一种施工接驳系统及方法与流程

1.本发明涉及复合场景下建筑机器人搭载和施工装置技术领域。


背景技术：

2.目前的建造工厂进行作业加工基本上是一台机械臂固定的搭载在一个移动底盘上，二者是不可分离的。当机械臂作业时，移动底盘静止，没有移动任务进行，直到机械臂作业完成，这就造成移动底盘的运行效率低下。其次如果有多台机械臂需要进行作业，那就需要多台移动底盘来配合机械臂作业；而往往一台移动底盘的成本是比一个作业机械臂的成本高很多，这就使得工厂的生产成本非常高昂。
3.本发明着眼于以上问题，提出移动底盘和机械臂平台可分离可对接的设计思想，通过移动底盘将机械臂平台运送到指定的加工点后，移动底盘和平台进行分离，机械臂独立作业，移动底盘进行其它的调度任务；当机械臂需要移动到其它的作业点时，移动底盘受调度实现和机械臂平台的精准对接，然后将机械臂平台运送到下一个目标位置，移动底盘实现再一次分离去执行另外的输送任务。


技术实现要素：

4.本发明目的就是提供一种施工接驳系统和方法，以期低成本的实现建筑施工场地的灵活运输和作业。
5.一种施工接驳系统，包括：独立的移动底盘、独立的作业平台和独立的对接机构，执行接驳任务时，移动底盘搭载对接机构至作业平台位置，对接机构连接固定作业平台，移动底盘移送作业平台到指定的任务点位；作业平台到任务点后，对接机构与作业平台分离，移动底盘与对接机构一起开始下一个行程，或一起/分离入库。
6.进一步，所述的作业平台包括工作台、升降电缸、平台卡扣和地脚，所述的升降电缸固定于工作台上，升降电缸的伸缩杆伸出时在工作台下方；所述的地脚设于升降电缸伸缩杆的头部；所述的平台卡扣成对设于工作台下表面。
7.进一步，所述的对接机构包括底板、电动锁紧机构和导航定位系统pgv传感器，所述的电动锁紧机构和pgv传感器均固定于底板上，所述的电动锁紧机构包括对接卡扣、丝杆和电机，所述的丝杆与电机连接，所述的对接卡扣设于丝杆上随着丝杆的转动进行平移。
8.所述的平台卡扣和对接卡扣为相适应的公扣和母扣。移动底盘搭载对接机构至作业平台对接位置下方时，电动锁紧机构的对接卡扣移动到平台卡扣位置，对接机构与作业平台锁紧固定。
9.进一步，所述的作业平台：
10.其工作台包括支撑框架和盖板，所述的盖板设于支撑框架上方；更进一步，所述的支撑框架为内设十字支撑条的方形框架，在方形空间内还各设有45
°
加强条来进一步提高支撑框架的稳定性；所述盖板上设有卡扣观察孔；更进一步，所述的工作台上设有水平传感器，监控升降电缸运动过程中工作台的水平。
11.其升降电缸有三个以上，设于工作台的边角；更进一步，所述的升降电缸为四个，分别设于支撑框架的四角；所述的升降电缸为65直线折返缸体，行程500mm，采用低压伺服电机驱动。
12.其平台卡扣有2对以上，分别设于工作台下表面的周边区域；每对平台卡扣分设于相对的两个周边区域；更进一步，所述的平台卡扣为2对，固定于支撑框架内设的十字支撑条上。所述的平台卡扣均为母扣，母扣上开有3-5
°
的坡口，与配套对接机构上的公扣配合，以实现pgv定位后毫米级误差的旋转平移归位。
13.其地脚数量同升降电缸的数量，地脚与升降电缸的伸缩杆末端通过万向脚杯连接。
14.进一步，在作业平台的工作台的下表面设置定位二维码，引导移动底盘进行定位标定，对移动底盘与工作台之间相对位置进行校准。
15.机械臂被安置在作业平台上，通过升降电缸的伸缩从而达到同一个移动底盘在不同承接用作业平台上的机械臂间接驳的目的。
16.进一步，所述的对接机构：
17.其底板包括底板本体、侧板和加固板，所述的侧板均为独立的侧壁，彼此不连接；所述的加固板的两端以45
°
角连接相邻的两面侧板。更进一步，所述的侧板为外壁有凹槽的型材。
