CN111300454A - 一种多自由度反向制孔机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多自由度反向制孔机器人，包括Z轴模组、X轴模组、旋转模组和底座，所述Z轴模组上安装有制孔工具，制孔工具的一端通过托块和卡座与第一导向柱相固定，Z轴模组中，第一梯形丝杠副的一端通过螺母与推杆连接，第一梯形丝杠副的外部设置有空心轴推杆，第一梯形丝杠副的下端安装有轴承座。所述Z轴模组安装在X轴模组上，X轴模组采用伺服电机带动第二梯形丝杠副传动，并通过螺母与Z轴模组连接。旋转模组通过伺服电机带减速机与齿轮组配合，提供水平和垂直两个方向的转动。X模组与所述旋转模组水平转向齿轮连接。旋转模组安装在底座上，并可沿底座的垂直旋转轴进行垂直旋转。以上自由度均通过伺服电机控制取得精准定位。

Description

一种多自由度反向制孔机器人

技术领域

本发明涉及智能机器人技术领域，具体为一种多自由度反向制孔机器人。

背景技术

现在圆弧顶的反向钻孔方面多采用人工钻孔，人工钻孔速度慢强度高容易产生疲劳。而自动化钻孔可以做到速度快且可以长时间连续工作，但通过对已有的设备进行简易的改进也无法满足圆弧顶的反向钻孔，如机器人臂无法承受钻孔带来的冲击力并保持相对刚性，三坐标没有旋转轴只能对平顶进行钻孔。市场上也没有一款针对圆弧顶或斜顶钻孔开发的机器人设备。因此市场急需研制一种新型的多自由度反向制孔机器人来帮助人们解决上述存在的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种多自由度反向制孔机器人，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：一种多自由度反向制孔机器人，包括Z轴模组、X轴模组、旋转模组和底座，所述Z轴模组上安装有制孔工具，制孔工具的一端通过托块和卡座与第一导向柱壳体相固定，所述卡座的一端安装有导轨，托块的一端安装有第二导向柱，托块和第二导向柱的外部包裹有螺纹导套，托块与导套的平面间安装有缓冲弹簧，可以通过调节螺纹导套与托块的间距调整缓冲弹簧的缓冲力。

优选的，所述Z轴模组中，第一导向柱壳体，与导向柱封板连接成刚性结构，此刚性结构通过销轴与空心轴推杆连接，空心轴推杆上端由衬套限位和导向，下部与丝杠螺母连接。第一梯形丝杠副与丝杠螺母配合传动。第一梯形丝杠副的下端安装有轴承座，并且下部连接第一减速机。第一减速机的另一侧安装有第一伺服电机。

优选的，所述Z轴模组安装在X轴模组上，X轴模组的一侧安装有第二伺服电机，第二伺服电机通过弹性联轴器与第二梯形丝杠副连接，所述第二梯形丝杠副通过螺母与Z轴模组的框架连接。第二梯形丝杠副的两端由固定轴承座和支承轴承座定位。

优选的，所述X轴模组安装在旋转模组上的第一回转支承上，第一回转支承外侧为齿轮，侧边安装有第三伺服电机，第三伺服电机的一端通过第二减速机与第一齿轮连接。旋转模组的框架上，与第一回转支承的垂直面上安装有外齿圈，外齿圈的中心处设置有转轴。

优选的，所述旋转模组安装在底座上。旋转模组的转轴安装在轴承座中，并可沿其轴线做垂直旋转。底座框架的一侧安装有第四伺服电机，第四伺服电机通过第三减速机与第二齿轮连接。第二齿轮与旋转模组上的外齿圈啮合。

优选的，所述底座的焊接框架的底部四个拐角处安装有支撑脚，框架下部安装有第二回转支承。

优选的，所述Z轴模组上安装随动保护罩，进一步的，随动保护罩上开孔可以使制孔工具的钻头通过。所述X轴模组上安装保护罩。随动保护罩从上方和侧边遮盖住保护罩的中间部分，防尘防水。进一步的，保护罩两侧设计斜角，方便排尘排水。所述旋转模组上安装软性保护罩。三个保罩结合保证设备的上方与侧边四周的防护效果。

