CN110666825B - 换刀机器人用多自由度末端执行器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种换刀机器人用多自由度末端执行器，解决了现有技术中换刀机器人用末端执行机构换刀功能单一、换刀效率低的问题。本发明包括多自由度调节平台、连接箱体和夹持机构，连接箱体与多自由度调节平台相连接，夹持机构安装在连接箱体上，连接箱体上还设有高压清洗机构、螺栓松紧机构和图像采集机构。本发明设计巧妙，结构集成度高，运动灵活，可对刀具进行夹取吊装、螺栓松紧、高压清洗，同时还可以图像采集，实时监测，提高换刀效率和操作安全系数，具有较高的推广价值。

Description

换刀机器人用多自由度末端执行器

技术领域

本发明涉及盾构换刀技术领域，特别是指一种换刀机器人用多自由度末端执行器。

背景技术

全断面掘进机施工过程中刀具消耗大、更换频繁，现有技术中经常是人工换刀，而人工换刀作业难度大，效率低，而且极易发生安全事故。为保证施工人员的人身安全，避免繁琐的人工换刀，提高换刀效率，节省物力和财力，用换刀机器人代替人工进行盾构机换刀成为目前的一项研究课题。

但是现阶段对换刀机器人的研究较少，尤其是换刀机器人用末端执行机构，现有的末端执行机构功能单一，末端执行机构在执行动作时，只是对刀具拿取吊远，而刀具上的螺栓或螺母仍是人工拆装。且在末端执行机构在执行动作时，夹爪组件其位置不可调，运动方向固定，对不同位置的滚刀夹取不方便，此外，图像的采集范围受限，不能准确把握更换工况，换刀灵活性和换刀效率不高，且不能对刀具进行适时清洗，影响更换效率。综上，需要对换刀机器人用末端执行机构做进一步改进和合理设计，以提高其对刀具的更换效率。

发明内容

针对上述背景技术中的不足，本发明提出一种换刀机器人用多自由度末端执行器，解决了现有技术中换刀机器人用末端执行机构换刀功能单一、换刀效率低的问题。

本发明的技术方案是这样实现的：一种换刀机器人用多自由度末端执行器，包括多自由度调节平台、连接箱体和夹持机构，连接箱体与多自由度调节平台相连接，夹持机构安装在连接箱体上，连接箱体上还设有高压清洗机构、螺栓松紧机构和图像采集机构。

所述多自由度调节平台包括定平台Ⅰ和动平台Ⅰ，动平台Ⅰ通过并联油缸组与定平台Ⅰ相连接，动平台Ⅰ与箱体固定连接。

所述并联油缸组包括至少两个油缸，油缸倾斜设置，油缸的两端通过球铰接分别与定平台Ⅰ和动平台Ⅰ连接。

所述夹持机构包括固定爪和移动爪，移动爪与固定爪铰接且通过夹紧油缸实现开合，固定爪的顶部与滑移驱动机构连接。

所述滑移驱动机构包括导轨，导轨固定在连接箱体内，导轨上滑动设有滑块，滑块与固定爪固定连接，滑块上铰接有移动油缸，移动油缸推动滑块沿导轨移动。

所述固定爪和移动爪均为具有弧度的U形夹爪，移动爪通过销轴与固定爪连接；固定爪的夹持端与移动爪的夹持端呈抱合状态，且固定爪夹持端的内壁与移动爪夹持端的内壁上均设有卡紧槽。

所述高压清洗机构包括喷嘴接头和接口管道，喷嘴接头套设在接口管道内且向上穿过连接箱体，喷嘴接头的上部设有高压喷嘴，接口管道固定在连接箱体内部且与外部水源相连接。

所述喷嘴接头的两侧设有滚轮支架，滚轮支架与连接箱体固定连接，滚轮支架上设有滚轮，滚轮的轮轴与固定在连接箱体上的喷嘴电机相连接，滚轮与喷嘴接头摩擦接触且滚轮转动能带动喷嘴接头上下移动。