18.其电动锁紧机构还包括锥齿轮和联轴器，所述的卡扣有四个，分别为第一卡扣、第二卡扣、第三卡扣和第四卡扣；所述的丝杆有四个，分别为第一丝杆、第二丝杆、第三丝杆和第四丝杆；所述的锥齿轮有三个，分别为第一锥齿轮、第二锥齿轮和第三锥齿轮；所述的第一丝杆与电机连接，第一卡扣设于第一丝杆上随着第一丝杆的转动进行平移；所述的第二丝杆通过联轴器与第一丝杆连接，第二丝杆上设有第一锥齿轮，第二卡扣设于第二丝杆的另一端；所述的第三丝杆与第二锥齿轮连接，第三卡扣设于第三丝杆的另一端；所述的第四丝杆与第三锥齿轮连接，第四卡扣设于第四丝杆的另一端；所述的第一锥齿轮分别与第二锥齿轮和第三锥齿轮啮合连接，所述的第一卡扣、第二卡扣、第三卡扣和第四卡扣分布在四个不同的方位。
19.其对接卡扣均为公扣，沿丝杆方向前后滑动，实现与上载平台母扣的有容差对接。更进一步，所述的公扣上设有3-5
°
的坡面，与上载平台上的母扣坡度相适应，以实现pgv定位后毫米级误差的旋转平移归位。
20.其底板上设有标准螺孔和松不脱螺钉。
21.其导航定位系统pgv传感器，用于检测对接工作平台下的二维码来进行定位，检测完后会通过调节移动底盘从而保证xy坐标和ω角坐标，保证中心点的对应，保证区域内各个点位置的吻合。
22.进一步，所述的对接机构，还包括盖板，通过梯形螺母卡在侧板的型材槽口中与螺栓一起进行固定。更进一步，所述的盖板设有卡扣观察窗。
23.进一步，所述的移动底盘，包括盖板、安装板、底部框架、舵轮驱动机构和外部传感器组件，所述的外部传感器组件包括激光雷达，设于安装板外沿，用于扫描获取二维空间的点阵数据；所述的舵轮驱动机构有四个，分别设于底部框架的四角；所述的安装板设于底部框架的侧板上，所述的盖板设于安装板上方。
24.更进一步，所述的移动底盘：
25.其舵轮驱动机构包括转向大齿轮，转向小齿轮，舵轮轮子，转向电机、驱动电机、固定架和2个电机驱动器，所述的舵轮轮子设于固定架内，所述的转向大齿轮设于固定架上，转向大齿轮与舵轮轮子呈垂直状态，所述的转向电机与转向小齿轮连接，转向小齿轮与转向大齿轮啮合连接，驱动电机与舵轮轮子连接，2个电机驱动器分别与转向电机和驱动电机连接，控制转向电机和驱动电机的工作，实现一个舵轮机构独立在x轴和y轴的自由旋转。
26.其舵轮驱动机构中转向电机和驱动电机选择48v，且功率分别为0.2kw和0.4kw以上的电机，给底盘提供足够的动力。舵轮轮子403直径250mm以上。综合设计底盘运动线速度可达2.0m/s，角速度可达4.0rad/s，运动性能较为优越，以满足建筑环境中的越障和精确定位能力。
27.所述的四个舵轮驱动机构，共采用8个电机驱动器进行驱动，且分别独立控制4个舵轮的x轴和y轴旋转，进而实现底盘全方位移动。四驱独立控制既可以在即使一个轮子处于悬空状态时提供足够的动力继续工作，而且还可以实现底盘的原地旋转。更进一步，在转向电机和驱动电机内均配有编码器，它可以通过测量电机轴的旋转角度进而反馈实际移动信息，协助实现底盘的精确定位。
28.其激光雷达设有两个以上，分别设于安装板上同一对角线两端的位置。更进一步，在激光雷达的上下方均设置防尘挡板，在保证其稳定运行的同时不干扰其工作定位的准确性。
29.其外部传感器组件还包括防撞条，所述的防撞条设于安装板的外围，主要用于碰撞急停以防止意外事故的发生。
30.其底部框架，包括底板、舵轮平台、隔板、和侧板，所述的舵轮平台设于底板的前后两端，用于设置4个舵轮驱动机构；所述的隔板设于底部框架内，用于分割固定在底板上的工作元器件，进而保护和隔离必要的工作元件，增强底盘的工作稳定性；所述的侧壁用于支撑和连接安装板。更进一步，所述的舵轮平台内设有个转盘，舵轮驱动机构的固定架与对应位置的转盘固定连接，舵轮驱动机构即通过舵轮平台设于底部框架的四角，保证了底盘的自由旋转和行走。
