CN116100585B - 一种用于煤矸抓取的欠驱动机械手及抓取方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种用于煤矸抓取的欠驱动机械手及抓取方法，包括：安装基座，与Z轴丝杠螺纹配合；Z轴旋转装置，架设在安装基座的下方；手爪平台，设置在Z轴旋转装置下方；手爪结构包括开合滑轨，其两端分别与手爪平台的两侧固定连接，两组分别设置在手爪平台前后；开合滑轨上分别滑动连接有两个开合滑块；执行连接件，其两端分别与异侧的两个相对的开合滑块之间固定连接；手掌安装板，分别通过两个手掌连接轴架设在执行连接件的下方；手掌，固定在手掌安装板底部；手掌外侧的下部设置有多个欠驱动手指结构；欠驱动单元，设置在手爪平台的顶部的一侧。该机械手实现矸石的稳定抓取，抓取过程平稳。手指为欠驱动，对矸石具有一定的自适应性。

Description

一种用于煤矸抓取的欠驱动机械手及抓取方法
技术领域
本发明涉及铁路工程技术领域，具体涉及一种用于煤矸抓取的欠驱动机械手。
背景技术
目前国内传统的洗选方法主要有人工选矸和机械洗选。人工选矸由于人员需求多、工作效率低、劳动力强度大、工作条件恶劣、对工人身心健康影响严重等问题。机械洗选主要包括重介洗选、跳汰洗选、浮选与干法洗煤等工艺。近年来，智能煤矿无人化受到广泛关注，实现无人分拣的煤矸分拣机器人的研究也逐渐深入，因此，抓取煤和矸石的末端执行器装置受到重视。
常见抓取煤和矸石的末端执行器采用的是气动机械手，通常通过气动控制两个夹持板的开合度，实现夹取。然而这类机械手存在一定问题，由于采用的是气动，因此机械手的开合度不易控制，开合速度是突变的，不能实现平稳抓取；此外，对不同形状的矸石的适应性较差。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供一种用于煤矸抓取的欠驱动机械手。该机械手实现矸石的稳定抓取，抓取过程平稳。手指为欠驱动，对矸石具有一定的自适应性。
为实现上述目的，本发明提供了如下的技术方案。
一种用于煤矸抓取的欠驱动机械手，架设在直角坐标机械臂上，所述直角坐标机械臂包括X轴机械臂、Y轴机械臂和Z轴机械臂；所述Z轴机械臂包括电机驱动的Z轴丝杠和两个引导杆，包括：
安装基座，与所述Z轴丝杠螺纹配合，并通过两个引导杆进行导向；
Z轴旋转装置，架设在所述安装基座的下方；
手爪平台，设置在所述Z轴旋转装置下方，通过Z轴旋转装置驱动转动；
开合驱动单元，设置在所述手爪平台的顶部；
两组对称设置的手爪结构；每组所述手爪结构均包括：
开合滑轨，其两端分别与所述手爪平台的两侧固定连接，两组分别设置在手爪平台前后；所述开合滑轨上分别滑动连接有两个开合滑块；
执行连接件，其两端分别与前后异侧的两个相对的所述开合滑块之间固定连接；两个执行连接件通过开合驱动单元驱动相对或相反运动；
手掌安装板，分别通过两个手掌连接轴架设在所述执行连接件的下方；
手掌，固定设置在所述手掌安装板底部；所述手掌外侧的下部设置有多个欠驱动手指结构；
欠驱动单元，设置在所述手爪平台的顶部的一侧；
欠驱动传动单元，包括六边形传动轴、两根蜗杆、两个蜗轮、四个固定设置在所述手掌的蜗轮轴支架、中间穿过所述蜗轮并且两端与所述蜗轮轴支架连接的两根蜗轮轴，以及两个固定设置在手爪平台一侧的六边形轴支架；所述六边形传动轴与所述蜗杆滑动配合；所述蜗轮与所述蜗杆相啮合；所述蜗轮与所述蜗轮轴通过键连接；所述欠驱动单元驱动所述六边形传动轴转动；两个所述蜗轮轴上分别固定设置有多个驱动绳；每个所述驱动绳分别驱动一个所述欠驱动手指结构弯曲。
