CN113006348B - 一种高空幕墙自动安装型智能机器人 - Google Patents

Abstract

本发明属于建筑幕墙自动化安装技术领域，涉及一种高空幕墙自动安装型智能机器人，包括：板材堆放台，用于存放板材；板材运输升降台，用于提升板材；智慧安装机器人，用于将运输升降台上的板材安装至幕墙；智能送料机器人，用于自动抓取板材堆放台上的板材并自动移动至运输升降台；剪叉式承重升降台，用于提升智慧安装机器人；履带式基座，用于安装所述板材堆放台、运输升降台、剪叉式承重升降台；以及控制室，设置在履带式基座上，用于各部分协调动作以及移动式作业。该智能型机器人可适用于高空幕墙板材的自动化安装，增加施工效率，减少施工人员的伤亡。

Description

一种高空幕墙自动安装型智能机器人

技术领域

本发明属于建筑幕墙自动化安装技术领域，涉及一种高空幕墙自动安装型智能机器人。

背景技术

随着经济社会的发展，全国各地高楼拔地而起，过去的建筑形式和风格已不能满足人们日益增长的物质文化需求。建筑幕墙作为现代建筑物的主导性外部装饰，随着楼层高度的增加，幕墙安装难度随之增加。传统的高空幕墙安装依靠工人手工或借助简单辅助工具完成，人工劳动强度大、危险性高，高空坠落和坍塌事故占比高。且对施工人员的技术性要求较高，导致施工质量差、安装精度低。建筑企业还存在创新性不强、劳动力成本较高的短板。建筑幕墙施工过程中存在的诸多因素，影响着建筑装饰业的快速发展。

一种幕墙板机器人自动安装方法，根据石材幕墙板的轮廓对其进行打孔，安装背栓螺丝和挂件将其固定，在打孔之后的石材幕墙板上安装。虽然此方法可以节省人力，但它仅适用于低空作业，且不能满足智能化识别板材控制吸附力的安装要求。一种高空作业机器人，其作业单元和爬绳移动单元均安装在其主体框架上,作业单元用于建筑物的外墙面作业。这种机器人虽可在高空作业，但由于依靠绳索爬升，当风力较大情况下易导致作业不稳定。一种大型建筑幕墙安装机器人，通过水平电动推杆的推杆伸出和收回时,带动移动支撑板相对于旋转支撑板进行水平方向的运动。虽然这种安装机器人可进行大尺寸幕墙安装，但由于结构限制不能在高空作业，且不具备智能化特征。

总体上，建筑幕墙安装机器人还存在着高空作业限制、稳定性差和非智能化等短板。在建筑幕墙复杂施工环境下提高作业效率，实现机器人的自动化、智能化作业是未来重要的研究方向。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种高空幕墙自动安装型智能机器人。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种高空幕墙自动安装型智能机器人，包括：板材堆放台，用于存放板材；板材运输升降台，用于提升板材；智慧安装机器人，用于将运输升降台上的板材自动安装至幕墙；智能送料机器人，用于自动抓取板材堆放台上的板材并自动移动至运输升降台；剪叉式承重升降台，用于提升智慧安装机器人；履带式基座，用于安装所述板材堆放台、运输升降台、剪叉式承重升降台；以及控制室，设置在履带式基座上，用于控制各部分协调动作以及移动式作业。

可选的，所述智能送料机器人利用机器视觉技术获取板材堆放位置，根据不同板材的形状大小、表面形貌和色彩等特征实现分类识别，从而根据不同板材使用不同吸附力将其移动至板材运输升降台。

可选的，智慧安装机器人通过无线通信模块与智能送料机器人实现同步信息传输，吸附板材运输升降台运输的板材，利用激光雷达辅助双目摄像头实现安装龙骨位置精准测距及定位，从而发送信号给控制器，控制吸附板材的智慧安装机器人安装。

可选的，所述智慧安装机器人的两端分别为用于抓取板材的第一柔性吸盘以及用于调整所述第一柔性吸盘位置的第一关节；所述第一关节与所述第一柔性吸盘之间设有第二关节，所述第二关节与第一关节及所述第一柔性吸盘之间设有摇臂；所述第一柔性吸盘上设有第三关节，所述第二关节上设有双目摄像头及激光雷达。

可选的，所述智慧安装机器人设置在剪叉式承重升降台顶部。

可选的，所述智能送料机器人的两端分别为用于抓取板材的第二柔性吸盘以及用于调节所述第二柔性吸盘位置的第四关节，所述第四关节与所述第二柔性吸盘之间设有第五关节，所述第五关节与第四关节及所述第二柔性吸盘之间设有摇臂；所述第二柔性吸盘上设有第六关节，所述第五关节上设有双目摄像头。

