CN110722536A - 一种电驱移动式隧道开挖清淤工业机器人装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电驱移动式隧道开挖清淤工业机器人装置和方法，由履带式底盘、蛙腿辅助支撑机构、可回转上车平台、多级伸缩动臂、机械手、水切割机械手、渣土和污水处理系统、新能源行走动力单元、动力网电驱动系统、液压系统、电控系统、遥控器等构成，能够适合隧道作业，蓄电池和交流电混合驱动，高效多能，集液压高频破碎、高压水力切割、在线吸污转运、实时环境监控、视觉识别远程控制等多功能于一体，实现遥控及远程在线监控作业，从而解决现有技术中存在的施工危险、不安全、效率低等问题。

Description

一种电驱移动式隧道开挖清淤工业机器人装置和方法

技术领域

本发明涉及工程施工技术领域，具体为一种电驱移动式隧道开挖清淤工业机器人装置和方法。

背景技术

在隧道开挖、修复工程中，液压破碎锤代替风镐、振动锤、挖掘机等传统设备得到越来越多的应用。但由于是在小范围内施工，往往要先规划好破拆范围，将破拆部位与整体割离后再行破碎，避免破坏非修复范围以外的基体，防止超挖；也有些部位劣化混凝土需要逐层破碎、特定深度破碎，有时还需要对各种材料如超硬岩石、塑料、陶瓷及其他复合材料进行现场切割，这些工作单靠液压破碎锤不能完成，要结合高压水喷射、切割来完成。此外高压水喷射还可以用于船体除锈，修、造船厂目前采用的喷砂除锈工艺工作时会产生大量粉尘，不符合环保要求，高压水喷射除锈可以进行灰尘颗粒回收，做到无尘排放。

液压破碎锤破拆工作的同时需要配套一台渣土转运设备来辅助工作，由于隧道内狭窄，工作时两台设备只能一进一退，轮流替换工作，生产效率很低，施工速度要求在破碎工作完成后及时清走渣土和污水。

在隧道内工作时，用柴油发动机提供动力会导致燃烧不充分，废气排放不畅的问题，且柴油机尾气排放加剧了隧道内环境污染问题。目前隧道施工使用动力电驱动成为首选；但交流电驱动时会有电缆线过长，转场不方便等问题，因此新能源电池驱动成为未来发展方向；但目前全部采用电池供电有结构尺寸过大且成本过高的问题，这种动力供给方式还不能得到广泛推广、应用。

除隧道施工外，液压破碎锤设备也用于其它工程破拆、船体除锈、消防抢险、反恐排爆、地震后救援及抢修重建、局部破损修复等领域，且经常需要拆掉锤头更换上液压剪、抓斗、锯、磨头等其它工具完成剪断、挖取转运、锯断、打磨清洗的工作。

在隧道和高空、危险、应急和有毒环境作业时还要求设备能远程实时监控现场工作情况，便于自动全方位定位及在线远程控制调整工作位置等需求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种适合隧道作业，蓄电池和交流电混合驱动，高效多能，集液压高频破碎、高压水力切割，在线吸污转运和实时环境监控、视觉识别远程控制等多功能于一体的电驱移动式隧道开挖清淤工业机器人装置和方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种电驱移动式隧道开挖清淤工业机器人装置，包括履带式底盘，所述履带式底盘安装在拖车上，拖车上安装回转工作平台，回转工作平台上安装外罩，外罩的底部设置行走动力单元；所述外罩的两侧设有蛙腿辅助支撑机构，蛙腿辅助支撑机构的底部连接在履带式底盘上；所述外罩的顶部还安装有动力电缆线和电控系统，电控系统包括液压泵、多路阀、液压油箱、散热器、电池组及配重；所述外罩顶部的一侧还安装大臂总成，大臂总成连接二级动臂总成，二级动臂总成连接小臂总成，小臂总成通过摆动油缸连接机械快换装置，机械快换装置与小臂总成之间设有快换接头；所述机械快换装置上安装机械手，机械手的两侧设有渣土及污水处理系统和水喷射机械手，渣土及污水处理系统通过管道连接污水箱；

