CN111442942B - 一种串联型管片拼装机器人试验装置及模拟拼装方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种串联型管片拼装机器人试验装置及模拟拼装方法，包括控制台、模拟洞壁和动力台，所述模拟洞壁内设有沿轴向设置的桁架，桁架上活动设有拼装机器人，拼装机器人的下部设有真空夹爪机构，所述模拟洞壁的一侧设有管片运输机构。本发明通过模拟洞壁、桁架和拼装机器人模拟隧道施工过程中拼装机器人通过真空夹爪机构对管片进行灵活拼装，为实际施工提供精确的数据支撑。本发明拼装机器人具备自动识别抓取管片，自动定位的功能，可实现管片的自动拼装，改变传统管片拼装方式，从理论上实现管片的高效、安全拼装。
Description
技术领域
本发明涉及管片拼装技术领域，特别是指一种串联型管片拼装机器人试验装置及模拟拼装方法。
背景技术
拼装式管片是盾构隧道常用的一种衬砌结构形式。盾构隧道施工过程中，管片通常采用盾构机自带的管片拼装机拼装成环。目前全断面掘进机搭载的管片拼装机大多为红蓝油杆结构的串并联机构，具有大负载能力的优势，但其占用空间大且相对自由度较少。目前隧道开挖领域具有向小直径发展的趋势，此时设备结构将更为紧凑，可利用有效空间更加狭小，且管片重量也会降低，因此当下的管片拼装机结构应用存在限制，为此本发明公开了一种串联型管片拼装机实验装置，以模拟串联型管片拼装机器人拼装管片的工况。
发明内容
针对上述背景技术中的不足，本发明提出一种串联型管片拼装机器人试验装置及模拟拼装方法，以解决上述技术问题。
本发明的技术方案是这样实现的：一种串联型管片拼装机器人试验装置，包括控制台、模拟洞壁和动力台，所述模拟洞壁内设有沿轴向设置的桁架，桁架上活动设有拼装机器人，拼装机器人的下部设有真空夹爪机构，所述模拟洞壁的一侧设有管片运输机构。
所述桁架包括设置在模拟洞壁两端的支架，支架上固定设有对称设置的滑轨，滑轨上滑动设有滑台，滑台通过滑移机构与滑轨相连接，滑台的下部通过转动机构连接有拼装机器人。
所述滑移机构包括设置在滑轨上的齿条和设置在滑台上的行走驱动，行走驱动的输出轴上设有齿轮，齿轮与齿条啮合；所述转动机构包括设置在滑台上的回转驱动，回转驱动的输出端通过回转支撑与拼装机器人相连接。
所述回转驱动和行走驱动的输出端均设有角度编码器；所述滑台的下部设有补光灯和工业相机。
所述拼装机器人包括大臂、折叠臂和小臂，大臂通过回转支撑与滑动设置在桁架上的滑台转动连接，大臂通过1号关节摆动油缸与回转支撑相连接，折叠臂的上部通过2号关节摆动油缸与大臂相连接，折叠臂的下部通过3号关节摆动油缸与小臂相连接，真空夹爪机构通过4号关节摆动油缸与小臂相连接。
所述真空夹爪机构包括连接板座，连接板座通过4号关节摆动油缸与小臂相连接，连接板座的下部设有液压回转驱动，液压回转驱动的输出端设有平台底座，平台底座的下部设有至少两个并联油缸，并联油缸的下部设有真空吸盘。
所述真空吸盘通过球铰接件与并联油缸相连接，并联油缸内设有行程传感器，液压回转驱动的输出端设有角度编码器。
所述模拟洞壁包括支撑架，支撑架上设有环形筒体，桁架穿过环形筒体。
所述管片运输机构包括设置在支撑架一侧的运输轨道，运输轨道上设有用于载运管片的管片小车。
一种串联型管片拼装机器人试验装置的模拟拼装方法，包括如下步骤：
S1：将待拼管片放置在管片运输机构的管片小车上；
S2：管片小车沿已铺好的运输轨道运输到达指定位置，使管片位于模拟洞壁的外侧；
S3：桁架上的滑台从初始位置开始移动，带动设置在滑台上的拼装机器人向着管片运动，并通过真空夹爪机构准确抓取管片；
S4：拼装机器人抓取管片后，按照提前设置好的管片位置将管片拼装在模拟洞壁上；
S5：在步骤S4中，同一环管节需要5片管片组成，拼装机器人拼装管片时先拼装模拟洞壁一侧的三片管片，然后旋转180°，拼装机器人拼装另一侧的两片管片，完成一环管节拼装。
