CN111456772B - 一种具有立拱、喷浆、焊接多功能的智能支护机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有立拱、喷浆、焊接多功能的智能支护机器人，解决了现有技术中隧道支护工序分散、支护效率低的问题。本发明包括移动车体，移动车体上设有至少两个回转支撑，回转支撑上设有机械手，机械手上设有抓取机构和/或喷浆机构和/或测量机构和/或支护机构。本发明通过抓取机构、喷浆机构、测量机构和支护机构的相互配合，形成集立拱、喷浆、焊接等功能于一体的智能支护机器人，可实现钢拱架自动拼装、隧道表面扫描、智能喷浆、钢筋网支护、岩体打锚杆等多种支护作业功能，整机具有高度集成化、智能化的特点。

Description

一种具有立拱、喷浆、焊接多功能的智能支护机器人

技术领域

本发明涉及隧道施工技术领域，特别是指一种具有立拱、喷浆、焊接多功能的智能支护机器人。

背景技术

隧道支护是隧道施工中的关键性步骤，作业内容主要包括钢拱架拼装、钢管片拼装、挂钢筋网（排）、焊接、喷浆等。目前这些作业内容主要靠多种机械交替施工，且需要大量的人工辅助工作，整体耗时长、环境差、成本高，且对人工操作水平和经验要求较高，隧道最终成型质量难以保证。近年来随着科技的发展逐步出现了智能喷浆、拼装方面的相关研究，多采用激光三维扫描仪对隧道轮廓进行建模，如申请号 201910567117 .0的一种智能喷浆系统及其喷浆支护方法，但其具有数据处理量极大、数据处理算法难度较高、设备成本高等问题，其不能同时进行成型、拼装操作，所以目前尚未成熟应用于隧道混喷支护。因此，设计一种能解决当下隧道支护混喷作业遇到的人工难、质量差、成本高等问题，且能满足多种不同隧道支护需求的机器人很有必要。

发明内容

针对上述背景技术中的不足，本发明提出一种具有立拱、喷浆、焊接多功能的智能支护机器人，解决了现有技术中隧道支护工序分散、支护效率低的问题。

本发明的技术方案是这样实现的：一种具有立拱、喷浆、焊接多功能的智能支护机器人，包括移动车体，移动车体上设有至少两个回转支撑，回转支撑上设有机械手，机械手上设有抓取机构和/或喷浆机构和/或测量机构和/或支护机构。

所述移动车体上设有两个回转支撑，两个回转支撑分别通过轴向移动机构与移动车体相连接。

所述两个回转支撑分别为前回转支撑和后回转支撑，位于前回转支撑上的机械手连接有抓取机构，位于后回转支撑上的机械手分别连接喷浆机构、测量机构、支护机构。

所述轴向移动机构包括设置在回转支撑上的驱动装置，驱动装置的输出轴上设有齿轮，齿轮与固定在移动车体上的齿条啮合。

所述抓取机构为真空吸盘或电磁吸盘或夹爪组件。

所述喷浆机构包括喷浆嘴，喷浆嘴活动设置在机械手上，且通过喷浆管道与混喷泵相连接；所述测量机构包括测量传感器，测量传感器活动设置在机械手上，且与后台控制器相连接；所述测量传感器为激光传感器或超声传感器。

所述支护机构包括自动焊枪，自动焊枪活动设置在机械手上，支护机构所在的回转支撑上设有锚杆钻机。

所述喷浆机构、测量机构、支护机构同环设置在同一回转支撑上。

所述移动车体的内部设有辅助系统，移动车体的外侧设有激光测距传感器。

本发明通过抓取机构、喷浆机构、测量机构和支护机构的相互配合，形成集立拱、喷浆、焊接等功能于一体的智能支护机器人，可实现钢拱架自动拼装、隧道表面扫描、智能喷浆、钢筋网支护、岩体打锚杆等多种支护作业功能，整机具有高度集成化、智能化的特点，用于解决当下隧道支护作业遇到的人工难、质量差、成本高等问题。本发明具有自由度多，工作空间大的特点，可以适应不同隧道断面形状和大小，单套装置可以满足多种不同隧道支护需求，具有较高的实用性和推广价值。

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为本发明对钢拱架拼装状态示意图。

图2为本发明机械手结构示意图。

图3为锚杆钻机与回转支撑连接示意图。

图4为本发明对管片拼装状态示意图。

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1，一种具有立拱、喷浆、焊接多功能的智能支护机器人，包括移动车体1，移动车体1上设有至少两个回转支撑4，移动车体穿过回转支撑4，回转支撑形成完整的圆形，回转支撑包括固定环架和转动环架，固定环架上设有旋转驱动，旋转驱动通过齿轮副与转动环架相连接，带动转动环架沿固定架进行±180°回转，机械手设置在转动环架上随其进行同步转动。回转支撑能相对移动车体轴向运动，实现其位置的调节，回转支撑4上设有多个机械手5，机械手5上设有抓取机构和/或喷浆机构和/或测量机构和/或支护机构。所述喷浆机构、测量机构、支护机构同环设置在同一回转支撑4上。测量机构、喷浆机构和支护机构可设置在一个机械手上，也可通过不同机械手连接在回转支撑上。