所述螺栓松紧机构包括扭矩驱动件、扭矩扳手和柔性末端机构，扭矩驱动件通过连杆机构与扭矩扳手相连接，扭矩驱动件、连杆机构和扭矩扳手位于连接箱体内，柔性末端机构伸出连接箱体，扭矩扳手的一端与柔性末端机构连接，扭矩驱动件通过连杆机构和扭矩扳手带动柔性末端机构转动。

所述柔性末端机构包括外套筒、中间套筒和中心套筒，中间套筒套设在外套筒内部且通过第一螺栓与外套筒相连接，中心套筒套设在中间套筒内部且通过第二螺栓与中间套筒连接，中心套筒上设有螺母形卡槽。

所述外套筒、中间套筒和中心套筒同轴线设置，外套筒和中间套筒及中间套筒和中心套筒均设有径向弹簧；所述外套筒的顶部设有减速机，减速机的输出轴与外套筒固定连接，减速机的输入轴与扭矩扳手固定连接。

所述所述连杆机构包括一个连接板和两个连接杆，连接板与扭矩驱动件固定连接，连接杆的一端与连接板铰接、另一端设有十字连接座；连接杆通过十字连接座与扭矩扳手固定连接，十字连接座的外端部设有预定位推杆，预定位推杆与设置在连接箱体内的凸块相对应。

所述图像采集机构包括摄像机和倾角调节平台，倾角调节平台位于连接箱体内且向上伸出连接箱体；摄像机设置在倾角调节平台的上部，所述倾角调节平台包括定平台和动平台，定平台和动平台之间设有摆动升降机构，摆动升降机构带动动平台摆动和升降。

所述摆动升降机构包括伸缩件和中心柱，中心柱固定垂直设置在动平台的下部，且位于动平台的中心位置，所述定平台上固定设有轴套，中心柱的下部位于轴套内；伸缩件的两端分别与定平台和动平台铰接，且伸缩件位于中心柱的四周。

本发明连接箱体通过多自由度调节平台带动夹爪升降、转动，对夹爪的位置和角度进行调节，以适应不同位置刀具的拆装更换。螺栓松紧机构的柔性末端机构采用同轴线设置的三套筒件，相邻两个套筒之间有弹簧相连，可保证静止状态下两个套筒的同轴度，实现快速定位和对螺栓或螺母的快速卡接配合，实现安全高效作业，提高工作效率。图像采集机构采用多自由度调节平台和旋转机构配合使用，多自由度调节平台能带动摄像机摆动和升降；旋转机构带动摄像机进行周向转动；实现摄像机自身位置和角度的调节，便于快速对焦，叠加换刀机器人末端执行机构的运动，满足多自由度调节摄像位置，增大图像采集的范围。高压清洗机构的喷嘴电机带动滚轮转动，与喷嘴接头产生摩擦带动喷嘴接头上下移动，从而实现喷嘴接头在接口管道中的上下移动，以适应于不同位置的刀具的清洗。本发明设计巧妙，结构集成度高，运动灵活，可对刀具进行夹取吊装、螺栓松紧、高压清洗，同时还可以图像采集，实时监测，提高换刀效率和操作安全系数，具有较高的推广价值。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明整体结构示意图。

图2为本发明多自由度调节平台结构示意图。

图3为本发明夹持机构结构示意。

图4为本发明高压清洗机构结构示意图。

图5为本发明高压清洗机构剖视示意图。

图6为本发明图像采集机构结构示意图。

图7为本发明倾角调节平台结构示意图。

图8为本发明螺栓松紧机构结构示意图。

图9为本发明柔性末端机构内部结构示意图。

图10为本发明连接箱体剖视示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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付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。

如图1所示，实施例1，一种换刀机器人用多自由度末端执行器，包括多自由度调节平台201、连接箱体206和夹持机构202，连接箱体206与多自由度调节平台201相连接，多自由度调节平台可进行摆动和升降，在多自由度调节平台的作用下连接箱体206能进行相应的同步动作。夹持机构202安装在连接箱体206上，连接箱体206上还设有高压清洗机构203、螺栓松紧机构204和图像采集机构205。夹持机构用于对刀具的夹取吊运；图像采集机构用于对末端执行机构执行动作时图像的采集，便于直观检测。螺栓松紧机构用于对安装刀具用的螺栓旋拧；高压清洗机构用于对待更换的刀具的清洗。夹持机构、图像采集机构、螺栓松紧机构和高压清洗机构位于连接箱体的同一板面上，五个部件配合使用，实现对刀具的高效安全更换。

