CN112357618B - 一种精确称重的装车机械臂和装车方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种精确称重的装车机械臂和装车方法，包括：至少两个带有伸缩油缸以及位置状态传感器的铰链连接的臂段，臂段一端与旋转平台铰链连接并设位置状态传感器，臂段另一端与料斗铰链连接并设位置状态传感器，臂段上设有称重传感器，料斗上设有微调闸门；各个臂段的伸缩油缸、旋转平台的旋转机构、料斗的开合机构、微调闸门的开闭机构，以及各个位置状态传感器、称重传感器与控制器电连接。本发明利用传感器配合传统的机械臂以及称重传感器实现了对获取的每一料斗物料都进行称量，累计相加后得到准确的装载数量，并通过快速的扫描物料堆和装车料仓实现了快速精确的散装物料的装载过程，实现了料斗装载的无人化管理，提高了装载效率。

Description

一种精确称重的装车机械臂和装车方法

技术领域

本发明涉及一种精确称重的装车机械臂和装车方法，是一种运输装载机械设备和方法，是一种用于散装货物装车并称重的机械装置和方法。

背景技术

传统的翻斗机械装车通常有人工操作，通常装载价值较低的散装物料。由于价值较低装载过程基本不进行称量，只是通过料斗的获取量估算装载物料的量，因此装载后还需要称重，以确定精确的装载量并补充或卸掉部分物料，以确保符合计划装载量。称重过程降低了装载的效率。另一方面由于翻斗装载完全有人工操作，每次抓取货物时机械臂的伸缩、远近开合、移动的位置等控制都是随机的，完全根据机械臂操作人员的经验。由于人工操作的随意性，这种人工操作的装载过程很难达到较高的效率，因此如何提高装载机械臂的装车效率是一个需要解决的问题。

发明内容

为了克服现有技术的问题，本发明提出了一种精确称重的装车机械臂和装车方法。所述的机械臂和装车方法通过在机械臂上设置各种传感器，精确称量每次获取的货物量，并精确的控制获取物料的位置，并对获取物料的过程进行精确的计算，提高装载效率。

本发明的目的是这样实现的：一种精确称重的装车机械臂，包括：至少两个带有伸缩油缸以及位置状态传感器的铰链连接的臂段，所述的臂段一端与旋转平台铰链连接并设位置状态传感器，臂段另一端与料斗铰链连接并设位置状态传感器，所述臂段上设有称重传感器，所述的料斗上设有微调闸门；各个臂段的伸缩油缸、旋转平台的旋转机构、料斗的开合机构、微调闸门的开闭机构，以及各个位置状态传感器、称重传感器与控制器电连接。

进一步的，所述的旋转平台或者与地面固定连接，或者安装在行走机构上。

进一步的，所述的行走机构是自带动力的轮式或履带式行走底盘或无动力的轮式拖车。

进一步的，所述的料斗是抓斗，所述的微调闸门是抓斗开合端中部的一块或两块对开的活门。

进一步的，所述的称重传感器设置在抓斗和臂段连接的部位。

进一步的，所述的料斗是铲斗，所述的微调闸门是铲斗底部设置的活门。

进一步的，所述的称重传感器设置在臂段与旋转平台的连接处。

进一步的，所述的位置状态传感器是直线位移传感器或角位移传感器。

进一步的，所述的料斗上还设有物料堆积状态传感器，所述的物料堆积状态传感器与控制器电连接。

一种使用上述装车机械臂的精确称重的装车方法，所述的方法的步骤如下：

步骤1，获取物料信息：将装车机械臂安置于被装载的运输设备与物料堆之间，控制器通过上位机得到本次被装载物料参数，包括：物料的种类、重量、体积、干湿程度、颗粒大小；

步骤2，装载准备：或者事先获取物料堆参数和运输设备参数；或者物料堆积状态传感器对物料堆和被装载的运输设备进行扫描，确定物料堆参数和运输设备参数，物料堆参数包括：物料堆的位置、大小和形状，运输设备参数：包括：料仓的位置、大小和形状；

步骤3，制定装载计划：根据被装载物料参数、物料堆参数和料仓参数计算获取物料路径和堆放路径，以及每次机械臂各段伸缩的位置，每次料斗获取物料的重量，得到最佳装载计划或次佳装载计划；