优选的，所述底座的一侧安装有按钮盒，按钮盒的一端设置有线路管支架。同时在人员操作底座水平旋转进行对位时可以握住线路管支架进行操作。

优选的，通过对Z轴模组上的第一伺服电机的位置检测和电流突变监测自动判定打孔开始位置，并可按照系统预设孔深自动走完后续钻孔行程。

优选的，通过对打孔过程中Z轴模组上的第一伺服电机的电流突变监测，判定制孔时是否发生打到钢筋、堵转、钻头断裂等故障，并给与相应提示报警。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

（1）首次提出自动化反向钻孔系统，可以实现对天顶的自动反向钻孔。该系统的定位装置具有垂直和水平个方向的位移以及垂直和水平两个方向转动，共4个可主动设定调节的自由度，实现空间平面组孔的位置定位及制孔，这些主动位置和角度测定和调节是利用伺服电机的驱动半闭环控制实现的；

（2）对于空间平面的孔的位置定位，系统可以依靠水平移动和水平转动自由度完成，在此基础上，系统还增加了一个手动（被动）旋转副，配合垂直旋转自由度用于使系统可以调节到曲面顶的相应垂直法线。一般使用时垂直旋转自由度（角度）是来源于原始设计、是已知的，可以人工提前设定；

（3）位移轴均由电机带动梯形丝杠传动，由于梯形丝杠自锁可以做到在钻孔的过程中位移轴不会由于钻孔的冲击力产生位移保证了钻孔时孔的定位精度和孔深尺寸；

（4）在对钢筋混凝土圆弧顶钻孔时会出现钻孔点上有钢筋的情况，容易造成冲击钻和电机的损坏，为解决该问题本发明提出一种安全保护系统，Z轴位移模组带动冲击钻向上进给时，控制系统对Z轴位移模组伺服电机的电流进行监控，当电流在一段时间内持续高于正常钻孔时的电流表明该钻孔点上有钢筋需更改钻孔点，且冲击钻下方设有缓冲装置，在遇到钻孔点上有钢筋的情况下避免了冲击钻本体的破坏；

（5）限制冲击钻的卡座和托块可以进行更换，可对应市场上各种型号的手动冲击钻进行独立设计和替换，这样可以扩展工具的适用范围，可以和客户已经使用的工具统一；

（6）配合这样的自由度配置和结构，系统设计出了紧凑尺寸和顶面覆盖的遮罩，结构简单，起到顶部完全防尘防灰、防水的功能，保护内部设备和机构，提高工作寿命。

附图说明

图1为本发明的结构原理图；

图2为本发明的整体结构(除去防护遮罩)的示意图；

图3为本发明的整体结构(安装上防护遮罩)的示意图；

图4为本发明的垂直运动（Z轴）模组结构剖视图；

图5为本发明的水平平移（X轴）模组结构示意图；

图6为本发明的旋转模组结构示意图；

图7为本发明的底座结构示意图。

图中：1、Z轴模组；2、X轴模组；3、旋转模组；4、底座；5、线路管支架；6、制孔工具；7、随动保护罩；8、保护罩；9、软性保护罩；10、按钮盒；11、卡座；12、托块；13、第二导向柱；14、缓冲弹簧；15、导套；16、导轨；17、第一导向柱壳体；18、导向柱封板；19、衬套；20、第一丝杠副；21、空心轴推杆；22、第一伺服电机；23、第一减速机；24、轴承座；25、安装基座；26、螺母；27、第二丝杠副；28、第一轴承座；29、第二轴承座；30、弹性联轴器；31、第二伺服电机；32、第一回转支承；33、第一齿轮；34、第二减速机；35、第三伺服电机；36、外齿圈；37、转轴；38、第四伺服电机；39、第三减速机；40、第二齿轮；41、支撑脚；42、第二回转支承；43、焊接框架；44、轴承座。

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。

请参阅图1-7，本发明提供的一种实施例：一种多自由度反向制孔机器人，包括Z轴模组1、X轴模组2、旋转模组3和底座4，Z轴模组1上安装有制孔工具6，制孔工具6的一端通过托块12和卡座11与第一导向柱壳体17相固定，卡座11的一端安装有导轨16，托块12的一端安装有第二导向柱13，托块12和第二导向柱13的外部包裹有螺纹导套15，托块12与导套15的平面间安装有缓冲弹簧14，可以通过调节螺纹导套15与托块12的间距调整缓冲弹簧14的缓冲力。

