一种基于多自由度机器人的智能振捣装置及方法
阅读说明：本技术 一种基于多自由度机器人的智能振捣装置及方法 (Intelligent vibrating device and method based on multi-degree-of-freedom robot ) 是由 浦玉学 王静峰 杨欢 张振华 于竞宇 刘用 于 2021-08-11 设计创作，主要内容包括：本发明涉及基于多自由度机器人的智能振捣装置,包括三自由度行走系统、多自由度机器人转向系统和减振隔振系统；所述三自由度行走系统包括卷扬机、移动滑块、钢轨、钢丝绳、管道一、管道二和管道三；所述多自由度机器人转向系统主要由若干节转动管道通过转动关节连接组成；所述减振隔振系统包括法兰盘、螺栓和减振弹簧。本发明的有益效果是：本发明采用多自由度机器人转向系统,通过控制关节的转动,来实现振捣棒的自由转动,从而实现对坞式闸室墙结构中的一些死角进行振捣,可适用于钢筋笼密度大、振捣区域不规则、高度大于10m、厚度大于30cm、工量大、工况复杂、工作环境恶劣的闸室墙。(The invention relates to an intelligent vibrating device based on a multi-degree-of-freedom robot, which comprises a three-degree-of-freedom walking system, a multi-degree-of-freedom robot steering system and a vibration damping and isolating system; the three-degree-of-freedom traveling system comprises a winch, a movable sliding block, a steel rail, a steel wire rope, a first pipeline, a second pipeline and a third pipeline; the multi-degree-of-freedom robot steering system is mainly formed by connecting a plurality of sections of rotating pipelines through rotating joints; the vibration reduction and isolation system comprises a flange plate, a bolt and a vibration reduction spring. The invention has the beneficial effects that: the invention adopts a multi-degree-of-freedom robot steering system, realizes free rotation of the vibrating rod by controlling the rotation of the joint, thereby realizing vibration of dead corners in a dock type lock chamber wall structure, and is suitable for lock chamber walls with high reinforcement cage density, irregular vibration areas, height of more than 10m, thickness of more than 30cm, large workload, complex working conditions and severe working environment.)
技术领域
本发明涉及振捣装置，具体涉及基于多自由度机器人的智能振捣装置及方法。
背景技术
在一般的施工工况中，闸室全长长度约为几百米，且闸室大多数采用坞式结构。闸室墙是整个船闸运输航道中最重要的部分，其质量的好坏直接关系到运输航道能否顺利完工，由于其工作环境恶劣、现有振捣技术的不完善、质量要求高，施工需花费较长时间，直接影响到水运工作的是否顺利，因此在保证闸室墙质量的条件下，需尽可能节省工期、减少劳动力、提高闸室墙质量和安全系数，尽快实现航道通航目标，提高社会效益。
