CN111940320B - 用于二次矸石识别的气动机械手装置及矸石二次识别方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于二次矸石识别的气动机械手装置及矸石二次识别方法，本发明包括力敏气动机械手结构、力敏检测系统和矸石二次识别方法。其中力敏气动机械手结构包括机架、驱动单元、传动单元、手爪平台和执行单元等；力敏检测系统包括检测硬件、程序单元、软件接口等。机械手爪夹持矸石后，计算机根据力敏检测数值换算目标质量，与矸石标准质量做对比，通过矸石二次识别方法校正矸石识别准确度，并执行动作集内对应动作。本发明可以准确地实现二次矸石识别，提高煤矸分拣机器人的矸石识别准确率，提高带式输送机上的大批煤矸流识别分拣效率及分拣可靠性，从而加快煤矸分拣机器人应用推广。

Description

用于二次矸石识别的气动机械手装置及矸石二次识别方法
技术领域
本发明涉及煤矸智能分拣装置，具体涉及煤矸分拣机器人气动机械手装置。
背景技术
末端执行器是煤矸智能分拣过程中至关重要的零部件，用以解决人工及传统分拣装置存在的缺陷：第一，人工作业灵活，能够根据触觉和视觉准确判定矸石，但会随着劳动强度及时间的增加而波动，导致拣矸率存在波动；第二，传统分拣装置主要利用物理方式实现矸石和煤的分层，导致能耗、水耗和污染等系列问题，且无法做到矸石的准确识别。
近年来，随着机器人应用的普及、对煤矸识别准确率的要求提高和解放劳动力的迫切需求，替代人工及传统分拣装置的煤矸分拣机器人末端执行器装置应运而生。末端执行器装置是机器人最重要的应用之一，机器人末端执行器技术广泛应用于汽车、军工、塑胶、电子等众多领域。
目前，煤矸分拣机器人执行装置应用的末端执行器主要负责分拣工作，其结构以关节、挡板为主，驱动方式包括气动、电动和液压等，缺乏分拣目标的信息检测，导致错抓、漏抓等现象。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于二次矸石识别的气动机械手装置及矸石二次识别方法，在于提高煤矸分拣机器人的矸石识别准确率，提高大批煤矸流识别分拣效率及分拣可靠性，从而加快煤矸分拣机器人应用推广。
本发明的技术方案是，一种用于二次矸石识别的气动机械手装置，其特征是包括直角坐标机械臂、力敏气动机械手结构和力敏检测系统；
直角坐标机械臂包括两条X关节、架设于两条X关节上的Y关节和竖直设置在Y关节上的Z关节；两条X关节均与Y关节滑动配合，Z关节与Y关节滑动配合；
力敏气动机械手结构包括机架、执行单元、固定设置在机架顶部的驱动单元和固定设置在机架底部的传动单元，机架的一侧固定设置在Z关节的末端；传动单元连接有手爪平台，手爪平台底部连接有执行单元；驱动单元驱动传动单元，使执行单元旋转，执行单元为手爪结构，通过气缸开合实现分拣动作；
力敏检测系统包括力敏传感器、信号放大器、采集控制器、数据接口和计算机；执行单元内嵌入力敏传感器，力敏传感器与信号放大器、采集控制器和数据接口依次连接。
用于二次矸石识别的气动机械手装置中，机架包括机械臂连接件、电机固定板、手爪连接件和两个机架侧板；机架侧板的顶部均与电机固定板固定连接，两个机架侧板的一侧与机械臂连接件的一侧固定连接，机械臂连接件另一侧固定设置在Z关节的末端，电机固定板的顶部固定设置有伺服电机。
用于二次矸石识别的气动机械手装置中，传动单元包括法兰盘、T型主轴、T型连接轴和与手爪连接件过渡配合的推力轴承；一个T型主轴的螺纹小端穿过推力轴承，经预紧螺母连接限位，与伺服电机的输出轴传动连接，T型主轴的螺纹大端位于手爪连接件下方，与法兰盘小端的四个定位孔固定连接；法兰盘的大端与力敏传感器的四个定位孔固定连接；T型连接轴的螺纹小端依次穿过手爪平台、力敏传感器中心螺纹孔，与限位螺母的下侧面固定连接，限位螺母上侧面与法兰盘大端的内腔上侧面抵接，T型连接轴的大端与手爪平台下侧面固定连接。