31.其安装板上设有电路板，接触器，降压模块、空气开关和接线端口，接触器用于防止启动电流冲击，保证电流通畅；降压模块共有两个，用于将48v电池电压降为24v和12v电压，给不同电子原件供电；空气开关，用于保护电路在电路过载时自动切断电路。
32.其底部框架内设有电池、工控机、陀螺仪、软路由器、摄像头和相机固定板，电池为整个底盘提供动力源，工控机用于收集处理各个传感器的数据和进一步的指令下达；陀螺仪用于测定负载的机器人的移动角度，协助反馈位置实时信息；软路由器可实时将指令下载到工控机中对移动底盘进行人为远程操控。摄像头在对接入库时起精确识别和定位作用。所述的工控机用于收集激光雷达组件、摄像头、陀螺仪以及舵轮电机内编码器的数据。所述的摄像头固定板为可拆卸的检修窗口，方便检修。
33.其盖板上设有可拆卸窗口和螺栓孔，所述的可拆卸窗口用于检修和用作安装对接模块后的上下通信及接线的通道。
34.一种施工接驳方法，采用本专利提供的施工接驳系统，需要执行接驳任务时，移动底盘搭载对接机构至作业平台位置，对接机构连接固定作业平台，移动底盘移送作业平台
到指定的任务点位；在作业平台到任务点后，对接机构与作业平台分离，移动底盘与对接机构一起开始下一个行程，或一起/分离入库。
35.本发明的有益效果：
36.假设在一个场景内，若干个平台搭载若干机械臂，在固定完成后，移动底盘驱动平台与机械臂一起到达任务位置，然后移动底盘脱离平台后即进行下一个接驳工作。这样，在同一个空间下仅需一台移动底盘即可配合平台接驳机械臂完成工作，在减少移动底盘数量的同时也起到了减少空间使用的需求，极大降低了成本。
37.本发明提供的接驳系统和方法，即可实现该目标，当作业平台即位后，对接装置可自行脱离平台，随着移动底盘一起离开进行下一个接驳工作，即到另外的地点连接固定另外的平台进行移送工作。
38.本发明的接驳系统能实现标准化独立生产和作业；同时节约了接驳时间，大幅降低了综合产品成本，提高了生产效率。
39.下面结合附图对本发明的具体实施方式举例说明：
附图说明
40.图1是实施例提供的作业平台整体结构示意图之一。
41.图2是实施例提供的作业平台分离盖板和支撑框架的结构示意图。
42.图3是实施例提供的作业平台支撑框架的结构示意图。
43.图4是实施例提供的作业平台整体结构示意图之二。
44.图5是实施例提供的对接机构整体结构示意图之一。
45.图6是实施例提供的对接机构盖板分离后的结构示意图。
46.图7是实施例提供的对接机构去掉盖板后的俯视平面图之一。
47.图8是实施例提供的对接机构的电动锁紧机构局部放大图。
48.图9是实施例提供的对接机构去掉盖板后的俯视平面图之二。
49.图10是实施例提供的对接机构与作业平台对接卡扣局部放大图。
50.图11是实施例提供的对接机构与作业平台对接位置确定后均去掉盖板的俯视图。
51.图12是实施例提供的对接机构与作业平台(均去掉盖板)卡扣锁定状态示意图。
52.图13是实施例提供的对接机构与作业平台整体对接过程示意图。
53.图14是实施例提供的移动底盘整体结构示意图。
54.图15是实施例提供的移动底盘整体结构爆炸图。
55.图16是实施例提供的移动底盘安装板2层内部布局图。
56.图17是实施例提供的移动底盘底部框架3结构图。
57.图18是实施例提供的移动底盘底部框架3层内部布局图。
58.图19是实施例提供的移动底盘外部传感器组件示意图。
59.图20是实施例提供的移动底盘舵轮驱动机构示意图。
