CN106120529B - 一种大跨度多功能机器人化工程施工设备 - Google Patents

Abstract

本发明设计一种大跨度多功能机器人化工程施工设备，属于土木工程施工机械设备技术领域，包括多个支撑立柱，与各个支撑立柱配套设置的钢丝绳驱动单元、钢丝绳导向装置及钢丝绳，控制器，及末端执行器；多个支撑立柱分布设置在施工区域四周，各个支撑立柱内部均设有液压缸实现支撑立柱沿竖直方向的升降；钢丝绳驱动单元固定于支撑立柱一侧；钢丝绳导向装置设置在支撑立柱顶端；钢丝绳一端与钢丝绳驱动单元相连，另一端穿过支撑立柱内部、到达钢丝绳导向装置后均与末端执行器相连；本发明通过控制器实现对末端执行器的远程遥控，使其能够大范围大跨度三自由度运动，配合相应的末端执行器完成冲孔打桩、墙体破拆、路面改造和物料搬运的工作。

Description

一种大跨度多功能机器人化工程施工设备

技术领域

本发明属于土木工程施工机械设备技术领域，特别涉及一种大跨度多功能机器人化工程施工设备。

背景技术

在进行公路、铁路、桥梁和建筑等基础设施建设时需要对岩层进行切削成孔；需要对原有路面进行开挖、破碎和修复；需要对原有旧建筑进行拆除；还需要对建设过程中的残土沙石进行搬运。因此冲孔打桩、道路破碎、墙体破拆和物料搬运是上述基础设施建设时必不可少的施工环节。现有技术在完成上述四个工作环节时往往需要打桩机、挖掘机配置破碎锤、起吊机配置破坏球以及挖掘机配置抓斗共同协作完成。由于现有设备功能单一，为满足工程要求需要调度多种设备进场作业。另外在现有设备中：对岩土层进行切削成孔时时所采用的打桩机往往是通过桩架上的竖直导杆将桩锤吊起，然后利用桩锤自由下落的冲击力切削岩层成孔，由于桩锤只能沿着竖直导杆上下运动，因此冲孔点只能限于竖直导轨前端，这样的结构限制了打桩机的工作范围；进行道路破碎和残土搬运时所采用的设备往往由单一串联机械臂控制相应的末端执行器进行作业，同样无法满足大面积的施工作业。当施工面积很大时则需要大量施工设备或者需要不断地移动施工设备到指定地点。这些都大大增加了施工成本，降低了施工的效率，延长了施工的周期。对于一些复杂的施工环境(如有辐射地带)导致施工人员和设备无法进入时，现有的设备因为工作范围小的缺点则无法完成工作要求。

发明内容

本发明的目的是为了克服上述技术的缺点，提供一种大跨度多功能机器人化工程施工设备，本发明可以实现大范围施工作业，无需工作人员进入施工区域、无需在施工区域内移动整个设备，可根据相应的工程要求配置实现多种功能，提高了工作效率、降低了成本，同时能够满足特殊工况下的工程要求。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种大跨度多功能机器人化工程施工设备，其特征在于，该设备包括多个支撑立柱，与各个支撑立柱配套设置的钢丝绳驱动单元、钢丝绳导向装置及钢丝绳，控制器，以及末端执行器；其中，所述多个支撑立柱根据现场工况要求分布设置在施工区域四周，各个支撑立柱内部均设有液压缸用于实现支撑立柱沿其轴向的升降；所述钢丝绳驱动单元固定于支撑立柱一侧；所述钢丝绳导向装置设置在支撑立柱顶端；所述钢丝绳的一端与钢丝绳驱动单元相连，另一端穿过支撑立柱内部、到达钢丝绳导向装置后均与末端执行器相连；所述控制器用于将末端执行器的目标位置指令换算成液压缸的伸缩量和钢丝绳驱动单元的出绳量，以控制支撑立柱的伸缩和钢丝绳驱动单元的收放钢丝绳。