优选地，所述Z轴旋转装置包括安装在所述安装基座的浮动轴；所述浮动轴下端固定连接着轴承基座；所述轴承基座底部固定连接有Z轴轴承；所述Z轴轴承底部固定连接着从动齿轮；所述轴承基座上面连接着Z轴电机支架；所述Z轴电机支架上固定连接有Z轴电机，所述Z轴电机驱动端固定连接有主动齿轮；所述主动齿轮与所述从动齿轮啮合；所述手爪平台固定设置在所述从动齿轮底部。
优选地，所述开合驱动单元包括电机架、驱动电机、主动锥齿轮和开合传动单元；所述驱动电机通过电机架架设在所述手爪平台的顶部，所述主动锥齿轮与所述驱动电机的输出轴传动连接；
所述开合传动单元包括从动锥齿轮、两个传动轴、固定设置在所述手爪平台左右各一个轴承与轴承座、安装在所述传动轴下端的同步带轮、安装在所述同步带轮上的同步带、安装在所述同步带前后各一个的同步带张紧板、固定设置在所述手爪平台前后的开合滑轨，以及与所述开合滑轨滑动配合的开合滑块；所述从动锥齿轮与主动锥齿轮相啮合；所述传动轴竖直放置且穿过所述轴承和轴承座，其中一个所述传动轴上端与所述从动锥齿轮固定连接；所述执行连接件的中间与所述同步带张紧板固定连接。
优选地，还包括四个固定设置在所述开合滑块上的开合连接件；每个所述执行连接件的两端，分别与两个所述开合连接件固定连接。
优选地，还包括两组防撞装置；每组所述防撞装置包括两个防撞件，分别对称，且与所述开合滑轨平行的设置在两个所述开合连接件同侧的一端；每一侧的其中一个所述防撞件的末端带有橡胶块。
优选地，每个所述欠驱动手指结构均包括近指节、中指节、远指节、近指节与中指节内部中间处各有一个小滑轮、每个指节关节处各有一个大滑轮和两个扭簧、每个滑轮通过安装轴与手指指节进行连接；每根所述驱动绳分别布置在一组手指中，每根所述驱动绳按一个大滑轮一个小滑轮的顺序依次穿过五个滑轮，一端连接所述远指节，一端连接所述蜗轮轴上，中间依次穿过手指中的滑轮。
一种用于煤矸抓取的欠驱动机械手的抓取方法，包括以下步骤：
煤矸使用皮带运输，经过位姿检测区域后，判断待抓取煤矸大小并得到待抓取煤矸的抓取位姿；所述直角坐标机械臂将欠驱动机械手移动到待抓取煤矸上方；
所述Z轴旋转装置将欠驱动机械手旋转到所需抓取的位姿处，对于小块煤矸，所述欠驱动机械手采用平行夹取的方法抓取小块煤矸；对于大块煤矸，所述欠驱动机械手采用包络抓取的方法抓取大块煤矸；
将抓取到的煤或矸石运送到指定区域。
优选地，还包括以下步骤：
步骤一：机械臂在X轴与Y轴方向上同时移动，直到出现在待抓取的煤矸上方；
步骤二：所述机械臂上的Z轴丝杠旋转，将机械臂上的机械手向下移动到适合抓取煤或矸石的高度，同时所述机械臂上Z轴旋转装置将机械手旋转到待抓取煤矸最合适的抓取角度；
步骤三：对于小块煤矸，所述欠驱动机械手上的手指在所述开合驱动单元的驱动下，向内移动实现平行夹取；对于大块煤矸，所述欠驱动机械手的手指在所述开合驱动单元的驱动下向内移动，同时手指在欠驱动单元的驱动下拉动绳索实现对待抓取大块煤矸的包络抓取；
步骤四：抓到待抓取煤矸后，直角坐标机械臂的X、Y、Z轴方向同时移动，将煤或矸石运送到相应的位置。
本发明有益效果：
相对于气动的机械手，此方法能够实现煤矸的稳定抓取，针对大小不同的煤矸，有不同的抓取方案。