60.图21是实施例提供的移动底盘盖板结构示意图。
具体实施方式
61.此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本专利的技术方案，而非对公开技术方案
的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本公开技术方案相关的部分而非全部结构。
62.在更加详细地讨论示例性实施例之前应当提到的是，实施例中提到的设备部件和/模块本身的结构如果没有详细说明，为本领域技术人员根据现有公开技术可理解或市售产品。
63.如图1-4所示，本发明实施例提供的作业平台，包括工作台1、升降电缸2、平台卡扣3和地脚4，所述的升降电缸2固定于工作台1上，升降电缸2的伸缩杆伸出时在工作台下方；所述的地脚4设于升降电缸2伸缩杆的头部；所述的平台卡扣3成对设于工作台1下表面；所述的工作台1包括支撑框架101和盖板102，所述的盖板102设于支撑框架101上方，所述的支撑框架101为内设十字支撑条的方形框架，在方形空间内还各设有45
°
加强条来进一步提高支撑框架的稳定性；所述盖板102上设有卡扣观察孔。
64.优选的所述的升降电缸2有三个以上，设于工作台1的边角。如图2所示，所述的升降电缸2为四个，分别设于支撑框架101的四角。为适应建筑用机械臂施工，所述的升降电缸2选用65缸型号：11217-1 65-500，48v400w直流伺服电机驱动，减速比1：10。
65.进一步优选的方案之一，在所属的工作台上载有电子水平传感器sca128t，保证电缸运动过程中工作台水平在
±
0.1
°
以内。
66.如图3所示，所述的平台卡扣3为2对，固定于支撑框架101内设的十字支撑条上，所述的平台卡扣3均为母扣。在母扣上开有3-5
°
的坡口，与另外配套对接的自调装置公扣配合，以实现pgv定位后毫米级误差的旋转平移归位。
67.所述的平台卡扣3一般设置2对以上即可，每对卡扣分设于相对的两个周边区域。每只平台卡扣分别设于工作台1下表面的周边区域。
68.所述的地脚4数量同升降电缸2的数量，地脚4通过螺纹固定万向脚杯连接于升降电缸2的伸缩杆末端。
69.进一步，在工作台1的下表面设置定位二维码，引导移动底盘进行标定，对移动底盘与工作台之间相对位置进行校准。
70.机械臂或其他施工设备被安置在作业平台上，通过升降电缸的伸缩从而达到同一个移动底盘在不同机械臂或设备间接驳的目的。
71.如图5-7所示，本发明实施例提供的对接机构，包括底板5、电动锁紧机构6、导航定位系统pgv传感器7和盖板8，所述的电动锁紧机构6和导航定位系统pgv传感器7均固定于底板5上，所述的电动锁紧机构6包括对接卡扣601、丝杆602和电机603，所述的丝杆602与电机603连接，所述的对接卡扣601设于丝杆602上随着丝杆的转动进行平移。
72.所述的底板5包括底板本体501、侧板502和加固板503，所述的侧板502均为独立的侧壁，彼此不连接；所述的加固板503的两端以45
°
角连接相邻的两面侧板。
73.所述的侧板502为外壁有凹槽的型材；所述的盖板8，通过梯形螺母卡在侧板502的型材槽口中与螺栓一起进行固定。盖板8设有卡扣观察窗。
74.所述的电动锁紧机构6优选的方案之一是，如图8和图9所示，还包括锥齿轮604和联轴器605，所述的对接卡扣601有四个，分别为第一卡扣601a、第二卡扣601b、第三卡扣601c和第四卡扣601d组成；所述的丝杆602有四个，分别为第一丝杆602a、第二丝杆602b、第三丝杆602c和第四丝杆602d；所述的锥齿轮604有三个，分别为第一锥齿轮604a、第二锥齿
