隧道钢拱架安装机械手和机械手工作平台的制作方法

本实用新型涉及隧道机械技术领域，更具体地说，涉及一种隧道钢拱架安装机械手。此外，本实用新型还涉及一种包括上述隧道钢拱架安装机械手的机械手工作平台。

背景技术：

近些年来，为了适应我国社会经济的飞速发展，交通基础建设领域也发展快速，铁路网和公路建设工程也发挥重要作用。

但现阶段，国内还有很多地方在进行人工钢拱架安装，劳动强度大，安全性低，效率低等问题一直困扰着施工团队。在发达国家和国内部分施工现场，钢拱架安装已经基本实现了机械化，拥有专门用于钢拱架安装的机械手设备，但这些机械设备通常具有以下缺点：这些设备上的机械手无法直接从地上直接抓取钢拱架，通常需要人工将拱架搬运到机械手上，再通过机械手进行位置移动。

综上所述，如何提供一种便于进行拾取和搬运的机械手装置，是目前本领域技术人员亟待解决的问题。

技术实现要素：

有鉴于此，本实用新型的目的是提供一种隧道钢拱架安装机械手，该隧道钢拱架安装机械手能够便于对拱架进行拾取和搬运，为拱架的安装操作提供方便。

本实用新型的另一目的是提供一种包括上述隧道钢拱架安装机械手的机械手工作平台。

为了实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：

一种隧道钢拱架安装机械手，包括：

支撑座，用于连接工作平台主体；

用于绕所述支撑座转动的转动装置，所述转动装置设于所述支撑座上；

用于实现角度变化的角度调节伸缩臂，所述角度调节伸缩臂设于所述转动装置的转动端上；

具有铲形端部的抓手，所述抓手的第一点铰接于所述角度调节伸缩臂的自由端，且所述抓手的第二点与所述角度调节伸缩臂通过可控制的伸缩装置连接。

优选的，所述角度调节伸缩臂包括：

连杆机构；

用于带动所述连杆机构绕所述转动装置前后转动的机械手臂翻转油缸，所述连杆机构的第一连杆的第一端与所述转动装置铰接，所述第一连杆的第二端与第二连杆铰接，所述第二连杆铰接第三连杆的第一端，所述第三连杆的第二端铰接所述转动装置，所述机械手臂翻转油缸的两端分别铰接所述第三连杆和所述转动装置；

伸缩筒结构，其一端铰接于所述第一连杆，另一端铰接于所述抓手，且所述伸缩筒结构设有用于控制其绕所述连杆机构转动的第一伸缩动力装置，和控制所述抓手绕所述伸缩筒结构转动的第二伸缩动力装置；

所述连杆机构的前后转动的转动平面与所述伸缩筒结构的转动平面垂直。

优选的，所述抓手包括抓手焊件，所述抓手焊件铰接抓手体，所述抓手体的自由端设有用于与所述抓手焊件配合夹持拱架的钳口，所述抓手焊件上设有用于控制所述抓手体转动的夹紧油缸。

优选的，所述抓手焊件通过第一销轴铰接抓手体，所述抓手焊件上设有用于限制所述第一销轴转动范围的卡板。

优选的，所述夹紧油缸通过销轴连接所述抓手焊件。

优选的，所述伸缩筒结构包括外伸缩筒和可伸缩的套于所述外伸缩筒中的内伸缩筒；

所述外伸缩筒铰接所述抓手，所述内伸缩筒铰接所述连杆机构；

所述第一伸缩动力装置的可伸缩的两端分别连接所述内伸缩筒和所述连杆机构，所述第二伸缩动力装置的伸缩方向的两端分别连接所述外伸缩筒和所述抓手；所述第一伸缩动力装置的运动平面和所述第二伸缩动力装置的运动平面相互垂直。

