CN1339348A - 喷射混凝土机器人 - Google Patents

Abstract

本发明属于一种专门用于喷射混凝土机器人或机械手的结构。该结构主要包含行走组件,大臂组件,平衡拉杆组件,摆动臂组件,伸缩臂组件,手腕组件和喷枪组件七大部分。该机构共有5个一般自由度和一个局部自由度。几个自由度的活动方式和范围的组合,以及其中几组四连杆机构的组合,可以使喷嘴19在喷涂程中容易实现对受喷壁面垂直、等距的关系,而且该机构具有操作简单,维护方便等特点。

Description

喷射混凝土机器人

本发明专利涉及一种喷射混凝土机器人或机械手结构。它主要用于各种矿山巷道、公路或铁路隧道、水工隧道、地下工程、建筑装修等行业的相关工程的喷涂作业。

目前，用于喷射混凝土作业的一般都是专用喷射混凝土机械手。这些专用喷射混凝土机械手一般都是开放式的多关节型结构。

与焊接、搬运等其它一些机器人不同的是，喷射混凝土的机器人的工作空间或运动范围往往以平面或柱面为主，而且在工作中有其自身特殊的运动规律。无论是矿山巷道、铁路或公路隧道、水工隧道、还是地下工程等需要进行喷射混凝土作业的场合，虽然它们的形状各异，但是，在对它们进行喷射混凝土时，其喷射工艺一般都是基本相同的，即：先下后上，先邦后拱，并且沿着之字形的工艺路线对需要喷射混凝土的表面进行喷涂。无论是初喷还是复喷，每次喷射的区域基本上都是一个带状的柱面。在喷射过程中，喷嘴要不停地作划圆运动。

对于以开放式关节型的机械手或机器人来说，例如瑞士生产的“MEYCO ROBOJET”型的喷射混凝土机械手或中国专利89205140.X所述的混凝土喷射机械手，若要保持在喷射混凝土的过程中，喷枪沿着一条近似铅垂线起落的同时，又要保持喷枪的枪口对受喷面垂直、等距的关系，最少要调整两个、甚至两个以上关节的运动才能实现。这样，当操作者对机器人进行主从式操作(一种必要的操作方式)时，操作者首先要调整好一个关节的动作，然后再调整好另一个关节的动作，而后再观察两个关节的合成运动情况，看其是否达到了要求的位置与姿态。可以想象，这时往往会出现位姿超调或不到位的情况，需要多次反复调整才能达到较理想的状态。若要出现需要对三个关节进行调整的情况，该过程会更加复杂。由于在喷射混凝土的过程中，混凝土输送的速度很快，对于局部的喷射范围不能长时间停留，而且回弹的混凝土与弥漫的粉尘造成环境的可视度下降，使操作者感到十分紧张，很难保证几个方面的协调动作，顾此失彼，无法实现喷射混凝土的最佳工艺参数。因此，如何合理地设计喷浆机器人的机构形式，以最大限度地减少操作者或机器人的控制动作是非常值得关注与解决的问题。

本发明专利的目的是提供一种能够在喷射混凝土的过程中以最少的控制动作，保持喷嘴能够获得最佳工艺位姿(即相对受喷面垂直、等距)的喷射混凝土机器人的专用结构。

本发明专利的实现方法如图1所示。它主要由行走组件①，大臂组件②，平衡拉杆组件③，摆动臂组件④，伸缩臂组件⑤，手腕组件⑥和喷枪组件⑦通过机械联结而组成。

行走组件①主要由行走底盘1和副车架2组成。

大臂组件②主要由摇杆4、大臂8、油缸9、摆杆10与机架6组成。将其各个杆件的实际长度AB、BC、CF、CD、L1、H1等尺寸设计成：

AB∶BC＝1∶0.8～1∶1.5

AB∶CF＝1∶1～1∶1.8

AB∶CD＝1∶0.8～1∶1.5

AB∶L1＝1∶1～1∶1.5

AB∶H1＝1∶0.7～1；1.3各个杆件通过转动副联结之后，在油缸9的驱动下，大臂8前端的F点可以沿着一条近似的铅垂线运动。这样，本机构只需要控制大臂一个动作就可以完成关节型机构要两个以上关节动作才能完成的沿铅垂线起落的运动。