进一步，所述抓取机构为真空吸盘或电磁吸盘或夹爪组件，用于抓取钢拱13或管片。所述喷浆机构包括喷浆嘴8，喷浆嘴8活动设置在机械手5上，且通过喷浆管道与混喷泵相连接。所述测量传感器9为激光传感器或超声传感器。所述喷浆嘴能相对机械臂进行转动和平动，用于其位姿的调节。喷浆嘴8通过喷浆管道与混喷泵相连接，混喷泵与浆液源相连接，混喷泵用来提供混喷作业所需的工作压力，调节喷浆嘴8的喷射速率和流量。所述测量机构包括测量传感器9，所述测量传感器9为激光传感器或超声传感器，用于测量洞壁的表面数据（光滑度或表面的高度信息）的采集；测量传感器9活动设置在机械手上，可进行位姿的调节，测量传感器与后台控制器相连接，后台控制器控制回转支撑的转动和轴向移动。所述支护机构包括自动焊枪10，自动焊枪10活动设置在机械手5上，可进行位姿的调节，支护机构所在的回转支撑4上设有锚杆钻机6。通过抓取机构、喷浆机构、测量机构和支护机构的相互配合，实现在隧道施工过程中，先立拱再焊接（或管片拼装），然后再智能混喷支护，整个支护装置集成度高，一次支护到位，提高支护效率。

实施例2，一种具有立拱、喷浆、焊接多功能的智能支护机器人，所述移动车体1上设有两个回转支撑4，两个回转支撑4分别通过轴向移动机构与移动车体1相连接。所述轴向移动机构包括设置在回转支撑4上的驱动装置11，驱动装置11的输出轴上设有齿轮，齿轮与固定在移动车体1上的齿条7啮合。驱动装置采用电机或马达，驱动装置转动，带动齿轮沿齿条转动，进而带动回转支撑沿移动车体运动，实现回转支撑整体位置的调节。

进一步，如图3、4所示，所述两个回转支撑4分别为前回转支撑401和后回转支撑402，位于前回转支撑401上的机械手5连接有抓取机构，可用来抓取钢拱架、钢筋网、钢管片等支撑结构，用于对钢拱架（或管片15的拼装）。位于后回转支撑402上的机械手5分别连接喷浆机构、测量机构、支护机构。即后回转支撑402上有三个机械手，机械手末端分别夹持焊枪10、测量传感器9、喷浆嘴8，锚杆钻机和机械手固定安装在回转支撑上，且能相对回转支撑进行±180°回转，用于对钢拱架进行灵活焊接、测量与混喷。

如图2所示，机械手5包括俯仰臂501和伸缩臂502，俯仰臂501的一端通过平铰接件510与回转支撑4铰接，在俯仰油缸的作用下，俯仰臂能绕铰接点转动。伸缩臂502滑动设置在俯仰臂501上且通过伸缩油缸507与俯仰臂501相连接，在伸缩油缸的作用下，伸缩臂能相对俯仰臂伸缩，实现机械臂长度的调节。伸缩臂502上设有用于连接喷浆机构或测量机构或支护机构的末端支架504，末端支架504通过滑移旋转机构与伸缩臂502活动连接。末端支架504在滑移旋转机构的作用下能进行平移和转动，用于调节喷浆机构或测量机构的位姿。优选地，所述滑移旋转机构包括固定座511、移动座503和球铰接座509，固定座511固定在伸缩臂502上，移动座503通过滑移驱动件508与固定座511滑动连接，滑移驱动件带动移动座沿固定座平移滑动，球铰接座509转动设置在移动座503上，实现球铰接座509相对移动座的转动，球铰接座509与设置在移动座503上的转动驱动件相连接，末端支架504设置在球铰接座509上。在转动驱动件的作用下球铰接座能够转动，带动末端支架进行同步运动。所述滑移驱动件508为设置在固定座511、移动座503之间的伸缩油缸，也可采用齿轮齿条机构，带动移动座相对固定座的滑动。所述转动驱动件包括第一球铰油缸505和第二球铰油缸506，第一球铰油缸505和第二球铰油缸506正交设置，通过第一球铰油缸和第二球铰油缸进行两个正交方向的伸缩，实现球铰接座的摆动，进而调节喷浆机构或测量机构的位姿。转动驱动件也可采用齿轮齿圈结构，通过电机带动齿轮转动，进而通过齿圈带动球铰接座转动，实现其角度和方位的调节。