优选的，所述转动装置包括：

底座，所述机械手臂翻转油缸和所述第一连杆均连接于所述底座上；所述底座上设有工控台；

回转式减速器，所述回转式减速器的主体连接所述支撑座，所述回转式减速器的输出端连接所述底座。

优选的，所述第一伸缩动力装置为变幅油缸，所述第二伸缩动力装置为浮动油缸。

一种机械手工作平台，包括工作平台主体，还包括上述任一项所述的隧道钢拱架安装机械手，所述隧道钢拱架安装机械手的个数至少为三个，所述隧道钢拱架安装机械手之间具有预设放置角度。

优选的，位于两侧的所述隧道钢拱架安装机械手均设有两个所述抓手，同一个所述隧道钢拱架安装机械手上的所述抓手并列设置。

上述结构中，安装在支撑座上的转动装置能够实现在平面内的转动，安装在转动装置上的角度调节伸缩臂能够实现其上设置的抓手的伸缩，同时还能够控制抓手相对于角度调节伸缩臂的转动。在实际使用中，可以通过控制转动装置实现机械手的角度调节，并实现抓手的角度变化，由于抓手为具有铲形端部的结构，通过控制转动装置和角度调节伸缩臂后能够实现对抓手的多个角度的调节和空间位置的调节，可以控制抓手的铲形端部将拱架从地面铲起，并通过控制机械手转动的方式，将机械手的铲形端部竖起，由于拱架通常为弧形架体，而当将其中部铲起，并进行旋转和提升后，拱架中部即可以实现竖直摆正，以便实现拱架的抓取工作，采用这种方式进行拱架的拾取工作，能够解决拾取工作效率低的问题，并保证过程的稳定性，避免增加人力投入。

本申请提供了一种隧道钢拱架安装机械手，通过具有铲形端部的抓手将拱架由地面铲起，再通过转动装置、角度调节伸缩臂控制抓手的转动和升降，使钢拱架安装台车可以直接从地面抓取钢拱架，平稳高效地运送到预订位置进行安装，无需人工辅助即可自动完成一系列动作实现钢拱架自动抓取和运送，解决施工效率低的问题。

本申请还提供了一种包括上述隧道钢拱架安装机械手的机械手工作平台，机械手工作平台包括至少三个上述隧道钢拱架安装机械手，用于相互配合进行钢拱架的拾取和搬运工作。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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实用新型的实施例，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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本实用新型提供的隧道钢拱架安装机械手的结构示意图；

图2为机械手的主体结构的正视图；

图3为机械手的主体结构的侧视图；

图4为中部机械手的抓手的正视图；

图5为中部机械手的抓手的侧视图；

图6为左右机械手的抓手的正视图；

图7为左右机械手的抓手的侧视图；

图8为底座、回转式减速器、支撑座的组合结构的正视图；

图9为底座、回转式减速器、支撑座的组合结构的侧视图；

图10为本实用新型提供的一种隧道钢拱架安装机械手在工作过程中的具体实施的正视图；

图11为工作过程中的俯视图。

图1-11中：

1-机械手臂翻转油缸、2-底座、3-支撑座、4-回转式减速器、5-抓手、 6-外伸缩筒、7-内伸缩筒、8-第一连杆、9-第二连杆、10-第三连杆、11-变幅油缸、12-浮动油缸；

101-第一铰接销轴、102-第二铰接销轴、103-第三铰接销轴、104-第四铰接销轴、105-第五铰接销轴、106-第六铰接销轴、107-第七铰接销轴、108- 第八铰接销轴、109-第九铰接销轴、110-第十铰接销轴、111-第十一铰接销轴、112-第十二铰接销轴、113-第十三铰接销轴；