步骤S3中，当滑台处于初始位置时，以拼装机器人的回转支撑中心为***基坐标原点，使设置在滑台上的工业相机到达管片上方，拍摄管片位姿，并将信号反馈给控制台，控制台将管片坐标信息反馈回拼装机器人，控制拼装机器人的真空夹爪机构到达管片位姿内部形成真空使其抓紧管片。
本发明通过模拟洞壁、桁架和拼装机器人模拟隧道施工过程中拼装机器人通过真空夹爪机构对管片进行灵活拼装，为实际施工提供精确的数据支撑。本发明拼装机器人具备自动识别抓取管片，自动定位的功能，可实现管片的自动拼装，改变传统管片拼装方式，从理论上实现管片的高效、安全拼装。本发明配合控制***，实现对拼装机器人的精确控制，实现对管片定点、定位准确拼装模拟，接近实际施工工况，为实际施工提高安全保证。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明整体结构示意图。
图2为本发明桁架结构示意图。
图3为本发明拼装机器人结构示意图。
图4为本发明真空夹爪机构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，实施例1，一种串联型管片拼装机器人试验装置，包括控制台1、模拟洞壁2和动力台6，控制台1用于运行***的控制软件，监控试验***的运行状态，与机械臂采用can总线通讯；所述模拟洞壁2包括支撑架201，支撑架201上设有环形筒体202，桁架3穿过环形筒体202，环形筒体为缸筒形状，贴近实际洞壁。动力台6包括液压泵、油箱、阀组、高低压电柜等设备，为试验装置中的油缸、马达、电机、管片小车、控制台等元件提供电力和液压源。所述模拟洞壁2内设有沿轴向设置的桁架3，桁架3为拼装机器人提供轴向运动的支撑。桁架3上活动设有拼装机器人4，拼装机器人能进行转动和升降，拼装机器人4的下部设有真空夹爪机构，真空夹爪机构通过真空吸附实现对管片的快速稳固抓取。所述模拟洞壁2的一侧设有管片运输机构5，所述管片运输机构5包括设置在模拟洞壁2的支撑架201一侧的运输轨道501，运输轨道501上设有用于载运管片7的管片小车502。管片运输机构用于管片的运输，将管片运至模拟洞壁的一侧便于拼装机器人对管片的抓取。
进一步，如图2所示，所述桁架3包括设置在模拟洞壁2两端的支架301，支架301上固定设有对称设置的滑轨302，滑轨302沿模拟洞壁的轴向设置，滑轨302上滑动设有滑台306，滑台306通过滑移机构与滑轨302相连接，在滑移机构的作用下滑台能相对滑轨运动，实现拼装机器人的水平运动。滑台306的下部通过转动机构连接有拼装机器人4，通过转动机构带动拼装机器人转动，实现对模拟洞壁的全环拼装。
优选地，所述滑移机构包括设置在滑轨302上的齿条309和设置在滑台306上的行走驱动305，行走驱动采用电机或马达，电机或马达的输出轴上设有齿轮310，齿轮310与齿条309啮合；行走驱动转动带动齿轮沿齿条转动，带动滑台沿滑轨运动，带动拼装机器人运动。所述转动机构包括设置在滑台306上的回转驱动303，回转驱动采用电机或马达，回转驱动303的输出端通过回转支撑401与拼装机器人4相连接。回转驱动303的输出端通过联轴器或齿轮副与回转支撑相连接，回转驱动303转动通过回转支撑带动拼装机器人转动，实现拼装机器人在竖直面内角度的调节，使其在管片拼装过程中，运动更加灵活。
进一步，所述回转驱动303和行走驱动305的输出端均设有角度编码器304；行走驱动305上的角度编码器将数据信号传递给控制台，控制台中的控制器通过计算可测得滑台移动距离。回转驱动303上的角度编码器将数据传递给控制台，控制台中的控制器通过计算可测得拼装机器人转动角度，用于精确控制拼装机器人的位置。所述滑台306的下部设有补光灯308和工业相机307。补光灯保证工业相机拍摄画面清晰。工业相机在拼装机器人抓取钢管片时，进行图像采集，管片小车将管片运送到固定位置后，滑台移动使相机位于管片上方，相机拍摄管片位姿，将管片位姿坐标通过控制台1计算后反馈给机械臂4，机械臂根据获得的管片坐标抓取管片。
