CN113843782A - 一种智能识别钢结构装配偏差的柱法兰拧螺栓群机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种智能识别钢结构装配偏差的柱法兰拧螺栓群机器人，包括操作模块、视觉感知模块、移动模块，所述操作模块包括螺栓接头系统、机器人臂、机器人臂转动关节、机器人臂底座、螺母接头系统；所述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；所述移动模块包括机器人底盘、自由转动车轮、驱动电机、视觉感知设备移动滑轨。本发明用于全螺栓柱座法兰的螺栓高效连接，具有高精度定位、自动识别钢结构装配偏差、初拧、终拧功能，实现螺栓自动定位与拧紧，可以大大提高全螺栓装配式钢结构装配效率和施工质量，降低人工成本。

Description

一种智能识别钢结构装配偏差的柱法兰拧螺栓群机器人

技术领域

本发明涉及土木工程设备技术领域，尤其涉及智能识别钢结构装配偏差的柱法兰拧螺栓群机器人。

背景技术

我国新时代建筑行业以新型建筑工业化带动建筑业全面转型升级，以建筑智能化、设备智能化实现工程建设高效益、高质量、低消耗、低排放的建筑工业化。全螺栓装配式钢结构建筑尤其是钢结构箱形柱高效连接新技术的研发，以其绿色环保、施工高效、节约成本等优势，必将是未来装配式钢结构建筑的发展趋势，对促进建筑产业化升级、工业化发展具有重大战略意义。目前现场螺栓拧紧大多以人工握持电动扭矩扳手、风动扳手、定值扭矩扳手及手动开口扳手为主，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；风动扳手依靠较大冲击力拧紧螺栓，终拧扭矩值误差较大；定值扭矩扳手及手动开口扳手的施工效率低且施工质量难以保障，使施工进度把控和建筑安全性存在较大隐患。同时，随着社会老龄化趋势的不断加速，青壮年劳动力的供给将日益紧缺，而专业素质高、经验丰富的建筑工人培训周期长，建筑施工人员的工作条件极差，危险施工作业带来了极大的人身安全隐患，建筑行业的人工成本逐渐增高。上述现实问题，一定程度上阻碍了建筑工业化的发展，因而研发智能识别钢结构装配偏差的拧螺栓群机器人，转变现场螺栓安装方式，是提升施工效率、保障施工人员安全、提升工作品质的必然选择，也有助于实现施工现场无人少人施工、设施装备远程操控，突破全螺栓装配式钢结构建筑施工设备便捷快速关键技术，推进建筑设备智能化、现场施工高效化、工程建设绿色化得到进一步发展。

发明内容

本发明的目的在于针对装配式钢结构领域柱座法兰螺栓连接智能机械安装技术不足，提供一种智能识别钢结构装配偏差的柱法兰拧螺栓群机器人，旨在解决现有柱座法兰螺栓拧紧方式以人工握持扳手为主，效率较低，施工质量难以保证的问题，实现装配式钢结构柱座法兰连接节点螺栓群自动对准并依序拧紧，提高施工效率，推动建筑设备智能化发展。

为了解决上述技术问题，本发明的技术解决措施如下：

一种智能识别钢结构装配偏差的柱法兰拧螺栓群机器人，它包括操作模块、移动模块、视觉感知模块，具有螺栓定位、装配偏差识别、初拧、终拧功能。

所述操作模块包括多自由度机器人臂、螺栓接头系统、螺母接头系统。

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自由度关节与螺栓接头系统或螺母接头系统相连。

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。

所述机器人臂固定在机器人臂底座上，所述机器人臂底座是固定在移动模块平台板上。

所述螺栓接头系统是放置并拧螺栓杆的动力系统，由轴承、蜗轮、螺栓接头磁铁、滑槽、拧螺栓头、限位杆、动力装置、限力机构、螺栓定位摄像头等组成。

所述拧螺栓头是与使用的螺栓杆型号相匹配的部件。

所述限位杆是焊接在螺栓接头系统基板上，通过限位杆来控制螺栓系统与柱座法兰板的安全距离。

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。

所述螺栓接头系统动力装置是带有电机并为拧螺栓提供动力的装置，电机安装在与接头系统相连的机器人臂上。

所述螺母接头系统是放置螺母的系统，包括螺母槽、螺母预定位板、压缩弹簧、螺母接头磁铁部件。

所述螺母槽与螺母预定位板是与螺母型号相匹配的部件，其可以为终拧钻头提供大扭矩反作用力。

所述移动模块是为拧螺栓机器人提供行走功能的装置，包括机器人底盘、四个可自由转动的车轮、两个驱动电机，所述移动主体可以装载视觉感知模块和操作系统的装置，所述四个可自由转动的车轮安装在移动主体下，在底板安装有导轨，车轮横向间距可调节，所述两个驱动电机安装在移动主体内。

作为改进，移动模块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移动模块前侧，所述系统控制器是通过无线收发器接受传输信号。

