技术领域
[0001] 本
发明涉及用于更换轮式车辆上的车轮的技术，例如诸如采矿运输
卡车的大型车辆的车轮。
[0002]
露天矿通常使用非常大型的采矿运输卡车队。由于轮胎磨损或遭受损坏，必须定期更换这些卡车的车轮。车轮更换是耗时并且危险的操作。传统上，操作者使用手动工具来移除和放回车轮
螺母和保持
夹板，操作者在车轮和车轮操纵机之间的区域中工作，当螺母和夹板已经被移除时，操作者开始抓握并移除车轮。本发明将能在不需要操作者在该危险区域中工作的情况下实现车轮更换。
发明内容
[0003] 根据本发明，提供了一种用于更换车轮的方法，所述车轮通过螺母和保持夹板固定于车辆，所述方法包括：
[0004] 使用用于移除和放回车轮螺母和保持夹板的移动式
机器人并结合使用移动式机械车轮操纵机，而夹住并移除车轮并且在通过机器人放回车轮螺母和夹板之前使替换轮就位。
[0005] 该方法可还包括步骤：激光扫描车轮以识别车轮螺母和保持夹板的
位置，并根据如此确定的位置，控制机器人的操作。
[0006] 本发明还延伸至一种用于更换车轮的方法，所述车轮通过螺母和保持夹板固定于车辆，所述方法包括：
[0007] 激光扫描车轮以识别车轮螺母和保持夹板的位置；
[0008] 操作移动式机器人以移除车轮螺母和保持夹板；
[0009] 操作机械车轮操纵机以移除车轮并用替换轮替换该车轮；和
[0010] 操作移动式机器人以放回车轮保持夹板和车轮螺母。
[0011] 车轮操纵机可以是装配有车轮夹爪的由操作者驱动的车辆。
[0012] 激光扫描可以由移动式机器人执行，操作所述移动式机器人以操纵激光扫描工具。
[0013] 移动式机器人通过根据由激光扫描确定的车轮螺母和保持夹板的位置操纵一个或多个移除工具，而可移除车轮螺母和保持夹板。
[0014] 所述一个或多个移除工具可以包括用于在螺母移除和放回中操纵的拧螺母器以及用以夹住车轮夹板以便移除和放回夹板的夹板夹持器。
[0015] 拧螺母器和车轮夹板夹持器可被合并到单个移除工具中或者设置在单独的移除工具中。
[0016] 各个螺母和夹板一被移除就通过机器人和相应的移除工具的操作而被存放在专属于该螺母或夹板的单独的存储位置处，然后为了放回原位，可以由机器人从所述单独的存储位置取回各个螺母和夹板。
[0017] 用于螺母和夹板的这些存储位置可以由一个或多个存储安置座（nest）提供。
[0018] 螺母存储位置可以由螺母安置座提供，机器人在移除螺母和夹板之前将所述螺母安置座放置在
轮毂上。
[0019] 在通过操作车轮操纵机而移除车轮和由替换轮替换期间，螺母安置座可以保持在轮毂上。
[0020] 夹板存储位置可以由夹板安置座提供，机器人将所述夹板安置座
定位在邻近车轮的地面上。
[0021] 在将螺母已经被移除并放置在螺母存储安置座上之后，机器人可将夹板安置座定位在地面上。
[0022] 在一替换方案中，夹板安置座可以邻近移动式机器人定位。
[0023] 夹板安置座可以构成更大的工具存储托板的一部分。
[0024] 在一替换方案中，螺母和夹板存储位置可以由邻近移动式机器人定位的螺母和夹板存储安置座提供。
[0025] 组合的螺母和夹板安置座可以构成更大的工具存储托板的一部分。
[0026] 在一替换方案中，螺母和夹板存储位置可以由机器人在移除螺母和夹板之前放置在轮毂上的组合的螺母和夹板存储安置座提供。在这种情况下，在通过操作车轮操纵机而移除车轮和用替换轮进行更换期间，螺母和夹板存储安置座可以保持在轮毂上。
[0027] 所述一个或多个移除工具可以包括用以移除一个间隔环或多个间隔环的夹持器工具。
[0028] 轮毂的
抛光可以由单独的抛光工具提供。
[0029] 在一替换方案中，间隔环夹持器工具和抛光工具可以由组合的工具提供。
[0030] 机器人可以安装在自推进并且可操纵的车辆上。
[0031] 自推进车辆可以在一个或多个轨道上运行。
[0032] 本发明还提供了一种机器人设备，其包括：
[0033] 可移动车辆；
[0034] 机器人，所述机器人由所述车辆承载并且包括工具机械手；
