CN116411570A - 一种多功能作业工作臂及多功能作业设备 - Google Patents

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刘光辉
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Abstract

本发明涉及一种多功能作业工作臂，包括回转单元、伸缩单元、推进梁底座和多个推进梁。回转单元可在水平面内旋转。伸缩单元随着回转单元一起旋转，且可在水平面内伸缩。推进梁底座与伸缩单元连接，且可相对于伸缩单元在竖直平面内转动。多个推进梁彼此独立间隔设置，且与推进梁底座滑动连接。推进梁上设置一个或多个作业单元。本发明还涉及多功能作业设备，当作业设备处于行驶状态或非作业状态时，伸缩单元缩回，工作臂沿着作业设备的行进方向延伸。当作业设备处于作业状态时，回转单元带动工作臂旋转到作业设备的侧面。其有益效果是，功能集成性高，可在多个作业功能之间随意切换，作业精度高，自动化程度高，有利于缩短工期提高工效。

Description

一种多功能作业工作臂及多功能作业设备
技术领域
本发明涉及公路交通安全辅助设施技术领域，尤其涉及一种多功能作业工作臂及多功能作业设备。
背景技术
近年来，我国公路建设尤其是高速公路建设迅猛发展，使用智能化、高精度、高效率的设备进行施工是保证施工质量与效率的条件之一。根据我国实际情况，在公路建设周期中留给护栏施工的时间一般很短，工期要求紧，所以要求打桩机还要具有较高的作业效率，并且考虑到护栏桩分布在充分压实的路肩上，路基下有稳定沙砾甚至碎石，桩位地质条件复杂，沉桩阻力大，不可能人工沉桩，因此，施工过程具有难度大的特点；而且考虑到护栏的防护功能及其对路容路貌的影响，施工必须满足一定的施工质量要求，因此施工过程又具有工艺复杂的特点。
目前公路护栏桩的施工主要采用打桩机配合人工辅助的方式进行护栏桩植入，遇到岩石地段还需要通过小型钻孔设备进行钻孔后再打桩。而目前施工中主要存在的问题是：①施工前期准备工作复杂，人工需要在施工前提前测量放样，标记需要施工的位置，此过程极大降低了施工效率；②施工设备的功能集成性不高，设备普遍只有打桩或钻孔功能，没有考虑取桩、运桩、拔桩等其他功能，因此需要大量人工辅助进行作业；③施工精度控制凭人工经验进行，没有利用可靠的智能化控制技术进行施工，施工质量依靠施工人员的肉眼进行判断与控制；④施工过程噪声与扬尘过大，有数据显示，打桩锤的施工噪声可达90-110分贝，钻孔扬尘非常多，严重影响施工人员的正常作业，存在极大的安全隐患。国外打桩机虽然实现了自动定位、自动驾驶和自动打桩等功能，但依然未解决功能集成性低与施工噪声大的问题。
为解决上述施工中存在的问题，CN213296346U公开了一种双立柱单边打钻一体机，具体包括钻孔机构、打桩机构和安装架。所述钻孔机构和所述打桩机构位于安装架的同一侧。还包括除尘机构，所述除尘机构设置于所述安装架的另一侧。所述安装架为方管，所述安装架的中部设有铰链，其通过铰链铰接于车身前端。还包括液压缸，所述液压缸为两个，两个所述液压缸其一端铰接于车身前端，另一端与所述安装架上部铰接，通过设置的两个液压缸使得在打桩或打孔时其钻孔或打桩角度可调节。该实用新型虽然实现了打钻一体化集成，但仅能在一体机的固定一侧进行施工作业，且钻孔机构和打桩机构的可调节自由度较低，导致不能保证钻孔和打桩作业的精度，在施工精度与降噪问题方面仍未提出解决方案。
CN113981969A公开了一种智能取桩、定位的护栏打桩机及工作方法，该发明利用摄像头和传感器实现了自动化存桩、取桩、打桩，在一定程度上提高了设备的智能化程度，但设备整机笨重，结构设计不紧凑，且只能进行打桩作业，无法进行钻孔作业，功能集成性不高，噪音与扬尘问题也未解决。
综上所述，目前虽有部分打桩机正在应用，但普遍存在功能集成性不高、作业精度较低、智能化程度低、噪声与扬尘较大等问题，因此如何提供一种能够缩短工期、提高工效、提高精度、降噪降尘的多功能集成的打桩设备，是目前本领域技术人员亟待解决的问题。
发明内容
(一)要解决的技术问题
鉴于现有技术的上述缺点、不足，本发明提供一种多功能作业工作臂及作业设备，其解决了现有技术中的工作臂和作业设备功能集成性不高、作业精度较低、只能单侧作业、自动化和智能化程度较低、噪声与扬尘较大等技术问题。
(二)技术方案
为了达到上述目的，本发明采用的主要技术方案包括：
第一方面，本发明提供一种多功能作业工作臂，其特征在于，包括回转单元、伸缩单元、推进梁底座以及多个推进梁；所述伸缩单元设置在所述回转单元和所述推进梁底座之间；多个所述推进梁设置在所述推进梁底座上；
所述回转单元可在水平面内旋转；所述伸缩单元设置在所述回转单元上，可随着所述回转单元一起旋转；所述伸缩单元相对于所述回转单元可在水平面内伸缩；
所述推进梁底座与所述伸缩单元连接，且可相对于所述伸缩单元在竖直平面内转动；
多个所述推进梁彼此独立间隔设置，且均与所述推进梁底座滑动连接；每个所述推进梁上设置一个或多个作业单元。