步骤4，装载：根据最佳装载计划控制机械臂获取物料并根据计划路线将物料倾泻在料仓中，装载过程中对每次料斗中的物料进行称重，并合计已经装载的重量；

步骤5，结束装载：当根据已装载物料合计，达到最后一斗物料时，控制最后一斗物料在获取时大于应装入料仓的物料数量，使料斗中的物料略大于应装载物料数量，之后开启微调闸门泻出部分物料直至达到计划的重量，倾斜后结束装载。

本发明的优点和有益效果是：本发明利用传感器配合传统的机械臂以及称重传感器实现了对获取的每一料斗物料都进行称量，累计相加后得到准确的装载数量，并通过快速的扫描物料堆和装车料仓实现了快速精确的散装物料的装载过程，实现了料斗装载的无人化管理，装载过程中人员只需要监控，无需干涉即能够完成全部装载过程，提高了装载效率。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1是本发明实施例一所述系统的结构示意图；

图2是本发明实施例一、九所述系统的结构原理框图；

图3是本发明实施例六、七所述系统的结构示意图；

图4是本发明实施例十所述方法的流程图。

具体实施方式

实施例一：

本实施例是一种精确称重的装车机械臂，如图1、2所示。本实施例包括：至少两个带有伸缩油缸以及位置状态传感器的铰链连接的臂段1（图1中显示为两个臂段），所述的臂段一端与旋转平台2铰链连接并设位置状态传感器，臂段另一端与料斗3铰链连接并设位置状态传感器，所述臂段上设有称重传感器4，所述的料斗上设有微调闸门301；各个臂段的伸缩油缸5、旋转平台的旋转机构、料斗的开合机构、微调闸门的开闭机构，以及各个位置状态传感器、称重传感器与控制器电连接。

本实施例的基本原理是：将装车机械臂设置在物料堆6与运输机械7之间，由控制器（电脑）程序控制液压系统，从而控制机械臂的伸张与开合，伸展的远近及开合的大小由多个位置状态传感器监测，控制器根据位置状态传感器所监测的参数对机械臂的动作进行控制。

臂段的作用是几个臂段连接起来，生成伸缩的作用。臂段至少有两个，或更多个臂段。臂段之间通过铰链连接，形成一维约束，只保留二维极坐标旋转空间，旋转平面与水平面垂直（旋转平台水平固定时）。各个臂段通过调整各个臂段之间通过液压缸调整相互之间的角度形成料斗上下运动轨迹，配合旋转平台的二维水平面极坐标旋转，构成料斗的三维运动空间，使料斗能够达到旋转平台周围大部分位置。

旋转平台的作用提供一个基础骨架，所有设备均安装在平台上，平台上安装的臂段能够在平台上旋转。臂段与旋转平台之间可以通过液压或齿轮等方式生成相对的旋转运动。旋转平台可以通过地脚螺栓与地面固定，也可以是带有动力或不带有动力的车辆底盘。车辆底盘可以是带有轨道或没有轨道的轮式底盘，或者是履带型底盘。

料斗是获取物料的主要设施。料斗可以有多种形式，可以是抓斗、铲斗，或者挖斗，实现抓料、铲料或挖取物料的动作。料斗的选择根据现场的需要而设计选用。所述的料斗设有微调闸门，用于少量卸料物料，用于精确的控制料斗中的物料量。微调闸门根据料斗的形式不同而设置在料斗的不同位置，设计的要点是便于物料的流出。图1中显示的是抓斗的形式，微调料斗设置在抓斗开合唇部，见图1。

位置状态传感器的作用是监测臂段的位置状态，根据位置状态控制器能够计算出料斗的位置，实现精确的装载物料动作。位置状态传感器可以是安装在臂段之间的角位移传感器，通过监测臂段之间角度的变化，而测定臂段的位置变化。位置状态传感器也可以是直线位移传感器，安装在伸缩油缸上，用于监测油缸的伸缩的变化，进而计算出臂段的位置变化。臂段与旋转平台连接的部位也要设置位移传感器，用于监监测臂段在水平面内旋转的角度，这一传感器使用角位移传感器。

称重传感器的作用是称量料斗所获取的物料的重量。称重传感器可以是压力传感器或其他能够通过变形测量产生称重作用的传感器。当料斗为抓斗时，称重传感器根据料斗的不同形式而可以安装在机械臂的不同位置，以简单精确的方式获取料斗获取物料的重量。