所述的末端执行器为落锤、路面破碎锤、梨型铁球或抓斗中的任一种；当末端执行器为路面破碎锤时，该设备还包括多个牵拉立柱以及与各个牵拉立柱配套设置的钢丝绳驱动单元、钢丝绳导向装置及钢丝绳；其中，根据现场工况在施工区域外呈圆周对称交错固定所述多个牵拉立柱与多个支撑立柱，牵拉立柱出绳点到施工区域的高度小于路面破碎锤的轴向长度，各个牵拉立柱内部均设有液压缸用于实现牵拉立柱沿竖直方向的升降，各个牵拉立柱上还设有位移传感器；所述钢丝绳驱动单元固定在牵拉立柱一侧；所述钢丝绳导向装置设置在牵拉立柱顶端；所述钢丝绳的一端与钢丝绳驱动单元相连，另一端穿过牵拉立柱内部、经钢丝绳导向装置后与末端执行器的顶端相连；所述与支撑立柱相连的钢丝绳与路面破碎锤中部相连。

与现有技术相比，本发明的特点及有益效果是：

(1)本发明提出的大跨度多功能机器人化工程施工设备由多根钢丝绳共同牵拉控制末端执行器的位置，具有工作空间大的特点，适合大范围施工作业，施工时无需移动整机只需移动末端执行器，大大提高了工作效率。由于通过控制器远程遥控钢丝绳驱动单元使钢丝绳共同牵拉末端执行器，使末端执行器能在大范围大跨度空间内工作。施工时工作人员在无需进入施工区的同时又能实时监控末端执行器的位姿，能够满足复杂施工环境下(如有辐射地带等)的特殊工作要求。

(2)通过采用落锤、道路破碎锤、梨形铁球和机械抓斗作为末端执行器可以分别实现冲孔打桩、道路破碎、墙体破拆和物料搬运的功能，可以完成多个施工环节，节约了成本。

(3)共同控制末端执行器的多根钢丝绳具有空间刚度大和承载能力强的优点，在实现大跨度冲孔打桩、道路破碎、墙体破拆和物料搬运时可靠性更高。

附图说明

图1是本发明一种大跨度多功能机器人化工程施工设备用于冲孔打桩作业的整体结构示意图。

图2是本发明中钢丝绳驱动单元的结构示意图。

图3是本发明中钢丝绳导向装置的结构示意图。

图4是本发明中支撑立柱内部的钢丝绳传递结构示意图。

图5是本发明一种大跨度多功能机器人化工程施工设备用于道路破碎作业的整体结构示意图。

图6是本发明一种大跨度多功能机器人化工程施工设备用于道路破碎作业的工作原理示意图。

图7是本发明一种大跨度多功能机器人化工程施工设备用于墙体破拆作业的整体结构示意图。

图8是本发明一种大跨度多功能机器人化工程施工设备用于物料搬运作业的整体结构示意图。

具体实施方式

本发明的一种大跨度多功能机器人化工程施工设备结合附图及实施例详细说明如下：

本发明的一种一种大跨度多功能机器人化工程施工设备的结构包括钢丝绳驱动单元、支撑立柱、钢丝绳导向装置、钢丝绳、控制系统以及末端执行器。在具体实施时，根据施工环节的工作要求相应更换配套的末端执行器，来分别完成冲孔打桩、道路破碎、墙体破拆、物料搬运的工作。

实施例1：

本发明的一种大跨度多功能机器人化工程施工设备用于冲孔打桩时的结构如图1所示,包括四个支撑立柱2，与各个支撑立柱配套设置的钢丝绳驱动单元1、钢丝绳导向装置3及钢丝绳4，控制器，以及落锤(即本实施例的末端执行器)5-1；其中，四个支撑立柱2根据现场工况要求分布设置在施工区域0四周，本实施例中支撑立柱2底部设有起固定作用的基座(该基座的尺寸形状应根据工程实际情况确定)，为了进一步加固可在支撑立柱2的外侧设置倾斜的支撑梁；所述支撑立柱2内部均设有液压缸用于实现支撑立柱2沿其轴向的升降；所述支撑立柱2上装有位移传感器用于测量支撑立柱2沿其轴向升降的高度；所述钢丝绳驱动单元1固定在支撑立柱2一侧，用于驱动钢丝绳4的伸缩；在各个支撑立柱顶端均设有钢丝绳导向装置3；钢丝绳4一端与钢丝绳驱动单元1相连，另一端穿过支撑立柱2内部、经钢丝绳导向装置3的支撑作用后均与落锤5-1相连，通过各个钢丝绳4的共同牵拉实现落锤5-1完成冲孔打桩作业；所述控制器(控制器的具体位置可根据工程实际情况确定)用于将末端执行器的目标位置指令换算成所述支撑立柱2中液压缸的伸缩量和所述钢丝绳驱动单元1的出绳量，以控制所述支撑立柱2的伸缩和所述钢丝绳驱动单元1的收放钢丝绳。