[0035] 扫描工具，所述扫描工具能由工具机械手操纵并且能由机器人操作，以从车辆识别目标范围内的部位的一组特征；和
[0036] 特定任务工具，所述特定任务工具能由工具机械手操纵并且能由机器人重复地操作，以在多个所述部位执行特定任务。
[0037] 该设备还可以包括用以在不使用时保持扫描工具的扫描工具保持器，工具机械手可操作以便拿起扫描工具并操作该扫描工具以识别所述的一组特征，然后将该扫描工具放回扫描工具保持器。
[0038] 扫描工具保持器可以位于车辆上或者位于可附接于车辆的台车上。
[0039] 本发明还可以包括用以在不使用时保持特定任务工具的特定任务工具保持器，工具机械手在扫描工具已经识别所述一组特征之后能操作以拿起特定任务工具，并将所述特定任务工具顺序地移动至所述多个部位，以用于在所述多个部位的每一个部位执行所述特定任务。
[0040] 更具体地说，本发明可以提供一种用于自动执行车轮更换操作中所需的特定任务的机器人设备，其包括：
[0041] 能定位在待移除的车轮附近的可移动车辆；
[0042] 机器人，所述机器人由所述车辆承载并且包括工具机械手；
[0043] 激光扫描工具，所述激光扫描工具能由工具机械手操纵并且能由机器人操作，以识别车轮上的一组车轮保持螺母和车轮保持夹板并确定螺母和夹板的位置；和[0044] 一个或多个特定任务工具，所述一个或多个特定任务工具能由所述工具机械手操纵并且能由机器人操作，以从车轮移除螺母和夹板。
[0045] 本发明还可提供一种用于检测车轮保持螺母和/或夹板在车轮上的位置的位置传感系统，其包括：
[0046] 激光测距装置；和
[0047] 机械手，用以使激光测距装置以双路扫描的方式运动以识别
轮辋平面，以及以弧形扫描的方式运动以识别螺母和/或夹板的
角方位。
附图说明
[0048] 为了可以更加全面地解释本发明，将参照附图详细描述一种用于更换大型采矿运输卡车上的车轮的具体的车轮更换方法，其中
[0049] 图1示出了带有双后轮和单前轮的典型的矿井运输卡车；
[0050] 图2示出了运输卡车前轮紧固配置；
[0051] 图3示出了后轮紧固配置；
[0052] 图4示出了被设计成自动执行更换运输卡车车轮所需的功能的机器人设备；
[0053] 图5示出了该设备的激光扫描工具；
[0054] 图6示出了用于与运输卡车的前轮和后轮一起使用的组合的拧螺母和夹板夹持工具；
[0055] 图7示出了用于移除后轮夹板的车轮夹板移除工具；
[0056] 图8示出了组合的间隔环夹持和轮毂清洁工具；
[0057] 图9示出了用于在后轮移除过程中使用的螺母安置座；
[0058] 图10示出了用于后轮夹板的夹板安置座；
[0059] 图11示出了前轮螺母和夹板安置座；和
[0060] 图12至51图解示出了车轮更换作业中的相继的步骤。
具体实施方式
[0061] 图1示出了典型的矿井运输卡车11，其具有载矿料斗12、
驾驶室13，并装配有双后轮14和单前轮15。
[0062] 如图2中所示，运输卡车的单前轮通过固紧双头
螺柱22和夹板23而被紧固在渐缩轮毂21上。
[0063] 如图3所示，运输卡车的双后轮通过双头螺柱32和夹板33保持在渐缩后轮毂31上，一间隔环34在每对后轮的内轮与外轮之间延伸。为了更换运输卡车的前轮或后轮，必须移除和放回相应的双头螺柱（22或32）和夹板（23或33）。就后轮来说，在已取走外轮之后并且在移除最内轮之前，还必须移除间隔环34。
[0064] 在移除和放回螺母和夹板期间，车轮必须由车轮操纵机保持，以消除车轮下落的可能性。通常，这需要操作者用
手持工具在车轮和车轮操纵机之间的空间中工作，该空间被称为分解和
破碎区。已经开发出了总体上以图4示出的机器人设备41，以在不需要操作者接近车轮工作的情况下能够自动执行车轮双头螺柱和夹板移除及其他车轮更换功能。所述机器人设备包括承载机器人43的可移动轮式车辆42形式的移动式
基础单元（MBU），所述机器人包括工具机械手44，所述工具机械手包括能绕若干机器人轴线旋转的机器人臂。机器人安装在能从车辆伸展和缩回的可延伸梁45上。车辆42包括机器人控制柜46，控制系统被容纳在电气
