CN110340876A - 一种煤矸石分选并联柔性三自由度机器人 - Google Patents

Abstract

一种煤矸石分选并联柔性三自由度机器人由移动机构、并联机械臂及手爪机构组成，移动机构采用丝杠螺母副传动及双导向杆支撑，并联机械臂主要由左主动臂、左从动臂、右主动臂、右从动臂及动平台组成，且左右两侧呈对称分布。手爪机构固定安装于动平台下端，为保证动平台保持水平，采用了齿形带传动与副杆平行四边形机构，齿形带传动机构采用了一端带轮固定，另一端带轮随主动臂一起摆动的形式。为减小分选过程中产生的冲击，在副杆机构中采用了弹簧板进行吸收由于冲击过程中产生的震动。手爪机构采用了手指可分离式结构，可适应不同规格煤矸石的分选，该机构具有结构刚度大、承载能力强、末端惯性小且具有柔性缓冲功能。

Description

一种煤矸石分选并联柔性三自由度机器人

技术领域

本发明属于煤矿分选技术领域，特别是一种煤矸石分选并联柔性三自由度机器人。

背景技术

煤矸石是煤炭开采及洗煤、选煤工艺过程中的主要固体排放废物，是煤形成过程中产生的附属品，是一种比煤坚硬且含碳量低的黑色岩石。对煤的质量影响很大，因此，在洗、选煤生产工艺中，将煤矸石分离出来。目前，煤矸石的分选大多数还是依靠人工使用铁耙将煤矸石从带式输送机上排出，这种方式不仅劳动强度极大、分选效率低下，而且人工会有很多的误判。尽管当前部分企业在尝试使用自动化设备进行煤矸石分选，但大都由于速度慢，赶不上生产节拍而漏选，从而无法推广。这些自动化设备在分选类型上主要有两种：一种是采用抓取的方式；另一种采用拨出的方式。而采用抓取的方式存在很大的难度，因为煤矸石的外形很不规则，手爪无法正确而稳定的抓取煤矸石，而且抓取与释放的动作，都会占用生产流程时间，这种方式效率低下；对于另一种方式，由于大块煤矸石质量较大，现有的自动分选设备在拨出煤矸石过程中，会产生很大的冲击，由于这些设备不具备吸收冲击的能力，导致这些设备在频繁的冲击下大大降低了使用寿命，甚至在较大的冲击下直接造成严重损坏。针对当前选煤生产工艺需求及现有设备的技术局限，本专利提供了一种高速并联且具有一定柔性的三自由度分选机器人。

发明内容

本发明旨在解决的技术问题是提供一种煤矸石分选并联柔性三自由度机器人，可快速适应生产节拍及可吸收与煤矸石碰撞时产生的冲击。以提高选煤生产效率，降低劳动强度，防止误判，提高选煤生产质量。

本发明采用如下技术方案：

一种煤矸石分选并联柔性三自由度机器人，包括拨动煤矸石的手爪，其特征在于，所述手爪连接有并联机械臂机构，并联机械臂机构包括移动座，移动座上设有两个对称设置的机械臂，每个机械臂包括驱动电机，驱动电机转轴上安装有主动臂，主动臂下方铰接有从动臂，两套机械臂的从动臂均与手爪连接；

每个机械臂上还设有动平台水平保持机构，动平台保持机构包括与驱动电机转轴固定的固定带轮，固定带轮通过齿形带连接有摆动带轮，摆动带轮与固定带轮分度圆直径与模数相同，摆动带轮安装在主动臂与从动臂的铰接轴上，随主动臂摆动，并可相对主动臂转动；摆动带轮上固定安装缓冲弹簧片的一端，缓冲弹簧片的另一端与副杆顶端铰接，副杆底端与手爪铰接；

在驱动电机转动时，固定带轮带动摆动带轮同步转动，使缓冲弹簧板与移动座的相对角度保持不变，使手爪始终保持向下的姿态。

进一步的改进，所述每个机械臂上均设有两套固定带轮、摆动带轮及缓冲弹簧片，分别位于机械臂的前方和后方。

进一步的改进，所述移动座连接有驱动移动座前后平移的移动机构。

进一步的改进，所述移动机构包括横梁，横梁上设有移动驱动伺服电机，移动驱动伺服电机连接有丝杠，丝杠一侧平行的设有导向杆，移动座由丝杠驱动，沿导向杆平移。

进一步的改进，所述导向杆有两个，分别位于丝杠左右两侧。

进一步的改进，所述手爪包括主爪，主爪铰接有副爪，主爪和副爪的铰接轴处设有扭簧；所述副爪上还设有闸线，闸线连接有气缸；气缸可以通过拉动闸线使副爪克服扭簧弹力向上抬起。

