CN113814715B - 一种钢结构连接节点智能拧螺栓群机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种钢结构连接节点智能拧螺栓群机器人，包括操作模块、移动模块、视觉感知模块。操作模块包括自动拧螺栓接头、多自由度机器人臂、机器人臂转动关节、机器人臂底座；视觉感知模块包括显示屏、可伸缩显示屏支撑杆、激光传感器、摄像头；移动模块包括机器人主体、视觉感知设备移动滑轨、行走动力系统。所述机器人主体下连接行走动力系统，所述激光传感器、摄像头安装在视觉感知设备移动滑轨上。本发明具有高精度快定位、初拧、终拧、移动灵活、智能测距功能，实现螺栓位置自动定位与拧紧，可以大大提高钢结构装配效率和施工质量，降低人工成本。

Description

一种钢结构连接节点智能拧螺栓群机器人

技术领域

本发明涉及土木工程设备技术领域，尤其涉及一种钢结构连接节点智能拧螺栓群机器人。

背景技术

装配式钢结构建筑的发展主要体现在高效装配技术的研发，全螺栓连接技术以其绿色、环保、高效等优势，必将是未来装配式钢结构建筑的发展趋势。而螺栓拧紧工作是目前需要优化解决的施工问题，特别是扭剪型螺栓拧紧，需要大量的人力物力，拧紧方式大多以人工握持电动扭矩扳手为主，由于电动扳手扭矩控制范围有限，不同型号扭矩适用性不强，且大扭矩情况下难以人工把持，使得现场拧紧螺栓的施工质量存在隐患，施工效率难以保障，同时钢结构施工人员培训周期长、成本高、现场高空施工存在安全隐患等一系列现实问题，阻碍智能建造得到本质发展。研发用于钢结构连接节点施工的拧螺栓群机器人可以提高现场拧螺栓施工效率，特别是扭剪型螺栓的拧紧，可保障其拧紧质量，改变扭剪型螺栓必须人工握持电动扭矩扳手拧紧的现状，突破相关螺栓智能装备自动对准、拧紧的关键技术，推动建造装备智能化发展，为推进发展绿色建筑、实现碳达峰碳中和奠定坚实技术基础。

发明内容

本发明的目的在于针对装配式钢结构领域节点螺栓连接智能机械安装技术不足，提供一种钢结构连接节点智能拧螺栓群机器人，旨在解决现有钢结构全螺栓节点螺栓拧紧特别是扭剪型螺栓拧紧以人工握持电动扭矩扳手为主，施工效率低、智能化不足、拧紧质量难以保障等问题，实现装配式钢结构连接节点螺栓群自动对准并拧紧，提高施工效率和质量，推动智能建筑发展，助力建筑领域碳达峰碳中和。

为了解决上述技术问题，本发明的技术解决措施如下：

一种钢结构连接节点智能拧螺栓群机器人，它包括操作模块、移动模块、视觉感知模块，具有螺栓自动定位、初拧、终拧、移动灵活、智能测距功能。

所述操作模块包括多自由度机器人臂、自动拧螺栓接头。

所述多自由度机器人臂包括拧螺栓主臂和机器人臂底座，所述拧螺栓主臂一端通过2自由度关节安装在机器人臂底座上，另一端通过6自由度关节或2自由度关节与自动拧螺栓接头相连。

优选的，所述2自由度关节包含旋转臂，下臂、上臂、旋转臂、摆动臂，主要满足机器人接头在操作空间内的横向、纵向、垂向、俯仰的动作需要。

优选的，所述6自由度关节包含旋转臂，下臂(L轴)、上臂、手腕旋转臂、手腕摆动臂和手腕回转臂，主要实现机器人接头在操作空间内的横向、纵向、垂向、俯仰、横滚、偏航的动作。

所述机器人臂底座是固定在移动模块平台上。

所述自动拧螺栓接头是实现螺栓自动对准，螺栓初拧、终拧的动力系统，包括螺栓杆操作系统、螺母操作系统，由接头电机、直线模组、蜗杆、轴承、蜗轮套筒、移动基座、旋转蜗轮套筒、螺栓杆固定基座、压缩弹簧、限位孔、限力机构、磁铁片、拧螺栓接头滑槽、螺栓定位摄像头。