用于二次矸石识别的气动机械手装置中，执行单元包括两个气缸、两个夹持板和平行安装于手爪平台底面的两条直线滑轨；每个直线滑轨两端分别滑动设置有一个滑块，两个气缸按照中心对称固定设置于手爪平台顶面，每个气缸的推杆进给方向以手爪平台中心为正方向，两个夹持板顶端一侧均设有凸块，手爪平台开设有两条通槽，凸块与通槽配合，凸块穿过手爪平台，两个夹持板设置在手爪平台下方两侧，两个夹持板均通过夹板连接件与滑块固定连接，两个凸块分别与两个气缸的推杆连接，夹持板的下侧为带倾角斜面，斜面内侧安装有带倒钩的橡胶衬垫。直线滑轨可以保证抓取矸石尺寸的灵活性，而摩擦衬垫增大煤矸石和夹持板之间的摩擦，防止矸石滑落。
用于二次矸石识别的气动机械手装置的矸石二次识别方法是力敏气动机械手夹持矸石后，采集控制器将矸石标准密度和矸石体积发送到计算机，计算机得到矸石标准质量，对比力敏传感器获取的矸石检测质量，进行矸石识别，判断当前抓取矸石的状态为正常状态或异常状态，对应采取动作集中的正常抓取和放弃抓取。
用于二次矸石识别的气动机械手装置的矸石二次识别方法，其特征在于，矸石识别具体步骤如下：
步骤1：矸石标准密度为结合获取的几何参数矸石体积/>计算机计算出矸石标准质量/>由力敏传感器获取当前矸石Gi的质量/>Mcom为力敏检测系统的质量补偿参量，ε为矸石识别中，由矸石标准密度与当前矸石体积计算得来的矸石标准质量和当前矸石检测质量计算得到的质量差值，公式如下：
步骤2：计算机根据计算得到的质量差值ε，给定阈值，质量差值超过该阈值，则当前矸石Gi二次识别为煤并输出异常状态Ni＝0，小于该阈值则确定为矸石并输出正常状态Ni＝1，公式如下：
步骤3：根据矸石识别结果，执行对应动作集中抓取动作。
本发明有益效果：
本发明提供的一种用于二次识别的气动机械手装置及矸石二次识别方法，采用T型轴和螺纹的连接方式，在不影响分拣动作的基础上，嵌入力敏传感器于末端执行器中，保证矸石柔性分拣的基础上，实现煤矸智能分拣过程末端执行器的力信息测量。直线滑轨可以保证抓取矸石的灵活性，摩擦衬垫增大煤矸石和夹持板之间的摩擦，防止矸石滑落。
本发明提供的一种用于二次识别的气动机械手装置及矸石二次识别方法，采用力敏传感器、放大器、采集控制器及软件接口组成的测力系统实现力信息的采集，实现煤矸智能分拣过程末端执行器所测力信息的有效应用。
本发明提供的一种用于二次识别的气动机械手装置及矸石二次识别方法，结合一次识别结果的矸石几何参数，使用计算机对当前矸石的质量进行计算，结合力敏气动机械手获取的矸石检测质量，判定其为矸石的真实度，实现煤矸智能分拣过程的二次识别。
附图说明
图1是本发明实施例的机械手装置单元图。
图2是本发明实施例的气动机械手装置图。
图3是本发明实施例的力敏检测系统流程图。
图4是本发明实施例的二次识别流程。
附图标号说明:X关节1，Y关节2，Z关节3，机架4，机械臂连接件4-1，机架侧板4-2，电机固定板4-3，手爪连接件4-4，驱动单元5，伺服电机5-1，梅花弹性联轴器5-2，传动单元6，T形主轴6-1，限位螺母6-2，推力轴承6-3，法兰盘6-4，预紧螺母6-5，力敏传感器6-6，手爪平台6-7，T型连接轴6-8，执行单元7，滑块7-1，直线滑轨7-2，夹持板7-3，夹板连接件7-4，橡胶衬垫7-5，气缸7-6，手爪平台8。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
一种用于二次矸石识别的气动机械手装置，其特征在于，包括直角坐标机械臂、力敏气动机械手结构和力敏检测系统；
如图1所示，所述直角坐标机械臂包括两条X关节1、架设于两条所述X关节1上的Y关节2和竖直设置在所述Y关节2上的Z关节3；两条所述X关节1均与所述Y关节2滑动配合，所述Z关节3与所述Y关节2滑动配合；
所述力敏气动机械手结构包括机架4、固定设置在所述机架4顶部的驱动单元5和固定设置在所述机架4底部的传动单元6，所述机架4的一侧固定设置在Z关节3的末端；所述传动单元6连接有手爪平台6-7，所述手爪平台6-7底部连接有所述执行单元7；所述驱动单元5驱动所述传动单元6，使所述执行单元7旋转，所述执行单元7为手爪结构，通过气缸开合实现分拣动作；