进一步的改进，所述副爪有两个，分别铰接于主爪的前方和后方。

进一步的改进，所述闸线通过一个动滑轮与气缸连接，闸线末端还设有调整闸线长度的调节螺母。

采用上述技术方案的本发明与现有技术相比，有益效果是：

A、该技术方案采用了并联机械手结构，该结构具有刚度大、承载能力强及末端件惯性小等优点，比串联型机器人在高速、大承载能力场合具有明显优势。

B、该结构采用了齿形带传动结构，可替代平行四边形机构，保证机器人末端动平台水平，比平行四边形结构简单，易于封装，具有柔性吸震作用。

C、该机器人副杆平行四边形机构采用了缓冲弹簧板，具有缓冲吸震、抗冲击能力。

D、该机器人手爪传动结构采用了闸线结构，将手爪驱动结构置于机械手外面，有效减轻了机器人末端重量。

E、该机械手可适用不同大小规格煤矸石的分拣。

附图说明

图1 机器人结构示意图

图2 手爪驱动机构示意图

图3 手爪驱动机构上部放大图

图4 手爪驱动机构下部放大图

图5 分选工作过程起始图

图6 分选工作拨动过程图

图7 分选工作复位过程图1

图8 分选工作复位过程图2

图9 副爪抬起状态图

图中：横梁1、移动驱动伺服电机2、主支撑座3、移动座4、左导向杆5、丝杠螺母副6、副支撑座7、右导向杆8、右臂驱动9、左臂驱动10、右主动臂11、左主动臂12、右从动臂13、左从动臂14、动平台15、固定带轮16、齿形带17、摆动带轮19、缓冲弹簧板20、上端副杆支撑轴21、副杆22、下端副杆支撑轴23、主爪座24、铰接轴25、扭簧26、副爪座27、主爪28、副爪29、副爪驱动气缸30、动滑轮31、闸线32、闸线调整螺柱33、螺柱固定轴34、调整螺母35、闸线上端固定座36、闸线管上端固定轴37、闸线管上端固定座38、闸线管39、闸线管下端固定座40、闸线管下端固定轴41、闸线下端固定轴42、闸线下端固定座43。

具体实施方式

下面结合附图和实施例进一步详述本发明。

参阅附图1至附图9，本实施例是一种煤矸石分选并联柔性三自由度机器人，包括：移动机构、并联机械臂机构及手爪机构。

移动机构主要包括：横梁1、移动驱动伺服电机2、主支撑座3、移动座4、左导向杆5、丝杠螺母副6、副支撑座7、右导向杆8。横梁1两端固定有主支撑座3与副支撑座7，主支撑座3与副支撑座7之间平行固接有两根导向杆5与8，同时，在主支撑座3和副支撑座7之间与导向杆平行安装有丝杠螺母副6，主支撑座3外侧固定安装移动驱动伺服电机2，伺服电机2主轴与丝杠6一端固接，移动座4通过两根导向杆5与8组成移动副，同时，移动座4与丝杠螺母副6的螺母固接，移动座4通过丝杠螺母副6的螺旋传动，并在两根导向杆5与8导向作用下，实现移动动作，使机械手追踪传输带，当与传输带同速时，机械手开始拨动煤矸石。

并联机械臂机构采用呈左右对称分布结构方式，主要包括：左臂驱动10、右臂驱动9、左主动臂12、右主动臂11、左从动臂14、右从动臂13、动平台15、固定带轮16、齿形带17、摆动带轮19、缓冲弹簧板20、上端副杆支撑轴21、副杆22、下端副杆支撑轴23。左臂驱动10与右臂驱动9固定安装在移动座4下方外侧，左臂驱动10与右臂驱动9的输出轴分别与左主动臂12和右主动臂11固接，左主动臂12和右主动臂11的另一端分别与左从动臂14和右从动臂13铰接，同时，左从动臂14和右从动臂13的另一端分别铰接于动平台15，左臂驱动10、左主动臂12、左从动臂14分别与右臂驱动9、右主动臂11、右从动臂13呈对称分布。