外壳47内。
[0065] 机器人依靠刚性地安装而实现精确定位。为了确保机器人不受车辆悬架或轮胎运动的影响，车轮安装在液压致动的枢轴上，所述液压致动的枢轴缩回，从而使车辆下降至地面并降到三个可调节垫48上。
[0066] 在操作时，机器人拿起、操纵和操作多种工具，以执行车轮更换作业期间所需的各种功能，这将参照图12-图51进行详细描述。具体地说，存在图5中示出的激光扫描工具51、图6中示出的前拧螺母器/夹板夹持器和后轮拧螺母器61、图7中示出的后轮夹板夹持器工具71、以及图8中示出的后轮间隔环夹持器和轮毂清洁工具81。
[0067] 如图4中所示，车辆42具有用于在不使用时定位拧螺母器的工具定位安置座49。图4还显示了后轮螺母和夹板安置座托板50，所述后轮螺母和夹板安置座托板能附接于机器人车辆并保持如图9所示的螺母安置座91和图10所示的夹板安置座101。为了更换前轮，拿走托板50，并由装配有如图11所示的组合的前轮夹板和螺母安置座111的前轮更换托板替代。在参照图12至图63对机器人功能的描述中，前、后车轮螺母和夹板安置座的功能将变得更清楚。
[0068] 图5中所示的激光扫描工具51采用激光测距装置的形式来确定机器人位置，并据此调节预定运动。与视觉系统相比，激光测距系统具有许多优点，例如成本更低，没有由于光照条件引起的输出变化，没有由于
颜色变化引起的输出变化，由于灰尘、雾等引起的输出变化更小。其不需要外界光照，比视觉系统维护更简单。如果车轮类型是针对机器人选择的，那么轮辋平面在其中
心轴线处的位置可以通过以彼此成直角的两条线跨轮辋和轮胎的外表面扫描而确定。机器人
控制器然后可以计算出螺母
节圆直径（PCD）的位置。绕螺母或双头螺柱的第三扫描将确定夹板的角方位和
阀杆的位置。这也将确认车轮类型的正确选择。
[0069] 在以夹板和阀杆的角方位确定了轮辋的平面和轴线之后，机器人控制器可以据此调节机器人进一步的运动。
[0070] 也可以使用激光测量装置来确定是否存在车轮操纵机以及机器人是否可以在其臂下安全操纵。这可以通过在机器人开始车轮扫描之前对车轮紧前面的区域执行预扫描而实现。这样，机器人可以保护自己免受由于在危险方向上无意中的致动而引起的可能的碰撞。
[0071] 图6示出了用于移除和重新装配后轮螺母的双速拧螺母器61。双速拧螺母器包括安装在心轴延长部63上的螺母接合管套62，所述心轴延长部借助心轴64、三向
齿轮箱65、高
扭矩拧螺母器66和高扭矩
离合器67或者替代性地通过高速拧螺母器68和离合器69而能选择性地以双速驱动。
[0072] 图7示出了用于移除和放回后轮夹板的车轮夹板夹持器。当已经移除了车轮螺母时，夹板将能够相对自由地被移除，但是其也可能会由于夹板的渐缩及车轮的重量而被
锁定就位。工具71能够施加有
力的夹持作用，将夹板从其位置拉出而不需要提升。工具71实际上是一对特殊用途的具有夹爪72的
钳子，所述夹爪通过肘节联接件73
气动致动。工具的本体包括向前突出用以定位在夹板上的预定位器74以及靠近以夹持夹板侧面的夹爪72。
[0073] 每个前轮夹板具有单个双头螺柱，这种布置允许夹板与螺母一起移除。因此，图6中所示的工具61包括安装在拧螺母器上的夹板夹持器70，使得夹板在螺母移除和拧紧这两个过程中都能保持在正确的方向上。正如后轮工具的情况一样，拧螺母器是一种双速拧螺母器，但具有较短的拧螺母器心轴。
[0074] 图8示出了组合的间隔环夹持和轮毂清洁工具81，其包括气动操作的夹爪82和具有回转擦洗垫84的抛光头83。
[0075] 由于在车轮安装过程中，机器人必须拿起螺母以重新安装这些螺母，所以，螺母必须存储在已知的位置上。此外，当机器人在车轮移除过程中移除螺母时，其必须携带螺母并将其存放在不会妨碍其他动作的位置处而不是仅仅使其落下。为了实现这两个目的，拧螺母器管套包括一个或多个