本发明提出的多功能作业工作臂，通过设置回转单元，为工作臂提供水平面内高达180度的旋转自由度，可实现在作业设备的两侧作业；通过设置伸缩单元，为工作臂提供水平面内自由伸缩的自由度，以便于调节工作臂伸出作业设备的长度以及工作臂与目标作业位置之间的距离；通过设置推进梁底座，为工作臂提供竖直平面内转动的自由度，即俯仰自由度，同时还为工作臂提供调节与施工作业地面之间距离的自由度；通过设置多个彼此独立的推进梁，使得工作臂能够实现多个作业功能，功能集成性高。具有多个姿态调整自由度的工作臂可针对目标作业位置进行多个方向的调整，以提高作业精度，实现双边作业，减少作业前准备工作所花费的时间。
可选地，所述多功能作业工作臂还包括推进补偿油缸，所述推进补偿油缸与所述推进梁一一对应地设置；所述推进补偿油缸的一端与设置在所述推进梁底座上的推进补偿油缸座连接，另一端与对应的所述推进梁连接。推进补偿油缸主要用于补偿推进梁的离地行程，保证推进梁工作时始终能撑地，补偿油缸的设计可以适应不同坡度的地面。
可选地，所述伸缩单元可相对于所述回转单元的回转中心轴线偏摆，以便于作业前精细调整待作业推进梁相对于地面的垂直度，尤其是针对有坡度的地面也能保证竖直状态施工，从而保证作业中心的垂直度。
可选地，所述伸缩单元包括固定臂和活动臂；所述活动臂可在所述固定臂内伸缩移动。
可选地，所述固定臂的底部设有偏摆铰点，借助所述偏摆铰点与所述回转单元的顶部铰接。
可选地，俯仰油缸设置在所述活动臂和所述推进梁底座之间，其两端分别与所述活动臂和所述推进梁底座转动连接；所述活动臂的伸出端与所述推进梁底座转动连接。
可选地，多个所述推进梁包括打桩推进梁和钻孔推进梁。
可选地，所述打桩推进梁和所述钻孔推进梁的作业端位于同一侧。
可选地，所述打桩推进梁上设有打桩锤和拔桩机构；所述打桩锤通过打桩锤安装座与所述打桩推进梁连接；所述拔桩机构设置在所述打桩锤安装座的侧面。
可选地，所述打桩推进梁上还设有运桩机械手。
可选地，所述打桩锤安装座靠近作业端的一侧设有隔音罩。
可选地，所述钻孔推进梁上设有钻孔机构。
可选地，所述钻孔推进梁的作业端设有除尘单元。
第二方面，本发明提供一种多功能作业设备，包括底盘和车架，其特征在于，还包括前文所述的多功能作业工作臂，所述工作臂通过所述回转单元安装在所述车架的前端；
当所述作业设备处于行驶状态或非作业状态时，所述工作臂沿着所述作业设备的行进方向延伸，所述伸缩单元缩回；
当所述作业设备处于作业状态时，所述回转单元带动所述工作臂旋转到所述作业设备的左侧或右侧。
本发明提出的多功能作业设备，通过设置具有多个姿态调整自由度的工作臂，可实现在作业设备的两侧作业，即双边作业。作业设备能够实现多个作业功能，功能集成性高，可针对目标作业位置进行多个方向的调整，作业精度高，作业前准备工作所花费的时间少。
可选地，所述作业设备还包括电气系统和液压系统；所述电气系统和液压系统均位于车架内部，用于控制或驱动所述工作臂的各种动作。
可选地，所述作业设备配置有RTK定位装置和传感器。
可选地，所述底盘采用工程底盘。
(三)有益效果
本发明的多功能作业工作臂，相对于现有技术而言，具有以下有益效果：
(1)通过设置回转单元，为工作臂提供水平面内高达180度的旋转自由度，可实现在作业设备的两侧作业，即双边作业；
(2)通过设置伸缩单元，为工作臂提供水平面内自由伸缩的自由度，以便于调节工作臂伸出作业设备的长度以及工作臂与目标作业位置之间的距离；
(3)通过对称设置偏摆油缸，为工作臂提供相对于回转单元的回转中心轴线偏摆的自由度，以便于施工作业前精细调整待作业推进梁相对于地面的垂直度，尤其是针对有坡度的地面也能保证竖直状态施工，从而保证作业中心的垂直度；
(4)通过设置推进梁底座和俯仰油缸，为工作臂提供竖直平面内转动的自由度，即俯仰自由度，同时还为工作臂提供调节与施工作业地面之间距离的自由度；
(5)通过设置多个推进梁，使得工作臂能够实现多个作业功能，功能集成性高；推进梁之间彼此独立，使得工作臂可在多个作业功能之间任意切换，且不会互相影响，工作灵活度与施工效率得到极大提高；
(6)通过在推进梁和推进梁底座之间设置推进补偿油缸，用于补偿作业推进梁的离地高度，保证处于作业状态的推进梁始终能与地面接触，增加工作臂施工作业时的稳定性，推进补偿油缸的设计可以适应不同坡度的地面；
(7)针对不同的施工作业要求和复杂的施工作业现场情况，具有多个姿态调整自由度的工作臂相对于目标作业位置进行多个方向的调整，具体包括回转、伸缩、偏摆、俯仰、推进以及推进补偿等，以适应作业现场不同坡度或高低不平的地面，从而提高作业精度；
(8)当推进梁包括打桩推进梁和钻孔推进梁时，工作臂集成了打桩、钻孔和拔桩等功能，结构紧凑，实现了打拔钻一体化，省略了不同作业工序之间设备切换进场所耗费的时间，提高了作业效率；
(9)通过运桩机械手取代人工取桩和运桩的流程，减少了人员数量与劳动强度，提高了系统的自动化程度和工作效率；
(10)通过设置隔音罩对打桩作业的工作噪声进行隔音处理，通过设置除尘单元对钻孔作业的扬尘进行降尘处理，保证施工现场环境的舒适度，保障施工人员的健康。
本发明的多功能作业设备，相对于现有技术而言，具有以下有益效果：
(1)通过设置具有多个姿态调整自由度的工作臂，使得当作业设备处于行驶状态或非作业状态时，工作臂沿着作业设备的行进方向延伸，伸缩单元缩回到最短尺寸，有利于减小运输尺寸，保证行驶稳定性；当作业设备处于作业状态时，回转单元带动工作臂旋转到作业设备的左侧或右侧，从而实现双边作业；
