用于在长桩或长井内作业的缆索驱动机器人系统

技术领域

本发明涉及一种用于在长桩或长井内作业的缆索驱动机器人系统。

背景技术

大多数涉及移动工作平台的长桩或长井内作业通常是沿桩或井路径的一维 运动。虽然末端工具通常安装在工作平台上来执行不同的任务，但末端工具的 相应致动器通常耦合到工作平台。然而，在某些应用中，末端工具的致动器不 适合放置在工作平台上。例如，某些致动器的重量可能超过工作平台的承重能 力，工作环境可能在水下或易燃，这限制了适用致动器的类型。此外，相较于 致动器位于轻易可及的区域，当致动器位于工作平台时，致动器的维护成本和 难度更高。有鉴于此，需要能够执行三维运动的远程致动工作平台和末端工具 的系统及方法。

发明内容

本发明实施例可以提供一种系统，该系统可配置为使用缆索驱动的机器人 在长桩或长井内执行作业。更具体地，某些实施例可以提供能够将一个或多个 末端执行器定位于三维空间中以便在长桩或长井内作业的系统及设备，其中， 末端执行器配置用于广泛作业中的一项或多项作业，包括深井内的检查或作业， 以及在钻孔桩井情形下清理或检查基层。

本发明实施例可以提供一种用于远程致动工作平台和末端执行器的缆索驱 动的双级机器人系统及方法，可用于沿长桩或长井执行作业，同时有利地保持 用于工作平台和末端执行器的致动器轻易可及并且免遭井或桩内环境因素的影 响。

与相关技术的系统或方法相比，本发明有益于危险的工作环境或工作平台 提升能力有限的工作环境。此外，致动器的维护和操作得以改进，因为部分或 全部致动器能够轻易可及并且免遭恶劣环境因素的影响。

在目前的实践中，建造建筑物时通常采用大直径钻孔打桩技术将荷载传递 到地下基岩层。位于钻孔桩底部的骨料或巨石会影响桩基的承重能力。因此， 需要清理桩基的骨料以开拓更高的钻孔桩质量。相关技术使用反循环钻机 (Reverse Circulation Drill，RCD)执行气举清理的方法不仅成本高又效率低， 而且清理质量也得不到保证。本发明实施例能够通过覆盖超过RCD的面积并降 低钻孔桩的成本来帮助提高清理质量，因为钻孔桩的质量提高会减少由潜在钻 孔桩故障引起创建额外基桩的需求。

附图说明

图1A至图1D示出根据本发明实施例的系统，包括固定的基础平台、移动的 工作平台以及末端执行器，它们各由缆索驱动。图1A至图1D说明在某些实施例 中，基础平台相对于末端执行器的放置可以通过使用滑轮系统而具灵活性。

图2是根据本发明实施例的工作平台和末端执行器的状态变更过程的流程 图。

图3示出根据本发明实施例的缆索并行驱动的末端执行器到工作平台无刚 性连杆。

图4示出根据本发明实施例的缆索驱动的末端执行器到工作平台有串联刚 性连杆。

图5A和图5B分别示出根据本发明实施例的缆索驱动的柔性末端执行器。图 5A和图5B分别示出用于柔性末端执行器的不同致动与缆索布线系统及方法。

图6示出根据本发明实施例的刚性导管和柔性气升进口软管作为末端执行 器的系统的具体实施例。

图7A和图7B分别示出根据本发明实施例的示例性混凝土导管稳定系统。

图8示出根据本发明实施例的钻孔桩井内的抗堵塞系统。

具体实施方式

在一个实施例中，用于在长井或长桩内作业的缆索驱动机器人系统包括固 定的基础平台、工作平台、缆索驱动的末端执行器、用于工作平台和末端执行 器的传感系统以及用于工作平台和末端工具的控制系统。基础平台可以包括用 于移动工作平台和末端执行器的致动器并且可以处于固定位置。工作平台可以 包括用于末端工具的缆索驱动元件，并且能够沿着井或桩延伸的方向移动，而 且能够在一个、两个或更多个方向上倾斜、旋转、平移或延伸。缆索驱动的末 端执行器可配置为执行对应于各种应用的不同任务。用于工作平台和缆索驱动 的末端执行器的传感系统可以包括一个或多个拉线传感器、陀螺仪、声纳传感 器和激光雷达(LiDAR)，用于检测工作平台和缆索驱动的末端执行器的状态 (例如，定位和定向)。在某些实施例中，控制系统可以体现用于通过操纵多 根缆索的长度以全自动或半自动方式控制工作平台和缆索驱动的末端执行器的 定位的方法。在系统作业期间，工作平台可以通过一组缆索沿井或桩致动，利 用传感器系统的反馈来计算工作平台的定位和定向。工作平台的倾斜校准可以 通过控制系统自动进行，也可以由用户基于反馈进行，以使平台保持期望的定 向(例如，水平)。用户还可以根据他们的具体应用而将工作平台倾斜到期望 的倾斜角度。末端执行器可以由缆索驱动，这些缆索可以直接连接到基础平台 上的致动模块或布线穿过工作平台，也可任选地连接到基础平台上的致动模块。 传感器系统可以获取末端工具的状态，诸如定位和定向，以执行准确的运动和 可重复的任务。工作平台可以负责但不限于系统的宏观运动(例如，总体深度、 角度或定位)，末端工具可以负责但不限于系统的微观运动(例如，精确深度、 角度、定向或微动)。宏观运动和微观运动的协作、协调或控制(例如，共同、 单独或并行)可以允许末端工具在整个工作环境中准确地进行三维运动。