201-夹紧油缸、202-第一销轴，203-抓手体、204-钳口，205-第二销轴、 206-抓手焊件、207-第三销轴、208-卡板；

301-左右机械手的抓手与支撑油缸铰接销轴、302-左右机械手抓手焊件；

401-底座铰接销轴、402-电气罩、403-机械臂与支撑架铰接销轴；

C-抓手与钢拱架整体的重心、D-钢拱架与地面的接触点、O-抓手与外伸缩筒铰接点、x-水平坐标轴、y-竖直坐标轴、G-抓手与钢拱架整体重力、 F1-O点处销轴对抓手的作用力、F2-地面对钢拱架的作用力、a-重力G到原点O的距离。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

本实用新型的核心是提供一种隧道钢拱架安装机械手，该隧道钢拱架安装机械手能够便于对拱架进行拾取和搬运，为拱架的安装操作提供方便。

本实用新型的另一核心是提供一种包括上述隧道钢拱架安装机械手的机械手工作平台。

请参考图1至图11，本申请提供的一种隧道钢拱架安装机械手，以下简称机械手，主要用于隧道内拱架的安装过程中对拱架的拾取和搬运，在结构上主要包括：支撑座3、转动装置、角度调节伸缩臂和抓手5。

其中，支撑座3作为机械手的支撑机构，主要用于连接工作平台主体，以便将机械手设于工作平台上。

转动装置设于支撑座3上，用于可控制的绕支撑座3进行转动。需要说明的是，上述转动主要指在水平面内的平面转动，当然也可以是竖直平面、其他平面或空间内的任意转动，本申请并不限制上述转动装置的转动范围。

角度调节伸缩臂设置于转动装置上，具体地，设置在转动装置的转动端上，即转动装置的转动能够带动角度调节伸缩臂的整体进行转动。角度调节伸缩臂上设有抓手5，角度调节伸缩臂可以为现有技术中常见的机械臂，自身能够实现角度的改变，因此能够用于实现抓手5的空间角度变化。可选的，上述角度调节伸缩臂可以为具有伸缩功能和角度调节功能的机械臂，或者为具有多自由度的机械臂。

上述抓手5为机械手中的重要结构，其具有铲形的尖端，抓手5的第一点铰接于角度调节伸缩臂的自由端，且抓手5的第二点与角度调节伸缩臂通过可控制的伸缩装置连接。抓手5铰接与角度调节伸缩臂，同时二者还通过伸缩装置连接，以便通过伸缩装置的伸缩调整，实现抓手5绕角度调节伸缩臂的转动。

由以上结构可以知道，安装在支撑座3上的转动装置能够实现在平面内的转动，安装在转动装置上的角度调节伸缩臂能够实现其上设置的抓手5 的伸缩，同时还能够控制抓手5相对于角度调节伸缩臂的转动。在实际使用中，可以通过控制转动装置实现机械手的角度调节，并实现抓手5的角度变化，由于抓手5为具有铲形端部的结构，通过控制转动装置和角度调节伸缩臂后能够实现对抓手5的多个角度的调节和空间位置的调节，可以控制抓手5的铲形端部将拱架从地面铲起，并通过控制机械手转动的方式，将机械手的铲形端部竖起，由于拱架通常为弧形架体，而当将其中部铲起，并进行旋转和提升后，拱架中部即可以实现竖直摆正，以便实现拱架的抓取工作，采用这种方式进行拱架的拾取工作，能够解决拾取工作效率低的问题，并保证过程的稳定性，避免增加人力投入。

本申请提供了一种隧道钢拱架安装机械手，通过具有铲形端部的抓手5 将拱架由地面铲起，再通过转动装置、角度调节伸缩臂控制抓手5的转动和升降，使钢拱架安装台车可以直接从地面抓取钢拱架，平稳高效地运送到预订位置进行安装，无需人工辅助即可自动完成一系列动作实现钢拱架自动抓取和运送，解决施工效率低的问题。