(2)通过设置具有多个姿态调整自由度的工作臂，针对不同的施工作业要求和复杂的施工作业现场情况，工作臂相对于目标作业位置可进行多个方向的调整，具体包括回转、伸缩、偏摆、俯仰、推进以及推进补偿等，以适应作业现场不同坡度或高低不平的地面，从而提高作业精度；
(3)通过设置RTK定位装置和多个传感器，与电气系统和液压系统配合，实现智能化施工控制，设备能够实现自主定位与轨迹规划、自动驾驶、自动打桩与钻孔，精准控制打桩高程参数与垂直度参数，减少了原有的测量放样环节，可有效节约施工时间，同时改变了凭人工经验判断施工精度的现状，保证了较高的施工精度。
附图说明
图1为本发明的多功能作业工作臂的实施例1的立体示意图；
图2为本发明的多功能作业工作臂的实施例1的俯视示意图；
图3为本发明中的回转单元和伸缩单元的放大视图；
图4为本发明的多功能作业工作臂的实施例2的立体示意图；
图5为本发明的多功能作业工作臂的实施例2的仰视示意图；
图6为图4中的打桩推进梁的立体示意图；
图7为图4中的钻孔推进梁的立体示意图；
图8为本发明的多功能作业设备的立体示意图，其中工作臂处于水平位置；
图9为本发明的多功能作业设备的立体示意图，其中工作臂处于竖直位置。
【附图标记说明】
1：回转单元；
2：伸缩单元；21：固定臂；22：活动臂；23：偏摆油缸
3：推进梁底座；31：俯仰油缸；
4：推进梁；41：推进补偿油缸；
5：打桩推进梁；51：打桩锤安装座；52：打桩锤；53：拔桩机构；54：运桩机械手；55：隔音罩；
6：钻孔推进梁；61：回转动力头；62：钻杆；63：潜孔锤；64：钻头；65：捕尘罩；66：喷嘴；
7：车架；
8：支腿。
具体实施方式
为了更好的解释本发明，以便于理解，下面结合附图，通过具体实施方式，对本发明作详细描述。其中，本文所提及的“上”、“下”、“左”、“右”等方位名词以图8所示的作业设备定向为参照，其中，将作业设备的行进方向的两侧定义为左右方向。
本发明实施例提出的多功能作业工作臂，包括回转单元、伸缩单元、多个推进梁以及推进梁底座。所述回转单元可在水平面内旋转。所述伸缩单元随着所述回转单元一起旋转，且相对于所述回转单元可在水平面内伸缩。所述推进梁底座可相对于所述伸缩单元在竖直平面内转动。回转单元、伸缩单元和推进梁底座的相对运动关系设置使得工作臂具有多个姿态调整自由度，具体包括回转、伸缩、俯仰等自由度。因而，针对不同的施工作业要求和复杂的施工作业现场情况，工作臂相对于目标作业位置可进行多个方向的调整，以适应作业现场不同坡度或高低不平的地面，从而提高作业精度。每个所述推进梁上设置一个或多个作业单元，使得工作臂能够实现多个作业功能，功能集成性高。多个所述推进梁彼此独立间隔设置，使得工作臂可在多个作业功能之间任意切换，且不会互相影响，工作灵活度与施工效率得到极大提高。
本发明实施例提出的多功能作业设备，包括上述多功能作业工作臂，所述工作臂通过所述回转单元安装在车架的前端。当所述作业设备处于行驶状态或非作业状态时，所述工作臂沿着所述作业设备的行进方向延伸，所述伸缩单元缩回到最短尺寸，有利于减小运输尺寸，保证行驶稳定性；当所述作业设备处于作业状态时，所述回转单元带动所述工作臂旋转到所述作业设备的左侧或右侧，从而实现双边作业。
为了更好的理解上述技术方案，下面将参照附图更详细地描述本发明的示例性实施例。虽然附图中显示了本发明的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更清楚、透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整地传达给本领域的技术人员。
实施例1：
如图1和图2所示，本发明的实施例1提供一种多功能作业工作臂，其包括回转单元1、伸缩单元2、推进梁底座3以及多个推进梁4。伸缩单元2设置在回转单元1和推进梁底座3之间。多个推进梁4设置在推进梁底座3上。多个推进梁4彼此独立间隔设置，且彼此独立工作，使得工作臂能够实现多个作业功能，且可在多个作业功能之间任意切换，功能集成性高。多个推进梁4均与推进梁底座3滑动连接。优选地，多个推进梁4设置在推进梁底座3的同一侧，且彼此平行设置。当推进梁4处于作业状态时，推进梁4的纵向轴线垂直于地面。根据实际施工作业需求，每个推进梁4上设置一个或多个作业单元，以完成既定的施工作业任务。本实施例对作业单元的具体类型和结构不作限制，只要该作业单元适用于安装在推进梁4上对路面进行施工作业即可。
回转单元1可在水平面内旋转，实现多功能作业工作臂的整体回转。优选地，回转单元1可在水平面内180度的角度范围内往返回转，使得工作臂可在作业设备的两侧作业，即双边作业。需要说明的是，本发明的技术方案中回转单元1的旋转范围并不局限于180度，而是根据施工作业的实际需求确定，大于180度或者小于180度的旋转范围均在本发明的保护范围之内。进一步地，多功能作业工作臂可以设置成，在作业状态下，即当多个推进梁4处于竖直状态时，多个推进梁4上的作业单元的作业中心轴线与回转单元1的回转中心轴线之间的距离相等，使得从俯视的角度观察，多个推进梁4上的作业中心位于以回转单元1的回转中心为圆心的同一个圆上，从而回转单元1还可实现多个作业功能之间的切换。