如图3、4所示，实施例2，一种串联型管片拼装机器人试验装置，所述拼装机器人4包括大臂403、折叠臂405和小臂407，大臂403通过回转支撑401与滑动设置在桁架3上的滑台306转动连接，回转支撑转动带动大臂转动。大臂403通过1号关节摆动油缸402与回转支撑401相连接，1号关节摆动油缸402转动带动大臂相对回转支撑上下摆动；折叠臂405的上部通过2号关节摆动油缸404与大臂403相连接，2号关节摆动油缸转动带动折叠臂405上下摆动，折叠臂405的下部通过3号关节摆动油缸406与小臂407相连接，3号关节摆动油缸转动带动小臂上下摆动，真空夹爪机构通过4号关节摆动油缸408与小臂407相连接。4号关节摆动油缸转动，带动真空夹爪机构摆动，上述4个关节摆动油缸配合动作，实现对管片的环面拼装。4个关节摆动油缸内均设有角度编码器，用于检测和控制其回转角度，实现精确控制。
进一步，所述真空夹爪机构包括连接板座409，连接板座409通过4号关节摆动油缸408与小臂407相连接，4号关节摆动油缸转动带动连接板座摆动。连接板座409的下部设有液压回转驱动410，液压回转驱动410可采用液压马达，液压回转驱动410的输出端设有平台底座411，液压回转驱动装置转动带动平台底座转动，实现真空夹爪机构夹取管片时角度的调节，便于与管片定点定位抓取。平台底座411的下部设有至少两个并联油缸412，优选设置三个并联油缸，并联油缸412的下部设有真空吸盘413。所述真空吸盘413通过球铰接件与并联油缸412相连接，三个并联油缸形成三自由度并联机构，可通过调整三个并联油缸的位移，实现对真空吸盘的姿态调节。并联油缸412内设有行程传感器，便于伸出长度的调节，实现真空吸盘抓取角度的调节。液压回转驱动410的输出端设有角度编码器，用于检测真空吸盘回转角度的控制。
其他结构与实施例1相同。
实施例3：一种如实施例2所示的串联型管片拼装机器人试验装置的模拟拼装方法，包括如下步骤：
S1：将待拼管片放置在管片运输机构5的管片小车502上；
S2：管片小车沿已铺好的运输轨道501运输到达指定位置，使管片位于模拟洞壁2的外侧，便于拼装机器人的真空夹爪机构准确夹取管片；
S3：桁架3上的滑台306从初始位置开始移动，带动设置在滑台306上的拼装机器人4向着管片运动，并通过真空夹爪机构准确抓取管片；当滑台306处于初始位置时，以拼装机器人4的回转支撑中心为***基坐标原点，使设置在滑台306上的工业相机307到达管片上方，拍摄管片位姿，并将信号反馈给控制台，控制台将管片坐标信息反馈回拼装机器人4，控制拼装机器人4的真空夹爪机构到达管片位姿内部形成真空使其抓紧管片。
S4：拼装机器人4抓取管片后，按照提前设置好的管片位置将管片拼装在模拟洞壁上；管片要拼装位置的坐标在拼装前就已输入控制台，控制台根据相应坐标位置控制拼装机器人运动，使拼装机器人将管片拼装在设定位置。
S5：在步骤S4中，同一环管节需要5片管片组成，拼装机器人4拼装管片时先拼装模拟洞壁一侧的三片管片，这三个管片先拼装下部的一个；再依次拼装另两个管片；然后拼装机器人旋转180°，拼装机器人4拼装另一侧的两片管片，完成一环管节拼装。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种串联型管片拼装机器人试验装置，包括控制台（1）、模拟洞壁（2）和动力台（6），其特征在于：所述模拟洞壁（2）内设有沿轴向设置的桁架（3），桁架（3）上活动设有拼装机器人（4），拼装机器人（4）的下部设有真空夹爪机构，所述模拟洞壁（2）的一侧设有管片运输机构（5）；
所述桁架（3）包括设置在模拟洞壁（2）两端的支架（301），支架（301）上固定设有对称设置的滑轨（302），滑轨（302）上滑动设有滑台（306），滑台（306）通过滑移机构与滑轨（302）相连接，滑台（306）的下部通过转动机构连接有拼装机器人（4）；
所述滑移机构包括设置在滑轨（302）上的齿条（309）和设置在滑台（306）上的行走驱动（305），行走驱动（305）的输出轴上设有齿轮（310），齿轮（310）与齿条（309）啮合；所述转动机构包括设置在滑台（306）上的回转驱动（303），回转驱动（303）的输出端通过回转支撑（401）与拼装机器人（4）相连接。