进一步，Z轴模组1中，第一导向柱壳体17，与导向柱封板18连接成刚性结构，此刚性结构通过销轴与空心轴推杆21连接，空心轴推杆21上端由衬套19限位和导向，下部与丝杠螺母25连接。第一梯形丝杠副20与丝杠螺母25配合传动。第一梯形丝杠副20的下端安装有轴承座24，并且下部连接第一减速机23。第一减速机23的另一侧安装有第一伺服电机22。

进一步，Z轴模组1安装在X轴模组2上，X轴模组2的一侧安装有第二伺服电机31，第二伺服电机31通过弹性联轴器30与第二梯形丝杠副27连接，第二梯形丝杠副27通过螺母26与Z轴模组1的框架连接。第二梯形丝杠副27的两端由固定轴承座28和支承轴承座29定位。

进一步，X轴模组2安装在旋转模组3上的第一回转支承32上，第一回转支承32外侧为齿轮，侧边安装有第三伺服电机35，第三伺服电机35的一端通过第二减速机34与第一齿轮33连接。旋转模组3的框架上，与第一回转支承32的垂直面上安装有外齿圈36，外齿圈36的中心处设置有转轴37。

进一步，旋转模组3安装在底座4上。旋转模组3的转轴37安装在轴承座44中，并可沿其轴线做垂直旋转。底座4框架43的一侧安装有第四伺服电机38，第四伺服电机38通过第三减速机39与第二齿轮40连接。第二齿轮40与旋转模组3上的外齿圈36啮合。

进一步，底座4的焊接框架43的底部四个拐角处安装有支撑脚41，框架43下部安装有第二回转支承42。

进一步，Z轴模组1上安装随动保护罩7，进一步的，随动保护罩7上开孔可以使制孔工具6的钻头通过。X轴模组2上安装保护罩8。随动保护罩7从上方和侧边遮盖住保护罩8的中间部分，防尘防水。进一步的，保护罩8两侧设计斜角，方便排尘排水。旋转模组3上安装软性保护罩9。三个保罩结合保证设备的上方与侧边四周的防护效果。

进一步，底座4的一侧安装有按钮盒10，按钮盒10的一端设置有线路管支架5。同时在人员操作底座4水平旋转进行对位时可以握住线路管支架5进行操作。

进一步，通过对Z轴模组1上的第一伺服电机22的位置检测和电流突变监测自动判定打孔开始位置，并可按照系统预设孔深自动走完后续钻孔行程。

进一步，通过对打孔过程中Z轴模组1上的第一伺服电机22的电流突变监测，判定制孔时是否发生打到钢筋、堵转、钻头断裂等故障，并给与相应提示报警。

工作原理：使用时，多自由度反向制孔机器人结构原理如图1所示，可以通过Z轴上下运动实现需求的钻孔深度，水平运动和水平旋转实现了钻孔工具（如冲击钻）钻头在平面可达范围内的位置定位。在对倾斜面或圆弧面打孔时，垂直旋转自由度则可将上部结构调节至与该倾斜面垂直或圆弧面法向平行的角度，以满足打孔工艺的要求。对于4个需要编程控制的方向运动对应设计了4层结构垂直运动Z轴模组1，水平平移X轴模组2，可实现水平旋转（沿Z轴旋转）及垂直旋转（沿X轴旋转）的旋转模组3以及底座4，其内部详细结构分别见图2、图3、4、图5。制孔工具6可以是常用手动冲击钻，也可以是定制工具，安装在垂直运动Z轴模组1上。制孔工具6由托块12和卡座11限制在第一导向柱壳体17上。当第一导向柱壳体17上升或下降时可以带动制孔工具6上升和下降。卡座11安装在导轨16上，并可以在垂直方向上可活动。托块12与第二导向柱13连接，插在带外螺纹的导套15中，导套15螺接在第一导向柱壳体17上。托块12与导套15平面间安装有缓冲弹簧14。这样在制孔过程中，制孔工具6与第一导向柱壳体17之间存在浮动量，通过弹簧的阻尼吸震效果，可以减少制孔时的反向冲击对后面的设备造成破坏，导向柱的升降是通过第一伺服电机22连接第一减速机23传导到梯型第一丝杠副20上，第一丝杠副20的螺母26与空心轴推杆21连接，并进一步与第一导向柱壳体17连接。控制第一伺服电机22的旋转方向、速度、角度即可实现第一导向柱壳体17的升降、升降速度和升降行程，导向柱封板18与第一导向柱壳体17螺纹连接，安装后可以增加第一导向柱壳体17的结构刚性和运动的稳定性，同时可以将结构封闭起来，实现防护内部结构的效果。

