CN113414589B - 一种锚固机器人 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种锚固机器人，包括六轴工业机器人，以及锚固集成组件；锚固集成组件上设置快换组件与六轴工业机器人连接，锚固集成组件上的锚栓连续上料组件包括插排座，垫板、锚栓固定架，实现了锚栓快速上料，本发明利用3D视觉定位系统扫描定位打孔位置，并利用钢筋检测仪检测管片内部是否有钢筋，在确认无钢筋符合钻孔条件后，传感器的设置便于移动模块调整位置利用管片钻孔组件对管片进行精准钻孔，同时移动模块可调整位置至管片已钻孔位置处，便于锚栓安装组件与抓手配合插入锚栓以及配合锚栓拧紧组件拧紧螺母。

Description

一种锚固机器人

技术领域

本发明涉及隧道施工设备技术领域，具体而言，涉及一种锚固机器人。

背景技术

目前国内各主要城市均有地铁线路建成运营,其地铁区间隧道多以单圆盾构隧道为主。相关调查资料研究发现，在运营期间，因地铁结构或周边环境原因，其隧道结构通常有变形等病害发生，一般包含隧道竖向位移变形、横向位移变形、椭变（收敛变形）、裂缝、渗漏等，严重时则影响运营安全。

在我国基本上运营期在10年左右的隧道都需进入到整治修复阶段。盾构地铁隧道管片破损修复加固主要采用钢板环加固法。在我国进行修复加固作业时，主要还是采用人工安装、改装手推车辅助、简易悬臂梁辅助等措施施工，普遍存在施工周期长、施工成本高、施工效率低、施工困难大等问题，尤其是将钢板环拼装到地铁隧道管片破损处，对钢板环进行固定锚栓安装环节，锚栓需要人工完成安装。

因此如何提供一种锚固机器人，实现机械化锚栓的定位、打孔、安装与拧紧，提高地铁隧道管片的修复效率，减少人工操作失误率是本领域技术人员亟需解决的技术问题。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一，提供了一种锚固机器人，主要用于完成隧道内管片钻孔、锚栓安装、锚栓拧紧等作业，其中利用3D视觉定位系统扫描定位打孔位置，并检测管片内是否有钢筋，在确认无钢筋符合钻孔条件后，利用管片钻孔组件进行钻孔，利用锚栓连续上料组件抓取锚栓并对准到锚栓安装组件上，锚栓安装组件配合抓手将锚栓插入钻孔中，并利用锚栓拧紧组件将锚栓上的螺母拧紧，机械化自动完成锚栓的定位、打孔、安装与拧紧，提高地铁隧道管片的修复效率，减少人工操作失误率。