作为示例，回转单元1采用回转支承，也称作转盘轴承，是一种能够承受多个方向的联合载荷的大型轴承，可以同时承受较大的轴向负荷、径向负荷和倾覆力矩。作为示例，回转支承可由蜗轮蜗杆回转减速机驱动。回转支承在本实施例中用作多功能作业工作臂的“关节”之一，允许工作臂与支撑工作臂的作业设备底盘之间做相对回转运动。回转支承具有结构紧凑、高度小、安装维护方便、使用寿命长的优势。
伸缩单元2设置在回转单元1上，随着回转单元1一起旋转。伸缩单元2相对于回转单元1可在水平面内伸缩，从而带动推进梁底座3和多个推进梁4一起在水平面内伸缩，以便于调节工作臂伸出作业设备的长度以及工作臂与目标作业位置之间的距离。作为示例，伸缩单元2包括固定臂21和活动臂22，固定臂21具有中空结构，活动臂22插入中空的固定臂21，可在固定臂21内伸缩移动。固定臂21设置在回转单元1的顶部，且与回转单元1的旋转部件同步转动。本实施例对伸缩单元2的驱动类型和驱动结构不做限定，只要能驱动活动臂22在固定臂21内往复移动即可。
推进梁底座3与伸缩单元2连接，且可相对于伸缩单元2在竖直平面内转动，以便于调节推进梁4相对于地面的垂直度，从而为多功能作业工作臂提供竖直平面内转动的自由度，即俯仰自由度，同时还为工作臂提供调节与施工作业地面之间距离的自由度。作为示例，俯仰油缸31设置在伸缩单元2的活动臂22和推进梁底座3之间，其两端分别与活动臂22和推进梁底座3转动连接。活动臂22的伸出端与推进梁底座3转动连接。从多功能作业工作臂的侧面观察，俯仰油缸31与推进梁底座3的转动连接点、俯仰油缸31与活动臂22的转动连接点、以及活动臂22与推进梁底座3的转动连接点构成一个三角形，从而使得在俯仰油缸31的驱动下，推进梁底座3带动多个推进梁4相对于伸缩单元2和回转单元1在竖直平面内做俯仰运动。尽管图1中仅显示了一个俯仰油缸31，但本发明对俯仰油缸31的数量不做限定。本领域技术人员能意识到，本发明的技术方案中也可设置多个俯仰油缸31。当推进梁4的数量较多或者推进梁4上安装的作业单元重量较大时，多个俯仰油缸31有利于更稳定地支撑推进梁底座3和多个推进梁4在竖直平面内转动。此外，设置多个俯仰油缸31可提高多功能作业工作臂的安全性，假若其中一个俯仰油缸31因故障无法为推进梁底座3和多个推进梁4提供足够的支撑力，其余的俯仰油缸31仍能保证推进梁底座3和多个推进梁4可以正常工作，避免推进梁底座3和多个推进梁4坍塌。
进一步地，如图3所示，伸缩单元2可相对于回转单元1的回转中心轴线偏摆，以便于在施工作业准备阶段精细调整待作业推进梁4相对于地面的垂直度，尤其是针对有坡度的地面也能保证竖直状态施工，从而保证作业中心的垂直度。回转单元1与伸缩单元2之间通过两个对称的偏摆油缸23实现工作臂相对于回转单元1的回转中心轴线偏摆。具体地，伸缩单元2的固定臂21的底部设有偏摆铰点，借助所述偏摆铰点固定臂21与回转单元1的顶部铰接。偏摆油缸23对称设置在固定臂21的延伸方向的两侧，即图1中的左右两侧，且偏摆油缸23的下端与回转单元1的顶部通过销轴铰接，偏摆油缸23的上端与固定臂21的顶部通过销轴铰接。
进一步地，本实施例中的多功能作业工作臂还包括推进补偿油缸41，推进补偿油缸41用于补偿推进梁4的离地行程，保证推进梁4工作时始终能撑地，推进补偿油缸41的设计可以适应不同坡度的地面。多个推进补偿油缸41与多个推进梁4一一对应地设置。推进梁底座3的底部设有多个推进补偿油缸座，多个推进补偿油缸座与多个推进补偿油缸41一一对应地设置。推进补偿油缸41的一端与对应的推进补偿油缸座连接，另一端与对应的推进梁4连接。推进梁底座3分别与多个推进梁4通过滑槽与滑块的配合实现滑动连接。滑槽与滑块成对设置在推进梁底座3和推进梁4之间。本领域技术人员应意识到，其他能实现滑动连接的机械结构也可用于推进梁底座3和推进梁4之间，本发明对此不做限定。推进补偿油缸41用于驱动对应的推进梁4相对于推进梁底座3滑动，并能将对应的推进梁4保持在某一需要的位置。在作业准备阶段，当待作业的推进梁4已被调整到相对于目标作业地面的竖直位置后，对应的推进补偿油缸41驱动待作业推进梁4向下移动，直到待作业推进梁4与地面接触，从而增加作业过程中工作臂的稳定性。
本实施例提出的多功能作业工作臂，通过设置回转单元1，为工作臂提供水平面内高达180度的旋转自由度，可实现在作业设备的两侧作业；通过设置伸缩单元2，为工作臂提供水平面内自由伸缩的自由度，以便于调节工作臂伸出作业设备的长度以及工作臂与目标作业位置之间的距离；通过对称设置偏摆油缸，为工作臂提供相对于回转单元的回转中心轴线偏摆的自由度，以便于在施工作业准备阶段精细调节待作业推进梁4相对于地面的垂直度；通过设置推进梁底座3和俯仰油缸31，为工作臂提供竖直平面内转动的自由度，即俯仰自由度，同时还为工作臂提供调节与施工作业地面之间距离的自由度；通过在推进梁4和推进梁底座3之间设置推进补偿油缸41，实现补偿推进梁的离地高度，保证处于作业状态的推进梁4始终能与不同坡度的地面接触，增加工作臂施工作业时的稳定性；通过设置多个推进梁4，使得工作臂能够实现多个作业功能，功能集成性高；推进梁4之间彼此独立，使得工作臂可在多个作业功能之间任意切换，且不会互相影响，工作灵活度与施工效率得到极大提高。针对不同的施工作业要求和复杂的施工作业现场情况，本实施例的具有多个姿态调整自由度的工作臂相对于目标作业位置可进行多个方向的调整，具体包括回转、伸缩、偏摆、俯仰、推进以及推进补偿等，以适应作业现场不同坡度或高低不平的地面，从而提高作业精度，还可实现双边作业，并减少作业前准备工作所花费的时间。