轮604b和第三锥齿轮604c；所述的第一丝杆602a与电机603连接，第一卡扣601a设于第一丝杆602a上随着第一丝杆601a的转动进行平移；所述的第二丝杆602b通过联轴器605与第一丝杆602a连接，第二丝杆602b上设有第一锥齿轮604a，第二卡扣601b设于第二丝杆602b的另一端；所述的第三丝杆602c与第二锥齿轮604b连接，第三卡扣601c设于第三丝杆602c的另一端；所述的第四丝杆602d与第三锥齿轮604c连接，第四卡扣601d设于第四丝杆602d的另一端；所述的第一锥齿轮604a分别与第二锥齿轮604b和第三锥齿轮604c啮合连接，所述的第一卡扣601a、第二卡扣601b、第三卡扣601c和第四卡扣601d分布在四个不同的方位。所述的对接卡扣601为公扣。
75.电动锁紧机构上四个对接卡扣分别与相对应的丝杆连接，由一台电机进行连锁控制。电机通过皮带轮控制第一丝杆旋转，第一丝杆与第二丝杆通过联轴器固连，再通过三个方向上顺序啮合的锥齿轮控制第三丝杆和第四丝杆同时旋转，进而推动四个卡扣移动连锁。
76.优选的，所述的对接卡扣601上设有3-5
°
的坡面，与上载平台上的母扣坡度相适应，以实现pgv定位后毫米级误差的旋转平移归位。
77.对接机构的底板上设有标准螺孔和松不脱螺钉，用于与移动底盘的上盖连接固定。
78.如图14和图19所示，本发明实施例提供的移动底盘，包括盖板9、安装板10、底部框架11、舵轮驱动机构12和外部传感器组件13，所述的外部传感器组件13包括激光雷达1301，设于安装板10外沿，用于扫描获取二维空间的点阵数据建立地图方便导航；所述的舵轮驱动机构12有四个，分别设于底部框架11的四角；所述的安装板10设于底部框架11的侧板上，所述的盖板9设于安装板10上方，盖板9、安装板10以及底部框架11通过沉头螺栓固定为一个整体。
79.所述的舵轮驱动机构12，优选的方案之一，如图20所示，包括转向大齿轮1201，转向小齿轮1202，舵轮轮子1203，转向电机1204、驱动电机1205、固定架1206和2个电机驱动器1207，所述的舵轮轮子1203设于固定架1206内，所述的转向大齿轮1201设于固定架1206上，转向大齿轮1201与舵轮轮子1203呈垂直状态，所述的转向电机1204与转向小齿轮1202连接，转向小齿轮1202与转向大齿轮1201啮合连接，驱动电机1205与舵轮轮子1203连接，2个电机驱动器1207分别与转向电机1204和驱动电机1205连接，控制转向电机1204和驱动电机1205的工作，实现一个舵轮机构独立在x轴和y轴的自由旋转。
80.四个舵轮驱动机构12，共采用8个电机驱动器1207进行驱动，且分别独立控制4个舵轮的x轴和y轴旋转，进而实现底盘全方位移动。四驱独立控制既可以在即使一个轮子处于悬空状态时提供足够的动力继续工作，而且还可以实现底盘的原地旋转。更进一步，在转向电机1203和驱动电机1205内均配有编码器，它可以通过测量电机轴的旋转角度进而反馈实际移动信息，协助实现底盘的精确定位。
81.进一步，所述的舵轮驱动机构12中转向电机1204和驱动电机1205选择48v，且功率分别为0.2kw和0.4kw以上的电机，给底盘提供足够的动力。舵轮轮子1203直径250mm以上。综合设计底盘运动线速度可达2.0m/s，角速度可达4.0rad/s，运动性能较为优越，以满足建筑环境中的越障和精确定位能力。
82.优选的，如图19所示，所述的激光雷达1301设有两个以上，分别设于安装板10上同
一对角线两端的位置。更进一步优选的，在激光雷达1301的上下方均设置防尘挡板，在保证其稳定运行的同时不干扰其工作定位的准确性。所述的外部传感器组件13还包括防撞条1302，所述的防撞条1302设于安装板10的外围，主要用于碰撞急停以防止意外事故的发生。
