CN114212678B - 一种智能化管片抓取装置及其智能抓取方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种智能化管片抓取装置及其智能抓取方法，解决了现有技术中管片运输效率低的问题。本发明智能化管片抓取装置，包括主架体，主架体上设有主控机，主架体的下部设有升降机构，升降机构的下部设有抓取头和驱动抓取头转动的旋转机构，所述抓取头上设有激光雷达定位装置，激光雷达定位装置、旋转机构及升降机构均与主控机电连接。本发明抓取头中采用螺旋抓手对管片进行取放，基于激光雷达传感器识别抓取位置，伺服电机带动抓手快速抓取管片，在抓取装置中抓手结构简单、紧凑且运动可靠，可以有效的减少传递过程中的能量损失，实现高效抓取管片。

Description

一种智能化管片抓取装置及其智能抓取方法

技术领域

本发明涉及隧道管片运输技术领域，特别是指一种智能化管片抓取装置及其智能抓取方法。

背景技术

随着国内经济的快速发展，大量人口涌入城市，公共交通压力与日俱增。在此背景下，发展城市轨道公共交通受到了越来越多规划者的青睐。盾构法作为地下管道施工的常用方式；以精度高、进度快、对城市的日常运作及周围环境影响小等诸多优点受到了广泛运用。

盾构法的施工过程如下：盾构机前体和管片支撑隧道防止坍塌；盾构机前端刀片向前逐步进行掘进。当掘进一定路程后，管片运输机开始将管片运输至喂片机指定工作位置；喂片机将管片最终运送至隧道前部；管片安装机对管片进行安装；施工人员对管片进行最后拼接。拼接完毕后盾构机再向前掘进固定路程，重复执行上述步骤；最终完成整个施工流程。

在盾构法施工的整个过程中，管片运输是其中一步十分重要的环节。但目前对于该过程仍存在无法高效率抓取管片和无法对管片进行稳定运输等问题；在抓取管片方面，工程施工时仍主要采用人力作业，这样不仅会使抓取管片效率低下、影响施工进程，还会存在很大的安全隐患、容易造成人员伤亡；在管片运输方面，工程施工中采用安全防护较少，在运输管片时易出现管片摇摆现象，不仅会造成管片损坏，从而影响管片的正常使用、降低施工效率，还会对施工时的安全造成较大影响，无法有效的保证施工人员的自身安全。所以，现在工程施工中迫切需要一种运输装置来满足高效抓取和稳定运输的需求。

发明内容

针对上述背景技术中的不足，本发明提出一种智能化管片抓取装置及其智能抓取方法，解决了现有技术中管片运输效率低的问题。

本发明的技术方案是这样实现的：一种智能化管片抓取装置，包括主架体，主架体上设有主控机，主架体的下部设有升降机构，升降机构的下部设有抓取头和驱动抓取头转动的旋转机构，所述抓取头上设有激光雷达定位装置，激光雷达定位装置、旋转机构及升降机构均与主控机电连接。

所述升降机构包括连接板和对称设置的升降臂组，连接板通过升降臂组与设置在主架体上的升降驱动装置相连接，抓取头设置在连接板下部，旋转机构设置在连接板上部。

所述升降臂组包括对称设置的左升降臂和右升降臂，左升降臂和右升降臂均包括曲柄臂和连接杆，曲柄臂的一端与连接杆铰接、另一端与升降驱动装置的输出端相连接，所述连接杆的下端铰接在连接板上。

所述升降驱动装置包括固定在主架体上的第一电机和传动轴，传动轴通过传动机构与第一电机相连接，所述曲柄臂固定在传动轴上。

所述升降机构还包括竖向导向机构，所述竖向导向机构包括对称设置在主架体上的竖向导轨和设置在连接板一侧的导向轮，导向轮与竖向导轨相配合。

所述主架体上设有至少一个与连接板相对应的测距传感器；所述主架体上设有行走机构，所述行走机构包括对称设置的左行走轮组和右行走轮组。

所述抓取头包括设置在升降机构下部的主套筒，主套筒的上部与旋转机构相连接，主套筒内螺纹连接有抓取螺杆，抓取螺杆与设置在主套筒外壁上的驱动器相连接，激光雷达定位装置设置在抓取螺杆上，主套筒上设有辅助抓取机构，激光雷达定位装置为激光雷达传感器。