所述水喷射机械手包括高压水喷射头和机座，机座的两侧安装滑道；所述高压水喷射头安装在喷射头固定滑块上，并通过喷射头固定滑块滑动连接在滑道；所述机座一侧的滑道上安装喷射头位移油缸，喷射头位移油缸连接高压水喷射头，高压水喷射头另一端连接高压泵站，在喷射头位移油缸的外侧设有喷射头护罩；所述机座另一侧的滑道上安装吸污管位移油缸，吸污管位移油缸上设有吸污管油缸护罩；所述吸污管位移油缸连接吸污管，吸污管另一端连接吸污泵，吸污泵安装在渣土箱的顶部，渣土箱设置在外罩内。

更进一步地，所述机械手上安装但不局限于水喷射机械手，还包括破拆机械手、剪切机械手、抓取机械手、锯断机械手、打磨机械手和液压锤机械手。

更进一步地，所述行走动力单元采用液压驱动，并由电控系统提供动力来源。

更进一步地，所述回转工作平台通过回转支撑与底盘连接，可360°回转。

更进一步地，所述高压泵站安装在单独的拖车平台上，通过管路、快换接头与高压水喷射头相连。

更进一步地，所述大臂总成、二级动臂总成和小臂总成上均设有油缸，并采用液压驱动，液压系统采用电液比例控制，由便携式遥控器的遥控手柄产生控制信号控制电液比例先导阀输出压力，控制主换向阀阀芯位置，控制液压工作装置的动作及速度，遥控手柄传输控制信号方式分有线与无线传输，无限接收器安装在机架内，接收天线通过磁座放在机体外部。

更进一步地，所述大臂总成、二级动臂总成和小臂总成上安装不少于一个监控摄像头对现场全方位扫描，视觉识别模块同步处理后图像传到显示器，液压锤上装压力传感器，监控现场工作情况，进行远程判断和指挥机械手工作。

更进一步地，所述外罩上安装不少于一个温度、湿度和有害气体浓度检测传感器，通过嗅觉识别周围工作环境并上传网络。

本发明提供另一种技术方案：一种电驱移动式隧道开挖清淤工业机器人操作方法，包括以下步骤：

步骤1)：开机后首先切换到行走模式，此时由电控系统供电，通过逆变器驱动液压泵工作，液压系统驱动行走动力单元行走到指定工作位置；

步骤2)：用动力电缆线接通交流工业电源切换到网电工作模式，此时由动力电供电，而电池组及配重开始充电；放下蛙腿辅助支撑机构，完成工作准备；

步骤3)：各动臂油缸和摆动油缸动作将机械手顶到定位点上，设定机器的定位；

步骤4)：定位完成后，水喷射机械手通过喷射头位移油缸将高压水喷射头从护罩里推出到工作位置，以指定压力喷射出高压水，按程序设定好的形状自动进行切割；

步骤5)：切割完成后，喷射头位移油缸将高压水喷射头从工作位置拉回护罩内，水喷射机械手停止工作；

步骤6)：机械手在范围内开始工作，工作完成后，吸污泵启动工作，吸污管位移油缸将吸污管推出，同时吸污泵开始运转，现场开始吸污；

步骤7)：将渣土及污水吸出并经由吸污管排到污水箱内，经渣水分离后，渣土、碎石过滤出来，污水排放到指定位置，完成动作。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本电驱移动式隧道开挖清淤工业机器人装置和方法，由履带式底盘、蛙腿辅助支撑机构、可回转上车平台、多级伸缩动臂、机械手、水切割机械手、渣土和污水处理系统、新能源行走动力单元、动力网电驱动系统、液压系统、电控系统、遥控器等构成，适合隧道作业，蓄电池和交流电混合驱动，高效多能，集液压高频破碎、高压水力切割、在线吸污转运、实时环境监控、视觉识别远程控制等多功能于一体，实现遥控及远程在线监控作业，从而解决现有技术中存在的施工危险、不安全、效率低等问题。