进一步，所述移动车体1的内部设有辅助系统12，即辅助系统12安装在行走支架内部空腔内，主要包含控制柜、油箱、泵站、配电柜等部件，用来提供动力源。移动车体的下部设有车轮驱动2，车轮驱动安装在行走支架的支腿内侧，共4个，用来驱动行走支架行走，可以通过调整驱动的转速差使其转弯。移动车体1的外侧设有激光测距传感器3。激光测距传感器3安装在行走支架4个腿的侧面，可以测量行走支架到洞壁的距离，从而调整整机在隧道中的位置，使其沿隧道轴线行走。其他结构与实施例1相同。

工作过程：

1、机器人进入带支护隧道，通过激光测距传感器使机器人位于隧道中心，根据隧道围岩类别选择支护钢拱架、钢筋网或钢管片等，以支护钢拱架为例：

将需要拼装支护的钢拱架运送到机器人底部，回转支撑旋转，使两个机械手位于底部，机械手各油缸动作使末端夹持机构到达钢拱架位置处，控制夹持油缸伸缩使夹爪加紧钢拱架，机械手缩回，回转支撑回转使相邻两个机械手处于底部位置抓取另外一个待拼装钢拱架，依次作业直到钢拱架拼装成环后，10个机械手伸开使钢拱架撑紧洞壁。

2、机器人向前移动自身长度的一半距离，前部的机械手继续拼装钢拱架，后部机械手对拼过的钢拱架进行焊接，然后进行喷浆，具体过程为：

后部回转支撑旋转，安装焊枪的机械手动作，机械手上安装有视觉传感器，对拼装好的整环钢拱架进行焊接，焊接完成后该机械手缩回，安装超声波传感器或激光测距传感器的机械手和喷浆机械手同时动作，回转支撑回转，测距传感器测量需喷浆位置和喷浆量，后部喷浆手在相应位置进行喷浆；

3、完成一环作业后机器人向前移动，进入下一环作业。

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 (6)

1.一种具有立拱、喷浆、焊接多功能的智能支护机器人，其特征在于：包括移动车体（1），移动车体（1）上设有回转支撑（4），回转支撑（4）形成完整的圆形，回转支撑（4）上设有机械手（5），机械手（5）上设有抓取机构和/或喷浆机构和/或测量机构和/或支护机构；

所述机械手（5）包括俯仰臂（501）和伸缩臂（502），俯仰臂（501）的一端通过平铰接件（510）与回转支撑（4）铰接，伸缩臂（502）滑动设置在俯仰臂（501）上且通过伸缩油缸（507）与俯仰臂（501）相连接，伸缩臂（502）上设有用于连接喷浆机构或测量机构或支护机构的末端支架（504），末端支架（504）通过滑移旋转机构与伸缩臂（502）活动连接，末端支架（504）在滑移旋转机构的作用下能进行平移和转动；

所述移动车体（1）上设有两个回转支撑（4），两个回转支撑（4）分别通过轴向移动机构与移动车体（1）相连接；所述两个回转支撑（4）分别为前回转支撑（401）和后回转支撑（402），位于前回转支撑（401）上的机械手（5）连接有抓取机构，位于后回转支撑（402）上的机械手（5）分别连接喷浆机构、测量机构、支护机构；所述喷浆机构、测量机构、支护机构同环设置在同一回转支撑（4）上。

2.根据权利要求1所述的具有立拱、喷浆、焊接多功能的智能支护机器人，其特征在于：所述轴向移动机构包括设置在回转支撑（4）上的驱动装置（11），驱动装置（11）的输出轴上设有齿轮，齿轮与固定在移动车体（1）上的齿条（7）啮合。

3.根据权利要求1或2所述的具有立拱、喷浆、焊接多功能的智能支护机器人，其特征在于：所述抓取机构为真空吸盘或电磁吸盘或夹爪组件。

4.根据权利要求3所述的具有立拱、喷浆、焊接多功能的智能支护机器人，其特征在于：所述喷浆机构包括喷浆嘴（8），喷浆嘴（8）活动设置在机械手（5）上，且通过喷浆管道与混喷泵相连接；所述测量机构包括测量传感器（9），测量传感器（9）活动设置在机械手（5）上，且与后台控制器相连接；所述测量传感器（9）为激光传感器或超声传感器。

5.根据权利要求1或2或4所述的具有立拱、喷浆、焊接多功能的智能支护机器人，其特征在于：所述支护机构包括自动焊枪（10），自动焊枪（10）活动设置在机械手（5）上，支护机构所在的回转支撑（4）上设有锚杆钻机（6）。

6.根据权利要求5所述的具有立拱、喷浆、焊接多功能的智能支护机器人，其特征在于：所述移动车体（1）的内部设有辅助系统（12），移动车体（1）的外侧设有激光测距传感器（3）。

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