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喷射混凝土机器人

基本信息

  • 申请号 CN00111377.1 
  • 公开号 CN1151015C 
  • 申请日 2000/09/13 
  • 公开日 2004/05/26 
  • 申请人 济南山川机器人工程公司  
  • 优先权日期  
  • 发明人 樊炳辉 苏学成 李贻斌 江浩 李云江 刘明 周风余 荣学文  
  • 主分类号  
  • 申请人地址 250031山东省济南市天桥区胜利庄路17号 
  • 分类号  
  • 专利代理机构 青岛高晓专利事务所 
  • 当前专利状态 发明专利权部分无效宣告的公告 
  • 代理人 刘国涛 
  • 有效性 有效专利 
  • 法律状态
  •  

权利要求书


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,本机器人包括伸缩臂组件,手腕组件和喷枪组件, 其特征在于,本发明的大臂组件采用了四连杆机构;增添了摆动臂组 件、平衡拉杆组件;摆动臂组件中的立板11、右摆动臂12、左摆动 臂12’与伸缩臂组件上的支撑体11共同组成一组平行四连杆机构; 平衡拉杆组件的拉杆3、拉杆7及过渡杆5与大臂组件中的摇杆4、 大臂8、机架6和摆动臂组件中的立板11共同组成两组平行四连杆 机构; 大臂组件中的摇杆4、大臂8、主动臂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; 平衡拉杆组件的两组平行四连杆机构各部分尺寸设计成: AH=BI HI=AB BJ=FK BF=JK 这样,当大臂8在做上下的俯仰运动时,由于平衡拉杆组件的作 用,大臂8前端所带的摆动臂组件及其以前的各个组件都将作平动运 动。

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 说的摆动臂组件中的立板11、右摆动臂12、左摆动臂12’与伸缩臂 组件上的支撑体14共同组成一组平行四连杆机构,采用油缸13驱动, 这样,当摆动臂组件在做左右摆动时,由于平行四连杆机构的作用, 摆动臂组件前端所带的伸缩臂组件及其以前的各个组件都将作平动 运动。

3.根据权利要求1或2所述的喷射混凝土机器人结构,其特征 在于,具有行走组件。
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说明书

技术领域: 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。
技术背景: 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。
发明内容: 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专用结构。
本发明涉及的喷射混凝土机器人结构,包括伸缩臂组件,手腕组 件和喷枪组件,其关键的发明点是:本发明的大臂组件采用了四连杆 机构;增添了摆动臂组件、平衡拉杆组件;摆动臂组件中的立板11、 右摆动臂12、左摆动臂12’与伸缩臂组件上的支撑体14共同组成一 组平行四连杆机构;平衡拉杆组件的拉杆3、拉杆7及过渡杆5与大 臂组件中的摇杆4、大臂8、机架6和摆动臂组件中的立板11共同组 成两组平行四连杆机构。
本发明的大臂组件中的摇杆4、大臂8、主动臂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。
本发明的平衡拉杆组件的拉杆3、拉杆7及过渡杆5与大臂组件 中的摇杆4、大臂8、机架6和摆动臂组件中的立板11共同组成两组 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,由于平衡拉杆组件的作用, 大臂8前端所带的摆动臂组件及其以前的各个组件都将作平动运动。
本发明的摆动臂组件中的立板11、右摆动臂12、左摆动臂12’ 与伸缩臂组件上的支撑体14共同组成一组平行四连杆机构,该四连 杆机构是采用油缸13驱动,这样,当摆动臂组件在做左右摆动时,由 于平行四连杆机构的作用,摆动臂组件前端所带的伸缩臂组件及其以 前的各个组件都将作平动运动。
本发明具有行走组件。
本发明专利的优特点在于: 1.只需要控制大臂组件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。
6.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: 附图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。
大臂组件各杆件的活动关节点间的长度分别表示用AB、BC、CF、 CD、L1、H1表示,其中: AB-摇杆4分别与机架6和大臂8联结的关节点间的距离; BC-大臂8分别与摇杆4和主动臂10联结的关节点间的距离; CF-大臂8分别与主动臂10和摆动臂组件中的立板11联结的关 节点间的距离; CD-主动臂10分别与机架6和大臂8联结的关节点间的距离; L1-关节点A与D的水平方向的距离; H1-关节点A与D的垂直方向的距离, 平衡拉杆组件中的有关构件与大臂组件中的有关构件组成两组 平行四连杆机构,将各个杆件的活动关节点间的长度分别用AH、HI、 BJ、BF、BI、AB、FK、JK表示: AH-机架6分别与摇杆4和拉杆3联结的关节点间的距离; HI-拉杆3分别与机架6和过渡杆5联结的关节点间的距离; BJ-过渡杆5分别与拉杆7和摇杆4联结的关节点间的距离; BF-大臂8分别与摇杆4和摆动臂组件的立板11联结的关节点间 的距离; BI-过渡杆5分别与拉杆3和摇杆4联结的关节点间的距离; AB-摇杆4分别与机架6和大臂8联结的关节点间的距离; FK-摆动臂组件的立板11分别与拉杆7和大臂8联结的关节点间 的距离; JK-拉杆7分别与过渡杆5和摆动臂组件的立板11联结的关节点 间的距离。
具体实施方式: 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,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通过机械联结而组成。
其中: 行走组件主要由行走底盘1和副车架2组成。
大臂组件主要由摇杆4、大臂8、油缸9、主动臂10与机架6组成。
将其各个杆件的 实际长度AB、BC、CF、CD、L1、H1 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与摆动臂组件的立板11相联结。
平衡拉杆组件的拉杆3、拉杆7 及过渡杆5与大臂组件中的摇杆4、大臂8、机架6和摆动臂组件中 的立板11共同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的设计成: AH=BI HI=AB BJ=FK BF=JK 这样,当大臂8在做上下的俯仰运动时,由于平衡拉杆组件的作用, 大臂8前端所带的摆动臂组件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’与伸缩臂组件上的支撑体 14同道组成一组平行四连杆机构。
在油缸13的驱动下,摆动臂组件 可以实现左右摆动。
这样,当摆动臂组件在做摆动运动时,摆动臂组 件前端所带的伸缩臂组件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。
摆动臂组件与平衡拉杆组件的组合,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。
伸缩臂组件主要由支撑体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。
手腕组件自身可以实现自锁。
手腕组件可以带动喷枪组件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。
喷枪组件主要由支架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。
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对隧道表面的垂直姿态下的旋 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。
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