可选的，所述第一柔性吸盘与所述第二柔性吸盘在移动过程中根据自感知感知外界干扰力对板材与吸盘间摩擦力的影响，从而改变吸附力及吸附关节处的角度。

可选的，履带式基座包括行走架，所述行走架两端分设有张紧装置及驱动轮；所述驱动轮及张紧装置外侧通过引导轮连接有履带；所述履带与所述行走架之间设有支重轮；所述履带上通过回转支承设有承重平台；所述板材堆放台、运输升降台、剪叉式承重升降台、控制室均安装在承重平台上。

可选的，所述板材运输升降台包括支撑柱，所述支撑柱顶部设有定滑轮，跨越该定滑轮设有牵引绳，所述牵引绳的一端为升降电机，另一端为升降平台；所述升降平台底部设有力传感器。

可选的，剪叉式承重升降台包括剪叉支撑架以及油缸，所述油缸设置在所述剪叉支撑架内。

本发明的有益效果在于：

本发明智慧安装机器人位于剪叉式承重升降台台面。当开始作业时，剪叉式承重升降台将智慧安装机器人上升至板材安装龙骨处，智慧安装机器人通过无线通信模块与智能送料机器人、板材运输升降台进行高度信息传输。智能送料机器人利用双目视觉识别和定位板材，利用吸盘对板材进行吸附将其移动至板材运输升降台。板材运输升降台上升至板材安装对应的作业高度。智慧安装机器人使用自感知柔性吸盘将板材吸附，之后利用位于智慧安装机器人上的激光雷达辅助双目摄像头进行安装位置精准定位。在安装过程，利用自感知吸盘特性可根据外界扰动力改变板材与吸盘间的摩擦力，同时使用更能适应复杂场景的深度强化学习模型，提升系统的鲁棒性。该智能型机器人可适用于高空幕墙板材的自动化安装，相比其他幕墙安装机器人具备独特的结构，同时各部分协同作业，能实现更稳定的高空幕墙安装，增加施工效率，减少施工人员的伤亡。本发明在作业时可自动识别、运输、安装各类不同的板材。提高高空建筑幕墙安装的工作效率、降低人工成本。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：

图1为总体安装流程图

图2为高空幕墙自动安装机器人的作业简图。

图3为机器人吸盘示意图。

图4为智能送料机器人工作示意图。

图5为智慧安装机器人工作示意图。

图6为板材运输升降台示意图。

图7为剪叉式承重升降台示意图。

图8为履带式基座示意图。

图9为控制室示意图。

图中：

1智慧安装机器人 2剪叉式承重升降台 3板材运输升降台

4智能送料机器人 5履带式基座 6控制室

7板材堆放台

11第二关节 12无线模块 13第一关节

131控制器一 141双目摄像头一 142双目摄像头二

15激光雷达 16第三关节 17第一柔性吸盘

171固定螺母 172气管 173阀门

174盘面 18气泵

21承重升降台电机 22油缸 23剪叉支撑架

24控制器二

31无线模块 32升降平台 321力传感器

33运输升降台电机 34牵引绳 35定滑轮

36支撑柱

41第四关节 411控制器三 42第五关节

43第六关节 44第二柔性吸盘 451双目摄像头一

452双目摄像头二 46气泵 47无线通信模块

51托链轮 52驱动轮 53支重轮

54履带 55行走架 56张紧装置

57引导轮 58回转支承 59承重平台

61安装控制箱 610信号反馈器 611总开关

612安装机器人安装开关 613安装机器人抓取开关 614送料机器人放料开关

615送料机器人抓取开关 616承重升降台降低开关 617承重升降台升高开关

618运输升降台降低开关 619运输升降台升高开关 62方向盘

63座位

71板材

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”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，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

请参阅图1-图9，本发明采用的方案为：设计一种高空幕墙自动安装型智能机器人，其主要组成部分包括：剪叉式承重升降台2、智慧安装机器人1、板材运输升降台3、智能送料机器人4、履带式基座5、控制室6、板材堆放台7。