实施例2：
如图4和图5所示，本发明的实施例2提供一种多功能作业工作臂，其包括回转单元1、伸缩单元2、推进梁底座3、打桩推进梁5和钻孔推进梁6。伸缩单元2设置在回转单元1和推进梁底座3之间。打桩推进梁5和钻孔推进梁6均设置在推进梁底座3上，且均与推进梁底座3滑动连接。打桩推进梁5和钻孔推进梁6彼此独立间隔设置，且彼此独立工作，使得工作臂能够实现用于安装道路护栏的打桩和钻孔作业功能，且可在打桩和钻孔作业功能之间任意切换，功能集成性高。优选地，打桩推进梁5和钻孔推进梁6设置在推进梁底座3的同一侧，且彼此平行设置。当打桩推进梁5或钻孔推进梁6处于作业状态时，其纵向轴线垂直于地面。打桩推进梁5和钻孔推进梁6的作业端位于同一侧。
回转单元1可在水平面内旋转，实现多功能作业工作臂的整体回转。优选地，回转单元1可在水平面内180度的角度范围内往返回转，使得工作臂可在作业设备的两侧作业，即双边作业。需要说明的是，本发明的技术方案中回转单元1的旋转范围并不局限于180度，而是根据施工作业的实际需求确定，大于180度或者小于180度的旋转范围均在本发明的保护范围之内。进一步地，多功能作业工作臂可以设置成，在作业状态下，即当打桩推进梁5和钻孔推进梁6处于竖直状态时，打桩推进梁5和钻孔推进梁6上的作业中心轴线与回转单元1的回转中心轴线之间的距离相等，使得从俯视的角度观察，打桩推进梁5和钻孔推进梁6上的作业中心位于以回转单元1的回转中心为圆心的同一个圆上，从而回转单元1还可实现打桩工位与钻孔工位的切换。
作为示例，回转单元1采用回转支承，也称作转盘轴承，是一种能够承受多个方向的联合载荷的大型轴承，可以同时承受较大的轴向负荷、径向负荷和倾覆力矩。回转支承可由蜗轮蜗杆回转减速机驱动。回转支承在本实施例中用作多功能作业工作臂的“关节”之一，允许工作臂与支撑工作臂的作业设备底盘之间做相对回转运动。回转支承具有结构紧凑、高度小、安装维护方便、使用寿命长的优势。
伸缩单元2设置在回转单元1上，随着回转单元1一起旋转。伸缩单元2相对于回转单元1可在水平面内伸缩，从而带动推进梁底座3、打桩推进梁5和钻孔推进梁6一起在水平面内伸缩，以便于调节工作臂伸出作业设备的长度以及工作臂与目标作业位置之间的距离。
作为示例，伸缩单元2包括固定臂21和活动臂22，固定臂21具有中空结构，活动臂22插入中空的固定臂21，可在固定臂21内伸缩移动。固定臂21设置在回转单元1的顶部，且与回转单元1的旋转部件同步转动。本实施例对伸缩单元2的驱动类型和驱动结构不做限定，只要能驱动活动臂22在固定臂21内往复移动即可。
进一步地，活动臂22包括主体部和倾斜部。其中，主体部沿着水平方向延伸，主体部的一端插入中空的固定臂21，使得活动臂22可在固定臂21内伸缩移动。倾斜部位于主体部的另一端，相对于主体部斜向上延伸，形成活动臂22的伸出端。倾斜部与主体部之间形成大于90度的钝角夹角，以使得伸缩单元在支撑推进梁底座3、打桩推进梁5和钻孔推进梁6时，其受力分布更为均衡合理。倾斜部与主体部的相接处设置供俯仰油缸31铰接的俯仰油缸铰接点。倾斜部的前端设有开口，以便为推进梁底座3预留销轴连接的空间。
推进梁底座3与伸缩单元2连接，且可相对于伸缩单元2在竖直平面内转动，以便于调节打桩推进梁5或钻孔推进梁6相对于地面的垂直度，从而为多功能作业工作臂提供竖直平面内转动的自由度，即俯仰自由度，同时还为工作臂提供调节与施工作业地面之间距离的自由度。作为示例，俯仰油缸31设置在伸缩单元2的活动臂22和推进梁底座3之间，其下端与活动臂22在俯仰油缸铰接点处铰接，上端与推进梁底座3铰接。推进梁底座3设有下突部，下突部与活动臂22在倾斜部的前端处通过销轴连接的方式铰接。从多功能作业工作臂的侧面观察，俯仰油缸31与推进梁底座3的铰接点、俯仰油缸31与活动臂22的铰接点、以及活动臂22与推进梁底座3的铰接点构成一个钝角三角形，从而使得在俯仰油缸31的驱动下，推进梁底座3带动打桩推进梁5和钻孔推进梁6相对于伸缩单元2和回转单元1在竖直平面内做俯仰运动。
进一步地，本实施例中包括两个俯仰油缸31，两个俯仰油缸31对称设置在活动臂22的左右两侧，有利于更稳定地支撑推进梁底座3、打桩推进梁5和钻孔推进梁6在竖直平面内转动，并提高多功能作业工作臂的安全性。假若其中一个俯仰油缸31因故障无法提供足够的支撑力，另一个俯仰油缸31仍能保证推进梁底座3、打桩推进梁5和钻孔推进梁6可以正常工作，避免推进梁底座3和两个推进梁坍塌。但是，本实施例对俯仰油缸31的数量不做限定，本领域技术人员能意识到，设置多个俯仰油缸31也能实现本发明。
进一步地，如图3所示，伸缩单元2可相对于回转单元1的回转中心轴线偏摆，以便于在施工作业准备阶段精细调整打桩推进梁5或钻孔推进梁6相对于地面的垂直度，尤其是针对有坡度的地面也能保证竖直状态施工，从而保证打桩的垂直度。回转单元1与伸缩单元2之间通过两个对称的偏摆油缸23实现工作臂相对于回转单元1的回转中心轴线偏摆。具体地，伸缩单元2的固定臂21的底部设有偏摆铰点，借助所述偏摆铰点固定臂21与回转单元1的顶部铰接。偏摆油缸23对称设置在固定臂21延伸方向的两侧，即图4中的左右两侧，且偏摆油缸23的下端与回转单元1的顶部通过销轴铰接，偏摆油缸23的上端与固定臂21的顶部通过销轴铰接。