如图3所示，所述力敏检测系统包括力敏传感器6-6、信号放大器、采集控制器、数据接口和计算机；所述执行单元7内嵌入力敏传感器6-6，所述力敏传感器6-6与所述信号放大器、采集控制器和数据接口依次连接。
如图2所示，所述机架4包括机械臂连接件4-1、电机固定板4-3、手爪连接件4-4和两个机架侧板4-2；所述机架侧板4-2的顶部均与所述电机固定板4-3固定连接，两个所述机架侧板4-2的一侧与所述机械臂连接件4-1的一侧固定连接，所述机械臂连接件4-1另一侧固定设置在所述Z关节3的末端，所述电机固定板4-3的顶部固定设置有伺服电机5-1。
如图2所示，所述传动单元6包括法兰盘6-4、T型主轴6-1、T型连接轴6-8和与所述手爪连接件4-4过渡配合的推力轴承6-3；一个所述T型主轴6-1的螺纹小端穿过所述推力轴承6-3，经预紧螺母6-5连接限位，与所述伺服电机5-1的输出轴传动连接，所述T型主轴6-1的螺纹大端位于所述手爪连接件4-4下方，与所述法兰盘6-4小端的四个定位孔固定连接；所述法兰盘6-4的大端与所述力敏传感器6-6的四个定位孔固定连接；所述T型连接轴6-8的螺纹小端依次穿过手爪平台6-7、力敏传感器6-6中心螺纹孔，与限位螺母6-2的下侧面固定连接，所述限位螺母6-2上侧面与所述法兰盘6-4大端的内腔上侧面抵接，所述T型连接轴6-8的大端与手爪平台6-7下侧面固定连接。
如图2所示，所述执行单元7包括两个气缸7-6、两个夹持板7-3和平行安装于所述手爪平台6-7底面的两条直线滑轨7-2；每个直线滑轨7-2两端分别滑动设置有一个滑块7-1，两个所述气缸7-6按照中心对称固定设置于所述手爪平台8顶面，每个所述气缸7-6的推杆进给方向以手爪平台6-7中心为正方向，两个所述夹持板7-3顶端一侧均设有凸块，所述手爪平台6-7开设有两条通槽，所述凸块与所述通槽配合，所述凸块穿过所述手爪平台6-7，两个所述夹持板7-3设置在所述手爪平台6-7下方两侧，两个所述夹持板7-3均通过夹板连接件7-4与所述滑块7-1固定连接，两个所述凸块分别与两个所述气缸7-6的推杆连接，所述夹持板7-3的下侧为带倾角斜面，所述斜面内侧安装有带倒钩的橡胶衬垫7-5。
矸石二次识别方法主要为计算机在机械手爪夹持矸石后，根据力敏检测数值，换算目标质量，校正矸石识别准确度，执行动作集内对应动作。
用于二次矸石识别的气动机械手装置的矸石二次识别方法是力敏气动机械手夹持矸石后，采集控制器将矸石标准密度和矸石体积发送到计算机，计算机得到矸石标准质量，对比力敏传感器获取的矸石检测质量，进行矸石识别，判断当前抓取矸石的状态为正常状态或异常状态，对应采取动作集中的正常抓取和放弃抓取。
如图3、图4所示，在本发明的描述中，机械臂通过X关节1、Y关节2、Z关节3的联动抓取矸石后，力敏传感器6-6得到抓取时刻的矸石质量信息并发送至信号放大器，采集控制器根据信号放大器的力敏信号获得力敏信息，通过数据接口传送至计算机，作为二次识别方法的矸石检测质量设置质量补偿参数Mcom，修正矸石检测质量。
根据现有的矸石体积参数和矸石标准密度/>计算机根据公式得出矸石标准质量/>
设置阈值εS，计算机根据矸石检测质量和矸石标准质量计算得到质量差值ε，公式如下：
当质量差值ε小于阈值εs时，当前矸石二次识别为矸石并输出正常状态Ni＝1，则力敏气动机械手完成抓取任务；
当质量差值ε大于阈值εs时，当前矸石二次识别为煤并输出异常状态Ni＝0，则力敏气动机械手完成抓取任务。
基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种用于二次矸石识别的气动机械手装置，其特征在于，包括直角坐标机械臂、力敏气动机械手结构和力敏检测系统；
所述直角坐标机械臂包括两条X关节(1)、架设于两条所述X关节(1)上的Y关节(2)和竖直设置在所述Y关节(2)上的Z关节(3)；两条所述X关节(1)均与所述Y关节(2)滑动配合，所述Z关节(3)与所述Y关节(2)滑动配合；