动平台15水平保持机构采用了齿形带传动机构及副杆平行四边形机构。

齿形带传动机构连接方式采用一端带轮固定，另一端带轮摆动的形式，由于左侧臂与右侧臂呈对称分布，两侧结构相同，以左侧臂齿形带传动结构进行说明：固定带轮16固接于移动座4内侧，同时固定带轮16与主动臂12的关节驱动轴同轴分布，摆动带轮19安装在主动臂12与从动臂14的铰接轴上，随主动臂12一起摆动，并可相对主动臂12进行转动。齿形带17绕在固定带轮16与摆动带轮19上，并由涨紧轮18涨紧，摆动带轮19与固定带轮16的分度圆直径与模数相同。当主动臂12摆动时，绕在固定带轮16上的齿形带17开始带动摆动带轮19转动，其转动方向与主动臂12摆动方向相反，由于固定带轮16与摆动带轮19的直径与模数相同，所以当主动臂12摆动θ角度时，摆动带轮19沿相反方向转动θ角度，因此，固定安装在摆动带轮19上的缓冲弹簧板20与移动座4的相对角度保持不变；

副杆平行四边形机构主要由：从动臂14、副杆22、缓冲弹簧板20以及从动臂14和副杆22分别与动平台15的铰接点A与B之间的间距组成，其连接方式为：缓冲弹簧板20一端与摆动带轮19固接，另一端与上端副杆支撑轴21固接，副杆22上端与上端副杆支撑轴21铰接，副杆22下端与下端副杆支撑轴23铰接，下端副杆支撑轴23固接于动平台15上。该平行四边形可保持动平台15上两个铰接点A和B之间的连线与缓冲弹簧板20平行，通过齿形带传动机构与副杆平行四边形机构保持了动平台15的姿态始终水平，从而保证了下端连接的手爪28与29始终垂直向下。

由于机械手拨动煤矸石过程中会产生较大冲击，缓冲弹簧板20与齿形带结构将吸收由于冲击产生的震动，减少对机械手的破坏。

为适应不同规格煤矸石的分选，设计了手指可分离式手爪机构，手爪机构主要包括：主爪座24、铰接轴25、扭簧26、副爪座27、主爪28、副爪29、副爪驱动气缸30、动滑轮31、闸线32、闸线调整螺柱33、螺柱固定轴34、调整螺母35、闸线上端固定座36、闸线管上端固定轴37、闸线管上端固定座38、闸线管39、闸线管下端固定座40、闸线管下端固定轴41、闸线下端固定轴42、闸线下端固定座43。主爪座24固接于动平台15下平面，副爪座27通过铰接轴25与主爪座24铰接，扭簧26缠绕在铰接轴25端部，扭簧26的一端压在主爪座24上，另一端压在副爪座27上，通过扭簧26使副爪座27紧紧靠在主爪座24上，主爪28固接于主爪座24上，副爪29固接于副爪座27上，副爪驱动气缸30固接于横梁上端，动滑轮31铰接于气缸30推杆端部。

闸线上端固定座36与闸线管上端固定座38分别固接于横梁1上，并分布于动滑轮31上下两侧，螺柱固定轴33固接在闸线上端固定座36上，闸线调整螺柱33穿过螺柱固定轴34，通过调整螺母35将其固定于螺柱固定轴34上，闸线管上端固定轴37固接在闸线管上端固定座上38，闸线管下端固定座40固接于动平台15中间部位，闸线管下端固定轴41固接在闸线管下端固定座40上，闸线下端固定座43固接于副爪座27一端，闸线下端固定轴42固接在闸线下端固定座43上；闸线管39一端固接在闸线上端固定轴37上，另一端固定在闸线下端固定轴41上；闸线32一端与闸线调整螺柱33固接，绕过动滑轮31再穿过闸线管39，之后，闸线32另一端固接在闸线下端固定轴42上。