随着科技的发展，振捣技术也在随着时代的发展日新月异。现如今，混凝土振捣方式主要分为人工振捣和机械振捣。
对于人工振捣，其缺点在于施工过程中必须快插慢拔，此方法对于工程时间短的闸室墙项目来说，并不实用，且振捣进度慢、施工工效低、劳动量消耗大。
对于机械振捣，其主要分为以下几类：
1)内部振动器(插入式振动器)
其缺点在于不适用于配筋特别稠密、厚度很薄的结构和构件，而闸室墙恰好是这种构件；且受振捣时间限制，一般工作时间在2.5-3s，采用高频振捣可减少时间，但至少大于10s，在工作时，时间不能够做到完全的精确控制，若时间过短，混凝土不易振实，若时间过长，将会导致离析，这些都将直接影响闸室墙质量，且一般闸室墙现场施工人员不具备极高的专业素养，对时间的把握不一定会十分准确。
2)表面振动器(平板振动器)
其缺点在于使用前需划分区域，因闸室墙为坞式结构，故区域形状不规则，则将会导致各区域振捣次数不一致；且其移动间距应覆盖上次振捣距离的5cm，使得振捣棒振捣范围利用率低，影响工程工期，将直接影响船闸工程是否顺利完成；且需要将带偏心块的电动振动器安装在钢膜或者模板上，在高频振捣下，容易对模板造成伤害，且影响对拉螺栓的精度，易造成模板与钢筋笼配合不紧密；其只适用于振捣面积大、厚度小的结构和现浇楼板、地坪、预制板，闸室墙为精密化构件，故此法不适用于配筋特别稠密、形状不规则的闸室墙。
3)外部振动器(附着式振动器)
其缺点在于只适用于钢筋较密、厚度在30cm以下的墙柱梁，密度、厚度小的场合，而一般闸室墙厚度都在两米以上，故此法不适合闸室墙工况；且使用时模板应固定，需将带偏心块的电动振动器用螺栓固定在模板外侧，在高频振捣下，容易对模板造成伤害，且影响对拉螺栓的精度，易造成模板与钢筋笼配合不紧密，将直接影响闸室墙外形和质量。
4)振动台
其缺点在于只适用于混凝土预制构件振捣以及实验室制作试块的捣实，不适合闸室墙中混凝土振捣。
现有振捣棒在振捣时主要存在以下问题：
1、振捣棒移动问题
由于在多数工程中采用的是人工振捣方式，但是对于一些高度深、入口窄、工程量大的情况，依靠人工振捣远远不够，其所消耗的劳动力和工期效率远远达不到期望值。
2、振捣棒无法用在复杂工况下
由于在某些工程中(如闸室墙、水坝、异形柱等结构)存在一些截面依靠现有的振捣技术(如人工振捣、振动台、附着式振捣器等)无法进行振捣，或者存在一些恶劣环境(如地下工程、系船柱处等)，使用人工振捣时，会出现工人无法进入施工现场或者某些狭小结构无法进行振捣的情况。
现有建筑结构大多数为钢筋混凝土结构，且因为在大型工程中存在大量预埋件、钢筋焊接时产生的误差及施工人员操作的不规范，故在进行振捣时，振捣棒棒头为长圆柱形，因此存在无法振捣的地方。
3、振捣参数问题
调查市面上所存在的振捣棒，一般均为定频制或者扫频制的振捣棒，即只对振动频率和幅度进行定量控制与调节，然而在振捣过程中，还存在插入深度、振捣时间、插入间隔、摆动角度等因素。
4、振动破坏问题
振捣棒在插入混凝土时，由于施工人员操作失误或者振捣之处为钢筋分布密集之处，致使振捣棒棒头与钢筋接触，使得钢筋及整体结构共同振捣，易造成结构的整体共振，造成结构骨架发生破坏，故应该注意钢筋分布的几何尺寸及钢筋本身强度问题。
目前，船闸施工现场依然采用的是人工振捣的方式。首先由于施工人员技术有限，对于闸室墙质量的保证存在随机性。对于一般船闸闸室墙的振捣，因为现场施工环境的限制，工人只能深入到十几米深的闸室墙模板内部，进行一边浇筑一边振捣的工作方式，夏季工作时，闸室墙模板内部温度极高，将会对工人生命安全造成威胁，且由于闸室墙采用坞式结构，人工振捣不能对一些死角进行有效振捣，故闸室墙质量和安全系数会出现一些问题，同时采用人工振捣的振捣进度慢，施工工效低，劳动量消耗大，且闸室墙内部全是钢筋，并无可以给工人工作的平台，工人只能借助安全绳进行工作，如果操作不当，极可能造成安全事故。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术中的不足，提供一种基于多自由度机器人的智能振捣装置及方法。
这种基于多自由度机器人的智能振捣装置，包括三自由度行走系统、多自由度机器人转向系统和减振隔振系统；
