CN112677338A - 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，涉及工程机械技术领域，具体为一种多自由度反向制孔机器人，包括高空作业车、多轴机械臂、制孔器，所述高空作业车的顶部设置有伸展臂，且伸展臂的顶端活动安装有多轴机械臂，所述伸展臂的侧面设置有机械臂控制柜，所述制孔器安装于多轴机械臂的一端。该多自由度反向制孔机器人，通过多轴机械臂配合高空作业车臂式、剪叉式、桅柱式等通过智能系统控制，实现制孔工具自动到达可达范围内的任意位置和角度，完成定向制孔或成批自动制孔工作，可用于厂房、隧道、建筑等工程现场，操作简单，效率高，并能极大地减少人员劳动强度。

Description

一种多自由度反向制孔机器人

技术领域

本发明涉及工程机械技术领域，具体为一种多自由度反向制孔机器人。

背景技术

钻孔与非开挖机械是钻凿矿物、岩石和土层的一类工程机械，不仅广泛地应用于冶金、煤炭、化工等矿山的生产中，而且也是地质、建筑、水电、交通和军事等工程施工中的主要设备。

目前天顶面上制孔大多依靠人工钻孔，人工钻孔速度较慢，工作环境恶劣，强度高人极易产生疲劳。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，同时由于实际隧道场景的多变性，可能不同位置的墙体墙面会有所不同，因此单靠机器人自己将难以使得每次的打孔作业都十分精准，由于人工钻孔的速度慢、工作强度高等原因，导致在圆弧顶的反向钻孔方面急需一种自动化设备可以取代人工钻孔，但由于圆弧顶反向钻孔的特殊性无法通过对市场上现有的自动化设备进行简易改装来替代人工钻孔，此外，现有钻孔设备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，容易造成钻孔工具的钻头和电机的损坏，为此我们提出一种多自由度反向制孔机器人以解决上述提出的问题。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供了一种多自由度反向制孔机器人，具有可对钻孔点进行精准定位、降低钻孔难度、提高对钻头的防护性能等优点，解决了上述背景技术中提出的问题。

为实现以上可对钻孔点进行精准定位、降低钻孔难度、提高对钻头的防护性能的目的，本发明通过以下技术方案予以实现：一种多自由度反向制孔机器人，包括高空作业车、多轴机械臂、制孔器，所述高空作业车的顶部设置有伸展臂，且伸展臂的顶端活动安装有多轴机械臂，所述伸展臂的侧面设置有机械臂控制柜，所述制孔器安装于多轴机械臂的一端，所述制孔器包括智能连接座模块、安装框架，所述制孔器与多轴机械臂通过智能连接座模块固定连接，所述安装框架的内部固定安装有缓冲系统模块，且安装框架的内部通过缓冲系统模块固定安装有制孔工具，所述安装框架的侧面固定安装有视觉系统模块。

优选的，所述缓冲系统模块包括后端导向机构、头部导向机构、固定机构、弹簧缓冲机构，所述弹簧缓冲机构安装于安装框架内部靠近智能连接座模块的一侧，且固定机构与弹簧缓冲机构固定连接，所述弹簧缓冲机构通过固定机构与制孔工具固定连接。

优选的，所述后端导向机构与头部导向机构安装在视觉系统模块内侧的安装面上，所述后端导向机构与制孔工具的后方活动连接，所述头部导向机构与制孔工具的中部活动连接。

优选的，所述智能连接座模块包括基座法兰、框架连接法兰、力矩传感器，所述基座法兰与多轴机械臂的一端固定连接，所述力矩传感器与框架连接法兰固定连接，所述框架连接法兰固定套装于框架连接法兰外部的一端，所述力矩传感器通过框架连接法兰与安装框架固定连接。

优选的，所述安装框架视觉系统模块包括相机镜头以及相机保护罩翻转系统，所述相机镜头位于相机保护罩翻转系统的内部。

优选的，所述安装框架的外部设置有制孔器保护罩，且制孔器保护罩的一端开设有与制孔工具相互配合的贯穿孔。

优选的，所述制孔工具与力矩传感器均与机械臂控制柜电性连接。

优选的，所述机械臂控制柜自身设置有控制系统，且控制系统包括拍照采集算法、点云的处理，点位选取的算法、手眼关系转换算法以及侧墙壁和天顶的位偏矫正的算法。

本发明提供了一种多自由度反向制孔机器人，具备以下有益效果：

1、该多自由度反向制孔机器人，通过多轴机械臂配合高空作业车臂式、剪叉式、桅柱式等通过智能系统控制，实现制孔工具自动到达可达范围内的任意位置和角度，完成定向制孔或成批自动制孔工作，可用于厂房、隧道、建筑等工程现场，操作简单，效率高，并能极大地减少人员劳动强度，另外通过机械臂小范围内的灵活性和高空作业车大范围内的位移稳定性的结合，可以极大的扩展作业范围，实现对不同高度斜顶和圆弧顶的制孔。