有鉴于此，本发明提出了一种锚固机器人，包括

机器人；机器人为六轴工业机器人；

锚固集成组件；锚固集成组件上设置快换组件与机器人连接；锚固集成组件包括：

安装架；安装架上方设置连接板，快换组件通过法兰固定在连接板两端，通过快换组件与机器人连接；

锚栓连续上料组件；锚栓连续上料组件连接在连接板上，位于安装架的侧面；锚栓卡固在锚栓连续上料组件的下方；

移动模块；移动模块通过线性滑轨集成到安装架下方，沿线性滑轨相对安装架滑动，并通过移动模块上固定的上料抓手抓取锚栓连续上料组件上的锚栓；

视觉定位系统；视觉定位系统扫描定位打孔的位置；

钢筋检测仪；钢筋检测仪检测打孔处是否有钢筋；

传感器；传感器通过传感器支架固定在连接板两端，控制移动模块到作业面的距离。

优选的，六轴工业机器人为六轴多关节机器人，不仅能在水平面自由旋转还能在垂直平面移动，可以拿起水平面上任意朝向的部件，以特殊的角度放入产品里，具体包括一轴，二轴，三轴，四轴，五轴和六轴，其中一轴为基座：第一轴连接底座的部分，主要承载各轴的重量和基座的左右旋转，左转和右转是通过关节内置的电机和减速器来传动的，每个轴代替一个运动方向，一轴的运动范围可以达到±360°。二轴为肩部：二轴控制机器人主臂前后摆动和整个手臂上下运动的功能。三轴为肘部：三轴也是控制机器人前后摆动的功能，但第三轴的摆动臂范围小于第二轴。四轴为腕部：四轴是控制微调上下翻转动作，旋转的运动范围最大可达±180°。五轴为腕部：五轴控制微调左右旋转动作，旋转的运动范围最大可达±180°。六轴为腕部：六轴是末端关节部分，负责末端夹具工作，旋转的运动范围可达±360°。具体的六轴工业机器人机型与根据单圆盾构隧道半径，选用不同工作半径的机型，以实现不同半径隧道锚固作业要求。同时锚固集成组件上设置快换组件与机器人连接，连接板两端均设置法兰连接快换组件，实现锚固机器人在单圆盾构隧道内一环两侧各位置处锚固作业需求。

优选的，视觉定位系统为3D视觉系统扫描定位打孔位置。

本发明其中利用3D视觉定位系统扫描定位打孔位置，并利用钢筋检测仪检测管片内部是否有钢筋，在确认无钢筋符合钻孔条件后，传感器的设置便于移动模块调整位置利用管片钻孔组件对管片进行精准钻孔，同时移动模块可调整位置至管片已钻孔位置处，便于锚栓安装组件与抓手配合插入锚栓以及配合锚栓拧紧组件拧紧螺母。

进一步的，移动模块包括管片钻孔组件、锚栓安装组件、锚栓拧紧组件和模块控制柜；其中管片钻孔组件、锚栓安装组件和锚栓拧紧组件均与无杆气缸连接，分别实现前后进给运动。

进一步的，锚栓连续上料组件包括插排座，垫板、锚栓固定架；其中垫板两端可插入式活动连接在插排座下方；锚栓固定架设置在垫板下方；若干锚栓设置在锚栓固定架上。

优选的，锚栓固定架与垫板可通过螺栓螺母可拆卸连接，方便卡扣的维护、检修与更换。其中锚栓固定架与垫板也可通过焊接工艺焊接固定。

进一步的，插排座包括固定板和设置在固定板两端的限位板；限位板上设置凸缘；垫板设置在凸缘上方，位于限位板之间，与插排座可插入式活动连接，方便垫板的快速更换，同时凸缘的设置防止垫板滑动时卡死，且有限位和导向作用。

进一步的，锚栓固定架与垫板连接，锚栓固定架为卡扣或电永磁块。

优选的，卡扣为若干个，均匀设置在垫板下方，卡扣包括顶板以及对称设置在顶板下方的卡板；顶板与垫板连接；锚栓卡设在卡板之间；锚栓也可通过电永磁块固定在垫板下方。本发明中在上料抓手抓取锚栓时候，将锚栓沿竖直向下拔出，当锚栓抓取结束时，及时更换上固定有锚栓固定架上设有锚栓的另一垫板，实现排插式锚栓上料。

进一步的，锚栓连续上料组件还包括插排座板；其中插排座板为若干个，一端垂直连接在插排座上方，与锚栓平行设置；另一端固定在连接板上。

进一步的，锚栓上套设有与其相适配的螺母。

插排座板与插排座上均设置螺孔，插排座板与插排座通过螺栓连接，插排座板与连接板也通过螺栓连接。

进一步的，上料抓手固定在移动模块一侧，包括设置第一气缸的第一气缸安装座，设置第二气缸的第二气缸安装座，设置第三气缸的第三气缸安装座和抓手组件；其中第一气缸安装座与移动模块连接；第一气缸连接第二气缸安装座；第二气缸连接第三气缸安装座；第三气缸通过抓手支撑与抓手组件连接；抓手组件抓取锚栓连续上料组件上的锚栓，并将锚栓对准到锚栓安装组件上。