所述三自由度行走系统包括卷扬机、移动滑块、钢轨、钢丝绳、管道一、管道二和管道三；钢轨铺设在两侧模板边缘上，移动滑块设置于钢轨上并与钢轨滑动连接；管道一上顶板两侧的三角形钢板与钢轮通过转轴相连，钢轮置于移动滑块的轨道上；卷扬机与管道一上表面通过螺栓连接与焊接并置于管道一截面中心；管道一与管道二套接，管道二与管道三套接；卷扬机的钢丝绳穿过管道一、管道二和管道三；管道三内底板上表面设置有连接件，连接件中设置有转轴，转轴连接钢丝绳，钢丝绳一端连接卷扬机的转轴，另一端连接管道三内底板上表面的转轴；
所述多自由度机器人转向系统主要由若干节转动管道通过转动关节连接组成，转动关节内设置有电机，将第一节转动管道上端的基座与管道三底部通过螺栓相连接，最后一节转动管道与圆柱套筒通过螺纹相连接，圆柱套筒内设置相连的振捣棒电机和振捣棒软管，振捣棒软管连接振捣棒；
所述减振隔振系统包括法兰盘、螺栓和减振弹簧；振捣棒穿过并卡接在法兰盘上，法兰盘与圆柱套筒通过螺栓连接，螺栓外侧安装减振弹簧。
作为优选：钢轨与模板通过螺栓连接。
作为优选：卷扬机的钢丝绳落点与管道一截面中心重合。
作为优选：管道一、管道二和管道三的上下端设置矩形法兰。
作为优选：管道一、管道二和管道三的外截面及内截面均为矩形截面，并且矩形四角均设置为倒角型。
作为优选：圆柱套筒的顶板下表面通过螺栓连接振捣棒电机，振捣棒电机、振捣棒软管与振捣棒依次相连。
作为优选：多自由度机器人转向系统中的电源线通过转动管道内部，并穿过管道三、管道二和管道一，从管道一上表面矩形口接出，与卷扬机一起接在电控箱上。
作为优选：法兰盘上布置有若干个孔洞，并在圆柱套筒下表面对应开设有若干个孔洞，螺栓穿过孔洞。
这种基于多自由度机器人的智能振捣装置的安装使用方法，包括以下步骤：
S1、智能振捣装置模板设计：根据实际闸室墙尺寸设计模板尺寸，使得模板与钢筋笼相匹配，模板边缘布置在外侧，将钢轨布置在模板上，采用螺栓使模板与钢轨相连接；
S2、三自由度行走系统设计：
S2-1、对于顺着闸室墙方向的行走系统，在施工现场对模板利用螺栓连接及焊接进行拼接，并将钢轨和模板边缘焊接，安装伺服电机，并验证两侧钢轨的水平度；
S2-2、对于垂直于闸室墙方向的行走系统，在施工现场完成管道一与滑轮的组装，并将移动滑块吊装至钢轨上，再将管道一吊装至移动滑块上；
S2-3、对于深入闸室墙方向的行走系统，在施工现场完成卷扬机与管道一的连接，并将管道逐段吊装进与之相连的前一段管道中；
S3、对于多自由度机器人转向系统，当管道完成连接后，将最后一段管道吊上最高点，在钢轨附近的操作平台上完成多自由度机器人转向系统与最后一段管道的连接，并在多自由度机器人转向系统下端安装振捣棒和减振隔振系统；
S4、连接电控箱：沿着管道内壁进行线路布置，多自由度机器人转向系统中的电源线通过转动管道内部，并依次穿过管道三、管道二和管道一，从管道一上表面矩形口接出，与卷扬机一起接在电控箱上；
S5、待智能振捣装置组装完成后，进行调试；启动伺服电机，驱使移动滑块到待振混凝土正上方，待混凝土经泵送机进入闸室墙后，启动卷扬机，使振捣棒插入混凝土，通过卷扬机控制管道的伸缩，使振捣棒到达指定振捣位置；若是遇到垂直振捣不能作用的地方，启动多自由度机器人转向系统的电机，使其旋转、变形到需要振捣的地方，再启动振捣棒电机，进行振捣；
S6、在多自由度机器人转向系统的转动管道外壁上布置位移传感器或者红外线传感器，以判断钢筋笼整体分布情况，设计智能振捣装置行走路线，并根据液态混凝土材料特性，设置相关振捣参数。
作为优选：步骤S5中，通过控制软件设置振捣间隔、振捣时间、插入深度和插入角度；在多自由度机器人转向系统上安装传感器或者摄像头，观察出浆及气泡情况，判断是否振捣密实。
本发明的有益效果是：
1)本发明采用多自由度机器人转向系统，通过控制关节的转动，来实现振捣棒的自由转动，从而实现对坞式闸室墙结构中的一些死角进行振捣，可适用于钢筋笼密度大、振捣区域不规则、高度大于10m、厚度大于30cm、工量大、工况复杂、工作环境恶劣的闸室墙。
2)本发明采用三自由度行走系统，可以实现顺着闸室墙方向、垂直于闸室墙方向、深入闸室墙方向三个方向的行走，代替工人深入不同位置进行振捣，防止工人因操作失误出现生命危险，且移动速度快，可节省工期，可适用于施工人员专业知识欠缺、工程量大、精度高的场合。