所述各个钢丝绳驱动单元1的结构相同，如图2所示，包括电机6、减速箱7、滚筒8和底座9；其中，电机6、减速箱7和滚筒8均放置在底座9上，同时电机6通过减速箱7与滚筒8相连；所述减速箱7用于将电机6的小扭矩高转速变为大扭矩低转速输出；在滚筒8一端装有旋转编码器，用于测量滚筒8的旋转角度和钢丝绳出绳量；将钢丝绳4缠绕在滚筒8上，电机6接受控制器的控制指令后驱动滚筒8转动来实现收放钢丝绳4的操作。

所述各个钢丝绳导向装置3的结构相同，如图3所示，包括前导向滑轮10、后导向滑轮11和可转向支架12；其中，可转向支架12具有空心轴，可转向支架12安装在支撑立柱2顶端，并使可转向支架12空心轴轴线与支撑立柱2中轴线重合，空心轴上设置两个轴承13，使得可转向支架12能够通过空心轴绕支撑立柱2定轴转动；钢丝绳4从支撑立柱2内部经过可转向支架12的空心轴到达后导向轮11，并在前导向轮伸出，该伸出点即为出绳点，前导向轮10和后导向轮11均固定在可转向支架12上，后导向轮11的节圆和可转向支架12的空心转轴轴线相切。钢丝绳导向装置3能够跟随钢丝绳4的运动方向而转动，使钢丝绳导向装置3的出绳和收绳方向始终朝向落锤方向并保证了出绳点不随钢丝绳4的运动而改变。

所述支撑立柱2内部的钢丝绳传递结构如图4所示，支撑立柱2内部底端固定设有滑轮14，该滑轮的节圆和支撑立柱2的中轴线相切；钢丝绳4一端连接钢丝绳驱动单元1的滚筒8，另一端经过滑轮14、在支撑立柱2内部沿支撑立柱中轴线向上到达其顶端的钢丝绳导向装置3、最终与落锤5-1相连。

本实施例的控制器主要由上位机、运动控制卡和伺服驱动器组成，工作人员将末端执行器的目标位置指令输入上位机，上位机会将其换算成所述支撑立柱2中液压缸的伸缩量和所述钢丝绳驱动单元1的出绳量，并将伸缩量和出绳量传给控制卡，由控制卡生成控制信号传给伺服驱动器，伺服驱动器根据控制信号产生相应电信号用于控制所述支撑立柱2的伸缩和所述钢丝绳驱动单元1的收放钢丝绳。除采用本实施例所述的部件实现所述控制器的功能外，还可采用其他的常规部件予以实现。

本实施例的安装及工作流程说明如下：

首先将四个支撑立柱2根据现场工况要求分布设置在施工区域0四周，其次在每个支撑立柱2一侧固定钢丝绳驱动单元1，然后在支撑立柱2顶端设置钢丝绳导向装置3，之后将钢丝绳4缠绕在钢丝绳驱动单元1上，控制系统控制钢丝绳驱动单元1出一定量的钢丝绳4，使钢丝绳4能够通过支撑立柱2顶端的钢丝绳导向装置3的支撑作用，将另一端连接于落锤5-1上(如果施工区域方便人员进入则可以直接将落锤运至施工区域内，并将钢丝绳4连接于落锤5-1上)；

通过全站仪测量钢丝绳驱动单元1和支撑立柱2的位置，确定钢丝绳驱动单元1和支撑立柱2的坐标；通过支撑立柱2上的位移传感器测量支撑立柱2的伸长量，根据支撑立柱2的坐标及支撑立柱2的伸长量确定支撑立柱2顶端钢丝绳导向装置3中出绳点的坐标；得到了钢丝绳导向装置3出绳点坐标和钢丝绳驱动单元1的坐标之后根据落锤的目标位置确定各个钢丝绳的出绳量；操作时只需向控制器输入落锤的目标位置，控制器会自动将各个钢丝绳驱动单元1所需的出绳量实时计算出来，并根据得到的出绳量控制钢丝绳驱动单元1实现对落锤的远程遥控，即令落锤在钢丝绳4共同牵拉下运动到指定目标位置，实现落锤在施工区域上方的大范围运动；通过钢丝绳驱动单元1上的旋转编码器可以测得钢丝绳4的出绳量，从而实时获得落锤5-1的位姿(即位置和运动)；