进一步地，本实施例中的多功能作业工作臂还包括两个推进补偿油缸41。两个推进补偿油缸41分别对应于打桩推进梁5和钻孔推进梁6设置。推进补偿油缸41用于补偿打桩推进梁5或钻孔推进梁6的离地高度，保证打桩推进梁5或钻孔推进梁6工作时始终能撑地，推进补偿油缸41的设计可以适应不同坡度的地面。推进梁底座3的底部设有两个推进补偿油缸座，两个推进补偿油缸座与两个推进补偿油缸41一一对应地设置。推进补偿油缸41的一端与对应的推进补偿油缸座连接，另一端与对应的打桩推进梁5或钻孔推进梁6连接。
打桩推进梁5和钻孔推进梁6分别与推进梁底座3通过滑轨与滑块的配合实现滑动连接。滑轨与滑块成对设置在推进梁底座3和打桩推进梁5或钻孔推进梁6之间。本领域技术人员应意识到，其他能实现滑动连接的机械结构也可用于推进梁底座3和推进梁之间，本发明对此不做限定。推进补偿油缸41用于驱动对应的打桩推进梁5或钻孔推进梁6相对于推进梁底座3滑动，并能将对应的推进梁保持在某一需要的位置。两个推进补偿油缸41独立工作，实现打桩与钻孔作业互不影响。在作业准备阶段，当待作业的打桩推进梁5或钻孔推进梁6已被调整到相对于目标作业地面的竖直位置后，对应的推进补偿油缸41驱动待作业推进梁向下移动，直到待作业推进梁与地面接触，从而增加作业过程中工作臂的稳定性。
如图6所示，打桩推进梁5上设有打桩锤安装座51。打桩锤安装座51与打桩推进梁5滑动连接，可沿着打桩推进梁5的纵向方向往复移动。打桩锤52固定安装在打桩锤安装座51上。打桩推进梁5采用链轮链条驱动打桩锤52进行推进，完成打桩作业。拔桩机构53设置在打桩锤安装座51的侧面，当护栏桩需要拔出时可通过拔桩机构53完成拔桩作业。打桩锤安装座51靠近作业端的一侧设有隔音罩55，用于降低打桩时产生的噪声。
此外，打桩推进梁5的侧面固定安装有运桩机械手54。运桩机械手54包含回转与卡紧两个自由度，可实现护栏桩的运输与定位，将护栏桩送至打桩位置，在卡紧自由度下可通过控制夹紧力实现轻夹状态，轻夹状态可保证护栏桩垂直方向的定位。通过运桩机械手取代人工取桩和运桩的流程，减少了人员数量与劳动强度，提高了系统的自动化程度和工作效率。
如图7所示，钻孔推进梁6上设有钻孔机构。钻孔机构通过滑移托盘底部的滑块与钻孔推进梁6滑动连接。钻孔推进梁6采用油缸与钢丝绳驱动滑移托盘，从而带动钻孔机构进行推进，完成钻孔作业。钻孔机构包含由上至下依次设置的回转动力头61、钻杆62、潜孔锤63和钻头64。回转动力头61的输出端与钻杆62的上端固定连接，钻杆62的下端与潜孔锤63的上端固定连接，潜孔锤63的下端设置钻头64。回转动力头61由自带的马达驱动。回转动力头61带动潜孔锤63进行回转运动，外接空压机的高压气驱动潜孔锤63进行冲击作业，回转运动叠加冲击作业从而实现钻孔作业。
钻孔推进梁6靠近地面的作业端，即钻孔推进梁6的底部，设有除尘单元。除尘单元包括但不限于湿式除尘与干式除尘单元。具体地，除尘单元包含捕尘罩65与喷嘴66，作业时喷嘴66可喷出水雾，对钻孔作业的扬尘进行集中降尘处理，保证施工现场环境的舒适度，保障施工人员的健康。
本实施例提出的多功能作业工作臂，通过设置回转单元1，为工作臂提供水平面内高达180度的旋转自由度，可实现在作业设备的两侧作业；通过设置伸缩单元2，为工作臂提供水平面内自由伸缩的自由度，以便于调节工作臂伸出作业设备的长度以及工作臂与目标作业位置之间的距离；通过对称设置偏摆油缸，为工作臂提供相对于回转单元的回转中心轴线偏摆的自由度，以便于在施工作业准备阶段精细调节待作业推进梁相对于地面的垂直度；通过设置推进梁底座3和俯仰油缸31，为工作臂提供竖直平面内转动的自由度，即俯仰自由度，同时还为工作臂提供调节与施工作业地面之间距离的自由度；通过在推进梁和推进梁底座之间设置推进补偿油缸，实现补偿推进梁的离地高度，保证处于作业状态的推进梁始终与不同坡度的地面接触，增加工作臂施工作业时的稳定性；通过设置打桩推进梁和钻孔推进梁，工作臂集成了打桩、钻孔和拔桩等功能，结构紧凑，实现了打拔钻一体化，省略了不同作业工序之间设备切换进场所耗费的时间，提高了作业效率。
针对不同的施工作业要求和复杂的施工作业现场情况，本实施例的具有多个姿态调整自由度的工作臂相对于目标作业位置可进行多个方向的调整，具体包括回转、伸缩、偏摆、俯仰、推进以及推进补偿等，以适应作业现场不同坡度或高低不平的地面，从而提高作业精度，还可实现双边作业，并减少作业前准备工作所花费的时间。
实施例3：
如图8和图9所示，本发明的实施例3提供一种多功能作业设备，其包括车架7和实施例1提供的多功能作业工作臂。所述多功能作业工作臂通过回转单元1安装在车架7的前端。当作业设备处于行驶状态或非作业状态时，工作臂沿着作业设备的行进方向延伸，且伸缩单元2处于缩回状态，使得工作臂整体收回，减小运输尺寸，保证行驶稳定性；当作业设备处于作业状态时，回转单元1带动工作臂旋转到作业设备的左侧或右侧，便于调整工作臂位置，以进行多个现场作业工序。