3)本发明采用三自由度行走系统和多自由度机器人转向系统，实现自动化施工，可减少施工人员数量，减少不必要的劳动量损失。并且此装备可适用于不同种结构形状的工况，利用率高，装备可被反复利用，节省成本。
附图说明
图1为基于多自由度机器人的智能振捣装置立体图；
图2为基于多自由度机器人的智能振捣装置后视图；
图3为基于多自由度机器人的智能振捣装置左视图；
图4为基于多自由度机器人的智能振捣装置主视图；
图5为基于多自由度机器人的智能振捣装置右视图；
图6为基于多自由度机器人的智能振捣装置俯视图；
图7为基于多自由度机器人的智能振捣装置仰视图；
图8为管道示意图；
图9为管道的内矩形法兰和外矩形法兰示意图；
图10为管道连接图；
图11为振捣棒示意图；
图12为三角形钢板及钢丝绳示意图；
图13为多自由度机器人转向系统示意图；
图14为减振隔振系统示意图。
附图标记说明：卷扬机1、三角形钢板2、移动滑块3、钢轨4、钢丝绳5、管道一6、管道二7、管道三8、内矩形法兰9、外矩形法兰10、圆柱套筒11、振捣棒12、法兰盘13、螺栓14、减振弹簧15。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步描述。下述实施例的说明只是用于帮助理解本发明。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
本专利主要从混凝土质量安全出发，研究复杂、大型、恶劣工况中的混凝土振捣问题，主要解决航道闸室墙振捣问题。
实施例一
本申请实施例一提供一种基于多自由度机器人的智能振捣装置，包括三自由度行走系统、多自由度机器人转向系统和减振隔振系统。
所述三自由度行走系统，三自由度是指顺着闸室墙方向、垂直于闸室墙方向、深入闸室墙方向。钢轮与管道一上顶板两侧的三角形钢板2组成转动副，钢轮与移动滑块3组成移动副，移动滑块3与钢轨4之间组成移动副，管道与管道之间组成移动副。
对于顺着闸室墙方向的行走系统，将钢轨4铺设在两侧模板边缘上，并用高强螺栓将二者连接，再将移动滑块3以移动副形式置于钢轨4上。
对于垂直于闸室墙方向的行走系统，将管道一上顶板两侧的三角形钢板2与钢轮通过转轴以转动副形式相连，再将管道一6置于移动滑块3的轨道上，管道一6与移动滑块3组成移动副。
对于深入闸室墙方向的行走系统，自上而下，将卷扬机1与管道一6上表面通过刚强螺栓连接与焊接并置于管道一截面中心，卷扬机1的钢丝绳5落点要与管道一横截面形心重合，然后管道一6再与管道二7以移动副连接，管道的上下端均设置矩形法兰，使管道与管道之间可以互相传递动力至最后一段管道(即管道三8)，最后一段管道内底板上表面设置连接件，并在连接件中设置转轴，转轴连接钢丝绳5，即钢丝绳5一端连接卷扬机1的转轴，另一端连接最后一段管道内底板上表面的转轴。
对于行走系统的动力系统，对于顺着闸室墙方向的行走系统，其动力来源为工人推动或者伺服电机驱动；对于垂直于闸室墙方向的行走系统，可利用伺服电机带动滚珠丝杠实现垂直于闸室墙方向的行走或者利用人工推行滑动；对于深入闸室墙方向的行走系统，在下降时，依靠下部结构自身重力，自由下降，当下部管道下降到阈值时，上一段管道下端的内矩形法兰9将对下一段管道上端的外矩形法兰10的下降起到停止作用。管道与管道之间的连接，都是将下一段管道放置在上一段管道的内壁中形成套接。管道伸长时，上一段管道下端的内矩形法兰9与下一段管道上端的外矩形法兰10接触，限制两管道分开；管道收缩时，下一段管道下端的外矩形法兰10与上一段管道下端的外矩形法兰10接触，限制继续收缩。
通过管道的伸缩，直到振捣棒下降到指定深度，利用卷扬机减速器进行制动。其中，在下降过程中，为防止因为管道过长导致管道与管道之间出现水平面的错位滑动，致使结构失稳，将管道外截面及内截面均做成同类型的矩形截面，并将矩形四角均做成倒角型，使得允许较大的加工误差。在上升时，卷扬机加速至匀速工作，利用钢丝绳带动最后一段管道内底板上表面的连接件，首先，最后一段管道开始上升，至最后一段管道下端的外矩形法兰与倒数第二段管道下端的外矩形法兰接触，最后一段管道给倒数第二段管道提供向上的支撑力，后续管道以此类推，直至振捣棒离开钢筋所在平面。