所述移动基座、旋转蜗轮套筒、螺栓杆固定基座是与使用的螺栓型号相匹配的部件。

所述接头电机是为自动拧螺栓接头提供动力的装置，电机安装在自动拧螺栓接头上部。

优选的，所述压缩弹簧是内置在旋转蜗轮套筒内，在拧螺栓过程中可推动螺栓杆梅花头套筒轴向移动，以协调螺栓拧紧过程中螺栓杆梅花头套筒与栓杆梅花头位置。

所述限位孔是在旋转蜗轮套筒及螺栓杆梅花头套筒上，通过限位孔控制螺栓杆梅花头套筒初始位置。

所述限力机构包括弹簧和限位球，功能表现为其中一个螺栓拧到设计值而其他螺栓未达到设计值，则这个螺栓的拧螺栓头会通过限力机构而空转。

优选的，所述磁铁片是在机器人拧螺栓前吸附螺栓杆以保持直立状态，并在拧到螺栓预拉力值时螺栓杆与其分离。

所述螺栓定位摄像头是安装在两移动基座之间的装置。

所述移动模块是为智能拧螺栓机器人提供行走功能的装置，包括机器人主体、行走系统、动力系统。所述机器人主体呈矩形，可以装载视觉感知模块和操作模块的装置。所述行走系统包括全向轮和可控摆动导轨，可满足机器人在平面或凹凸面上行走。所述动力系统是为行走系统提供动力的模块，主要指驱动电机。

作为改进，机器人上安装可控摆动导轨，可控摆动导轨内安装侧轮，当机器人在梁翼缘上行走时，遇到上翼缘螺栓群时，平面凹凸不平，这时可控摆动导轨旋转90度至垂直面，侧轮与上翼缘厚度方向接触，通过可控摆动导轨的侧轮卡住上翼缘可保证机器人不倾倒翻覆。

作为改进，移动模块主体(底盘)安装摄像头和激光传感器部位设置成滑轨，可使摄像头与激光传感器滑动到不同的方位。

所述视觉感知模块包括显示屏、摄像头、激光传感器、系统控制器，用于机器人臂与螺栓孔位置定位、校核，所述显示屏安装在移动模块上，所述摄像头和激光传感器安装在机器人矩形主体前侧，所述系统控制器是通过无线收发器接受传输信号。

所述钢结构连接节点，其连接方式主要是螺栓群连接，其连接节点特征主要在于箱形柱(圆管柱)芯筒式法兰连接节点、普通箱形柱(圆管柱)法兰连接节点、钢梁与短梁段连接节点。

本发明提供的一种钢结构连接节点智能拧螺栓群机器人，它可以用于钢结构柱柱、梁柱连接节点，其具有高精度螺栓定位、初拧、终拧、移动灵活、智能测距功能，实现螺栓位置自动定位与拧紧，可以大大提高钢结构装配效率和施工质量，降低人工成本。

附图说明

图1为本发明实施例的钢结构连接节点智能拧螺栓群机器人整体示意图；

图2为本发明实施例的自动拧螺栓接头构造图；

图3为本发明实施例的自动拧螺栓接头套筒构造详图；

图4为本发明实施例的自动拧螺栓接头套筒构造剖面图；

图5为本发明实施例的机器人主体构造图；

图6为本发明实施例的机器人主体构造俯视图；

图7为本发明实施例的机器人主体构造前视图；

图8为本发明实施例的机器人移动模块全向轮构造详图；

图9为本发明实施例的机器人移动模块可控摆动导轨构造详图；

图10为本发明实施例的显示屏及螺栓定位对准指示灯示意图；

图11为本发明实施例的机器人拧螺栓顺序示意图。

其中，1-自动拧螺栓接头；2-机器人臂；3-机器人臂转动关节；4-机器人臂底座；5-显示屏；6-可伸缩显示屏支撑杆；7-激光传感器；8-摄像头；9-机器人主体(底盘)；10-视觉感知设备移动滑轨；11-行走动力系统。

101-钢梁；102-下翼缘外盖板；103-下翼缘内盖板；104-剪切板；105-上翼缘外盖板；106-上翼缘内盖板；107-螺栓；108-螺母；109-上管柱；110-柱座法兰板；111-下管柱。

201-电机；202-直线模组；203-蜗杆；204-蜗轮套筒；205-移动基座；206-拧螺栓接头滑槽；207-螺栓杆固定基座；208-轴承；209-压缩弹簧；210-螺栓定位摄像头；211-旋转蜗轮套筒；212-磁铁片。

301-限位孔；302-限力机构。

401-全向轮；402-驱动电机；403-可控摆动导轨；404-侧轮；405-透气孔；406-激光或摄像头安装预留孔；407-可控摆动导轨电机及减速器；408-机器人臂底座安装预留孔；409-侧轮轴承。