在上述实施例的基础之上，角度调节伸缩臂主要包括以下结构：连杆机构、机械手臂翻转油缸1和伸缩筒结构。

其中，机械手臂翻转油缸1为普通油缸，主要用于带动连杆机构绕转动装置的前后转动，需要说明的是，此处的前后转动并不局限于某个绝对方向，而是指一个可以进行转动的平面，即空间坐标内的一个平面，可以指附图中所提供的视角的前后方向上的平面，或者是任意视角的前后转动，可以根据实际使用中的进行调整，本申请并不限定平面的具体形式。

连杆机构包括若干个连杆，通常可以选用四连杆机构，连杆机构的第一连杆8的第一端与转动装置铰接，第一连杆8的第二端与第二连杆9铰接，第二连杆9铰接第三连杆10的第一端，第三连杆10的第二端铰接转动装置，机械手臂翻转油缸1的两端分别铰接第三连杆10和转动装置。以上可以看作为四连杆机构，通过机械手臂翻转油缸1驱动第三连杆10相对于转动装置进行转动，从而实现第一连杆8的平面转动。

伸缩筒结构的一端铰接于第一连杆8，另一端铰接于抓手5，且伸缩筒结构设有用于控制其绕连杆机构转动的第一伸缩动力装置，和控制抓手5 绕伸缩筒结构转动的第二伸缩动力装置。

伸缩筒结构为具有动力输出的动力结构，通过动力实现筒体的伸缩，在伸缩筒结构的上连接第一伸缩动力装置，第一伸缩动力装置铰接连杆机构，第一伸缩动力装置可以为油缸，通过自身伸缩控制伸缩筒结构绕连杆机构转动。伸缩筒结构为还设有铰接抓手5以及用于驱动抓手5转动的第二伸缩动力装置，第二伸缩动力装置铰接抓手续5和伸缩筒结构的主体，通过自身伸缩，控制抓手5的转动。

需要说明的是，连杆机构的前后转动的转动平面与伸缩筒结构的转动平面垂直。由于连杆机构的转动平面与伸缩筒结构的转动平面并不共面，因此二者的转动并不是共面的，可以通过两种转动实现抓手5在空间内任意位置和角度的转动。

可选的，上述连杆机构和伸缩筒结构的位置可以互换，即转动装置连接伸缩筒结构，伸缩筒结构连接连杆机构，连杆机构连接抓手5，由于提供不同的转动自由的结构均为独立操作，因此，二者的位置可以互换，均能够保证抓手5的转动空间和角度。

在上述实施例的基础之上，抓手5包括抓手焊件206，抓手焊件206铰接抓手体203，抓手体203的自由端设有用于与抓手焊件206配合夹持拱架的钳口204，抓手焊件206上设有用于控制抓手体203转动的夹紧油缸201。

需要说明的是，抓手焊件206即为具有铲形端部的结构，抓手焊件206 与抓手体203合作抓取拱架，且抓手体203上设有钳口204。夹紧油缸201 的两端分别铰接抓手焊件206和抓手体203，从而实现控制抓手体203绕抓手焊件206的转动。

本实施例中，通过具有铲形端部的抓手焊件206可以将拱架铲起，然后通过夹紧油缸201驱动抓手体203的转动，以便与抓手焊件206将拱架夹取。

可选的，上述抓手的具体结构中，还可以通过其他动力结构实现抓取。

在上述实施例的基础之上，抓手焊件206通过第一销轴202铰接抓手体203，抓手焊件206上设有用于限制第一销轴202转动范围的卡板208。

本申请中多处通过铰接实现连接，均可以通过销轴连接的方式实现。当然，也可以采用现有技术中其他方式实现。

可选的，夹紧油缸201通过销轴连接抓手焊件206。

在上述任意一个实施例的基础之上，伸缩筒结构包括外伸缩筒6和可伸缩的套于外伸缩筒6中的内伸缩筒7。

外伸缩筒6铰接抓手5，内伸缩筒7铰接连杆机构。

第一伸缩动力装置的可伸缩的两端分别连接内伸缩筒7和连杆机构，第二伸缩动力装置的伸缩方向的两端分别连接外伸缩筒6和抓手5；第一伸缩动力装置的运动平面和第二伸缩动力装置的运动平面相互垂直。