所述多自由度机器人转向系统主要由若干节转动管道通过转动关节连接组成，转动关节内设置电机控制转动，将第一节转动管道上端的基座与管道三8通过高强螺栓相连接，最后一节转动管道与圆柱套筒11通过螺纹相连接，圆柱套筒11内设置振捣棒电机和振捣棒软管，在圆柱套筒11的顶板下表面以螺栓连接形式布置振捣棒电机，振捣棒电机连接振捣棒软管，振捣棒软管连接振捣棒12，振捣棒为一整体，采用的是现有的振捣棒，为刚性硬管。振捣棒电源线及机器人电源线均通过转动管道内部，并穿过管道三、管道二，从管道一上表面矩形口接出，与卷扬机统一接在电控箱(即本发明的控制系统)上。振捣棒工作原理为：振捣棒软管内部及振捣棒内部均设有钢丝绳，振捣棒电机转轴带动管内钢丝绳，使其管内钢丝绳高速偏心转动，形成振动。
所述减振隔振系统包括法兰盘13、螺栓14、减振弹簧15等。振捣棒12穿过并卡接在法兰盘13上，当将振捣棒刚性硬管用人手或者相关结构固定时，便会产生振动，故钢丝绳高速偏心旋转时，除振捣棒振动外，法兰盘也会跟着振动。因此，在法兰盘13上布置四个孔洞，并在圆柱套筒11下表面开设四个孔洞，用四个螺栓14连接法兰盘13与圆柱套筒11，并在中间接触面螺杆上安装减振弹簧15。
实施例二
本申请实施例二提供一种基于多自由度机器人的智能振捣装置的安装使用方法，包括以下步骤：
S1、智能振捣装置模板设计：根据实际闸室墙尺寸设计模板尺寸，应使得模板与钢筋笼相匹配，模板边缘应布置在外侧，将钢轨4布置在模板上，采用高强螺栓使模板与钢轨4相连接。
S2、三自由度行走系统设计：
S2-1、对于顺着闸室墙方向的行走系统，在施工现场对模板利用高强螺栓连接及焊接进行拼接，并将钢轨4和模板边缘焊接，根据成本情况选择是否安装伺服电机，并验证两侧钢轨的水平度。
S2-2、对于垂直于闸室墙方向的行走系统，在施工现场完成管道一6与滑轮的组装，并将移动滑块3吊装至钢轨4上，再将管道一6吊装至移动滑块3上。
S2-3、对于深入闸室墙方向的行走系统，在施工现场完成卷扬机与管道一的连接，并将管道逐段吊装进与之相连的前一段管道中。
S3、对于多自由度机器人转向系统，当管道完成连接后，将最后一段管道吊上最高点，在钢轨4附近的操作平台上完成多自由度机器人转向系统与最后一段管道的连接，并在多自由度机器人转向系统下端安装振捣棒12和减振隔振系统。
S4、电控箱设计：因以安全性为原则，在不影响装置作业的情况下，尽量沿着管道内壁进行线路布置，尽可能选择合理路线，以减少成本，保证安全。
S5、待上述装置组装完成后，进行调试。启动钢轨伺服电机及控制滚珠丝杠的电机，驱使移动滑块3到待振混凝土正上方，待某一层混凝土经泵送机进入闸室墙后，启动卷扬机1，使振捣棒12插入混凝土，通过卷扬机控制管道的伸缩，使振捣棒到达指定振捣位置。若是结构倒角处振捣，即垂直振捣不能作用的地方，启动多自由度机器人转向系统的电机，使其旋转、变形到需要振捣的地方，再启动振捣棒电机，进行振捣，并通过整体装置控制软件，设置振捣间隔、振捣时间、插入深度、插入角度等参数，且可在多自由度机器人转向系统上安装传感器或者摄像头，观察出浆及气泡情况，判断是否振捣密实。
S6、可在多自由度机器人转向系统的转动管道外壁上布置位移传感器或者红外线传感器，以判断钢筋笼整体分布情况，若知道建筑物钢筋分布情况，对于确定好的振捣区域，可智能化编辑智能振捣装置行走路线，并根据液态混凝土材料特性，设置相关振捣参数。
本发明采用多自由度机器人转向系统，通过控制关节与关节之间的旋转，来实现振捣棒的自由转动，从而实现对坞式闸室墙结构中的一些死角进行振捣。
本发明采用三自由度行走系统，可以实现顺着闸室墙方向、垂直于闸室墙方向、深入闸室墙方向三个方向的行走，代替工人深入不同位置进行振捣，且移动速度快，可节省工期。
本发明代替工人进行施工，机器可进入十几米深闸室墙，防止工人因操作失误出现生命危险。
由于工人技术有限，振捣过程难免会出现未振捣地方，且对于每一处的振捣次数难免会出现大的偏差，而机器通过计算会科学的规划路线，防止上述情况发生。并且工人不用抱着机器来回工作，通过行走系统可实现任一位置的移动。
对于一些实际工程，如闸室墙坞式结构，其中难免会有一些边边角角，通过多自由度机器人转向系统，配合三自由度行走系统，可实现对任意位置、任意角落的振捣。
自行控制相关振捣参数，不仅仅包括对振捣频率和振幅的控制，对其他参数也可起控制作用，保证混凝土密实度及强度。
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