，通过喷砂浆机械臂进行砂浆喷射，并通过铺砖机械臂将运载的地砖铺设在砂浆表面，具有很好的实用价值和商业前景。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“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。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (10)

1.一种具备全方位移动功能的双臂地砖铺设机器人系统，其特征在于，包括：机器人总基座、双自由度移动轮、铺砖机械臂、喷砂浆机械臂、电控系统、地砖固定平台以及激光测距仪；其中：

所述机器人总基座为一个刚体平台，所述双自由度移动轮、铺砖机械臂、喷砂浆机械臂、电控系统、地砖固定平台以及激光测距仪分别设置于机器人总基座上；

所述地砖固定平台用于摆放地砖，并将摆放后的地砖进行位置固定；

所述激光测距仪测量需铺设地砖的角度和位置，并将测量值发送给电控系统；

所述双自由度移动轮至少为三个，其中每一个双自由度移动轮均包括轴向旋转和径向旋转两个自由度；

所述电控系统根据接收到的所述测量值控制所述双自由度移动轮进行相应的轴向和/或径向旋转，以及控制所述喷砂浆机械臂在铺设地砖前将砂浆喷涂到地面上，和控制所述铺砖机械臂将地砖从地砖固定平台搬运到需铺设的位置以完成地砖铺设动作。

2.根据权利要求1所述的一种具备全方位移动功能的双臂地砖铺设机器人系统，其特征在于，所述电控系统包括电机驱动控制器、铺砖机械臂和喷砂浆机械臂的电机驱动器、铺砖机械臂和喷砂浆机械臂的运动控制器以及总控制器；其中：

所述总控制器根据用户的指令发送控制指令给所述电机驱动控制器驱动控制所述双自由度移动轮的旋转速度以及旋转角度；以及发送控制指令给所述铺砖机械臂和喷砂浆机械臂的运动控制器，由所述铺砖机械臂和喷砂浆机械臂的运动控制器通过所述铺砖机械臂和喷砂浆机械臂的电机驱动器驱动控制铺砖机械臂和喷砂浆机械臂的旋转速度和旋转角度。

3.根据权利要求2所述的一种具备全方位移动功能的双臂地砖铺设机器人系统，其特征在于，所述铺砖机械臂、所述喷砂浆机械臂设有若干关节，每个所述关节设有关节电机，所述关节电机连接所述铺砖机械臂和喷砂浆机械臂的电机驱动器，所述铺砖机械臂和喷砂浆机械臂的运动控制器向所述铺砖机械臂和喷砂浆机械臂的电机驱动器发送指令，所述铺砖机械臂和喷砂浆机械臂的电机驱动器驱动所述铺砖机械臂和喷砂浆机械臂的关节电机按照要求的运动轨迹运动。

4.根据权利要求1所述的一种具备全方位移动功能的双臂地砖铺设机器人系统，其特征在于，所述双自由度移动轮包括：移动轮、轴向旋转电机、L型支架、径向旋转电机、移动轮支撑板、径向缓冲和挂载缓冲；其中：

所述轴向旋转电机的定子固定在L型支架的一边，轴向旋转电机的转子连接移动轮，带动移动轮进行轴向旋转动作；

所述L型支架将移动轮和移动轮支撑板连接，L型支架的另一边固定径向旋转电机的转子；

所述径向旋转电机提供移动轮的径向旋转，径向旋转电机的定子连接移动轮支撑板；

所述移动轮支撑板为一个绕机器人总基座伸出的旋转轴旋转的支撑板，移动轮支撑板通过径向缓冲与L型支架连接；

所述径向缓冲通过弹簧或气压的方式将运动过程中因为地面不平整造成的移动轮径向的振动进行缓冲隔离；

所述挂载缓冲的一端连接移动轮支撑板，挂载缓冲的另一端连接机器人总基座；所述挂载缓冲通过弹簧或气压的方式将运动过程中因为地面不平整造成的移动轮轴向的振动进行缓冲隔离；

所述至少三个双自由度移动轮进行配合，当需要转弯时，所有双自由度移动轮的径向旋转电机旋转到转弯角度，之后通过所有双自由度移动轮的轴向旋转电机的协调旋转，实现无转弯半径的转弯动作。

5.根据权利要求4所述的一种具备全方位移动功能的双臂地砖铺设机器人系统，其特征在于，所述轴向旋转电机和径向旋转电机采用交流伺服电机、直流永磁电机、直流无刷电机、直流步进电机中的任意一种；

所述轴向旋转电机和径向旋转电机直接输出旋转扭矩，或采用行星齿轮、谐波减速器、RV减速器、摆线轮减速器、齿轮减速器中的任意一种将扭矩进行发大后输出旋转扭矩；

所述轴向旋转电机和径向旋转电机采用光电编码器、磁编码器、电位器、旋转变位器中的任意一种进行电机旋转速度的位置的检测。

6.根据权利要求1所述的一种具备全方位移动功能的双臂地砖铺设机器人系统，其特征在于，所述铺砖机械臂采用多自由度串联机械臂，铺砖机械臂的工具末端为启动吸附爪子，将地砖固定平台上叠加的地砖最上面一块吸附并铺设到指定位置。

7.根据权利要求1所述的一种具备全方位移动功能的双臂地砖铺设机器人系统，其特征在于，所述喷砂浆机械臂采用多自由度串联机械臂，喷砂浆机械臂的工具末端为梳状砂浆喷涂口，向地面喷射砂浆。

8.根据权利要求1所述的一种具备全方位移动功能的双臂地砖铺设机器人系统，其特征在于，

喷砂浆阶段，铺砖机械臂运行到地砖固定平台的上方，喷砂浆机械臂在需要喷射砂浆的地方通过喷砂浆机械臂的运动轨迹，和/或，双自由度移动轮的运动轨迹，将需要铺设地砖的位置喷射砂浆；

铺地砖阶段，喷砂浆机械臂运动到一个指定位置，铺砖机械臂将地砖固定平台叠加的地砖最上面一块进行吸附，根据激光测距仪测量的距离计算地砖铺设的位置并将地砖进行摆放、下压。

9.根据权利要求1-8任一项所述的一种具备全方位移动功能的双臂地砖铺设机器人系统，其特征在于，所述地砖固定平台设有X方向固定机构和Y方向固定机构，其中：

所述X方向固定机构向所有地砖固定平台累加的地砖施加一个X方向的力，使得所有地砖的X方向对齐；

所述Y方向固定机构向所有地砖固定平台累加的地砖施加一个Y方向的力，使得所有地砖的Y方向对齐。

10.根据权利要求9所述的一种具备全方位移动功能的双臂地砖铺设机器人系统，其特征在于，所述X方向固定机构和Y方向固定机构采用如下任意一种结构施加力：

-旋转电机带动丝杠或蜗轮蜗杆的结构；

-液压直线运动的结构；

-直线气缸进行运动输出的结构。