提供了各种末端工具的几种非限制性实施例。一个示例性第一实施例包括 末端执行器，该末端执行器以无刚性连杆方式耦合到工作平台，或替代地无任 何刚性连接或耦合到工作平台，或仅通过缆索、电线或其他柔性牵伸构件单独 地、主要地、功能地或有效地连接到工作平台。末端执行器可以由并行连接的 缆索或其他柔性牵伸构件驱动，能够拥有多达六个自由度的运动和控制。第二 示例性实施例可以包括具有一个或多个连杆的串联臂。该臂的每个连杆均可由 一组附接到臂的缆索驱动到目标定位和定向。第三非限制性实施例包括柔性末 端执行器。可以通过一组缆索协作对抗柔性末端执行器的刚度来控制定位和定 向。其他实施例可以包括并行机构、连续柔性机构、刚性与柔性组合结构以及 由缆索、牵伸构件、压缩构件、动态或静态液动力或气动力或诸如磁力、电磁 力、相变力、蒸汽或其他膨胀气体或材料等其他动力控制的其他机构。

具有柔性末端执行器的一个非限制性具体实施例是缆索驱动系统，该系统 可以包括固定的基础平台、移动的工作平台(附接有硬管和/或柔性软管)、传 感器系统(包括一组或多组拉线传感器、陀螺仪、声纳传感器、激光雷达或由 此组成)以及控制算法。在某些实施例中，该系统能够将末端执行器驱动到人 类工人不可及的井内不同位置。该系统使用一根或多根柔性软管作为末端执行 器时，能够将软管驱动到钻孔桩井内的不同位置，并能够通过硬管和/或软管来 递送水、空气、混凝土和其他建筑材料等资源，具体方式是驱动软管掠过或扫 过不同位置。与现有技术的系统及方法相比，整个过程可以由具有传感器系统和控制算法的缆索驱动系统来控制，以实现更自动化的动作以及更高的传感控 制分辨率。

本发明实施例可以提供一种缆索驱动的双级机器人系统，该系统配置且适 配为在长井或长桩内执行作业。该系统可以由基础平台、缆索驱动的工作平台、 缆索驱动的末端执行器、用于工作平台和末端执行器的传感系统以及用于工作 平台和末端执行器的控制系统组成。

致动单元能够独立控制缆索的长度。机器人系统中包含两组致动单元，通 过缆索独立控制工作平台和末端执行器的状态，包括定位和定向。一般而言， 缆索数目可以是大于一根的任何数目。缆索可以通过滑轮系统连接到工作平台， 作为基于环境和用户偏好将固定的基础平台重新定位到所需位置的手段。在某 些实施例中，缆索可以直接从致动单元连接到末端执行器，或者布线穿过位于 工作平台、基础平台或中间位置处的滑轮系统。根据作业要求，末端执行器可 以通过缆索或刚性连杆连接到工作平台，也可以通过缆索和刚性连杆连接到工 作平台。

基础平台可以固定在可及位置上。在钻孔桩基础清理的示例中，基础平台 可以位于钻孔桩筒的顶部上。基础平台上的致动器还可以分别驱动连接到工作 平台和末端执行器的缆索。通过改变缆索的长度，可以操纵工作平台相对于基 础平台的定位和定向以及末端执行器相对于工作平台的定位和定向。

工作平台上的传感器系统可以包括拉线传感器、陀螺仪传感器、声纳传感 器和激光雷达，以确定工作平台的状态，包括定位和定向。附加地，末端执行 器上的传感器系统可以包括拉线传感器和陀螺仪传感器，以确定末端执行器的 状态，包括定位和定向。来自传感器系统的反馈使能准确控制工作平台和末端 执行器。

操作程序可以包括：

1.设置机器人系统

2.将工作平台驱动到工作深度

3.将末端执行器操纵到期望的操作姿态(定位和定向)

4.开始终点操作，例如气举

5.监控终点操作的质量

6.将末端执行器操纵到另一个操作姿态

7.重复步骤4到6，直至终点操作完成

在某些实施例中，用户可以预先获知钻孔桩作业的工作深度。工作平台上 的传感器系统使得工作平台能够自动地准确到达工作深度。首先由传感器系统 获得工作平台的当前状态，将该当前状态与当前驱动缆索长度互相关，这可能 取决于致动缆索的数目和配置。然后可以基于工作平台的目标状态和当前驱动 缆索长度来计算驱动缆索长度变化，验证工作平台的有效输入状态和致动单元 的缆索长度可用性。

由于到末端执行器的缆索可以布线穿过工作平台，末端执行器的状态(包 括定位和定向)可以与工作平台的状态高度相关。在工作平台的运动期间，需 要拉紧末端执行器的缆索，以在工作平台升降过程中保持执行任务的状态、姿 态或姿势，并抑制或减少机器人系统因末端执行器不受控制的运动或不确定的 定位或定向而损坏的可能性。可以利用来自传感器系统的反馈来完成控制。