进一步，如图2所示，所述多自由度调节平台201包括定平台Ⅰ2011和动平台Ⅰ2012，动平台Ⅰ2012通过并联油缸组2013与定平台Ⅰ2011相连接，动平台Ⅰ2012与连接箱体206固定连接。并联油缸组的多个油缸配合伸缩，实现对连接箱体高度和角度的调节，使夹持机构202、高压清洗机构203、螺栓松紧机构204和图像采集机构205位于合适位置，对刀具进行快速安全更换。所述并联油缸组2013包括至少两个油缸，优选地设置6个油缸，6个油缸倾斜设置，即6个油缸自称类锥形，油缸的两端通过球铰接2014分别与定平台Ⅰ2011和动平台Ⅰ2012连接，通过6个油缸的伸缩配合，带动动平台进行升降或旋转或倾斜角度调节，以适应不同位置的滚刀。

实施例2，如图3所示，一种换刀机器人用多自由度末端执行器，所述夹持机构202包括固定爪101和移动爪102，移动爪102与固定爪101铰接且通过夹紧油缸108实现开合，即在夹紧油缸的伸缩作用下，移动爪相对固定爪移动，实现对刀具的抓紧与否。固定爪101的顶部与滑移驱动机构连接。在滑移驱动机构的作用下固定爪和移动爪能进行滑移平动，实现其位置的改变，以适应不同位置刀具的拆装更换。

优选地，所述滑移驱动机构包括导轨105，导轨105固定在连接箱体206内，导轨105上滑动设有滑块103，滑块103与固定爪101固定连接，滑块103上铰接有移动油缸106，移动油缸106推动滑块103沿导轨105移动。夹爪组件位置调节时，控制移动油缸伸缩，推动滑块带动固定夹爪沿导轨移动，实现其水平轴向位置的调节。滑块103为凹字型座，凹字型座扣合在导轨的梯形槽上，保持凹字型座的稳定性，同时实现移动油缸的不干涉连接和平稳伸缩。所述固定爪101和移动爪102均为具有弧度的U形夹爪，使夹爪具有同步运动的两个夹持指，分别夹持在刀具的两侧，实现平稳牢固夹持。移动爪102通过销轴104与固定爪101连接；在加紧油缸的作用下移动爪绕销轴相对固定爪移动，实现其夹爪的开合。固定爪101的夹持端与移动爪102的夹持端呈抱合状态，且固定爪101夹持端的内壁与移动爪102夹持端的内壁上均设有卡紧槽109。卡紧槽与刀具的刀轴相配合，使夹爪能牢固卡住刀轴，防止在夹取过程中出现滑动。夹紧油缸的一端铰接在固定爪101上的凹槽内、另一端铰接在移动爪102上的凹槽内，使夹紧油缸的表面不超过固定爪和移动爪的外表面，防止夹取过程中夹紧油缸与其他固定部件产生干涉，提高夹爪的灵活性。

其他结果与实施例1。

实施例3，如图4所示，一种换刀机器人用多自由度末端执行器，所述高压清洗机构203包括喷嘴接头302和接口管道303，喷嘴接头302套设在接口管道303内且向上穿过连接箱体206，喷嘴接头302与接口管道303密封连接，喷嘴接头302能与接口管道303发生上下移动，实现喷嘴接头302的伸缩。喷嘴接头302的上部设有高压喷嘴301，接口管道303固定在连接箱体206内部且与外部水源相连接。外部水源经接口管道进入喷嘴接头，然后经高压喷嘴向外喷出，对指定的刀具进行清刷，便于拆卸。