需要说明的是，当作业设备处于行驶状态或非作业状态时，在不与车体发生干涉的情况下，工作臂可以完全放倒呈水平姿态沿着作业设备的行进方向延伸，也可以以较小的俯仰角呈倾斜姿态沿着作业设备的行进方向延伸。只要工作臂与作业设备的车体不发生干涉，即使回转单元相对于行驶状态或运输状态的回转角度小于90度，工作臂仍可进行作业。
本实施例的多功能作业设备还包括底盘、电气系统和液压系统。底盘优选采用工程底盘，可灵活在公路上行驶并转场。但本领域技术人员能意识到，底盘还可采用铰接式或履带等形式的底盘去适用更加广泛的作业场景。车架位于底盘上，主要用于安装和保护车架内部各种零部件。电气系统和液压系统均位于车架内部，受底盘约束而固定，用于控制或驱动所述多功能作业工作臂和作业设备的各种动作。
本实施例的多功能作业设备还配置有RTK定位装置和传感器。电气系统可结合多传感器集成技术与RTK高精度定位技术实现智能化施工作业控制，从定位、驾驶、作业等方面实现智能化控制，在设备上搭载多类高精度传感器对车辆位置、作业位置、作业数据等参数进行识别，进而自主控制作业设备与工作臂进行动作，同时能够实时记录施工作业过程参数。
本实施例提出的多功能作业设备，通过设置具有多个姿态调整自由度的工作臂，可实现在作业设备的两侧作业，即双边作业。作业设备能够实现多个作业功能，功能集成性高，可针对目标作业位置进行多个方向的调整，作业精度高，作业前准备工作所花费的时间少。通过配置RTK定位装置和传感器，实现智能化施工作业控制。
实施例4：
如图8和图9所示，本发明的实施例4提供一种多功能作业设备，其包括车架7和实施例2提供的多功能作业工作臂。所述多功能作业工作臂通过回转单元1安装在车架7的前端。回转单元1的静止部与车架7固定连接。当作业设备处于行驶状态或非作业状态时，工作臂沿着作业设备的行进方向延伸，且伸缩单元2处于缩回状态，使得工作臂整体收回，减小运输尺寸，保证行驶稳定性；当作业设备处于作业状态时，回转单元1带动工作臂旋转到作业设备的左侧或右侧，便于调整工作臂位置，以进行打桩或钻孔作业。
需要说明的是，当作业设备处于行驶状态或非作业状态时，在不与车体发生干涉的情况下，工作臂可以完全放倒呈水平姿态沿着作业设备的行进方向延伸，也可以以较小的俯仰角呈倾斜姿态沿着作业设备的行进方向延伸。只要工作臂与作业设备的车体不发生干涉，即使回转单元相对于行驶状态或运输状态的回转角度小于90度，工作臂仍可进行作业。
本实施例的多功能作业设备还包括底盘、电气系统和液压系统。底盘优选采用工程底盘，可灵活在公路上行驶并转场。但本领域技术人员能意识到，底盘还可采用铰接式或履带等形式的底盘去适用更加广泛的作业场景。车架位于底盘上，主要用于安装和保护车架内部各种零部件。电气系统和液压系统均位于车架内部，受底盘约束而固定，用于控制或驱动所述多功能作业工作臂和作业设备的各种动作。
本实施例的多功能作业设备还配置有RTK定位装置和传感器。电气系统可结合多传感器集成技术与RTK高精度定位技术实现智能化施工作业控制，从定位、驾驶、打桩与钻孔等方面实现智能化控制，在设备上搭载多类高精度传感器对车辆位置、打桩位置、打桩高程等参数进行识别，进而自主控制作业设备与工作臂进行动作，同时能够实时记录施工作业过程参数。
本实施例提供的多功能作业设备的作业过程为：
(1)设备灵活驶入待施工公路，在待施工区域驻车并伸出支腿8支撑设备，操作人员携带遥控器离开驾驶室进入设备工作侧，同时操作RTK定位装置对设备位置进行定位，获得设备位置信息与工作臂的各个关节位置信息，具体包括回转、俯仰、偏摆、伸缩、推进和推进补偿等信息；
(2)设备就绪后，操作人员可通过操作遥控器手动移动工作臂或通过一键移臂按钮自动移动工作臂，通过调节臂架各关节动作将打桩推进梁的工作中心即打桩锤的中心轴线竖直对准桩位，打桩垂直度可通过倾斜仪与RTK定位装置的测量信息进行识别；
(3)在对准桩位后，操作人员可通过遥控器控制打桩推进梁5下降到与地面接触状态，此时，操作人员可控制运桩机械手54将护栏桩抓取并运送到桩位上方；
(4)护栏桩就绪后，操作人员可控制打桩锤52下降一定高度，使打桩锤52与护栏桩紧密接触，再通过一键打桩按钮实现设备自动推进打桩，打桩时的高程控制可通过传感器实现；
(5)完成打桩作业后，工作臂自动上升离开地面，操作人员控制设备收起支腿8，此时设备可通过自主定位与导航或遥控器控制行驶到下一桩位，重新进行新一轮的打桩作业；
(6)当设备遇到坚硬地质，无法通过打桩锤52将护栏桩植入地面时，操作人员可通过遥控器控制工作臂回转，将工作臂由打桩工位切换到钻孔工位，将钻孔推进梁的工作中心即钻杆钻头的中心轴线竖直对准桩位；
(7)完成定位后，操作人员可通过一键钻孔按钮实现设备自动推进钻孔，同时，可自动或手动开启除尘装置进行钻孔除尘；
(8)完成钻孔作业后，除尘装置自动关闭，操作人员再次控制工作臂回转到打桩工位，继续完成打桩作业。