所述摄像头和激光位移传感器可以对钢结构装配偏差进行测量，所述显示屏可以通过螺栓定位对准指示灯展示螺栓对准情况，绿灯为对准最优位置，红色为未对准最优位置。

所述钢结构，其连接节点的箱型柱或圆管柱通过法兰、高强度螺栓连接。包括上管柱、下管柱、芯筒和横梁，通过螺栓进行

本发明提供的一种智能识别钢结构装配偏差的拧螺栓群机器人，它可以用于全螺栓柱座法兰的螺栓高效连接，其具有高精度定位、自动识别钢结构装配偏差、初拧、终拧功能，实现位置自动调节、螺栓自动定位与拧紧，可以大大提高全螺栓装配式钢结构装配效率和施工效果，降低人工成本。

附图说明

图1为本发明实施例的智能识别钢结构装配偏差的拧螺栓群机器人整体示意图；

图2为本发明实施例的螺栓接头系统详图；

图3为本发明实施例的螺栓接头剖面图；

图4为本发明实施例的螺栓接头系统限力机构构造图；

图5为本发明实施例的螺母接头系统详图；

图6为本发明实施例的螺母接头剖面图；

图7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8为本发明实施例的螺栓初拧步骤示意图；

图9为本发明实施例的螺栓终拧顺序示意图。

其中，1-螺栓接头系统；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-机器人底盘；10-自由转动车轮；11-驱动电机；12-视觉感知设备移动滑轨；13-螺母接头系统。

101-上管柱；102-螺栓；103-螺栓孔；104-柱座法兰板；105-下管柱。

201-蜗杆、202-限位杆、203-齿轮、204-紧锁螺母、205-轴承、206-转动轴承、207-蜗杆齿轮、208-螺栓定位摄像头、209-涡轮、210-拧螺栓头、211-螺栓杆、212-螺栓接头磁铁、213-滑槽与限位孔、214-限力机构。

301-螺母预定位板、302-螺母、303-螺母槽、304-螺母接头磁铁、305-压缩弹簧、306-螺栓定位对准指示灯。

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。

如图1所示，本发明提供了一种智能识别钢结构装配偏差的柱法兰拧螺栓群机器人，包括螺栓接头系统1、机器人臂2、机器人臂转动关节3、机器人臂底座4、螺母接头系统13，该五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；机器人底盘9、自由转动车轮10、驱动电机11、视觉感知设备移动滑轨12共同组成移动模块。上管柱101、下管柱105、螺栓102、螺栓孔103、柱座法兰板104组成机器人服务对象箱形柱座法兰连接节点。

如图2至图4所示，蜗杆201、限位杆202、齿轮203、紧锁螺母204、轴承205、转动轴承206、蜗杆齿轮207、螺栓定位摄像头208、涡轮209、拧螺栓头210、螺栓接头磁铁212、滑槽与限位孔213、限力机构214等共同组成螺栓接头系统1。

如图5至图6所示，螺母预定位板301、螺母302、螺母槽303、螺母接头磁铁304、压缩弹簧305共同组成螺母接头系统。

本发明提供的一种基于土木工程的智能识别钢结构装配偏差的柱法兰拧螺栓群机器人，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程度。

具体的，如图1所示，所述螺栓接头系统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12上，可以滑动到任意方向满足不同方位的柱法兰螺栓定距与成像；显示屏5可以通过螺栓定位对准指示灯306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；机器人底盘9内装有控制系统与动力系统，自由转动车轮10安装在可移动滑轨上，实现车轮横向间距可调节，以满足在不同翼缘宽度的钢梁上工作，驱动电机11可满足整个机器人移动功能；所述拧螺栓群机器人服务对象由上管柱101、螺栓102、柱座法兰板104、下管柱105组成。

具体的，如图2所示，本发明智能识别钢结构装配偏差的柱法兰拧螺栓群机器人的螺栓接头系统内部构造图，由蜗杆201、齿轮203、锁紧螺母204、轴承205、转动轴承206、蜗杆齿轮207、螺栓定位摄像头208组成，驱动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。所述限位杆202是焊接在螺栓接头系统1基板上，通过限位杆来控制螺栓系统与柱座法兰板的安全距离。

需要说明的是，所述本发明实施例螺栓接头系统1有三个拧螺栓头210，但不限于3个，可以根据实际需要增加或减少拧螺栓头210的个数。

具体的，如图3所示，为本发明实施例的螺栓接头剖面图，机器人移动时磁铁212吸附螺栓杆211且不会掉落，在涡轮209驱动下拧螺栓头210实现转动，从而螺栓杆211实现轴向位移，达到紧固螺栓目的，滑槽与限位孔213可保证拧螺栓施工质量。

需要说明的是，本发明实施例中所述螺栓均为钢结构用大六角头高强度螺栓。

具体的，如图4所示，本发明实施例的限力机构214由弹簧和限位球组成，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。