附图说明

图1为本发明的正视图；

图2为本发明的俯视图；

图3为本发明的多功能机械手工作图。

图中：1、履带式底盘；2、行走动力单元；3、回转工作平台；4、蛙腿辅助支撑机构；5、动力电缆线；6、外罩；7、电控系统；8、大臂总成；9、二级动臂总成；10、小臂总成；11、摆动油缸；12、快换接头；13、机械快换装置；14、机械手；15、渣土及污水处理系统；16、水喷射机械手；17、液压泵；18、多路阀；19、液压油箱；20、散热器；21、电池组及配重；22、喷射头固定滑块；23、高压水喷射头；24、滑道；25、喷射头位移油缸；26、喷射头护罩；27、机座；28、吸污管油缸护罩；29、吸污管位移油缸；30、吸污管；31、高压泵站；32、吸污泵；33、渣土箱；34、拖车；35、污水箱。

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。

请参阅图1-2，本发明实施例中：一种电驱移动式隧道开挖清淤工业机器人装置，包括履带式底盘1，履带式底盘1安装在拖车34上，拖车34上安装回转工作平台3，回转工作平台3上安装外罩6，外罩6的底部设置行走动力单元2；外罩6的两侧设有蛙腿辅助支撑机构4，蛙腿辅助支撑机构4的底部连接在履带式底盘1上；外罩6的顶部还安装有动力电缆线5和电控系统7，电控系统7包括液压泵17、多路阀18、液压油箱19、散热器20、电池组及配重21；外罩6顶部的一侧还安装大臂总成8，大臂总成8连接二级动臂总成9，二级动臂总成9连接小臂总成10，小臂总成10通过摆动油缸11连接机械快换装置13，机械快换装置13通过销轴、摆动油缸11与末端的小臂总成10连接，可上下摆动；机械快换装置13与小臂总成10之间设有快换接头12；机械快换装置13上安装机械手14，机械手14的两侧设有渣土及污水处理系统15和水喷射机械手16，渣土及污水处理系统15通过管道连接污水箱35。

请参阅图3，水喷射机械手16包括高压水喷射头23和机座27，机座27的两侧安装滑道24；高压水喷射头23安装在喷射头固定滑块22上，并通过喷射头固定滑块22滑动连接在滑道24；所述机座27一侧的滑道24上安装喷射头位移油缸25，喷射头位移油缸25连接高压水喷射头23，高压水喷射头23另一端连接高压泵站31，在喷射头位移油缸25的外侧设有喷射头护罩26；所述机座27另一侧的滑道24上安装吸污管位移油缸29，吸污管位移油缸29上设有吸污管油缸护罩28；所述吸污管位移油缸29连接吸污管30，吸污管30另一端连接吸污泵32，吸污泵32安装在渣土箱33的顶部，渣土箱33设置在外罩6内。

在上述实施例中，机械手14上安装但不局限于水喷射机械手16，还包括破拆机械手、剪切机械手、抓取机械手、锯断机械手、打磨机械手和液压锤机械手，从而可形成包括剪断、抓取、锯断、打磨、清洗等各种功能机器人。

在上述实施例中，机械快换装置13通过拆掉现有的机械手14，装360°液压转盘，转盘上装左右摆动油缸11，可分别配液压剪、抓斗、液压锯或磨头等工具，组成全方位自由剪断、抓取、切割、打磨等不同功能机械手。

在上述实施例中，整机为交流电和供电锂电池分别提供工作的混合供电模式，行走动力单元2采用液压驱动，并由电控系统7提供动力来源。

在上述实施例中，回转工作平台3通过回转支撑与底盘连接，可360°回转。

在上述实施例中，高压泵站31安装在单独的拖车平台上，通过管路、快换接头12与高压水喷射头23相连。

在上述实施例中，大臂总成8、二级动臂总成9和小臂总成10上均设有油缸，并采用液压驱动，液压系统采用电液比例控制，由便携式遥控器的遥控手柄产生控制信号控制电液比例先导阀输出压力，控制主换向阀阀芯位置，控制液压工作装置的动作及速度，遥控手柄传输控制信号方式分有线与无线传输，无限接收器安装在机架内，接收天线通过磁座放在机体外部。