所述驱动器包括设置在主套筒上第二电机，第二电机通过小支架固定在主套筒的外壁上，第二电机的输出端与转动设置在小支架上的主动蜗杆相连接，主套筒外壁上开设有槽口，抓取螺杆通过槽口与主动蜗杆啮合。所述辅助抓取机构包括对称设置在主套筒外壁上的支架，支撑架下部设有辅助油缸，辅助油缸的伸缩端铰接有真空吸盘。

所述旋转机构包括转动连接在升降机构上的传动柱Ⅰ和传动柱Ⅱ，传动柱的下部与主套筒固定连接、上部通过传动件Ⅰ与传动柱Ⅱ相连接，传动柱Ⅱ通过传动件Ⅱ与固定在升降机构上的第三电机相连接。

一种所述的智能化管片抓取装置的智能抓取方法，其特征在于：步骤如下：

步骤1：智能化管片抓取装置在行走机构的作用下向管片存放方向移动，位于抓取头上的激光雷达定位装置对下方区域进行扫描，并将扫描信息通过主控机传递至后台管理***进行分析，确定抓取头抓取管片位置；

步骤2：通过升降机构的升降臂组抓取头带动向下运动，同时激光雷达定位装置对下降距离进行实时监控，当下降距离处于预定安全下降范围内，升降机构停止运动；抓取头旋入管片预定抓取位置，同时激光雷达定位装置对抓取头旋入管片距离进行实时监控，防止在抓取中对管片造成损坏；

步骤3：升降机构通过升降臂组将管片提升至安全距离，在提升过程中超声波传感器对提升距离进行探测，当提升距离处于预定安全高度范围内，升降机构停止运动；旋转机构带动抓取头开始运动，使管片顺旋转90°至与轨道方向相垂直；然后行走机构开始向喂片机方向运动，直至管片拼装预定位置；

步骤4：升降机构通过升降臂组将管片下放至喂片机预定输送位置，然后抓取头释放管片，完成管片运送；

步骤5：升降机构将抓取头提升至初始状态，行走机构向后运输至管片预定抓取位置，旋转机构将抓取头逆时针旋转90°至初始位置；重复步骤1至步骤4，对管片进行持续输送。

步骤1中确定抓取头(B)抓取管片位置具体步骤如下：

S1.1：激光雷达定位装置对下方的管片进行扫描；

S1.2：当扫描到管片后边沿时，计算此时雷达中心与管片边沿距离；具体计算如下：设A点为候选边缘提取点，将点云图划为k个邻域，则边缘特征子S_a表达式为：

式(1)中L_a为A点平均密度，

为a点为临近区域的密度；

式(2)中h_a为A点的密度，m为候选边缘提取点个数；

而公式(2)中的

式(3)中a为A点的三维坐标，a_i为A邻近点的三维坐标；

给定κ，κ＝S_βa+S_γa

其中，其中，S_βa为边缘特征子S_a的均值，S_γa为边缘特征子S_a的标准差，

当L_a<κ时，则该点为边缘提取点；

S1.3：由于L＝d+l，L为激光雷达至管片抓取位置中心距离；d为管片后边沿至管片抓取位置中心距离；l为激光雷达传感器至管片后边沿位置；进而得出此时管片抓取位置与抓取螺杆之间的距离，即确定了抓取头(B)抓取管片位置。

本发明抓取头中采用螺旋抓手对管片进行取放，基于激光雷达传感器识别抓取位置，伺服电机带动抓手快速抓取管片，在抓取装置中抓手结构简单、紧凑且运动可靠，可以有效的减少传递过程中的能量损失，同时配合辅助抓取机构，实现对管片高效、安全抓取。旋转机构中采用蜗轮蜗杆机构、升降装置中采用曲柄提升装置，基于蜗轮蜗杆的自锁性和曲柄机构的刚性运动可以有效的防止管片在运输过程中发生摇摆所产生的管片磕碰、人员受伤等安全问题，保证了运输时的稳定性和安全性；同时基于PLC控制通过智能网关装置将运输过程中产生数据存储至后台数据库，后台对数据进行分析和学习，不断优化运输过程、改善时间配比从而提高运输效率。本发明结构设计巧妙能够实现管片运输时的高效抓取、安全运输和智能优化，改变传动管片吊运方式，是隧道施工中管片运输的一大创新，具有较高的推广价值。

