一种物料容器转载机械臂及使用方法 |
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| 申请号 | CN202410317301.0 | 申请日 | 2024-03-20 | 公开(公告)号 | CN117985607A | 公开(公告)日 | 2024-05-07 |
| 申请人 | 安徽理工大学; | 发明人 | 靳华伟; 孙国庆; 马天兵; 沈刚; 邓海顺; 黄家海; 张银; | ||||
| 摘要 | 本 发明 公开了一种适用于 电机 车与单轨吊之间物料容器转载的 机械臂 ，包括 伺服电机 、 基座 、基座臂、大臂、 连杆 、小臂、检测部分、 控制器 、夹爪等，安装于电 机车 车头，可在物料转载时对电葫芦和物料容器进行自动化的挂钩操作，取代了传统人工进行挂钩的方式，且在电机车推动矿车前进的运输工况中，通过机械臂和带有自清洁功能的检测装置实时监测，为电机车驾驶人员提供前方路况画面，改善了电机车在此工况下行驶时 传感器 及 视野 被遮挡等问题，提高了 煤 矿运输的安全性。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种适用于煤矿井下电机车与单轨吊间物料容器转载的机械臂，其特征在于，包括检测部分(1)和机械臂(2)； |
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| 说明书全文 | 一种物料容器转载机械臂及使用方法技术领域背景技术[0002] 煤矿运输中辅助运输承担了除煤矿运输以外的人员、材料、设备等各种运输任务，其设备效率的高低也决定了运输时间的长短，影响煤炭产量及机组利用率。为了提高矿井生产效率，以及减少人工投入和安全风险的产生，实现辅助运输设备的智能化物料转载非常重要。在矿井中，电机车运行于地面轨道上，单轨吊悬挂于悬空的轨道，传统的方法需要人工爬上物料容器，在电葫芦与物料容器间进行手动挂钩后，采用电葫芦对物料容器进行转载，不仅耗费人力，而且在矿井下狭小空间中存在安全隐患。 [0003] 其次，在煤矿井下电机车推动矿车前进的运输工况中，电机车车头的传感器易被前方矿车遮挡，导致无法正常使用传感器对前方路况进行监测，传统采用人工观察并缓慢行驶的方法，存在一定的安全风险，且影响煤矿运输效率。 发明内容[0004] 本发明的目的在于提供一种适用于煤矿井下电机车与单轨吊之间物料容器转载的机械臂及使用方法，采用该机械臂代替传统人工挂钩的操作，解决了传统物料转载方式存在的安全隐患及效率低下等问题。其次，在煤矿井下电机车推动矿车前进的运输工况中，该机械臂通过携带的带有自清洁功能的检测装置，可实现自适应高度，为电机车驾驶人员提供安全稳定的路况画面，降低了该工况下电机车行驶的安全风险，提高了煤矿运输效率。 [0005] 本发明的目的可以通过以下技术方案实现： [0007] 进一步的，所述检测部分包括基座、伺服电机、灰尘刮、摄像头、距离传感器、控制器，通过基座安装于机械臂之上；摄像头和距离传感器用于实时检测机械臂的位置、姿态和运动状态以及前方物体的位置、形状和距离等重要信息，并将这些信息转化为数字信号发送给控制器进行处理，从而完成机械臂的运动规划以及精确控制等操作；摄像头带有照明功能，可以让获取的图像更加清晰、亮丽，提高目标检测和识别的准确性；所述灰尘刮由伺服电机驱动进行清理粉尘； [0008] 进一步的，所述机械臂包括基座、基座臂、基座伺服电机、大臂伺服电机、大臂、连杆伺服电机、连杆、小臂、夹爪伺服电机、夹爪伺服电机、夹爪； [0009] 所述基座伺服电机控制基座的旋转，可以实现夹爪在水平面内的旋转运动； [0010] 所述大臂伺服电机与连杆伺服电机分别控制大臂与连杆的旋转，从而带动小臂运动，实现夹爪在垂直方向上的移动； [0011] 