进一步的，垂直运动Z轴模组1安装在水平平移X轴模组2上。平移X轴模组2的传动结构见图5。同样由伺服电机31通过弹性联轴器30与梯型第二梯形丝杠副27连接。第二梯形丝杠副27的螺母26连接在垂直运动Z轴模组1的框架上。当第二伺服电机31转动时即可以实现对于整个垂直运动Z轴模组1的前后移动，从而让制孔工具6运动到需要的位置。图4中第二梯形丝杠副27靠两端第一轴承28和第二轴承29实现定位。另外，弹性联轴器30有一定的吸震效果，可以起到保护电机的作用。

进一步的，水平平移X轴模组2安装在旋转模组3上,通过水平旋转和水平平移，垂直运动Z轴模组1可以被带到可达范围内的任意水平位置点，即制孔工具6可以到达可达范围内的任意所需的位置点。水平平移X轴模组2安装在带外齿圈的第一回转支承32上，当第一回转支承32旋转时即可带动水平平移X轴模组2水平旋转。这个旋转通过第三伺服电机35连接第二减速机34在连接到第一齿轮33上，第一齿轮33与第一回转支承32的外圈齿轮啮合来实现。在旋转模组3的框架上，与水平第一回转支承32的垂直面上安装有外齿圈36，外齿圈36与转轴37（两侧各有1个）同心。

进一步的，底座4上，最终与旋转模组3有外齿圈的那侧安装有第四伺服电机38连接第三减速机39并带动输入第二齿轮40的传动结构。安装后，输入第二齿轮40与旋转模组3上的外齿圈啮合。旋转模组3上的转轴37安装在定位轴承座44（两侧各1）内。当控制第四伺服电机38转动时，通过齿轮传动最终可以使旋转模组3沿着转轴进行垂直方向的旋转，进而使整个上部结构都随着旋转。可以实现将制孔工具6的钻头中轴线对齐与斜顶平面法向或圆弧顶面打孔区域的法向上。

进一步的，由于整个设备可以安装在升高平台或工程特种车辆上，当平台移动到工作地点前未必能十分精确地到达制孔位置。通过空间几何，可以知道整套系统实际还缺少一个定位自由度。特别地，当设备工作前，其另一个水平方向（Y向）与斜顶或圆弧顶的Y向不平行时，需要靠人工对这一自由度偏差角进行补偿。故整个设备的底座4安装在第二回转支承42上，第二回转支承42与下部的升高平台或车辆连接。人工可以拖动这个设备进行旋转。当旋转到位后，踩下底座4四边的支撑脚41，增加基座的摩擦阻力和稳定性。

进一步的，在这套设备结构设计方案的基础上，外部可以包覆一套紧凑尺寸和顶面覆盖的遮罩，结构简单，起到顶部完全防尘防灰、防水的功能，保护内部设备和机构，提高工作寿命。随动保护罩7可以随制孔工具6做水平和垂直平移，随工保护罩8安装在水平运动的X轴模组2的框架上，随整个上部结构旋转。软性保护罩9安装在旋转模组3的框架上。机器人垂直旋转时可以随姿态变化始终搭在设备框架上并且能够遮盖住内部机构。

机器人程序上，通过对Z轴模组1上的第一伺服电机22的位置检测和电流突变监测自动判定打孔开始位置，并可按照系统预设孔深自动走完后续钻孔行程。

另外，通过对打孔过程中Z轴模组1上的第一伺服电机22的电流突变监测，判定制孔时是否发生打到钢筋、堵转、钻头断裂等故障，并给与相应提示报警。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

Claims (10)