进一步的，抓手组件包括抓手和抓手轴；抓手中部与抓手轴连接；抓手轴与抓手支撑连接，抓手组件抓取锚栓连续上料组件上的锚栓，并将锚栓对准到锚栓安装组件上。

其中抓手两端均可抓取锚栓。

本发明中，抓手夹紧锚栓后，第三气缸缩回使抓手抓取锚栓，第二气缸和第三气缸伸出合适距离，避免抓手旋转时和其他部件碰撞，抓手组件旋转180°使抓手向下，第一气缸、第二气缸和第三气缸缩回调整位置，使抓手上锚栓对准到锚栓安装组件上，移动模块调整位置至管片已钻孔位置处，抓手和锚栓安装组件配合将锚栓安装于隧道管片内，然后锚栓拧紧组件将锚栓拧紧，锚栓安装完成，抓手继续去抓取锚栓。

进一步的，快换组件包括公扣装置和母扣装置，其中公扣装置连接在机器人上；母扣装置固定设置在连接板两端的法兰上；公扣装置和母扣装置上分别开设若干凹槽和若干凸椽转动连接。

本发明中快换组件包括公扣装置和母扣装置，其中公扣装置连接在六轴工业机器人上，母扣装置固定设置在连接板两端的法兰上，仅仅通过公扣装置和母扣装置的机械配合即可实现安装架与六轴工业机器人上快速连接以及实现锚固集成组件调向，满足隧道内任何位置处作业需求。

通过以上技术方案，本发明提出了一种锚固机器人，具有如下技术效果：本发明利用管片钻孔组件进行钻孔，利用锚栓连续上料组件抓取锚栓并对准到锚栓安装组件上，相互配合下锚栓安装组件上将锚栓插入钻孔中，并利用锚栓拧紧组件将锚栓上的螺母拧紧，机械化自动完成锚栓的定位、打孔、安装与拧紧，提高地铁隧道管片的修复效率，减少人工操作失误率。且锚栓设置在锚栓固定架上，在抓手抓取锚栓时候，将锚栓竖直向下拔出，当锚栓抓取结束时，通过垫板两端可插入式活动连接在插排座下方，可利用快速更换上固定有锚栓固定架，锚栓固定架上设有锚栓的另一垫板实现排插式锚栓上料，提高抓取效率，省时省力。

附图说明

本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是本发明提供的锚固机器人的结构示意图。

图2是本发明提供的六轴工业机器人的结构示意图。

图3是本发明提供的锚固集成组件的结构示意图。

图4是本发明提供的锚固集成组件的另一结构示意图

图5是本发明提供的锚栓连续上料组件的结构示意图。

图6是本发明提供的插排座的结构示意图。

图7是本发明提供的锚栓和螺母的结构示意图。

图8是本发明提供的移动模块的结构示意图。

图9是本发明提供的上料抓手的结构示意图。

图10是本发明提供的母扣装置的结构示意图。

图11是本发明提供的公扣装置的结构示意图。

其中，1为锚栓连续上料组件，1-1为插排座，1-1-1为固定板，1-1-2为限位板，1-1-3为凸缘，1-2为垫板，1-3为锚栓固定架，1-4为插排座板，2为移动模块，2-1为管片钻孔组件，2-2为锚栓安装组件，2-3为锚栓拧紧组件，2-4为模块控制柜，3为安装架，4为无杆气缸，5为线性滑轨，6为传感器，7为传感器支架，8为快换组件，9为连接板，10为上料抓手，10-1为第一气缸，10-2为第一气缸安装座，10-3为第二气缸，10-4为第二气缸安装座，10-5为第三气缸，10-6为第三气缸安装座，10-7为抓手组件，10-8为抓手支撑，11为锚栓，12为螺母，13为六轴工业机器人，13-1为基座，13-2为二轴，13-3为三轴，13-4为四轴，13-5为五轴，13-6为六轴。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。