在上述实施例中，大臂总成8、二级动臂总成9和小臂总成10上安装不少于一个监控摄像头对现场全方位扫描，视觉识别模块同步处理后图像传到显示器，液压锤上装压力传感器，监控现场工作情况，进行远程判断和指挥机械手工作。

在上述实施例中，外罩6上安装不少于一个温度、湿度和有害气体浓度检测传感器，通过嗅觉识别周围工作环境并上传网络，实现对超限浓度有害气体实时报警功能。

基于上述描述，本发明还提供另一种实施方案：一种电驱移动式隧道开挖清淤工业机器人操作方法，包括以下步骤：

步骤一：开机后首先切换到行走模式，此时由电控系统7供电，通过逆变器驱动液压泵17工作，液压系统驱动行走动力单元2行走到指定工作位置；

步骤二：用动力电缆线5接通交流工业电源切换到网电工作模式，此时由动力电供电，而电池组及配重21开始充电；放下蛙腿辅助支撑机构4，完成工作准备；

步骤三：各动臂油缸和摆动油缸11动作将机械手14顶到定位点上，设定机器的定位；

步骤四：定位完成后，水喷射机械手16通过喷射头位移油缸25将高压水喷射头23从护罩里推出到工作位置，以指定压力喷射出高压水，按程序设定好的形状自动进行切割；

步骤五：切割完成后，喷射头位移油缸25将高压水喷射头23从工作位置拉回护罩内，水喷射机械手16停止工作；

步骤六：机械手14在范围内开始工作，工作完成后，吸污泵32启动工作，吸污管位移油缸29将吸污管30推出，同时吸污泵32开始运转，现场开始吸污；

步骤七：将渣土及污水吸出并经由吸污管30排到污水箱35内，经渣水分离后，渣土、碎石过滤出来，污水排放到指定位置，完成动作。

工作原理：本发明提供的一种电驱移动式隧道开挖清淤工业机器人装置和方法，采用新能源电池做动力来驱动设备行走、移位转场；工作时再用电缆接入动力电到交流电机驱动液压泵17，提供各工作部件工作时所需的高压液压油；破拆机械手、水切割机械手、渣土及污水处理系统15单独或联合工作完成破拆(剪切、抓取、锯断、打磨等)、高压水力切割、渣土和污水转运排放等作业；摄像头和传感器实时采集工作面工作视频及相关参数数据传回操作控制中心，视觉识别模块同步处理后传送图像到显示屏幕上，实现遥控及远程在线监控作业。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种电驱移动式隧道开挖清淤工业机器人装置，包括履带式底盘(1)，其特征在于，所述履带式底盘(1)安装在拖车(34)上，拖车(34)上安装回转工作平台(3)，回转工作平台(3)上安装外罩(6)，外罩(6)的底部设置行走动力单元(2)；所述外罩(6)的两侧设有蛙腿辅助支撑机构(4)，蛙腿辅助支撑机构(4)的底部连接在履带式底盘(1)上；所述外罩(6)的顶部还安装有动力电缆线(5)和电控系统(7)，电控系统(7)包括液压泵(17)、多路阀(18)、液压油箱(19)、散热器(20)、电池组及配重(21)；所述外罩(6)顶部的一侧还安装大臂总成(8)，大臂总成(8)连接二级动臂总成(9)，二级动臂总成(9)连接小臂总成(10)，小臂总成(10)通过摆动油缸(11)连接机械快换装置(13)，机械快换装置(13)与小臂总成(10)之间设有快换接头(12)；所述机械快换装置(13)上安装机械手(14)，机械手(14)的两侧设有渣土及污水处理系统(15)和水喷射机械手(16)，渣土及污水处理系统(15)通过管道连接污水箱(35)；