本发明所提出的欠驱动机械手利用两个电机驱动26个自由度，一个电机驱动两个手的同步开合，另一个电机同时驱动8根手指的驱动绳移动。每个手指上的三个自由度依靠一根驱动绳实现手指的抓取动作，并且8根手指的抓取动作是一致的。
本发明所提出的欠驱动机械手通过对抓取效率与抓取稳定性两方面的考虑，针对不同粒度的煤矸设置了不同的抓取模式；对于粒度较小的煤矸使用抓取速度较快的平行夹取，对于粒度较大煤矸采用包络抓取。
本发明的机械手手指采用绳驱动的方案，手指的控制简单。手指在抓取煤矸时是被动自适应的。
附图说明
图1是本发明实施例的一种用于煤矸抓取的欠驱动机械手的整体结构图；
图2是本发明实施例的一种用于煤矸抓取的欠驱动机械手的Z轴旋转装置结构图；
图3是本发明实施例的一种用于煤矸抓取的欠驱动机械手的立体结构图；
图4是本发明实施例的一种用于煤矸抓取的欠驱动机械手的俯视图；
图5是本发明实施例的一种用于煤矸抓取的欠驱动机械手的侧视图；
图6是本发明实施例的一种用于煤矸抓取的欠驱动机械手的手指结构示意图；
图7是本发明实施例的稳定抓取方法流程图；
图8是本发明实施例的机械手使用方法流程图。
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。
实施例1
一种用于煤矸抓取的欠驱动机械手，如图1-8所示，包括：架设在直角坐标机械臂上，直角坐标机械臂包括X轴机械臂、Y轴机械臂和Z轴机械臂；Z轴机械臂包括电机驱动的Z轴丝杠1和两个引导杆3，还包括：安装基座4，与Z轴丝杠1螺纹配合，并通过两个引导杆3进行导向；Z轴旋转装置5，架设在安装基座4的下方；手爪平台6，设置在Z轴旋转装置5下方，通过Z轴旋转装置5驱动转动；开合驱动单元7，设置在手爪平台6的顶部；两组对称设置的手爪结构；每组手爪结构均包括：开合滑轨8-7，其两端分别与手爪平台6的两侧固定连接，两组分别设置在手爪平台6前后；开合滑轨8-7上分别滑动连接有两个开合滑块8-8；执行连接件9-3，其两端分别与前后异侧的两个相对的开合滑块8-8之间固定连接；两个执行连接件9-3通过开合驱动单元7驱动相对或相反运动；手掌安装板9-5，分别通过两个手掌连接轴9-4架设在执行连接件9-3的下方；手掌9-6，固定设置在手掌安装板9-5底部；手掌9-6外侧的下部设置有多个欠驱动手指结构12；欠驱动单元10，设置在手爪平台6的顶部的一侧；欠驱动传动单元，包括六边形传动轴11-2、两根蜗杆11-3、两个蜗轮11-4、四个固定设置在手掌9-6的蜗轮轴支架11-6、中间穿过蜗轮11-4并且两端与蜗轮轴支架11-6连接的两根蜗轮轴11-5，以及两个固定设置在手爪平台6一侧的六边形轴支架11-1；六边形传动轴11-2与蜗杆11-3滑动配合；蜗轮11-4与蜗杆11-3相啮合；蜗轮11-4与蜗轮轴11-5通过键连接；欠驱动单元10驱动六边形传动轴11-2转动；两个蜗轮轴11-5上分别固定设置有多个驱动绳12-8；每个驱动绳12-8分别驱动一个欠驱动手指结构12弯曲。
进一步的，Z轴旋转装置5包括安装在安装基座4的浮动轴5-7；浮动轴5-7下端固定连接着轴承基座5-6；轴承基座5-6底部固定连接有Z轴轴承5-5；Z轴轴承5-5底部固定连接着从动齿轮5-4；轴承基座5-6上面连接着Z轴电机支架5-1；Z轴电机支架5-1上固定连接有Z轴电机5-2，Z轴电机5-2驱动端固定连接有主动齿轮5-3；主动齿轮5-3与从动齿轮5-4啮合；手爪平台6固定设置在从动齿轮5-4底部。