当分选大块煤矸石时，副爪驱动气缸30推杆伸出，在扭簧26扭力作用下，使副爪座27紧紧靠在主爪座24上，副爪29与主爪28同时垂直向下，共同拨动大块煤矸石；当分选小块煤矸石时，副爪驱动气缸30推杆缩回，动滑轮31拽动闸线32，克服扭簧26的扭力，拉动副爪座27，使副爪29离开主爪28，由主爪28单独拨动小块煤矸石。

如图5-8所示，煤矸石分选并联柔性三自由度机器人动作过程主要分为四步：

第一步、当传输带左侧有煤矸石时，移动驱动伺服电机2驱动丝杠6旋转，带动移动座4及并联机械臂移动，开始追踪皮带，当机械臂移动速度与传输带同步时，左臂驱动10与右臂驱动9同时驱动左主动臂12与右主动臂11摆动，并分别带动左从动臂14与右从动臂13使动平台15向左平动，使手爪从中间位置向左运动，在运动过程中将煤矸石拨出传输带；

第二步、左臂驱动10与右臂驱动9同时驱动左主动臂12与右主动臂11，通过左从动臂14与右从动臂13，带动动平台15，使手爪28与29抬起；

第三步、左臂驱动10与右臂驱动9继续驱动动平台15使手爪28与29向右平动，回到中间位置，同时，移动电机2驱动丝杠6，带动机器人回到追踪起点；

第四步、在左臂驱动10与右臂驱动9作用下，使手爪28与29下降回到初始位置。

当传输带右侧有煤矸石时，其运动方式与上述机械手向左侧运动过程相同。

以上所述仅为本发明较佳可行的实施例而已，并非因此局限本发明的权利范围，凡运用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变化，均包含于本发明的权利范围之内。

Claims (8)

1.一种煤矸石分选并联柔性三自由度机器人，包括拨动煤矸石的手爪，其特征在于，所述手爪连接有并联机械臂机构，并联机械臂机构包括移动座，移动座上设有两个对称设置的机械臂，每个机械臂包括驱动电机，驱动电机转轴上安装有主动臂，主动臂下方铰接有从动臂，两套机械臂的从动臂均与手爪连接；

每个机械臂上还设有动平台水平保持机构，动平台保持机构包括与驱动电机转轴固定的固定带轮，固定带轮通过齿形带连接有摆动带轮，摆动带轮与固定带轮分度圆直径和模数相同，摆动带轮安装在主动臂与从动臂的铰接轴上，随主动臂摆动，并可相对主动臂转动；摆动带轮上固定安装缓冲弹簧片的一端，缓冲弹簧片的另一端与副杆顶端铰接，副杆底端与手爪铰接；

在驱动电机转动时，固定带轮带动摆动带轮同步转动，使缓冲弹簧板与移动座的相对角度保持不变，手爪始终保持向下的姿态。

2.如权利要求1所述的一种煤矸石分选并联柔性三自由度机器人，其特征在于，所述每个机械臂上均设有两套固定带轮、摆动带轮及缓冲弹簧片，分别位于机械臂的前方和后方。

3.如权利要求1所述的一种煤矸石分选并联柔性三自由度机器人，其特征在于，所述移动座连接有驱动移动座前后平移的移动机构。

4.如权利要求3所述的一种煤矸石分选并联柔性三自由度机器人，其特征在于，所述移动机构包括横梁，横梁上设有移动驱动伺服电机，移动驱动伺服电机连接有丝杠，丝杠一侧平行的设有导向杆，移动座由丝杠驱动，沿导向杆平移。

5.如权利要求4所述的一种煤矸石分选并联柔性三自由度机器人，其特征在于，所述导向杆有两个，分别位于丝杠左右两侧。

6.如权利要求1所述的一种煤矸石分选并联柔性三自由度机器人，其特征在于，所述手爪包括主爪，主爪铰接有副爪，主爪和副爪的铰接轴处设有扭簧；所述副爪上还设有闸线，闸线连接有气缸；气缸可以通过拉动闸线使副爪克服扭簧弹力向上抬起。

7.如权利要求6所述的一种煤矸石分选并联柔性三自由度机器人，其特征在于，所述副爪有两个，分别铰接于主爪的前方和后方。

8.如权利要求6所述的一种煤矸石分选并联柔性三自由度机器人，其特征在于，所述闸线通过一个动滑轮与气缸连接，闸线末端还设有调整闸线长度的调节螺母。