在末端执行器的运动期间，缆索张力会随着末端执行器的状态不同而变化， 其中，最大致动缆索张力可能因滑轮的工作负荷极限和工作平台的重量而受到 限制。在末端执行器的移动过程中，可以有利地将致动缆索张力控制到低于最 大值，以防工作平台的损坏或意外倾斜。末端执行器致动的缆索导致工作平台 意外倾斜可能与工作平台的重量和重量分布以及末端执行器致动缆索的数目和 排列有关。如果一个或一些致动缆索张力超过最大致动缆索张力，则对应的状 态视为非期望，可以有利地确定新的状态。可以对应末端执行器的状态和致动 缆索长度来计算期望的致动缆索张力。在某些实施例中，可以利用致动单元的 当前反馈来估计实际的缆索张力。

结合某些说明性示例和实施例可以更清楚地理解本发明，包括但不限于以 下内容：

实施例1.一种用于在长桩或长井内作业的系统，所述系统包括：

固定的基础平台；

由第一多根缆索驱动的可移动工作平台；以及

缆索驱动的末端执行器，其与所述工作平台耦合且由第二多根缆索驱动。

实施例2.根据实施例1所述的系统，其中，所述第一多根缆索中的每根缆 索附接到第一多个缆索致动单元中的对应缆索致动单元；其中，所述第一多个 缆索致动单元中的每个缆索致动单元配置为控制所述第一多根缆索中的对应附 接缆索的长度；其中，所述第二多根缆索中的每根缆索附接到第二多个缆索致 动单元中的对应缆索致动单元；其中，所述第二多个缆索致动单元中的每个缆 索致动单元配置为控制所述第二多根缆索中的对应附接缆索的长度。

实施例3.根据实施例1所述的系统，其中，所述第一多根缆索与所述第二 多根缆索分离且独立；其中，所述第一多个缆索致动单元配置为通过所述第一 多个缆索控制所述工作平台的定位和定向；其中，独立的第二多个缆索致动单 元配置为通过所述第二多根缆索控制所述末端执行器的定位和定向。

实施例4.根据实施例3所述的系统，其中，所述第一多个缆索致动单元和 所述第二多个缆索致动单元位于所述基础平台处。位于基础平台处可以包括安 装于不直接连接到基础平台但相对于基础平台静止的固定位置(例如，如图1C 所示)。

在第一非限制性示例中，第一多个缆索致动单元和第二多个缆索致动单元 固定在基础平台上或基础平台内(例如，如图1A和图1B所示)。在第二非限制 性示例中，第一多个缆索致动单元和第二多个缆索致动单元安装在并非基础平 台而是相对于基础平台静止或处于已知位置的单独结构上(例如，如图1C所示)。 在第三非限制性示例中，第一多个缆索致动单元中的一些或全部安装在第一位 置，第二多个缆索致动单元中的一些或全部安装到第二位置。第一位置或第二 位置可以位于基础平台上，而另一位置不在基础平台上(例如，安装在桩筒或 与基础平台分离的其他结构上，如图1D所示)。例如，某些实施例可以提供选 定的缆索致动单元，它们是用于驱动安装在基础平台上的工作平台的绞盘，还 可以提供其他缆索致动单元，它们是用于驱动安装在桩筒或其他接地结构上但 不直接附接到基础平台(例如，安装在可及且稳定的位置上，诸如桩筒底部) 的末端执行器的绞盘。替代实施例可以提供选定的缆索致动单元，它们是安装 在基础平台上用于驱动末端执行器的绞盘，还可以提供其他缆索致动单元，它 们是安装在桩筒或其他接地结构上但不直接附接到基础平台(例如，安装在可 及且稳定的位置上，诸如桩筒底部)的用于驱动工作平台的绞盘。根据图1D所 示的非限制性实施例，可以有利地应用缆索致动单元和缆索布线的各种组合、 尺寸和布局来满足具体应用需求。

实施例5.根据实施例1所述的系统，其中，所述工作平台包括第一传感器 系统，所述第一传感器系统配置为确定所述工作平台的工况、定位和定向。工 作平台的工况可以包括平台与一根或多根缆索的张力、应力、长度、有效长度、 伸展、收缩、定位、定向、速度、速率或加速度以及它们的任何组合。工况还 可以包括缆索或平台的其他可测特性，用于识别、了解或控制平台、每根缆索、 多根缆索或包括缆索的系统。

实施例6.根据实施例5所述的系统，其中，所述第一传感器系统包括一个 或多个拉线传感器、一个或多个陀螺仪、一个或多个声纳传感器以及至少一个 激光雷达传感器。

实施例7.根据实施例1所述的系统，其中，所述末端执行器包括第二传感 器系统，所述第二传感器系统配置为确定所述末端执行器的工况、定位和定向。 末端执行器的工况可以包括末端执行器与一根或多根缆索的张力、应力、长度、 有效长度、伸展、收缩、定位、定向、速度、速率或加速度以及它们的任何组 合。工况还可以包括缆索或末端执行器的其他可测特性，用于识别、了解或控 制末端执行器、每根缆索、多根缆索或包括缆索的系统。