进一步的，开合驱动单元7包括电机架7-1、驱动电机7-2、主动锥齿轮7-3和开合传动单元8；驱动电机7-2通过电机架7-1架设在手爪平台6的顶部，主动锥齿轮7-3与驱动电机7-2的输出轴传动连接；
开合传动单元8包括从动锥齿轮8-1、两个传动轴8-2、固定设置在手爪平台6左右各一个轴承与轴承座8-3、安装在传动轴8-2下端的同步带轮8-4、安装在同步带轮8-4上的同步带8-5、安装在同步带8-5前后各一个的同步带张紧板8-6、固定设置在手爪平台6前后的开合滑轨8-7，以及与开合滑轨8-7滑动配合的开合滑块8-8；从动锥齿轮8-1与主动锥齿轮7-3相啮合；传动轴8-2竖直放置且穿过轴承和轴承座8-3，其中一个传动轴8-2上端与从动锥齿轮8-1固定连接；执行连接件9-3的中间与同步带张紧板8-6固定连接。
进一步的，还包括四个固定设置在开合滑块8-8上的开合连接件9-1；每个执行连接件9-3的两端，分别与两个开合连接件9-1固定连接。
进一步的，还包括两组防撞装置9-2；每组防撞装置9-2包括两个防撞件，分别对称，且与开合滑轨8-7平行的设置在两个开合连接件9-1同侧的一端；每一侧的其中一个防撞件的末端带有橡胶块。
进一步的，每个欠驱动手指结构12均包括近指节12-1、中指节12-2、远指节12-3、近指节与中指节内部中间处各有一个小滑轮12-4、每个指节关节处各有一个大滑轮12-5和两个扭簧12-6、每个滑轮通过安装轴12-7与手指指节进行连接；每根驱动绳12-8分别布置在一组手指中，每根驱动绳12-8按一个大滑轮一个小滑轮的顺序依次穿过五个滑轮，一端连接远指节12-3，一端连接蜗轮轴11-5上，中间依次穿过手指中的滑轮。
本实施例中，其中一个电机驱动两个手的同步开合，另一个电机同时驱动8根手指的驱动绳移动。每个手指上的三个自由度依靠一根驱动绳实现手指的抓取动作，并且8根手指的抓取动作是一致的，多根手指的配合提升了对矸石包络抓取的效果。
本实施例中，针对不同粒度的煤矸设置了不同的抓取模式，对于粒度较小的煤矸使用抓取速度较快的平行夹取，对于粒度较大煤矸采用包络抓取，步骤如图7所示，具体包括以下步骤：
煤矸使用皮带运输，经过位姿检测区域后，判断待抓取煤矸大小并得到待抓取煤矸的抓取位姿；直角坐标机械臂将欠驱动机械手移动到待抓取煤矸上方；
Z轴旋转装置将欠驱动机械手旋转到所需抓取的位姿处，对于小块煤矸，欠驱动机械手采用平行夹取的方法抓取小块煤矸；对于大块煤矸，欠驱动机械手采用包络抓取的方法抓取大块煤矸；
将抓取到的煤或矸石运送到指定区域。
机械手使用方法的步骤如图8所示，包括以下步骤：
步骤一：机械臂在X轴与Y轴方向上同时移动，直到出现在待抓取的煤矸上方；
步骤二：机械臂上的Z轴丝杠1旋转，将机械臂上的机械手向下移动到适合抓取煤或矸石的高度，同时机械臂上Z轴旋转装置5将机械手旋转到待抓取煤矸最合适的抓取角度；
步骤三：对于小块煤矸，欠驱动机械手上的手指在开合驱动单元的驱动下，向内移动实现平行夹取；对于大块煤矸，欠驱动机械手的手指在开合驱动单元的驱动下向内移动，同时手指在欠驱动单元的驱动下拉动绳索实现对待抓取大块煤矸的包络抓取；
步骤四：抓到待抓取煤矸后，直角坐标机械臂的X、Y、Z轴方向同时移动，将煤或矸石运送到相应的位置。