控制器可以是工业PC或其他具有数字处理和存储能力的电子装置，对于油缸和旋转平台的机械控制可以采用PLC作为下位机进行动作控制，而运算和存储由工业PC完成。

实施例二：

本实施例是上述实施例的改进，是上述实施例关于旋转平台的细化，本实施例所述的旋转平台或者与地面固定连接，或者安装在行走机构上。

旋转平台可以是固定的，如在港口、煤炭储料场等应用场所，物料的运输设备的位置相对固定，可以将旋转平台使用底角螺栓固定在钢筋水泥基础上。

所述的行走机构可以是各种形式的车辆底盘，如带有轨道的或没有轨道的轮式车辆底盘，或者履带式底盘等。车辆底盘可以带有动力，如内燃机或电动机，或者没有动力，通过绞盘机或其他车辆牵引产生运动。

实施例三：

本实施例是上述实施例的改进，是上述实施例关于行走机构的细化，本实施例所述的行走机构是自带动力的轮式或履带式行走底盘或无动力的轮式拖车。

自带动力的轮式或履带式行走底盘可以是动机或内燃机驱动的汽车、履带式拖拉机底盘，并附有相应的配重和平衡支撑等设施。

实施例四：

本实施例是上述实施例的改进，是上述实施例关于料斗和微调闸门的细化，本实施例所述的料斗是抓斗，所述的微调闸门是抓斗开合端中部的一块或两块对开的活门。

抓斗是一种两个对开的铲子通过开合运动产生抓取散装物料和倾斜物料的设施。抓斗通常是用钢索悬挂着两个通过铰链连接的铲子。获取物料时抓斗利用本身的自重将打开的两个铲子插入物料堆中，之后利用动力将两个铲子合起，将物料抓入两个铲子内。卸料时打开两个铲子，物料自然落下。为精细的调节抓斗中的物料量，可以在两个铲子的开合唇部的任意一侧或两侧设置一个或一对活门，当需要放出部分物料时，打开活门，使活门附近（上方）的物料下落，一旦达到物料的重量要求时则关闭活门。活门可以用液压刚或液压摆动缸实现开闭，也可以使用电动螺杆等动力设施实现开合。

实施例五：

本实施例是上述实施例的改进，是上述实施例关于称重传感器的细化，本实施例所述的称重传感器设置在抓斗和臂段连接的部位。

由于抓斗是悬挂在臂段下方的，抓斗以及都中的物料在钢索上是垂直向下的，因此可以传感器测量悬吊钢索上的应力就能够准确测量出抓斗所抓取物料的重量。因此本实施例将称重传感器设置在抓斗与臂段衔接的部位。

实施例六：

本实施例是上述实施例的改进，是上述实施例关于料斗和微调闸门的细化，本实施例所述的料斗是铲斗，所述的微调闸门是铲斗底部设置的活门3011，如图3所示。

铲斗是一种能够翻动的料斗，装料是将铲斗水平状插入物料对中，使部分物料进入铲斗，再将铲斗翻起获取物料，卸料时将向下翻铲斗，将物料倾泻出料斗。微调闸门设置在铲斗翻起时的底部（见图3），活门开启时，物料能够从活门中落下。

实施例七：

本实施例是上述实施例的改进，是上述实施例关于称重传感器的细化，本实施例所述的称重传感器设置在臂段与旋转平台的连接处。

铲斗由于与臂段铰链连接，无法像抓斗那样安装称重传感器，因此只能采取检测检测的方式，即通过传感器测量机械臂对旋转平台的压力，在通过计算铲斗到旋转平台的转矩，间接获得铲斗所铲物料的重量。

实施例八：

本实施例是上述实施例的改进，是上述实施例关于位置状态传感器的细化，本实施例所述的位置状态传感器是直线位移传感器或角位移传感器。

位置状态传感器的作用是计算各个臂段伸出后距离旋转平台的旋转中心201长度l（见图1、3），由于各个臂段采用杠杆原理，通过伸缩油缸实现机械臂的摆动和伸缩，因此，对于机械臂的伸缩可以通过检测连接各个臂段的铰链的旋转角度获得，也可以通过伸缩油缸的行程测量获得，因此可以使用直线位移传感器或者角位移传感器。

实施例九：

本实施例是上述实施例的改进，是上述实施例关于料斗的细化，本实施例所述的料斗上还设有物料堆积状态传感器，所述的物料堆积状态传感器与控制器电连接。

物料堆积状态传感器可以是3D摄像机或激光雷达等具有测量物料堆大小和体积，以及测量运输工具的料仓大小的能力的电子设备。物料堆积状态传感器安装在料斗上。在进行装车之前，通过机械臂的带动，使物料堆积状态传感器对物料堆和运输工具的料仓进行扫描，确定物料堆的位置和大小，以及料仓的位置和大小，用以制定最佳的装车计划，实现精密高效的装车过程。