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是本发明的结构示意图；

图2是抓取头和旋转机构的右视图；

图3是行走机构和升降机构的轴测示意图；

图4是行走机构和升降机构的仰视图；

图5是激光雷达定位装置识别原理流程图；

图6是本发明数据传输流程示意图；

图7是本发明可操控APP的工作流程图。

图8是本发明激光雷达定位装置识别距离示意图。

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1，一种智能化管片抓取装置，包括主架体1，主架体1上设有主控机2，主控机2为该抓取装置的控制中心，可采用PLC控制，控制升降机构的升降、抓取头的旋转与对管片的抓取与否及旋转机构的旋转与否。主架体1的下部设有升降机构A，升降机构的下部设有抓取头B和驱动抓取头B转动的旋转机构C，抓取头B在升降机构的作用下，进行上下提升动作；在旋转机构的作用下，抓取头进行转动。所述抓取头B上设有激光雷达定位装置，通过激光雷达定位装置的识别，抓取头能快速且准确抓取管片，提高抓取效率。激光雷达定位装置、旋转机构C及升降机构A均与主控机2电连接，形成闭环控制，实现智能化地管片抓取。

整个装置的控制装置包括主控机2和后台管理***；主控机2将运动指令下达至PLC控制器，通过控制不同装置上的伺服电机完成运输流程；在运输过程中，超声波传感器和超声波传感器将监测数据经通信模块传递给主控机并由主控机2经过智能网关装置上报至后台数据库；后台管理***一方面基于深度学习算法实现管片拼装机的智能控制及智能监测，另一方面可以通过对数据的分析来优化运输流程、改善时间配比，使得运输效率可以在运输过程中不断提高。

进一步，所述升降机构A包括连接板3和对称设置的两组升降臂组4，升降臂组采用曲柄机构，相较于电动葫芦提升装置，曲柄提升装置采用刚性结构进行升降会使管片运输更加稳定。连接板3通过升降臂组4与设置在主架体1上的升降驱动装置5相连接，在升降驱动装置的作用下，升降臂组的升降臂上下运动，带动抓取头上下稳定运动。抓取头B设置在连接板3下部，旋转机构C设置在连接板3上部。

升降机构中采用曲柄机构进行提升管片；相较于电动葫芦提升装置，曲柄提升装置采用刚性结构进行升降会使管片运输更加稳定；例如：在管片由静止到开始运动阶段，若使用电动葫芦升降装置由于管片较大的惯性冲击力会导致管片开始运动时发生摇摆现象，该现象可能会造成管片的意外磕碰和工作人员受伤等问题；若使用曲柄提升机构由于其结构为刚性连接，在进行升降时可以减缓冲击力对管片提升的影响使管片提升更安全可靠。

如图3所示，实施例2，一种智能化管片抓取装置，所述升降臂组包括对称设置的左升降臂41和右升降臂42，也就是说本申请包括两个左升降臂41和两个右升降臂42；一个左升降臂41和一个右升降臂42组成一组升降臂组，分别位于连接板的两侧，通过不同升降臂的升降配合不仅可实现对抓取头的提升操作，还可用于抓取头倾斜角度的调节，实现对不同位置的管片进行快速且灵活抓取。本实施例中左升降臂41和右升降臂42均包括曲柄臂4-1和连接杆4-2，曲柄臂4-1的一端通过销轴与连接杆4-2铰接、另一端与升降驱动装置5的输出端相连接，本实施例中采用两个升降驱动装置分别为左升降臂41和右升降臂42提供动力。在升降驱动装置的作用下曲柄通过连接杆带动连接板上下运动，进而实现抓取头的上下运动。所述连接杆4-2的下端铰接在连接板3上。在进行升降时可以减缓冲击力对管片提升的影响使管片提升更安全可靠。所述升降驱动装置5包括固定在主架体1上的第一电机5-1和传动轴5-2，另一个升降驱动装置的第一电机和传动轴分别用5-3、5-4，表示。传动轴5-2通过传动机构与第一电机5-1相连接，此处的传动机构可采用齿轮传动，所述曲柄臂4-1固定在传动轴5-2上。第一电机及下文的第二电机、第三电机均可采用伺服电机。在第一电机的作用下，传动轴带动曲柄臂转动，通过连接杆带动抓取头上下运动。伺服电机和曲柄机构采用对称安装可以确保行走时运输机的重心位置与升降装置中心位置垂直分布，从而提高运输时管片的稳定性，减小安全隐患。