1.一种多自由度反向制孔机器人，包括Z轴模组（1）、X轴模组（2）、旋转模组（3）和底座（4），其特征在于，所述Z轴模组（1）上安装有制孔工具（6），制孔工具（6）的一端通过托块（12）和卡座（11）与第一导向柱壳体（17）相固定，所述卡座（11）的一端安装有导轨（16），托块（12）的一端安装有第二导向柱（13），托块（12）和第二导向柱（13）的外部包裹有螺纹导套（15），托块（12）与导套（15）的平面间安装有缓冲弹簧（14），可以通过调节螺纹导套（15）与托块（12）的间距调整缓冲弹簧（14）的缓冲力。

2.根据权利要求1所述的一种多自由度反向制孔机器人，所述Z轴模组（1）中，第一导向柱壳体（17），与导向柱封板（18）连接成刚性结构，此刚性结构通过销轴与空心轴推杆（21）连接，空心轴推杆（21）上端由衬套（19）限位和导向，下部与丝杠螺母（25）连接。第一梯形丝杠副（20）与丝杠螺母（25）配合传动。第一梯形丝杠副（20）的下端安装有轴承座（24），并且下部连接第一减速机（23）。第一减速机（23）的另一侧安装有第一伺服电机（22）。

3.根据权利要求1所述的一种多自由度反向制孔机器人，其特征在于：所述Z轴模组（1）安装在X轴模组（2）上，X轴模组（2）的一侧安装有第二伺服电机（31），第二伺服电机（31）通过弹性联轴器（30）与第二梯形丝杠副（27）连接，所述第二梯形丝杠副（27）通过螺母（26）与Z轴模组（1）的框架连接。第二梯形丝杠副（27）的两端由固定轴承座（28）和支承轴承座（29）定位。

4.根据权利要求1所述的一种多自由度反向制孔机器人，其特征在于：所述X轴模组（2）安装在旋转模组（3）上的第一回转支承（32）上，第一回转支承（32）外侧为齿轮，侧边安装有第三伺服电机（35），第三伺服电机（35）的一端通过第二减速机（34）与第一齿轮（33）连接。旋转模组（3）的框架上，与第一回转支承（32）的垂直面上安装有外齿圈（36），外齿圈（36）的中心处设置有转轴（37）。

5.根据权利要求1所述的一种多自由度反向制孔机器人，其特征在于：所述旋转模组（3）安装在底座（4）上。旋转模组（3）的转轴（37）安装在轴承座（44）中，并可沿其轴线做垂直旋转。底座（4）框架（43）的一侧安装有第四伺服电机（38），第四伺服电机（38）通过第三减速机（39）与第二齿轮（40）连接。第二齿轮（40）与旋转模组（3）上的外齿圈（36）啮合。

6.根据权利要求1所述的一种多自由度反向制孔机器人，其特征在于：所述底座（4）的焊接框架（43）的底部四个拐角处安装有支撑脚（41），焊接框架（43）下部安装有第二回转支承（42）。

7.根据权利要求1所述的一种多自由度反向制孔机器人，其特征在于：所述Z轴模组（1）上安装随动保护罩（7），进一步的，随动保护罩（7）上开孔可以使制孔工具（6）的钻头通过。所述X轴模组（2）上安装保护罩（8）。随动保护罩（7）从上方和侧边遮盖住保护罩（8）的中间部分，防尘防水。进一步的，保护罩（8）两侧设计斜角，方便排尘排水。所述旋转模组（3）上安装软性保护罩（9）。三个保罩结合保证设备的上方与侧边四周的防护效果。

8.根据权利要求1所述的一种多自由度反向制孔机器人，其特征在于：所述底座（4）的一侧安装有按钮盒（10），按钮盒（10）的一端设置有线路管支架（5）。同时在人员操作底座（4）水平旋转进行对位时可以握住线路管支架（5）进行操作。

9.根据权利要求1所述的一种多自由度反向制孔机器人，其特征在于：通过对Z轴模组（1）上的第一伺服电机（22）的位置检测和电流突变监测自动判定打孔开始位置，并可按照系统预设孔深自动走完后续钻孔行程。

10.根据权利要求1所述的一种多自由度反向制孔机器人，其特征在于：通过对打孔过程中Z轴模组（1）上的第一伺服电机（22）的电流突变监测，判定制孔时是否发生打到钢筋、堵转、钻头断裂等故障，并给与相应提示报警。

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