实施例8.根据实施例7所述的系统，其中，所述第二传感器系统包括一个 或多个拉线传感器、一个或多个陀螺仪、一个或多个声纳传感器以及至少一个 激光雷达传感器。

实施例9.根据实施例1所述的系统，其中，所述基础平台配置为在所述系 统作业之前定位于多个不同位置之一；其中，所述第一多根缆索任选地通过第 一滑轮系统连接到所述工作平台；其中，所述第二多根缆索通过第二滑轮系统 连接到所述末端执行器。

实施例10.根据实施例1所述的系统，其中，所述末端执行器与所述工作平 台以无刚性连杆方式连接，其中，所述末端执行器至少部分地通过所述第二多 根缆索与所述工作平台耦合。

实施例11.根据实施例1所述的系统，其中，所述末端执行器包括附接到所 述工作平台的串联臂。

实施例12.根据实施例1所述的系统，其中，所述系统配置为在钻孔桩井内 作业。

实施例13.根据实施例12所述的系统，其中，所述系统包括刚性导管，其 中，所述末端执行器包括配置用于资源运输或递送的柔性软管。

实施例14.根据实施例13所述的系统，其中，所述刚性导管为混凝土导管， 其中，所述柔性软管为柔性气升进气软管。

实施例15.根据实施例14所述的系统，其中，所述系统包括混凝土导管稳 定系统。

实施例16.根据实施例15所述的系统，其中，所述混凝土导管稳定系统配 置为当插入一段新的混凝土导管时，稳定混凝土导管处于或靠近所述工作平台 的一端并稳定混凝土导管处于或靠近所述基础平台的反端。

实施例17.根据实施例12所述的系统，其中，所述系统包括附接到所述工 作平台的抗堵塞系统；其中，所述抗堵塞系统包括多个导辊和多个平台板，每 个平台板各有一个或多个倒棱侧。

实施例18.一种用于控制末端执行器在长桩或长井内的三维空间中到达指 定的定位和定向的方法，所述方法包括：

提供系统，其包括：

固定的基础平台；

由第一多根缆索控制的可移动工作平台；

缆索驱动的末端执行器，所述末端执行器由所述工作平台支撑且由第 二多根缆索控制；及

控制系统，所述控制系统包括末端执行器传感器系统，其配置为确定 所述末端执行器的实际定位和定向；

接收来自所述控制系统的反馈；以及

通过基于所述反馈调整所述第一多根缆索的工况和所述第二多根缆索的工 况来控制所述末端执行器的定位和定向，以到达所述长桩或长井的三维空间内 指定的定位和定向。

第一多根缆索的工况或第二多根缆索的工况可以各自包括长度、有效长度、 延伸、收缩、张力、应力、松弛、曲率、定位、速率、加速度或者在一个或多 个时间点跨两根或多根缆索个别获取或测量、考虑、计算或合计的每根个别缆 索的其他可测参数。

实施例19.根据实施例18所述的方法，其中，

所述第一多根缆索源自所述基础平台；

所述第二多根缆索源自所述基础平台；

所述控制系统还包括工作平台传感器系统，其配置为确定所述工作平台的 实际工况、定位和定向；

所述末端执行器传感器系统还配置为确定所述末端执行器的实际工况、定 位和定向；

使得所述反馈包括所述工作平台的实际工况、定位和定向以及所述末端执 行器的实际工况、定位和定向。

实施例20.一种用于在长桩或长井内作业的系统，所述系统包括：

固定的基础平台；

由第一多根缆索驱动的可移动工作平台；

缆索驱动的末端执行器，其与所述工作平台耦合且由第二多根缆索驱动；

其中，所述第一多个缆索致动单元配置为通过所述第一多个缆索控制所述 工作平台的定位和定向；其中，独立的第二多个缆索致动单元配置为通过所述 第二多根缆索控制所述末端执行器的定位和定向；

其中，所述第一多个缆索致动单元和所述第二多个缆索致动单元位于所述 基础平台处；

其中，所述工作平台包括第一传感器系统，所述第一传感器系统配置为确 定所述工作平台的定位和定向；

其中，所述第一传感器系统包括一个或多个拉线传感器、一个或多个陀螺 仪、一个或多个声纳传感器以及至少一个激光雷达传感器；

其中，所述末端执行器包括第二传感器系统，所述第二传感器系统配置为 确定所述末端执行器的定位和定向；

其中，所述第二传感器系统包括一个或多个拉线传感器、一个或多个陀螺 仪、一个或多个声纳传感器以及至少一个激光雷达传感器；

其中，所述基础平台配置为在所述系统作业之前定位于多个不同位置之一； 其中，所述第一多根缆索通过第一滑轮系统连接到所述工作平台；其中，所述 第二多根缆索通过第二滑轮系统连接到所述末端执行器；

其中，所述末端执行器与所述工作平台以无刚性连杆方式连接，且所述末 端执行器至少部分地通过所述第二多根缆索与所述工作平台耦合；

其中，所述末端执行器包括附接到所述工作平台的串联臂；

其中，所述系统配置为在钻孔桩井内作业；

其中，所述系统包括刚性导管，其中，所述末端执行器包括配置用于资源 运输或递送的柔性软管；

其中，所述刚性导管为混凝土导管，其中，所述柔性软管为柔性气升进气 软管；

其中，所述系统包括混凝土导管稳定系统；

其中，所述混凝土导管稳定系统配置为当插入一段新的混凝土导管时，稳 定混凝土导管处于或靠近所述工作平台的一端并稳定混凝土导管处于或靠近所 述基础平台的反端；

其中，所述系统包括附接到所述工作平台的抗堵塞系统；其中，所述抗堵 塞系统包括多个导辊和多个平台板，每个平台板各有一个或多个倒棱侧。

实施例21.根据实施例18或19所述的方法，其中，所述末端执行器可到达 基于平台系统下方3D空间内的任何定位和定向，所述方法包括实施例1至17中任 一项的系统以及使所述系统配置和/或操作为控制末端执行器到达基于平台系统 下方3D空间内的任何定位。