进一步，所述升降机构A还包括竖向导向机构6，所述竖向导向机构6包括对称设置在主架体1上的两个竖向导轨6-1和设置在连接板3一侧的导向轮6-2，导向轮6-2与竖向导轨6-1相配合。在导向轮与竖向导轨的作用下，约束连接板仅可在竖直方向上运动，提高提升稳定性。其他结构与实施例1相同。

如图4所示，实施例3，一种智能化管片抓取装置，与实施例2不同的是：本实施例中所述主架体1上设有至少一个与连接板3相对应的测距传感器7，通过测量连接板的升降距离，进而调节抓取头高度的调节，确保吊运的安全性。所述主架体1上设有行走机构，所述行走机构包括对称设置的左行走轮组8和右行走轮组9。左行走轮组8和右行走轮组9分别设置在主架体的两侧，分别用8-1、8-2、9-1、9-2表示，并通过电机26驱动，带动整个抓取装置进行运动。

进一步，所述抓取头B包括设置在升降机构A下部的主套筒10，主套筒10的上部与旋转机构C相连接，旋转机构提供主套筒转动的动力。主套筒10内螺纹连接有抓取螺杆11，抓取螺杆11与设置在主套筒10外壁上的驱动器相连接，驱动器提供抓取螺杆转动的动力。具体地：所述驱动器包括设置在主套筒10上第二电机12，第二电机12通过小支架13固定在主套筒10的外壁上，第二电机12的输出端与转动设置在小支架13上的主动蜗杆14相连接，主套筒10外壁上开设有槽口，抓取螺杆11通过槽口与主动蜗杆14啮合，在第二电机的作用下，主动蜗杆转动，带动抓取螺杆在主套筒内上下运动，当需要抓取管片时，抓取螺杆的下部旋入管片预留的螺纹孔101内，螺杆与主套筒螺纹锁紧，对管片进行稳固抓取。激光雷达定位装置设置在抓取螺杆11上，激光雷达定位装置为激光雷达传感器20。超声波传感器位于抓取螺杆的中心处，在超声波传感器的作用下，能快速检测管片上螺孔的位置，实现抓取螺杆与螺纹孔的精准配合，提高抓取效率。激光雷达具有分辨率高、抗干扰能力强、不受光线影响等诸多优点使其即使在复杂情况下仍能正常工作，快速且精确的定位到管片抓取位置；相较于视觉识别***，第一：使用激光雷达识别对环境要求较低，即使在低光度环境下依然可以进行正常工作，同时在布置上可以减小使用空间；第二：使用激光雷达识别精确度更高，可以提高精确度。当识别螺纹孔的位置后，伺服电机开始转动，经主动蜗杆驱动抓取螺杆对管片进行取放；在满足抓取管片的需求下，抓手装置结构简单、机件数量少且结构紧凑；在控制方面可以更加快捷、减少动力损失、提高净空率，配合超声波传感器的精准定位可以对管片实现快速且精确的抓取。

如图2所示，为提高抓取头抓取管片的稳定性，在主套筒10上设置辅助抓取机构。具体地，所述辅助抓取机构包括对称设置在主套筒10外壁上的支架23，支撑架23下部设有辅助油缸21，辅助油缸21的伸缩端铰接有真空吸盘22。真空吸盘22在辅助油缸21的驱动下靠近管片表面，形成真空环境对管片进行提升。过程如下：当主动蜗杆抓紧管片后，真空吸盘开始工作，起到辅助作用。同时针对不同管片，有不同抓取过程。如楔形管片时不需要使用真空吸盘，这样做可以使运输机针对不同类型管片都能进行抓取，提高管片运输机的适用范围。