需要说明的是，伸缩筒结构中可以通过油缸、气缸或其他方式实现外伸缩筒7和内伸缩筒6的伸缩控制，其中，外伸缩筒7和内伸缩筒6可以为内外嵌套结构，也可以为平行的结构，二者需要能够进行相对或相背离的运动，以便实现伸缩筒结构的伸缩移动。

两个伸缩筒分别连接抓手5和连杆机构，伸缩筒结构作为连接抓手5 和连杆机构。

在上述任意实施例的基础之上，转动装置具体可以包括底座2、回转式减速器4和工控台等。

请参考附图1，其中，机械手臂翻转油缸1和第一连杆8均连接于底座 2上，底座2上设有工控台；也就是说，底座2是以上各部分的安装底座，而为了实现上述结构的旋转运动，将底座2设置在回转式减速器4上，回转式减速器4的主体连接支撑座3，回转式减速器4的输出端连接底座2。

在上述任意一个实施例的基础之上，第一伸缩动力装置为变幅油缸11，第二伸缩动力装置为浮动油缸12。上述两种油缸的端部均需要铰接连接其他部分，以便推动流畅性。

可选的，上述伸缩动力装置也可以为其他类型的动力装置。

在本实用新型所提供的一个具体实施例中，一种隧道钢拱架安装机械手，包括机械手臂翻转油缸1、底座2、支撑座3、回转式减速器4、抓手5、外伸缩筒6、内伸缩筒7、第一连杆8、第二连杆9、第三连杆10、变幅油缸11和浮动油缸12。

回转式减速器4通过螺母螺栓分别和支撑座3、底座2连接在一起；第二连杆9通过销轴实现与第一连杆8、第二连杆9的铰接。

内伸缩筒7通过销轴铰接在第一连杆8上，外伸缩筒6和抓手5之间用销轴铰接；机械手臂翻转油缸1固定在底座2上，可伸缩端铰接在第二连杆9上。

变幅油缸11固定在内伸缩筒7上，可伸缩端铰接在第一连杆8上。浮动油缸12固定在外伸缩筒6上，可伸缩端铰接在抓手5上。

机械手臂翻转油缸1可实现机械手的前后转动，变幅油缸11可实现机械手的左右转动，浮动油缸12在钢拱架靠自身重力摆正时可当作无作用力伸缩筒，只起到限位作用，待钢拱架直立后可以驱动抓手5前后翻转稍作调整。上述结构形式使隧道钢拱架安装机械手装置具备了钢拱架自动抓取、运送、安装的功能。

抓手主要包括夹紧油缸201、第一销轴202，抓手体203、钳口204，第二销轴205、抓手焊件206、第三销轴207和卡板208。

钳口204和抓手体203之间通过帽螺钉连接，第二销轴205将抓手体 203和夹紧油缸201铰接在一起。抓手体203和夹紧油缸201分别通过第一销轴202、第三销轴207与抓手焊件206铰接固定；卡板208可限制销轴的位移。由于抓手焊件206具有铲形端部，尖端部分可以插到地上摆放的钢拱架下部，夹紧油缸201伸长便可通过抓手体203和钳口204将钢拱架夹紧。

抓手5与外伸缩筒6之间通过第一铰接销轴101铰接，浮动油缸12可伸缩端通过第二铰接销轴102与抓手5铰接，浮动油缸12的下端与外伸缩筒6用第三铰接销轴103连接，浮动油缸12伸缩可使抓手5绕着第一铰接销轴101旋转。

可选的，内外伸缩筒内部用油缸链接，以实现伸缩，油缸可伸缩端通过销轴105固定在外伸缩筒6上，油缸的下端通过第四铰接销轴104与内伸缩筒7铰接，油缸的伸缩可控制外伸缩筒6上下移动。