以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种用于煤矸抓取的欠驱动机械手，架设在直角坐标机械臂上，所述直角坐标机械臂包括X轴机械臂、Y轴机械臂和Z轴机械臂；所述Z轴机械臂包括电机驱动的Z轴丝杠(1)和两个引导杆(3)，其特征在于，包括：
安装基座(4)，与所述Z轴丝杠(1)螺纹配合，并通过两个引导杆(3)进行导向；
Z轴旋转装置(5)，架设在所述安装基座(4)的下方；
手爪平台(6)，设置在所述Z轴旋转装置(5)下方，通过Z轴旋转装置(5)驱动转动；
开合驱动单元(7)，设置在所述手爪平台(6)的顶部；
两组对称设置的手爪结构；每组所述手爪结构均包括：
开合滑轨(8-7)，其两端分别与所述手爪平台(6)的两侧固定连接，两组分别设置在手爪平台(6)前后；所述开合滑轨(8-7)上分别滑动连接有两个开合滑块(8-8)；
执行连接件(9-3)，其两端分别与前后异侧的两个相对的所述开合滑块(8-8)之间固定连接；两个执行连接件(9-3)通过开合驱动单元(7)驱动相对或相反运动；
手掌安装板(9-5)，分别通过两个手掌连接轴(9-4)架设在所述执行连接件(9-3)的下方；
手掌(9-6)，固定设置在所述手掌安装板(9-5)底部；所述手掌(9-6)外侧的下部设置有多个欠驱动手指结构(12)；
欠驱动单元(10)，设置在所述手爪平台(6)的顶部的一侧；
欠驱动传动单元，包括六边形传动轴(11-2)、两根蜗杆(11-3)、两个蜗轮(11-4)、四个固定设置在所述手掌(9-6)的蜗轮轴支架(11-6)、中间穿过所述蜗轮(11-4)并且两端与所述蜗轮轴支架(11-6)连接的两根蜗轮轴(11-5)，以及两个固定设置在手爪平台(6)一侧的六边形轴支架(11-1)；所述六边形传动轴(11-2)与所述蜗杆(11-3)滑动配合；所述蜗轮(11-4)与所述蜗杆(11-3)相啮合；所述蜗轮(11-4)与所述蜗轮轴(11-5)通过键连接；所述欠驱动单元(10)驱动所述六边形传动轴(11-2)转动；两个所述蜗轮轴(11-5)上分别固定设置有多个驱动绳(12-8)；每个所述驱动绳(12-8)分别驱动一个所述欠驱动手指结构(12)弯曲。
2.根据权利要求1所述的一种用于煤矸抓取的欠驱动机械手，其特征在于，所述Z轴旋转装置(5)包括安装在所述安装基座(4)的浮动轴(5-7)；所述浮动轴(5-7)下端固定连接着轴承基座(5-6)；所述轴承基座(5-6)底部固定连接有Z轴轴承(5-5)；所述Z轴轴承(5-5)底部固定连接着从动齿轮(5-4)；所述轴承基座(5-6)上面连接着Z轴电机支架(5-1)；所述Z轴电机支架(5-1)上固定连接有Z轴电机(5-2)，所述Z轴电机(5-2)驱动端固定连接有主动齿轮(5-3)；所述主动齿轮(5-3)与所述从动齿轮(5-4)啮合；所述手爪平台(6)固定设置在所述从动齿轮(5-4)底部。
3.根据权利要求1所述的一种用于煤矸抓取的欠驱动机械手，其特征在于，所述开合驱动单元(7)包括电机架(7-1)、驱动电机(7-2)、主动锥齿轮(7-3)和开合传动单元(8)；所述驱动电机(7-2)通过电机架(7-1)架设在所述手爪平台(6)的顶部，所述主动锥齿轮(7-3)与所述驱动电机(7-2)的输出轴传动连接；