优选地，所述旋转机构C包括转动连接在升降机构A的连接板3上的传动柱Ⅰ15和传动柱Ⅱ16，传动柱15的下部与主套筒10固定连接、上部通过传动件Ⅰ17与传动柱Ⅱ16相连接，传动件Ⅰ17采用齿轮副传动，传动柱Ⅱ16通过传动件Ⅱ18与固定在升降机构A上的第三电机19相连接。传动件Ⅱ采用蜗轮蜗杆机构。蜗杆在伺服电机的带动下开始旋转，从而带动涡轮和与其同轴的主动圆柱齿轮开始转动；主动圆柱齿轮通过齿轮啮合将旋转传递至从动圆柱齿轮；从动圆柱齿轮和抓取装置主机架同轴设置，所以管片在旋转装置的驱动下开始旋转；该装置使用蜗轮蜗杆进行传动；由于其运动具有自锁性，一方面在管片旋转过程中主控机可以更加精准的控制管片旋转角度；角度误差的减小可以使管片在放至喂片机输送位置时更加便捷、也为管片的拼接提供了快捷基础；使得总体施工效率得以提高；另一方面，使用蜗轮蜗杆装置来控制旋转角度可以有效的防止管片因意外转动而发生摆动情况；在整体运输过程中由于管片所占空间位置较大，摆动情况很容易造成管片的碰撞导致管片无法正常使用，从而影响施工效率；同时对于施工人员的安全也造成了很大的影响；使用蜗轮蜗杆机构则会使该情况得到有效的减少，提高管片运输时的安全性。

实施例4，一种如实施例3中所述的智能化管片抓取装置的智能抓取方法，其特征在于：步骤如下：

步骤1：智能化管片抓取装置在行走机构的作用下向管片存放方向移动，位于抓取头B上的激光雷达定位装置对下方区域进行扫描，并将扫描信息通过主控机传递至后台管理***进行分析，确定抓取头B抓取管片位置；控制设备通过PLC对运输过程中各个环节进行操控，同时将运输过程中产生的数据上报至数据库，便于后台和工作人员对数据进行分析，进而更好的了解管片在运输过程中的状态。

步骤2：通过升降机构A的升降臂组4抓取头B带动向下运动，同时激光雷达定位装置对下降距离进行实时监控，当下降距离处于预定安全下降范围内，升降机构A停止运动；抓取头B的抓取螺杆旋入管片预定抓取位置，同时激光雷达定位装置对抓取头B的抓取螺杆旋入管片距离进行实时监控，防止在抓取中对管片造成损坏；在抓取螺杆11旋入之前，辅助抓取机构的辅助油缸向下运动至真空吸盘接触到管片外壁，进行吸附。

步骤3：升降机构A通过升降臂组4将管片提升至安全距离，在提升过程中超声波传感器7对提升距离进行探测，当提升距离处于预定安全高度范围内，升降机构A停止运动；旋转机构C带动抓取头B开始运动，使管片顺旋转90°至与轨道方向相垂直；然后行走机构开始向喂片机方向运动，直至管片拼装预定位置。

步骤4：升降机构A通过升降臂组4将管片下放至喂片机预定输送位置，辅助抓取机构的辅助油缸缩回，然后抓取头B的抓取螺杆释放管片，完成管片运送。

步骤5：升降机构A将抓取头B提升至初始状态，行走机构向后运输至管片预定抓取位置，旋转机构C将抓取头B逆时针旋转90°至初始位置；重复步骤1至步骤4，对管片进行持续输送。

第一步骤具体为：如图5所示，行走机构在主控机的控制下向管片存放位置移动，同时激光雷达开始不断的向下方进行扫描并将点云图通过主控机传递至后台***；***对点云图进行边缘特征扫描得到管片后边沿位置；进而计算得出此时激光雷达与管片后边缘距离(即抓取螺杆中心位置与管片后边缘距离)；由于管片预定抓取位置与管片边沿位置距离已知，由此可得出抓取螺杆中心位置与管片后边沿位置距离，主控机通过对行走装置伺服电机施加固定转数即可使抓取螺杆运动至管片抓取位置正上方。

已知在边沿点提取过程中，曲率较大的点更有可能为边缘点；结合其密度特征，可得查询点与相邻点距离较小时为边缘区域点，否则为非边缘区域点。确定抓取头(B)抓取管片位置具体步骤如下，如图8所示：