实施例22.根据实施例18或19所述的方法，其中，所述工作平台配置且适 配为从所述基础平台下方指定初始深度处的起始位置到达桩或井的全深；其中， 所述末端执行器配置且适配为到达所述工作平台下方限定的三维工作包络内的 任何定位；所述方法包括提供根据实施例1至17中任一项所述的系统，以及使所 述系统配置和/或操作为控制所述末端执行器到达所述工作包络内限定的定位和 定向。

实施例23.根据实施例22所述的方法，其中，所述工作包络由所述工作平 台沿长桩或长井的轴向方向或路径的二维轮廓延伸定义。

实施例24.根据实施例23所述的方法，其中，所述末端执行器配置且适配 为以指定定向到达所述工作包络内的任何定位。

实施例25.根据实施例24所述的方法，其中，所述工作平台和所述末端执 行器各自配置且适配为允许所述末端执行器到达小于所述工作包络的内包络内 的任何定位和任何定向。

实施例26.根据实施例25所述的方法，其中，所述工作平台和所述末端执 行器各自配置且适配为允许所述末端执行器到达所述工作包络内的任何定位和 指定定向子集。

实施例27.根据实施例26所述的方法，其中，所述工作包络内的指定定向 子集包括垂直于或平行于所述工作包络的外表面的定向。

材料和方法

在本文中使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的且并不意图限制本 发明。如本文所用，术语“和/或”包括一个或多个相关列项的任何和全部组合。 如本文所用，单数形式“一”、“一种”和“该”旨在也包含复数形式和单数 形式，除非上下文另作指明。应进一步理解的是，术语“包括”和/或“包含” 当用于本说明中时，明确了所陈述的特征、步骤、操作、元件和/或组件的存在， 但不排除添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们 的群组。

本文所用的全部术语(包括科技术语)具有在本发明相关领域具有普通技 术人员的通常理解的相同含义，除非另作定义。还应理解，诸如词典中常用定 义的那些术语应解释为其含义与其在相关技术领域及本公开的语境含义一致， 而不应采用理想化或过度正式化的解释，除非本文另作明确定义。

描述本发明时，应当理解公开了许多技术和步骤。这些技术和步骤各有益 处，也可以各自与一种或多种其他公开技术或者在某些情形下所有其他公开技 术结合使用。相应地，为了清楚起见，本说明书将避免不必要地赘述各个步骤 的每种可能组合。然而，在阅读说明书和权利要求时应当理解此类组合完全落 入本发明和权利要求的保护范围内。

图1A和图1B示出包括具有固定的基础平台110、缆索驱动的工作平台120和 缆索驱动的末端执行器130的系统的实施例。固定的基础平台110可以是系统作 业期间不移动的平台，其中，用于工作平台的致动单元111、112和用于末端执 行器的致动单元113和114位于固定的基础平台110处。而图1C和图1D示出一些或 全部致动单元111、112、113、114位于不直接连接到基础平台但相对于基础平 台静止的固定位置(例如，安装到桩筒或者邻近基础平台或远离基础平台的其 他接地结构)。致动单元111、112能够独立控制缆索141、142的长度，从而控 制工作平台120的状态，包括定位和定向。在图1A和图1B的图示中，一种实施例 中提出两根缆索141、142来控制工作平台120。一般而言，缆索数目可以是大于 一根的任何数目。在某些实施例中，有无其他支撑机构皆可采用单根缆索以一 个或多个自由度控制工作平台120。此外，缆索141、142可以通过滑轮系统115、 116连接到工作平台120，作为基于环境和用户偏好将固定的基础平台110重新定 位到期望位置的手段。

致动单元113、114能够独立控制缆索143、144的长度，从而控制末端执行 器130的状态，包括定位和定向。在图1A和图1B的图示中，一种实施例中提出两 根缆索143、144来控制末端执行器130。一般而言，缆索数目可以是大于一根的 任何数目。在某些具体实施例中，缆索数目可以是一根。缆索143、144可以直 接从致动单元113、114连接到末端执行器130或者布线穿过位于工作平台120处 的滑轮系统121、122。根据作业要求，末端执行器130可以通过缆索143、144或 刚性连杆或者缆索143、144和刚性连杆两者连接到工作平台120。

工作平台120上的传感器系统150可以包括拉线传感器、陀螺仪、声纳传感 器和激光雷达，以确定工作平台120的状态，包括定位和定向。此外，末端执行 器130上的传感器系统151可以包括拉线传感器和一个或多个陀螺仪，以确定末 端执行器130的状态，包括定位和定向。来自传感器系统150、151的反馈使能准 确控制工作平台120和末端执行器130。