2、该多自由度反向制孔机器人，在机械臂带动制孔器向上进给时，缓冲系统模块保证制孔工具可以在约束范围内往复运动，吸收制孔时产生的反作用力，并把力传递给智能连接座供力矩传感器感知，控制系统对力矩传感器搜集到的信息进行分析处理，当力在一段时间内持续高于正常制孔时的力时，表明该钻孔点上有钢筋需更改钻孔点，既避免了制孔工具本体的破坏同时消除了制孔时的反向冲击对机构的精度影响。

3、该多自由度反向制孔机器人，通过全设备利用机器人多轴控制技术集成化控制处理，根据具体应用场景核心算法进行开发、编程和测试，满足机器人在高处实现智能寻位、高精度批量打孔，通过视觉系统，机器人识别外部特征基准，经智能系统计算自动完成组孔制孔任务，提高钻孔定位的准确性。

4、该多自由度反向制孔机器人，整个结构约束在较小的尺寸范围内，整个设备可以完全遮罩，防水防灰，保护内部结构，提高工作寿命。

附图说明

图1为本发明整体结构示意图；

图2为本发明制孔器内部的结构示意图；

图3为本发明制孔器内部的结构示意图；

图4为本发明智能连接模块的结构示意图；

图5为本发明制孔器外观的结构示意图；

图6为本发明对侧面墙壁钻孔时的结构示意图；

图7为本发明对天顶钻孔时的结构示意图。

图中：1、高空作业车；2、多轴机械臂；3、制孔器；4、机械臂控制柜；5、智能连接座模块；6、缓冲系统模块；7、安装框架；8、视觉系统模块；9、制孔工具；10、后端导向机构；11、头部导向机构；12、固定机构；13、弹簧缓冲机构；14、基座法兰；15、框架连接法兰；16、力矩传感器；17、制孔器保护罩；18、相机保护罩翻转系统。

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至图7，本发明提供一种技术方案：一种多自由度反向制孔机器人，包括高空作业车1、多轴机械臂2、制孔器3，高空作业车1的顶部设置有伸展臂，且伸展臂的顶端活动安装有多轴机械臂2，使用时，可以安装实际需求，为制孔器3配备配置不同的高空作业车和机械臂，以满足不同工况需求，高空作业车1在操作员控制下，携带多轴机械臂2移动，并通过控制伸展臂的展开把多轴机械臂2移动到指定区域，机械臂控制柜4置于高空作业车1上，并由高空作业车1提供电力供应，制孔工具9等安装在多轴机械臂2上，并受多轴机械臂控制系统控制，完成制孔任务，伸展臂的侧面设置有机械臂控制柜4，制孔器3安装于多轴机械臂2的一端，制孔器3包括智能连接座模块5、安装框架7，制孔器3与多轴机械臂2通过智能连接座模块5固定连接，安装框架7的内部固定安装有缓冲系统模块6，且安装框架7的内部通过缓冲系统模块6固定安装有制孔工具9，缓冲系统模块6包括后端导向机构10、头部导向机构11、固定机构12、弹簧缓冲机构13，弹簧缓冲机构13安装于安装框架7内部靠近智能连接座模块5的一侧，且固定机构12与弹簧缓冲机构13固定连接，弹簧缓冲机构13通过固定机构12与制孔工具9固定连接，智能连接座模块5包括基座法兰14、框架连接法兰15、力矩传感器16，基座法兰14与多轴机械臂2的一端固定连接，力矩传感器16与框架连接法兰15固定连接，框架连接法兰15固定套装于框架连接法兰15外部的一端，力矩传感器16通过框架连接法兰15与安装框架7固定连接，力矩传感器16通过搜集弹簧缓冲机构13传导到安装框架7的力值，把信息传递给控制系统，经控制系统的分析处理，来控制多轴机械臂2动作，当钻孔点上有钢筋时，弹簧缓冲机构13受到的发作用力增大，此时控制系统监测到力矩传感器16反馈的力值高于正常钻孔时的力值，控制系统会控制多轴机械臂2更改钻孔点，以免破坏制孔工具本体，后端导向机构10与头部导向机构11安装在视觉系统模块8内侧的安装面上，后端导向机构10与制孔工具9的后方活动连接，头部导向机构11与制孔工具9的中部活动连接，通过头部导向机构11与后端导向机构10限制限制孔工具9的4个自由度，制作材料采用耐磨且具有自润滑功能的工程塑料，使制孔工具9可以在目标孔轴线方向上往复运动，固定机构12把制孔工具9固定在弹簧缓冲机构13上，通过弹簧来吸收制孔时产生的反向作用力，避免制孔工具本体被破坏同时消除制孔时的反向冲击对机构的精度影响，安装框架7的侧面固定安装有视觉系统模块8，制孔工具9与力矩传感器16均与机械臂控制柜4电性连接，安装框架7视觉系统模块8包括相机镜头以及相机保护罩翻转系统18，相机镜头位于相机保护罩翻转系统18的内部，安装框架7的外部设置有制孔器保护罩17，且制孔器保护罩17的一端开设有与制孔工具9相互配合的贯穿孔，由于反向制孔时会产生大量粉尘，为保护内部设备和机构，提高工作寿命，专门设计了保护罩，多轴机械臂2外罩不影响机械臂摆动的防护服，制孔器保护罩17固定在安装框架7上，对内部结构进行防护，相机保护罩翻转系统18安装在安装框架7上，保护相机镜头，当相机启动时，相机保护罩翻转系统18工作，防护罩打开，相机停止工作时，防护罩关闭，保护镜头免受粉尘影响，机械臂控制柜4自身设置有控制系统，且控制系统包括拍照采集算法、点云的处理，点位选取的算法、手眼关系转换算法以及侧墙壁和天顶的位偏矫正的算法。