具体的，如图5所示，本发明实施例的螺母接头系统13的螺母预定位板301、螺母套板303与螺母302型号相匹配，螺母槽303在机器人拧螺栓时不会动，在螺栓初拧时螺母预定位板301有预定位螺栓的功能，其上有螺母接头磁铁304，在螺栓终拧时可将螺母预定位板301吸附在法兰板104上，以便为终拧钻头提供大扭矩反作用力。

具体的，如图6所示，本发明实施例的螺母接头压缩弹簧305能够储存足够的形变能，由于负载作用被压缩，在拧螺栓过程中螺母302被压缩弹簧305负载推回作用实现与法兰板104顶紧。其中，所述压缩弹簧末端磨平，弹簧刚度的公差在±15％，垂直度偏差不超过自由高度的5％，永久变形不超过自由高度的0.5％。

使用时，如图7所示，本发明实施例的机器人臂2带动螺栓接头系统1到达柱座法兰螺栓102处，螺栓接头系统1端部的螺栓定位摄像头208识别法兰板上的螺栓孔103相对于端部正面螺栓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306都变绿，所述指示灯变绿则为最优螺栓位置，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孔修正后都变成绿色代表可以进行下一步对螺栓102初拧操作。

进一步地，如图8所示，螺栓初拧时，机器人对齐法兰板104的螺栓孔103，机器人臂此时有水平自由度，将螺栓211推到法兰板104侧面以及将螺母302推到螺栓211螺纹处后固定水平自由度，端部支架使得螺栓211与法兰104侧面有间隙，电机带动全部螺栓211转动使螺母302拧到法兰板104底面(上)，继续拧则将螺栓211拧到法兰板104底面(下)。进一步地，拧螺栓头210和螺母槽303都移开，而螺母槽303底部的螺母预定位板301留下，以便为终拧钻头提供大扭矩反作用力。

进一步地，如图9所示，螺栓终拧时，螺母预定位板301通过螺母接头磁铁304吸附在法兰板104上，并且螺母预定位板301上有槽可以让终拧钻头的固定外壁插入，终拧钻头对准第一个螺母302(摄像头采集图像并通过指示灯显示，再由人手做起始定位)，此时机器人臂端部有三个自由度：上下移动选择螺母302对准、垂直移动接近螺母302、钻头转动；拧完一个螺母302就通过摄像头定位和电机驱动而换下一个，依次按图中示意顺序完成。

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 (7)

1.一种智能识别钢结构装配偏差的柱法兰拧螺栓群机器人，包括操作模块、视觉感知模块、移动模块，所述操作模块包括螺栓接头系统(1)、机器人臂(2)、机器人臂转动关节(3)、机器人臂底座(4)、螺母接头系统(13)；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)；所述移动模块包括机器人底盘(9)、自由转动车轮(10)、驱动电机(11)、视觉感知设备移动滑轨(12)。

所述的螺栓接头系统(1)通过机器人臂(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)通过电动机作用下旋转，带动机器人臂(2)转动；自由转动车轮(10)安装在可移动滑轨上，实现车轮横向间距可调节，以满足在不同翼缘宽度的钢梁上工作，驱动电机(11)满足整个机器人移动功能；所述的激光传感器(7)、摄像头(8)安装在视觉感知设备移动滑轨(12)上；所述的视觉感知设备移动滑轨(12)安装在机器人底盘(9)上，对应部位内部安装有电动机驱动；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。

2.根据权利要求1所述的一种智能识别钢结构装配偏差的柱法兰拧螺栓群机器人，其特征在于，所述的螺母接头系统(13)与螺栓接头系统(1)配合使用，且所述的螺栓接头系统(1)依据实际情况增加或减少拧螺栓头个数。

3.根据权利要求2所述的一种智能识别钢结构装配偏差的柱法兰拧螺栓群机器人，其特征在于，所述的螺母接头系统(13)拧螺栓头通过内部电动机带动旋转，带动待紧固螺栓拧紧。

4.根据权利要求3所述的一种智能识别钢结构装配偏差的柱法兰拧螺栓群机器人，其特征在于，所述的螺栓定位对准指示灯显示绿色或红色，绿灯表示为螺栓接头系统(1)对准螺栓孔最优安装位置，红色则为螺栓接头系统(1)未对准螺栓孔最优安装位置。

5.根据权利要求1所述的一种智能识别钢结构装配偏差的柱法兰拧螺栓群机器人，其特征在于，所述的自由转动车轮(10)通过驱动电机(11)提供移动动力，360°转动。

6.根据权利要求1所述的一种智能识别钢结构装配偏差的柱法兰拧螺栓群机器人，其特征在于，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自由度关节与螺栓接头系统或螺母接头系统相连。

7.根据权利要求6所述的一种智能识别钢结构装配偏差的柱法兰拧螺栓群机器人，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。

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