平衡拉杆组件③主要由拉杆3、拉杆7及一个过渡杆5所组成。拉杆3和拉杆7通过过渡杆5相联结，其中拉杆3与机架6相联结，拉杆7与摆动臂组件④的立板11相联结。平衡拉杆组件③中的有关构件与大臂组件②中的有关构件组成两组平行四连杆机构，其中，将各个杆件的实际长度AH、HI、BJ、BF、BI、AB、FK、JK等尺寸设计成：

AH＝BI

HI＝AB

BJ＝FK

BF＝JK这样，当大臂8在做上下的俯仰运动时，由于平衡拉杆组件③的作用，大臂8前端所带的摆动臂组件④以前的各个组件都将作平动运动，维持原有的姿态不变，不用附加任何的驱动装置或多余的操作动作。而在关节型机构中，必须需要两个关节的动作才能实现同样的运动。

摆动臂组件④主要是由立板11、右摆动臂12、左摆动臂12’组成。其中立板11、右摆动臂12、左摆动臂12’与伸缩臂组件⑤上的支撑体14一道组成一平行四连杆机构。这样，当摆动臂组件④在做摆动运动时，摆动臂组件④前端所带的伸缩臂组件⑤及其以前的各组件都将做平动运动，而且维持原来的姿态不变。

摆动臂组件④与平衡拉杆组件③的组合，很好地克服了在关节型机构中，机器人的末端执行机构随大臂、摆动臂的运动，其位姿将发生变化这一缺点。

手腕组件⑥可以带动喷枪组件⑦在巷道的横截面内做旋转运动，当手腕15的回转中心与拱顶的圆弧中心相重合时，只有手腕15一个关节的转动也就可以保证喷枪的枪嘴19相对受喷壁面垂直、等距的关系不变。而对于关节型的机械机构来讲，为了保证这一点，则也必须至少需要两个关节的运动合成才能够实现。

通常，一段隧道前后断面的理想轮廓都是相同的，某条隧道一般表现为一种柱面轮廓。在工作中，大臂8的俯仰完成喷嘴19的垂直起落运动；手腕15的旋转完成喷嘴19对拱顶面的垂直姿态的旋转位移；摆动臂12的摆动实现喷嘴19对左右壁邦的距离调整；伸缩臂21的前后位移实现喷嘴19在巷道纵向的进给和后退。即，通过机器人的大臂8、摆动臂12和手腕15来调整喷嘴19相对受喷壁面的姿态，使喷嘴19走出一个与巷道轮廓相似的等距离的曲线轨迹；而伸缩臂21的前后运动来使得机器人的喷射区域成为一个带状的柱面，正好可以按照生产的开挖进度情况进行喷射混凝土的作业。

本发明专利的优特点在于：

1.只需要控制大臂组件C一个动作就可以实现末端执行器的垂直起落运动，并且能够保持喷嘴19相对受喷壁面垂直、等距的位姿不变。

2.只需要控制摆动臂组件④的摆动就可以同时既可以调整喷嘴19相对受喷壁面的距离，又可以保证喷嘴19相对受喷壁面的姿态。

3.在主从式操作时，可以极大地减少操作者同时需要控制的运动数量，将人的操作动作降低到最少限度，从而可以极大地缓解操作者的工作紧张程度，使控制更加方便、简单。操作者可以抽出更多的精力观察受喷壁面的情况。

4.对自动控制系统，可以极大地简化控制系统的结构与算法，从而降低控制系统的的复杂程度和成本。

5.采用该机构进行喷射混凝土作业时，容易保证最佳工艺参数的实现，从而降低材料的回弹率，节约材料，降低施工成本，提高工作效率。

5.其结构加工制造简单，生产使用容易，维护保养方便。

附图说明：

图1是喷射混凝土机器人的结构原理图。

图中的符号各表示：

1-行走底盘；2-副车架；3-拉杆；4-摇杆；5-过渡杆；6-机架；7-拉杆；8-大臂；9-油缸；10-主动臂；11-立板；12-右摆臂；12’-左摆臂；13-油缸；14-支撑体；15-手腕；16-液压马达；17-支架；18-油缸；19-喷嘴；20-送料管；21-液压马达；22-液压马达；23-伸缩臂。