进行冲孔打桩作业时，通过控制器控制钢丝绳驱动单元1的出绳量，使落锤5-1在四根钢丝绳4共同牵拉下运动到待冲孔点上方，通过控制器控制支撑立柱2的液压缸实现支撑立柱2的升降，结合钢丝绳驱动单元1的收绳将带有钻刃的落锤5-1提高到一定的高度后令其自由下落，依靠落锤5-1的下落冲击力切削岩层成孔；在针对大面积施工区域进行冲孔打桩作业时无需移动整个设备，只需牵拉移动落锤5-1到指定冲孔位置，这样大大提高了施工效率并降低了成本；如果施工区域环境复杂(如道路不通或者有辐射危害)导致施工人员无法进入，则可以在施工区外的同侧的两根支撑立柱2之间放置落锤5-1，并将其余的两根钢丝绳4绕过施工区连接于落锤5-1上，再利用所述施工区外同侧的两根支撑立柱2将落锤5-1提升到适合的高度，之后通过控制器控制钢丝绳驱动单元1共同收放钢丝绳4使落锤5-1动至施工区域内进行施工作业，施工人员在无需进入施工区域的同时又能实时监控落锤的位置和运动，既保证了特殊工况下施工人员的人身安全，又能高效的完成施工任务，满足特殊任务需求。

实施例2：

本发明的一种大跨度多功能机器人化工程施工设备用于道路破碎时的结构如图5所示，与实施例1的主要区别在于：末端执行器根据工程要求采用圆柱形路面破碎锤5-2，该锤下端前后各有一个倾斜的切面，两个切面构成铲面5-21；同时，该设备还包括三个牵拉立柱15，以及与各个牵拉立柱配套设置的钢丝绳驱动单元1、钢丝绳导向装置3以及钢丝绳4；本实施例中，设有三个支撑立柱2；其中，三个支撑立柱2和三个牵拉立柱15根据现场工况在施工区域0外呈圆周对称交错固定(所述支撑立柱、牵拉立柱的根数根据现场工况要求确定)；所述牵拉立柱15的出绳点到施工区域的高度应小于路面破碎锤的轴向长度，在各个牵拉立柱15的一侧和顶部分别设有钢丝绳驱动单元1和钢丝绳导向装置3，同时可在各个牵拉立柱15的底部和外侧均分别设有基座和倾斜的支撑梁，通过所述基座和支撑梁对各个牵拉立柱15进行加固，牵拉立柱15内部的钢丝绳传递结构和支撑立柱2相同，此处不再赘述；将三根与牵拉立柱15相连的钢丝绳4连接于路面破碎锤5-2的顶端，将三根与支撑立柱2相连的钢丝绳4连接于路面破碎锤5-2的中部。

路面破碎作业时的示意图如图6所示，进行路面破碎作业时通过控制器控制钢丝绳驱动单元1的出绳量，进而实现对路面破碎锤5-2的远程遥控，使得路面破碎锤5-2在支撑立柱2和牵拉立柱15上的钢丝绳4的共同牵拉下移动到目标地点上方一定高度；然后使路面破碎锤5-2自由下落，利用下落的冲击力切断岩层使铲面深入岩土层；然后通过支撑立柱2和牵拉立柱15上的钢丝绳4共同沿反方向牵拉路面破碎锤5-2的顶端和中部，对路面破碎锤5-2产生一个力矩，使路面破碎锤5-2倾转，将路面翘起，实现路面破碎的作业。

实施例3：

本发明的一种大跨度多功能机器人化工程施工设备用于墙体破拆时的结构如图7所示，与实施例1不同之处在于：末端执行器根据工程要求采用梨形铁球结构5-3。进行墙体破拆时，通过控制器控制钢丝绳驱动单元1的出绳量，使梨形铁球在四根钢丝绳4共同牵拉下甩动，实现对梨形铁球5-3的远程遥控。通过梨形铁球5-3对墙体的不断撞击实现墙体破拆的作业。本实施例的多根钢丝绳共同牵拉甩动梨形铁球5-3，整体承载能力强和稳定性高，相比现有技术中使用起吊机垂吊铁球的方式更加安全可靠。