2.根据权利要求1所述的串联型管片拼装机器人试验装置，其特征在于：所述回转驱动（303）和行走驱动（305）的输出端均设有角度编码器（304）；所述滑台（306）的下部设有补光灯（308）和工业相机（307）。
3.根据权利要求1或2所述的串联型管片拼装机器人试验装置，其特征在于：所述拼装机器人（4）包括大臂（403）、折叠臂（405）和小臂（407），大臂（403）通过回转支撑（401）与滑动设置在桁架（3）上的滑台（306）转动连接，大臂（403）通过1号关节摆动油缸（402）与回转支撑（401）相连接，折叠臂（405）的上部通过2号关节摆动油缸（404）与大臂（403）相连接，折叠臂（405）的下部通过3号关节摆动油缸（406）与小臂（407）相连接，真空夹爪机构通过4号关节摆动油缸（408）与小臂（407）相连接。
4.根据权利要求3所述的串联型管片拼装机器人试验装置，其特征在于：所述真空夹爪机构包括连接板座（409），连接板座（409）通过4号关节摆动油缸（408）与小臂（407）相连接，连接板座（409）的下部设有液压回转驱动（410），液压回转驱动（410）的输出端设有平台底座（411），平台底座（411）的下部设有至少两个并联油缸（412），并联油缸（412）的下部设有真空吸盘（413）。
5.根据权利要求4所述的串联型管片拼装机器人试验装置，其特征在于：所述真空吸盘（413）通过球铰接件与并联油缸（412）相连接，并联油缸（412）内设有行程传感器，液压回转驱动（410）的输出端设有角度编码器。
6.根据权利要求1或5所述的串联型管片拼装机器人试验装置，其特征在于：所述模拟洞壁（2）包括支撑架（201），支撑架（201）上设有环形筒体（202），桁架（3）穿过环形筒体（202）。
7.根据权利要求6所述的串联型管片拼装机器人试验装置，其特征在于：所述管片运输机构（5）包括设置在支撑架（201）一侧的运输轨道（501），运输轨道（501）上设有用于载运管片（7）的管片小车（502）。
8.一种串联型管片拼装机器人试验装置的模拟拼装方法，其特征在于：包括如下步骤：
S1：将待拼管片放置在管片运输机构（5）的管片小车（502）上；
S2：管片小车沿已铺好的运输轨道（501）运输到达指定位置，使管片位于模拟洞壁（2）的外侧；
S3：桁架（3）上的滑台（306）从初始位置开始移动，带动设置在滑台（306）上的拼装机器人（4）向着管片运动，并通过真空夹爪机构准确抓取管片；
S4：拼装机器人（4）抓取管片后，按照提前设置好的管片位置将管片拼装在模拟洞壁上；
S5：在步骤S4中，同一环管节需要5片管片组成，拼装机器人（4）拼装管片时先拼装模拟洞壁一侧的三片管片，然后旋转180°，拼装机器人（4）拼装另一侧的两片管片，完成一环管节拼装。
9.根据权利要求8所述的串联型管片拼装机器人试验装置的模拟拼装方法，其特征在于：步骤S3中，当滑台（306）处于初始位置时，以拼装机器人（4）的回转支撑中心为***基坐标原点，使设置在滑台（306）上的工业相机（307）到达管片上方，拍摄管片位姿，并将信号反馈给控制台，控制台将管片坐标信息反馈回拼装机器人（4），控制拼装机器人（4）的真空夹爪机构到达管片位姿内部形成真空使其抓紧管片。
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- 2020-04-30 CN CN202010362534.4A patent/CN111442942B/zh active Active
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| CN111442942A (zh) | 2020-07-24 |
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