优选地，如图5所示，所述喷嘴接头302的两侧设有滚轮支架304，滚轮支架304与连接箱体206固定连接，滚轮支架304上设有滚轮305，滚轮305采用橡胶轮或其他具有一定摩擦力的滚轮。滚轮305的轮轴与固定在连接箱体206上的喷嘴电机306相连接，滚轮305与喷嘴接头302摩擦接触且滚轮305转动能带动喷嘴接头302上下移动。使用时，喷嘴电机带动滚轮转动，与喷嘴接头产生摩擦带动喷嘴接头上下移动，从而实现喷嘴接头在接口管道中的上下移动，以适应于不同位置的刀具的清洗。

进一步，如图6、7所示，所述图像采集机构205包括摄像机5-201和倾角调节平台5-202，倾角调节平台5-202位于连接箱体206内且向上伸出连接箱体206与夹爪组件相对应的一面；摄像机5-201设置在倾角调节平台5-202的上部，倾角调节平台能带动摄像机摆动和升降，实现其自身位置和角度的调节。所述倾角调节平台5-202包括定平台2-1和动平台2-2，定平台2-1和动平台2-2之间设有摆动升降机构，摆动升降机构带动动平台2-2摆动和升降。摆动升降机构带动动平台2-2摆动和升降。即在摆动升降机构的作用下，动平台可倾斜摆动和升降，使上部的摄像机自身转动，便于快速对焦，且不仅限于换刀机器人末端执行机构的运动，增大图像采集的范围。

优选地，所述摆动升降机构包括伸缩件2-3和中心柱2-4，中心柱2-4固定垂直设置在动平台2-2的下部，且位于动平台2-2的中心位置，伸缩件203有多个且设置在动平台的外圆周上，伸缩件203采用伸缩油缸或伸缩气缸。所述定平台2-1上固定设有轴套2-5，中心柱2-4的下部位于轴套2-5内；中心柱204的下部可在轴套中上下滑动和转动，用于随动支撑动平台。伸缩件2-3的两端分别与定平台2-1和动平台2-2铰接，且伸缩件2-3位于中心柱2-4的四周。伸缩件可以有四个，通过不同位置的伸缩件的伸缩，实现动平台倾斜度、倾斜方向的调节和高度的调节，使动平台上的摄像机运动更灵活，便于快速对焦和图像采集。

其他结构与实施例2相同。

实施例4，如图8所示，一种换刀机器人用多自由度末端执行器，所述螺栓松紧机构204包括扭矩驱动件401、扭矩扳手404和柔性末端机构406，扭矩驱动件401通过连杆机构402与扭矩扳手404相连接，扭矩驱动件401、连杆机构402和扭矩扳手404位于连接箱体206内，扭矩驱动件401的一端固定在连接箱体上，扭矩驱动件可采用液压油缸。柔性末端机构406伸出连接箱体206，扭矩扳手404的一端与柔性末端机构406连接，扭矩驱动件通过连杆机构带动扭矩扳手转动。扭矩驱动件401通过连杆机构402和扭矩扳手404带动柔性末端机构406转动。使用时，柔性末端机构卡住安装刀具的螺栓，然后扭矩驱动件401通过连杆机构402和扭矩扳手404带动柔性末端机构406转动，对相应的螺栓或螺母转动，实现对螺栓的拧紧与否，实现对刀具的快速更换。

优选地，如图9所示，所述柔性末端机构406包括外套筒4061、中间套筒4062和中心套筒4063，中间套筒4062套设在外套筒4061内部且通过第一螺栓4066与外套筒4061相连接，与第二螺栓相对应的外套筒壁上设有开槽，便于第二螺栓的安装。中心套筒4063套设在中间套筒4062内部且通过第二螺栓4064与中间套筒4062连接，中心套筒4063上设有螺母形卡槽4067。在扭矩扳手的作用下，中间套筒可在外套筒中绕第一螺栓轴轻微转动，同时两套筒之间有弹簧相连，可保证静止状态下两个套筒的同轴度；同理，中间套筒和中心套筒之间的连接也是如此。