所述夹爪伺服电机和夹爪伺服电机可以实现夹爪的精细调整，使其更好地适应挂钩操作； [0012] 进一步的，所述夹爪包括接触夹、连杆、齿轮臂、夹爪伺服电机、夹爪主板、直角固定板；夹爪通过直角固定板固定于小臂末端；夹爪伺服电机驱动两个相互啮合的齿轮臂旋转，进而通过安装于夹爪主板与接触夹之间的连杆带动接触夹完成夹取吊钩的动作； [0013] 进一步的，所述的电葫芦包括滑轮、控制系统、电动机、卡扣、吊钩，电葫芦通过滑轮悬挂于单轨吊轨道上，控制系统用于控制电葫芦的升降和移动等动作，电动机为电葫芦的核心驱动部分，卡扣和吊钩用于吊装重物。 [0014] 优选的，所述机械臂在进行物料容器转载时，包括以下步骤： [0015] 步骤一：将电机车车头与矿用平板车静止在电机车地面轨道后，通过滑轮调整电葫芦的位置，确保吊钩处于物料容器的中间位置；电葫芦下放吊钩至适当高度，检测部分不断用摄像头和距离传感器感知吊钩、起重钢丝绳和物料容器的位置，同时监测机械臂的位置、姿态和运动状态等重要信息，并将它们反馈给控制器，进而对机械臂进行挂钩动作的运动规划； [0016] 步骤二：控制器根据反馈信息控制机械臂上的夹爪稳定夹取起重钢丝绳的一端固定在电葫芦的吊钩上，并通过摄像头的图像识别确定起重钢丝绳被正确固定、电葫芦的卡扣在正常工作位置；机械臂用夹爪夹取起重钢丝绳的另一端的挂钩，优先挂在物料容器离机械臂较远的两个吊耳上，随后适当提升吊钩的位置，调整起重钢丝绳的张力，确保挂钩不会出现滑动或松弛的情况，再次用摄像头确定挂钩正确固定；机械臂对较近一端的物料容器的吊耳完成挂钩操作，通过摄像头检查所有连接是否牢固，并确保起重钢丝绳没有扭曲或打结的情况； [0017] 步骤三：电葫芦缓慢提升开始进行起吊作业，带动物料容器上升；检测部分实时监测物料容器的提升情况，并反馈给电葫芦的控制系统，若出现异常情况，电葫芦控制系统便会收到反馈信号，控制电葫芦缓慢下降至初始高度，并重新启用机械臂调整起重钢丝绳的位置后，再次进行起吊工作，直至完成物料容器由地面轨道至悬空单轨吊的转载。 [0018] 优选的，所述机械臂在煤矿井下电机车推动矿车前进的运输工况下进行工作，包括以下步骤： [0019] 步骤一：通过检测部分上安装的带有照明及画面采集功能的摄像头获取前方路况的监控画面传输给电机车车头进行同步显示，驾驶人员通过此监控画面了解前方巷道路况，同时通过图像处理技术来识别巷道上方出现的障碍物的位置和形状；距离传感器准确测量机械臂与障碍物之间的距离，从而为机械臂的高度调节提供依据； [0020] 步骤二：控制器根据摄像头和距离传感器的测量数据准确地判断障碍物的高度，并通过驱动伺服电机来实时调整机械臂的高度，既可以提供稳定的路况画面，也避免了机械臂与障碍物产生剐蹭事故。 [0021] 本发明的有益效果： [0022] 本发明借助安装于电机车车头的机械臂对电葫芦及物料容器进行挂钩，可实现物料容器在地面轨道与悬空单轨吊之间的转载，替代了传统人工挂钩带动方式，减少了人力资源投入，提高了矿井运输效率及自动化水平，其次，在煤矿井下电机车推动矿车前进的运输工况中，通过机械臂上携带的自适应高度的摄像头实时监测，为电机车驾驶人员提供前方路况画面，改善了电机车在此工况下行驶时传感器及视野被遮挡等问题，避免了安全事故的发生。附图说明 [0023] 图1为本发明机械臂转载工作场景示意图； [0024] 图2为本发明检测部分结构示意图； [0025] 图3为本发明机械臂结构示意图； [0026] 图4为本发明夹爪结构示意图； [0027] 图5为本发明电葫芦结构示意图； [0028] 图6为本发明转载流程图； [0029] 图7为本发明在电机车推动矿车前进工况下运行流程图。 [0030] 附图中各部件的标记为：1、检测部分；101、基座；102、伺服电机；103、灰尘刮；104、摄像头；105、距离传感器；106、控制器；2、机械臂；201、基座；202、基座臂；203、基座伺服电机；204、大臂伺服电机；205、大臂；206、连杆伺服电机；207、连杆；208、小臂；209、夹爪伺服电机；210、夹爪伺服电机；211、夹爪；2111、接触夹；2112、连杆；2113、齿轮臂；2114、夹爪伺服电机；2115、夹爪主板；2116、直角固定板；3、电机车车头；4、电机车地面轨道；5、矿用平板车；6、物料容器；7、起重钢丝绳；8、电葫芦；801、滑轮；802、控制系统；803、电动机；804、卡扣；805、吊钩；9、单轨吊轨道。 具体实施方式[0031] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。 [0032] 需要说明，若本发明实施例中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。 [0033] 如图1所示一种适用于煤矿井下电机车与单轨吊间物料容器转载的机械臂，该机械臂的转载工作场景包括检测部分1、机械臂2、电机车车头3、电机车地面轨道4、矿用平板车5、物料容器6、起重钢丝绳7、电葫芦8和单轨吊轨道9。 [0034] 参见图1和图2所示，所述检测部分1包括基座101、伺服电机102、灰尘刮103、摄像头104、距离传感器105、控制器106，通过基座101安装于机械臂2之上；摄像头104和距离传感器105用于实时检测机械臂的位置、姿态和运动状态以及前方物体的位置、形状和运动状态以及前方物体的位置、形状和距离等重要信息，并将这些信息转化为数字信号发送给控制器106进行处理，从而完成机械臂的运动规划以及精确控制等操作；摄像头104带有照明功能，可以让获取的图像更加清晰、亮丽，提高目标检测和识别的准确性；电机车在巷道中行驶时，由于矿山的作业环境和运输过程中产生的粉尘，会覆盖在摄像头104和距离传感器105的表面，影响其感知功能，导致传感器无法准确检测或感知周围的环境，因此由伺服电机102驱动灰尘刮103进行清理粉尘。 [0035] 参见图1和图3，所述机械臂2安装于电机车车头3上,包括基座201、基座臂202、基座伺服电机203、大臂伺服电机204、大臂205、连杆伺服电机206、连杆207、小臂208、夹爪伺服电机209、夹爪伺服电机210和夹爪211；基座伺服电机203控制基座201的旋转，可以实现夹爪211在水平面内的旋转运动；大臂伺服电机204与连杆伺服电机206分别控制大臂205与连杆207的旋转，从而带动小臂208运动，实现夹爪211在垂直方向上的移动；通过夹爪伺服电机209和夹爪伺服电机210的控制，可以实现夹爪211的精细调整，使其更好地适应挂钩操作。 [0036] 参见图3和图4，所述夹爪211包括接触夹2111、连杆2112、齿轮臂2113、夹爪伺服电机2114、夹爪主板2115、直角固定板2116，通过直角固定板2116固定于小臂208末端，夹爪伺服电机2114驱动两个相互啮合的齿轮臂2113旋转，进而通过安装于夹爪主板2115与接触夹2111之间的连杆2112，带动接触夹2111完成夹取吊钩的动作。 [0037] 参见图1和图5，所述电葫芦8包括滑轮801、控制系统802、电动机803、卡扣804、吊钩805，通过滑轮801悬挂于单轨吊轨道9上；控制系统802用于控制电葫芦8的升降和移动等动作；电动机803为电葫芦8的核心驱动部分；吊钩805和卡扣804用于吊装重物。