所述力敏气动机械手结构包括机架(4)、固定设置在所述机架(4)顶部的驱动单元(5)和固定设置在所述机架(4)底部的传动单元(6)，所述机架(4)的一侧固定设置在Z关节(3)的末端；所述传动单元(6)连接有手爪平台(6-7)，所述手爪平台(6-7)底部连接有执行单元(7)；所述驱动单元(5)驱动所述传动单元(6)，使所述执行单元(7)旋转，所述执行单元(7)为手爪结构，通过气缸开合实现分拣动作；
所述力敏检测系统包括力敏传感器(6-6)、信号放大器、采集控制器、数据接口和计算机；所述执行单元(7)内嵌入力敏传感器(6-6)，所述力敏传感器(6-6)与所述信号放大器、采集控制器和数据接口依次连接；
所述机架(4)包括机械臂连接件(4-1)、电机固定板(4-3)、手爪连接件(4-4)和两个机架侧板(4-2)；所述机架侧板(4-2)的顶部均与所述电机固定板(4-3)固定连接，两个所述机架侧板(4-2)的一侧与所述机械臂连接件(4-1)的一侧固定连接，所述机械臂连接件(4-1)另一侧固定设置在所述Z关节(3)的末端，所述电机固定板(4-3)的顶部固定设置有伺服电机(5-1)；
所述传动单元(6)包括法兰盘(6-4)、T型主轴(6-1)、T型连接轴(6-8)和与所述手爪连接件(4-4)过渡配合的推力轴承(6-3)；一个所述T型主轴(6-1)的螺纹小端穿过所述推力轴承(6-3)，经预紧螺母(6-5)连接限位，与所述伺服电机(5-1)的输出轴传动连接，所述T型主轴(6-1)的螺纹大端位于所述手爪连接件(4-4)下方，与所述法兰盘(6-4)小端的四个定位孔固定连接；所述法兰盘(6-4)的大端与所述力敏传感器(6-6)的四个定位孔固定连接；所述T型连接轴(6-8)的螺纹小端依次穿过手爪平台(6-7)、力敏传感器(6-6)中心螺纹孔，与限位螺母(6-2)的下侧面固定连接，所述限位螺母(6-2)上侧面与所述法兰盘(6-4)大端的内腔上侧面抵接，所述T型连接轴(6-8)的大端与手爪平台(6-7)下侧面固定连接；
所述执行单元(7)包括两个气缸(7-6)、两个夹持板(7-3)和平行安装于所述手爪平台(6-7)底面的两条直线滑轨(7-2)；每个直线滑轨(7-2)两端分别滑动设置有一个滑块(7-1)，两个所述气缸(7-6)按照中心对称固定设置于所述手爪平台(6-7)顶面，每个所述气缸(7-6)的推杆进给方向以手爪平台(6-7)中心为正方向，两个所述夹持板(7-3)顶端一侧均设有凸块，所述手爪平台(6-7)开设有两条通槽，所述凸块与所述通槽配合，所述凸块穿过所述手爪平台(6-7)，两个所述夹持板(7-3)设置在所述手爪平台(6-7)下方两侧，两个所述夹持板(7-3)均通过夹板连接件(7-4)与所述滑块(7-1)固定连接，两个所述凸块分别与两个所述气缸(7-6)的推杆连接，所述夹持板(7-3)的下侧为带倾角斜面，所述斜面内侧安装有带倒钩的橡胶衬垫(7-5)。
2.根据权利要求1所述的用于二次矸石识别的气动机械手装置的矸石二次识别方法，其特征在于，
力敏气动机械手夹持矸石后，采集控制器将矸石标准密度和矸石体积发送到计算机，计算机得到矸石标准质量，对比力敏传感器(6-6)获取的矸石检测质量，进行矸石识别，判断当前抓取矸石的状态为正常状态或异常状态，对应采取动作集中的正常抓取和放弃抓取；
所述矸石识别具体步骤如下：
步骤1：矸石标准密度为结合获取的几何参数矸石体积/>计算机得出矸石标准质量/>由力敏传感器获取当前矸石Gi检测质量/>Mcom为力敏检测系统的质量补偿参量，ε为矸石识别中，由矸石标准密度与当前矸石体积计算得来的矸石标准质量和当前矸石检测质量计算得到的质量差值，公式如下：
步骤2：计算机根据计算得到的质量差值ε，给定阈值，质量差值超过该阈值，则当前矸石Gi二次识别为煤并输出异常状态Ni＝0，小于该阈值则确定为矸石并输出正常状态Ni＝1，公式如下：
步骤3：根据矸石识别结果，执行对应动作集中抓取动作。
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