在不同实施例中，基础平台110、工作平台120和末端执行器130可以各有多 样化的构造。此类构造可以包括基本上平坦的结构(如图1A和图1B所示)以及 多层结构(例如，如图7A和图7B所示用于基础平台，或如图8所示用于工作平台)、 三维构造或者在期望位置具有臂部或延伸部的结构(例如，用以支撑滑轮系统， 包括115、116、117、118、121、122、123、124、125、126、321、322、323、 324、421、422、423、424、521、522、523、524、635、636)。基础平台110、 工作平台120和末端执行器130的构造可以各自配置为支撑诸如混凝土导管或气 升软管等用具以提供结构刚性，或者相互对接或与其他系统对接。

本发明实施例提供了用于控制工作平台120的第一多个缆索致动单元111、 112和用于控制末端执行器130的第二多个缆索致动单元113、114，它们可以采 取不同的排列位于基础平台110上或基础平台110外的不同位置。第一多个致动 单元111、112和第二多个致动单元113、114可以位于基础平台110上(如图1A和 图1B所示)或者位于不直接连接到基础平台110但相对于基础平台110静止的固 定位置(如图1C所示)。在图1D的图示中，第一多个缆索致动单元111、112中 的一些或全部可以位于基础平台110上的不同位置或者位于不直接连接到基础 平台110但相对于基础平台110静止的固定位置。第二多个缆索致动单元113、114 中的一些或全部可以位于基础平台110上的不同位置或者位于不直接连接到基础平台110但相对于基础平台110静止的固定位置。缆索141、142、143、144可 以从缆索致动单元111、112、113、114通过滑轮115、116、117、118、121、122、 123、124、125、126中的一些或全部布线到工作平台120和末端执行器130，这 些滑轮可以安装在基础平台110上、工作平台120上或者安装在不连接到基础平 台110但相对于基础平台110静止的固定位置。

图2是根据本发明实施例的基于工作平台和末端执行器的期望状态来控制 末端执行器状态(例如，包括定位和定向)的过程200的流程图。工作平台120 和末端执行器130的期望状态可以基于不同的任务自动计算或通过用户输入确 定。在某些实施例中，过程200参照图1A和图1B所示的结构。一般而言，过程200 不限于图1A和图1B所示的具体配置。过程200开始于框210，指示工作平台120 的目标状态。在长井作业中，工作平台120的状态通常代表工作平台120在垂直 方向上的定位和两个倾斜角度。框210之后是框215，计算到工作平台120的致动 缆索长度的相应变化。首先由传感器系统150获得工作平台120的当前状态，将 该当前状态与当前驱动缆索长度互相关，这取决于致动缆索的数目。然后基于 工作平台120的目标状态和当前驱动缆索长度来计算驱动缆索长度变化，验证工 作平台120的有效输入状态和致动单元111、112的缆索长度可用性。

然后在框220中更改末端执行器130的目标状态，包括定位和定向。末端执 行器130的状态与工作平台120的状态高度相关，以便实现在三维空间中的准确 定位和定向。基于传感器系统151计算末端执行器130的当前状态。然后获得致 动缆索长度的相应变化。框220之后是框225，计算与末端执行器状态和致动缆 索长度相对应的致动缆索张力。对于末端执行器130的不同设计和配置，致动缆 索张力的计算显著变化。例如，使用如图5所示的末端执行器530的柔性结构， 致动缆索张力主要由末端执行器530的柔性结构在应用工作空间内的弹性刚度 确定。致动缆索张力也由其他因素确定，例如包括用于缆索布线的滑轮521、522、 523、524的方法和位置以及缆索的组成、尺寸和配置。

在判定框230中，分析各个致动缆索张力的有效性。最大致动缆索张力受限 于滑轮121、122、123、124、125、126的工作负荷极限和工作平台120的重量。 在末端执行器130的移动过程中，致动缆索张力必须低于最大值以防工作平台 120意外倾斜。末端执行器130致动的缆索导致工作平台120意外倾斜可能与工作 平台120的重量和重量分布以及末端执行器130致动缆索的数目和排列有关。如 果计算的致动缆索张力中的一个或一些超过最大致动缆索张力，则对于框210中 设置的工作平台120的当前状态而言，框220中设置的目标状态是非期望的。如 框220所示，必须再次设置末端执行器130的新目标状态。对于最大张力内的一 些或全部致动缆索张力，考虑到框210中工作平台120的目标状态和框220中末端执行器130的目标状态，在框235中，计算到末端执行器130的总缆索长度。所得 的致动缆索长度则成为用于控制工作平台120和末端执行器130到期望状态的过 程200的最终输出240。

图3示出根据本发明实施例的缆索并行驱动的末端执行器330到工作平台320无刚性连杆。末端执行器330由布线穿过滑轮系统321、322、323、324的缆 索344、345、346、347并行驱动，以相对于工作平台320执行平面运动与旋转。 在图3中展示出末端执行器330的平面运动。一般而言，末端执行器330可以通过 控制相对于以更多根缆索连接到末端执行器330的工作平台320的三个定向来执 行三维位置平移。工作平台320由缆索341、342、343控制以具有垂直方向上的 定位自由度和两个倾斜角度。来自工作平台320和末端执行器330的运动协作使 得末端执行器330能够在整个作业空间内执行三维位置平移和三维定向控制。