501-钢梁上翼缘板；502-螺栓定位对准指示灯。

A-钢结构连接节点智能拧螺栓群机器人整体构造；B-自动拧螺栓接头套筒系统；S1-拧螺栓步骤1时接头套筒位置；S2-拧螺栓步骤2时接头套筒位置；S3-拧螺栓步骤3时接头套筒位置；S4-拧螺栓步骤4时接头套筒位置。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。

具体的，如图1所示，本发明提供了一种钢结构连接节点智能拧螺栓群机器人，包括自动拧螺栓接头1、机器人臂2、机器人臂转动关节3、机器人臂底座4，该四部件连接组成操作模块；显示屏5、可伸缩显示屏支撑杆6、激光传感器7、摄像头8共同组成视觉感知模块；机器人主体(底盘)9、视觉感知设备移动滑轨10、行走动力系统11共同组成移动模块。钢梁101、下翼缘外盖板102、下翼缘内盖板103、剪切板104、上翼缘外盖板105、上翼缘内盖板106、螺栓107、螺母108、上管柱109、柱座法兰板110、下管柱111组成机器人服务对象钢结构连接节点。

如图2至图4所示，电机201、直线模组202、蜗杆203、蜗轮套筒204、移动基座205、拧螺栓接头滑槽206、螺栓杆固定基座207、轴承208、压缩弹簧209、螺栓定位摄像头210、旋转蜗轮套筒211、磁铁片212、限位孔301、限力机构302等共同组成自动拧螺栓接头。

如图5至图9所示，全向轮401、驱动电机402、可控摆动导轨车轮403、可控摆动导轨车轮轴承404、透气孔405、激光或摄像头安装预留孔406、可控摆动导轨电机407、机器人臂底座安装预留孔408共同组成移动模块。

本发明提供的一种钢结构连接节点智能拧螺栓群机器人，与现有技术相比，节约人工成本，提高施工效率，保障施工质量与施工安全，提高工地施工设备化、智能化程度，为碳达峰碳中和奠定坚实技术基础。

具体的，如图1所示，A为钢结构连接节点智能拧螺栓群机器人整体构造，所述自动拧螺栓接头1通过机器人臂2与机器人臂转动关节3连接，并与机器人臂底座4固定于机器人主体(底盘)9上，激光传感器7与摄像头8均固定于视觉感知设备移动滑轨10上，可以滑动到任意方向满足不同方位的螺栓定距与成像；机器人主体(底盘)9内装有动力系统与控制系统，为机器人行走提供动力及通过无线收发器接受传输信号。所述机器人服务对象钢结构连接节点由钢梁101、下翼缘外盖板102、下翼缘内盖板103、剪切板104、上翼缘外盖板105、上翼缘内盖板106、螺栓107、螺母108、上管柱109、柱座法兰板110、下管柱111组成。

具体的，如图2所示，B为本发明钢结构连接节点智能拧螺栓群机器人的自动拧螺栓接头内部构造，由电机201、直线模组202、蜗杆203、蜗轮套筒204、移动基座205、拧螺栓接头滑槽206、螺栓杆固定基座207、轴承208、压缩弹簧209、螺栓定位摄像头210、旋转蜗轮套筒211、磁铁片212、限位孔301、限力机构302组成，电机的输出轴通过动力传动装置(本发明实施例中为齿轮啮合传动)与螺栓接头相连。所述压缩弹簧209是内置在蜗轮套筒204内，能够储存足够的形变能，由于负载作用被压缩，在拧螺栓过程中可推动旋转蜗轮套筒211轴向移动，以协调螺栓拧紧过程中旋转蜗轮套筒211与螺栓杆107梅花头位置。所述磁铁片212是在机器人拧螺栓前吸附螺栓杆107以保持直立状态，并在拧到螺栓预拉力值时螺栓杆与其分离。所述螺栓定位摄像头210是安装在两移动基座205之间的装置，能够满足螺栓自动定位配准、智能测距功能。

需要说明的是，所述自动拧螺栓接头1有三个旋转蜗轮套筒211，但不限于3个，可以根据实际需要增加或减少旋转蜗轮套筒211的个数。

进一步需要说明的是，本发明实施例中所述螺栓均为钢结构用扭剪型高强度螺栓，相关型号及其性能指标均应符合规范《钢结构用扭剪型高强度螺栓连接副》(GBT 3632-2008)的相关规定。