结合附图，本发明的实施例如下：

本发明专利主要由行走组件①，大臂组件②，平衡拉杆组件③，摆动臂组件④，伸缩臂组件⑤，手腕组件⑥和喷枪组件⑦通过机械联结而组成。其中：

行走组件①主要由行走底盘1；副车架2所组成。

大臂组件②主要由摇杆4；机架6；大臂8；油缸9；主动臂10所组成，而且：

AB∶BC＝1∶0.9

AB∶CF＝1∶1.3

AB∶CD＝1∶0.9

AB∶L1＝1∶1

AB∶H1＝1∶0.9在油缸9的驱动下大臂可以实现上下俯仰运动。

平衡拉杆组件③主要由拉杆3；过渡杆5；拉杆7所组成。平衡拉杆组件③与大臂组件②及摆动臂组件④中的有关部分组成两组平行四连杆机构，其中：

AH＝BI

HI＝AB

BJ＝FK

BF＝JK

摆动臂组件④主要由立板11；右摆臂12；左摆臂12’；油缸13所组成，其中立板11，右摆臂12，左摆臂12’及伸缩臂组件⑤中的支撑体14一道组成一组水平的平行四连杆机构。在油缸13的驱动下，摆动臂组件④可以实现左右摆动。

伸缩臂组件⑤主要由支撑体14；液压马达22；伸缩臂23所组成。伸缩臂23可以在液压马达22的驱动下，沿支撑体14内部的轨道前后运行。

手腕组件⑥主要由手腕15；液压马达16所组成。由液压马达16来驱动手腕15的左右旋转。手腕组件⑥自身可以实现自锁。

喷枪组件⑦主要由支架17；油缸18；喷嘴19；送料管20；液压马达21所组成。其中，在油缸18的驱动下，喷嘴19可以实现前后姿态的调整。在液压马达21的驱动下，喷嘴可以实现划圆运动。

Claims (7)

1.一种喷射混凝土机器人结构，它也可以用于喷射混凝土机械手等相关机械上，其特征在于它主要由行走组件①，大臂组件②，平衡拉杆组件③，摆动臂组件④，伸缩臂组件⑤，手腕组件⑥和喷枪组件⑦通过机械联结而组成。

2.根据权利要求1所述的喷射混凝土机器人结构，其特征在于所说的大臂组件②中，摇杆4、大臂8、摆杆10与机架6各部分的尺寸设计成：

AB∶BC＝1∶0.8～1∶1.5

AB∶CF＝1∶1～1∶1.8

AB∶CD＝1∶0.8～1∶1.5

AB∶L1＝1∶1～1∶1.5

AB∶H1＝1∶0.7～1；1.3各个杆件通过机械转动副联结之后，在油缸9的驱动下，大臂8前端的F点可以沿着一条近似的铅垂线运动。

3.根据权利要求1所述的喷射混凝土机器人结构，其特征在于所说的平衡拉杆组件③中的拉杆3、拉杆7及过渡杆5与大臂组件②中的机架6、摆动臂组件④中的立板11组成两组平行四连杆机构，其中：

AH＝BI

HI＝AB

BJ＝FK

BF＝JK这样，当大臂8在做上下的俯仰运动时，由于平衡拉杆组件③的作用，大臂8前端所带的摆动臂组件④以前的各个组件都将作平动运动。

4.根据权利要求1所述的喷射混凝土机器人结构，其特征在于所说的摆动臂组件④中的立板11、右摆动臂12、左摆动臂12’与伸缩臂组件⑤上的支撑体14一道组成一组平行四连杆机构。这样，当摆动臂组件④在油缸13的驱动下，做摆动运动时，摆动臂组件④前端所带的伸缩臂组件⑤及其以前的各组件都将做平动运动。

5.根据权利要求1所述的喷射混凝土机器人结构，其特征在于所说的伸缩臂组件⑤中的伸缩臂23可以在液压马达22的驱动下，沿支撑体14内部的轨道前后运行，以实现喷枪组件⑦中的喷嘴19在隧道纵向上的前后移动。

6.根据权利要求1所述的喷射混凝土机器人结构，其特征在于所说的手腕组件⑥可以带动喷枪组件⑦在巷道的横截面内做向左或向右的旋转运动，而且其自身可以实现机械自锁，而且当手腕15的回转中心与拱顶的圆弧中心相重合时，只需要手腕15一个关节的转动就可以保证喷枪组件⑦的枪嘴19相对受喷壁面垂直、等距的关系不变。

7.根据权利要求1所述的喷射混凝土机器人结构，其特征在于在喷枪组件⑦中可以实现喷嘴19的两个动作，即：在油缸18的驱动下实现喷嘴19的前后姿态的调整，在液压马达21的驱动下实现喷嘴19的划圆运动。

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