S1.1：激光雷达定位装置对下方的管片进行扫描；

S1.2：当扫描到管片后边沿时，计算此时雷达中心与管片边沿距离；具体计算如下：设A点为候选边缘提取点，将点云图划为k个邻域，则边缘特征子S_a表达式为：

式(1)中L_a为A点平均密度，使用拟合方式可以得出，

为a点为临近区域的密度；

式(2)中h_a为A点的密度，m为候选边缘提取点个数；

而公式(2)中的

式(3)中a为A点的三维坐标，a_i为A邻近点的三维坐标；

给定κ，κ＝S_βa+S_γa

其中，其中，S_βa为边缘特征子S_a的均值，S_γa为边缘特征子S_a的标准差，

当L_a<κ时，则该点为边缘提取点；以此类推得出管片边缘特征，在计算方面不需要对全部特征点进行处理；只需得到管片后边缘特征即可；这样可以在满足抓取的前提下，尽可能快的得到管片抓取位置。

S1.3：由于L＝d+l，L为激光雷达至管片抓取位置中心距离；d为管片后边沿至管片抓取位置中心距离；l为激光雷达传感器至管片后边沿位置；进而得出此时管片抓取位置与抓取螺杆之间的距离，即确定了抓取头(B)抓取管片位置。

第二步骤具体为：第二步骤分为下降步骤和抓取步骤；

下降步骤为：升降装置两组伺服电机开始运转，带动抓取装置向正下方移动，同时超声波传感器进行测距；当抓手从动件与管片距离处于预定安全升降范围内升降装置停止运动；

抓取步骤为：通过超声波传感器确定安全距离后，主控机下达抓取指令，伺服电机开始正转带动抓手主动件开始旋转；基于螺旋啮合带动抓手从动件向下旋出，进而和管片预留抓取位置的内壁螺纹进行啮合开始抓紧。同时主机架内壁设有固定导程，可以防止抓手意外脱落造成无法抓取；抓取头的结构简单使得主控机更好的操控抓取命令、提高传动效率从而实现快速抓取；

第三步骤具体为：第三步骤主要分为提升步骤、旋转步骤和行走步骤；

提升步骤为：主控机对升降装置下达提升指令，升降装置伺服电机开始正转，曲柄提升机构开始向上提升管片，超声波传感器向下发射信号；当距离处于安全提升范围时，主控机下达停止指令；伺服电机停止转动，超声波传感器停止工作；

旋转步骤为：主控机下达旋转指令，旋转装置伺服电机开始运行，使管片顺时针旋转90°；此时管片长度方向与隧道长度方向相垂直。旋转指令停止，伺服电机停止运动；由于蜗轮蜗杆具有自锁性，可以有效防止管片意外旋转，确保旋转准确性和运输安全性；

行走步骤为：主控机对行走装置下达运动指令，行走装置伺服电机正转运行，带动管片和运输机向施工方向行走。由于管片存放位置与初始施工位置可以测量且盾构机每次掘进路程固定；所以每次管片运输所需要的距离数值为等差数列；故施工人员只需在后台输入初始数值和掘进固定距离，行走步骤即可完成。

第四步骤具体为：主控机对升降装置下达指令，升降装置伺服电机开始反转将管片平稳的放置在喂片机指定输送位置。主控机对抓取装置进行控制，伺服电机开始反转驱动抓手从动件向上运动脱离管片；

第五步骤具体为：第一子步骤：升降装置伺服电机正转，将连接板和抓取装置提升至第四步骤初始状态高度；第二子步骤为：行走装置伺服电机反转，带动运输机向反方向行走，回到管片存放位置；最后一步：旋转装置伺服电机反转，将旋转装置逆时针旋转90°至初始角度。

本发明在设计上采用PLC来实现对各个环节的控制和传递如图6、7所示，；基于PLC的灵活性和可编程性，使得该发明在电路布置上可以更加简洁易操作；同时在运输过程中可以实现自动化施工；通过智能网关实现PLC和数据库的的数据通讯，使得数据可以完整的存储在数据库供管理***进行分析优化，同时也可以更好的帮助施工人员操作运输机。同时在装置设计时充分的考虑到了施工时可能出现的情况，并配有预防和检测设施，使得运输机在过程中可以实现高效抓取和安全运输的效果；

具体如下：在抓取装置中，螺旋从动件中心设有超声波传感器。该传感器在抓手定位时起到关键作用；由于超声波具有抗环境干扰性强、不受灰尘等物质的影响，所以即使在复杂的施工环境中，超声波传感器依然可以正常工作，快速且准确的定位到管片预定抓取位置；