所述开合传动单元(8)包括从动锥齿轮(8-1)、两个传动轴(8-2)、固定设置在所述手爪平台(6)左右各一个轴承与轴承座(8-3)、安装在所述传动轴(8-2)下端的同步带轮(8-4)、安装在所述同步带轮(8-4)上的同步带(8-5)、安装在所述同步带(8-5)前后各一个的同步带张紧板(8-6)、固定设置在所述手爪平台(6)前后的开合滑轨(8-7)，以及与所述开合滑轨(8-7)滑动配合的开合滑块(8-8)；所述从动锥齿轮(8-1)与主动锥齿轮(7-3)相啮合；所述传动轴(8-2)竖直放置且穿过所述轴承和轴承座(8-3)，其中一个所述传动轴(8-2)上端与所述从动锥齿轮(8-1)固定连接；所述执行连接件(9-3)的中间与所述同步带张紧板(8-6)固定连接。
4.根据权利要求3所述的一种用于煤矸抓取的欠驱动机械手，其特征在于，还包括四个固定设置在所述开合滑块(8-8)上的开合连接件(9-1)；每个所述执行连接件(9-3)的两端，分别与两个所述开合连接件(9-1)固定连接。
5.根据权利要求3所述的一种用于煤矸抓取的欠驱动机械手，其特征在于，还包括两组防撞装置(9-2)；每组所述防撞装置(9-2)包括两个防撞件，分别对称，且与所述开合滑轨(8-7)平行的设置在两个所述开合连接件(9-1)同侧的一端；每一侧的其中一个所述防撞件的末端带有橡胶块。
6.根据权利要求3所述的一种用于煤矸抓取的欠驱动机械手，其特征在于，每个所述欠驱动手指结构(12)均包括近指节(12-1)、中指节(12-2)、远指节(12-3)、近指节与中指节内部中间处各有一个小滑轮(12-4)、每个指节关节处各有一个大滑轮(12-5)和两个扭簧(12-6)、每个滑轮通过安装轴(12-7)与手指指节进行连接；每根所述驱动绳(12-8)分别布置在一组手指中，每根所述驱动绳(12-8)按一个大滑轮一个小滑轮的顺序依次穿过五个滑轮，一端连接所述远指节(12-3)，另一端连接所述蜗轮轴(11-5)上，中间依次穿过手指中的滑轮。
7.根据权利要求1-6任意一项所述的一种用于煤矸抓取的欠驱动机械手的抓取方法，其特征在于，包括以下步骤：
煤矸使用皮带运输，经过位姿检测区域后，判断待抓取煤矸大小并得到待抓取煤矸的抓取位姿；所述直角坐标机械臂将欠驱动机械手移动到待抓取煤矸上方；
所述Z轴旋转装置将欠驱动机械手旋转到所需抓取的位姿处，对于小块煤矸，所述欠驱动机械手采用平行夹取的方法抓取小块煤矸；对于大块煤矸，所述欠驱动机械手采用包络抓取的方法抓取大块煤矸；
将抓取到的煤或矸石运送到指定区域。
8.根据权利要求7所述的用于煤矸抓取的欠驱动机械手的抓取方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：机械臂在X轴与Y轴方向上同时移动，直到出现在待抓取的煤矸上方；
步骤二：所述机械臂上的Z轴丝杠(1)旋转，将机械臂上的机械手向下移动到适合抓取煤或矸石的高度，同时所述机械臂上Z轴旋转装置(5)将机械手旋转到待抓取煤矸最合适的抓取角度；
步骤三：对于小块煤矸，所述欠驱动机械手上的手指在所述开合驱动单元的驱动下，向内移动实现平行夹取；对于大块煤矸，所述欠驱动机械手的手指在所述开合驱动单元的驱动下向内移动，同时手指在欠驱动单元的驱动下拉动绳索实现对待抓取大块煤矸的包络抓取；
步骤四：抓到待抓取煤矸后，直角坐标机械臂的X、Y、Z轴方向同时移动，将煤或矸石运送到相应的位置。
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