具体地，所述剪叉式承重升降台2上端与智慧安装机器人1连接，下端剪叉支撑架23通过固定连接件与履带式基座5的承重台59连接。作业时，安装控制箱61通电，手按总开关611开始，开始打油到油缸22，推动油缸22的活塞，升降台电机21的转动带动油泵吸油，推动油缸22中的活塞，剪叉支撑架23垂直上升、下降，压力油在限速阀和流量调节阀的监控下，通过电磁阀流回油箱。油缸22过载时，油泵输出的压力油通过溢流阀直接流回油箱。为了防止油管破裂发生失控下降的事故，每个油缸22进油的管路上，设有单向限速阀，即使在油管破裂的情况下，也能保证正常的速度下降。

具体地，所述板材运输升降台3采用电机曳引式升降平台32运输板材71，由永磁同步行星齿轮曳引式电机33带动牵引绳34，从而由牵引绳34拉动该升降平台32。

具体地，所述智能送料机器人4主体为3自由度摇臂式自动取料机械手，在底部(第四关节41处)使用连接件固定在履带式基座5上同时附带安装无线通信模块12，在五关节42处左右两端各安装一个摄像头151/152，在机械手末端(第六关节43处)安装具有良好特性的自感知第二柔性吸盘44。

具体地，所述无线通信模块12/31可将智能送料机器人4与智慧安装机器人1进行同步信息传输，有利于高效地作业。

具体地，所述摄像头451/452为高清变焦可控摄像头，利用双目测距准确测算板材71到所述智能送料机器人4的距离，同时结合机器视觉技术根据不同板材71的形状大小、表面形貌和色彩等特征实现分类识别抓取。从而根据不同板材71使用不同吸附力将其移动至板材运输升降台3。

具体地，可根据所述分类识别进行板材71种类判断，无线通信模块47发送信号给控制器三411，从而控制吸盘44使用不同吸附力进行抓取。

具体地，所述机械手末端(第六关节43处)的自感知第二柔性吸盘44，使用自感知负压磁控复合型吸附材料制作而成，通过改变吸盘44内部微观铁磁颗粒数目及排列形式使用卷积神经网络，设计具备最优状态自感知与摩擦自适应能力的柔性吸盘材料。采用真空式吸盘44手部结构，其结构简单，中间有空隙，利用气泵46直接抽气，使其成为真空，从而板材71在吸盘44内外气压差下直接吸附在吸盘44上。抓取过程：气泵46工作，抽气，将吸盘44内部变为真空，在气压差的作用下，将板材71牢牢吸附在吸盘44上。释放过程：释放时，气泵46停止工作，大气通过气管172和阀门173进入吸盘44，使得吸盘44内部解除真空状态，板材71解除吸附状态。

具体地，所述智慧安装机器人1具有与智能送料机器人4类似的结构，特别地，它在第二关节11处前端安装激光雷达15、以及具有安装板材71的碰撞调控和更强的复杂场景自适应的能力。所述激光雷达15可辅助双目摄像头141/142实现更精确的定位幕墙板材71需安装的位置。

具体地，所述更强的复杂场景自适应能力是指，智慧安装机器人1使用比智能送料机器人4更能适应复杂安装场景的深度强化学习模型。采用加入注意力机制的深度卷积神经网络与深度确定性策略梯度强化学习结合的方法。在卷积神经网络中引入注意力机制有助于更好的检测幕墙龙骨，抑制背景干扰，同时卷积神经网络实现智慧安装机器人1预测最佳抓取位姿，深度确定性策略梯度算法可实现智慧安装机器人1自主抓取操作。利用摄像头141/142对外界进行感知。当外界环境因素变化时，能根据事先训练好的模型及参数迅速调整机械臂各关节角度。

具体地，所述碰撞调控能力的获取，是采用基于阻抗控制的力柔顺控制策略，对柔顺控制方法进行设计，该方法将末端的运动状态等效成一个弹簧阻尼系统，通过建立虚拟弹簧阻尼，引用遗忘因子函数到阻抗控制中，调整弹簧阻尼和惯量系数，实现对(第三关节16处)末端的力柔顺控制，将检测到的接触力施加到理想阻抗模型，从而可以获得理想的期望位姿。对扰动和不确定性有很好的鲁棒性，适合幕墙安装的力控任务。

具体地，所述履带式基座5的承重平台59上安装有剪叉式承重升降台2、板材运输升降台3、智能送料机器人4、控制室6、以及板材堆放台7。同时它可移动式作业。

具体地，所述履带式基座5，中间由回转支承58支撑上端承重平台59，两边为履带轮。基座运行时，履带轮中的驱动轮52在履带的紧边——驱动段及接地段(支撑段)产生一个拉力，把履带54从支重轮53下拉出，由于支重轮53下的履带54与地面间有足够的附着力，阻止履带54的拉出，迫使驱动轮52卷动履带，导向轮再把履带54铺设到地面上，从而使基座5借支重轮53沿着履带54轨道向前运行。基座转向时，由安装在两条履带54上、分别由两台液压泵供油的行走马达(用一台油泵供油时需采用专用的控制阀来操纵)通过改变两侧驱动轮52上的驱动力，使其达到不同转速来改变转向以实现移动式作业。

