喷射混凝土机器人

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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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 等的尺寸设计成： 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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