具体的，如图3、图4所示，为本发明实施例的自动拧螺栓接头套筒构造详图及其剖面图，所述限位孔301是在旋转蜗轮套筒211及螺栓杆107梅花头套筒上，通过限位孔301控制旋转蜗轮套筒211初始位置。所述限力机构302包括弹簧和限位球，其中一个螺栓拧到设计值而其他螺栓未达到设计值，则这个螺栓的拧螺栓头会通过限力机构而空转。

需要说明的是，所述本发明实施例移动基座205、螺栓杆固定基座207、旋转蜗轮套筒211是与使用的螺栓型号相匹配的部件。所述移动基座205可以磁吸螺母108。

具体的，如图5、图6、图7所示，为本发明实施例机器人主体构造图、俯视图、前视图，优选采用全向轮401，驱动电机402为全向轮401的动力装置，为达到机器人在不同行走路况的安全行走，安装可控摆动导轨403，内装侧轮404，通过侧轮轴承409固定，同时配备可控摆动导轨电机及减速器407，提供动力并达到减速效果。在机器人主体上设计有激光或摄像头安装预留孔406、机器人臂底座安装预留孔408。透气孔405可以达到散热、减小自重的效果。

具体的，如图8、9所示，为本发明实施例的机器人移动模块全向轮构造详图和可控摆动导轨构造详图，全向轮401及可控摆动导轨403安装在机器人主体(底盘)9上，当机器人行走在平面上可控摆动导轨403处于水平状态，此时侧轮404与行走平面接触，当遇到上翼缘螺栓群时，平面凹凸不平，这时可控摆动导轨403旋转90度至垂直面，此时全向轮401与上翼缘螺栓群基础并实现机器人移动，同时侧轮404与钢梁上翼缘板501厚度方向接触，通过侧轮404卡住钢梁上翼缘板501可保证机器人不倾倒翻覆。

具体的，如图10所示，显示屏5可以通过螺栓定位对准指示灯502显示红灯绿灯状态反映螺栓接头系统螺栓定位对准情况，绿灯表示对准最优目标，红灯表示未对准最优目标。

使用时，如图11(a)所示，螺栓杆107事先放到螺栓杆固定基座207上，螺母108放置于移动基座205内，此时自动拧螺栓接头1的状态如S1所示。首先通过螺栓定位摄像头210识别螺栓杆107的位置和有效插入孔径，通过识别定位直到显示屏5上螺栓定位对准指示灯502都变绿，所述指示灯变绿则为最优螺栓定位位置，此时机器人臂2被固定，当未移动到最优目标时指示灯的分布将指示移动方向，最终红色指示灯对应螺栓杆修正后都变成绿色代表可以进行下一步对螺栓进行初拧操作。

进一步地，如图11(b)所示，螺栓初拧时，机器人自动拧螺栓接头1对齐螺栓杆107，机器人臂此时有顺螺栓杆的自由度，拧螺栓接头1通过拧螺栓接头滑槽206移动，使螺栓杆107的梅花头插入旋转蜗轮套筒211，此时自动拧螺栓接头1的状态为S2，此时电机带动蜗杆203转动，进而旋转蜗轮套筒211开始旋转，带动螺栓杆107转动，此时压缩弹簧209负载推回作用推动旋转蜗轮套筒211轴向位移，实现螺母108拧到螺栓杆107上，直至扭矩达到扭剪型高强度螺栓初拧扭矩值为止，初拧扭矩值应满足规范《钢结构高强度螺栓连接技术规程》(JGJ82-2011)的相关规定。

进一步地，如图11(c)所示，螺栓初拧的最终状态如S3所示，螺母108沿套筒向下至钢梁板上表面，螺栓杆107的栓杆头向上至钢梁板下表面。

进一步地，如图11(d)所示，螺栓初拧后即开始螺栓终拧操作，电机继续带动蜗杆203、旋转蜗轮套筒211转动，直到螺栓杆107的梅花头被拧断即可认为螺栓终拧结束。

本发明的实施例是为了示例和描述起见而给出的，而并不是无遗漏的或者将本发明限于所公开的形式。很多修改和变化对于本领域的普通技术人员而言是显而易见的。选择和描述实施例是为了更好说明本发明的原理和实际应用，并且使本领域的普通技术人员能够理解本发明从而设计适于特定用途的带有各种修改的各种实施例。

Claims (4)