抓取头采用螺旋啮合的原理进行工作。在结构上该机构只有两个构件且运动可靠，容易操作与实现。在传动过程中可以减少能量损失，使得抓手在主控机的控制下快速且精准的实现抓取功能；同时在后期对于机器保养和维修的成本也较低；基于其加入超声波传感器进行识别管片抓取位置，使得抓取正确率得以提高，有效的降低了人工成本并提高了工作效率；同时实现了抓取过程中的快速性和准确性的要求，做到了自动化抓取管片。

在升降过程中，运输机采用曲柄结构来进行升降管片；而传统施工中大多采用电动葫芦升降装置；相较于电动葫芦升降装置，由于曲柄升降装置采用刚性连接，使得其更有利于保持管片运输时的稳定状态。

在管片由静止至开始运动和管片在运至喂片机两个阶段，可能会出现摇摆等情况，会造成管片的磕碰和施工人员的受伤，进而影响施工效率和施工安全，采用曲柄提升装置则可大大减小该类情况的发生，使得管片运输更具安全性。

由于管片存放角度和管片施工时所需角度相垂直，所以在运输过程中需要将管片旋转90°至指定方向；该步骤若不在运输阶段中完成会使下一步“管片的拼接”无法正常进行；同时在角度控制上也需要十分精确，减小拼装阶段的工作量；所以采用蜗轮蜗杆机构加齿轮组机构的组合来满足旋转需求。

相较于仅使用齿轮组机构，由于蜗轮蜗杆具有自锁性；在旋转方面对精度的控制可以更优秀，减小旋转误差；同时也可以防止管片在运输过程中出现意外转动造成人员伤亡等施工事故问题，从而提高了管片运输机工作时的安全性，改善现阶段的施工环境，做到了安全运输管片。

在输送管片时该运输机不仅拥有高效抓取和安全运输的优点，它还具有智能化的特点：在整个运输管片过程中，主控机会将传感器通过通讯模块传输的数据和各步骤施工的信息进行整理上报至数据库；后台管理平台通过对信息的处理和分析，一方面对运输过程进行调整，例如：对运输中各步骤时间配给进行优化，使得运输过程在保证安全性和可靠性的前提下缩短运输时间、提高施工效率。另一方面基于数据库中的信息将管片运输时的工作状态进行映射，使得工作人员可以更好的了解到运输机的施工状态实时进行调控，确保运输过程的正常进行。同时后台还会对数据进行实时监测，当监测到的数据超出预定数据范围内，后台会响起警报并暂停运输过程，等待工作人员检查装置查明原因方可继续进行。

基于对数据库的分析，该发明有望在运输过程中通过大量的数据分析从而实现对未知事件的提前感知。除了管理平台对数据进行分析外，操控人员还可以通过APP对数据进行查看和分析。在后台***中我们会建立基于Windows和Android的可操控应用通过WiFi6来实现数据低延迟传输。在后台进行储存的所有数据，操控人员对其均有查看权；同时管理平台对***进行的任何优化和分析均需要操控人员的允许；从而保证运输过程中的安全性。

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 (7)

1.一种智能化管片抓取装置，其特征在于：包括主架体(1)，主架体(1)上设有主控机(2)，主架体(1)的下部设有升降机构(A)，升降机构的下部设有抓取头(B)和驱动抓取头(B)转动的旋转机构(C)，所述抓取头(B)上设有激光雷达定位装置，激光雷达定位装置、旋转机构(C)及升降机构(A)均与主控机(2)电连接；

所述抓取头(B)包括设置在升降机构(A)下部的主套筒(10)，主套筒(10)的上部与旋转机构(C)相连接，主套筒(10)内螺纹连接有抓取螺杆(11)，抓取螺杆(11)与设置在主套筒(10)外壁上的驱动器相连接，激光雷达定位装置设置在抓取螺杆(11)上，主套筒(10)上设有辅助抓取机构，激光雷达定位装置为激光雷达传感器(20)；