图4示出根据本发明实施例的缆索驱动的末端执行器430(其包括具有三个 串联刚性连杆的串联臂)安装到工作平台420。末端执行器430由布线穿过滑轮 系统421、422、423、424的缆索444、445、446、447以及布线在末端执行器430 的串联刚性连杆中的内部缆索驱动，以执行末端执行器430的末梢相对于工作平 台420的三维运动。工作平台420由缆索441、442、443控制以具有垂直方向上的 定位自由度和两个倾斜角度。

图5A和图5B示出根据本发明实施例的缆索驱动的柔性末端执行器530安装 到工作平台520。末端执行器530由布线穿过滑轮系统521、522、523、524的缆 索544、545、546、547驱动。在图5A中，缆索544、545、546、547从滑轮系统 521、522、523、524直接连接到柔性末端执行器530的末梢。在图5B中，缆索544、 545、546、547沿着柔性末端执行器530(带有盘片531)的主体连接到末端执行 器530的末梢，然后连接到滑轮系统521、522、523、524.在图5A和图5B中的两 种配置下，末端执行器530可以执行三维运动。工作平台520由缆索541、542、 543控制以具有垂直方向上的定位自由度和两个倾斜角度。

图6示出根据本发明实施例一种或多种有用资源从基础平台620经由位于根 据本发明实施例的系统内部的管道递送到长井(611和612)内的工作平台630。 图6示出根据本发明实施例的刚性导管和柔性气升进口软管640作为末端执行器 的系统的具体实施例。资源从一系列导管641进入系统并在能够指向若干方向的 软管640的末端退出系统。导管的入口可以位于基础平台620的顶部上，以便于 连续的资源馈送。软管可位于工作平台下方并与导管紧密连接。资源可以在软 管640的末梢或沿软管的一个或多个位置退出。软管末端的方向可由基础平台 620顶部上的致动单元622、623经由布线穿过滑轮系统635、636的缆索633、634 来控制。工作平台630可由致动单元621、624经由缆索631、632控制以具有垂直 方向上的定位自由度和两个倾斜角度。

图7A和图7B示出根据本发明实施例的长井(711和712)内资源传输导管730 的稳定机构。基础平台可以包括两个平台层710和720或者由两个平台层710和 720组成。固定部713和714可以将上平台层710固定到下平台层720。驱动器721 和722可以是用于操纵缆索723和724的长度以使工作平台740沿长井方向致动的 马达。漏斗部731、732、733和734可配置用于在从上平台层710插入资源传输导 管时帮助导管对准下平台层720上的开口。当工作平台到达目标定位时，支撑结 构735和736可以展开并压在长井的内壁上，以在作业时使工作平台740保持就位 并使资源传输导管730保持稳定。在图7B所示的另一种配置中，漏斗部可以替换 为可滚动的三角触轮750和751，这与漏斗部一样可有助于资源传输导管对准，但也可通过将导管压到轮间中央来帮助稳定导管。支撑结构735和736也可以替 换为可充气的气囊752和753。当工作平台到达目标定位时，气囊752和753可充 气并充当支撑结构将工作平台保持就位，而长井的内壁可以具有凸块，气囊可 以适应于凸块。

图8示出根据本发明实施例在钻孔桩内作业的工作平台的抗堵塞机构的一 个实施例，该钻孔桩包括钻孔桩的横截面壁810和811。工作平台可以由两个平 台层820和821组成。工作平台可以承载资源递送元件，例如图中所示的导管813。 工作平台可以由电线824、825悬吊，这些电线被布线回基础平台110的致动马达， 以便操纵缆索长度。电线822和823可以附接到工作平台并布线回拉线传感器， 以便检测工作平台的状态。倒棱耐磨块830、831、832和833可位于两层平台层 的边缘处，可用于在壁810和811表面遇到颠簸或障碍时使工作平台滑开。当工 作平台滑向壁810和811的任一侧时，轮(840或841)与通过安装件(844或845) 安装在工作平台上的弹簧和阻尼器(842或843)耦合，可配置为吸收冲击并稳定工作平台，同时可用轮滚过而避免平台边缘卡在凸块上。如果工作平台遇到 大到平台无法经过的凸块，拉线传感器不会检测到任何变化，而马达可能因电 线松弛而操纵电线长度。在此情形下，系统将能够收缩相应的松弛电线，以避 免或抑制工作平台卡在钻孔桩内。

某些实施例呈现了二维剖视图(例如，图1A至图1D、图6、图7A至图7B和 图8)，例如显示对称或不对称的左右两半。其他实施例呈现了三维透视图(例 如，图3、图4、图5A和图5B)，例如显示四个对称象限。然而，在本发明教导 内应当理解，实施例可以提供任何实际有利的合理数目的特征和元件，它们利 用对称性或不对称性的优势围绕设备或围绕平台分布(例如，呈径向、球形或 直线)，以有益地解决设计、成本、操作或制造方面的特殊需求。

本文提及或引用的所有专利、专利申请、临时申请和公布文本在与本说明 书的明确教导互不抵触的范围内通过引用全文归并本文，包括所有附图和列表。

下文是说明本发明实施程序的示例。这些示例不应解释为限制性意义。所 有百分数均按重量计，所有溶剂混合物比例均按体积计，除非另作说明。

示例1—与反循环钻机对照

钻孔桩作业通常涉及大型机械。特别地，某些相关技术的钻孔桩清理过程 需要反循环钻机(RCD)。从质量性能、价格和建设时间的角度，在RCD与根 据本发明实施例的机器人系统之间进行如下对照。