实施例

如图1-2，本发明提出了一种锚固机器人，包括

机器人；机器人为六轴工业机器人13；

锚固集成组件；锚固集成组件上设置快换组件与机器人连接；如图3-4锚固集成组件包括：

安装架3；安装架3上方设置连接板9，通过连接板9两端与六轴工业机器人13手连接；

锚栓连续上料组件1；锚栓连续上料组件1连接在连接板9上，位于安装架3的侧面；锚栓11卡固在锚栓连续上料组件1的下方；锚栓11上套设有与其相适配的螺母12；

移动模块2；移动模块2通过线性滑轨5集成到安装架3下方，沿线性滑轨5相对安装架3滑动，并通过其上固定的上料抓手10抓取锚栓连续上料组件1上的锚栓11；

视觉定位系统；视觉定位系统扫描定位打孔的位置；

钢筋检测仪；钢筋检测仪检测打孔处是否有钢筋；

锚固机器人还包括传感器6；传感器6通过传感器支架固定在连接板9两端，控制移动模块2到作业面的距离。

本申请中的六轴工业机器人13可理解为六轴多关节机器人，不仅能在水平面自由旋转还能在垂直平面移动，可以拿起水平面上任意朝向的部件，以特殊的角度放入产品里，具体包括一轴，二轴13-2，三轴13-3，四轴13-4，五轴13-5和六轴13-6，其中一轴为底座13-1：第一轴连接底座的部分，主要承载各轴的重量和底座13-1的左右旋转，左转和右转是通过关节内置的电机和减速器来传动的，每个轴代替一个运动方向，一轴的运动范围可以达到±360°。二轴13-2为肩部：二轴13-2控制机器人主臂前后摆动和整个手臂上下运动的功能。三轴13-3为肘部：三轴13-3也是控制机器人前后摆动的功能，但第三轴13-3的摆动臂范围小于第二轴13-2。四轴13-4为腕部：四轴13-4是控制微调上下翻转动作，旋转的运动范围最大可达±180°。五轴13-5为腕部：五轴13-5控制微调左右旋转动作，旋转的运动范围最大可达±180°。六轴13-6为腕部：六轴13-6是末端关节部分，负责末端夹具工作，旋转的运动范围可达±360°。具体的六轴工业机器人13机型与根据单圆盾构隧道半径，选用不同工作半径的机型，以实现不同半径隧道锚固作业要求。同时锚固集成组件上设置快换组件与机器人连接，连接板两端均设置法兰连接快换组件，实现锚固机器人在单圆盾构隧道内一环两侧各位置处锚固作业需求。

为优化本实施例，视觉定位系统可以理解为3D视觉系统扫描定位打孔位置。

如图5-7，本实施例中锚栓连续上料组件1包括插排座1-1，垫板1-2、锚栓固定架1-3和插排座板1-4；其中垫板1-2两端可插入式活动连接在插排座1-1下方；锚栓固定架1-3设置在垫板1-2下方；若干锚栓11设置在锚栓固定架1-3上，其中插排座板1-4为若干个，可根据插排座1-1长度确定，本实施例中为三个，插排座板1-4与插排座1-1上均设置螺孔，插排座板1-4一端通过螺栓垂直连接在插排座1-1上方，与锚栓11平行设置；另一端与连接板9也通过螺栓连接。

本实施例中的锚栓固定架1-3与垫板1-2的可通过不同的工艺实现可拆卸连接或固定连接，如锚栓固定架1-3与垫板1-2可通过螺栓可拆卸连接，方便卡扣的维护、检修与更换；又或锚栓固定架1-3与垫板1-2也可通过焊接工艺焊接固定。

优选的，插排座1-1包括固定板1-1-1和设置在固定板1-1-1两端的限位板1-1-2；限位板1-1-2上设置凸缘1-1-3；垫板1-2设置在凸缘1-1-3上方，位于限位板1-1-2之间，与插排座1-1可插入式活动连接，且垫板1-2厚度小于限位板1-1-2高度，方便垫板1-2的快速更换，同时凸缘1-1-3的设置防止垫板1-2滑动时卡死，且有限位和导向作用。