所述水喷射机械手(16)包括高压水喷射头(23)和机座(27)，机座(27)的两侧安装滑道(24)；所述高压水喷射头(23)安装在喷射头固定滑块(22)上，并通过喷射头固定滑块(22)滑动连接在滑道(24)；所述机座(27)一侧的滑道(24)上安装喷射头位移油缸(25)，喷射头位移油缸(25)连接高压水喷射头(23)，高压水喷射头(23)另一端连接高压泵站(31)，在喷射头位移油缸(25)的外侧设有喷射头护罩(26)；所述机座(27)另一侧的滑道(24)上安装吸污管位移油缸(29)，吸污管位移油缸(29)上设有吸污管油缸护罩(28)；所述吸污管位移油缸(29)连接吸污管(30)，吸污管(30)另一端连接吸污泵(32)，吸污泵(32)安装在渣土箱(33)的顶部，渣土箱(33)设置在外罩(6)内。

2.如权利要求1所述的一种电驱移动式隧道开挖清淤工业机器人装置，其特征在于：所述机械手(14)上安装但不局限于水喷射机械手(16)，还包括破拆机械手、剪切机械手、抓取机械手、锯断机械手、打磨机械手和液压锤机械手。

3.如权利要求1所述的一种电驱移动式隧道开挖清淤工业机器人装置，其特征在于：所述行走动力单元(2)采用液压驱动，并由电控系统(7)提供动力来源。

4.如权利要求1所述的一种电驱移动式隧道开挖清淤工业机器人装置，其特征在于：所述回转工作平台(3)通过回转支撑与底盘连接，可360°回转。

5.如权利要求1所述的一种电驱移动式隧道开挖清淤工业机器人装置，其特征在于：所述高压泵站(31)安装在单独的拖车平台上，通过管路、快换接头(12)与高压水喷射头(23)相连。

6.如权利要求1所述的一种电驱移动式隧道开挖清淤工业机器人装置，其特征在于：所述大臂总成(8)、二级动臂总成(9)和小臂总成(10)上均设有油缸，并采用液压驱动，液压系统采用电液比例控制，由便携式遥控器的遥控手柄产生控制信号控制电液比例先导阀输出压力，控制主换向阀阀芯位置，控制液压工作装置的动作及速度，遥控手柄传输控制信号方式分有线与无线传输，无限接收器安装在机架内，接收天线通过磁座放在机体外部。

7.如权利要求6所述的一种电驱移动式隧道开挖清淤工业机器人装置，其特征在于：所述大臂总成(8)、二级动臂总成(9)和小臂总成(10)上安装不少于一个监控摄像头对现场全方位扫描，视觉识别模块同步处理后图像传到显示器，液压锤上装压力传感器，监控现场工作情况，进行远程判断和指挥机械手工作。

8.如权利要求1所述的一种电驱移动式隧道开挖清淤工业机器人装置，其特征在于：所述外罩(6)上安装不少于一个温度、湿度和有害气体浓度检测传感器，通过嗅觉识别周围工作环境并上传网络。

9.一种如权利要求1所述的电驱移动式隧道开挖清淤工业机器人操作方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1)：开机后首先切换到行走模式，此时由电控系统(7)供电，通过逆变器驱动液压泵(17)工作，液压系统驱动行走动力单元(2)行走到指定工作位置；

步骤2)：用动力电缆线(5)接通交流工业电源切换到网电工作模式，此时由动力电供电，而电池组及配重(21)开始充电；放下蛙腿辅助支撑机构(4)，完成工作准备；

步骤3)：各动臂油缸和摆动油缸(11)动作将机械手(14)顶到定位点上，设定机器的定位；

步骤4)：定位完成后，水喷射机械手(16)通过喷射头位移油缸(25)将高压水喷射头(23)从护罩里推出到工作位置，以指定压力喷射出高压水，按程序设定好的形状自动进行切割；

步骤5)：切割完成后，喷射头位移油缸(25)将高压水喷射头(23)从工作位置拉回护罩内，水喷射机械手(16)停止工作；

步骤6)：机械手(14)在范围内开始工作，工作完成后，吸污泵(32)启动工作，吸污管位移油缸(29)将吸污管(30)推出，同时吸污泵(32)开始运转，现场开始吸污；

步骤7)：将渣土及污水吸出并经由吸污管(30)排到污水箱(35)内，经渣水分离后，渣土、碎石过滤出来，污水排放到指定位置，完成动作。

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