优选地，如图10所示，所述外套筒4061、中间套筒4062和中心套筒4063同轴线设置，保证三个套筒安装的同轴度。外套筒4061和中间套筒4062及中间套筒4062和中心套筒4063均设有径向弹簧4065；径向弹簧径向设置在相邻两个套筒之间，可保证静止状态下两个套筒的同轴度，实现快速定位和对螺栓或螺母的快速卡接配合。所述外套筒4061的顶部设有减速机405，减速机405的输出轴与外套筒4061固定连接，减速机405的输入轴与扭矩扳手404固定连接。扭矩扳手通过减速机与柔性末端机构的外套筒固定连接，实现扭矩驱动件的小伸缩产生柔性末端机构的大扭矩，提高对螺栓拧紧（或拧松）的工作效率。

优选地，连杆机构402包括一个连接板4021和两个连接杆4022，连接板4021与扭矩驱动件401固定连接，两个连接杆4022对称设置在连接板4021的两侧，相应的设置两个柔性末端机构，分别对应刀具两侧的螺栓或螺母。连接杆4022的一端与连接板4021铰接、另一端设有十字连接座4023；连接杆4022通过十字连接座4023与扭矩扳手404固定连接，十字连接座4023的外端部设有预定位推杆4024，预定位推杆4024与设置在连接箱体502内的凸块4025相对应。即连接杆4022与扭矩扳手404垂直设置，分别固定在十字连接座的两侧，预定位推杆与连接箱体502内的凸块配合，用于定位扭矩扳手转动的角度，当扭矩驱动件运动到极限位置时，预定位推杆与凸块接触，凸块挤压预定位推杆，可使扭矩扳手内部的棘轮机构换向，每一次接触，都会使棘轮机构换向一次，实现螺母的拧紧与放松。

其他结构与实施例3相同。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (13)

1.一种换刀机器人用多自由度末端执行器，其特征在于：包括多自由度调节平台（201）、连接箱体（206）和夹持机构（202），连接箱体（206）与多自由度调节平台（201）相连接，夹持机构（202）安装在连接箱体（206）上，连接箱体（206）上还设有高压清洗机构（203）、螺栓松紧机构（204）和图像采集机构（205）；

所述螺栓松紧机构（204）包括扭矩驱动件（401）、扭矩扳手（404）和柔性末端机构（406），扭矩驱动件（401）通过连杆机构（402）与扭矩扳手（404）相连接，扭矩扳手（404）的一端与柔性末端机构（406）连接；所述柔性末端机构（406）包括外套筒（4061）、中间套筒（4062）和中心套筒（4063），中间套筒（4062）套设在外套筒（4061）内部且通过第一螺栓（4066）与外套筒（4061）相连接，中心套筒（4063）套设在中间套筒（4062）内部且通过第二螺栓（4064）与中间套筒（4062）连接，中心套筒（4063）上设有螺母形卡槽（4067）。

2.根据权利要求1所述的换刀机器人用多自由度末端执行器，其特征在于：所述多自由度调节平台（201）包括定平台Ⅰ（2011）和动平台Ⅰ（2012），动平台Ⅰ（2012）通过并联油缸组（2013）与定平台Ⅰ（2011）相连接，动平台Ⅰ（2012）与连接箱体（206）固定连接。

3.根据权利要求2所述的换刀机器人用多自由度末端执行器，其特征在于：所述并联油缸组（2013）包括至少两个油缸，油缸倾斜设置，油缸的两端通过球铰接分别与定平台Ⅰ（2011）和动平台Ⅰ（2012）连接。

4.根据权利要求1或2或3所述的换刀机器人用多自由度末端执行器，其特征在于：所述夹持机构（202）包括固定爪（101）和移动爪（102），移动爪（102）与固定爪（101）铰接且通过夹紧油缸（108）实现开合，固定爪（101）的顶部与滑移驱动机构连接。

5.根据权利要求4所述的换刀机器人用多自由度末端执行器，其特征在于：所述滑移驱动机构包括导轨（105），导轨（105）固定在连接箱体（206）内，导轨（105）上滑动设有滑块（103），滑块（103）与固定爪（101）固定连接，滑块（103）上铰接有移动油缸（106），移动油缸（106）推动滑块（103）沿导轨（105）移动。