在进行物料容器的转载工作时，将电机车车头3与矿用平板车5静止在电机车地面轨道4后，通过调整电葫芦8的位置，确保电葫芦8上的吊钩805在物料容器6的中间位置，起重钢丝绳7由一端为吊环，另一端为四条相等长度的带挂钩的钢丝绳组成，通过机械臂2将起重钢丝绳7一端固定在吊钩805上，另一端牢固地挂在物料容器6的四个吊耳上，通过控制电葫芦8带动物料容器6上升，实现由地面轨道至单轨吊轨道间的物料容器转载。 [0038] 参见图6，所述机械臂2在进行物料容器转载时，包括以下步骤： [0039] 步骤一：将电机车车头3与矿用平板车5静止在电机车地面轨道4后，通过滑轮801调整电葫芦8的位置，确保吊钩805处于物料容器6的中间位置；电葫芦8下放吊钩805至适当高度，检测部分1不断用摄像头104和距离传感器105感知吊钩805、起重钢丝绳7和物料容器6的位置，同时监测机械臂2的位置、姿态和运动状态等重要信息，并将它们反馈给控制器 106，进而对机械臂2进行挂钩动作的运动规划； [0040] 步骤二：控制器106根据反馈信息控制机械臂2上的夹爪211稳定夹取起重钢丝绳7的一端固定在吊钩805上，并通过摄像头104的图像识别确定起重钢丝绳7被正确固定、电葫芦8的卡扣804在正常工作位置；机械臂2用夹爪211夹取起重钢丝绳7的另一端的挂钩，优先挂在物料容器6离机械臂2较远的两个吊耳上，随后适当提升吊钩805的位置，调整起重钢丝绳7的张力，确保挂钩不会出现滑动或松弛的情况，再次用摄像头104确定挂钩正确固定；机械臂2对较近一端的物料容器6的吊耳完成挂钩操作，通过摄像头104检查所有连接是否牢固，并确保起重钢丝绳7没有扭曲或打结的情况； [0041] 步骤三：电葫芦8缓慢提升开始进行起吊作业，带动物料容器6上升；检测部分1实时监测物料容器6的提升情况，并反馈给电葫芦8的控制系统802，若出现异常情况，便会控制电葫芦8缓慢下降至初始高度，并重新启用机械臂2调整起重钢丝绳7的位置后，再次进行起吊工作，直至完成物料容器6由地面轨道4至悬空单轨吊9的转载。 [0042] 在煤矿井下电机车推动矿车前进的运输工况下，电机车车头3自身携带的传感器易被前方矿车遮挡，导致无法正常使用传感器对前方路况进行监测，传统采用人工观察并缓慢行驶的方法，存在一定的安全风险，且影响煤矿运输效率。参见图7，所述机械臂2在电机车推动矿车前进工况下运行，包括以下步骤： [0043] 步骤一：通过检测部分1上安装的带有照明及画面采集功能的摄像头104获取前方路况的监控画面传输给电机车车头3进行同步显示，驾驶人员通过此监控画面了解前方巷道路况，同时通过图像处理技术来识别巷道上方出现的障碍物的位置和形状；距离传感器105准确测量机械臂2与障碍物之间的距离，从而为机械臂2的高度调节提供依据； [0044] 步骤二：控制器106根据摄像头104和距离传感器105的测量数据准确地判断障碍物的高度，并通过驱动伺服电机来实时调整机械臂2的高度，既可以提供稳定的路况画面，也避免了机械臂2与障碍物产生剐蹭事故。 [0045] 本发明中，借助安装于电机车车头的机械臂可实现自动化的挂钩操作，替代了传统人工爬上物料容器进行挂钩的方式，减少了物料容器在地面轨道与悬空单轨吊之间的转载过程的人力资源投入，提高了矿井运输效率及自动化水平，其次，在煤矿井下电机车推动矿车前进的运输工况中，通过机械臂上携带的有自清洁功能的摄像头实时监测，为电机车驾驶人员提供前方路况画面，改善了电机车在此工况下行驶时传感器及视野被遮挡等问题，避免了安全事故的发生。 [0046] 在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。 [0047] 以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。 |
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