手眼关系转换算法具体标定过程：先将相机牢固的固定在多轴机械臂2手臂上，通过10至20次不同角度位置对固定位置的球体拍照，根据计算结果，可以手动取出部分数据偏差过大的拍照结果，使用软件计算结果矩阵，最后将矩阵更新到视觉软件规定的文件中，该过程通过简单地培训，任何人都可以轻松完成，且一旦相机与多轴机械臂2手眼标定完成，便意味着相机与多轴机械臂2绑定完成，在不拆卸相机的情况下，是不需要再次进行此操作；

点位选取的算法的具体点位深度选取：完成手眼标定后，意味着此时机器人已经可以开始进行作业，在操作员合规操作的情况下，机器人行进路径是平行于需打孔的墙面，但由于墙面的不确定性需要视觉相机介入；首先是机器人到达预定位置，操作员触发软件信号，相机将自动完成一系列操作，具体操作流程为唤醒相机采集，采集到一张预设的点云图像，对点云图像进行图像处理，其中包含了深度阈值，法向量采集计算，合法点位筛选等操作，然后通过获得相机中的点位的XYZ以及法向量信息，传递给核心换算算法进行计算，此时会发送信号给控制系统，通过通讯协议获得机器人此时的真实位姿，一同传递给换算算法，最终可以获得机器人坐标系下的打孔点位位姿，最后发回给机器人，机器人将自动前往该点位进行打孔；核心的换算算法是将相机中位姿矩阵左乘手眼标定矩阵再左乘机器人位姿矩阵，结果的矩阵通过转换成为欧拉角的表达形式发送控制系统。可通过图六和图七看到偏移时的情况；

侧墙壁和天顶的位偏矫正的算法：在操作员理想操作的状态下是不需要点位纠偏的，可参考第二点，但相机进行拍照时，由于机械零件间的配合间隙导致机器人每次的拍照姿态可能发生位偏，因而引起点位定位的结果偏移。该位偏矫正通过本视觉软件内的位偏矫正算法实现，可实现一定范围的，由外界引起的左右偏移造成的结果误差，侧面墙壁的矫正算法核心是通过对比标准姿态拍照获得的点云图像与位偏姿态拍照获得的点云图像，得到位偏图像的倾斜角度，通过倾斜角度可计算原本正确的打孔位置，此纠偏对误差有一点消除效果，但机器人偏移预设位置过大时，将直接警告操作员，由于倾斜角度的不同，点云图像在相机中的成像深度也是不同，因此通过分析位偏的深度点云，实现的侧面墙壁纠偏算法；天顶由于弧形的特性，每次分析点云图像的形状来发现存在误差的拍照位置，将弧形在相机中矫正来求得正确的点位，不同的左右偏移会导致相机成像的标准弧面会有所扭曲，扭曲后的点云坐标点XYZ会发生一定规律的偏移和旋转，通过此规律编写的矫正算法可以在一定范围的误差允许内纠。