锚栓固定架1-3与垫板1-2连接，锚栓固定架1-3可理解为卡扣或电永磁块。优选的，卡扣为若干个，均匀设置在垫板1-2下方，卡扣包括顶板以及对称设置在顶板下方的卡板；顶板与垫板1-2连接；锚栓11卡设在卡板之间；锚栓11也可通过电永磁块均匀设置在垫板1-2下方。本发明中在上料抓手10抓取锚栓11时候，将锚栓11竖直向下拔出，当锚栓11抓取结束时，及时更换上固定有锚栓固定架1-3上设有锚栓的另一垫板1-2，实现排插式锚栓11上料。

其中如图8，移动模块2包括管片钻孔组件2-1、锚栓安装组件2-2、锚栓拧紧组件2-3和模块控制柜2-4；其中管片钻孔组件2-1、锚栓安装组件2-2和锚栓拧紧组件2-3均与无杆气缸4连接，分别实现前后进给运动。模块控制柜2-4内设置模块控制装置以及电气装置及系统。

本实施例中如图9，上料抓手10固定在移动模块2一侧，包括设置第一气缸10-1的第一气缸安装座10-2，设置第二气缸10-3的第二气缸安装座10-4，设置第三气缸10-5的第三气缸安装座10-6和抓手组件10-7；其中第一气缸安装座10-2与移动模块2连接；第一气缸10-1连接第二气缸安装座10-4；第二气缸10-3连接第三气缸安装座10-6；第三气缸10-5通过抓手支撑10-8与抓手组件10-7连接；抓手组件10-7包括抓手和抓手轴；抓手中部与抓手轴连接；抓手轴与抓手支撑10-8连接；伺服电机驱动抓手轴转动，抓手夹紧锚栓11后，第三气缸10-5缩回使抓手抓取锚栓11，第二气缸10-3和第三气缸10-5伸出合适距离，避免抓手旋转时和其他部件碰撞，抓手组件10-7旋转180°使抓手向下，第一气缸10-1、第二气缸10-3和第三气缸10-5缩回调整位置，使抓手上锚栓11对准到锚栓安装组件2-2上，移动模块2调整位置至管片已钻孔位置处，抓手和锚栓安装组件2-2配合将锚栓11安装于隧道管片内，然后锚栓拧紧组件2-3将锚栓11拧紧，锚栓11安装完成，抓手继续去抓取锚栓11。

为进一步优化本实施例，锚固机器人还包括快换组件8如图10-11；快换组件8包括公扣装置和母扣装置，其中公扣装置连接在六轴工业机器人13上和母扣装置固定设置在连接板9两端的法兰上，公扣装置和母扣装置上分别开设若干凹槽和若干凸椽转动连接，具体可理解为凸椽和凹槽通过转动直接插入即可进行连接，也可理解为凸椽上和凹槽内设置螺纹，可通过六轴工业机器人13转动，将其上设置的公扣装置仅仅通过机械配合转动，即可实现与连接板9法兰上母扣装置连接，进一步实现安装架3与六轴工业机器人13快速连接。

本实施例中锚固机器人的运行原理和使用方法如下：插排座板1-4与插排座1-1上均设置螺孔，将插排座板1-4一端通过螺栓垂直连接在插排座1-1上方，插排座板1-4为三个，分别固定在插排座1-1两端和中间位置，插排座板1-4另一端通过螺栓与连接板9连接，将六轴工业机器人13通过快换组件8与连接板9上的法兰连接，利用3D视觉定位系统扫描管片确定定位打孔位置，并利用利用钢筋检测仪检测管片内部是否有钢筋，传感器6的设置便于移动模块2调整位置利用管片钻孔组件2-1对管片进行精准钻孔，利用锚栓连续上料组件抓取锚栓11对准锚栓安装组件2-2上，同时移动模块2可调整位置至管片已钻孔位置处，便于锚栓安装组件2-2与抓手配合出入锚栓11以及锚栓拧紧组件2-3拧紧螺母12。机械化自动完成锚栓11的定位、打孔、安装与拧紧，提高地铁隧道管片的修复效率，减少人工操作失误率。当垫板1-2上的锚栓11抓取完时，通过垫板1-2两端可插入式活动连接在插排座1-1下方，可利用快速更换上固定有锚栓固定架1-3和锚栓的另一垫板1-2，实现排插式锚栓11上料，提高抓取效率，省时省力。本实施例的应用范围不仅限于钢板环锚固作业，也会用在其他信号支架的锚栓安装等作业中应用。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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 (7)