实施例十：

一种使用上述装车机械臂的精确称重的装车方法。本实施例所述方法的技术路线是：根据物料的特点以及在货场堆积的形状以及被装载运输设备的货仓形状，计算最佳的装载顺序。在承载过程中对每一料斗的物料进行精确称重，之后相加各个料斗所获取的物料量，最终得到计划装载的物料量。为精确控制装车量，在最后一斗物料获取时通常是补充最后剩余的量，因此可以多获取一些，之后通过料斗上的微调闸门泄露部分物料，使料斗中的物料正好达到计划装载量。例如：一辆需装载38.5吨的汽车到达指定装车区域后，使用抓斗的机械臂每次最大取料10吨（抓斗的大小可以根据用户的具体要求设计，最大单斗不超过20吨），那么机械臂每次取料的数据在程序里进行累加，直至最后一次程序按车辆需要装载的数据38.5吨减去累加数值得出结果小于单斗的最大量程，那么抓斗抓取料后会自动通过抓斗的微调闸门将抓取的多余料物漏出，直至达到几次抓取料物的累加数据等于38.5吨，并将最后一斗料物装车，至此装车结束。

本实施例所述的方法的具体步骤如下，流程如图3所示：

步骤1，获取物料信息：将装车机械臂安置于被装载的运输设备与物料堆之间，控制器通过上位机得到本次被装载物料参数，包括：物料的种类、重量、体积、干湿程度、颗粒大小。

最重要的物料信息就是本次装载的物料量，这一信息可以通过上位机传至本装车机械臂的控制器中，物料量主要指的是物料的总重量，误差通常不超过数千克。物料的种类也是一个重要信息。物料种类主要以装载特性分类，颗粒大小，如果小颗粒的如沙子等，大颗粒的石子等；颗粒均匀程度，如：沙子、成品的煤炭等，颗粒基本均匀，而矿石等颗粒大小不均匀。物料的干湿程度也会影响装车的过程，特别是物料颗粒较小时影响明显，因此只要有可能也需要获取物料的干湿程度的参数。

步骤2，装载准备：或者事先获取物料堆参数和运输设备参数；或者物料堆积状态传感器对物料堆和被装载的运输设备进行扫描，确定物料堆参数和运输设备参数，物料堆参数包括：物料堆的位置、大小和形状，运输设备参数：包括：料仓的位置、大小和形状。

物料的堆放形状和位置，以及货仓的位置对于装车过程是一种十分重要的参数，可以事先规定。如对物料堆积场的大小和物料堆积的形状予以规定，这样机械臂在获取物料时即便没有物料堆识别也能够准确的获取物料。同时规定运输机械在装载时的料仓位置，如卡车装载时，将车辆停靠在专门设置的装车位上，这样就可以在装车时料斗准确的在车厢中倾斜物料，而不会将物料失散到车厢之外。

物料堆积状态传感器安装在料斗上，扫描则是由机械臂的运动形成的，通过物料堆积状态传感器确定物料堆在堆积场上的位置和形状，以及被装载运输设备的料仓的位置和形状，确定两者与机械臂之间的精确位置，这样才能进行精确的装载。

步骤3，制定装载计划：根据被装载物料参数、物料堆参数和料仓参数计算获取物料路径和堆放路径，以及每次机械臂各段伸缩的位置，每次料斗获取物料的重量，得到最佳装载计划或次佳装载计划。

散装货物的装载关键在于均匀，即将计划装载的散装颗粒均匀的装载运输设备的料仓中，如卡车车厢、货运列车的车厢中或货运船只的船舱中。均匀的装车可以保障运输的安全以及尽可能多装载量，提高运输效率。对于抓斗或铲斗的装载机械来说，最大限度的获取物料并以最短距离将物料倾斜到运输设备的料仓中，也是一个必须考虑的问题。因此装载计划是：尽可能多的获取物料—找到最短的卸载路线—找到均匀料斗卸载位置。