弹簧加载的棘爪，用以在螺母松开时保持螺母，使用具有短双头螺柱的安置座来定位螺母以及将这些螺母从拧螺母器管套移除。这些短双头螺柱靠近车轮双头螺柱定位，这限制了机器人必须行进以存放螺母的距离，并由此减少了循环时间。这是通过对将定位在轮毂上的每种车轮采用不同的螺母安置座来实现的。如图9所示的后轮螺母安置座91具有将靠近车轮双头螺柱定位的一圈短双头螺柱92。该安置座存储并承载在后轮工具托板上，并在移除螺母之前由机器人放置在轮毂上。类似地，对于夹板，设置有安置座101，其允许由机器人将夹板放置在已知的位置上，以便以后取回。图10中示出了该安置座，并示出了该安置座码装有一组车轮夹板。该车轮安置座也位于后轮工具托板上。
[0076] 用于运输卡车的前轮的、每个夹板一个螺母的布置允许夹板和螺母安置座组合成单个安置座，如图11所示。
[0077] 现将参照图12至图51描述由所示的机器人设备执行的用于移除和更换运输卡车的后轮和前轮的操作的顺序。
[0078] 后轮的移除
[0079] 从卡车移除一对后轮，包括下列动作顺序。
[0080] 1.将卡车开到硬质固定垫(standing pad)的标记位置上，
刹车，挡轮、锁住，并利用现有的技术和设备将后轮抬离地面。操作者检查后轮附近的区域，并移除任何砂砾或泥土
块等等。
[0081] 2.操作者利用遥控装置将MBU开到后轮附近的标记位置，抬起车轮从而使MBU降到地面。
[0082] 3.操作者调整MBU以适应运输卡车后轮，使后轮延伸部位于拧螺母器工具上，后轮螺母和夹板安置座全部附接于MBU车辆。
[0083] 4.操作者移除刹车防尘罩。
[0084] 5.操作者将排气部连接至轮胎阀，两轮胎中的压力将开始朝5psi降低。注意：运输卡车车轮更换机可以在轮胎处于安全压力之前开机，以便节省时间。
[0085] 6.然后操作者启动自动程序，所述自动程序将包括：
[0086] a.梁臂将伸展，以使机器人朝车轮运动（图12）。
[0087] b.机器人检查通向车轮的路径没有被任何障碍物例如车轮操纵机阻挡。
[0088] c.机器人进行车轮的激光距离扫描程序，包括：
水平和竖直扫描，以识别轮辋平面和轮辋中心；以及在车轮双头螺柱上方的半圆形扫描，以确定螺母的角方位（图14）。
[0089] d.机器人梁臂缩回，机器人在梁臂再次伸展之前拿起螺母安置座，在梁臂在此伸展时，机器人将把该螺母安置座放置在轮毂上（图15和16）。
[0090] e.机器人梁臂再次缩回，灯发光以指示自动循环完成，为车轮操纵机到来以夹住车
轮作好准备（图16）。注意：由于机器人设备可以在没有车轮操纵机在场的情况下开始旋松螺母，因此车轮操纵机可以在更晚的时候被引入。
[0091] 7.当车轮操纵机已经夹住车轮时，操作者将启动第二自动循环。该循环包括：
[0092] a.机器人拿起拧螺母器工具，梁臂伸展以将机器人送至车轮（图17和18）。
[0093] b.机器人逐渐旋松并移除螺母，并将它们拧到螺母安置座上的相邻双头螺柱上（图19-图21）。
[0094] c.机器人梁臂缩回，机器人在梁臂再次伸展之前拿起夹板移除工具（图22）。
[0095] e.机器人逐渐夹住并移除夹板，并将它们放入夹板安置座中，根据需要缩回和伸展梁臂以便接近该安置座。如果夹板移除特别困难，则机器人的灯将亮起以要求车轮操纵机驾驶员“轻摆”车轮，直到夹板被松开（图22）。
[0096] f.当最后的夹板被移除时，梁臂缩回，机器人存放夹板夹持器工具（图24）。
[0097] 8.然后，MBU用照明光向车轮操纵机驾驶员发出“全部完成”
信号，驾驶员着手移除车轮（图25）。
[0098] 9.当外轮已经被移除时，操作者启动第三自动循环。
[0099] a.机器人拿起间隔环夹持器工具，梁臂将伸展，以将机器人送至车轮（图26）。
[0100] b.机器人使用间隔环夹持器抓取车轮间隔环，并使其滑离轮毂（图27）。
[0101] c.梁臂缩回，机器人将间隔环放置在后轮托板上的环架中（图28）。
[0102] d.然后MBU将向车轮操纵机驾驶员发出“全部完成”信号。
[0103] 10.车轮操纵机驾驶员然后接近、夹住并移除内轮。
[0104] 11.当内轮已经被移除时，操作者启动第四自动循环。
[0105] a.机器人拿起气动抛光工具（图29）。