1.一种锚固机器人，其特征在于，包括：

机器人；所述机器人为六轴工业机器人；

锚固集成组件；所述锚固集成组件上设置快换组件与所述机器人连接；所述锚固集成组件包括：

安装架；所述安装架上方设置连接板，所述快换组件固定在所述连接板两端，通过所述快换组件与所述机器人连接；

锚栓连续上料组件；所述锚栓连续上料组件连接在所述连接板上，位于所述安装架的侧面；锚栓卡固在所述锚栓连续上料组件的下方；所述锚栓连续上料组件包括插排座，垫板、锚栓固定架；其中所述垫板两端可插入式活动连接在所述插排座下方；所述锚栓固定架设置在所述垫板下方；若干所述锚栓设置在所述锚栓固定架上；

移动模块；所述移动模块通过线性滑轨集成到所述安装架下方，沿所述线性滑轨相对所述安装架滑动，并通过所述移动模块上固定的上料抓手抓取所述锚栓连续上料组件上的所述锚栓；所述移动模块包括管片钻孔组件、锚栓安装组件、锚栓拧紧组件和模块控制柜；其中所述管片钻孔组件、所述锚栓安装组件和所述锚栓拧紧组件均与无杆气缸连接，分别实现前后进给运动；

所述上料抓手固定在所述移动模块一侧，包括设置第一气缸的第一气缸安装座，设置第二气缸的第二气缸安装座，设置第三气缸的第三气缸安装座和抓手组件；其中所述第一气缸安装座与所述移动模块连接；所述第一气缸连接所述第二气缸安装座；所述第二气缸连接所述第三气缸安装座；所述第三气缸通过抓手支撑与所述抓手组件连接；所述抓手组件抓取所述锚栓连续上料组件上的所述锚栓，并将所述锚栓对准到所述锚栓安装组件上；

视觉定位系统；所述视觉定位系统扫描定位打孔的位置；

钢筋检测仪；所述钢筋检测仪检测打孔处是否有钢筋；

传感器；所述传感器通过传感器支架固定在所述连接板两端，控制所述移动模块到作业面的距离。

2.根据权利要求1所述的锚固机器人，其特征在于，所述插排座包括固定板和设置在固定板两端的限位板；所述限位板上设置凸缘；所述垫板设置在所述凸缘上方，位于所述限位板之间，与所述插排座可插入式活动连接。

3.根据权利要求1所述的锚固机器人，其特征在于，所述锚栓固定架与所述垫板连接，所述锚栓固定架为卡扣或电永磁块。

4.根据权利要求1-3任一所述的锚固机器人，其特征在于，所述锚栓连续上料组件还包括插排座板；其中所述插排座板为若干个，一端垂直连接在所述插排座上方，与所述锚栓平行设置；另一端固定在所述连接板上。

5.根据权利要求4所述的锚固机器人，其特征在于，所述锚栓上套设有与其相适配的螺母。

6.根据权利要求1所述的锚固机器人，其特征在于，所述抓手组件包括抓手和抓手轴；所述抓手中部与所述抓手轴连接；所述抓手轴与所述抓手支撑连接，所述抓手组件抓取所述锚栓连续上料组件上的所述锚栓，并将所述锚栓对准到所述锚栓安装组件上。

7.根据权利要求1所述的锚固机器人，其特征在于，所述快换组件包括公扣装置和母扣装置，其中所述公扣装置连接在所述机器人上；所述母扣装置固定设置在所述连接板两端；所述公扣装置和所述母扣装置上分别开设若干凹槽和若干凸椽转动连接。

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