实施例4：

本发明的一种大跨度多功能机器人化工程施工设备用于物料搬运时的结构如图8所示，与实施例1不同之处在于：末端执行器根据工程要求采用抓斗5-4，该抓斗5-4可以采用液压式抓斗、机械式双绳抓斗或机械式单绳抓斗。进行物料搬运作业时，通过控制器控制钢丝绳驱动单元1的出绳量，使抓斗5-4在四根钢丝绳4共同牵拉下移动到物料堆上方，通过支撑立柱2的升降和钢丝绳驱动单元1收放钢丝绳实现抓斗的升降，实现对抓斗的远程遥控。通过控制抓斗开合实现抓取和释放。

Claims (4)

1.一种大跨度多功能机器人化工程施工设备，其特征在于，该设备包括多个支撑立柱，与各个支撑立柱配套设置的钢丝绳驱动单元、钢丝绳导向装置及钢丝绳，控制器，以及末端执行器；其中，所述多个支撑立柱根据现场工况要求分布设置在施工区域四周，各个支撑立柱内部均设有液压缸用于实现支撑立柱沿其轴向的升降；所述钢丝绳驱动单元固定于支撑立柱一侧；所述钢丝绳导向装置设置在支撑立柱顶端；所述钢丝绳的一端与钢丝绳驱动单元相连，另一端穿过支撑立柱内部、到达钢丝绳导向装置后均与末端执行器相连；所述控制器用于将末端执行器的目标位置指令换算成液压缸的伸缩量和钢丝绳驱动单元的出绳量，以控制支撑立柱的伸缩和钢丝绳驱动单元的收放钢丝绳；

所述的钢丝绳导向装置，包括前导向轮、后导向轮和可转向支架；其中，所述可转向支架安装在支撑立柱顶端，可转向支架具有空心轴，且该空心轴轴线与支撑立柱中轴线重合，在空心轴上设有轴承，使得可转向支架通过该空心轴绕支撑立柱定轴转动；钢丝绳从支撑立柱内部经过可转向支架的空心轴到达后转向轮，在前导向轮的出绳点伸出；所述前导向轮、后导向轮均固定在可转向支架上，且后导向轮的节圆和可转向支架的空心轴轴线相切；

所述的末端执行器为路面破碎锤，该设备还包括多个牵拉立柱以及与各个牵拉立柱配套设置的钢丝绳驱动单元、钢丝绳导向装置及钢丝绳；其中，根据现场工况在施工区域外呈圆周对称交错固定所述多个牵拉立柱与多个支撑立柱，牵拉立柱出绳点到施工区域的高度小于路面破碎锤的轴向长度，各个牵拉立柱内部均设有液压缸用于实现牵拉立柱沿竖直方向的升降，各个牵拉立柱上还设有位移传感器；所述钢丝绳驱动单元固定在牵拉立柱一侧；所述钢丝绳导向装置设置在牵拉立柱顶端；所述钢丝绳的一端与钢丝绳驱动单元相连，另一端穿过牵拉立柱内部、经钢丝绳导向装置后与路面破碎锤的顶端相连；所述与支撑立柱相连的钢丝绳与路面破碎锤中部相连。

2.如权利要求1所述的大跨度多功能机器人化工程施工设备，其特征在于，所述的钢丝绳驱动单元，包括电机、减速箱、滚筒和底座；其中，所述电机、减速箱和滚筒均放置在底座上，电机通过减速箱与滚筒相连，滚筒一端装有用于测量滚筒旋转角度和钢丝绳出绳量的旋转编码器；钢丝绳缠绕在滚筒上，电机接受控制器的控制指令后驱动滚筒转动实现收放钢丝绳的操作。

3.如权利要求1所述的大跨度多功能机器人化工程施工设备，其特征在于，所述的各个支撑立柱内部底端固定设有滑轮，所述滑轮的节圆和该支撑立柱的中轴线相切；钢丝绳一端连接钢丝绳驱动单元，另一端经过所述滑轮、在支撑立柱内部沿支撑立柱中轴线达到该支撑立柱顶端的钢丝绳导向装置；各个支撑立柱上还设有位移传感器，用于测量支撑立柱沿其轴向升降的高度。

4.如权利要求1所述的大跨度多功能机器人化工程施工设备，其特征在于，所述路面破碎锤整体呈圆柱形，其下端前后各有一个倾斜的切面，两个所述切面构成铲面。