在进行详细竞争分析之前，需要简要了解RCD方法和本发明方法的标准程 序。两种操作程序的对照总结如下表1：

表1

在质量和性能方面，传统的RCD清理工艺无法保证清理性能。在地下深处 的清理进口不受控制，在此渡过足够的地下清理时间才会假设清理成功。如果 清理进口偏向钻孔桩的一侧，则另一侧可能会出现清理不完全的情况。在此状 况下，用户无法将清理进口操纵到另一侧来保证清理质量。此外，无法直接监 控清理质量。在将混凝土填充到钻孔桩后获得钻孔岩样时，可确认清理质量。

相比之下，本发明提供的机器人系统的实施例具备在地下深处位置处控制 清理进口的能力。在某些实施例中，清理进口视为末端执行器，并且这有一组 缆索负责操纵末端执行器的状态和姿势。清理进口可以在地下进行三维运动， 确保清理进口指向钻孔桩内的目标位置和方向。某些实施例可以提供具有拉线 传感器和陀螺仪传感器的传感器系统，以确保进行准确的运动并且使得清理进 口能够自动化进行清理运动。因此，可以对钻孔桩的每个点进行管理，从而具 有标准的清理时间，并且可以记录每个点的清理时间，以生成报告以供论证和 进一步改进。

在价格方面，RCD并非专门设计用于清理工艺。相反，RCD的主要用途是 打钻深桩以去除土壤和岩石。随着安装钻孔桩进行打钻之后，进行清理过程。 因而，RCD的设计复杂，在清理过程中未能充分利用RCD的主要功能。RCD的 成本通常很高，租金达每天9500港元(1215美元)。

与RCD相比，本发明提供的机器人系统的实施例可以具有更简单的设计。 可以针对特殊应用(诸如清理过程)设计和优化实施例。清理过程与打钻过程 相比负荷相对较小，因此某些实施例的结构设计和致动单元与RCD相比可以规 模更小。机器人系统实施例的成本(包括建造成本、运输成本和运营成本)将 低于RCD的成本。

关于建设时间，设置时间在建设中十分重要，因为设置需要人工，人工报 酬可能相对较高。目前，整个RCD清理过程预计需要1到2天，而大部分时间都 耗在RCD、导管和其他机械的组装和拆装上。预期本发明实施例可以显著提高 清理程序的效率，同时降低钻孔桩地基的成本并缩短建设时间。

除了设置时间，RCD的空缺也成为缩短建设时间的瓶颈。由于RCD成本高 昂，建筑公司通常在需要时租用RCD。租用RCD的数目也有限，但建设中设有 许多钻孔桩。因而，在建设期间经常出现钻孔桩闲置的情况。在较低成本内， 可构建具有足够数目的实施例来充分利用钻孔桩。因此，利用本发明实施例可 以缩短建设时间。

就市场潜力而言，钻孔桩作业通常涉及大型机械。特别是目前的钻孔桩清 理过程需要RCD。下面分析将重点关注本发明提供的机器人清理系统、方法和 过程的商业相关方面。

地基建设不仅对建筑物的结构稳定性至关重要，而且也是一项耗时的高成 本作业。单个地基可能需要25天才能建成，成本从180万港元(30米深的地基需 230000美元)到600万港元(100米深的地基需767000美元)，典型地基深度为 50米(成本达300万港元或384000美元)。此外，典型建设项目的地基数目可介 于约20个(例如住宅单位)至约500个(例如启德开发区的新急症医院)钻孔桩 地基。

清理过程的质量对混凝土地基与岩层之间的界面影响很大。如果单个钻孔 桩中发现不良界面，可能要弃置钻孔桩地基。考虑到负荷分布，需要建造多个 额外的钻孔桩地基来代替单个不良的钻孔桩地基，这会视地基尺寸而导致数十 万到数百万美元的损失。正如前述对照中介绍，RCD过程的性能无法得到保证。 本发明的机器人系统能够以更精确的可控方式进行清理过程，降低混凝土地基 界面不良的机会。因此，市场上需要可靠的钻孔桩作业清理方法。

根据中国香港特别行政区政府统计署的季度建设报告，打桩及相关地基工 程的总值如下：

由上表可知，打桩及相关地基工程的总值介乎每季25亿港币至45亿港币。 本发明实施例可以为钻孔桩地基的清理过程提供自动化。本发明实施例可以进 一步实现诸如检测钻孔桩内壁的裂缝和焊接等附加功能。本发明的市场潜力和 可持续性很高，因为本发明实施例能够更多地参与打桩及相关地基工程。

应当理解，本文描述的示例和实施例仅为说明目的，据此本领域技术人员 应可提议各种修改或更改，将落入本申请精神和权限内以及所附权利要求保护 范围内。此外，本文公开的任何发明或其实施例的任何要素或限制可以与本文 公开的任何和/或所有其他要素或限制(单独或任意组合)或任何其他发明或其 实施例组合，所有此类组合落入本发明保护范围内，但不限于此。