步骤4，装载：根据最佳装载计划控制机械臂获取物料并根据计划路线将物料倾泻在料仓中，装载过程中对每次料斗中的物料进行称重，并合计已经装载的重量。

装载过程中对每一斗的物料都进行称量，如果是抓斗称量则直接通过抓斗吊索直接得到抓取物料的重量，如果是铲斗则需要通过计算力臂间接得到铲起物料的重量。

步骤5，结束装载：当根据已装载物料合计，达到最后一斗物料时，控制最后一斗物料在获取时大于应装入料仓的物料数量，使料斗中的物料略大于应装载物料数量，之后开启微调闸门泻出部分物料直至达到计划的重量，倾斜后结束装载。

为最终获得精确装载重量，最后一斗物料的重量计算最为重要。最后一斗物料相当于补充数次或数十次整斗装载后剩余的尾数。最后一斗通常获取时多获取一些，这样可以通过微调闸门的开启放出一些物料，以到达尾数量，形成精确的计划装载量。在一些情况下，当计算出的最后一斗物料量较小时物料的获取可能比较困难，可以减少倒数第二斗物料的获取量，用最后一斗物料进行补偿，达到精确获取的目的。

最后应说明的是，以上仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳布置方案对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案（比如料斗的形式、旋转平台的形式、步骤的先后顺序等）进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围。

Claims (6)

1.一种精确称重的装车机械臂，其特征在于，包括：至少两个带有伸缩油缸以及位置状态传感器的铰链连接的臂段，所述的臂段一端与旋转平台铰链连接并设位置状态传感器，臂段另一端与料斗铰链连接并设位置状态传感器，所述臂段上设有称重传感器，所述的料斗上设有能够少量卸去物料以精确控制料斗中物料量的微调闸门；各个臂段的伸缩油缸、旋转平台的旋转机构、料斗的开合机构、微调闸门的开闭机构，以及各个位置状态传感器、称重传感器与控制器电连接，所述的料斗是抓斗或铲斗，所述的称重传感器设置在抓斗和臂段连接的部位；当料斗为抓斗时，所述的微调闸门是抓斗开合端中部的一块或两块对开的活门，所述称重传感器设置在抓斗和臂段连接的部位；当料斗为铲斗时，所述的微调闸门是铲斗底部设置的活门，所述的称重传感器设置在臂段与旋转平台的连接处；所述的活门或者用液压缸或液压摆动缸实现开闭，或者使用电动螺杆动力设施实现开合。

2.根据权利要求1所述的装车机械臂，其特征在于，所述的旋转平台或者与地面固定连接，或者安装在行走机构上。

3.根据权利要求2所述的装车机械臂，其特征在于，所述的行走机构是自带动力的轮式或履带式行走底盘或无动力的轮式拖车。

4.根据权利要求1-3之一所述的装车机械臂，其特征在于，所述的位置状态传感器是直线位移传感器或角位移传感器。

5.根据权利要求4所述的装车机械臂，其特征在于，所述的料斗上还设有物料堆积状态传感器，所述的物料堆积状态传感器与控制器电连接。

6.一种使用权利要求5所述装车机械臂的精确称重的装车方法，其特征在于，所述的方法的步骤如下：

步骤1，获取物料信息：将装车机械臂安置于被装载的运输设备与物料堆之间，控制器通过上位机得到本次被装载物料参数，包括：物料的种类、重量、体积、干湿程度、颗粒大小；

步骤2，装载准备：或者事先获取物料堆参数和运输设备参数；或者物料堆积状态传感器对物料堆和被装载的运输设备进行扫描，确定物料堆参数和运输设备参数，物料堆参数包括：物料堆的位置、大小和形状，运输设备参数：包括：料仓的位置、大小和形状；

步骤3，制定装载计划：根据被装载物料参数、物料堆参数和料仓参数计算获取物料路径和堆放路径，以及每次机械臂各段伸缩的位置，每次料斗获取物料的重量，得到最佳装载计划或次佳装载计划；

步骤4，装载：根据最佳装载计划控制机械臂获取物料并根据计划路线将物料倾泻在料仓中，装载过程中对每次料斗中的物料进行称重，并合计已经装载的重量；

步骤5，结束装载：当根据已装载物料合计，达到最后一斗物料时，控制最后一斗物料在获取时大于应装入料仓的物料数量，使料斗中的物料略大于应装载物料数量，之后开启微调闸门泻出部分物料直至达到计划的重量，倾泻后结束装载；在一些情况下，当计算出的最后一斗物料量较小、物料的获取比较困难时，可以减少倒数第二斗物料的获取量，用最后一斗物料进行补偿，以达到精确获取的目的。

Images