[0106] b.梁臂伸展，以将机器人送至轮毂。
[0107] c.机器人充分抛光轮毂的渐缩区域和夹板区域（图30）。
[0108] d.梁臂缩回，机器人将抛光工具放下，MBU向操作者发出“全部完成”信号。
[0109] 后轮的安装
[0110] 后轮的重新安装基本上是后轮移除的反向过程。工序的简略描述如下。
[0111] 1.车轮操纵机将内轮放置在轮毂上（图31）。
[0112] 2.机器人将间隔环放置在轮毂上（图32）。
[0113] 3.车轮操纵机将外轮放置并保持在轮毂上，机器人返还间隔环夹持器（图33）。
[0114] 4.机器人收集夹板工具，并逐渐插入夹板。如果夹板不能被推到所要求的位置，照明光将提醒车轮操纵机驾驶员“轻摆”车轮（图34和35）。
[0115] 5.机器人返还夹板工具（图36）。
[0116] 6.机器人收集拧螺母器工具，并放回螺母，并以预定模式逐渐地对这些螺母施以扭动力使其达到所要求的扭矩（图37-图40）。
[0117] 7.机器人使螺母安置座返回至MBU，并发出“全部完成”信号（图41和42）。
[0118] 8.车轮操纵机然后释放车轮，操作者可重新为两个轮胎加压。
[0119] 9.操作者开走MBU。
[0120] 10.可以将卡车降低，移除轮挡，使卡车驶离硬质固定垫。
[0121] 前轮移除和安装
[0122] 从卡车移除前轮，包括类似于单个后轮的移除的下列动作顺序。
[0123] 1.卡车停车，锁定，抬起以及轮胎放气。
[0124] 2.调整MBU以便进行前轮更换，将MBU驱动至车轮和所设立的安全系统处（图43和图44）。
[0125] 3.机器人扫描车轮，以定位螺母的平面、中心和方向以及阀杆位置的间隙。
[0126] 4.机器人将螺母和夹板安置座放置在轮毂上（图45和图46）。
[0127] 5.车轮操纵机将夹住轮胎。
[0128] 6.机器人将螺母和夹板一起移除，并将它们放置在安置座上（图47-图51）。
[0129] 7.车轮操纵机将移除车轮。
[0130] 8.机器人将清洁轮毂。
[0131] 9.车轮操纵机将放置并保持新的车轮。
[0132] 10.机器人将放置夹板和螺母，使它们拧紧，并移除螺母和夹板安置座。
[0133] 11.操作者可以开走MBU。
[0134] 12.车轮操纵机将离开，可以给轮胎充气，可以将卡车降下并开走。
[0135] 在车轮更换期间，所示的机器的使用能够很大程度上减少维护人员暴露于健康和安全方面的危险。这些减少包括：
[0136] ·操作者需要在车轮和车轮操纵机之间的区域（分解和
破碎区域）中工作的时间从超过1小时减少到小于5分钟。该区域中的与螺母、夹板和后轮间隔环的手动操作有关的全部操作都被消除。
[0137] ·操作者暴露于与操作螺母、夹板和手动工具有关的割伤、扭伤和挫伤的
风险被消除。
[0138] ·操作者使用气动冲击式
驱动器及其相关的触发VWF（雷诺氏病的第二种形式）的可能性被消除。
[0139] 所示的机器还能够大大改善车轮螺母拧紧的
质量，从而为正确拧紧和正确的车轮附接提供更大保证。与之相关的问题包括：
[0140] ·全部螺母一致地被拧紧至所要求的扭矩，并且拧紧模式一致。螺母还可拧紧至扭矩限度之内的
指定角度。控制系统的数据记录功能提供了在各个螺母上获得的扭矩的存档的证据。而目前，获得的扭矩是未知的，对于各个螺母是不同的，并且可能会低于规定扭矩。
[0141] ·全部扭矩和扭矩/距离分布图都可以被存档并记录在
数据库中。
[0142] ·从当前未留意的在螺母安装中产生的扭矩和角度分布图中，可以识别各种不希望的情况，例如
螺纹损坏。
[0143] 仅仅是通过示例的方式提出了所示的设备，对于不同的特殊应用，在结构上的细节可以进行
修改。本发明不局限于车轮更换操作，其可以应用于执行其他重复性任务，例如对车轮装载机的车轮螺母重新施加扭矩或者在各种重型设备上移除/安装螺母或其他
紧固件。所以，应当理解，本发明不局限于所示设备的细节，其许多改进和变化都将落在附带的示例性
权利要求的范围之内。