内伸缩筒7与第一连杆8之间通过第十二铰接销轴112铰接。

变幅油缸11的主体通过销轴与内伸缩筒7铰接，变幅油缸11的可伸缩端通过第七铰接销轴107与第一连杆8连接，变幅油缸11通过伸缩可控制内伸缩筒左右摆动。

机械手臂翻转油缸1通过底座铰接销轴401固定在底座2上，可伸缩端通过第十铰接销轴110与第二连杆9铰接，因此，机械臂翻转油缸1通过第一连杆8、第二连杆9、第三连杆10组成的连杆机构可控制机械手主体实现向前翻转与收回。

可选的，电气罩402用螺母螺栓固定在底座2上，底座2与回转式减速器4之间用若干个螺钉连接，回转式减速器4可以带动底座2转动。支撑架3和回转式减速器4之间通过若干个螺钉连接；机械手和臂架之间通过机械臂与支撑架铰接销轴403铰接。

本申请提供的机械手可以在机械臂的带动下实现自动在地上抓取钢拱架，通过各油缸的紧密配合，钢拱架可以靠自身重力摆正，由于结构上采用了新型的连杆机构，使得机械手更加灵活，能实现更多功能，并且结构更加紧凑。

除了上述任意实施例所提供的隧道钢拱架安装机械手的主要结构和连接关系，本实用新型还提供一种包括上述实施例公开的隧道钢拱架安装机械手的机械手工作平台。机械手工作平台包括工作平台主体，以及至少三个上述隧道钢拱架安装机械手，三个隧道钢拱架安装机械手之间具有预设放置角度。

可选的，位于两侧的隧道钢拱架安装机械手均设有两个抓手5，同一个隧道钢拱架安装机械手上的抓手5并列设置，以便实现对钢拱架的夹取。

上述任意实施例中机械手主体包括抓手5、外伸缩筒6、内伸缩筒7、连杆机构、变幅油缸11和浮动油缸12，在机械手工作平台中抓手5有两种结构形式，中间机械手和左右机械手，上述实施例中介绍的即为中间机械手，而左右机械手上的抓手结构形式与中间机械手类似，左右机械手的形式请参考图6和图7，不同的是，其拥有两个抓手体，而中间机械手只拥有一个抓手体。

请参考图10，机械手已经将钢拱架夹紧抬升到一定高度，由于抓手5 将钢拱架夹紧二者无相对运动，因此可以将二者视为一个整体，二者重心在图10所示C点位置,O为外伸缩筒6和抓手5之间的铰接点。此时，抓手拱架组合体受到自身重力G、O点处铰接销轴作用力F1，拱架和地面接触点对整体向上的作用力F2，浮动油缸12此时没有伸缩移动工作，可以被看成固定的伸缩杆，所以可看成浮动油缸12对组合体没有力的作用。以O点为原点，建立直角坐标系，重力G到原点O的距离为a，所以重力对O点产生的力矩为M＝G*a。当机械手将拱架慢慢抬起时，由于力矩M的作用，拱架所在的弧面与地面的角度越来越大，使得D点始终与地面有接触，当机械手举升到竖直位置时，抓手5与拱架的组合体也会摆正到竖直位置，再稍微移动车辆或者伸缩机械臂将拱架移动到预定位置即可开始拼接。

当机械手抬升钢拱架时，油缸只充当一个伸缩杆，钢拱架会依靠自身重力连同抓手5一起绕着抓手5和外伸缩筒6的铰接销轴旋转，直至拱架所在的弧面与地面垂直。

除了上述实施例所提供的隧道钢拱架安装机械手和机械手工作平台，该的其他各部分的结构请参考现有技术，本文不再赘述。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

以上对本实用新型所提供的隧道钢拱架安装机械手和机械手工作平台进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本实用新型的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本实用新型的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以对本实用新型进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本实用新型权利要求的保护范围内。