6.根据权利要求5所述的换刀机器人用多自由度末端执行器，其特征在于：所述固定爪（101）和移动爪（102）均为具有弧度的U形夹爪，移动爪（102）通过销轴（104）与固定爪（101）连接；固定爪（101）的夹持端与移动爪（102）的夹持端呈抱合状态，且固定爪（101）夹持端的内壁与移动爪（102）夹持端的内壁上均设有卡紧槽（109）。

7.根据权利要求1或5或6所述的换刀机器人用多自由度末端执行器，其特征在于：所述高压清洗机构（203）包括喷嘴接头（302）和接口管道（303），喷嘴接头（302）套设在接口管道（303）内且向上穿过连接箱体（206），喷嘴接头（302）的上部设有高压喷嘴（301），接口管道（303）固定在连接箱体（206）内部且与外部水源相连接。

8.根据权利要求7所述的换刀机器人用多自由度末端执行器，其特征在于：所述喷嘴接头（302）的两侧设有滚轮支架（304），滚轮支架（304）与连接箱体（206）固定连接，滚轮支架（304）上设有滚轮（305），滚轮（305）的轮轴与固定在连接箱体（206）上的喷嘴电机（306）相连接，滚轮（305）与喷嘴接头（302）摩擦接触且滚轮（305）转动能带动喷嘴接头（302）上下移动。

9.根据权利要求1或8所述的换刀机器人用多自由度末端执行器，其特征在于：所述扭矩驱动件（401）、连杆机构（402）和扭矩扳手（404）位于连接箱体（206）内，柔性末端机构（406）伸出连接箱体（206），扭矩驱动件（401）通过连杆机构（402）和扭矩扳手（404）带动柔性末端机构（406）转动。

10.根据权利要求9所述的换刀机器人用多自由度末端执行器，其特征在于：所述外套筒（4061）、中间套筒（4062）和中心套筒（4063）同轴线设置，外套筒（4061）和中间套筒（4062）及中间套筒（4062）和中心套筒（4063）均设有径向弹簧（4065）；所述外套筒（4061）的顶部设有减速机（405），减速机（405）的输出轴与外套筒（4061）固定连接，减速机（405）的输入轴与扭矩扳手（404）固定连接。

11.根据权利要求10所述的换刀机器人用多自由度末端执行器，其特征在于：所述连杆机构（402）包括一个连接板（4021）和两个连接杆（4022），连接板（4021）与扭矩驱动件（401）固定连接，连接杆（4022）的一端与连接板（4021）铰接、另一端设有十字连接座（4023）；连接杆（4022）通过十字连接座（4023）与扭矩扳手（404）固定连接，十字连接座（4023）的外端部设有预定位推杆（4024），预定位推杆（4024）与设置在连接箱体（206）内的凸块（4025）相对应。

12.根据权利要求1或10或11所述的换刀机器人用多自由度末端执行器，其特征在于：所述图像采集机构（205）包括摄像机（5-201）和倾角调节平台（5-202），倾角调节平台（5-202）位于连接箱体（206）内且向上伸出连接箱体（206）；摄像机（5-201）设置在倾角调节平台（5-202）的上部，所述倾角调节平台（5-202）包括定平台（2-1）和动平台（2-2），定平台（2-1）和动平台（2-2）之间设有摆动升降机构，摆动升降机构带动动平台（2-2）摆动和升降。

13.根据权利要求12所述的换刀机器人用多自由度末端执行器，其特征在于：所述摆动升降机构包括伸缩件（2-3）和中心柱（2-4），中心柱（2-4）固定垂直设置在动平台（2-2）的下部，且位于动平台（2-2）的中心位置，所述定平台（2-1）上固定设有轴套（2-5），中心柱（2-4）的下部位于轴套（2-5）内；伸缩件（2-3）的两端分别与定平台（2-1）和动平台（2-2）铰接，且伸缩件（2-3）位于中心柱（2-4）的四周。