83.所述的底部框架11，优选的实施方案之一，如图15和图17所示，包括底板1101、舵轮平台1102、隔板1103、和侧板1104，所述的舵轮平台1102设于底板1101的前后两端，用于设置4个舵轮驱动机构12；所述的隔板1103设于底部框架11内，用于分割固定在底板1101上的工作元器件，进而保护和隔离必要的工作元件，增强底盘的工作稳定性；所述的侧壁1104用于支撑和连接安装板10。
84.进一步优选的实施方案之一，如图17、图18和图20所示，所述的舵轮平台1102内设有4个转盘，舵轮驱动机构12的固定架1206与对应位置的转盘固定连接，舵轮驱动机构12即通过舵轮平台1102设于底部框架11的四角，保证了底盘的自由旋转和行走。
85.优选的，如图16所示，所述的安装板10上设有电路板14，接触器15，降压模块16、空气开关17和接线端口18，接触器15用于防止启动电流冲击，保证电流通畅；降压模块16共有两个，用于将48v电池电压降为24v和12v电压，给不同电子原件供电；空气开关17，用于保护电路在电路过载时自动切断电路。所有电子元件均采用螺栓固定于硬件安装板之上，以汇集内部电路。
86.优选的，如图17和图18所示，所述的底部框架11内设有电池19、工控机20、陀螺仪21、软路由器22、摄像头23和相机固定板1105，电池19为整个底盘提供动力源，工控机20用于收集处理各个传感器的数据和进一步的指令下达；陀螺仪21用于测定负载的机器人的移动角度，协助反馈位置实时信息；软路由器22可实时将指令下载到1202工控机中对移动底盘进行人为远程操控。摄像头23在对接入库时起精确识别和定位作用。所述的工控机20用于收集激光雷达组件13、摄像头23、陀螺仪21以及舵轮电机内编码器的数据。
87.优选的，如图21所示，所述的盖板9上设有可拆卸窗口902和螺栓孔，所述的可拆卸窗口902用于检修和用作安装对接模块后的上下通信及接线的通道。
88.进一步，所述的摄像头固定板1105为可拆卸的检修窗口，方便检修。
89.本发明提供的施工接驳系统，包括实施例提供的任一种独立的移动底盘、独立的作业平台和独立的对接机构，执行接驳任务时，移动底盘搭载对接机构，对接机构连接固定作业平台；作业平台到达任务点后，对接机构与作业平台分离，移动底盘与对接机构一起离开，或一起/分离入库。
90.本发明提供的作业平台承载机械臂在任务点施工，还可驱动电缸自行调整机械臂的工作高度。
91.使用时的工作流程：
92.对接前,作业平台的四个升降电缸伸出着地，构成一个矩形的空间，第一个目标就是驱动移动底盘进入到这个矩形的空间中,并且要让移动底盘的中心和这个矩形的空间的中心的偏差e在一定的阈值内,一般在3cm左右；然后利用平台上的pgv二维码和移动底盘上的pgv传感器进行微调,直到将e调整到1cm之内；当对接机构和工作平台位置吻合后，这时电缸升起,平台下降,将平台降落到对接机构上，对接装置上的卡扣在电机驱动下将会移动，卡住每个与之相对应的工作平台上的母卡扣，从而连接作业平台与移动底盘。
93.对接成功后,移动底盘移动到某任务加工点，然后卡扣脱开，电缸下降，平台重新
升起，移动底盘从矩形空间中移动出来,称之为完成一次接驳任务。
94.本发明的接驳系统各装置能实现标准化独立与组合生产和作业，节约了底盘时间，进而大幅降低了综合产品成本。
95.以上是对本发明的较佳实施进行了举例说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本技术权利要求所限定的范围内。