具体地，所述控制室6，其内部具有安装控制箱61、方向盘62、驾驶座位63等。所述安装控制箱61，内部具有各部分单路开关，以及总开关611和各部分工作信号反馈器610等。

首先，施工人员将需要安装的板材71搬运至的固定位置的板材堆放台7，由专业操作员进入控制室6查看设备状态。

下一步，由所述操作员查看控制室6内安装控制箱61的信号反馈器610显示的各部分状态是否正常。

下一步，当各部分状态正常时可打开总开关611，启动整体设备开始正式作业。

下一步，所述开始正式作业第一步由剪叉式承重升降台2将智慧安装机器人1进行抬升，智慧安装机器人1利用第二关节处11前端的双目摄像头141/142对建筑幕墙龙骨处进行定位。同时通过无线模块12将上升高度信息发送给板材运输升降台3底部的无线模块31，进行高度信息传输。

具体地，所述剪叉式承重升降台2通过电机21进行驱动，利用油缸22的伸缩来实现剪叉支撑架23的展开与折叠，从而实现了剪叉式承重升降台2的上升和下降。油缸22位于剪叉式承重升降台2的底端。

具体地，所述识别是在剪叉式承重升降台2上升的过程中，准确定位需要安装板材71的位置，利用智慧安装机器人1第一关节处13旁边的无线通信模块12发送信号给剪叉式承重升降台2底部的控制器二24，电机21停止转动，从而停止剪叉式承重升降台2上升。

下一步，智能送料机器人4第一关节处41自动转动，利用双目摄像头451/452进行板材71特征提取，通过机器视觉与卷积神经网络结合的方法确定板材71种类，从而确定吸附力大小，抓取板材71。

具体地，同时利用所述摄像头451/452进行测距及板材71种类识别，将该信息发送至第一关节处41内部的控制器三411，控制器三411控制第二关节处42和第三关节处43进行转动。

具体地，第三关节处43前端连接6个自感知第二柔性吸盘44，根据摄像头451/452识别的板材71种类使用不同吸附力进行抓取。

下一步，智能送料机器人4第四关节41进行转动，依据双目摄像头451/452对板材运输升降台上端平面32进行定位、测距、放置板材71。

下一步，所述板材运输升降台3根据平台32安装的力传感器321进行测试。

具体地，所述测试是为了判断板材运输升降台3是否开始升降。当板材71放置在板材运输升降台平面32导致力传感器321测试压力有较大变化时，升降平面32自动上升。当所述力传感器321测试压力基本为0则自动下降。

具体地，所述板材运输升降台3的升降采用拖拽式电机33转动带动牵引绳34，通过板材运输升降台3顶端的定滑轮35牵引板材运输升降台3，根据上述智慧安装机器人1无线模块12发送的信息，上升至指定位置。

下一步，所述智慧安装机器人1第一关节处13自动转动，利用摄像头141/142进行板材71定位、种类识别。

具体地，所述种类识别可根据板材71种类使用不同吸附力进行抓取。

下一步，所述智慧安装机器人1第一关节处13自动转动，利用激光雷达15辅助摄像头141/142实现准确测距和龙骨定位。

下一步，所述智慧安装机器人1开始进行板材71安装。

具体地，为了更好的完成所述板材71安装，智慧安装机器人1利用图像深度信息和卷积神经网络实现智慧安装机器人1预测最佳抓取位姿以及板材71安装位置，运用深度确定性策略梯度强化学习算法实现机械臂自主执行抓取及自适应复杂场景操作。利用双目摄像头141/142对外界进行实时感知。当外界环境出现不确定因素时，能根据事先训练好的模型及参数迅速调整智慧安装机器人1的运动姿态。

具体地，为了更好的完成所述板材71安装，智慧安装机器人1第三关节处16前端的自感知柔性吸盘17，在安装时能根据外界干扰对板材71与吸盘17间摩擦力的影响即时改变吸附力。

具体地，为了更好的完成所述板材71安装，考虑因摄像头141/142定位或其他原因造成的板材71碰撞误差，采用基于阻抗控制的力柔顺控制策略，实现对(第三关节16处)前端的力柔顺控制，从而可以获得理想的期望位姿。此方法在板材71安装过程中对扰动和不确定性有很好的鲁棒性，适合幕墙安装的力控任务。