所述驱动器包括设置在主套筒(10)上第二电机(12)，第二电机(12)通过小支架(13)固定在主套筒(10)的外壁上，第二电机(12)的输出端与转动设置在小支架(13)上的主动蜗杆(14)相连接，主套筒(10)外壁上开设有槽口，抓取螺杆(11)通过槽口与主动蜗杆(14)啮合；所述辅助抓取机构包括对称设置在主套筒(10)外壁上的支撑架(23)，支撑架(23)下部设有辅助油缸(21)，辅助油缸(21)的伸缩端铰接有真空吸盘(22)；

所述旋转机构(C)包括转动连接在升降机构(A)上的传动柱Ⅰ(15)和传动柱Ⅱ(16)，传动柱Ⅰ(15)的下部与主套筒(10)固定连接、上部通过传动件Ⅰ(17)与传动柱Ⅱ(16)相连接，传动柱Ⅱ(16)通过传动件Ⅱ(18)与固定在升降机构(A)上的第三电机(19)相连接。

2.根据权利要求1所述的智能化管片抓取装置，其特征在于：所述升降机构(A)包括连接板(3)和对称设置的升降臂组(4)，连接板(3)通过升降臂组(4)与设置在主架体(1)上的升降驱动装置(5)相连接，抓取头(B)设置在连接板(3)下部，旋转机构(C)设置在连接板(3)上部。

3.根据权利要求2所述的智能化管片抓取装置，其特征在于：所述升降臂组包括对称设置的左升降臂(41)和右升降臂(42)，左升降臂(41)和右升降臂(42)均包括曲柄臂(4-1)和连接杆(4-2)，曲柄臂(4-1)的一端与连接杆(4-2)铰接、另一端与升降驱动装置(5)的输出端相连接，所述连接杆(4-2)的下端铰接在连接板(3)上。

4.根据权利要求3所述的智能化管片抓取装置，其特征在于：所述升降驱动装置(5)包括固定在主架体(1)上的第一电机(5-1)和传动轴(5-2)，传动轴(5-2)通过传动机构与第一电机(5-1)相连接，所述曲柄臂(4-1)固定在传动轴(5-2)上。

5.根据权利要求2～4任一项所述的智能化管片抓取装置，其特征在于：所述升降机构(A)还包括竖向导向机构(6)，所述竖向导向机构(6)包括对称设置在主架体(1)上的竖向导轨(6-1)和设置在连接板(3)一侧的导向轮(6-2)，导向轮(6-2)与竖向导轨(6-1)相配合。

6.根据权利要求5所述的智能化管片抓取装置，其特征在于：所述主架体(1)上设有至少一个与连接板(3)相对应的测距传感器(7)，测距传感器(7)采用超声波传感器；所述主架体(1)上设有行走机构，所述行走机构包括对称设置的左行走轮组(8)和右行走轮组(9)。

7.一种如权利要求1～6任一项所述的智能化管片抓取装置的智能抓取方法，其特征在于：步骤如下：

步骤1：智能化管片抓取装置在行走机构的作用下向管片存放方向移动，位于抓取头(B)上的激光雷达定位装置对下方区域进行扫描，并将扫描信息通过主控机传递至后台管理***进行分析，确定抓取头(B)抓取管片位置；

步骤2：通过升降机构(A)的升降臂组(4)带动抓取头(B)向下运动，同时激光雷达定位装置对下降距离进行实时监控，当下降距离处于预定安全下降范围内，升降机构(A)停止运动；抓取头(B)旋入管片预定抓取位置，同时激光雷达定位装置对抓取头(B)旋入管片距离进行实时监控，防止在抓取中对管片造成损坏；

步骤3：升降机构(A)通过升降臂组(4)将管片提升至安全距离，在提升过程中超声波传感器对提升距离进行探测，当提升距离处于预定安全高度范围内，升降机构(A)停止运动；旋转机构(C)带动抓取头(B)开始运动，使管片顺旋转90°至与轨道方向相垂直；然后行走机构开始向喂片机方向运动，直至管片拼装预定位置；

步骤4：升降机构(A)通过升降臂组(4)将管片下放至喂片机预定输送位置，然后抓取头(B)释放管片，完成管片运送；

步骤5：升降机构(A)将抓取头(B)提升至初始状态，行走机构向后运输至管片预定抓取位置，旋转机构(C)将抓取头(B)逆时针旋转90°至初始位置；重复步骤1至步骤4，对管片进行持续输送。

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