本实施例提供的多功能作业设备通过设置具有多个姿态调整自由度的工作臂，针对不同的施工作业要求和复杂的施工作业现场情况，工作臂相对于目标作业位置可进行多个方向的调整，具体包括回转、伸缩、偏摆、俯仰、推进以及推进补偿等，以适应作业现场不同坡度或高低不平的地面，从而提高作业精度；通过设置RTK定位装置和多个传感器，与电气系统和液压系统配合，实现智能化施工控制，设备能够实现自主定位与轨迹规划、自动驾驶、自动打桩与钻孔，精准控制打桩高程参数与垂直度参数，减少了原有的测量放样环节，可有效节约施工时间，同时改变了凭人工经验判断施工精度的现状，保证了较高的施工精度。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；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或两个元件的相互作用关系。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在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”，可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”，可以是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”，可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度低于第二特征。
在本说明书的描述中，术语“一个实施例”、“一些实施例”、“实施例”、“示例”、“具体示例”或“一些示例”等的描述，是指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行改动、修改、替换和变型。

Claims (17)

1.一种多功能作业工作臂，其特征在于，包括回转单元(1)、伸缩单元(2)、推进梁底座(3)以及多个推进梁(4)；所述伸缩单元(2)设置在所述回转单元(1)和所述推进梁底座(3)之间；多个所述推进梁(4)设置在所述推进梁底座(3)上；
所述回转单元(1)可在水平面内旋转；所述伸缩单元(2)设置在所述回转单元(1)上，随着所述回转单元(1)一起旋转；所述伸缩单元(2)相对于所述回转单元(1)可在水平面内伸缩；
所述推进梁底座(3)与所述伸缩单元(2)连接，且可相对于所述伸缩单元(2)在竖直平面内转动；
多个所述推进梁(4)彼此独立间隔设置，且均与所述推进梁底座(3)滑动连接；每个所述推进梁(4)上设置一个或多个作业单元。
2.如权利要求1所述的多功能作业工作臂，其特征在于：所述多功能作业工作臂还包括推进补偿油缸(41)，所述推进补偿油缸(41)与所述推进梁(4)一一对应地设置；所述推进补偿油缸(41)的一端与设置在所述推进梁底座(3)上的推进补偿油缸座连接，另一端与对应的所述推进梁(4)连接。
3.如权利要求1所述的多功能作业工作臂，其特征在于：所述伸缩单元(2)可相对于所述回转单元(1)的回转中心轴线偏摆。
4.如权利要求3所述的多功能作业工作臂，其特征在于：所述伸缩单元(2)包括固定臂(21)和活动臂(22)；所述活动臂(22)可在所述固定臂(21)内伸缩移动。
5.如权利要求4所述的多功能作业工作臂，其特征在于：所述固定臂(21)的底部设有偏摆铰点，借助所述偏摆铰点与所述回转单元(1)的顶部铰接。
6.如权利要求4所述的多功能作业工作臂，其特征在于：俯仰油缸(31)设置在所述活动臂(22)和所述推进梁底座(3)之间，其两端分别与所述活动臂(22)和所述推进梁底座(3)转动连接；所述活动臂(22)的伸出端与所述推进梁底座(3)转动连接。
7.如权利要求1-6中任一项所述的多功能作业工作臂，其特征在于：多个所述推进梁(4)包括打桩推进梁(5)和钻孔推进梁(6)。
8.如权利要求7所述的多功能作业工作臂，其特征在于：所述打桩推进梁(5)和所述钻孔推进梁(6)的作业端位于同一侧。
9.如权利要求7所述的多功能作业工作臂，其特征在于：所述打桩推进梁(5)上设有打桩锤(52)和拔桩机构(53)；所述打桩锤(52)通过打桩锤安装座(51)与所述打桩推进梁(5)连接；所述拔桩机构(53)设置在所述打桩锤安装座(51)的侧面。
10.如权利要求9所述的多功能作业工作臂，其特征在于：所述打桩推进梁(5)上还设有运桩机械手(54)。
11.如权利要求9所述的多功能作业工作臂，其特征在于：所述打桩锤安装座(51)靠近作业端的一侧设有隔音罩(55)。
12.如权利要求7所述的多功能作业工作臂，其特征在于：所述钻孔推进梁(6)上设有钻孔机构。
13.如权利要求7所述的多功能作业工作臂，其特征在于：所述钻孔推进梁(6)的作业端设有除尘单元。
14.一种多功能作业设备，包括底盘和车架(7)，其特征在于，还包括如权利要求1-13中任一项所述的多功能作业工作臂，所述工作臂通过所述回转单元(1)安装在所述车架(7)的前端；
当所述作业设备处于行驶状态或非作业状态时，所述工作臂沿着所述作业设备的行进方向延伸，所述伸缩单元(2)缩回；
当所述作业设备处于作业状态时，所述回转单元(1)带动所述工作臂旋转到所述作业设备的左侧或右侧。
15.如权利要求14所述的作业设备，其特征在于：所述作业设备还包括电气系统和液压系统；所述电气系统和液压系统均位于车架内部，用于控制或驱动所述工作臂的各种动作。
16.如权利要求14所述的作业设备，其特征在于：所述作业设备配置有RTK定位装置和传感器。
17.如权利要求14所述的作业设备，其特征在于：所述底盘采用工程底盘。
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