下一步，当该地完成高空幕墙安装后，位于控制室6内的专业操作员关闭总开关611，开始操控方向盘62移动至下一处安装位置。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (6)

1.一种高空幕墙自动安装型智能机器人，其特征在于，包括：

板材堆放台，用于存放板材；

板材运输升降台，用于提升板材；

智慧安装机器人，用于将运输升降台上的板材自动安装至幕墙；

智能送料机器人，用于自动抓取板材堆放台上的板材并自动移动至运输升降台；

剪叉式承重升降台，用于提升智慧安装机器人；

履带式基座，用于安装所述板材堆放台、运输升降台、剪叉式承重升降台；以及控制室，设置在履带式基座上，用于各部分协调动作以及移动式作业；

所述智慧安装机器人的两端分别为用于抓取板材的第一柔性吸盘以及用于调整所述第一柔性吸盘位置的第一关节；所述第一关节与所述第一柔性吸盘之间设有第二关节，所述第二关节与第一关节及所述第一柔性吸盘之间设有摇臂；所述第一柔性吸盘上设有第三关节，所述第二关节上设有双目摄像头及激光雷达；

所述智能送料机器人的两端分别为用于抓取板材的第二柔性吸盘以及用于调节所述第二柔性吸盘位置的第四关节，所述第四关节与所述第二柔性吸盘之间设有第五关节，所述第五关节与第四关节及所述第二柔性吸盘之间设有摇臂；所述第二柔性吸盘上设有第六关节，所述第五关节上设有双目摄像头；所述第一柔性吸盘与所述第二柔性吸盘在移动过程中根据自感知感知外界干扰力对板材与吸盘间摩擦力的影响，从而改变吸附力及吸附关节处的角度；所述第一柔性吸盘与所述第二柔性吸盘采用基于自感知负压磁控复合型吸附材料制作，通过改变内部微观铁磁颗粒数目及排列形式，使用卷积神经网络，设计具备最优状态自感知与摩擦自适应能力的柔性吸盘材料。

2.如权利要求1中所述的高空幕墙自动安装型智能机器人，其特征在于，所述智能送料机器人利用机器视觉技术获取板材堆放位置，根据不同板材的形状大小、表面形貌和色彩等特征实现分类识别，从而根据不同板材使用不同吸附力将其移动至板材运输升降台。

3.如权利要求1中所述的高空幕墙自动安装型智能机器人，其特征在于，智慧安装机器人通过无线通信模块与智能送料机器人实现同步信息传输，吸附板材运输升降台上的板材，利用激光雷达辅助双目摄像头实现安装龙骨位置精准测距及定位，从而发送信号给其底部的控制器，智慧安装机器人开始安装板材; 所述智慧安装机器人在板材安装过程自动接触碰撞调控，在安装板材至相应龙骨处，由机器视觉或安装角度误差造成的碰撞，通过自调控实现角度偏差修正；所述智慧安装机器人能自适应复杂场景作业，采用引入注意力机制的深度卷积神经网络与深度确定性策略梯度强化学习结合的方法；其中利用图像深度信息和卷积神经网络实现智慧安装机器人预测最佳抓取位姿以及板材安装位置，运用深度确定性策略梯度强化学习算法实现机械臂自主执行抓取及自适应复杂场景操作；通过摄像头对外界进行感知，当安装环境出现不确定因素时，能根据事先训练好的模型及参数迅速调整智慧安装机器人的运动姿态；结合安全预警机制，通过深度强化学习进行系统的协同控制。

4.如权利要求1中所述的高空幕墙自动安装型智能机器人，其特征在于，所述智慧安装机器人设置在剪叉式承重升降台顶部，作业时智慧安装机器人通过无线模块与剪叉式承重升降台进行高度信息传输，从而协同到达相应作业高度。

5.如权利要求1中所述的高空幕墙自动安装型智能机器人，其特征在于，所述履带上通过回转支承设有承重平台；所述板材堆放台、运输升降台、剪叉式承重升降台、控制室均安装在承重平台上。

6.如权利要求1中所述的高空幕墙自动安装型智能机器人，其特征在于，所述板材运输升降台通过与智能安装机器人的无线模块进行高度信息传输，使运输升降台到达作业高度；所述板材运输升降台包括支撑柱，所述支撑柱顶部设有定滑轮，跨越该定滑轮设有牵引绳，所述牵引绳的一端为升降电机，另一端为升降平台；所述升降平台底部设有力传感器。

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