1.一种钢结构连接节点智能拧螺栓群机器人，其特征在于：包括操作模块、移动模块、视觉感知模块；

所述操作模块包括自动拧螺栓接头（1）、多自由度机器人臂（2）、机器人臂转动关节（3）、机器人臂底座（4）；机器人臂底座（4）固定在移动模块上；

所述视觉感知模块包括显示屏（5）、可伸缩显示屏支撑杆（6）、激光传感器（7）、摄像头（8）；

所述的自动拧螺栓接头（1）通过多自由度机器人臂（2）、机器人臂转动关节（3）、机器人臂底座（4）与机器人主体底盘（9）相连形成机器人主体；所述的机器人臂转动关节（3）通过驱动电机旋转，并带动多自由度机器人臂（2）转动；所述的激光传感器（7）和摄像头（8）实现不同方位的测量与成像；所述的显示屏（5）通过可伸缩显示屏支撑杆（6）实现上下长度伸缩变化，所述的显示屏（5）通过螺栓定位对准指示灯展示螺栓对准情况；

所述的自动拧螺栓接头（1）与所使用的螺栓型号相匹配，且所述的自动拧螺栓接头（1）依据实际情况增加或减少拧螺栓头个数；自动拧螺栓接头（1）具备初拧和终拧功能；

自动拧螺栓接头（1）包括电机（201）、蜗轮套筒（204）、移动基座（205）、螺栓杆固定基座（207）、压缩弹簧（209）、螺栓定位摄像头（210）、旋转蜗轮套筒（211）、磁铁片（212）、限位孔（301）、限力机构（302）；所述的旋转蜗轮套筒（211）放置在蜗轮套筒（204）内，与螺栓型号相匹配；电机（201）的输出轴通过动力传动装置与自动拧螺栓接头（1）相连；压缩弹簧（209）内置在蜗轮套筒（204）内，在拧螺栓过程中推动旋转蜗轮套筒（211）轴向移动；磁铁片（212）是在钢结构连接节点智能拧螺栓群机器人拧螺栓前吸附螺栓杆（107）以保持直立状态，并在拧到螺栓预拉力值时螺栓杆（107）与其分离；螺栓定位摄像头（210）安装在两移动基座（205）之间；限位孔（301）安装在旋转蜗轮套筒（211）及螺栓杆（107）的梅花头套筒上，通过限位孔（301）控制旋转蜗轮套筒（211）初始位置；限力机构（302）包括弹簧和限位球，其中一个螺栓拧到设计值而其他螺栓未达到设计值，则这个螺栓的拧螺栓头会通过限力机构（302）空转；

所述移动模块为智能拧螺栓机器人提供行走功能的装置，包括机器人主体、行走动力系统，所述机器人主体呈矩形，机器人主体上装载有视觉感知模块和操作模块；行走动力系统包括全向轮（401）及可控摆动导轨（403），驱动电机（402）为全向轮（401）的动力装置，可控摆动导轨（403）上安装有侧轮（404），并通过侧轮轴承（409）固定；同时配备可控摆动导轨电机及减速器（407）；当行走动力系统在平面及凹凸不平面上行走，可控摆动导轨（403）能够在平面内、平面外旋转，在凹凸不平面上可控摆动导轨（403）旋转90度至垂直面；侧轮（404）与工件厚度方向接触，通过侧轮（404）卡住工件；所述机器人主体上设有激光传感器（7）或摄像头（8）的安装预留孔（406），以及机器人臂底座安装预留孔（408）。

2.根据权利要求1所述的一种钢结构连接节点智能拧螺栓群机器人，其特征在于，所述多自由度机器人臂（2）包括拧螺栓主臂和机器人臂底座，所述拧螺栓主臂一端通过2自由度关节安装在机器人臂底座上，另一端通过6自由度关节或2自由度关节与自动拧螺栓接头（1）相连。

3.根据权利要求2所述的一种钢结构连接节点智能拧螺栓群机器人，其特征在于，所述2自由度关节包含旋转臂，下臂、上臂、旋转臂、摆动臂，满足自动拧螺栓接头（1）在操作空间内的横向、纵向、垂向、俯仰的动作需要。

4.根据权利要求2所述的一种钢结构连接节点智能拧螺栓群机器人，其特征在于，所述6自由度关节包含旋转臂，下臂、上臂、手腕旋转臂、手腕摆动臂和手腕回转臂，实现自动拧螺栓接头（1）在操作空间内的横向、纵向、垂向、俯仰、横滚、偏航的动作。

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