综上，该多自由度反向制孔机器人，使用时，首先把相机与控制系统绑定，每台相机和控制系统进行固定式的绑定，且绑定后相机相对于机器臂位置相对固定不变，此绑定在视觉中称为手眼标定，是可以将相机获得的信息固定转化为控制系统可以理解的信息；为了轻松高效的实现手眼标定，自主研发编写的手眼标定工具，使用眼在手上的标定方式，即相机固定在多轴机械臂2手臂上，通过使用相机多次拍摄固定位置固定大小的圆形球体，可以计算出标定结果矩阵，该矩阵需设置在本视觉软件主体中，服务于视觉计算的核心算法；

在进行钻孔时，通过高空作业车1对制孔工具9进行大范围位置调整，通过多轴机械臂2对制孔工具9进行小范围内的灵活性调整，并通过视觉系统模块8对钻孔点进行定位，通过制孔工具9对定位点进行钻孔加工，同时在多轴机械臂2带动制孔器3向上进给时，缓冲系统模块6保证制孔工具9可以在约束范围内往复运动，吸收制孔时产生的反作用力，并把力传递给智能连接座模块5中的力矩传感器16感知，机械臂控制柜4对力矩传感器16搜集到的信息进行分析处理，当力在一段时间内持续高于正常制孔时的力时，表明该钻孔点上有钢筋需更改钻孔点；同时该发明可以在两种模式下使用，一种是事先编好轨迹，现场工人拖动或遥控本设备到达事先选定的基准附近或第一个孔的位置附近后运行相应程序，设备自动打完相应的组孔。然后人员拖动设备到下一个需要打组孔的位置；另一种是事先在目标点处做好标记，现场工人拖动或遥控本设备到达事先选定的基准附近或第一个孔的位置附近后运行相应程序，设备自动打完相应的组孔，即可。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“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，仅是为了便于描述本发明和简化描述，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；术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性，此外，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (8)

1.一种多自由度反向制孔机器人，包括高空作业车(1)、多轴机械臂(2)、制孔器(3)，其特征在于：所述高空作业车(1)的顶部设置有伸展臂，且伸展臂的顶端活动安装有多轴机械臂(2)，所述伸展臂的侧面设置有机械臂控制柜(4)，所述制孔器(3)安装于多轴机械臂(2)的一端，所述制孔器(3)包括智能连接座模块(5)、安装框架(7)，所述制孔器(3)与多轴机械臂(2)通过智能连接座模块(5)固定连接，所述安装框架(7)的内部固定安装有缓冲系统模块(6)，且安装框架(7)的内部通过缓冲系统模块(6)固定安装有制孔工具(9)，所述安装框架(7)的侧面固定安装有视觉系统模块(8)。

2.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：所述缓冲系统模块(6)包括后端导向机构(10)、头部导向机构(11)、固定机构(12)、弹簧缓冲机构(13)，所述弹簧缓冲机构(13)安装于安装框架(7)内部靠近智能连接座模块(5)的一侧，且固定机构(12)与弹簧缓冲机构(13)固定连接，所述弹簧缓冲机构(13)通过固定机构(12)与制孔工具(9)固定连接。

3.根据权利要求2所述的一种多自由度反向制孔机器人，其特征在于：所述后端导向机构(10)与头部导向机构(11)安装在视觉系统模块(8)内侧的安装面上，所述后端导向机构(10)与制孔工具(9)的后方活动连接，所述头部导向机构(11)与制孔工具(9)的中部活动连接。

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：所述智能连接座模块(5)包括基座法兰(14)、框架连接法兰(15)、力矩传感器(16)，所述基座法兰(14)与多轴机械臂(2)的一端固定连接，所述力矩传感器(16)与框架连接法兰(15)固定连接，所述框架连接法兰(15)固定套装于框架连接法兰(15)外部的一端，所述力矩传感器(16)通过框架连接法兰(15)与安装框架(7)固定连接。

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：所述安装框架(7)视觉系统模块(8)包括相机镜头以及相机保护罩翻转系统(18)，所述相机镜头位于相机保护罩翻转系统(18)的内部。

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：所述安装框架(7)的外部设置有制孔器保护罩(17)，且制孔器保护罩(17)的一端开设有与制孔工具(9)相互配合的贯穿孔。

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：所述制孔工具(9)与力矩传感器(16)均与机械臂控制柜(4)电性连接。

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：所述机械臂控制柜(4)自身设置有控制系统，且控制系统包括拍照采集算法、点云的处理，点位选取的算法、手眼关系转换算法以及侧墙壁和天顶的位偏矫正的算法。

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